12 октября 1999 года: день, когда уроженец Даманхура увидел движение атомов. Ахмед Зевейл и фемтохимия

На скромном домашнем празднике в честь дня рождения в Египте гасят свет, зажигают свечи, и кто-то поднимает телефон, чтобы поймать момент, когда задувают первую свечу. Вы нажимаете на кнопку, потом смотрите на снимок — и видите, что он смазан: щека ребёнка превратилась в световое пятно, а свеча — в растянутую нить дыма. Вы говорите себе, что камера слишком медленная, что мгновение оказалось быстрее затвора. Эта мимолётная мысль, которая не займёт у вас и двух секунд, — тот самый вопрос, что ставил химиков в тупик целое столетие: как сфотографировать нечто, движущееся быстрее объектива?

Всё, что вас окружает, если приглядеться, — химические реакции: вспыхивающая спичка, тесто, поднимающееся под полотенцем на кухне, лист, вырабатывающий питательные вещества из солнечного света, лекарство, распутывающее узел боли в теле. Наука знала начало этой истории и её конец: вещества вступают в реакцию, вещества образуются, тепло можно измерить. А вот то, что происходит в середине, — момент, когда связь между двумя атомами ослабевает перед самым разрывом, — оставалось запертой дверью: мы видели её закрытой, потом видели открытой, но так и не видели руку, которая её поворачивает.

Это мимолётное состояние — не исходное вещество и не конечный продукт — химики назвали «переходным состоянием». Десятилетиями оно оставалось теоретическим понятием, чьи последствия можно было вычислить, но не увидеть, — как след на песке, по которому судишь о прохожем, которого сам не заметил. Затем наступило 12 октября 1999 года, когда Королевская шведская академия наук объявила о присуждении Нобелевской премии по химии египетскому учёному по имени Ахмед Зевейл. В официальной формулировке, опубликованной на сайте премии, говорилось, что она присуждена «за исследования переходных состояний химических реакций методом фемтосекундной спектроскопии». В тот день Калифорнийский технологический институт (Калтех), ссылаясь на обоснование самой Академии, заявил, что эта работа доказала: сверхбыстрая лазерная техника позволяет увидеть, как движутся атомы внутри молекулы в ходе реакции, и что такие реакции происходят за миллионную долю миллиардной доли секунды.

«Миллионная доля миллиардной доли секунды» — фраза, которая проходит мимо слуха, ничего не говоря, так что переведём её на понятный нам язык. Фемтосекунда — это одна миллионная миллиардной доли секунды; её отношение к целой секунде примерно равно отношению секунды к тридцати двум миллионам лет. Даже свет — самое быстрое, что есть во Вселенной, — успевает пройти за фемтосекунду лишь около трети микрометра, то есть расстояние в сотни раз тоньше человеческого волоса. Именно в этом временном промежутке колеблются атомы внутри молекулы: одно колебание обычно занимает от десяти до ста фемтосекунд. А значит, любая «камера», наблюдающая за реакцией, должна быть быстрее самого колебания — иначе снимок получится смазанным, как та фотография со свечой.

Идея, на которой строится фемтохимия, настолько изящна, что её можно объяснить старшекласснику. Сверхкороткий лазерный импульс делят на два: первый достигает молекулы и сообщает ей энергию, с которой начинается вся история, — тем самым точно фиксируется «нулевой момент». Второй импульс посылают вслед за первым с расчётной задержкой, причём задержку задаёт не электронная схема — ни один электронный таймер не способен делить время настолько тонко, — а удлинение пути, который проходит свет, на несколько микрометров: именно лишнее расстояние и становится лишним временем. Второй импульс считывает состояние молекулы в этот самый момент. Эксперимент повторяют много раз при разных задержках, показания накапливаются, как отдельные кадры, а из кадров складывается фильм.

Честности ради стоит сказать, чего не было: никто не сидел перед объективом и не увидел отдельный атом собственными глазами, как мы видим лицо в зеркале. Записывался «отпечаток» света, который молекула поглощала или испускала в каждый момент времени, — отпечаток, меняющийся вместе с расположением атомов и расстояниями между ними, — и именно из последовательности таких отпечатков заново выстраивается картина движения. Так что слово «камера» здесь — честная метафора для итогового результата, а не буквальное описание объектива и плёнки; мы намеренно проводим это различие, потому что упрощение науки не должно превращаться в заявление, которое идёт дальше того, что учёные действительно сделали.

Значение произошедшего в том, что химия перестала быть наукой, делающей выводы лишь по принципу «до» и «после». Измеримым стал сам путь — а не только его два конца, — и переходное состояние, которое прежде можно было только предполагать, превратилось в нечто, что можно спросить и получить ответ. Отсюда родилась целая область — «фемтохимия»: как рвётся связь, почему реакция идёт одним путём, а не другим, и где именно вмешивается катализатор. Тот, кто понимает решающий момент на этом пути, в принципе способен им управлять, и именно это с тех пор занимает исследователей в области катализа, энергетики и фармацевтики.

