# Фрэнк Клоуз: «Каждый человек соткан из остатков погибшей звезды» Источник: https://www.youtube.com/watch?v=EsqKFr7E-Xs Канал: The Royal Institution Опубликовано: 06.12.2025 --- В 1993 году в стенах знаменитого Королевского института (The Royal Institution) известный физик-теоретик Фрэнк Клоуз представил серию Рождественских лекций, посвященных фундаментальному устройству материи. С помощью масштабных демонстраций и метафоры «космического лука» лектор увлек молодую аудиторию в путешествие сквозь пространство и время — от привычных бытовых предметов до субатомных частиц и первых мгновений после Большого взрыва. Эта лекция наглядно показывает, как эволюция научных инструментов расширила границы человеческого восприятия и позволила заглянуть в невидимые глубины Вселенной. ## 🧅 Космический лук и стрела времени [[JUMP:0:49]] Для понимания устройства Вселенной Фрэнк Клоуз предлагает использовать метафору «космического лука». Снимая слой за слоем, ученые продвигаются вглубь материи, чтобы отыскать самые мелкие кирпичики, из которых состоит абсолютно все вокруг. Верхний слой — это то, что человек видит невооруженным глазом. С углублением внутрь обнаруживаются атомы, затем их ядра, внутри ядер — еще более мелкие частицы, а на самом глубоком уровне находятся кварки, которые лектор называет первозданными семенами творения. Эти базовые элементы возникли в самом начале времен, когда Вселенная была невероятно горячей. По мере ее охлаждения они оказались скрыты внутри атомов и полностью исчезли из поля зрения. Процесс изучения материи можно представить как путешествие назад во времени. Сегодня человечество живет в холодной Вселенной спустя 15 миллиардов лет после Большого взрыва. Привычные химические элементы — углерод, кислород, азот и железо — сформировались в недрах угасающих звезд около 5 миллиардов лет назад. По словам Фрэнка Клоуза, атомы кислорода в наших телах были «сварены» в космическом пространстве задолго до появления Солнечной системы, а водород образовался примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва. Впоследствии в недрах звезд водород превратился в кислород, который разлетелся в пространстве после взрыва светил, став строительным материалом для Земли и людей. Таким образом, человек в буквальном смысле состоит из остатков погибших звезд. До отметки в 300 тысяч лет Вселенная оставалась настолько горячей, что отдельные компоненты атомов водорода хаотично двигались и не могли соединиться друг с другом. Ядра водорода сформировались еще раньше — в течение первых трех минут после Большого взрыва. Физики стремятся продвинуться еще дальше — к первым долям секунды, когда зарождались кварки. Лектор иронично сравнивает ученых с археологами, называя их «искателями потерянного кварка». При этом Фрэнк Клоуз призывает критически относиться к заявлениям в поп-культуре и кино о том, что теоретики вот-вот запишут единое уравнение Вселенной на одном листке бумаги. Он подчеркивает: > «Никто там не был. Никто точно не знает, каким был Большой взрыв». Задача науки — шаг за шагом приближаться к этой точке, опираясь на реальные факты и дорожные указатели. ## 🦴 О чем говорят древние кости и окаменелости [[JUMP:4:38]] Чтобы осознать масштаб 15 миллиардов лет, Клоуз предлагает примерить роль археологов, которые буквально выкапывают историю из земли. Проводя хронологические параллели, он демонстрирует исторические артефакты: * **100 лет назад** — эпоха до зарождения современной ядерной физики. * **1 000 лет назад** — нормандское завоевание Англии. * **100 000 лет назад** — период жизни ранних предков человека. Лектор демонстрирует настоящий человеческий череп этого возраста, найденный в Вустершире. * **100 миллионов лет назад** — эпоха динозавров, олицетворяемая в массовой культуре тираннозаврами. * **500 миллионов лет назад** — время формирования древнейших окаменелостей живых существ. В качестве примера Клоуз показывает окаменелые экскременты динозавра из Индии