Восхождение человечества

Идея отсутствующих элементов была продиктована научным вдохновением. Эти было практической реализацией того, что Фрэнсис Бэкон в общих словах сформулировал давным-давно: убеждения, что новые законы природы могут быть выведены или угаданы на основании старых. Догадка Менделеева продемонстрировала, что индукция в руках ученого — более тонкий инструмент, чем предполагали Бэкон и другие философы. В науке мы не можем продвигаться строго линейно от известных случаев к неизвестным. Скорее, мы разгадываем кроссворд: есть данные по горизонтальным осям и вертикальным, в отдельных точках они пересекаются, давая подсказки. Менделеев исследовал упорядоченные по атомной массе элементы в колонках и их сходство в рядах, чтобы увидеть пробелы в пересечениях. Он сделал практические предсказания и показал, как ученые на самом деле пользуются индукцией.

Очень хорошо: наибольший интерес представляют пустые ячейки в третьей и четвертой колонке. Я не стану продолжать рассказ о том, как строилась система, ограничусь замечанием, что если учесть промежутки и пойти вниз, то колонка оканчивается где и должна — бромом из группы галогенов. Из всех пропусков Менделеев выделил три. Первый располагался в третьей строке третьей колонки, второй и третий — в третьем и четвертом ряду четвертой колонки. Менделеев предсказал, что в скором времени на месте этих пробелов будут вписаны химические элементы с теми же свойствами, которыми обладают классы веществ в третьем и четвертом горизонтальных рядах.

Последовательность атомных масс не случайна, а систематична.

Ранний набросок Периодической системы химических элементов Менделеева, 1869 год.

Самый известный из прогнозов Менделеева и последний из подтвержденных был третий, который он назвал «эка-кремний». Он описал свойства этого странного и очень важного вещества с огромной точностью за двадцать лет до его открытия в Германии. Но новый химический элемент не получил названия, предложенного Менделеевым, его стали именовать германием. Менделеев определил, что «эка-кремний будет иметь свойства, промежуточные между кремнием и оловом», что его атомная масса будет в 5,5 раза больше, чем у воды (и оказался прав!), а его оксид будет в 4,7 раза тяжелее воды (и опять же не ошибся!). Менделеев очень точно описал и другие химические свойства металла.

Предсказания Менделеева сделали его известным во всем мире, но не в России, потому что царь не одобрял его либеральных взглядов. Англичане открыли целый ряд новых элементов — гелий, неон, аргон, что упрочило его авторитет. Однако в Российскую академию наук его так и не приняли, хотя во всем мире его имя было широко известно.

Но давайте пройдем дальше. Мы установили, что классифицировать атомы можно по числу. Но все-таки не могло быть так, чтобы все свойства элемента выводились из одной цифры, его атомной массы, которая скрывает — что? Масса атома может служить мерой его сложности. А если это так, то она должна скрывать некую внутреннюю структуру, которая придает ему физическую форму и определяет его химические свойства. Конечно, такая идея была немыслима во времена, когда атом считался неделимым.

Переломный момент наступил в 1897 году, когда Джозеф Джон Томсон из Кембриджа открыл электрон. Да, у атома есть составные части, он не неделим, на что намекает перевод его названия с греческого. Электрон — малая толика его массы, вполне реальная, несущая электрический заряд. Значит, каждый элемент имеет еще одну характеристику — число электронов в атоме. И их количество в точности равно номеру позиции, которую элемент занимает в таблице Менделеева, если учесть, что водород и гелий расположены под номерами один и два.

Таким образом, у лития три электрона, у бериллия — четыре и т. д. Таким образом, каждый элемент получил атомный номер, который соответствует его месту в таблице Менделеева. Внимание сместилось с атомной массы на атомный номер, а следовательно, что важно, — на атомную структуру.

С этого интеллектуального прорыва начинается современная физика и ее серьезные, «взрослые» открытия. Физика становится грандиозным коллективным трудом в науке и даже шире — грандиозным коллективным трудом в искусстве XX века.

