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

Автор книги: Уолтер Гратцер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 33 страниц)

О жизни и смерти

Исидор Раби родился в Польше в 1898 году, рос в страшной бедности в Нью-Йорке и стал одним из величайших физиков мира. В 1944 году он получил Нобелевскую премию за открытие явления, которое сделало возможной ЯМР-спектроскопию, один из самых действенных способов, позволяющих изучить структуру молекул и создавать изображения живых тканей. Он основан на том, что (и в этом заключалось открытие) атомное ядро обладает магнитным моментом, как если бы оно было микроскопической намагниченной стрелкой.

Раби, который большую часть деятельной жизни провел в Колумбийском университете в Нью-Йорке, после присуждения Нобелевской премии стал государственным советником по вопросам науки. Он охладел к работе в лаборатории; однажды он отозвался о Нобелевской премии так: “Если только в вас нет тяги соревноваться, вряд ли после церемонии вы начнете работать энергичней. Это как с бостонской леди, которая заявила: “К чему мне путешествовать, если я уже здесь?” К тому же премия отвлекает вас от вашей области, поскольку открываются новые горизонты”.

Но, похоже, в глубине души Раби по-прежнему волновали вопросы научной истины. Как и Эйнштейн, он был озабочен физическим смыслом квантовой теории. Один из его учеников вспоминал, что мучило Раби, о чем он думал, когда ему шел девяностый год и он был уже практически при смерти:

Однажды, в декабре 1987-го, ко мне в Рокфеллеровский университет зашел коллега и сообщил, что он только что видел Раби и Раби хочет со мной поговорить. Я знал, где его искать – в Мемориал-госпитале Слоана-Кэтеринга: Раби лежал там, у него был рак в последней стадии. И вот я отправился в госпиталь, ожидая, что Раби приготовил для меня какое-нибудь последнее напутствие. Я застал Раби в хорошем расположении духа. О чем же он хотел поговорить? Об основаниях квантовой механики, которые, как он заявил, беспокоили его десятилетия назад и в эти последние недели тоже не давали покоя. Мы беседовали, может быть, полчаса. Потом я попрощался с ним – навсегда, 11 января 1989 года Раби не стало.

Воспоминания взяты из книги Pais Abraham, The Genius of Science (Oxford University Press, Oxford, гооо).

Математический риск

Физик Георгий Гамов бежал в США из сталинской России. Говоря о том, что с ученым в эпоху политической нестабильности может приключиться все что угодно, он рассказывал такую историю:

Вот сюжет, который поведал мне один из моих друзей, Игорь Тамм (Тамм – лауреат Нобелевской премии по физике 1958 года). Однажды, когда город был занят красными, Тамм (в те времена профессор физики в Одессе) заехал в соседнюю деревню узнать, сколько цыплят можно выменять на полдюжины серебряных ложек – и как раз в это время деревню захватила одна из банд Махно. Увидев на нем городскую одежду, бандиты привели Тамма к атаману – бородатому мужику в высокой меховой шапке, у которого на груди сходились крест-накрест пулеметные ленты, а на поясе болталась пара ручных гранат.

– Сукин ты сын, коммунистический агитатор, ты зачем подрываешь мать-Украину? Будем тебя убивать.

– Вовсе нет, – ответил Тамм. – Я профессор Одесского университета и приехал сюда добыть хоть немного еды.

– Брехня! – воскликнул атаман. – Какой такой ты профессор?

– Я преподаю математику.

– Математику? – переспросил атаман. – Тогда найди мне оценку приближения ряда Макларена первыми n-членами. Решишь – выйдешь на свободу, нет – расстреляю.

Тамм не мог поверить своим ушам: задача относилась к довольно узкой области высшей математики. С дрожащими руками и под дулом винтовки он сумел-таки вывести решение и показал его атаману.

– Верно! – произнес атаман. – Теперь я вижу, что ты и вправду профессор. Ну что ж, ступай домой.

Кем был этот человек? Никто не знает. Если его не убили впоследствии, он вполне может преподавать сейчас высшую математику в каком-нибудь украинском университете.