и трилобита из Вустершира. Наличие морских окаменелостей в центральной Англии доказывает, что в древности эта территория находилась под водой. Однако даже полмиллиарда лет — это лишь 1/30 часть пути к началу существования Вселенной. ## 🧪 Древний воздух и взрывоопасный водород [[JUMP:6:40]] Лектор предлагает аудитории сделать глубокий вдох, чтобы осознать удивительный факт: каждый человек в зале только что вдохнул атомы кислорода, возраст которых составляет 5 миллиардов лет. Воздух и вода на нашей планете непрерывно циркулируют с тех самых пор. Вода интересна тем, что помимо древнего кислорода она содержит водород — то самое первородное вещество Вселенной. Чтобы доказать это, прямо на сцене проводится эксперимент по электролизу воды. Электрический ток расщепляет воду на базовые атомные компоненты, и выделяющийся газ собирается в емкость. Чтобы удержать этот легкий первозданный газ от немедленного улетучивания в атмосферу, ассистент Брайсон собирает его в мыльные пузыри на ладони профессора. Внешне этот газ ничем не отличается от обычного воздуха, однако его истинная природа раскрывается при поднесении огня — пузыри взрываются с громким хлопком. Это и был чистый водород, атомы которого неизменно существуют со времен ранней Вселенной. ## 🎹 Электромагнитный спектр: симфония в одну октаву [[JUMP:9:12]] Главная тема лекций — это способность человека видеть и воспринимать окружающий мир. Человеческое зрение работает за счет того, что свет от источника излучения отражается от предметов и улавливается глазами. Однако видимый свет — это лишь крошечная часть электромагнитного спектра. Для наглядности Клоуз использует фортепиано, клавиши которого в центре раскрашены в цвета радуги. Инструмент служит аналогом связи между световыми и звуковыми волнами. В музыке человек способен слышать множество октав. В то же время диапазон видимого света, который воспринимают наши глаза, эквивалентен всего **одной октаве** в бесконечном электромагнитном спектре. Длина волны красного света ровно в два раза больше длины волны синего света, что в точности соответствует физическому соотношению звуковых волн на краях одной музыкальной октавы. В сторону укорочения волн (выше по клавиатуре) лежат ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-излучение. В сторону удлинения (ниже по клавиатуре) — инфракрасное излучение (тепло), микроволны и радиоволны. Фрэнк Клоуз напоминает, что до 1945 года человечество смотрело в космос исключительно через эту узкую замочную смену видимого света. С развитием радиолокации и технологий после Второй мировой войны ученые смогли открыть весь спектр, обнаружив во Вселенной невиданные ранее чудеса и «монстров». Для демонстрации того, как ограничено восприятие в рамках одной октавы, юная помощница Клаудия исполняет на модернизированном фортепиано мелодию, где звучат только клавиши «видимой радуги». Музыка кажется обрывистой и странной. Но как только профессор активирует всю клавиатуру, та же самая игра превращается в полноценное, богатое произведение. Точно так же открытие невидимых диапазонов излучения превратило плоскую картину космоса в грандиозную симфонию природы. ## 📸 Инфракрасный мир и природа реальности [[JUMP:14:16]] Чтобы заглянуть «за пределы радуги», ученые создают специальные приборы. Простейший эксперимент с призмой разделяет луч яркого света на спектр. Прибор под названием термостолбик (термопара), измеряющий интенсивность теплового излучения, помещается в синюю, а затем в красную область спектра. Когда датчик сдвигают еще дальше, в абсолютно темную для человеческого глаза зону за красным краем, стрелка на приборе резко взмывает вверх. Это доказывает существование невидимого инфракрасного тепла. Более продвинутый инструмент — тепловизионная инфракрасная камера, разработанная учеными из Малверна. Профессор сравнивает изображение обычной телевизионной камеры и инфракрасной на примере пламени газовой горелки Бунзена. В обычном свете