Текст книги "Эврики и эйфории. Об ученых и их открытиях"
Автор книги: Уолтер Гратцер
сообщить о нарушении
Текущая страница: 32 (всего у книги 33 страниц)
Багровое облако
Заметную роль в гибели французского флота во время египетской кампании Наполеона сыграла морская блокада средиземных портов, устроенная британцами. Прежде всего у французов стали истощаться запасы нитрата калия (селитры, основного компонента пороха), который обычно доставляли морем в южные порты Франции. Получали это вещество, сбраживая (при помощи бактерий) содержимое североафриканских выгребных ям. (Во время Первой мировой войны примерно по тем же причинам нехватку селитры испытывала Германия, которая до того добывала ее в шахтах Чили. Тогда помог прославленный химик Фриц Габер, придумавший химический, а не биологический, способ “фиксации азота”.) Французы решили сбраживать собственные выгребные ямы, а также отходы скотных дворов, боен и наносной мусор с побережья. К этой важнейшей государственной задаче подключили химиков. Одним из них был Бернар Куртуа (1777–1838): он, однако, предпочел другой путь и попробовал добывать калийные соли из водорослей.
Он сжигал водоросли, промывал золу водой, а затем выпаривал раствор и экспериментировал с сухим остатком. Однажды в 1811 году, добавив туда серной кислоты, Куртуа увидел, как над разогретой реакционной смесью поднялись облака багрового дыма, который сконденсировался в блестящие черные кристаллы. Так Куртуа открыл йод. Обстоятельно изучать его свойства пришлось уже другим химикам, но сам Куртуа успел открыть еще и реакцию йода с аммиаком, продукт которой – трехйодистый азот, вещество, взрывающееся от малейшего прикосновения.
Открытие Куртуа, как оказалось, представляло особый интерес для медиков: еще в древности (упоминания имеются в китайских источниках двухтысячелетней давности) люди знали, что можно избавиться от симптомов зоба, сжигая водоросли или морские губки. В1820 году в Швейцарии раствором йода попробовали лечить больных, страдающих зобом, и хотя, конечно, не обошлось без побочных эффектов, некий успех несомненно присутствовал. Действенный способ обеспечивать организм йодом (в форме смеси с хлористым натрием) придумали впоследствии в Клевеленде, штат Огайо. К тому времени присутствие производных йода в щитовидной железе уже было доказано, причем вот каким способом: экспериментатор случайно пролил на извлеченную из тела железу немного концентрированной кислоты и увидел облако багрового дыма.
Emsley John, Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements (Oxford University Press, Oxford, 2001).
Дыра в желудке
Это удивительное происшествие, случившееся в первой половине XIX века, впервые дало возможность напрямую пронаблюдать за пищеварительными процессами в человеческом желудке, а воспользовался этой возможностью молодой американец, военный хирург и физиолог Уильям Бомон (1785–1853).
Господствовавшая в те времена система медицинского образования предполагала, что подающие надежды врачи совершенствуют свои умения не в медицинских школах, а в помощниках у практикующего терапевта или хирурга.
Бомону пришлось отправиться практиковаться в далекий форт в Массачусетс. Однажды утром его вызвали к жертве несчастного случая, который произошел у близлежащего пункта заготовки меха. Юного канадца с Крайнего Севера по имени Алексис Сент-Мартин ранили выстрелом из ружья в упор, и Бомон, когда прибыл, застал несчастного без сознания, в луже крови. Сам заряд, пыж и обрывки одежды пробили грудную клетку и желудок – в рану вполне мог уместиться человеческий кулак. Ко всеобщему изумлению, раненый выжил, но был, разумеется, слишком слаб, чтобы вернуться к работе. Распорядители пункта заготовки, в планы которых де входило поддерживать инвалида, решили отослать его домой, в Канаду. Бомон усомнился, что тот сможет пережить дорогу в две тысячи миль, и потому взял его к себе, “обихаживал, кормил, обеспечил крышей над головой, окружил всеми удобствами и ежедневно (а чаще – дважды в день) перевязывал его рану”. Сент-Мартин, окончательно поправившись, вернулся на прежнее место работать столяром. Однако на левой части его туловища по-прежнему оставалась дыра, ведущая в желудок. Бомон мог вводить ему лекарства таким способом, “каким ни одно лекарство прежде, от Сотворения мира и до наших дней, не поступало в человеческий организм. Я заливал лекарство через щель между ребрами в дыру в желудке”.
