Сэм Кин – Исчезающая ложка. Тайны периодической таблицы Менделеева (страница 6)
Мария Гепперт родилась в Германии в 1906 году. Ее отец был профессором в шестом поколении, тем не менее Мария никак не могла убедить ученых мужей, что женщина тоже имеет право поступить в аспирантуру. Поэтому она училась то на одном курсе, то на другом, слушая лекции везде, где могла. Наконец она получила докторскую степень в Ганноверском университете, защитив диссертацию перед советом профессоров, у которых никогда не училась. Неудивительно, что без связей и рекомендаций ее и после защиты не брали на работу ни в один университет. Гепперт смогла попасть в науку лишь окольным путем, заручившись помощью своего мужа, Джозефа Майера. Тот был американским профессором химии, приглашенным в Германию. Вместе с ним Мария в 1930 году уехала в Балтимор и под новой фамилией Гепперт-Майер стала всюду следовать за мужем – на работу и на конференции. К сожалению, в годы Великой депрессии Майер несколько раз оказывался без работы, семья была вынуждена перебраться в Нью-Йорк, а затем в Чикаго.
В большинстве университетов снисходительно относились к привычке Гепперт-Майер присутствовать на ученых собраниях и беседовать о науке. Кто-то даже снизошел до того, что предложил ей работу, правда, неоплачиваемую. Темы для нее подбирались типично «женские» – например, исследование природы цвета. После окончания Великой депрессии сотни ученых собрались под эгидой Манхэттенского проекта – возможно, самого впечатляющего мероприятия по обмену научными идеями в истории человечества. Гепперт-Майер также получила приглашение к участию, но на периферии, в бесполезном побочном проекте, посвященном выделению урана при помощи фотохимических реакций. Несомненно, в глубине души она раздражалась из-за такого удела, но тяга Марии к науке была столь велика, что она согласилась работать и на этих условиях. После окончания Второй мировой войны в университете Чикаго к Гепперт-Майер наконец-то отнеслись серьезно и предложили должность профессора физики. Она получила собственный кабинет, но факультет так и не платил ей.
Тем не менее Гепперт-Майер, воодушевленная этим назначением, в 1948 году занялась исследованиями ядра – сердцевины и сущности атома. Количество протонов – находящихся в ядре положительно заряженных частиц – и определяет сущность атома. Иными словами, если атом теряет или приобретает протоны, он превращается в другой атом. Как правило, атомы не теряют нейтроны, но в атомах одного элемента может содержаться разное их количество. Такие разновидности атомов называются изотопами. Например, изотопы свинца-204 и свинца-206 имеют одинаковый атомный номер (82), но разное количество нейтронов (122 и 124 соответственно). Атомный номер совместно с количеством нейтронов определяет массу атома. Ученым потребовалось немало лет, чтобы полностью описать взаимосвязи между атомным номером и атомной массой; но после того, как это удалось, устройство периодической системы значительно прояснилось.
Разумеется, Гепперт-Майер знала об этом, но ее работа касалась иной тайны, которую не так легко осознать, обманчиво простой проблемы. Простейший элемент в природе – водород – является и самым распространенным. Второй элемент таблицы – гелий – занимает второе место в этой классификации. В эстетически совершенной Вселенной третью позицию должен был бы занимать третий элемент таблицы, литий, и так далее. Но наша Вселенная не столь аккуратна. Третьим по распространенности является восьмой элемент, кислород. Но почему? Ученые предполагали, что у него очень стабильное ядро, которое не дезинтегрируется (не распадается). Но такое объяснение лишь ставит перед нами следующий вопрос: почему у некоторых элементов – например, у кислорода – встречаются такие стабильные ядра?
У периодической системы есть своя грамматика, и если научишься читать между строк, то узнаешь множество новых историй.
В отличие от многих современников, Гепперт-Майер усмотрела в этом явлении параллель с невероятной стабильностью благородных газов. Она предположила, что протоны и нейтроны в ядре располагаются на оболочках, подобно электронам, находящимся вокруг ядра. Возможно, заполнение таких внутриядерных оболочек повышает стабильность ядра. С точки зрения неспециалиста, такая аналогия кажется разумной и красивой. Но Нобелевские премии не выдают за гипотезы, особенно выдвигаемые женщиной-профессором, работающей на общественных началах. Более того, эта идея возмутила физиков-ядерщиков, поскольку химические и ядерные реакции протекают независимо друг от друга. Нет никакой причины, по которой основательные домоседы, какими являются протоны и нейтроны, могли бы вести себя как крошечные своенравные электроны, легко покидающие родной атом в поисках лучшей жизни. Как правило, протоны и нейтроны этого не делают.
