Текст книги "Эврики и эйфории. Об ученых и их открытиях"

Автор книги: Уолтер Гратцер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 33 страниц)

Сны Кекуле

Август Кекуле фон Страдониц, один из основателей структурной органической химии, родился в Дармштадте в 1829 году. После гимназии он поступил в Гессенский университет, где обучался вместе с Юстусом фон Либихом – самым великим из химиков-органиков. Затем последовала учеба во Франции и Англии. Позже Кекуле возглавил кафедру химии в Университете Гента, а затем, в 1865-м, переехал в Бонн, где и провел остаток жизни. Историки науки часто вспоминают Кекуле в связи с его знаменитыми снами – однажды ночью его посетили два озарения, существенно повлиявшие на развитие химии.

Впервые это случилось в Лондоне. Кекуле, снимавший жилье в Клапаме, лондонском пригороде, обычно проводил вечера за беседами с другом, немецким химиком Гуго Мюллером. Обсуждали химию: речь чаще всего шла о структуре молекул, особенно занимавшей Кекуле, – как в молекуле расположены атомы и как может случиться, что два вещества, обладая одинаковым составом (скажем, 5 атомов углерода и 12 атомов водорода), все же различаются. После одного из таких разговоров Кекуле отправился домой последним омнибусом. Был теплый летний вечер, и ученый выбрал кресло на крыше повозки. То, что затем произошло, много лет спустя он описывал так:

Я впал в задумчивость, и вот атомы замельтешили передо мной. Всякий раз, когда эти миниатюрные создания являлись мне, они быстро двигались. Однако теперь я заметил, что часто два небольших атома объединяются в пару, эту пару захватывает больший атом, а еще большие удерживают три или даже четыре меньших, и все это вертится в головокружительном танце. Я увидел, как большие атомы складываются в цепь, увлекая за собой меньшие, но только если те оказываются на самом конце цепи.

Кекуле, разбуженный выкриком извозчика “Клапам-роуд!”, возвратился к себе в комнату и провел остаток ночи за набрасыванием формул, из которых впоследствии выросла его структурная теория. Было уже известно, что валентность атома углерода равна четырем – другими словами, атом углерода в сложных веществах способен удерживать четыре других атома. Отсюда и следовало, что та же молекула С₅Н₁₂ – пентан из приведенного выше примера – существует в трех формах, в группе СН₃ атом углерода связан с тремя атомами водорода, а в группе СН₂ – с двумя:

Похожее озарение посетило Кекуле и в Генте. На этот раз предметом его размышлений была молекула бензола, С₆Н₆. Ее можно назвать прообразом всех ароматических соединений – класса, к которому принадлежит львиная доля и природных и синтетических веществ, наиболее интересных химикам. Снова выдержка из мемуаров:

Я сидел и писал учебник, но работа продвигалась плохо: мои мысли были не здесь. В конце концов я развернул кресло к камину и задремал. Атомы снова заплясали у меня перед глазами, только на сей раз небольшие группы скромно держались на периферии. Мой мысленный взор, обостренный частыми видениями такого рода, теперь мог различать большие структуры во всем разнообразии их форм: длинные ряды, пригнанные вплотную друг к другу и при этом по-змеиному сдваивающиеся и вьющиеся. Но что это? Одна из змей ухватила свой собственный хвост и издевательски закружилась передо мной. Я очнулся словно от вспышки молнии – и снова потратил остаток ночи, работая над тем, что вытекало из моей догадки.

Догадка, разумеется, заключалась в том, что бензол – циклическая молекула, где шесть углеродных атомов образуют шестиугольник, к каждому углу которого прикреплен атом водорода. Адольф фон Байер, великий химик-органик, как-то заметил, что променял бы достижения всей своей жизни на одно это озарение Кекуле. Неудивительно, что в кекулевских змеях тут же – а то были времена расцвета фрейдизма – нашли сексуальный подтекст: и действительно, профессор жил один в холостяцкой квартире, в разлуке с женой, с которой встречался очень редко. Но что тогда только не толковали с точки зрения теории Фрейда!

Benfey О.Т., Journal of Chemical Education, 35, 21 (1958).