Опасности продолжали подстерегать ученых и после революции. Физик-теоретик Марк Азбель, который после многих лет тюрьмы и преследований сумел укрыться в Израиле, делится другим примером:

Эту историю я знаю со слов профессора Повзнера, который преподавал в Военно-инженерной академии. Однажды он вошел в аудиторию, готовясь начать лекцию с обычного вступления о господстве русских в математике, а затем перейти собственно к математике. Но, к его ужасу, за минуту до того, как начать говорить, он заметил, что в аудитории присутствует генерал, глава Академии. Он подумал и решил, что лучше будет посвятить всю лекцию светилам русской математики. К счастью, он был невероятно одаренным человеком и умел быстро соображать – в считаные секунды он придумал чудесную лекцию о русской математике XII века. Он предавался полету фантазии целый час и остановился только за пять минут до звонка – спросить, есть ли вопросы. И заметил, что один из студентов тянет руку.

– Я вас слушаю…

– Вы так увлекательно рассказываете про русскую математику в Средние века. Не подскажете ли нам, в какие книги по этому поводу заглянуть? Я бы хотел получше ознакомиться с темой…

Не имея времени подумать, профессор немедленно ответил:

– Увы, это невозможно! Все архивы сгорели во времена татаро-монгольского ига!

Когда лекция закончилась, к лектору подошел генерал и спросил:

– Итак, профессор… Все архивы сгорели, верно?

Только тогда несчастный профессор осознал, что именно он произнес. Беззвучный вопрос повис в воздухе: если все доказательства русского господства в этой науке сгорели, как мог сам профессор что-нибудь знать о математике до нашествия? Он был на грани паники, когда неожиданно генерал тепло ему улыбнулся, развернулся и вышел. Этот высокопоставленный командир был человеком сообразительным и достойным; иначе профессору Повзнеру было бы не избежать крупных неприятностей.

Gamow George, My World Line (New York, Viking, 1970) и Azbel Mark Ya., Refusnik (Hamish Hamilton, London, 1982).

Фортуна улыбается ветчине

Фортуна, говорил Луи Пастер, улыбается только тем, кто к этому готов. Некий американский физик однажды увидел, что его дети роняют бутерброд на ковер все время маслом вверх, тем самым ставя под сомнение суровый закон природы, и не стал все списывать на статистическую аномалию. Проведя обстоятельное исследование, он нашел объяснение, совместимое с законами физики: дети смазывали хлеб маслом с обеих сторон. Случайных открытий в истории науки хватает с избытком – и это примеры редкого здравомыслия, когда результат эксперимента, на первый взгляд бесполезный, не игнорировали, а тщательно проверяли.

Разбить термометр в лаборатории считается у химиков-органиков серьезной неприятностью. Однажды Отто Бекманн (1853–1923), в конце XIX века работавший ассистентом у Вильгельма Оствальда, одного из самых влиятельных немецких химиков, сломал невероятно дорогой и невероятно длинный термометр, специально изготовленный стеклодувом для замеров температуры с точностью до сотых долей градуса. Бекманн сумел извлечь пользу и из этого – задумавшись, как сделать инструмент менее хрупким. Итогом стал бек-манновский термометр, знакомый всем химикам (по крайней мере, до наступления эры электронных приборов) – с коротким ртутным столбиком и ртутным резервуаром наверху, позволяющим регулировать объем ртути и, значит, подбирать нужный для конкретного опыта диапазон температур.

Но самым сенсационным последствием неаккуратного обращения с термометром стала революция в промышленности. Из продуктов возгонки каменноугольных смол были получены первые синтетические красители, которые легли в основу целой индустрии, связанной с именем блестящего химика-органика Адольфа фон Байера и двоих его последователей – Августа Вильгельма Гофмана и Уильяма Генри Перкина. Оба – родоначальники знаменитых английских химических школ.

Индиго с древнейших времен считалось чрезвычайно ценным красителем. В Индии, к примеру, растениям, из которых его добывают, было отведено два миллиона акров. Байер посвятил ему 20 лет жизни, определил его структуру и, употребив все свое мастерство, в 1883 году синтезировал его из несложных веществ. Однако это был сложный, многостадийный путь, который не годился для масштабного производства. Спустя десятилетие промышленный синтез из нафталина, продукта возгонки смол, организовали химики из гигантской баварской корпорации БАББ, но назвать цену доступной было по-прежнему нельзя. В 1896 году рядовой сотрудник ВАSF по фамилии Саппер нагревал нафталин с дымящей серной кислотой (смесью собственно кислоты и серного ангидрида), помешивая содержимое колбы термометром. Термометр неожиданно лопнул, а ртуть вытекла прямо в реакционную смесь – и тут ход реакции неожиданно изменился: нафталин начал превращаться во фталевый ангидрид, искомое промежуточное вещество на пути к индиго. Обнаружилось, что ртуть (или сульфат ртути, в который та превращается под воздействием серной кислоты) – катализатор прежде неизвестной реакции. Дешевый индиго от ВАSF появился на рынке уже в следующем году и привел к краху индийской индустрии.

