Глава 2. Атомное ядро

Глава 2. Атомное ядро

Сенсационные обстоятельства добычи радия, сообщения о магическом свечении нового элемента и не в последнюю очередь вручение Нобелевской премии 1903 года по физике Анри Беккерелю и супружеской паре Кюри выносят славу парижских ученых, исследующих радиоактивность, далеко за рамки специализированных научных журналов. Однако в сообществе физиков бурно обсуждается в первую очередь одно весьма специфическое, необъяснимое свойство радия. Кусок угля за короткое время сжигает всю свою тепловую энергию. Остается лишь щепотка остывшей золы. И динамит или порох выпрастывают свою энергию в одном сильном взрыве, не оставляя никакого отхода, пригодного для использования. У радия все иначе. С его излучением явно связано постоянное тепловыделение. Оно в двадцать тысяч раз превышает энергию, которая выделяется с теплотой химической реакции при молекулярных превращениях. Вот уже три года Фридрих Гизель, будучи единственным производителем радия, снабжает из Брауншвейга ученых всего мира пробами бромида радия в количествах, подходящих для лабораторных исследований. К радости ученых он не использует свою мировую монополию для получения выгоды. Он щедро дает препараты напрокат, а то и просто дарит. Все это время французы, немцы, англичане и американцы в один голос подтверждают, что излучение высокорадиоактивного элемента не убывает. Он отдает свою энергию непрерывно и равномерно, одними и теми же порциями изо дня в день, из года в год. И конца этому не видно. Пьер и Мария Кюри хотя и принимают излучение за атомарное свойство, но не могут объяснить источник энергии, загадочно дремлющей в глубине материи.

В канадском Монреале — параллельно с работой супругов Кюри — физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд уже занят основательной инвентаризацией еще молодой области исследований. Вместе со своим английским ассистентом Фредериком Содди он разработал теорию, которая удовлетворительно объясняет все известные явления излучения. По их утверждению, происходит постепенное превращение атомов радиоактивного вещества. Уран, радий и торий превращаются — через несколько промежуточных ступеней — в атомы других элементов. Превращение сопровождается высокоэнергичным излучением. Высвобождаемая при этом процессе энергия истекает непосредственно из атомов. Неиссякаемым этот источник энергии, конечно, отнюдь не является. Ведь одновременно с излучением энергии атомы теряют также часть своего материального вещества. То есть происходит распад атомов, который после определенного, хоть порой и весьма продолжительного времени снова прекращается. После этого превращение закончено, атомы конечного продукта снова стабильны и больше не дают излучения. Источник энергии исчерпан. И поэтому радиоактивные процессы ни в коем случае не нарушают священный закон сохранения энергии. Никакая энергия не исчезает, никакая дополнительная энергия не производится. То есть излучение энергии стоит в прямой пропорции к уменьшению массы в атоме.

Резерфорд и Содди оценивают свои данные статистически и выясняют, что распад всех известных радиоактивных веществ и их промежуточных продуктов подчиняется некой математической закономерности. Каждому элементу требуется точно установленное время, чтобы превратить половину своих атомов в атомы другого элемента. Этот временной промежуток они назвали периодом полураспада. Химически едва уловимые продукты превращения тоже подлежат — по крайней мере, математически — этой закономерности. Поначалу это лишь приблизительные расчеты. Постепенно они уточняются, и период полураспада радия стабилизируется на отметке 1620 лет. Теперь и двум пионерам излучения становится понятно, почему до сих пор ни один из наблюдателей во всем мире не заметил изменения активности распада радия и его энергоотдачи. Из 30 миллиграммов радия, имеющегося в распоряжении Содди, через 1620 лет останется всего 15 миллиграммов, через 3240 лет — 7,5 и через 4860 лет — 3,75 миллиграмма.

