В новом веке поиски сорок третьего элемента стали еще более азартными. В 1909 году японец Масатака Огава заявил об открытии элемента, который назвал «ниппонием» в честь своей родины. Все предыдущие фальшивые «сорок третьи» оказывались просто загрязненными образцами или открытыми ранее рассеянными элементами. Но Огава действительно открыл новый элемент, только не тот, который искал. В погоне за сорок третьим элементом японец просто проигнорировал другие пробелы в таблице. Когда же его находка не подтвердилась, Огава устыдился и просто забросил эту работу. Лишь в 2004 году его соотечественник перепроверил данные Огавы и пришел к выводу, что тому удалось впервые выделить рений, семьдесят пятый элемент, даже не подозревая об этом. В 1909 году рений еще оставался неизвестным. Если попытаться задуматься, как же расценивать открытие Огавы – как повод для посмертного признания за совершенное открытие (ведь что-то он открыл!) либо как повод еще сильнее досадовать из-за этой драматической ошибки, – то вопрос переходит в плоскость «стакан наполовину пуст» или «стакан наполовину полон».
Бесспорное открытие семьдесят пятого элемента произошло в 1925 году. Это сделали сразу три немецких химика – Отто Берг и супружеская пара Вальтер и Ида Ноддаки. Они назвали новый металл рением в честь реки Рейн. В то же время они объявили и еще об одном открытии, «застолбив» сорок третью клетку. В нее они поместили элемент, который назвали «мазурием» в честь исторической области в Пруссии. Учитывая, что примерно десятилетием ранее национализм разрушил старую Европу, другие ученые прохладно восприняли инициативу этих «тевтонцев». Названия казались даже шовинистическими – ведь именно на Рейне и в Мазурии Германия одержала наиболее крупные победы в годы минувшей мировой войны. На всем континенте зародился научный «заговор», целью которого было дискредитировать открытия немцев. Данные по рению казались безупречными, поэтому скептики сосредоточились на гораздо более фрагментарной работе, связанной с «мазурием». Некоторые современные ученые не исключают, что немцы действительно могли открыть сорок третий элемент, но в статье немецкого трио о мазурии содержатся грубые ошибки – в частности, объем полученного «мазурия» оказался завышен в тысячи раз. В результате ученые, уже относившиеся с подозрением ко всем новым заявлениям об открытии сорок третьего элемента, объявили это открытие недействительным.
Лишь в 1937 году получить сорок третий элемент удалось двум итальянцам. Для этого ученые – звали их Эмилио Сегре и Карло Перрье – воспользовались достижениями новейших работ в области ядерной физики. Сорок третий элемент в наши дни очень редок по той причине, что он радиоактивен и практически все его атомы, имеющиеся в земной коре, уже распались до молибдена (сорок второй элемент) миллионы лет назад. Таким образом, чтобы его найти, следовало не просеивать тонны руды в поисках ничтожных долей грамма (как поступили Берг и Ноддаки), а осуществить синтез. В этом итальянцам помог их тогда еще малоизвестный американский коллега.
Несколькими годами ранее этот американец, Эрнест Лоуренс (охарактеризовавший заявление Берга и Ноддаков об открытии сорок третьего элемента как «бредовое»), изобрел специальный прибор, предназначенный для сталкивания атомов на больших скоростях. Этот аппарат назывался циклотроном и предназначался для получения значительных объемов радиоактивных элементов. Лоуренса больше интересовал синтез изотопов имеющихся элементов, а не новых металлов. Но Сегре, посетивший лабораторию Лоуренса в 1937 году во время научной командировки в Америке, узнал, что в циклотроне используются молибденовые детали, постепенно приходящие в негодность. От такого известия внутренний счетчик Гейгера, сидевший где-то в душе у Сегре, застучал, как бешеный. Он скромно поинтересовался у Лоуренса, не мог бы тот отдать для работы использованные молибденовые компоненты. Через несколько недель Лоуренс, откликнувшийся на просьбу Сегре, с готовностью выслал несколько молибденовых полосок в Италию, воспользовавшись для этого обычной почтой. Интуиция не подвела Сегре: в полученных полосках они с Перрье нашли следы сорок третьего элемента. Так самый неуловимый элемент занял свою клетку в периодической системе.
Разумеется, немецкие химики не отказались от своих претензий на открытие «мазурия». Вальтер Ноддак даже наведался к Сегре в Италию и крупно с ним повздорил. Более того, он явился к коллеге в устрашающей камуфляжной форме, покрытой свастиками. Разумеется, никакого разговора со взвинченным взрывным Сегре у него не получилось, тем более что Эмилио испытывал в связи с новым элементом и политическое давление. Функционеры Университета Палермо, где работал Сегре, склоняли его назвать открытый элемент «панормием» в честь латинского наименования Палермо. Вероятно, Сегре и Перрье колебались, памятуя о националистической истерии вокруг «мазурия», поэтому и окрестили сорок третий элемент технецием. В переводе с греческого это слово означает «искусственный». Название получилось очень точным, пусть и неброским – ведь технеций действительно был первым элементом, который удалось синтезировать вручную. Но такое название нисколько не прибавило популярности самому Сегре, и в 1938 году он взял творческий отпуск. Свой отпуск Сегре решил провести в Беркли, сотрудничая с Лоуренсом.