Время шло, и Бомон осознал, что дыра в животе Сент-Мартина (желудочный свищ) дает ему уникальный шанс подсмотреть, что там происходит внутри. “Можно было заливать туда воду через воронку, – писал он, – или закладывать еду ложкой, и вытягивать сифоном то и другое обратно. Я часто закладывал в дыру пищу, сырую и приготовленную, чтобы узнать, как долго та будет перевариваться. Однажды я заткнул отверстие тампоном из сырой говядины вместо ваты, и обнаружил, что менее чем за пять часов внутренняя его часть переварилась: остался только ровный срез – как если бы кусок отсекли ножом”.
Бомон опробовал действие желудочного сока (как внутри, так и вне желудка Сент-Мартина) на многих видах пищи, которую он сначала погружал туда, а некоторое время спустя извлекал и исследовал. Он изучал действие желчи на процесс пищеварения, а также проводил замеры температуры и кислотности внутри желудка.
В конце концов Сент-Мартину надоела роль “ходячего желудка” для опытов, и он сбежал от своего доктора. Впоследствии он устроился на работу в компанию Hudson Вау, женился и даже обзавелся двумя детьми.
Огорченный Бомон исколесил почти всю Америку, прежде чем нашел Сент-Мартина снова, и заплатил Сент-Мартину и его семейству внушительную сумму, чтобы те вернулись в Массачусетс. Еще несколько лет подряд непокорный подопытный сбегал и возвращался, но Бомон к тому времени уже располагал результатами 238 опытов. Теперь Сент-Мартин был ему не нужен. Бомон наконец издал свою книгу “Наблюдения и опыты над желудочным соком и физиология пищеварения”, а 14 лет спустя выпустил второе, дополненное, издание. Результаты его работы легли в основу исследований Клода Бернара и Ивана Петровича Павлова: оба создавали свищи в желудке у собак.
Алексис Сент-Мартин пережил своего спасителя на 28 лет и скончался в Канаде в 83-летнем возрасте.
Хороший рассказ об этом можно найти в книге: Robinson Victor, The Story of Medicine (Tudor, New York, 1931).
Как полезно бывать в библиотеке
Исидор Раби достиг научной зрелости в то время, когда в Германии активно развивалась новая область физики – волновая и квантовая механика. В1926 году, когда Раби заканчивал свою диссертацию в Колумбийском университете в Нью-Йорке, то тут, то там, вспоминал он, словно вспыхивали фейерверки новых идей. Эрвину Шрёдингеру только что удалось объединить свою волновую механику с квантовой механикой Вернера Гейзенберга – поначалу казалось, что эти две теории никак не связаны, однако, как в конце концов показал Шрёдингер, это были просто разные математические формулировки одного и того же принципа. Метод Гейзенберга требовал знания новой математики, тогда как метод Шрёдингера, пусть и весьма сложный, мог быть понят любым достаточно образованным физиком.
Раби, как и его старшему и более опытному приятелю Ральфу Кронигу, подход Шрёдингера был ближе, и они вместе решили посмотреть, что из него следует. Если Шрёдингер рассчитал разрешенные энергетические состояния только для атомов, то Раби и Крониг желали испробовать новый метод на молекулах. Первым делом они взялись за молекулы, которые (по геометрическим соображениям) относят к так называемым симметрическим волчкам. Они сформулировали свою задачу в терминах Шрёдингера и обнаружили, что имеют дело с уравнением, какое им прежде не встречалось, и не знают, как его решить. Трое коллег, к которым они обратились за помощью, признали свое бессилие.