Резерфорд и Содди с удивлением обнаруживают, что атомы урана распадаются невообразимо медленнее радия. Период их полураспада растягивается более чем на четыре с половиной миллиарда лет. Тем самым ученые невзначай попали в такие разряды величин, которые даже геологи с их богатой фантазией до сих пор не связывали с возрастом земной материи. Любому ученому в начале XX века не по себе от таких огромных цифр. Некоторые же продукты превращения урана, напротив, теряют половину своего вещества и излучения уже через несколько микросекунд, часов или дней. Например, газ радон, возникающий непосредственно из распада радия, имеет период полураспада всего четыре дня. И хотя утверждения Резерфорда и Содди согласуются с лабораторными данными, на третьем году XX века они своей теорией распада и превращения элементов все же приводят в колебание оплот химии, а именно учение о неразрушимости химических элементов. Приписывать безжизненной материи способность к превращению — это подозрительно напоминает алхимическую мечту о трансмутации материи. После этой неслыханной атаки на химическую догму Резерфорд и Содди должны были приготовиться к тому, что их обзовут еретиками.

Фредерик Содди еще раз исследует свойства радия, которые Мария Кюри уже описала. В своих публичных докладах о феномене радиоактивности он не скрывает, что больше всего зачарован полной независимостью процесса распада от внешних воздействий. Подвергает ли он свои пробы радия экстремальному охлаждению при помощи самого современного лабораторного оборудования, разогревает ли их до 2500 градусов Цельсия, сжимает ли их в стальном баллоне под давлением в 1000 атмосфер, доводя до «взрыва», или воздействует на них агрессивными кислотами — излучение радия всегда остается постоянным. Даже сильнейшие электрические разряды, магнитные поля и центробежные силы не могут изменить скорость распада радия, а тем более остановить его. Содди остается роль бессильного наблюдателя, чьи попытки вмешаться в атомарный процесс превращения смехотворно бездейственны.

Он поневоле вспоминает один космический феномен, который тоже ставит его в положение удивленного зрителя. Не так ли и непрерывно горящий с древних времен костер солнца ускользает от всякого человеческого контроля? Потому и кажутся ему исчезающе малые зернышки радия в капсуле — этот бесценный дистиллят из смоляно-черной породы Рудных гор — миниатюрным солнцем на его ладони, свет и тепло которого он может ощущать, но не может на него воздействовать. Взволнованный этой игрой мысли, он делает простой расчет и приходит к поразительному результату. Его радий, препарированный Фридрихом Гизелем, излучает, относительно своей массы, больше энергии, чем наше центральное светило или любая другая звезда в наблюдаемой Вселенной. Если бы масса нашего Солнца состояла из чистого радия, то оно испускало бы в миллион раз больше света и тепла.

При более точных исследованиях радиоактивных веществ Эрнест Резерфорд делает важное открытие. Он идентифицирует два вида излучения, которые пронизывают материю с разным успехом. Он называет их альфа- и бета-лучами. Движение альфа-лучей, начавшееся со скоростью 20 000 километров в секунду, заканчивается уже через несколько сантиметров. Эта лучи поглощаются воздухом. Одного листа бумаги достаточно, чтобы полностью заэкранировать радиоактивный источник. А бета-лучи летят со скоростью света, но застревают в алюминиевом листе толщиной пять миллиметров. Это препятствие — не проблема для открытых французом Полем Вилларом гамма-лучей. Но конец их пути наступает через пять миллиметров свинца.

Несмотря на слабость проникновения альфа-лучей, большая часть теплоты, возникающей при радиоактивном распаде, идет именно на их счет. Кроме того, они вызывают электризацию воздуха — достаточное основание для того, чтобы заняться ими подробнее. Теперь Резерфорду удается доказать, что альфа-лучи в действительности являются атомами гелия. Их выбрасывает из радиоактивного источника. Так радиоактивное вещество теряет часть своей массы — событие, которое, в свою очередь, приводит в действие химическое превращение. Полегчавший остаток атома становится атомом нового вещества, которое опять-таки нестабильно и подлежит дальнейшим химическим изменениям, а те вновь сопровождаются излучением альфа-частиц.