Нет никаких свидетельств того, что Лоуренс затаил злобу на Сегре за такой молибденовый гамбит, но именно Лоуренс в том же году согласился взять итальянца на работу за гроши. На самом деле, Лоуренс просто проигнорировал чувства Сегре и только съязвил, что те 184 доллара ежемесячной экономии он с удовольствием потратит на оборудование, например на свой драгоценный циклотрон. Увы, это лишний раз доказывает, что Лоуренс, отлично умевший привлекать средства и руководить исследованиями, совершенно бестолково строил отношения с людьми. Стоило Лоуренсу привлечь в команду одного блестящего ученого, как он тут же терял другого не менее ценного специалиста из-за своих диктаторских замашек. Даже Гленн Сиборг, горячий сторонник Лоуренса, однажды заметил, что именно в вызывавшей всеобщую зависть прославленной Радиационной лаборатории Лоуренса, а не в Европе должны были быть совершены два наиболее важных открытия того времени – искусственная радиоактивность и ядерный распад. Тот факт, что Лоуренс не сделал ни того, ни другого, был, по мнению Сиборга, неописуемым провалом.
Не исключено, что этот провал Лоуренса вызывал у Сегре сочувствие – ведь эти открытия могли быть совершены и в Италии, с участием Сегре. В 1934 году Сегре работал главным ассистентом в команде легендарного итальянского физика Энрико Ферми. Именно в тот год Ферми объявил всему миру (как оказалось – ошибочно), что в результате бомбардировки образцов урана нейтронами ему удалось открыть девяносто третий и другие трансурановые элементы. Ферми долго обладал репутацией самого «быстрого разума» в науке, но в данном случае поспешные выводы подвели его. На самом деле, он упустил гораздо более многозначительное открытие, чем синтез трансурановых элементов: Ферми за много лет до всех своих коллег смог запустить в уране реакцию ядерного распада, но даже не осознал этого. Когда в 1939 году два немецких физика оспорили результаты Ферми, вся итальянская лаборатория оцепенела – еще бы, ведь Ферми уже успел получить Нобелевскую премию за свое «открытие»! Особенно разочарован был Сегре. Он руководил группой, которая занималась анализом образцов и идентификацией новых элементов. Хуже того, Сегре сразу же вспомнил, что он (и не только он) еще в 1934 году читал статью о возможности ядерного распада, но отверг ее, как надуманную и необоснованную. По злой иронии судьбы, автором статьи была все та же злосчастная Ида Ноддак[70].
Позже Сегре стал известным историком науки (а также, между прочим, заядлым грибником). Он упомянул об ошибке с ядерным распадом в двух книгах, в обоих случаях лаконично выразив одну и ту же мысль: «Однако от нас ускользнула возможность деления, хотя Ида Ноддак специально обращала на нее наше внимание: она прислала нам статью, в которой недвусмысленно говорилось, что результаты можно интерпретировать как раскалывание тяжелого атома на две приблизительно равные части. Чем объяснить нашу слепоту, не вполне ясно»[71].
В качестве интересного исторического курьеза он также отметил, что ближе всего к открытию деления ядра подошли две женщины – Ида Ноддак и Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри. Наконец, честь открытия деления ядер также принадлежит женщине, Лизе Мейтнер.
