Матвей Бронштейн
Солнечное вещество и другие повести, а также Жизнь и судьба Матвея Бронштейна и Лидии Чуковской (сборник)
Издание осуществлено при поддержке "Книжных проектов Дмитрия Зимина"
В книге использованы иллюстрации Николая Лапшина
© Г. Горелик, составление, послесловия, примечания, комментарии, 2018
© Л.К. Чуковская, наследники, 2018
© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2018
© ООО “Издательство АСТ”, 2018
Издательство CORPUS®
* * *
От составителя
Матвей Бронштейн в физике и в литературе
Три повести, составившие эту книгу, написал выдающийся физик-теоретик, когда ему не было еще и тридцати лет. Наука была главным делом его жизни.
Свое призвание Матвей Бронштейн обнаружил в кружке при Киевском университете, хотя сам еще не был студентом, а формально не имел и среднего образования. Гражданская война, кроме прочего, разрушила и прежнюю школьную систему. Однако самообразования Бронштейну хватило, чтобы в восемнадцать лет написать первую научную работу – о фотонной структуре рентгеновского излучения. В 1925 году его статью опубликовал ведущий мировой журнал по физике Zeitschrift für Physik. Юный исследователь предсказал эффект, обнаружение которого добавило бы довод в пользу идеи фотонов, а “в противном случае, – писал он, – будет пролит некоторый свет на вопрос о границах применимости теории световых квантов в области рентгеновских лучей”. В то время идею фотонов еще не принимали даже видные физики, включая Нильса Бора. Так что восемнадцатилетний Матвей Бронштейн оказался в самой гуще событий тогдашней физики.
В 1926 году он поступил в Ленинградский университет. Слушал лекции сразу на двух отделениях – физическом и астрономическом, где подружился со Львом Ландау и Виктором Амбарцумяном, позднее ставшими учеными мирового уровня.
В студенческие годы он решил трудную задачу о температуре звезд, и его результат, впоследствии названный соотношением Хопфа – Бронштейна, опубликовал главный тогда астрономический журнал, издававшийся в Англии.
В апреле 1930 года заведующий теоретическим отделом Ленинградского физико-технического института Яков Ильич Френкель написал на заявлении двадцатитрехлетнего выпускника университета:
М. П. Бронштейн является исключительно талантливым физиком-теоретиком, с широкими интересами, большой инициативой и чрезвычайно большими познаниями. Я не сомневаюсь, что он будет одним из наиболее ценных сотрудников теоретического отдела института.
Когда в СССР в 1934 году вновь ввели ученые степени (отмененные в 1917-м), ученый совет института присвоил Бронштейну кандидатскую степень без защиты диссертации – за его работы по астрофизике, а докторскую предложил ему защитить по физике полупроводников, на основе уже опубликованных им работ.
Бронштейн, однако, выбрал гораздо более трудную – но более интересную для него – проблему квантовой теории гравитации и уже осенью 1935 года стал доктором наук.
Полная теория квантовой гравитации до сих пор не построена и ныне считается центральной проблемой фундаментальной физики, важной и для физики элементарных частиц, и для физики Вселенной – космологии. Бронштейн первым обнаружил глубину этой проблемы и предсказал, что ее решение потребует пересмотра основных представлений о пространстве и времени.
Непросто объяснить проблему квантовой гравитации человеку, знающему физику лишь по школьному учебнику, и даже тем, кто слышал, что гравитация – это кривизна пространства-времени, и понимает непредставимость квантовых законов. Вряд ли кто мог бы объяснить это лучше самого Матвея Бронштейна. О сложной науке он умел рассказывать просто, понятно и правильно. Однако о проблеме квантовой гравитации он рассказать не успел. В августе 1937 года, в разгар сталинского Большого террора, тридцатилетний физик был арестован и, полгода спустя, казнен в ленинградской тюрьме.
