Задумываясь о том, что такое ритм, в первую очередь мы представляем себе временные промежутки между событиями. Регулярность и периодичность их следования мы часто склонны считать гармонией, а неправильность и хаотичность — диссонансом. Проще всего услышать ритм в музыке — и структура музыкального произведения, и длительность, и высота звучащих нот воспринимаются нами как непосредственное проявление времени.
Но ритм не обязательно связан со временем. Ритмичность, “правильность” следования можно увидеть и, к примеру, в законах строения вещества. Пожалуй, самым ярким примером этому служит периодический закон Менделеева.
Это величайшее открытие прошлого столетия стало логичным завершением трудов многих химиков, пытавшихся отыскать “путеводную нить” в невообразимом разнообразии химических элементов, опираясь на свойства многих из них.
Идея создания периодической таблицы, что называется, витала в воздухе: попытки систематизации химических элементов предпринимались многими учеными.
В 1817 году немецкий химик Иоганн Вольфганг Деберейнер выделил несколько групп по три элемента, обладающих сходными физическими и химическими свойствами. Атомные массы триад тоже подчинялись определенному правилу: масса среднего элемента примерно составляла среднее арифметическое масс самого легкого и самого тяжелого элементов триады.
В 1863 году Де Шонкуртуа расположил атомные массы по спирали на поверхности цилиндра, разделенной на вертикальные полосы. При этом элементы со сходными свойствами оказались расположенными на одной вертикали.
Джон Ньюлендс заметил, что если расположить элементы в порядке возрастания их массы, то каждый восьмой элемент будет чем-то подобен. Ньюлендс назвал это правило “законом октав” по аналогии с музыкальной октавой. Но его системе следовали только первые 17 элементов.
Периодическая система была создана Д.И. Менделеевым в 1869 году. Почти одновременно с этим, в 1870 году, Лотар Мейер продемонстрировал периодичность химических свойств элементов в зависимости от их атомной массы.
А как нам почувствовать этот ритм — ритм физической формы?
Современная наука представляет себе строение атома так: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого на электронных оболочках располагаются электроны. Заряд ядра уравновешивается общим числом электронов. Сами же электронные оболочки имеют свою тонкую структуру, так называемые уровни, на которых и поселяются электроны. Есть определенные физические законы заселения уровней электронами. Но самое важное для нас сейчас то, что физико-химические свойства элементов определяются прежде всего заселенностью оболочки с самым высоким уровнем энергии, так называемой конфигурацией. Как правило, это самая внешняя оболочка, а строение начинается и завершается в каждом горизонтальном ряду - периоде. Итак, у элементов одного периода разная конфигурация, но одно и то же количество электронных оболочек и одинаковое строение завершенных, внутренних оболочек (остова).
По мере развития Вселенной происходит эволюция химических элементов: от легкого водорода — к более тяжелым. Постепенно, шаг за шагом увеличивается заряд ядра, соответственно увеличивается и население электронных оболочек. Причем электроны могут появляться лишь на незавершенной оболочке. Так же постепенно (по мере роста заряда ядра) изменяются и свойства элементов.
Стремление к совершенству, которое выражается в завершенности всех электронных оболочек, настолько сильно, что именно оно определяет многие химические свойства элементов. Самые первые элементы каждого периода имеют по одному электрону на достраиваемой оболочке. До ее завершения им еще далеко. Этим элементам проще “отдать” свой единственный электрон в химических взаимодействиях, что они и делают, бурно реагируя даже с водой. По мере завершения оболочки элементы уже не так легко расстаются с электронами, а предпоследним элементам каждого периода уже проще “отобрать” недостающий электрон, нежели отдать свой. Стремясь к совершенству, они также бурно вступают в реакции. У последних элементов каждого периода все оболочки завершены, все уровни “заселены”. Они уже “совершенны”, и практически не вступают в реакции.
Но природа в своем творчестве не терпит остановок, химическая эволюция продолжается, и электроны следующих элементов вынуждены заселять новые оболочки. При этом они с готовностью оставляют “свое” ядро, вступая в реакции, результатом которых является совершенство завершенных оболочек, но уже в химических соединениях. До сих пор остается загадкой, будет ли когда-либо завершена вся Периодическая таблица и какой максимальной массой может обладать ядро.
Элементы со сходной конфигурацией, но разным остовом образуют вертикальные столбцы Периодической системы - группы. Химические свойства элементов одной группы различаются только скоростью вступления в химические реакции - чем тяжелее ядро, тем менее ярко выражены свойства группы. Очень тяжелые элементы, находящиеся внизу таблицы, неустойчивы - радиоактивны.