Фридрих Гизель тем временем разработал оригинальный флюоресцентный экран нового типа. Он состоит из кристаллического соединения цинка и серы с добавкой небольшого количества меди. Это вещество оказалось подходящим для того, чтобы сделать видимыми альфа-лучи. Когда Гизель в темном помещении подносит свои препараты радия к сернисто-цинковому экрану, тот озаряется оживленным зелено-голубым светом. Что означает, что до него долетели альфа-частицы, они же атомы гелия. Ганс Гейтель и Юлиус Эльстер делают по образцу Гизеля экран, и его импозантные световые явления зачаровывают их. Но в ярких отсветах они не могут разглядеть детали. Для их целей гораздо лучше подходит сильно разбавленное радиоактивное вещество. Им удается чрезвычайно тонко спроектировать лучистую материю на сернистоцинковый экран. Он светится так слабо, что им приходится прибегнуть к лупе. Однако то, что они затем видят, завораживает их. Экран озарён неравномерно — свет, казавшийся сплошным, лучится с разной интенсивностью. Повсюду с высокой скоростью вспыхивают маленькие световые точки и тотчас снова исчезают. У Эльстера и Гейтеля складывается впечатление, что они смотрят на «туманное пятно на небе, которое на самом деле представляет собой звездное облако... если смотреть на него через телескоп с большой силой увеличения».

Теперь становится возможным систематический подсчет вспышек альфа-частиц на флюоресцентном экране, так называемых сцинтилляций. Разумеется, надежно зарегистрировать общее количество всех вспышек не удастся ни одному человеку. Но есть очень хорошо зарекомендовавший себя метод последовательных приближений. Наблюдатель направляет микроскоп на квадратный миллиметр экрана и несколько раз с большой точностью считает точки, вспыхивающие в течение часа, чтобы потом вычислить старое доброе среднее значение. Эльстер и Гейтель вдохновенно демонстрируют свои наглядные и элегантные сцинтилляции как доказательство существования атомов. Если до сих пор типичный аргумент атомных скептиков гласил, что никто пока еще не видел атом, то теперь каждый мог взглянуть на сернистоцинковый экран Гизеля и во вспышках альфа-частиц увидеть отдельные атомы гелия в их движении. Видеть атомы! Это уже маленькая сенсация. Таким образом, эффектно подтверждается учение об атомах, некоторыми учеными так до сих пор и не признанное, уверяет пара исследователей. Но на финишной прямой в состязании за первую публикацию их опережает английский химик и физик сэр Уильям Крукс, который открыл метод сцинтилляций одновременно с немцами.

Вскоре сернистоцинковый экран установлен и в Физическом институте Венского университета на Тюркенштрассе. Физику и философу Эрнсту Маху, известному главным образом по параметру скорости звука, названному его именем, и ожесточенному противнику идеи атомов достаточно было одного-единственного удивленного взгляда на экран, чтобы увлечься. Да и людей с глубоко донаучными представлениями вспышки атомов гелия просвещают на месте. Рассказывают, что Луиджи Пьяви, патриарх Иерусалима, тоже однажды взглянул на венский флюоресцентный экран и тут же решил одну основную философскую проблему. Он якобы понял теперь, что библейское восклицание о сотворении мира «Да будет свет!» больше не противоречит тому факту, что небесные светила — Солнце, Луна и звезды — были сотворены лишь позднее.

В сентябре 1904 года в рамках Всемирной выставки в американском Сент-Луисе состоится мероприятие Международного конгресса искусства и науки. Резерфорд приглашен с докладом. В помпезных выставочных павильонах с электрическим освещением посетители могут подивиться на беспроводной телеграф, электрические локомотивы и новейшие автомобили, в том числе на знаменитую спортивную машину «Спайкер» со сказочными восемьюдесятью лошадиными силами. Яркие дирижабли над территорией выставки своими смелыми маневрами напоминают о прошлогоднем историческом моторном полете братьев Райт, и уж совсем особый аттракцион — автоматы, из которых можно получить орешки и жевательную резинку. Но самый большой хит — это съедобные фунтики из вафельного теста для мороженого. И в этой атмосфере как значительных, так и пустяковых инноваций Резерфорд излагает международному собранию ведущих ученых и людей искусства свою революционную идею радиоактивного распада. Многие из присутствующих физиков и химиков до сих пор не имели случая познакомиться с представлениями о трансформации радиоактивной материи. Большинство английских профессоров химии воспринимает гипотезу атомарного распада как неслыханную наглость: «Уж не хочет ли Резерфорд внушить нам, что атомы страдают неизлечимой навязчивой идеей самоубийства?» — усмехается один коллега. Восьмидесятилетний Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин — живая легенда, почти уже вознесенный на научный Олимп и сидящий одесную Ньютона, — возглавляет группу скептиков. Он отградуировал шкалу температур и навсегда связал со своим именем самую холодную точку универсума. И он убежден — отстав на целых пять лет от теоретических дискуссий, — что радий не сам излучает энергию из атома, а принимает ее из космоса: абсорбируя эфирные волны. Ведущий английский физик рассчитал, с какой скоростью распространяется теплота в горных породах, определил точку их плавления и вывел отсюда зависимость их тепловых свойств при затвердевании. По этим расчетам выходило, что Земля не может быть старше нескольких миллионов лет. И теперь, когда Резерфорд выражает время распада урана цифрой в несколько миллиардов лет, в универсуме лорда Кельвина это уже граничит с ересью.