Таинственные лучи Рентгена

Вильгельм Конрад Рентген, выдающийся физик-экспериментатор, в 1883 году, в возрасте 43 лет, был назначен профессором и одновременно главой физического института при Университете Вюрцбурга в Баварии. Место это к тому моменту выглядело тихой заводью, однако Рентген, даже несмотря на привычку работать самостоятельно, оказался замечательным руководителем и превратил институт из посредственного в весьма неплохой научный центр. Ученого тогда особенно интересовало электромагнитное излучение, и он взялся разрешить спорный и крайне актуальный тогда вопрос: чем именно – частицами или волнами – являются недавно открытые виды излучений. В частности, отрицательно заряженные катодные лучи. Вот как он пришел к своему открытию, одному из самых поразительных в истории физики.

Вечером в пятницу, 8 ноября 1895 года, Рентген работал один в собственной лаборатории. Чтобы увидеть траектории катодных лучей, сгенерированных в вакуумной трубке, Рентген перегородил им путь флуоресцентным экраном. Разглядеть бледное зеленоватое свечение экрана в тех местах, куда попадали лучи, было трудно, поэтому ученый потушил свет во всем помещении. Катодную трубку пришлось обернуть черным картоном, чтобы не мешали вспышки искровых разрядов, за счет которых и возникали лучи. В темноте Рентген заметил мерцающее пятно света невдалеке от приборов. Возможно, свет пробивался через шторы – но ученый ничего такого не обнаружил.

Мерцала, как оказалось, буква, нарисованная фосфоресцентной краской. Рентген знал, что преодолеть даже полметра воздуха вне трубки катодные лучи неспособны. Значит, сквозь картон проходит какое-то вторичное излучение. Рентген поставил на его пути игральную карту, потом целую колоду – но и то и другое оказалось для излучения прозрачным. Даже книга отбрасывала на флуоресцентный экран всего-навсего слабую тень. Но когда ученый заменил прежние преграды небольшим куском свинца, рядом с его тенью Рентген с удивлением заметил контуры собственных пальцев и внутри них – очертания костей.

Рентген, без сомнения, мгновенно осознал, что совершил открытие, которое всколыхнет ровную поверхность физики XIX века. Примерно в то же время профессор Филипп фон Жоли советовал студенту Максу Планку, в будущем великому теоретику, сменить род занятий, так как с устройством вещества ученые уже почти что разобрались до конца.

В этот же исторический вечер Рентген установил, что излучение, названное им “икс-лучами”[2]2
  Термин сохранился до сих пор в английском языке, по-русски и по-немецки эти лучи традиционно называют рентгеновскими. (Здесь и далее – примеч. перев.)


[Закрыть], возникает там, где катодные лучи сталкиваются со стенками трубки. Выяснилось также, что новые лучи, в отличие от катодных, не отклоняются магнитным полем – значит, они лишены электрического заряда.

Еще несколько недель Рентгена редко видели вне лаборатории. Все это время он получал изображения самых разных предметов, включая, к ужасу подопытной, руку собственной жены: на снимке были отчетливо видны контуры колец и структура костей. Первый отчет, напечатанный в самом начале следующего года, стал сенсацией. Лорд Кельвин, один из крупнейших физиков того времени, считал статью розыгрышем, пока его не переубедили опыты, проведенные в других лабораториях мира. За несколько лет вышли тысячи статей, посвященных ретгеновским лучам. Довольно скоро их возможности осознали медики. Опасности, связанные с лучами, тоже выявились довольно быстро, и в игру вступили коммерсанты: одна английская фирма выпустила “рентгенозащитное” белье.

Для самого Рентгена открытые им лучи были причиной острого дискомфорта: он был свято предан классической физике, а то обстоятельство, что новое явление не вписывалось в классический миропорядок, очень расстраивало ученого. Самый заметный из его учеников, Рудольф Ладенбург, который позже стал профессором Принстонского университета, оказался в Вюрцбурге спустя несколько лет после истории с лучами, и Рентген поручил ему задачу по теории вязкости. Скорость падения шара в жидкости определяется ее вязкостью – по уравнению, выведенному в середине XIX века кембриджским ученым Стоксом. Рентгена же интересовало, что будет, если заключить шар и жидкость в узкую трубку, где неизбежно вязкое трение о стенки. Ради эксперимента специальную трубку провели через все этажи здания, от крыши до фундамента, и наполнили касторовым маслом. Если верить Ладенбургу, ничто не могло доставить Рентгену большего удовольствия, чем наблюдать за спуском шара в точно рассчитанный срок.