История красителей вообще богата примерами случайных открытий. Возможно, первое из них случилось тогда, когда немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге (1794–1867) попробовал предотвратить набеги собак в свой сад в пригороде Берлина, построив деревянный забор и покрасив его каменноугольным маслом (креозотом) для большей сохранности. Затем, чтобы отучить собак задирать лапу у забора, он посыпал все вокруг хлорной известью (смесью хлорида и гипохлорита кальция), распространявшей ядовитый запах хлора. Обходя забор на следующий день, он с удивлением заметил на белом порошке неровные голубые полосы – очевидно, они повторяли траектории струй собачьей мочи. Цвет заинтересовал Рунге, и он обнаружил, что этот голубой цвет – результат окисления гипохлоритом какого-то из веществ в составе каменноугольной смолы. Собаки всего-навсего добавили в реакционную смесь воды. Голубое вещество Рунге назвал кианолом. Спустя несколько лет Гофман доказал, что предшественником кианола в смоле был аминобензол (он же анилин), а сам кианол стал первым синтетическим прототипом красителя.

Другая случайность привела к открытию важного для многих органических синтезов промежуточного вещества – тиофена, содержащего серу циклического аналога бензола. Виктор Мейер (1848–1897), известный немецкий химик, показывал студентам в Университете Цюриха изящную качественную реакцию на бензол, придуманную Байером: образец, где бензол предположительно содержится, встряхивают с серной кислотой и кристаллом изатина (это последний предшественник индиго, если его синтезировать по схеме Байера). Считалось, что насыщенный синий цвет выдает присутствие бензола. Но тогда, на лекции в 1882-м, никакого синего цвета не получилось. Мейер был бы сбит с толку, когда бы не заметил, что обычную пробу бензола из каменноугольной смолы лаборант заменил очень чистым синтетическим образцом. Год спустя Мейер выделил примесь (ее в смоле оказалось меньше пол процента), которая и была причиной синей окраски. Так начиналась новая глава в истории органической химии.

Джон Рид, прежде чем стать зрелым ученым, работал сначала у Байера (на рубеже девятнадцатого и двадцатого столетий), а затем вместе с сэром Уильямом Джексоном Поупом в Кембридже и в итоге стал профессором химии в Университете Сент-Эндрюса. Он любил рассказывать о “невоспетом герое” стереохимии – ленивом лаборанте (или “лабораторном мальчике”, как тех часто называли). Химики безуспешно пробовали разделить оптически активные компоненты с помощью новой хитрости. Оптическая активность, то есть способность поворачивать плоскость поляризации света вправо или влево, свойственна молекулам с внутренней асимметрией – тем, которые нельзя совместить с собственным зеркальным отражением. Лабораторные опыты, в отличие от природных реакций, на выходе дают смесь обоих форм-антиподов такого вещества, и отделить одно от другого – задача, требующая редкой изобретательности. Способ Поупа заключался в том, чтобы ввести в смесь уже очищенный асимметричный реагент, который будет связываться с “левым” и “правым” по-разному, образуя кристаллы неодинаковой формы. Лаборант по ошибке забыл отмыть гору лабораторного стекла, после многих неудачных попыток кристаллизации покрытого липким налетом. Рид повторно потребовал смыть муть со стекла, но ассистент работал нехотя, и пока процедура длилась, взгляд Рида упал на белую крупицу среди грязи в одном из сосудов. Рассмотрев ее под лупой, Рид признал в крупице кристалл. Тогда, обрадовавшись, Рид бросил его в раствор смеси “левого” с “правым” – и тут частица сработала как зародыш кристаллизации, заставив выпадать в осадок только вещество своей формы.

Roberts Royston, Serendipity: Accidental Discovery in Science (Wiley, New York, 1989) и Read John, Humour and Humanism in Chemistry (G. Bell, London, 194 7).

Как угадать истинное призвание

То, что делают студенты в лаборатории, порождает множество бесценных историй. Вот что записал Джон Нельсон (1876–1965), почти полвека прослуживший профессором химии в Колумбийском университете в Нью-Йорке.

