Неслучайные случайности

Значит, не с иллюзорными явлениями имеют ученые дело, а с чем-то существующим, хотя пока еще и непонятным.

Семенов решил продолжить работу дальше. Подключил к ней молодого помощника Александра Шальникова, теперь члена-корреспондента АН СССР. Стали менять не давление кислорода, а объем сосуда. Брали колбы разных диаметров и смотрели, меняется ли величина критического давления. Меняется. Выписали его значения, написали рядом диаметры сосудов — посмотрели, посчитали; получалось, меняется оно обратно пропорционально квадрату диаметра. Так. Значит, есть четкая зависимость.

А если плавно менять объем сосуда?

Взяли большой цилиндрический сосуд, впустили в него немного кислорода, так чтобы его давление было ниже критического. Не идет реакция. Все правильно: и не должна идти. Потом стали потихоньку наливать в сосуд ртуть. Объем плавно уменьшался, давление росло, и вдруг в какой-то момент фосфор вспыхнул. Давление? Так и есть: критическое.

Ну что ж, можно, пожалуй, садиться за статью.

Ну что описать в ней, кроме самих опытов, — опять ничего? Снова признать, что шли вслепую, не ведая, что происходит? Но это значит опять поставить себя под огонь критики. Ведь пока не будет дано объяснение происходящему в рамках какой-нибудь новой теории, судить опыт будут по законам старой теории. А по ней то, что происходит сейчас, быть не может.

Но как понять, почему молекулы фосфора не желают соединяться с молекулами кислорода до какого-то давления, а потом начинают это делать весьма бурно, словно наверстывая упущенное?

Семенов, подводя итог первым экспериментам, набросал эмпирическую формулу, которая как-то описывала происходящие странности, учитывала влияние всех факторов на величину предельного давления кислорода. Но она не давала ответа на вопрос, почему это происходит. Почему?

Конечно, это самый интересный для нас момент, когда ученого вдруг осеняет догадка, когда секунду назад еще ничего не было, кроме страстного желания понять, досады оттого, что ничего не понимаешь, и кучи фактов, которые не знаешь, как расставить в уме, а потом, в следующее мгновение, в этом хаосе неожиданно забрезжит какой-то еще неясный порядок, и вот уже факты выстраиваются в ряды и держат равнение направо, откуда несется им навстречу блестящая идея. Она, словно доспехами, блещет выводами, которые делают ее неуязвимой для критики, над ней развевается белый кивер удачи, и она потрясает острым копьем, легко целя им в разбегающиеся сомнения.

Но как остановить это сладостное мгновение? Далеко не всем счастливцам в науке посчастливилось дважды — чтобы не только встретиться с озарением, но еще и запомнить все детали встречи.

Николай Николаевич честно признал: «Я уж сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка…» Жаль, конечно. Жаль, что не уловил этот миг, когда мелькнула счастливая догадка о том, что на свете, кроме неразветвленных цепных реакций, кроме боденштейновских цепей, есть еще и разветвленные цепи и что окисление фосфора идет именно по такому механизму.

Единственное, что известно, — такая идея озарила его вдруг, и случилось это где-то в конце 1926 или в самом начале 1927 года, а что сделал в сей миг Николай Николаевич, запрыгал ли по лаборатории, как Дэви, или остановился как вкопанный, подобно Лауэ, или закричал «Эврика!», как Архимед, или заперся в лаборатории, как Рентген, можно только гадать; автор открытия не помнит, а автор книги не хочет брать грех на душу и выдумывать то, чего не было.

Так что придется пропустить нам минуту, час или день, когда происходило таинство рождения новой идеи, и продолжить рассказ уже со следующего события, которое в силу своей реальности оставило зримый след. Этим событием, неизбежно следующим за догадкой, была попытка зафиксировать ее в виде расчета.

