Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Кальциевые пузырьки важны не только в анатомии и искусстве, они сформировали мировую экономику, а также очертили границы империй. Многие богатые кальцием бухты на южном побережье Англии имеют искусственное происхождение. На их месте существовали известняковые карьеры. Разработки известняка начались в этих местах около 55 года до н. э., когда туда прибыли римляне, очень ценившие этот минерал. Разведчики, посланные Юлием Цезарем, нашли красивый кремовый известняк в районе современного английского города Бир. Вскоре там появились римские камнетесы, принявшиеся добывать известняк для украшения фасадов. Английский известняк из района Бира использовался при строительстве Букингемского дворца, Лондонского Тауэра и Вестминстерского аббатства. В результате в прибрежных скалах остались огромные пустоты. Около 1800 года несколько местных парней, выросших на парусных лодках и изучивших все прибрежные лабиринты, играя в пятнашки, решили вспомнить свои детские увлечения и стать контрабандистами. Они научились прятать в известняковых бухтах французский коньяк, скрипки, табак и шелк, которые доставляли из Нормандии на быстрых катерах.

Контрабандисты (сами себя они предпочитали называть «свободными торговцами») озолотились за счет чудовищных пошлин, которыми английское правительство обложило французские товары, чтобы досадить Наполеону. Из-за дефицита изделий, попавших под этот налог, естественно, возник огромный спрос на них. Не в последнюю очередь из-за того, что береговая охрана не могла справиться с контрабандой, хоть и обходилась его величеству весьма недешево, в 1840-е годы парламент пошел на либерализацию торгового законодательства. Тогда торговля стала практически свободной, а с ней наступило и экономическое процветание, в итоге позволившее Великобритании превратиться в империю, в которой никогда не заходит солнце.

Эта история могла натолкнуть вас на мысль о том, что и наука о пузырьках имеет давнюю историю, но это не так. Выдающиеся естествоиспытатели, в частности Бенджамин Франклин (объяснивший, почему масло сглаживает небольшие волны с пенными барашками) и Роберт Бойль (экспериментировавший со свежей пенистой мочой и даже не гнушавшийся пробовать ее из собственного ночного горшка), без особого интереса относились к пузырькам. Первые физиологи иногда ставили опыты, связанные с пузырьками, – например, вдували различные газы в кровь полуживых-полурасчлененных собак. Но ученые, как правило, игнорировали сами пузырьки, их структуру и форму, оставляя изучение пузырьков тем, кто трудился в «недостаточно интеллектуальных» научных областях. Иногда эти области науки именовались «интуитивными». Интуитивная наука не является патологической. Просто относящиеся к ней области знания – например, коневодство и садоводство – хотя и изучают естественные феномены, но в течение долгого времени полагаются при этом скорее на догадки, наблюдения и журнальные публикации, чем на строго контролируемые эксперименты. Той интуитивной наукой, в которой нашлось место исследованию пузырьков, оказалась кулинария. Пекари и пивовары издавна использовали дрожжи – примитивные организмы, создающие вокруг себя множество пузырьков. Дрожжи нужны для того, чтобы хлеб заквашивался, а пиво сбраживалось. Но в XVIII веке повара, трудившиеся в области европейской высокой кухни, научились сбивать яичные белки в пышную воздушную пену, после чего принялись экспериментировать с безе, пористыми сырами, взбитыми сливками и капучино, которые мы сегодня так любим.

Тем не менее шеф-повара обычно не доверяли химикам и наоборот. Химик считал повара недисциплинированным и ненаучным ремесленником, повар химика – стерильным занудой. Лишь к 1900 году пузырькология превратилась в уважаемую научную дисциплину. Правда, те люди, благодаря которым это произошло, – лорд Кельвин и Эрнест Резерфорд – имели лишь самое туманное представление о том, к чему могут привести их исследования. На самом деле, Резерфорд гораздо больше стремился докопаться до самых глубин периодической системы, где в те годы фактически царила кромешная тьма.

В 1895 году Резерфорд, незадолго до того перебравшийся из Новой Зеландии в Кембриджский университет, целиком посвятил себя изучению радиоактивности. На рубеже XIX–XX веков эта область была не менее популярна, чем генетика во второй половине XX века и нанотехнология в XXI веке. Прирожденная энергичность подтолкнула Резерфорда к занятиям экспериментальной наукой, так как чистоплюем он никогда не был. Юность Резерфорда прошла за охотой на куропаток и выращиванием картошки на отцовской ферме. Поэтому он вспоминал, что в Кембридже ощущал себя «ослом в львиной шкуре» в окружении благородных академиков. Резерфорд носил пышные усы, которые придавали ему сходство с моржом, таскал в карманах радиоактивные образцы, курил крепкие сигары и трубку. Он был склонен выражаться причудливыми эвфемизмами – возможно, набожная жена просто умоляла его не браниться на людях – и самыми грязными проклятьями. Резерфорд не умел сдерживаться и клял на чем свет стоит лабораторное оборудование, когда оно отказывалось ему повиноваться. Возможно, чтобы как-то сгладить свою речь, Резерфорд очень любил громко (и довольно фальшиво) петь, затягивая что-то вроде «Вперед, Христовы воины!»[156], когда маршировал по полутемной лаборатории. Несмотря на такой жутковатый облик, одной из самых примечательных черт резерфордовского научного метода была изысканность. Пожалуй, во всей истории науки никто не умел выжимать секреты природы из лабораторной аппаратуры столь мастерски, как это делал Резерфорд. Одной из самых ярких иллюстраций его научного подхода является история о том, как наш герой смог разгадать принцип превращения одних элементов в другие.