К сожалению, Сегре воспринял этот урок об отсутствии трансурановых элементов слишком буквально и вскоре сам оказался виновником настоящего «сольного скандала». Около 1940 года ученые предположили, что элементы, расположенные в периодической системе чуть дальше и чуть ближе урана, являются переходными металлами. В соответствии с их расчетами девяностый элемент относился к четвертому столбцу, а первый из элементов, не встречающихся в природе, – девяносто третий – оказывался в седьмом столбце, прямо под технецием. Но в сегодняшней таблице видно, что элементы, окружающие уран, отнюдь не являются переходными металлами. Они располагаются в самом низу таблицы прямо под редкоземельными элементами и в химических реакциях ведут себя именно как редкоземельные металлы, а не как технеций. Причина научной слепоты химиков вполне понятна. Несмотря на пиетет перед таблицей Менделеева, они не воспринимали периодический закон достаточно серьезно. Ученые полагали, что редкоземельные металлы представляют собой странное исключение и их причудливая химия нигде больше не проявляется. Но это не так: уран и другие элементы, расположенные рядом с ним, заполняют электронами f-оболочки, точно как редкоземельные металлы. Следовательно, эти элементы должны ответвляться от основной периодической системы на период ниже, чем редкоземельные металлы, и проявлять в химических реакциях примерно такие же свойства, как лантаноиды. Все просто, по крайней мере в ретроспективе. Через год после сенсационного открытия деления ядер один коллега Сегре, работавший с ним на одном этаже, вновь решил попробовать открыть девяносто третий элемент. Для этого он облучил немного урана в циклотроне. Считая (по описанным выше причинам), что этот элемент должен быть подобен технецию, он попросил Сегре о помощи. Действительно, ведь именно Сегре открыл технеций и разбирался в его химии лучше, чем кто-либо другой. Сегре был заядлым охотником за элементами и взялся за исследование образцов. Беря пример со своего наставника Ферми, умевшего мыслить очень быстро, Сегре заключил, что в результате деления получаются вещества, напоминающие редкоземельные элементы, но совсем не похожие на тяжелый аналог технеция. «Банальное деление ядер продолжается», – заявил Сегре и набросал статью с разочаровывающим названием «Безуспешный поиск трансурановых элементов».
Позже Сегре стал известным историком науки (а также, между прочим, заядлым грибником). Он упомянул об ошибке с ядерным распадом в двух книгах, в обоих случаях лаконично выразив одну и ту же мысль: «Однако от нас ускользнула возможность деления, хотя Ида Ноддак специально обращала на нее наше внимание: она прислала нам статью, в которой недвусмысленно говорилось, что результаты можно интерпретировать как раскалывание тяжелого атома на две приблизительно равные части. Чем объяснить нашу слепоту, не вполне ясно»[71].
В качестве интересного исторического курьеза он также отметил, что ближе всего к открытию деления ядра подошли две женщины – Ида Ноддак и Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри. Наконец, честь открытия деления ядер также принадлежит женщине, Лизе Мейтнер.
К сожалению, Сегре воспринял этот урок об отсутствии трансурановых элементов слишком буквально и вскоре сам оказался виновником настоящего «сольного скандала». Около 1940 года ученые предположили, что элементы, расположенные в периодической системе чуть дальше и чуть ближе урана, являются переходными металлами. В соответствии с их расчетами девяностый элемент относился к четвертому столбцу, а первый из элементов, не встречающихся в природе, – девяносто третий – оказывался в седьмом столбце, прямо под технецием. Но в сегодняшней таблице видно, что элементы, окружающие уран, отнюдь не являются переходными металлами. Они располагаются в самом низу таблицы прямо под редкоземельными элементами и в химических реакциях ведут себя именно как редкоземельные металлы, а не как технеций. Причина научной слепоты химиков вполне понятна. Несмотря на пиетет перед таблицей Менделеева, они не воспринимали периодический закон достаточно серьезно. Ученые полагали, что редкоземельные металлы представляют собой странное исключение и их причудливая химия нигде больше не проявляется. Но это не так: уран и другие элементы, расположенные рядом с ним, заполняют электронами f-оболочки, точно как редкоземельные металлы. Следовательно, эти элементы должны ответвляться от основной периодической системы на период ниже, чем редкоземельные металлы, и проявлять в химических реакциях примерно такие же свойства, как лантаноиды. Все просто, по крайней мере в ретроспективе. Через год после сенсационного открытия деления ядер один коллега Сегре, работавший с ним на одном этаже, вновь решил попробовать открыть девяносто третий элемент. Для этого он облучил немного урана в циклотроне. Считая (по описанным выше причинам), что этот элемент должен быть подобен технецию, он попросил Сегре о помощи. Действительно, ведь именно Сегре открыл технеций и разбирался в его химии лучше, чем кто-либо другой. Сегре был заядлым охотником за элементами и взялся за исследование образцов. Беря пример со своего наставника Ферми, умевшего мыслить очень быстро, Сегре заключил, что в результате деления получаются вещества, напоминающие редкоземельные элементы, но совсем не похожие на тяжелый аналог технеция. «Банальное деление ядер продолжается», – заявил Сегре и набросал статью с разочаровывающим названием «Безуспешный поиск трансурановых элементов».
Но тогда как Сегре решил просто работать дальше, тот самый коллега, Эдвин Макмиллан, заинтересовался его находкой. Все элементы при радиоактивном анализе ведут себя каким-то характерным образом, но «редкоземельные металлы» Сегре вели себя совершенно иначе, нежели другие редкоземельные элементы. Это был нонсенс. Поломав голову над этой проблемой, Макмиллан предположил, что, возможно, найденные элементы вели себя как редкоземельные металлы именно потому, что являются тяжелыми аналогами таких металлов и также располагаются в «ответвлении» от основной периодической системы. Поэтому Макмиллан с коллегой повторили облучение и химические анализы, уже без Сегре. Они практически сразу смогли открыть первый «запрещенный» в природе элемент – нептуний. Ирония судьбы слишком бросается в глаза, чтобы ее не заметить. Ведь, работая с Ферми, Сегре не догадался, что в результате деления ядер получаются трансурановые элементы. «Очевидно, не сделав никаких выводов из той ошибки, – вспоминал Гленн
Сиборг, – Сегре вновь не счел нужным внимательно провести химический анализ». Совершив практически противоположную ошибку, Сегре оказался слишком небрежен и не смог распознать в трансурановом нептунии продукт деления ядер.