Вспомнив механизм боденштейновских неразветвленных цепных реакций, Николай Николаевич ясно увидел, что окисление фосфора вроде бы похоже на боденштейновские цепи, длиной хотя бы, но идет совсем по-иному, с разветвлением. Реакция расползается в разные стороны, как ветви дерева, множась и нарастая ежесекундно, как горная лавина, которая начинается с одного невинного камешка. Потому-то и выгорает с такой скоростью фосфор, когда давление кислорода выше критического.

Да, но почему тогда реакция вовсе не идет, когда оно ниже?

Если записать формулу, связывающую критическое давление с размером сосуда, то в знаменателе дроби стоит квадрат диаметра сосуда: чем он больше, тем значительно меньше давление.

Если диаметр безгранично велик, давление выражается нулем; это значит, что если у сосуда нет стенок, то никакого критического давления не существует — реакция может идти сколько ей влезет, пока разветвленная цепь не истощит запасы фосфора или кислорода.

Получается, что бурному развитию цепной лавины мешают стенки сосуда. Этот вывод неумолимо следовал из формулы, поэтому его нужно принять, а приняв, объяснить. Это сделать оказалось уже значительно легче. По словам Семенова, от анализа формулы до объяснения был всего один шаг. Небольшой шаг: нужно было лишь предположить, что активные частицы, скажем, атомы кислорода, ударившись о стенку колбы, захватываются ею. После этого у них уже, что называется, связаны руки, и они не способны принять участие в цепной реакции. Каждый такой прилипший атом сидит на стенке, смотрит, как другие его товарищи активно участвуют в превращениях, и ждет, когда подойдет к нему другой атом, чтобы, соединившись и образовав нейтральную молекулу кислорода, соскользнуть внутрь сосуда. Следовательно, цепь живет и разветвляется на участке от места ее зарождения до стенки. Чем уже сосуд, тем короче этот путь; при каком-то малом диаметре большая часть цепей вообще не успеет разветвиться. И получится, что количество выбывающих из игры атомов кислорода превысит число вновь рождающихся. Так объяснял поначалу сам себе Николай Николаевич явление критического размера.

Убедившись, что новая гипотеза пока прекрасно все объясняла, он попытался уразуметь следующий непонятный казус — критическое давление. Его существование также логично вытекало из гипотезы. Поскольку размер сосуда в опытах Харитона и Вальта был неизменным, число гибнущих активных частиц на стенке также было постоянным, а количество новых активных атомов зависело от давления кислорода. Когда его становилось так мало, что смертность атомов превышала их рождаемость, реакция замирала и дремала до тех пор, пока давление кислорода не повышалось выше критического.

Оставалось объяснить себе последний опыт — с аргоном. Это оказалось совсем просто, достаточно было представить, как инертные молекулы толкутся на дороге, по которой мчатся к стенке атомы кислорода, мешают им превышать скорость, охлаждают их пыл — вроде как орудовцы на скоростных магистралях, и сразу становилось понятным, почему уменьшается при этом критическое давление: атомы кислорода реже бьются о стенки, реже гибнут, и для поддержания реакции достаточно меньшего их количества.

Я рассказываю о том, как мыслил себе Николай Николаевич Семенов события, происходившие в экспериментах с окислением фосфора, ко я не могу здесь воспользоваться способом, каким ученый выражал свои представления, — это не только и не столько слова, это формулы и расчеты. Как ни логичны образные построения, если их не подкрепить математическими выкладками, вряд ли можно выходить на суд коллег; так, во всяком случае, принято в физике. Поэтому физик Семенов, неожиданно для себя оказавшийся втянутым в химическое изыскание, попытался прежде всего описать свою идею математически.

Когда была построена математическая теория разветвленных цепных реакций, автору открытия стало ясно, как он писал, «что полученные в опытах закономерности поразительно хорошо описываются теоретическими формулами». В тот момент, правда, ему еще не было ясно до конца, сколь значительно его открытие, как далеко оно простирает свое слияние среди химических процессов; понимание обширности пришло позже; но и тогда было достаточно причин, чтобы почувствовать радость и гордость за то, что сделано, и законное желание поделиться своей радостью с другими.