И не Резерфорд ли с Содди, еще одним зеленым юнцом, без зазрения совести раструбили по всему миру о трансмутации элементов? А ведь это изменнический язык алхимиков. Священный Грааль которых теперь, судя по всему, сокрыт в глухой, мрачной руде, которая тем самым анонсирована в качестве философского камня, призванного превращать неблагородный металл в золото. Притом мистическое сокровище этих новоявленных алхимиков не что иное, как краска для стекла — то канареечно-желтого, то ядовито-зеленого цвета. Так что если уж признавать хоть какое-то рациональное зерно в теории этого тридцатитрехлетнего нахала, то придется признать в каком-то смысле и некий минимум жизни в урановом минерале. Может, эти камни, отбивающие такт, полуразумны? Умные камни? Философские камни? А может, этот высокоодаренный Резерфорд, это самобытное дитя природы с другого края света — всего лишь пронырливый современный алхимик, и здесь, на Всемирной выставке, в ярмарочной атмосфере этого типично американского балаганного волшебства он ставит на кон столь опасной игры добрую славу английской королевской физики?

Опасения лорда Кельвина, что алхимические идеи вернутся в лаборатории недавно зародившегося XX века, необоснованны. Резерфорд и Содди — выдающиеся современные ученые, однако они, разумеется, знакомы с историей идей алхимии и осознают, что параллели их теории превращения элементов путем радиоактивного распада с диковинными представлениями алхимиков о трансмутации просто бросаются в глаза. Минувшим летом в Париже Эрнест Резерфорд провел памятный вечер, когда он и его жена Мэй с супругами Кюри и еще несколькими друзьями праздновали сданный Марией Кюри экзамен на докторскую степень. Они сидели в саду, и, когда стемнело, Пьер Кюри достал из кармана пиджака пузырек с почти чистым радием и поставил его на стол. Даже сам Резерфорд благоговейно замер, залюбовавшись ярко светящимся веществом. Столь сильного препарата ему еще не приходилось видеть. Если алхимики лишь грезили о splendor solis — солнечном сиянии, скрытом в substantia nigra — темной материи, то здесь, в саду у великих магистров радия, эта древняя алхимическая пара противоположностей совершенно естественно сбылась в радии, извлеченном из смоляной обманки.

Если отвлечься от сомнительных добытчиков золота в среде алхимиков, то для серьезных адептов этого учения разложение земных веществ в очистительном огне их плавильных тиглей есть лишь символ необходимости самим бесстрашно погрузиться во тьму своей души и добиться очищения духа. Речь идет не о чем ином, как о тайне смерти, возрождения и трансценденции, равно как и о прискорбной нужде деятельно вмешаться в этот процесс. На уровне космических наблюдений медленный распад материи означает неотвратимый уклон в хаос. Картина будущих гибельных событий завершается в конце концов уничтожением Земли. Очищение мира в глобальном огне приближает надежду на последующий «золотой век». В этом состоит одно из многих «истинных» значений алхимического превращения неблагородных металлов в золото.

Нездоровой притягательности этого алхимического бреда Резерфорд и Содди явно не сумели избежать, тем более что потенциальная разрушительная сила энергии урана не осталась для них тайной. В первую очередь Содди в своих научно-популярных докладах выражает беспокойство по поводу высвобождения атомарной энергии. Он поднимает вверх флакончик с диоксидом урана и оглашает содержание энергии этой дозы, выраженное через теплотворную способность каменного угля: она равна двумстам тоннам. Ведь уран имеет невообразимо долгий запас времени, сопоставимый с предполагаемым возрастом Земли, чтобы отдать обильную энергию. Чтобы подключиться к ней для непосредственного использования, размышляет Содди, надо бы найти возможность искусственно ускорить распад урана. Что запустило бы саму трансмутацию. И на этом стыке, по мнению Содди, алхимия и современная наука, скорее всего, и найдут примирение: «В ногу с трансмутацией элементов шествует возможность высвободить энергию, заключенную в материи».

