Джейкоб Броновски - Восхождение человечества

Карточки для игры «Терпение», придуманной Менделеевым. Они разложены в порядке увеличения их атомной массы, элементы образуют группы.

Если классифицировать элементы по атомному весу отсчитать семь ячеек для вертикальной колонки и начать заново, то в горизонтальных рядах мы получим элементы, принадлежащие к одному классу.

До сих пор мы можем следовать схеме Менделеева без помех, как он и придумал ее в 1871 году два года спустя после первого наброска. Ничего не сбивается, пока мы не доходим до третьей колонки, — и тут мы неизбежно сталкиваемся с первой проблемой. Почему неизбежно? Как вы видели на примере гелия, Менделееву не были известны все элементы. К тому времени было открыто только 63 химических элемента из 92, которые знаем мы сегодня. Первый пробел образовался в третьей ячейке третьей колонки.

Я сказал, что Менделеев наткнулся на пробел, но на самом деле это слово свидетельствует о гениальности его размышлений. На третьей ячейке третьей колонки Менделеев столкнулся с трудностью и решил ее, интерпретировав как пробел. Он сделал так, потому что титан (следующий по атомной массе химический элемент) не обладает химическими свойствами и характеристиками бора и алюминия, с которыми он должен был бы встать в один ряд. Менделеев записал в дневнике: «После кальция перед титаном я оставил пробел, потому что элемент, который должен занять это место, пока еще не открыт. Титан же я поместил в одну группу с углеродом и кремнием».

Идея отсутствующих элементов была продиктована научным вдохновением. Эти было практической реализацией того, что Фрэнсис Бэкон в общих словах сформулировал давным-давно: убеждения, что новые законы природы могут быть выведены или угаданы на основании старых. Догадка Менделеева продемонстрировала, что индукция в руках ученого — более тонкий инструмент, чем предполагали Бэкон и другие философы. В науке мы не можем продвигаться строго линейно от известных случаев к неизвестным. Скорее, мы разгадываем кроссворд: есть данные по горизонтальным осям и вертикальным, в отдельных точках они пересекаются, давая подсказки. Менделеев исследовал упорядоченные по атомной массе элементы в колонках и их сходство в рядах, чтобы увидеть пробелы в пересечениях. Он сделал практические предсказания и показал, как ученые на самом деле пользуются индукцией.

Очень хорошо: наибольший интерес представляют пустые ячейки в третьей и четвертой колонке. Я не стану продолжать рассказ о том, как строилась система, ограничусь замечанием, что если учесть промежутки и пойти вниз, то колонка оканчивается где и должна — бромом из группы галогенов. Из всех пропусков Менделеев выделил три. Первый располагался в третьей строке третьей колонки, второй и третий — в третьем и четвертом ряду четвертой колонки. Менделеев предсказал, что в скором времени на месте этих пробелов будут вписаны химические элементы с теми же свойствами, которыми обладают классы веществ в третьем и четвертом горизонтальных рядах.

Последовательность атомных масс не случайна, а систематична.

Ранний набросок Периодической системы химических элементов Менделеева, 1869 год.

Самый известный из прогнозов Менделеева и последний из подтвержденных был третий, который он назвал «эка-кремний». Он описал свойства этого странного и очень важного вещества с огромной точностью за двадцать лет до его открытия в Германии. Но новый химический элемент не получил названия, предложенного Менделеевым, его стали именовать германием. Менделеев определил, что «эка-кремний будет иметь свойства, промежуточные между кремнием и оловом», что его атомная масса будет в 5,5 раза больше, чем у воды (и оказался прав!), а его оксид будет в 4,7 раза тяжелее воды (и опять же не ошибся!). Менделеев очень точно описал и другие химические свойства металла.

Предсказания Менделеева сделали его известным во всем мире, но не в России, потому что царь не одобрял его либеральных взглядов. Англичане открыли целый ряд новых элементов — гелий, неон, аргон, что упрочило его авторитет. Однако в Российскую академию наук его так и не приняли, хотя во всем мире его имя было широко известно.

Но давайте пройдем дальше. Мы установили, что классифицировать атомы можно по числу. Но все-таки не могло быть так, чтобы все свойства элемента выводились из одной цифры, его атомной массы, которая скрывает — что? Масса атома может служить мерой его сложности. А если это так, то она должна скрывать некую внутреннюю структуру, которая придает ему физическую форму и определяет его химические свойства. Конечно, такая идея была немыслима во времена, когда атом считался неделимым.

Переломный момент наступил в 1897 году, когда Джозеф Джон Томсон из Кембриджа открыл электрон. Да, у атома есть составные части, он не неделим, на что намекает перевод его названия с греческого. Электрон — малая толика его массы, вполне реальная, несущая электрический заряд. Значит, каждый элемент имеет еще одну характеристику — число электронов в атоме. И их количество в точности равно номеру позиции, которую элемент занимает в таблице Менделеева, если учесть, что водород и гелий расположены под номерами один и два.

Таким образом, у лития три электрона, у бериллия — четыре и т. д. Таким образом, каждый элемент получил атомный номер, который соответствует его месту в таблице Менделеева. Внимание сместилось с атомной массы на атомный номер, а следовательно, что важно, — на атомную структуру.

С этого интеллектуального прорыва начинается современная физика и ее серьезные, «взрослые» открытия. Физика становится грандиозным коллективным трудом в науке и даже шире — грандиозным коллективным трудом в искусстве XX века.

Идея о том, что у атома есть структура — целый мир, захватила воображение художников сразу. Это видно по работам, которые начали создавать живописцы с первых же годов XX века. Например, серии полотен Умберто Боччони «Силы улицы» или картина «Динамизм велосипедиста». Современное искусство зарождалось одновременно с современной физикой, поскольку берет начало в тех же идеях.

Со времен публикации Ньютоном «Оптики» художников завораживали цветные поверхности вещей. В XX веке все изменилось. Как рентгеновский аппарат, художник смотрел на кость, скрытую плотью, и другие структуры, которые изнутри определяют общую форму предмета или тела. Такие художники, как Хуан Грис, занимались анализом структуры. Вспомните природные формы в его «Натюрморте» или человеческие формы в «Пьеро».