Кроме научных работ, понятных лишь физикам-специалистам, Матвей Бронштейн оставил книжки, написанные для любознательных читателей всех возрастов. Ему было интересно не только самому исследовать, как устроена Природа, но и делиться своими знаниями с другими. Он с удовольствием преподавал и писал о науке, быть может, еще и потому, что его отрочество пришлось на годы Гражданской войны, когда главными его учителями служили книги. Учиться он любил, и сделался – сделал себя – необычайно образованным человеком; на трех языках говорил свободно, еще на нескольких читал.
Повести Матвея Бронштейна о науке, собранные в этой книге, рождались благодаря помощи замечательных литераторов – Самуила Маршака и Лидии Чуковской. И повести эти, по мнению нобелевского лауреата Льва Ландау, написаны так увлекательно, что читать их “интересно и школьнику, и физику-профессионалу: трудно остановиться, не дочитав до конца”.
Какую роль сыграл бы Матвей Бронштейн в истории, не погибни он в тридцать лет? Большие научные таланты рождаются редко, а талантливых физиков, одаренных литературно, и вовсе единицы.
И первый – это, конечно, Галилей, который не только изобрел современную физику, но и своими “Диалогами”[1] вошел в историю итальянской литературы и литературы научно-популярной. Свои главные книги Галилей написал, когда ему было за шестьдесят. Бронштейн в последний год своей короткой жизни, занимаясь проблемами космологии и ядерной физики, начал писать книгу о Галилее…
М. Бронштейн
Солнечное вещество
С чего началось
Я расскажу о веществе, которое люди нашли сначала на Солнце, а потом уже у себя на Земле.
Астрономы изучают поверхность Солнца с тех пор, как у них есть телескоп. Они видят на Солнце темные пятна, огненные облака, извержения и взрывы. Но разве можно разглядеть в телескоп химический состав Солнца, исследовать, из каких веществ оно состоит? Для этого химикам пришлось бы побывать на Солнце, захватив с собой свои пробирки, колбы, реактивы и весы.
Какая же это экспедиция пролетела полтораста миллионов километров и открыла на Солнце новое вещество?
Такой экспедиции никогда не было. Не отрываясь от своей планеты, люди ухитрились узнать, из чего состоит Солнце. Узнали это они не очень давно – всего только лет семьдесят пять тому назад[2].
И, как часто бывает в науке, для этого необычайного открытия понадобились самые скромные средства и орудия.
Эти орудия – маленькая, тусклая горелка Бунзена да еще самодельный спектроскоп, сооруженный из сигарной коробки, стеклянного клина и двух половинок распиленной подзорной трубы.
Началось все дело с горелки, а потом уже дошла очередь и до спектроскопа.
Горелка Бунзена
Горелку Бунзена вы и сейчас еще найдете в любой лаборатории. За десятки лет она нисколько не изменилась.
Простая металлическая трубка, стоящая на подставке. По резиновому шлангу в трубку течет снизу светильный газ[3], а чуть пониже середины в ней проделано отверстие для воздуха. Поднесите к верхнему концу трубки зажженную спичку, и газ загорится тусклым, бледным, почти бесцветным пламенем.
Днем этого пламени даже не заметишь. Горелка Бунзена горит гораздо тусклее самой плохонькой керосиновой коптилки, но зато пламя у нее такое жаркое, какого никогда не бывает в нашей обыкновенной печке: две тысячи триста градусов[4].
Цветные сигналы
Роберт Бунзен жил в прошлом веке[5]. Много лет был он профессором химии в маленьком немецком городке Гейдельберге.
К середине 50-х годов он уже изобрел свою горелку и теперь изо дня в день старательно изучал, как ведут себя различные вещества в пламени высокой температуры.
Он погружал в пламя то металлы, то уголь, то соли, то известь и наблюдал, что происходит со всевозможными химическими соединениями в горячем пламени светильного газа.
