Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Всех остальных подобные вещи завораживают. К моей свояченице в больнице как-то раз с обеспокоенным видом подошла одна из медсестер и спросила, «не слишком ли много вокруг нее разного оборудования», а та ответила: «Нет, пусть привозят еще, я инженер!» Я хотел бы для начала отдать дань уважения инженерам во всем мире, о которых зачастую забывают. Почему-то считается, что более высокий статус имеют те, кто знаком с теорией, а не те, кто знает, как работает техника. Например, глубокое уважение вызывает способность объяснить, что происходит, когда мы помещаем молекулу воды в магнитное поле и воздействуем на атомы водорода при помощи радиочастоты, а потом «слушаем» сигналы, которые они отправляют нам в ответ. Но как сохранить магнитное поле невероятно устойчивым – настолько, чтобы трамваи, идущие по Университетской улице в Цюрихе, могли создавать помехи для ЯМР-спектрометров в находящемся аж в соседнем квартале ФИТ (Федеральном институте технологии)? Как принять крайне слабый радиосигнал, исходящий от образца, и преобразовать его в красивый сигнал, которого мы ожидаем от этого метода диагностики, зная теоретические основы метода? И как аналогово-цифровой преобразователь делает сигнал пригодным для компьютерной обработки? Вот лишь несколько примеров того, что для многих людей лишь технические детали.

Я скоро тоже наступлю на эти грабли, но должен сказать вот что: порой мне кажется, что умение заставить эти аппараты работать и производство их в больших количествах на заводах так же поразительно, как и лежащая в основе их работы наука. Я согласен, что для многих людей важнее принципы, стоящие за этой технологией. Любому понятно, что здоровенные блоки, окружающие эти аппараты, не пусты, а заполнены «электроникой»; гораздо важнее понимать, что слово «ядерный» в названии «ядерный магнитный резонанс» не подразумевает никакой радиоактивности или наличия ионизирующего излучения. Однако для химика, работающего за пультом управления ЯМР-спектрометром, понимание электротехники может быть важнее, чем знание деталей квантовой механики с применением операторной алгебры и уравнений Блоха, хотя в научном сообществе последнее считается гораздо более престижным.

Так что же на самом деле происходит внутри аппарата МРТ? Примерно в конце 30-х годов физики обнаружили, что ядра некоторых изотопов – например, привычный изотоп водорода ¹Н и очень редкий изотоп углерода ¹³С – ведут себя как крошечные магниты. Они решили измерить силу этих магнитов (их «магнитный момент») при помощи больших электромагнитов, но, поскольку существует фиксированное количество изотопов, вскоре все магнитные моменты ядер были каталогизированы, и к концу 40-х годов эта глава была дописана – по крайней мере, так думали ученые.

А потом кто-то осознал, что магнитное поле вокруг ядра – это не совсем то же самое, что поле, которое вырабатывали электромагниты, использованные для измерений. Его немного видоизменяют расположенные вокруг ядра электроны, которые имеют свои собственные крошечные магнитные моменты, связанные с их спином. Поскольку некоторые из них участвуют в образовании химических связей или даже переходят в другой атом, образуя ион, это еще сильнее модулирует магнитное поле. В результате слегка изменяется энергия, требующаяся для переключения маленьких ядерных магнитов из положения, когда они указывают в направлении внешнего поля (совсем как стрелка компаса указывает направление магнитного поля Земли), в положение, когда они указывают в противоположном направлении. Это изменение влияет лишь на пятый после запятой знак десятичной дроби, выражающей радиочастоту волн, которые мы направляем на вещество (или пациента) и обеспечиваем тем самым необходимую энергию. Однако этого достаточно – при условии хорошей работы инженеров, – чтобы сделать сигналы атомов водорода при атоме кислорода в воде отличными от сигналов атомов водорода, связанных с атомами углерода в белке.

В центре квантовой механики[264] находится идея существования отдельных энергетических уровней, таких как для ядра водорода лишь с двумя доступными ему опциями – теми, что мы, используя не самую удачную аналогию с миром больших твердых тел, называем «положительным спином» и «отрицательным спином». Забудьте принцип неопределенности Гейзенберга и знаменитое возражение Эйнштейна («Бог не играет в кости»), направленное на отдельные части квантовой теории: без квантования уровней энергии мы бы не смогли наблюдать опухоль мозга у Элизабет Тейлор да и вообще что бы то ни было. Существование зеленого, синего и красного цветов – это тоже эффект из области квантовой механики. Мир был бы серым, если бы уровни энергии атомов и молекул не были квантованы, принимая дискретные значения, а не образуя непрерывные полосы: именно эта их структура дает нам возможность видеть отчетливые цвета, а не просто оттенки серого.