Превращение элементов

Полуспиритическое состояние и кризис в науке

Всё смешалось в доме элементов. В том самом великолепном здании, которое построил Д.И.Менделеев, — в знаменитой периодической системе. Так, во всяком случае, казалось многим прославленным физикам и химикам начала XX столетия. Всё новые и новые элементы обнаруживались исследователями в цепи радиоактивного распада. Но куда их помещать? В таблице не хватало клеток для этого.

Пьер Кюри не сразу признал теорию превращения элементов. Ему казалось, что тем самым признаётся непостоянство материи. Он первоначально склонялся к мысли объяснить временную радиоактивность процессом передачи энергии. Однако, повторив опыты Рамзая и Содди по образованию гелия из эманации радия, он успокоился и начал измерять альфа-активность так же, как это делал Резерфорд. Эманация, или радон, распадалась и превращалась в какое-то вещество A, но и оно не оставалось стабильным, а также распадалось, давая вещество B; в свою очередь и это вещество распадалось, давая некое C. Резерфорд ко всему этому отнёсся с большим вниманием и, не мудрствуя лукаво, обозначил эти вещества: радий-A, радий-B, радий-C. Он детально изучил всё относящееся к радиоактивности этих новых элементов, установил период полураспада для каждого — 3, 21, 28 минут.

Выяснилось, что это не конец. Есть ещё радий-D, радий-E и радий-F.

Осенью 1904 г. для усовершенствования в науках в лабораторию Рамзая прибыл «неспециалист» — химик-органик Отто Ган. Молодого учёного сразу усадили за отделение радия от бариевой фракции, извлечённой из 250 килограммов нового радиоактивного минерала с Цейлона. Новичку пришлось нелегко, так как навыка в работе с радиоактивными веществами у него совсем не было. Но он порученное задание выполнил с честью. Даже больше. Он не только выделил бромистый радий, но нашёл в маточном растворе новое радиоактивное вещество, которое давало эманацию с периодом полураспада в одну минуту. Твёрдый налёт — результат превращения эманации — также был активен (полураспад 11 часов). По всем химическим признакам это был торий, но с исключительно сильной радиоактивностью. Успехи молодого учёного произвели хорошее впечатление на Рамзая, и он сразу рекомендовал его в качестве специалиста по радиоактивности в исследовательский институт Эмиля Фишера. Молодой химик-органик, «птенец» по сути дела, прибыл к маститому органику с новой, совершенно неожиданно приобретённой специальностью физика. Но чувствуя себя в ней ещё не очень уверенно, Ган отправился в Монреаль к Резерфорду подучиться и накопить опыт. Ему быстро удалось убедить Резерфорда в существовании радиотория, как было названо им новое вещество, и в том, что в цепи радиоактивного превращения торий — эманация тория (торон) он предшествует ранее обнаруженному торию-X. Началась упорная работа. Всё было правильно, но вдруг пришло письмо, в котором его автор Болтвуд сообщал, что располагает препаратом радиотория, сохраняющим радиоактивность постоянной в течение двух лет. Это было интересное сообщение, так как по измерениям Гана такой срок должен привести к почти полному распаду этого вещества. Если сведения Болтвуда достоверны, можно было предположить, что запас радиотория постоянно пополняется за счёт распада какого-то другого радиоактивного вещества. Оказалось, что и в самом деле так, — Ган тонко поставленными экспериментами доказал это и новое вещество назвал мезоторием. В работу включились Болтвуд, Мак-Кой и другие исследователи. В конечном счетё было установлено, что есть и другой мезоторий. Цепочку превращения тория в его эманацию оказалось необходимым удлинить: торий — мезоторий I — мезоторий II — радиоторий — торий-X — торон (эманация).