Осенью 1858 года он заметил и записал в лабораторном дневнике, что многие вещества ярко окрашивают бесцветное пламя.
Впервые он обратил на это внимание во время опыта с поваренной солью.
Тонкими платиновыми щипчиками взял он маленький кристаллик соли и сунул в пламя горелки. Бесцветное пламя сразу перестало быть бесцветным. Как только попала в него поваренная соль, оно разгорелось ярче и пожелтело. А комнату наполнил удушливый запах хлора.
Роберт Бунзен
Этому запаху Бунзен не удивился. Ведь поваренная соль состоит из двух веществ: хлора и натрия. Вот она и распалась на свои составные части в жарком пламени горелки, и хлор растекся по комнате.
Но почему же пламя из бесцветного сделалось желтым? Что окрасило его в желтый цвет – газ хлор или металл натрий?
Чтобы узнать это, Бунзен решил повторить опыт, но только вместо поваренной соли взять вещества, в которых будет натрий, а хлора не будет, – например соду, глауберову соль, бромистый натрий. Если пламя и при этих опытах окрасится в желтый цвет – значит, все дело в натрии.
Так и оказалось: и от соды, и от глауберовой соли пламя сразу пожелтело.
Тогда Бунзен проделал последний, решительный опыт: внес в пламя чистый натрий без всяких примесей. Пламя и на этот раз стало ярко-желтым.
Значит, догадка верна: натрий действительно окрашивает бесцветное пламя газовой горелки в желтый цвет.
Удача этих опытов навела Бунзена на мысль: быть может, не только натрий, но и другие металлы способны окрасить бесцветное пламя горелки? Что, если взять вещества, в которых натрия нет? Например, сильвин – соединение хлора с металлом калием?
Крохотный кристаллик сильвина был внесен в пламя газовой горелки. Пламя разгорелось так же ярко, как и от кристаллика поваренной соли, но окрасилось в другой цвет – не желтый, а фиолетовый.
И не один сильвин, а все вещества, в которых есть калий, дали тот же фиолетовый цвет: и селитра, и поташ, и едкое кали.
Вывод ясен: фиолетовый цвет пламени зависит от калия. Но Бунзен и тут не отказался от последней проверки: он внес в пламя чистый калий.
Все тот же фиолетовый цвет.
Значит, желтый цвет – признак натрия, а фиолетовый – калия.
Бунзен почувствовал, что опыты ведут его к какому-то важному открытию. Он стал испытывать металлы один за другим. Взял литий – и получил красное пламя, взял медь – и получил зеленое.
Опыты за опытами убеждали Бунзена в том, что он открыл новый способ химического анализа – такого анализа, для которого не нужна сложная химическая кухня, не нужны приборы, склянки, реактивы.
Теперь, когда химик захочет узнать, есть ли в каком-нибудь веществе калий, ему скажет об этом пламя газовой горелки, скажет не словами, а цветными сигналами.
Если пламя сделается фиолетовым, это значит: в веществе есть калий. А если оно сделается не фиолетовым, а желтым, это будет означать: калия нет, есть натрий.
Можно будет на глаз узнавать химический состав любого вещества. Надо только изучить язык газового пламени, разобраться в его цветных сигналах.
Неудача
Бунзен раздобыл множество разных химических соединений и принялся их исследовать. Тоненькими платиновыми щипчиками захватывал он кусочек исследуемого вещества и вносил в пламя горелки. Если же вещество было не твердым, а жидким, то вместо щипчиков брал он платиновую проволочку толщиной с конский волос, изогнутую на конце в виде петельки. Каплю жидкости, повисшую на петельке, Бунзен осторожно вносил в пламя.
Тонкая платиновая проволочка с петелькой на конце
И каждый раз в лабораторном дневнике появлялась запись о том, каким цветом окрасилось пламя.