Раби любил спрятаться от обременительной каждодневной рутины в таком безмятежном и умиротворяющем месте, как библиотека. Он очень много тогда работал – читал лекций (25 часов в неделю) в Городском колледже Нью-Йорка, дописывал диссертацию, следил за последними достижениями в квантовой механике и вместе с Кронигом бился над их общей квантовомеханической задачей. Как-то он все-таки вырвался из этой суеты и теперь сидел в библиотеке и читал ради собственного удовольствия труды Карла Густава Якоба Якоби, знаменитого немецкого математика XIX столетия. Раби листал страницу за страницей, и вдруг ему почудилось, что одно уравнение подпрыгнуло на бумаге. “Боже мой! – подумал он. – Да это же то, что нам нужно!” Кроме того, оказалось, Якоби отыскал способ его решения. Стоило им воспользоваться – и мы получили ответ нашей нерешаемой задачи.
В итоге было показано, что молекулам типа симметрического волчка доступны только некоторые из возможных энергетических состояний. Этот результат перевернул всю молекулярную спектроскопию.
Rigden John S., Rabi: Scientist and Citizen (Basic Books, New York, 1987).
Как сбить гончих со следа
Сверхпроводимость, это удивительное свойство некоторых материалов терять электрическое сопротивление при определенных (очень низких) температурах, была открыта в 1911 году в Нидерландах Хайке Каммерлинг-Оннесом, его даже прозвали “господин Абсолютный Нуль”. Каммерлинг-Оннес посвятил свою жизнь делу достижения низких температур и сумел сжижить гелий, точку кипения которого, как он обнаружил, от абсолютного нуля отделяют всего 4,2 градуса. Собственно абсолютный нуль, то есть температура, при которой движение молекул (в первом приближении) прекращается, – это -273,15 градуса Цельсия. Его обозначают как 0К (ноль градусов Кельвина) и от этой точки отсчитывают абсолютные температуры.
Камерлинг-Оннес и его студенты в Лейдене решили посмотреть, как меняются электрические свойства различных веществ при снижении температуры вплоть до точки кипения гелия. Ожидалось, что сопротивление металлов будет уменьшаться, но результат ошеломил всех: где-то вблизи точки кипения гелия сопротивление падало скачком до ничтожно малой величины, которую приборы даже не могли измерить! По сути, сопротивление металлов становилось нулевым, и при такой температуре ток мог бы циркулировать по замкнутому контуру вечно. Физики ломали голову над этим феноменом большую часть XX века. Чтобы объяснить его, понадобилось не одно десятилетие упорного труда. Заодно начались поиски материалов, которые будут вести себя как сверхпроводники при более высоких температурах: технологические возможности, которые замаячили перед физиками, кружили головы…
Теория сверхпроводимости подготовила почву для целенаправленных поисков. В 1985 году двое ученых из Швейцарии изготовили металл-оксидный керамический материал, который становился сверхпроводником при температуре ниже отметки в 35К. Публикация статьи с полученными результатами (которые в 1987 году принесли им Нобелевскую премию) спровоцировала бешеную гонку за материалами с еще более высокой критической температурой, и в гонку эту включились университетские и заводские лаборатории во всем мире. Всем ее участникам так хотелось прославиться, получить патент и разбогатеть!
Одним из самых решительных охотников за сверхпроводниками был Пол Чу, профессор физики в Университете Хьюстона. К1987 гсщу он со своими аспирантами уже изготовил и испытал огромное множество разных смесей. Наконец их старания увенчались успехом: найденный ими материал становится сверхпроводником уже при 90К. Это был заметный шаг вперед.