То обстоятельство, что радий всегда добывался только из урановых руд, наводило на мысль, что и сам он — всего лишь ступень в цепи превращений элементов. Содди попытался накопить сколько-нибудь радия непосредственно из урана, однако это ему не удалось, и исследователи сделали вывод, что уран и радий — не соседние звенья радиоактивной цепи. Так оно и оказалось впоследствии. Болтвуд тогда заинтересовался актинием, радиоактивность которого показана была А.Дебьерном ещё в 1899 г. Исследования, начатые Болтвудом и следом за ним Резерфордом, закончились установлением новой цепи превращений: актиний — радиоактиний — актиний-X — актинон — актиний-A — актиннй-B — актиний-C.

Все эти превращения сопровождались излучением; в большинстве своём испускались альфа, реже бета-, а иногда и гамма-лучи.

Описание всех подробностей этих трансформаций не является предметом нашего рассмотрения, и мы того, кто этим заинтересовался, отсылаем к современному учебнику физической или даже неорганической химии, либо к соответствующим популярным изданиям.

Для нашей темы любопытно было то, что активность в ряде превращений, наконец, прекращалась и образовывалось вещество, уже не излучающее. Химики, определяя его атомный вес, получали неодинаковые величины, но всякий раз очень близкие к атомному весу одного из самых известных и обиходных элементов — свинца.

Профессор Берлинского университета В.Марквальд извлёк из остатков урановой иоахимстальской руды короткоживущий радиоэлемент и назвал его радиотеллуром. Некоторые учёные не согласились с Марквальдом. По мнению одних, открытый им радиотеллур не что иное, как полоний; по мнению других, это висмут. Марквальд много спорил и с теми, и с другими. Последних ему удалось разбить очень просто и наглядно. Он погружал висмутовую палочку в раствор, содержащий радиотеллур, и тот отлагался на палочке — хорошо известный способ контактного вытеснения одного металла другим.

Однако Марквальду всё же пришлось уступить, ибо другие исследователи, и прежде всего Мария Кюри, доказали, что радиотеллур идентичен не только полонию, но и радию — всё это разные названия одного и того же вещества. Марквальд отнёсся к этому в высшей степени философически и сказал шекспировскую фразу: «Как розу ни назови, а пахнуть она будет так же приятно». Но любопытно то, что и радий-E тоже оказался полонием, если судить об этом по атомному весу. Таким образом, теория превращения элементов приобрела необычайную притягательную силу, хотя и вызывала в умах сторонников классических взглядов невообразимую путаницу и тревогу.

Жестокие сомнения испытывал Д.И.Менделеев. Не только потому, что для всех новообразованных элементов не хватало места в таблице. Совершенно необъяснимым казался тот факт, что эманация получалась из различных исходных веществ, имела совершенно одинаковые химические свойства, но… различный атомный вес. Ведь этим, казалось, подрывается вся сущность периодического закона, согласно которому свойства элементов есть периодическая функция их атомного веса.

Так до сих пор блестяще оправдывал себя этот закон, так много дал науке, а теперь вот на основании сомнительных экспериментов кое-кто спешит объявить его ниспровергнутым…

Радиоактивность — замечательное явление, в реальности его никто не сомневается, но что оно такое? Менделеева по-прежнему волнует вопрос: откуда берётся энергия, чтобы вырвать из атома все эти пресловутые частицы?

В седьмом издании «Основ химии» Д.И.Менделеев писал: «…всё то, что мне было показано… первыми исследователями радиоактивных веществ… производило на меня впечатление особых состояний, свойственных лишь преимущественно (но не исключительно, как магнетизм свойствен преимущественно, но не исключительно, железу и кобальту) урановым и ториевым соединениям».

Незадолго до кончины Дмитрия Ивановича Н.А.Морозов подготовил к печати книгу «Периодические системы строения вещества», в которой проводил идею эволюции элементов. По свидетельству Морозова, об этой книге он беседовал с Менделеевым; он пытался убедить Дмитрия Ивановича в том, что выделение радием особой эманации, «превращающейся постепенно в гелий», — общепризнанный факт. Однако Менделеев отнёсся к этому факту скептически. «Скажите, пожалуйста, — воскликнул он, — много ли солей радия на всём земном шаре? Несколько граммов. И на таких-то шатких основаниях хотят разрушить все наши обычные представления о природе веществ!»