В 1901 году за открытие рентгеновских лучей ученому присудили самую первую Нобелевскую премию по физике, и несколько других физиков, также работавших с катодными лучами, получили повод сожалеть о том, что открытие сделано не ими. Фредерик Смит из Оксфорда однажды обнаружил, что фотопластинки, хранившиеся рядом с катодной трубкой, обычно засвечивались, и потому отодвинул их подальше, чтобы не тратить время на анализ причин. Но больше всех был расстроен Филипп Леннард (который позже станет нобелевским лауреатом за свои исследования излучения). Леннард не мог заставить себя даже произнести имя Рентгена вслух. Впрочем, он вообще оказался не в силах понять и принять те грандиозные открытия в теоретической физике, которые потрясли естествознание в первые два десятилетия XX века: так, он сделался яростным и непримиримым противником Эйнштейна и впоследствии убежденным нацистом.

Glasser Otto, Dr. Röntgen W.C., 2^nd edn (Charles C. Thomas, Springfield, III, 1958). Воспоминания Рудольфа Ладенбурга записаны и опубликованы Е.У. Кондоном в статье: 60 years of quantum physics'. History of Physics, ed. R. Weart Spencer and Phillips Melba (N. Y., American Institute of Physics, 1985).

Игры со сладким: открытие аспартама

Аспартам, или нутрасвит, уберег тучную часть человечества от многих и многих килограммов лишнего веса. Этот заменитель сахара лишен неприятного послевкусия (чем отличается от сахарина) и по всей видимости не имеет отрицательных побочных эффектов. Он был открыт благодаря чистой случайности, как, наверное, и все остальные заменители сахара, включая самый первый – сахарин. Сахарин был синтезирован в 1879 году в Балтиморском университете Джона Хопкинса неким Константином Фальбергом – студентом Айры Ремзена, одного из самых выдающихся американских химиков-органиков. Фальберг, удивленный сладковатым привкусом еды, которую он ел во время обеда, сообразил, что причина этого – наверняка одно из веществ, попавших ему на руки во время опытов. Этим веществом оказался амид ортосульфобензойной кислоты. Практичный студент запатентовал вещество и разбогател, только вот научного руководителя в патенте не упомянул. Простить Фальбергу эту оплошность Ремзен так и не смог.

Много лет спустя, в 1937-м, другой студент-экспериментатор, беззаботный американец с невообразимой сейчас привычкой курить в лаборатории, пытался синтезировать жаропонижающий препарат антипиретик; он затянулся сигаретой, оставленной на рабочем столе, и почувствовал, что та имеет сладковатый вкус. Так появились на свет подсластители на основе цикламатов. Еще один заменитель сахара, ацесульфам, впервые дал о себе знать, когда сотрудник лаборатории решил послюнить палец, перед тем как вынуть лист бумаги из стопки.

Джеймс Шлаттер работал химиком-органиком в лаборатории фармацевтической компании G.D. Searl, где занимался поиском лекарства от гастрита. Ему предстояло синтезировать пептид (цепочку аминокислот, связанных друг с другом, как в белке), отвечающий фрагменту гормона гасгрина. Вместе с коллегой он приготовил несложное соединение такого рода (метиловый эфир аспартилфенилаланина) и приступил к его очистке переосаждением – широко принятый метод в органической химии. Шел декабрь 1965-го. Вот как Шлаттер описывает, что случилось затем:

Когда я нагревал аспартам в колбе с метиловым спиртом, смесь, внезапно закипев, выплеснулась наружу. В результате немного порошка попало мне на пальцы. Чуть позже – лизнув пальцы, чтобы взять бумаги, – я обратил внимание на сильный и очень сладкий вкус. Сначала я подумал, что все дело в сахаре, которым мог запачкаться еще утром. Однако, как я вскоре сообразил, это было исключено, коль скоро в обед я все-таки мыл руки. Все обстоятельства указывали на емкость, куда я спрятал кристаллизовавшийся метиловый эфир аспартилфенилаланина. Решив, что дипептид вряд ли ядовит, я попробовал немного и убедился: это и есть вещество с моих пальцев.

Сейчас любой химик обязательно работает в перчатках, поэтому в наши дни это открытие вряд ли состоялось бы и человечество так никогда бы и не узнало про сладкий вкус дипептидов.