Автор этой работы родился 26 февраля 1946 года в Даманхуре, а вырос в Десуке. Он окончил с отличием факультет естественных наук Александрийского университета, там же получил магистерскую степень по спектроскопии — науке, изучающей свет, который излучает вещество, — а затем уехал получать докторскую степень в Пенсильванский университет, которую защитил в 1974 году. Через два года, поработав стипендиатом IBM в Калифорнийском университете в Беркли, он поступил на факультет Калтеха в 1976 году, где занял кафедру химической физики имени Лайнуса Полинга. В ноябре 2009 года его включили в первую группу научных посланников США — трое учёных, чьи имена были объявлены одновременно, — в чей мандат входили Северная Африка, Ближний Восток, а также Южная и Юго-Восточная Азия.

Тому, кто ищет в этой биографии чудо, придётся разочароваться — чуда в ней нет. Есть государственная школа в небольшом городе, факультет естественных наук в египетском университете и то, что нужно любому студенту в любой точке мира: преподаватель, который замечает ученика, и долгие годы терпения рядом с прибором, не дающим результата с первой попытки. Ахмед Зевейл стал третьим египтянином, получившим Нобелевскую премию, — после президента Анвара Садата (премия мира, 1978 год) и писателя Нагиба Махфуза (премия по литературе, 1988 год), — и первым египтянином, получившим её в области науки. Насколько нам известно на момент написания этих строк, он по-прежнему остаётся единственным египтянином — лауреатом Нобелевской премии в одной из естественных наук.

Затем наступил этап, который египтяне знают лучше, чем сам лазер, — Город науки и технологий имени Зевейла. Он был учреждён Законом № 161 от 2012 года, изданным в декабре того же года; на тот момент закон определял его как независимое научно-исследовательское учреждение с публичной правосубъектностью, не преследующее коммерческих целей, а его штаб-квартиру разместили в районе Шейх-Зайед города 6 Октября, в мухафазе (административной провинции) Гиза. Согласно тексту 2012 года, в состав города входили университет науки и технологий, научно-исследовательские институты в таких областях, как энергетика, медицина, материаловедение, экология, космос, нанотехнологии и информационные системы, а также центр передачи результатов исследований в практику, тогда называвшийся «Пирамида технологий». Город подчинили надзору Центрального контрольно-ревизионного управления Египта, а его излишки и доходы от текущей деятельности освободили от налогов и сборов.

Затем был издан Декрет-закон № 166 от 2019 года, вносящий поправки в закон об учреждении города, датированный 22 декабря 2019 года и вступивший в силу на следующий день после публикации в «Аль-Джарида аль-Расмия», официальном вестнике Египта. Поправка убрала из названия закона фразу «Национальный проект Египта по научному возрождению», добавила к названию города слово «инновации» — так он стал называться «Городом науки, технологий и инноваций имени Зевейла», закрепила его главную штаб-квартиру за городом 6 Октября в мухафазе Гиза и переименовала центр передачи технологий из «Пирамиды технологий» в «Долину науки и технологий» — именно под этим названием он и сегодня фигурирует на официальном сайте города. Кроме того, поправка полностью заменила текст статей с первой по седьмую: теперь у города появился попечительский совет во главе с министром, отвечающим за высшее образование, в составе которого десять видных учёных и пять представителей общественности, а также совет директоров, состав которого утверждается решением премьер-министра и который возглавляет исполнительный директор города, назначаемый решением премьер-министра на четырёхлетний срок с правом однократного продления.

Мы упоминаем эту поправку исключительно как законодательный факт: оценка пройденного городом пути требует цифр и опубликованных отчётов, а на момент написания этих строк у нас нет выверенных данных о числе студентов, выпускников и научных работ, которые мы могли бы представить читателю, — поэтому здесь мы ограничиваемся тем, что говорит закон, не более того. Для нас важно другое: идея «города научных исследований» получила в Египте законодательную основу — с номером и годом, — к которой любой гражданин может обратиться и которую может прочитать, а затем спросить — по праву, а не в качестве чьей-то любезности, — что из этого реально достигнуто.

Ахмед Зевейл скончался 2 августа 2016 года в возрасте семидесяти лет. Каждое 12 октября возвращается годовщина шведского объявления, а вместе с ней — вопрос куда более весомый, чем сам праздник: что нам делать с наследием человека, чьей профессией стало всматриваться в мгновение, которое больше никто не видит? Ответ, на наш взгляд, начинается не с бюджетов и не со зданий, а со школьной лаборатории, где работает кран, с учителя, который позволяет ученику дважды ошибиться в опыте, и с семьи, которая не считает, что сын «потерял два года», повторяя измерение, результат которого его не убедил.

Так что в следующий раз, вернувшись к размытому снимку свечи в своём телефоне, вспомните: перед вами тот же самый вопрос, что полвека занимал учёного из Даманхура — то, что кажется нам одним мгновением, на деле является историей со своим началом, серединой и концом, и мы не видим её не потому, что она медленная, а потому, что медленны наши глаза. Покажите ребёнку эту фотографию и расскажите, что египтянин придумал способ увидеть то, что происходит в миллиарды раз быстрее, — и что начинал он с такого же школьного класса, как у него.