Но тут возникла серьезная проблема: как опубликовать результаты и при этом не раскрыть перед конкурентами секрет состава? Срочные сообщения у физиков принято отправлять в журнал Physical Review Letters. Как и у других уважаемых журналов, здесь была в ходу система “рецензирования равными” (peer-review): другими словами, перед публикацией статью оценивали редактор и два рецензента – специалисты в той же области. Но в физике сверхпроводимости работало не так много ученых уровня Чу, и с большой вероятностью они могли бы оказаться его конкурентами. В мире науки считается, что воспользоваться еще не опубликованной статьей в своих целях – верх непорядочности для рецензента. Но тут ставки были как никогда высоки, и Чу серьезно рисковал. Он позвонил редактору журнала и спросил позволения опубликовать свое сообщение без явного описания сверхпроводника. Редактор, как и следовало ожидать, ему отказал, поэтому в журнал отправилась статья с исчерпывающим (как можно было решить) описанием вещества, которую, разумеется, приняли к публикации. Через короткое время Чу провел пресс-конференцию, где объявил об открытии, не выдавая состав материала, а Университет Хьюстона тем временем готовил заявку на патент.
Сообщество физиков тут же охватило волнение, и в лабораториях по всему миру терялись в догадках, из чего же состоит материал Чу. Фотография в журнале Time изображала Чу с куском зеленоватого вещества в руках. Зеленый цвет мог означать, что в нем присутствует никель, но это был ложный след. Распространился слух, что загадочный компонент – иттербий (элемент из числа лантанидов, или “редких земель” – группы металлов с довольно похожими свойствами). Но, как оказалось, и он подходит не лучше никеля. В рукописи, отправленной Чу в журнал, фигурировали только химические символы элементов – Yb, Ва, Сu, – но не их названия (иттербий, барий и медь). Повторить результат Чу и его ассистентов было просто, вот только в лабораториях, где это попробовали сделать, никакой сверхпроводимости обнаружено не было.
Так на поверхность всплыла весьма постыдная история.
Своим названием иттербий обязан “деревне четырех элементов” – это Итгербю в Швеции, где в конце XVIII века нашли неизвестную прежде рудную жилу. Минерал, которому дали название “иттербит”, содержит, как выяснилось позже, целых четыре элемента: все чрезвычайно похожи друг на друга и принадлежат к семейству редкоземельных металлов. Их назвали иттербием, тербием, эрбием и иттрием. Символ иттрия – Y, а иттербия – Yb. В сверхпроводнике Чу содержался иттрий, а вовсе не иттербий, как можно было заключить из статьи. Когда возмущенные собратья-физики обвинили его в обмане, Чу заявил, что злого умысла в подмене не было. Просто-напросто его секретарша впечатала Yb вместо Y всюду, где упоминается элемент – случайность, и только. Более того, поскольку секретарша, перепечатывая статью, думала о чем-то своем, девичьем, а Чу не пришло в голову тщательно проверить рукопись, она ошиблась и в пропорции элементов. В последний день перед тем, как журнал должен был уйти в печать, Чу, просмотрев гранки, позвонил в редакцию, чтобы исправить опечатки. Кое-кто из физиков, когда их об этом спросили, признался, что на месте Чу тоже пошел бы на обман, чтобы защитить свои права на открытие. Другие были менее расположены к прощению. Но, однако, худшим из всего этого была утечка информации о неверном “рецепте” Чу: слухи о том, что иттрий подменили иттербием, разумеется, тоже разошлись еще до того, как статья вышла.
Кто был виноват в утечке – секретарша Чу или кто-нибудь из редакции Physical Review Letters, – так и осталось неизвестным, но мораль этой истории ясна: когда ставки высоки, люди охотно идут на сделку с совестью. Многим из охотников за высокотемпературной (пусть речь и шла про -183˚С) сверхпроводимостью пришлось потом испытать горькое разочарование: иттербий, как оказалось позже, тоже способен образовывать высокотемпературный сверхпроводник, если только приготовить смесь правильным образом. Но особенно расстроилась одна группа исследователей – дело в том, что этим ученым удалось синтезировать “сверхпроводник Чу”, но они не стали даже проверять его на сверхпроводимость, поскольку анализ структуры выявил ее гетерогенность, а это прежде считали признаком неудачного синтеза.