Но самое курьезное открытие заменителя сахара принадлежит иностранному студенту лондонского Королевского колледжа, который в 1976 году неправильно воспринял просьбу своего научного руководителя мистера Л. Хоуга. Профессора интересовала возможность использовать в промышленности синтетические производные сахарозы – обычного сахара из тростника или свеклы. Несколько таких производных уже были получены в лаборатории, и одним из них была трихлорсахароза (то есть сукралоза – сахароза, где три атома водорода замещены на хлор). Хоуг попросил Шашиканта Фадиса исследовать (to test) вещество, а студент, плохо знавший английский язык, понял просьбу учителя как “попробовать на вкус” (to taste), что немедленно и сделал. Сукралоза, как выяснилось, принадлежит к числу самых сладких веществ в мире, и в тысячекратно меньших концентрациях заменяет сахарозу.

Aspartame: Physiology and Biochemistry, ed. Stegink LD. and Filer LJ. (New York, Marcel Dekker, 1984).

Сернистые сигары Отто Штерна

Отто Штерн (1888–1969) называл себя “экспериментальным теоретиком”. Великий американский физик Исидор Раби видел в Штерне, с которым сотрудничал в молодости, сочетание всех черт идеального ученого сразу. Тот был гениален, скромен и великодушен и вдобавок отличался превосходным, как писал Раби, “хорошим” вкусом в исследованиях: он безошибочно находил ответы к задачам первостепенной важности, поражая остроумием, а его экспериментальные работы выделялись “стилем и умом”. Сначала Штерн решил посвятить себя теоретической физике и несколько лет проработал ассистентом у Альберта Эйнштейна, которому приходился родственником. Позже Штерн рассказывал, уже своему ассистенту, Отто Фришу, как они с Эйнштейном вместе ходили по борделям, поскольку это были тихие и спокойные места, где ничто не мешало говорить о физике. Одна из теоретических работ Штерна, которая ставила точку в давней нерешенной проблеме из области статистической механики, была опубликована во время Первой мировой войны с пометкой “Ломша, русская Польша” – это был грязный провинциальный городок, куда Штерна откомандировали стеречь метеостанцию, и избыток свободного времени он тратил на сверхсложные расчеты.

Позже, уже будучи профессором физической химии в Гамбурге, Штерн создал отдельный факультет и заставил своих сотрудников заниматься столь любимыми им атомными и молекулярными пучками – потоками атомов либо молекул, которые движутся по прямой в высоком вакууме и, как показал Штерн, дают возможность провести ряд фундаментальных измерений.

Метод Штерна заключался в том, чтобы приступать к эксперименту только после долгих размышлений. Как правило, он придумывал прибор, который поручал собрать своим ассистентам, студентам и лаборантам, и появлялся в лаборатории только тогда, когда прибор этот был готов: Штерн возникал на пороге, вслед за облаком сигарного дыма, и лично приступал к измерениям. Эксперимент заканчивался, статья выходила – и прибор разбирали, чтобы освободить место для следующего.

Штерн догадывался, что атомные пучки – удобный инструмент для обнаружения эффектов, предсказанных квантовой механикой, тогда только зародившейся и вызывавшей острые споры. Квантовая теория утверждала, что некоторые атомы – например, серебра – должны обладать магнитным моментом (и вести себя как магниты) из-за вращения одного-единственного электрона, который находится дальше всего от ядра. Замысел Штерна состоял в том, чтобы зафиксировать отклонение пучка атомов газообразного серебра, испаряющегося с поверхности серебряной проволоки, в сильном магнитном поле – так он надеялся измерить магнитный момент. Расхождение пучков при выключенном и включенном магнитном поле могло оказаться ничтожным, и оценить его наверняка будет трудно, если не невозможно, думал Штерн и решил обсудить перспективы опыта с коллегой, Вальтером Герлахом. “Может, нам все-таки стоит этим заняться? – спросил он и с готовностью сам себе ответил: – Ну так приступим!”