Тем не менее Морозов сумел заинтересовать Дмитрия Ивановича новой теорией; они условились ещё раз поговорить на эту тему, когда Морозов вернётся из деревни. К сожалению, больше встретиться им не удалось…

Д.И.Менделеев не отмахивался от экспериментальных достижений науки, но проявлял величайшую осторожность и предостерегал от поспешных выводов. В уже упомянутом письме к Винклеру Менделеев сообщал, что намеревался было посетить Сан-Луи, Чикаго и Нью-Йорк, куда его приглашали, и там «изложить своё мнение о полуспиритическом состоянии, в которое ныне хотят вовлечь нашу науку». Это сказано немного резковато, но не безосновательно. Менделеева насторожило то, что явление радиоактивности, в котором ещё столько неясного, некоторыми учёными использовано для ниспровержения атомов и вообще материи. Так, Вильгельм Оствальд, которому наука многим обязана, в начале 90-х гг. прошлого столетия провозгласил, что первоосновой мира является не материя, а энергия. В своей книге «Учение об энергии» он писал, что материя является не носителем, а формой проявления энергии. Взгляды Оствальда были подняты на щит философами-идеалистами. В восторженных статьях они возглашали, что учение Оствальда «навсегда положило конец субстанциальному понятию материи».

Против «заболевшего энергетизмом» Оствальда выступили даже его ближайшие друзья, коллеги по работе в области физической химии, крупнейшие термодинамики. С.Аррениус писал Оствальду: «При помощи бескровных термодинамических функций крайне трудно двигаться вперёд. Мне кажется, что физикам всегда будут необходимы материальные механические представления… Энергетика никуда не годится для экспериментальных работ…» Вант-Гофф считал, что не термодинамика, а атомистика составляет «центр тяжести» химической науки. В.Нернст был раздражён выступлением Оствальда, где тот провозгласил, что «гипотезы об атомах и молекулах можно отбросить, как костыли, в которых не нуждается зрелая наука». «Как тебе нравится, — писал он Аррениусу, — что Оствальд пичкает нас, бедных читателей «Цейтшрифт», своей любекской стряпнёй?»

С резкой критикой Оствальда выступил и Д.И.Менделеев, который показал, что учение Оствальда представляет собой не что иное, как возвращение к «динамизму» древних, считавших, что материя — всего лишь проявление сил. «В динамизме, — писал творец периодической системы, — движется, так сказать, ничто». А.Г.Столетов, Н.Н.Бекетов, Д.П.Коновалов, Н.А.Умов, И.А.Каблуков, Н.С.Курнаков и другие русские учёные также энергично выступали против энергетизма и отстаивали атомно-молекулярное учение.

Очень аргументированной критике подверг все положения Оствальда Л.Больцман. По этому поводу С.Аррениус заметил: «С энергетикой ему (Оствальду. — Б.К.) не особенно повезло, Больцман разрушил ему всю систему».

Крупнейшие учёные XIX в. стояли на позициях естественноисторического материализма, т. е. разделяли, по словам В.И.Ленина, «…стихийное, несознаваемое, неоформленное, философски-бессознательное убеждение подавляющего большинства естествоиспытателей в объективной реальности внешнего мира, отражаемой нашим сознанием». А тут эта «объективная реальность», настолько привычная и, казалось бы, так очевидная, вдруг начала куда-то исчезать в таинственных явлениях радиоактивности, в самопроизвольном распаде атома. И вот уже Анри Пуанкаре, тот самый, что в своё время так помог Беккерелю, провозгласил вдруг, что современная физика — это «руины старых теорий», что в новейшей физике происходит «всеобщий разгром принципов». С лёгкой руки физика Л.Ульвига на все лады стало склоняться утверждение: «Материя исчезла».

Очень нелегко было тогда во всём разобраться. Если Менделеев впадал в большие сомнения при рассмотрении вопросов электрохимических диссоциаций и радиоактивности («откуда берётся энергия?»), то и многие другие учёные над этим серьёзно задумывались. «Великий революционер — радий», по утверждению того же Пуанкаре, подрывал принцип сохранения энергии. А принцип сохранения массы, казалось, подорван электронной теорией материи.