Kolata Gina, Yb or not Yb? That is the question, Science, 236, 663 (1987) и книга: Schechter Bruce, The Path of No Resistance: The Story of the Revolution in Superconductivity (Simon and Schuster, New York, 1989).
Для чего нужны философы
Когда-то люди верили: все, что можно получить из человеческого тела, обладает целительными свойствами, однако вряд ли кто-нибудь полагал, что ценными качествами характеризуются выделения из головы философа. Философ, о котором тут идет речь, – это Джереми Бентам, основатель лондонского Университетского колледжа, первого в своем роде оплота свободной мысли: те, кто в нем состоял, были освобождены от тирании Англиканской церкви, которой подчинялись старейшие университеты Англии. Когда в 1832 году Бентам скончался, его тело, согласно последней воле покойного, передали анатомам, и его мумифицированные останки до сих пор хранятся в ларце красного дерева в фойе колледжа, который иногда открывают для любопытных во время торжеств. Романист Томас Лав Пикок состоял в дружбе с Бентамом и, видно считая его незаурядной личностью, “без умолку рассказывал о нем всем и вся”.
Среди прочего он как-то поведал нижеследующую историю. Когда с телом мистера Бентама после его смерти проделывали разнообразные опыты, мистер Джеймс Милль (философ и отец философа-утилитариста Джона Стюарта Милля) зашел к мистеру Пикоку и сообщил: из головы мистера Бентама вытекло нечто вроде масла, которое практически не замерзает и которое, как ему подумалось, можно было бы использовать для смазывания хронометров, чтобы те могли работать где-нибудь за полярным кругом. “Чем меньше вы будете об этом говорить, – сказал Пикок, – тем лучше для вас. Если дело получит огласку, нам не поздоровится. Газеты и так уже пишут, что отличного медведя можно убить ради его жира, а вскоре они станут советовать убить отличного философа ради его масла”.
Mountsutart Elphinston Grant Duff, Notes from a Diary, Vols i and 2 (John Murray, London, 1897).
Уоллес и житель плоской Земли
Альфред Рассел Уоллес – самоотверженный натуралист, чья насыщенная событиями жизнь началась в 1823 году, а прервалась только в 1913-м, перед началом Первой мировой войны. В молодости он бесстрашно забирался в самые непролазные места планеты, от Саравака до Амазонки, без устали исследовал местную флору и фауну и много размышлял над законами видообразования. Однажды он подхватил малярию и, не имея сил даже пошевелиться, мучался от лихорадки. Именно тогда он и сформулировал для себя основные принципы естественного отбора.
Дарвин, который потратил на свое “Происхождение видов” (1859) годы труда, был поражен, обнаружив, что ключевые идеи его работы предугаданы в статье, отосланной Уоллесом в 1858 году из Малайзии. Дарвин допрашивал своих друзей: неужели они думают, что он, прочитав работу Уоллеса, теперь с триумфом опубликовал сжатое изложение своей работы, неужели они думают, что он украл идею у Уоллеса? Другу и соратнику геологу Чарльзу Лайелю он с горечью писал, что навсегда распрощался с “чувством торжества”. Послание Лайелю заканчивалось так: “Скорее я сожгу свою книгу, чем предоставлю ему или любому другому человеку повод считать, что я поступил низко” Однако Уоллес был человеком скромным: он признавал гениальность Дарвина и был рад соглашению, которого они вскоре достигли: сжатый конспект, или “набросок”, теории Дарвина будет зачитан вместе с работой Уоллеса на собрании Линне-евского общества в Лондоне. Уоллеса, по сути, устраивала роль “Луны при Солнце-Дарвине”.