Идея о том, что у атома есть структура — целый мир, захватила воображение художников сразу. Это видно по работам, которые начали создавать живописцы с первых же годов XX века. Например, серии полотен Умберто Боччони «Силы улицы» или картина «Динамизм велосипедиста». Современное искусство зарождалось одновременно с современной физикой, поскольку берет начало в тех же идеях.

Со времен публикации Ньютоном «Оптики» художников завораживали цветные поверхности вещей. В XX веке все изменилось. Как рентгеновский аппарат, художник смотрел на кость, скрытую плотью, и другие структуры, которые изнутри определяют общую форму предмета или тела. Такие художники, как Хуан Грис, занимались анализом структуры. Вспомните природные формы в его «Натюрморте» или человеческие формы в «Пьеро».

Художники-кубисты были без ума от кристаллов. Жорж Брак, например, воплощает в их формах селение на склоне горы в пейзаже «Дома в Эстаке», Пабло Пикассо использует этот прием для изображения женских фигур в групповом портрете «Авиньонские девицы». Начинался кубизм со знаменитого холста Пикассо «Портрет Даниэля-Генри Конвейлера». Художник отказался от традиционного изображения лица в пользу геометрии: голова натурщика разобрана на математические элементы, затем собрана, как реконструкция, сотворена заново.

Поиск скрытой структуры манил живописцев Северной Европы. Франц Марк, например, выполнил в этой манере пейзаж «Олень в лесу». Полотно художника Жана Метценже «Женщина на лошади», любимого многими учеными, купил Нильс Бор. Он был известным коллекционером живописных работ и хранил их в своем доме в Копенгагене.

Есть два четких различия между произведением искусства и научной работой. Во-первых, художник разбивает мир на фрагменты, а затем собирает их на одном холсте. Во-вторых, в процессе работы вы можете наблюдать за его мыслью. (Например, Жорж Сёра написал «Портрет молодой женщины с пуховкой» и «Ле Бек-дю-Хок. Грандкамп», ставя одну цветную точку рядом с другой — и так до тех пор, пока не возникла картина.) Ни то ни другое не применимо к научной работе. Она зачастую носит строгий аналитический характер, и процесс мышления скрыт за обезличенными формулировками.

В качестве темы для беседы я избрал Нильса Бора — одного из отцов-основателей физики XX века, поскольку в обоих отношениях он был великим художником. У него никогда не было готовых ответов. Даже лекции он начинал со слов: «Каждое предложение, которое я произношу, следует рассматривать как вопрос, а не как категорическое утверждение». Первое, что он поставил под вопрос, — строение Вселенной. И все, кто работал с ним, — начинающие и опытные исследователи — раскладывали мир на части, анализировали и заново собирали.

Начинал Нильс Бор вместе со своим однокурсником Эрнестом Резерфордом в 1910-х годах в лаборатории Томсона, выдающегося экспериментального физика. (Томсон и Резерфорд занялись наукой, следуя воле своих овдовевших матерей, впрочем, как и Менделеев). Резерфорд стал впоследствии профессором Манчестерского университета. А в 1911 году он предложил новую модель атома. Он утверждал, что основная масса атома находится в тяжелом ядре в центре, вокруг которого по орбитам кружатся электроны, как планеты вокруг Солнца. Безусловно, блестящая концепция! И какая ирония: спустя три столетия возмутительные идеи Коперника, Галилея и Ньютона вошли в научный оборот как нечто совершенно очевидное и естественное. Такое нередко бывает с гипотезами, которые опережают свое время.

Тем не менее не все с моделью Резерфорда было гладко. Если атом представляет собой маленький механизм, что обеспечивает движение в нем? Это что, маленький вечный двигатель, единственный, которым мы располагаем? Планеты, двигаясь по орбитам, постоянно теряют энергию. Следовательно, их орбиты становятся с каждым годом немного меньше, а со временем эти небесные тела непременно упадут на Солнце. Если электроны двигались бы так же, как планеты, то падали бы на ядро. Либо что-то должно предохранять их от постоянной потери энергии. Должен быть какой-то физический закон, который ограничивал бы потерю электроном энергии определенной величиной.