Скоро в руках у Бунзена был длинный перечень веществ и тех цветов, по которым их можно определить. Настоящая сигнальная книга: натрий – желтый сигнал, калий – фиолетовый сигнал, медь – зеленый сигнал, стронций – красный сигнал. И так далее и так далее – на много страниц.
Сигнальная книга была готова, и вот тут-то Бунзен увидел, что пользоваться этими сигналами не так-то просто.
В перечне была, например, такая запись:
«Раствор солей натрия – желтый цвет.
Раствор солей натрия с небольшой примесью солей лития – тоже желтый цвет.
Раствор солей натрия с небольшой примесью солей калия – тоже желтый цвет».
Как же расшифровать эти сигналы? Как отличить чистый натрий от натрия с примесью калия и от натрия с примесью лития?
Бунзен зажег три газовые горелки. В пламя каждой горелки внес он по капле раствора поваренной соли. Но в одной капле поваренная соль была чистая (соединение натрия с хлором), в другой она была смешана с солями лития, в третьей – с солями калия.
Все три пламени были одного цвета: желтого. Никакой разницы между ними не было. Очевидно, натрий так сильно окрасил их в свой желтый цвет, что глазу не удалось уловить красный оттенок лития и фиолетовый оттенок калия.
Тогда Бунзен подумал: «А что, если помочь глазу – вооружить его цветными стеклами или цветными жидкостями?»
Он налил в стаканчик немного раствора синей краски индиго и стал рассматривать все три пламени сквозь синюю жидкость. И тут он сразу заметил различие в цвете.
Синяя краска индиго поглотила желтые лучи натрия, и поэтому пламя, где была поваренная соль с примесью лития, казалось теперь малиново-красным. Пламя, куда был подмешан калий, тоже казалось красным, но другого оттенка – пурпурного. А пламя, в котором была поваренная соль без всяких примесей, как будто и вовсе исчезло.
Бунзен вооружился целой коллекцией цветных стекол и стаканчиков с цветными жидкостями. Он надеялся, что эта коллекция поможет ему расшифровать все сигналы в его книге.
Но вот ему попалась на глаза такая запись:
«Соли лития – малиново-красный цвет.
Соли стронция – малиново-красный цвет».
Опять два разных вещества, а цвет один и тот же. Не помогут ли и тут цветные жидкости и стеклышки?
Долго бился Бунзен, подбирая цвета, сквозь которые можно было бы подметить разницу между пламенем лития и пламенем стронция. Но такого цветного стекла, такой цветной жидкости он не нашел.
Пламя лития никак не удавалось отличить от пламени стронция. Значит, краски и цветные стекла помогают не всегда.
А если так – пламя газовой горелки не дает надежного ключа к химическому анализу.
Казалось, Бунзен потерпел поражение.
Но тут на помощь его газовой горелке пришел спектроскоп Кирхгофа.
Простой кусок стекла
В том же университетском городке Гейдельберге жил профессор физики Густав Кирхгоф. Узнав о затруднениях Бунзена, Кирхгоф решил ему помочь. Он обещал Бунзену построить такой физический прибор, который откроет разницу в цвете пламени даже и тогда, когда отказываются служить цветные стекла и растворы красок.
План у Кирхгофа был очень простой. В его лаборатории хранилась призма из стекла «флинтглас», которую когда-то, за много лет перед тем, выточил и отшлифовал знаменитый мюнхенский оптический мастер Йозеф Фраунгофер. Призма – это простой кусок стекла, выточенный в форме клина. Но у призмы есть замечательное свойство: лучи света никогда не проходят сквозь нее прямо, а неизменно отклоняются в сторону – как будто что-то отталкивает их прочь от ребра призмы. И при этом не все лучи отклоняются одинаково: фиолетовые отклоняются сильнее всех других, красные меньше всех других, а лучи остальных цветов попадают в промежуток между красными и фиолетовыми. Поэтому если через призму пропустить пучок света, в котором смешаны лучи различных цветов, то, выйдя из призмы, эти лучи пойдут по разным дорогам.