По возвращении в Англию Уоллес принялся писать страстные статьи в защиту Дарвина и естественного отбора, а попутно заинтересовался множеством разнообразных вещей, в числе которых были спиритизм и френология (учение о связи особенностей строения черепа человека и его умственных и нравственных качеств). К 1870 году Уоллес, оказавшись в нужде, заключил чудовищное пари. В январе того года в популярном журнале Scientific Opinion появилось объявление некоего Джона Хэмпдена, который “предлагает пари от 50 до юо фунтов и бросает вызов всем философам, богословам и ученым-профессорам Соединенного Королевства, утверждающим, что Земля круглая и непрерывно вращается, – исходя из слов Писания, здравого смысла и фактов. Он признает, что пари проиграно, если оппонент предъявит ему выпуклые рельсы, канал или озеро” Хэмпден принадлежал к шумному сообществу адептов плоской Земли, которое существует и в наши дни (штаб-квартира нынешнего общества плоской Земли расположена в Калифорнии) – этих скептиков не убеждают ни кругосветные плавания, ни снимки нашей планеты, сделанные из космоса. Все это, настаивают они, показывает нам только границы диска или неглубокой чаши, внутри которой мы находимся.
Ободряемый Чарльзом Лайелем, который желал увидеть, как мракобесов окончательно сотрут в порошок, Уоллес принял пари. Ставки вручили независимому арбитру, редактору журнала The Field Джону Уолшу. Уоллес устроил свой показательный опыт на Бедфордском канале: два моста над ним разделял прямой участок длиной 6 миль (примерно ю километров). Чугунный парапет моста Уэлни, записал Уоллес, отделяют от воды 13 футов и з дюйма (4 метра), а высота старого Бедфордского моста чуть больше. К этому мосту Уоллес, в юности работавший землемером, прикрепил кусок белой ткани, на котором уровень парапета моста Уэлни был помечен черной краской. Все это происходило в присутствии Хэмпдена, арбитра и еще двух свидетелей. На полпути между мостами Уоллес установил столб с парой красных дисков – один на высоте черной линии и парапета, другой ровно на четыре фута (122 сантиметра) ниже.
На самом парапете Уоллес установил свой телескоп. Он высчитал, что из-за кривизны Земли верхний диск окажется выше линии, связывающей две опорные точки, на 5 футов и 6 дюймов (168 сантиметров), а атмосферная рефракция уменьшит эту величину примерно на фут (приблизительно на 30 сантиметров). Таким образом, будет казаться, что диск приподнят на 4 фута и 6 дюймов относительно положения, которое отвечает картине мира Хэмпдена. Поглядев в телескоп, мистер Уолш признал демонстрацию убедительной. Однако Хэмпден смотреть в телескоп отказался, заявив, что сама мысль об искривленной поверхности воды оскорбительна для здравого смысла. Уолш попытался его переубедить, но безуспешно, а затем опубликовал отчет в своем журнале и вручил 500 фунтов Уоллесу.
Разгневанный Хэмпден тогда напомнил о том пункте условия пари, где говорилось, что деньги победителю должны быть выплачены немедленно. Уолш пытался избежать ссоры с Хэмпденом и попробовал образумить его, прежде чем передавать деньги, однако после долгой тяжбы Уолша вынудили отобрать всю сумму у Уоллеса. Не удовлетворенный этим, Хэмпден стал во всеуслышание оскорблять и очернять несчастного Уоллеса и даже отправил его жене оскорбительное письмо с угрозами. Этого Уоллес уже ему не спустил – он вызвал Хэмпдена в мировой суд. Хэмпден, к тому моменту окончательно лишившийся рассудка, раскаиваться не собирался и пакостил Уоллесу еще 15 лет – причем трижды за это время оказывался в тюрьме. Уоллес досадовал, что затея стоила ему куда больших трат на судебные разбирательства, чем те 500 фунтов, которые он в конце концов все-таки получил. Только к концу жизни Уоллес смог обеспечить (благодаря доходам от книг) безбедное существование себе и своей семье.
Есть несколько биографий Уоллеса, где, в частности, излагается история с плоской Землей. Неплохой пример – Ellis William, Darwin’s Moon – A Biography of Alfred Russel Wallace (Blackie, London, 1966).