пламя кажется небольшим и бледным. На тепловизоре же оно выглядит огромным, поскольку прибор фиксирует колоссальный шлейф горячего газа, излучающего инфракрасные волны. Эксперимент усложняют: горелку закрывают плотным черным экраном, который полностью блокирует видимый свет. Для обычных глаз пламя исчезает, но инфракрасная камера продолжает отчетливо видеть тепловой силуэт сквозь пластину. Если поместить перед экраном руку, тепловизор зафиксирует ее тепловой след, подобно тому, как полиция обнаруживает преступников в полной темноте. Этот опыт ставит важный философский и научный вопрос: что есть реальность? Какого размера пламя горелки на самом деле? По мнению Клоуза, ответ зависит исключительно от того, какую часть спектра вы используете для наблюдения. Обе картины реальны, но приборы позволяют нам выйти за рамки биологических ограничений. При демонстрации зрительного зала в инфракрасном свете теплые лица людей выглядят ярко светящимися, а волосы и одежда — темными. Стекла очков кажутся абсолютно черными, как солнцезащитные, поскольку они не пропускают тепловое излучение от кожи за ними. За инфракрасным диапазоном следуют радиоволны. Профессор упоминает курьезный факт: иногда люди с некачественно установленными металлическими зубными пломбами невольно начинают принимать радиосигналы, хотя и не могут контролировать выбор радиостанции. ## 🔭 Новое Солнце и преследования Галилея [[JUMP:20:12]] Ограниченность человеческого зрения наглядно иллюстрируют фотографии Солнца в разных диапазонах. В оптическом спектре Солнце выглядит как привычный желтый диск с редкими темными пятнами. Фотография в рентгеновских лучах открывает совершенно иную картину: бурлящие потоки сверхгорячего газа на поверхности. В ультрафиолетовом диапазоне ученые обнаружили гигантские протуберанцы — солнечные вспышки протяженностью в сотни тысяч километров, превосходящие по размерам Землю. Без приборов человечество даже не подозревало бы об их существовании. Клоуз проводит историческую параллель с Галилео Галилеем, который около 1600 года направил свой первый телескоп на Юпитер и обнаружил четыре его спутника. В те времена люди отказывались верить его открытию. Как отмечает лектор, Галилея обвинили в ереси и утверждали, будто эти луны не существуют в действительности, а являются лишь иллюзией, создаваемой самим телескопом. Спустя столетия человечество смогло отправить космические аппараты к Юпитеру и сфотографировать эти спутники вблизи. То, что для Галилея было лишь едва заметными точками света, оказалось реальными каменными глыбами, вращающимися в космосе. Профессор подчеркивает, что современные физики, разрабатывая сложные приборы для изучения микромира, занимаются ровно тем же самым: > «Мы создаем новые очки для наблюдения за мельчайшими объектами. Мы видим реальность, а не придумываем вещи, которых нет». ## 📄 Секрет семи сгибов листа бумаги [[JUMP:24:20]] Для демонстрации масштабов молекулярного мира Клоуз предлагает простую игру с бумагой. С каждым сгибанием толщина листа удваивается. Существует устойчивое практическое ограничение: обычный лист невозможно согнуть более 7 раз. В детстве Клоуз думал, что если бы у него был гигантский лист, он смог бы сгибать его бесконечно и построить лестницу до Луны. Чтобы проверить это предположение, на сцену вызывают добровольцев Говарда и Мэри, которым выдают огромный рулон бумаги длиной в несколько метров. Совместными усилиями под счет зала они начинают складывать бумагу пополам. Несмотря на огромную начальную площадь, на седьмом сгибе структура становится настолько жесткой, что сделать восьмой шаг физически не удается. Личный рекорд профессора и физический лимит остались непревзойденными. Причина этого феномена кроется в молекулярном строении вещества. Бумага состоит из молекул, прочно связанных друг с другом, что и обеспечивает ее форму. При каждом сгибе на углах молекулы приходится растягивать и уводить в сторону гораздо дальше, чем они «хотят». После семи сложений угол становится настолько огромным, что внутренние силы связи намертво блокируют дальнейшую деформацию, предотвращая разрыв материала. ## 💧 Как измерить молекулу и сосчитать внутренний мир человека [[JUMP:28:30]] Тот факт, что молекулы сопротивляются разрыву, позволяет ученым измерить их точные размеры с помощью простого оборудования — поддона с водой и порошка Lycopodium, выполняющего роль визуализатора для камер. Ассистент Брайсон аккуратно капает на поверхность воды микроскопическую каплю масла, объем которой заранее точно измерен. Попадая на воду, масло начинает стремительно растекаться, раздвигая порошок, пока резко не останавливается, образуя идеальный круг. Масляное пятно прекращает расширяться в тот момент, когда все молекулы выстраиваются в один слой. Они больше не могут раздвигаться, удерживая друг друга силами поверхностного натяжения. Зная исходный трехмерный объем капли ($V$) и итоговую двухмерную площадь получившегося круга ($S$), ученые находят недостающее измерение — толщину мономолекулярной пленки ($h = V / S$). Расчет показывает, что толщина молекулы составляет примерно **одну стотысячную долю миллиметра**. Зная объем одной молекулы, можно вычислить, сколько таких кирпичиков нужно для построения человека. Для этого требуется определить объем человеческого тела. Вместо классического метода Архимеда с погружением в полную ванну и сбором вытесненной воды, Клоуз использует специальные высокоточные весы. Вес юного добровольца из зала оказывается чуть менее 70 кг. Поскольку плотность человеческого тела близка к плотности воды, каждый килограмм эквивалентен одному литру объема. Следовательно, объем мальчика составляет около 70 литров. Сам профессор весит около 80 кг (80 литров). Компьютерный расчет выдает колоссальный результат: тело человека состоит примерно из $1 \times 10^{27}$ (единица с 27 нулями) молекул. Внутри каждой из этих молекул находятся атомы, а в них — отрицательно заряженные носители электричества, электроны. Это означает, что внутри каждого из нас скрыто по меньшей мере такое же невообразимое количество электронов, которые можно извлечь наружу для практических целей. ## 🌊 Морские волны и ограничения видимого света [[JUMP:34:45]] Почему молекулы и атомы нельзя увидеть обычным глазом, зная их размеры? Ответ кроется во взаимосвязи между размером объекта и длиной волны излучения, которым его освещают. Лектор использует графическую аналогию с морскими волнами. Если на пути крупной волны встречается маленькая лодка, волна просто огибает ее и идет дальше, «не замечая» препятствия. Лодка не отражает волну и остается невидимой для воображаемого наблюдателя на берегу. Если же на пути волны встает большой корабль, чьи размеры сопоставимы с длиной волны или превосходят ее, волны бьются о борт, отражаются назад и создают за кораблем область штиля (тень). Человек видит предметы вокруг только потому, что световые волны отражаются от них и попадают на сетчатку глаза. > Главное правило оптики: чтобы увидеть объект, длина волны излучения должна быть меньше размеров самого объекта. Для подтверждения этого тезиса используется волновая машина — резервуар с водой, где генерируются механические волны. При помещении в воду крупного объекта отчетливо видны отраженные волны и сформированная за ним зона тени. Когда же на пути тех же волн ставят тонкий штырь (аналог маленькой лодки), волны проходят сквозь него без малейших искажений и отражений. Для волн такой длины этот объект абсолютно невидим. Профессор демонстрирует макет волны зеленого спектра (середина человеческого восприятия), увеличенный в 10 миллионов раз. На этом же масштабе реальный атом оказывается меньше крошечного шарика от подшипника. Обычный зеленый или синий свет физически не способен отразиться от атома, так как он слишком велик для него. Чтобы разглядеть атом, ученым пришлось выйти за пределы видимой радуги и обратиться к рентгеновскому излучению. ## 🧬 