Первые три периода в таблице короткие. А начиная с четвертого в ней появляются “лишние” элементы. Все они обладают очень похожими физическими свойствами, и в быту мы их часто называем металлами. Чем же они отличаются? Оказывается, самой “энергетичной” у них является не внешняя подоболочка, а предпоследняя, поэтому с ростом заряда ядра сначала завершается ее строение, а уже потом - строение самой внешней.
Ритмичность изменения свойств элементов, отраженная в периодической системе, настолько ярка, что по ней можно проследить их основные физико-химические свойства. Электропроводность, тип наиболее характерной химической связи для соединений элементов, тип образуемой кристаллической решетки - все эти и другие свойства элемента могут быть определены по его местонахождению в Периодической системе. Сразу после открытия периодического закона в таблице было несколько белых пятен, которые довольно быстро заполнились благодаря тому, что стало ясно, какими свойствами должны обладать еще не открытые элементы.
Стремясь охватить все проявления периодичности, многие исследователи создавали свои формы Периодической системы. Наиболее известными сейчас являются короткая (в ней группы и подгруппы расположены в одном столбце, но выделены разным цветом), длинная (подгруппы расположены в горизонтальных рядах между группами), и лестничная, придуманная Нильсом Бором.
Начав разговор о ритмичности в строении вещества, проявляющейся в Периодическом законе, через представление о химической эволюции мы вновь вернулись к ритму как свойству всех процессов, протекающих во времени. Ритм есть везде, где есть развитие, это одно из всеобщих свойств природы, подмеченное еще в древности. “Все есть вибрация и ритм”, - гласит один из законов мифического Тота Гермеса. Ряд примеров, подтверждающих эту мысль, может привести и современная биология.
Чтобы разобраться в разнообразии природных объектов, наука стремится их как-то систематизировать, то есть подметить какие-то общие свойства и согласно им распределить объекты по группам. Чем более общим является признак, тем большую группу можно создать, а более мелкие, конкретные, уточняют родство объектов. Эти группы в биологии называют таксонами. Самый крупный таксон - это царство. Их всего четыре - животные, растения, микроорганизмы и грибы. Наиболее мелкими, то есть самыми “конкретными”, таксонами являются род и вид. (Можно провести параллель с семьей и отдельным человеком).
Существует закономерность проявления черт, присущих конкретному виду животных в их эмбриональном развитии. Самыми первыми проявляются черты таксона высшего ранга, потом - черты следующих, более мелких, и последними - черты вида. Так, например, в эмбриональном развитии млекопитающих первыми проявляются общие черты всех позвоночных животных. В ходе эмбриогенеза органы трансформируются, и зародыш постепенно приобретает конкретные черты вида, а также и собственные, индивидуальные. При этом стадии эмбрионального развития в ключевых стадиях как бы повторяют историю эволюции вида. Таким образом можно проследить эту историю, сопоставляя данные палеонтологии, эмбриологи и сравнительной анатомии. Конечно, не все так прямолинейно. И на любой стадии индивидуального развития могут произойти изменения, которые станут началом нового эволюционного этапа. Но они должны зафиксироваться на генетическом уровне, что, естественно, отразится на эмбриологическом развитии.
Но и сами генетические изменения тоже подчиняются некоторому ритму. В 1920 году Н.И. Вавиловым был открыт закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Закон был сформулирован для растений, но применим он и к животному миру. Оказалось, что родственные и близкие роды и виды проявляют удивительную правильность при наследственных изменениях (мутациях). Зная измененные формы одних родов и видов, можно предсказать вариации формы у родственных им и начать искать их. Искать буквально - в природе или экспериментируя. Подобно периодическому закону при поиске неоткрытых химических элементов, закон гомологических рядов позволяет найти новые формы живых организмов, основываясь на их “структуре”, то есть на строении их органов, окраске и т. д.
Как видно из этих примеров, развитие форм всех природных объектов происходит очень постепенно. Да, эволюция строения атомов элементов происходила при условиях, абсолютно не сравнимых с условиями развития живого мира на Земле. Но если для многих известных нам явлений можно сформулировать свои периодические законы, то как-то само собой возникает ощущение, что это проявление одного великого закона. Как его назовут в будущем - мы не знаем. Пока у нас есть только “рабочее” название - Его Величество Ритм.