Все эти «шатания мысли» в вопросе материальности мира и объективности истин, установленных наукой, подробно рассмотрены В.И.Лениным в его замечательной работе «Материализм и эмпириокритицизм». Сокрушительной критике подверглись все те, кто капитулировал перед идеализмом, будучи обескуражен новыми, непонятными на первом этапе научными открытиями. Досталось в этой работе и Э.Маху, и В.Оствальду, и другим «физикам-идеалистам», и в то же время отмечалось, что Больцман, раскритиковавший энергетизм, «конечно, боится назвать себя материалистом и даже специально оговаривается, что он вовсе не против бытия божьего, но его теория материалистическая и выражает она… мнение большинства естествоиспытателей».

Несколько ранее с возмущением писал Д.И.Менделеев: «От физики до метафизики теперь стараются сделать расстояние до того обоюдно ничтожно малым, что в физике, особенно после открытия радиоактивности, прямо переходят в метафизику, а в этой последней стремятся достичь ясности и объективности физики. Старые боги отвергнуты, ищут новых, но ни к чему сколько-либо допустимому и цельному не доходят: и скептицизм узаконяется, довольствуясь афоризмами и отрицая возможность цельной общей системы. Это очень печально отражается в философии, пошедшей за Шопенгауером и Ницше, в естествознании, пытающемся «объять необъятное» по образу Оствальда или хоть Цыглера…»

С пространной речью против взглядов Пуанкаре и всех тех, кто утверждал, что «атом дематериализуется», выступил в 1901 г. президент физической секции английских естествоиспытателей А.У.Риккер. Аргументируя достижениями науки последних лет, он отверг все сомнения в существовании атомов. «…Несмотря на приблизительный характер некоторых наших теорий, — закончил он свою речь, — несмотря на многие частные затруднения, теория атомов… в главных основах верна… атомы не только вспомогательные понятия для математиков, а физические реальности».

В.И.Ленин в своей работе посвятил целый раздел этому выступлению и беспощадно раскритиковал Д.Уорда, пытавшегося опровергнуть Риккера. «Материя исчезает», — писал В.И.Ленин, — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идёт глубже…» «…Диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом…»

Последняя фраза в то время могла показаться многим слишком смелой, но спустя годы её смогли оценить как пророческую. «Ум человеческий, — утверждал Владимир Ильич, — открыл много диковинного в природе и откроет ещё больше, увеличивая тем свою власть над ней…»

«Модное» течение втянуло в своё русло далеко не подавляющее большинство учёных, хотя среди них были и крупные имена. Не менее крупные имена, как уже отмечалось, были и среди тех, кто резко восставал против идеалистического толкования успехов физики. П.Ланжевен, например, писал в 1904 г.: «В настоящее время происходит научная революция. Она выводит атомические идеи из той тени, в которой их оставляют, и сопоставляя с новыми фактами, переводит из области гипотез в область принципов».

Философы-идеалисты всё более теряли опору в естествознании. Полным их конфузом стало то, что учёные, из-за которых, собственно говоря, и «разгорелся сыр-бор», совершенно отказались от своих прежних взглядов. А.Пуанкаре, например, заявил: «…атомы более уже не являются удобными фикциями… Атом химика сейчас реальность». Такое же признание в 1908 г. сделал и В.Оствальд: «…атомическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории».

Атомистика восторжествовала, но уже в новом качестве. А для нашего повествования важно подчеркнуть, что новая атомистика признала «старую» идею превращения элементов, вдохнула в неё жизнь. Сама идея пережила трансмутацию — из недосягаемой мечты она превратилась в реальность. «Таким образом, давно всеми отвергнутая, скомпрометированная идея алхимиков о возможности трансмутации (превращения) вещества была возрождена». Это слова советского учёного академика П.Л. Капицы из предисловия к одной книге о Резерфорде.