Несомненно, как ученый Сегре был в ярости от собственной недальновидности. Но как историк науки он мог оценить последствия этого открытия. В 1951 году Макмиллан получил за свою работу Нобелевскую премию по химии. Но за открытие трансурановых элементов Шведская академия наградила Ферми; чтобы не признавать ошибку, Нобелевский комитет решил наградить Макмиллана лишь за «открытия в области химии трансурановых элементов» (курсив автора). Впрочем, поскольку Макмиллан открыл нептуний благодаря аккуратному и безошибочному химическому подходу, эту формулировку можно не считать неуважительной.
* * *Конечно, Сегре оказался слишком самоуверенным, но его ошибки не идут ни в какое сравнение с промахами другого гения, который также работал в Калифорнии, но несколько южнее. Этим гением был Лайнус Полинг.
Получив в 1925 году степень доктора философии, Полинг согласился на полуторагодичную стажировку в Германии, которая была в те годы научным центром мира. Сегодня языком международного общения среди ученых является английский, но в начале прошлого века такую роль играл немецкий язык. Но благодаря тем знаниям по квантовой механике, которые Полинг смог приобрести в Европе, еще не достигнув тридцати лет, американская химия вскоре коренным образом превзошла немецкую. Сам же Полинг через много лет оказался на обложке журнала Time.
Достижение Полинга заключается в том, что ему удалось описать, как именно квантовая механика управляет химическими связями между атомами. Он проанализировал силу, длину, угол каждой химической связи. Полинга можно сравнить с Леонардо да Винчи, который впервые стал рисовать людей, верно подмечая мельчайшие анатомические детали. Поскольку химия, в сущности – это дисциплина, изучающая, как создаются и разрываются межатомные связи, Полинг практически в одиночку модернизировал целую область науки. Он абсолютно по праву заслужил один из величайших научных комплиментов, полученный от одного из коллег: «Полинг доказал, что химию можно понимать, а не только вызубривать» (курсив автора).
После этого триумфа Полинг продолжал заниматься основами химии. Вскоре он определил, почему все снежинки шестиугольные: дело в том, что шестиугольную структуру имеют сами кристаллы льда. В то же время Полингу явно не терпелось вырваться за пределы простейшей физической химии. Например, в ходе одного из своих исследований он определил, почему серповидно-клеточная анемия смертельна для человека. Дело в том, что молекулы гемоглобина в эритроцитах больного имеют неправильную форму и не могут связываться с кислородом. Это исследование гемоглобина замечательно тем, что оно впервые позволило выявить в качестве причины заболевания аномальную молекулу[72]. Работа Полинга полностью перевернула представление врачей о медицине. Позже, в 1948 году, Полинг сильно заболел гриппом и, проводя целые дни в постели, пришел к мысли, которая помогла совершить революцию в молекулярной биологии. Он решил показать, как молекулы белков могут образовывать длинные цилиндры, которые называются альфа-спиралями. Функционирование белка в значительной степени определяется формой его молекул, и Полинг был первым, кто смог определить, как отдельные фрагменты белка «узнают», какая форма молекулы является «правильной».
Во всех этих случаях Полинга по-настоящему интересовало (кроме очевидной пользы для медицины) лишь то, как почти по волшебству у вещества возникают новые свойства, когда маленькие «глупые» атомы самостоятельно укладываются в большие структуры. Самая захватывающая сторона проблемы заключалась в том, что в молекулярной химии часть порой нисколько не напоминает целое. Например, вы никогда не догадались бы (если бы не увидели этого сами), что атомы углерода, кислорода и азота могут объединяться в аминокислоты. Аналогично, сложно себе представить, как аминокислоты сочленяются, образуя белки, а белки, в свою очередь, управляют жизнедеятельностью всех живых организмов. Эта работа, связанная с изучением атомных систем, была даже сложнее, чем синтез новых элементов. Но такой прыжок в невероятную сложность также повышал вероятность неверных интерпретаций и ошибок. В долгосрочной перспективе легкий успех Полинга с открытием альфа-спиралей оказался еще одной иронией судьбы: ведь если бы Полинг не запутался с другой спиральной молекулой, ДНК, то, несомненно, навечно остался бы в пятерке величайших ученых всех времен и народов.