Перебравшись из Кембриджа в Монреаль, Резерфорд заинтересовался тем, как радиоактивные вещества загрязняют окружающий воздух, повышая радиационный фон. В ходе исследования этого явления Резерфорд опирался на труды Марии Кюри, но новозеландский провинциал оказался гораздо изобретательнее своей знаменитой современницы. По мысли Кюри, радиоактивные элементы (среди прочего) испускают «чистую радиоактивность», напоминающую особый газ, и она заряжает окружающий воздух. Этим радиоактивные вещества подобны электрическим лампочкам, излучающим свет. Резерфорд подозревал, что «чистая радиоактивность» представляет собой пока не известный радиоактивный газообразный элемент, обладающий собственными характерными свойствами. В результате, пока Кюри месяцами вываривала сотни килограммов черного пузырящегося настурана, чтобы добыть микроскопические количества радия и полония, Резерфорд придумал обходной маневр и призвал на помощь саму Природу. Он просто оставил радиоактивные образцы под перевернутым лабораторным стаканом, чтобы собрать пузырьки неизвестного газа, а потом вернулся в лабораторию и нашел там все нужные ему вещества. Резерфорд и его ассистент Фредерик Содди быстро доказали, что радиоактивные пузырьки на самом деле представляют собой новый элемент – радон. А поскольку количество вещества под стаканом уменьшалось по мере выделения радона, исследователи догадались, что наблюдают превращение одного элемента в другой.

Резерфорд и Содди не только открыли новый элемент, но и обнаружили новый способ перемещения по периодической системе. При распаде атомы одних элементов становятся атомами других, перепрыгивая в таблице по горизонтали сразу на несколько клеток. Это было захватывающее, но еретическое открытие. За несколько веков ученым удалось дискредитировать и изгнать из своих рядов алхимиков-магов, пытавшихся синтезировать золото из свинца, а тут Резерфорд и Содди вновь возвращаются к подобным экспериментам! Когда Содди наконец поверил в происходящее и выпалил: «Резерфорд, это трансмутация!» – тот осадил его: «Ради бога, Содди, не называйте это трансмутацией. Нам просто снимут головы как алхимикам».

Вскоре образцы радона положили начало еще более удивительным исследованиям. Резерфорд произвольно назвал небольшие фрагменты, откалывавшиеся от радиоактивных атомов, альфа-частицами (он же открыл и бета-частицы). Опираясь на разницу в весе между разными «поколениями» распадающихся элементов, Резерфорд предположил, что альфа-частицы – не что иное, как гелий, выделяющийся из кипящей жидкости в форме пузырьков. Это значит, что элементы не просто могутперепрыгивать через две клетки периодической системы, как в обычной настольной игре; если уран действительно испускал гелий, значит, элементы могут перемещаться самым разным способом, как в игре со змейками и лесенками.

Чтобы проверить эту гипотезу, Резерфорд поручил стеклодувам с физического факультета изготовить для него две колбы. Первая была тонкой, почти как мыльный пузырь, и в нее Резерфорд закачал радон. Вторая была толще и шире, и в нее он поместил первую. У альфа-частиц имелось достаточно энергии, чтобы проникнуть через первое тончайшее стекло, а преодолеть второе они уже не могли. Таким образом, они оказывались «пойманы» во второй колбе, в которой в начале эксперимента был вакуум. Через несколько дней результат эксперимента оставался практически незаметным, ведь альфа-частицы бесцветны и практически никак себя не проявляют. Но потом Резерфорд пропустил через пустоту электрический ток. Если вы когда-либо бывали в мегаполисе, например в Токио или Нью-Йорке, то уже догадываетесь, что произошло. Как и все благородные газы, гелий светится под действием электричества, и волшебные частицы Резерфорда начали переливаться характерными гелиевыми желто-зелеными оттенками. Фактически Резерфорду пришлось зажечь одну из первых «неоновых» ламп, чтобы доказать, что альфа-частицы – это беглые атомы гелия. Это был великолепный пример резерфордовского изящества и его веры в зрелищную науку.