Рентгеновская кристаллография и шифр жизни [[JUMP:38:47]] Открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в Германии около 100 лет назад ознаменовало начало революции в современной науке. Эти лучи обладают двумя ключевыми свойствами: они проникают сквозь мягкие ткани тела, оставляя тени костей на фотопластине, и имеют ультракороткую длину волны. Клоуз демонстрирует исторический первый снимок — руку жены Рентгена с отчетливо видимым свадебным кольцом на пальце. Второе свойство рентгеновских лучей нашло применение в изучении кристаллов. Профессор показывает кубическую модель кристалла поваренной соли (хлорида натрия). На атомном уровне атомы натрия и хлора выстраиваются в строгом геометрическом порядке, который многократно дублируется, формируя видимый кубический кристалл. Кристалл — это самый наглядный пример упорядоченной структуры атомов в макромасштабе. Длина рентгеновской волны сопоставима с расстоянием между атомами в кристаллической решетке. Проходя сквозь кристалл, рентгеновские лучи рассеиваются на атомах, создавая интерференционную картину. Этот метод, развитый отцом и сыном Брэггами в стенах Королевского института, получил название **рентгеноструктурного анализа** или **рентгеновской кристаллографии**. С помощью этого инструмента ученые смогли расшифровать сложнейшие структуры, включая строение молекулы ДНК, открытое Криком и Уотсоном примерно за 40 лет до проведения этой лекции. Клоуз обращает внимание на удивительную цепочку научных открытий: * В 1893 году на Рождественских лекциях никто в зале еще не знал о существовании рентгеновских лучей (до их открытия оставалось 2 года). * Затем лучи начали использовать для исследования костей и простых кристаллов соли. * Через 50 лет с их помощью открыли структуру ДНК — «молекулу жизни». * Еще через 40 лет эти знания легли в основу биотехнологической революции, генной инженерии и методов борьбы с неизлечимыми болезнями. Лектор подчеркивает, что фундаментальные исследования, движимые исключительно чистым научным любопытством, приводят к абсолютно непредсказуемым и грандиозным результатам в будущем. ## ⚡ Приручение электрона и человеческая батарейка [[JUMP:43:34]] Вторым великим открытием конца XIX века (1897 год) стало обнаружение электрона. Клоуз демонстрирует большую стеклянную сферу, внутри которой в разреженном газе извиваются яркие фиолетовые нити электрических разрядов. Когда вызванный из зала юный доброволец подносит руку к сфере, светящиеся лучи послушно устремляются к его ладони, следуя за движениями пальцев. Более того, когда мальчик берет в другую руку длинную люминесцентную лампу и направляет ее в сторону сферы, лампа начинает ярко гореть прямо в воздухе без каких-либо проводов. Электрический ток внутри сферы представляет собой поток летящих электронов. Сталкиваясь с атомами газа, они заставляют их излучать свет. Когда человек касается стекла, электрический заряд через его тело безопасно уходит в землю, увлекая за собой электронные лучи. Профессор отмечает, что аналогичный процесс происходит в живой природе: полярное сияние (aurora borealis) вызывается потоками заряженных частиц из космоса, которые заставляют светиться атомы в верхних слоях атмосферы Земли. Поскольку в каждом человеке содержится около $10^{27}$ электронов, Клоуз решает наглядно доказать, что люди могут работать как источник питания. Три добровольца из зала выстраиваются в цепочку, удерживая в руках металлические цилиндрические контакты, соединенные проводами с вольтметром. Как только профессор замыкает цепь, взяв последний контакт, стрелка прибора мгновенно отклоняется, фиксируя напряжение. Живая «человеческая батарейка» сработала: химические процессы на коже привели электроны в движение по замкнутому контуру. ## 📺 Электронный микроскоп и прогулка по атомным каньонам [[JUMP:48:28]] Способность электронов реагировать на магнитное поле легла в основу создания телевидения. Клоуз демонстрирует стеклянную вакуумную трубку-прототип: электронная пушка на одном конце выпускает пучок частиц, который при ударе о фосфорный экран на другом конце создает светящуюся зеленую точку. Поднесение обычного постоянного магнита заставляет эту точку мгновенно перемещаться по экрану. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их траекторией можно легко и точно управлять с помощью магнитных полей. Чтобы показать этот эффект на примере цветного телевизора, на сцену приглашают девочку Изабель. Камера выводит ее лицо на экран кинескопа. Когда Клоуз подносит мощный магнит близко к экрану, изображение мгновенно деформируется: лицо искажается, а цвета расплываются в противоестественные фиолетово-зеленые пятна. Это происходит из-за того, что магнит перенаправляет потоки электронов, летящих к внутренней поверхности экрана. Самое удивительное свойство электронов заключается в том, что они ведут себя не только как частицы, но и как волны. Управляя скоростью электронов с помощью напряжения, ученые могут делать длину их волны чрезвычайно маленькой — гораздо меньше, чем у видимого света или рентгеновских лучей. Это открытие позволило создать **электронный микроскоп**. Профессор демонстрирует серию снимков с электронного микроскопа с постепенным увеличением масштаба: 1. **Булавочная головка** — отчетливо видны неровности металла и шлифовальные бороздки. 2. **Бактерии на булавке** — на поверхности металла обнаруживаются мириады микроорганизмов, похожих на крошечные продолговатые палочки. 3. **Поверхность чистой меди** — при экстремальном увеличении идеально гладкий металл превращается в горный ландшафт с глубокими каньонами и отвесными утесами высотой в сотни атомов. Зрителям демонстрируют уникальную видеозапись «полета» над поверхностью меди с использованием атомного разрешения. На кадрах видны ровные ряды отдельных атомов, напоминающие облака при взгляде из самолета. В одном месте видна воронка, похожая на торнадо — это точка, где в кристаллической решетке меди не хватает пары атомов. ## 🔬 Квантовые волны IBM и гигантский микроскоп в Стэнфорде [[JUMP:53:44]] Возможность видеть отдельные атомы открыла путь к манипуляции ими. Клоуз показывает знаменитый снимок, сделанный учеными компании IBM в США: с помощью сканирующего туннельного микроскопа они смогли захватить отдельные атомы железа и выложить из них идеальное кольцо на поверхности меди. Однако самое интересное на этом снимке происходит внутри железного кольца. Медь является проводником, и электроны в ней могут перемещаться свободно. Но когда группа электронов оказалась заперта внутри барьера из атомов железа, они образовали четкие концентрические волны. Лектор сравнивает это с феноменом «криспаций» — волн, которые возникают на поверхности кофе, если резко протащить пластиковый стаканчик по полу. Этот снимок стал прямым экспериментальным доказательством волновой природы электронов на атомном уровне. Единственным ограничением для заглядывания еще дальше вглубь материи остается энергия электронного пучка: чем выше энергия, тем короче длина волны и тем более мелкие детали можно зафиксировать. Поскольку гигантский прибор невозможно привезти в лекционный зал, профессор демонстрирует фотографию Стэнфордского линейного ускорителя в Калифорнии. Установка представляет собой огромную двухмильную «телевизионную трубку». Электронная пушка разгоняет частицы с помощью колоссального напряжения в 20 миллиардов вольт. На выходе пучок электронов приобретает настолько малую длину волны, что он способен пробить ядра атомов и сфотографировать не просто протоны, а находящиеся глубоко внутри них **кварки**. В завершение лекции Фрэнк Клоуз подводит итог: современные ускорители частиц — это не просто сверхмощные микроскопы, это настоящие машины времени. Позволяя изучать кварки в условиях экстремальных энергий, они возвращают науку к моменту зарождения Вселенной, помогая пошагово реконструировать первые секунды после Большого взрыва и разгадать тайну создания мира.