Но Гепперт-Майер следовала своей интуиции. Систематизировав ряд несвязанных экспериментов, она доказала, что у ядер действительно есть оболочки и что в природе образуются так называемые магические ядра. По сложным математическим причинам, среди магических ядер не прослеживается такая периодичность, как среди химических элементов; магическими являются атомы с номерами 2, 8, 20, 28, 50, 82. Благодаря исследованиям Гепперт-Майер, удалось показать, как в ядрах с этими номерами протоны и нейтроны самоупорядочиваются, образуя исключительно стабильные симметричные сферы. Следует отметить, что ядро кислорода является вдвойне магическим: этот элемент, обладающий восемью протонами и восемью нейтронами, невероятно стабилен, чем и объясняется его изобилие во Вселенной. Кроме того, эта модель легко объясняет непропорционально частую встречаемость некоторых других элементов – например, кальция (20). Неслучайно и то, что наше тело в значительной степени состоит из таких распространенных элементов.
Теория Гепперт-Майер напоминает о платоновской философии, согласно которой красивые фигуры являются наиболее совершенными. Предложенная ею модель магического ядра, имеющего форму шара, стала идеальной – по ней оцениваются все остальные ядра. Напротив, те элементы, которые находятся между магическими номерами, встречаются редко, поскольку их ядра деформированы и вытянуты. Ученым даже удалось обнаружить бедные нейтронами формы гольмия (67-й элемент), которые образуют деформированные неустойчивые ядра. Как вы уже догадываетесь по описанию модели Гепперт-Майер, ядра гольмия не слишком устойчивы. Но, в отличие от атомов с несбалансированными электронными оболочками, атомы с деформированными ядрами не могут ухватить нейтроны и протоны от других атомов, чтобы подправить свою форму. Поэтому такие атомы образуются с трудом, но даже когда это случается, они тут же распадаются.
Модель ядерных оболочек – это физический шедевр. Поэтому Гепперт-Майер, имевшая сомнительный статус в научном сообществе, наверняка с унынием узнала, что это открытие было повторно сделано физиками-мужчинами у нее на родине. Она могла полностью потерять надежду. Тем не менее открытие было сделано независимо и, когда немцы благородно признали важность работ своей соотечественницы и пригласили ее к сотрудничеству, карьера Марии пошла в гору. Она получила лестные отзывы, и в 1959 году они с мужем переехали – в последний раз – в Сан-Диего. Там Мария Гепперт-Майер наконец смогла заняться настоящей оплачиваемой работой в новом Калифорнийском университете. Тем не менее она до конца жизни так и не избавилась от клейма дилетанта. Когда в 1963 году Шведская академия объявила, что Гепперт-Майер получила высочайшую награду в своей профессии, газета Сан-Диего отметила этот великий день ее жизни унизительным заголовком «Мать из С. Д. получила Нобелевскую премию».
Но все относительно. Возможно, если бы газеты опубликовали статью под подобным заголовком о Гилберте Льюисе, он, вероятно, был бы польщен.
Просматривая периодическую систему ряд за рядом, мы немало узнаем об элементах. Но это лишь часть истории, причем даже не самая интересная. Элементы из одного столбца связаны гораздо теснее, чем соседи из одного ряда. На большинстве человеческих языков принято читать слева направо или справа налево, но таблицу Менделеева гораздо важнее уметь читать по вертикали, столбец за столбцом – кстати, так читаются некоторые формы японской письменности. Так нам открывается множество взаимосвязей между элементами, в том числе неожиданные примеры соперничества и антагонизма. У периодической системы есть своя грамматика, и если научишься читать между строк, то узнаешь множество новых историй.
2. Почти близнецы и паршивая овца: генеалогия элементов
Как-то раз Шекспир решил выдумать самое длинное слово в английском языке. И предложил Honorificabilitudinitatibus (хонорификабилитудинитатибус), которое может означать либо «преисполненный всяческих почестей», либо читаться как анаграмма, подсказывающая, что пьесы Шекспира написал не сам Бард, а Френсис Бэкон[22]. Но в этом слове всего 27 букв, и ему далеко до самого длинного в английском языке.
Разумеется, попытка найти