Герлах учел все технические трудности, но после ряда неудач засомневался, можно ли судить о расхождении по слабому налету серебра, едва заметному на поверхности стеклянной пластинки. Он отнес пластинку к Штерну – посоветоваться, и, пока двое физиков внимательно ее разглядывали, полоса налета толщиной в волос почернела и на глазах разделилась на две, между которыми остался узкий зазор. Как догадался Штерн, четким изображением они были обязаны дешевой сигаре, которую он курил: прежде хорошо обеспеченный, Штерн в тот момент испытывал некие финансовые затруднения и вынужден был отказаться от табака известных марок в пользу более дешевого, с высоким содержанием серы. Вот сера с его сигареты и превратила серебро в черный сульфид серебра. Но на этом история не закончилась: тщательное разглядывание показало, что след отклоненного пучка тоже расщеплен надвое, но уже с зазором толщиной в волос. Исчерпывающее объяснение появилось позже и разом изменило трактовку всей квантовой теории. Магнитный момент, определяемый (условно) скоростью вращения электрона, не бывает каким угодно: он квантован, то есть принимает только заданные значения (которые слегка отличаются друг от друга). Разные группы атомов с электронами в разных спиновых состояниях по-разному реагируют на магнитное поле, что и проявляется в расщеплении пучка. Этот результат считают моментом рождения “пространственного квантования”, новой и в то время поразительной области квантовой теории. Исидор Раби называл тот опыт “прославленным экспериментом Штерна – Герлаха”. Сам Штерн был обрадован не столько результатом, сколько тем, как он был получен.

В 1943 году за работы по атомным и молекулярным пучкам Отто Штерну вручили Нобелевскую премию. За 10 лет до этого он был изгнан из Германии и поселился в США. Там – и во время войны, и после – ему не удалось получить достаточного финансирования для своих научных проектов, и поэтому, не дожидаясь даже своего 60-летия, он ушел на пенсию и уехал в Калифорнию. Остаток дней Штерн посвятил радостям гастрономии и кино, к которым давно питал слабость. Он скончался 81-летним, в кинозале, куда пришел посмотреть новый фильм.

Воспоминания об Отто Штерне можно найти в книгах: Frisch Otto, What Little I remember (Cambridge University Press, Cambridge, 1979), S. Rigden John, Rabi: Scientist and Citizen (Basic Books, New York, 1987).

Мечников. Возвращение к жизни

Илья Мечников родился на Украине, а большую часть творческой жизни провел в Институте Пастера в Париже. Наблюдая за амебоподобными клетками, подбирающимися к инородному телу (шипу), воткнутому в прозрачную личинку морской звезды, он открыл явление фагоцитоза. Фагоциты в человеческом организме – это белые кровяные тела, первая линия защиты от захватчиков вроде бактерий, которых они поглощают и уничтожают. В последующие годы Мечников проникся идеей о том, что, когда мы начинаем стареть, наши собственные фагоциты подымают восстание, и все симптомы старения происходят от их разрушительного воздействия. Мечников верил, что этому способствуют шлаки, образующиеся в кишечнике, а от них, утверждал он, можно избавиться, помогая выжить и распространиться там полезным бактериям. Все, что нужно делать, – это пить литрами кефир или йогурт, которые обеспечат безбедное существование в кишечнике колониям Lactobacillus bulgaricus. Мечников следовал собственным советам, намереваясь отодвинуть приход старости, однако умер он далеко не старым – в 71 год.

Мечников страдал депрессией и дважды пытался покончить жизнь самоубийством. Его вторая жена Ольга в биографии мужа вспоминает, как наука спасала его от отчаяния. Однажды Мечников принял слишком большую дозу морфия, причем настолько большую, что та вызвала рвоту, а самого его просто обездвижила:

Он впал в своего рода спячку, в состояние сверхъестественного комфорта и абсолютного покоя; несмотря на такое коматозное состояние, он оставался в сознании и не испытывал страха смерти. Когда же он пришел в себя, им овладело чувство тревоги. Он сказал себе, что только смертельная болезнь может его спасти – либо завершившись смертью, либо пробудив в нем инстинкт жизни. Чтобы добиться своего, он принял горячую ванну и сразу же выбежал на мороз. Возвращаясь домой по мосту через Рейн, он внезапно заметил облако крылатых насекомых, вившихся вокруг фонаря. Это были Phryganidae, но издалека он принял их за Ephemeridae. Разглядывая насекомых, он тут же принялся размышлять: “Как применить к подобным созданиям теорию естественного отбора? Они ничего не едят и живут считаные часы, а потому не участвуют в борьбе за существование, и у них просто нет времени приспособиться к окружающей среде”.

Мысли его устремились к Науке, и он был спасен. Жизнь продолжалась!

(Мечникову не посчастливилось познакомиться с современной генетикой: возможность дожить до репродуктивного возраста дают мутации, обеспечивая насекомым, равно как и нам, эволюционные преимущества.)

Metchnikoff Olga, Life ofElie Metchnikoff 1845–1916 (Constable, London, 1921).