Как многие ученые его поколения, женщинам в лаборатории Нельсон не доверял, поэтому, когда одна юная выпускница женского колледжа пожелала заняться исследовательской работой под его руководством, Нельсон попросил ее продемонстрировать практические навыки в ходе простого лабораторного синтеза, выполняемого по инструкции из учебника. Девушке предстояло изготовить бромбензол из бензола и брома. Примерно через час Нельсон зашел в лабораторию и спросил, как обстоят дела. Было похоже, что не очень: реакция отказывалась идти так, как предсказывал учебник. Нельсон поглядел на прибор – то была колба, где энергично кипела жидкость, с обратным холодильником (это, по существу, охлаждаемая водой трубка, которая позволяет пару сконденсироваться в жидкость и стечь обратно). В колбе находился бензол. Однако, спросил Нельсон, а где же бром (который наверняка придал бы раствору желтоватый оттенок)? “В колбе, – был ответ, – он плавает в жидкости”. Нельсон внимательно присмотрелся и увидел твердую белую субстанцию, взболтанную в кипящем растворе. Оглядевшись по сторонам, он обнаружил банку с надписью: “Бром”, и дальнейшие расспросы стали не нужны: экзаменуемая всыпала в колбу белый упаковочный материал, не догадавшись заглянуть глубже и вытащить склянку с самим бромом. Нельсон тут же посоветовал девушке заняться другим делом.

Oesper Ralph Е., The Human Side of Scientists (University Publications, University of Cincinnati, Ohio, 1975).

Принцип Паули

Вольфганг Паули (1900–1958) – один из титанов, царивших в теоретической физике во времена ее расцвета в первые десятилетия XX века. Он прославился не только блестящим умом, но и неразборчивой грубостью или, точнее, бескомпромиссной прямотой. Коллеги называли его “бичом Божьим”. По словам Виктора Вайскопфа, который провел семестр ассистентом у Паули, можно было не опасаться задать профессору любой идиотский вопрос, поскольку Паули находил идиотскими все вопросы. Как-то, будучи еще студентом и пребывая в самом мирном настроении, Паули начал обсуждение только что окончившейся лекции Эйнштейна такими словами: “Знаете, то, что говорит Эйнштейн, не безнадежно глупо”. Вайскопф вспоминает, что случилось, когда он прибыл в Цюрих и заглянул к Паули в кабинет:

В конце концов он поднял голову и спросил: “Кто вы такой?” Я ответил: “Я Вайскопф. Вы пригласили меня быть вашим ассистентом”. На что Паули произнес: “Ну да. Я, конечно, хотел бы видеть на этом месте Бете, но он занят физикой твердого тела, которая мне не нравится, хотя я сам ее и создал”.

К счастью, Рудольф Пайерлс, который хорошо знал Паули, заранее предупредил Вайскопфа о некоторых специфических свойствах характера Паули. Затем у Паули с Вайскопфом состоялся недолгий спор, в ходе которого Вайскопф заметил, что рад заняться чем угодно, кроме как непонятным ему сомнительным подходом к теории относительности. Паули как раз размышлял над этой темой, но начал от нее уставать и потому согласился. Затем он продемонстрировал новый метод решения задачи и уже на следующей неделе поинтересовался, сильно ли Вайскопф в нем продвинулся. “Я показал ему свое решение, – вспоминает Вайскопф в своих мемуарах, – и он произнес: “И все-таки стоило взять Бете”. Несмотря ни на что, Вайскопф и Паули подружились. Про Пайерлса Паули отзывался так: “Он говорит так быстро, что пока успеешь понять, о чем речь, тот уже утверждает обратное”.

Паули, имя которого запечатлено в названии принципа Паули, известного еще и как “принцип запрета” (никакие два электрона в атоме не могут находиться в одном квантовом состоянии), прославился также благодаря Второму принципу Паули, гласящему, что приближение Паули грозит поломкой любому научному прибору или механическому устройству. Нагляднее всего этот принцип проявился во взрыве с катастрофическими последствиями на физическом отделении Бернского университета – оказалось, это печальное событие совпало с проездом через город поезда, который вез Паули домой в Цюрих. Сидя за рулем автомобиля и подбадриваемый собственной похвальбой, Паули вызывал у пассажиров такую панику, что многие отказывались садиться к нему в машину повторно. Его ученик и коллега Хендрик Казимир вспоминал, что в таких случаях Паули предлагал: “Давайте заключим сделку: вы не отзываетесь о моем вождении, а я – о ваших исследованиях”. В своих воспоминаниях Казимир воспроизводит также рассказ бельгийского физика Поля Розенфельда (которого сам Паули любил называть “хористом Папы Римского”) о Втором принципе Паули в действии:

Гайтлер, читая лекцию о гомополярных связях, неожиданно заставил Паули рассвирепеть: как выяснилось позже, Паули эта теория сильно не нравилась. Едва Гайтлер закончил, как Паули в сильном возбуждении оказался у доски и, расхаживая взад-вперед, начал нервно высказывать свое недовольство, при этом Гайтлер оставался сидеть на стуле на кромке кафедры. “На больших расстояниях, – объяснял Паули, – теория определенно неверна, поскольку существует Ван-дер-Ваальсово притяжение; на малых расстояниях, очевидно, она неверна целиком и полностью”. В этот момент, добравшись до края кафедры, противоположного тому, где сидел Гайтлер, Паули развернулся и пошел к Гайтлеру, угрожающе целясь в него куском мела. “И теперь, – провозгласил он по-немецки, – мы имеем утверждение, опирающееся на легковерие физиков, – теория, неверная на больших расстояниях и неверная на малых, все же качественно верна для промежуточного участка”. В этот момент он подошел к Гайтлеру почти вплотную. Тот стремительно наклонился назад, спинка стула с треском отломилась, и несчастный Гайт-лер опрокинулся на спину (к счастью, ничего себе серьезно не повредив).

Казимир, присутствовавший при этом, замечает, что первым, кто крикнул: “Эффект Паули”, был Георгий Гамов, и добавляет: “Иногда я задумываюсь, не мог ли Гамов, известный шутник, сделать что-нибудь со стулом заранее”.

Физик Джереми Бернстейн, самый живой и яркий из пишущих на тему физики и физиков, вспоминает в своих мемуарах об одном событии, случившемся с Паули в последний год его жизни:

Однажды Паули оказался вовлечен в странную затею своего бывшего сотрудника Вернера Гейзенберга, другого великого архитектора квантовой теории. Они заявили, что решили все нерешенные задачи теории элементарных частиц, и все свелось к одному уравнению. Когда оно попалось на глаза людям более уравновешенным, те заключили, что все это – химера. Для Паули развязка наступила во время лекции в Колумбийском университете, прочитанной в огромном лекционном зале лаборатории Пупина. Хотя и были попытки сохранить все в тайне, зал все равно был набит битком. Среди слушателей тут и там виднелись прежние, нынешние и будущие нобелевские лауреаты, включая Нильса Бора. Когда Паули закончил лекцию, к Бору обратились за комментарием. Тут и развернулась одна из самых необычных и завораживающих сцен, какие мне случалось видеть. Ключевым пунктом оценки Бора было то, что для фундаментальной теории концепция Паули безумна, но все же недостаточно безумна. Великие прорывы вроде теории относительности и квантовой механики кажутся на первый взгляд, особенно если быть в курсе всей прежней физики, безумными и в принципе противоречащими здравому смыслу. С другой стороны, теория Паули была просто причудливой – одиноким уравнением, которое глядит на тебя, как иероглиф. На реплику Бора Паули ответил, что его теория достаточно безумна.

И тут одновременно два столпа современной физики начали двигаться по общей круговой орбите вокруг длинного стола на кафедре. Каждый раз, когда Бор оказывался лицом к аудитории, он восклицал, что-теория недостаточно безумна, а Паули, поворачиваясь лицом к залу, отвечал, что достаточно. Для людей из другого мира – мира нефизиков – эта сцена выглядела бы весьма странной. Тогда обратились за комментарием к Фримену Дайсону, но он решил промолчать. Однако позже, в разговоре со мной, он отметил, что для него видеть подобное – это как наблюдать “за гибелью благородного животного”. Дайсон оказался провидцем. Несколько месяцев спустя, в 1958 году, Паули умер от внезапно обнаружившегося рака. Перед смертью он успел откреститься, в самых едких выражениях, от “теории Гейзенберга”, которую теперь иначе не называл. Можно только догадываться, был ли короткий роман Паули с этой теорией сигналом, что он уже тогда был серьезно болен.

Паули скончался, когда ему было всего 58 лет. Отдавал ли он себе отчет перед смертью в угасании своего воображения и интеллекта, неясно. Однако он жаловался одному из друзей: “Я знаю много. Я знаю слишком много. Я квантовый маразматик”. Паули, как говорилось выше, окончил дни в палате под номером 137 – это “магическое число” волновой теории, и такое совпадение его раздражало.

Weisskopf Victor, The Joy of Insight: Passions of a Physicist (Basic Books, New York, 1991). Casimir, Haphazard Reality: Haifa Century of Science (Harper and Row, London and New York, 1983). Bernstein Jeremy, The Life it Brings: One Physicist's Beginnings (Ticknor and Fields, New York, 1987).