Однако понимание масштаба высвобождения энергии из урана внушает ему форменный страх, потому что эта энергия впервые выдвигает пророчества о конце света в область реальности. Овладев атомной энергией, человек вступает в обладание «оружием, которым можно при желании разрушить Землю». Он заклинает своих слушателей «уповать вместе с ним на то, что природа убережет свои тайны». Эрнест Резерфорд считает возможным использование атомной энергии в военных целях: «Если бы нашелся подходящий детонатор, можно было бы представить, что волна атомного распада взрывообразно распространится на всю материю, пока вся масса земного шара не превратится в гелиевые отходы». Изречение Резерфорда о придурковатом лаборанте, который может по недосмотру взорвать весь мир, становится крылатой фразой. Может быть, он вспоминал при этом о первом неудачном эксперименте своего детства. Используя полый гардеробный крюк в качестве пушечного ствола и пригоршню пороха, десятилетний мальчишка в родительском саду хотел выстрелить камешком по мишени. Детскую пушку разворотило взрывом, а камешек упал на землю.

Теперь Резерфорд хорошо разбирается во взрывах. Они парадоксальным образом совершаются беззвучно и невидимо и являются частью его лабораторных будней. В 1908 году Резерфорд при вручении ему самой желанной в мире премии по химии шведского динамитного магната продуманно описывает радиоактивные процессы как бризантные события, напоминающие ему взрывы: «Частица атома радия становится нестабильной и лопается со взрывной силой». И об инертном газе радоне, исходящем из радия: «Атомы этого вещества существенно неустойчивее, чем атомы радия, и снова взрываются...», а то и вовсе: «...во время этого атомарного взрыва выбрасывается единственный атом гелия».

Общее собрание Германского Бунзеновского общества прикладной и физической химии десятого мая 1907 года в Гамбурге грозит закончиться столпотворением. Девиз заседания гласит: «Радиоактивность и гипотеза атомного распада» и очень подходит для того, чтобы разделить всех присутствующих на сторонников и непримиримых противников теории. Главным образом старшие господа настроены почти враждебно против этой новой ветви физической химии. Революция вселяет в них неуверенность. В конце концов фундамент химии, учение о неизменности и непроницаемости элементов, основательно поколеблен самим существованием радиоактивных веществ. Скептики не хотят признавать радий в качестве самостоятельного химического элемента и отвергают статус радона как инертного газа. И соответственно, они с раздражением реагируют на совсем еще молодых, но прекрасно информированных и убедительно аргументирующих сторонников теории распада Резерфорда и Содди.

В центре бурных дебатов стоит двадцативосьмилетний доктор химии, чье заявление на получение доцентуры в качестве приват-доцента как раз рассматривается. Он страстно защищает новейший накопленный опыт международных исследований. Он может рассказать впечатляющие детали об экспериментах, которые по всем правилам химического искусства доказали, что радон не поддается вступлению ни во временные, ни в прочные соединения. Что однозначно доказывает его природу инертного газа. Как-никак молодой человек обучался в Лондоне у Уильяма Рамсея, открывшего инертные газы аргон, криптон и ксенон. Некоторым профессорам старшего поколения в голосе ученика Рамсея чудится самонадеянность и непочтительность. Его прямодушные возражения они воспринимают как дерзость. Да кто он такой, негодует один из присутствующих. «Это такой англизированный берлинец», — насмешливо говорит другой, ведь слово «англизированный» может означать и подрезанный хвост лошади, а слово «берлинец» тем более многозначно: от пончика до дорожного узелка.

Правда, родился Отто Ган, этот англизированный берлинец, во Франкфурте-на-Майне. Начиная изучать химию в Марбурге, младший сын состоятельного стекольного фабриканта проявляет мало рвения и честолюбия. После первой огорчительной лекции по математике этот предмет для него умер. С куда большей выносливостью он справляется с комплексными задачами по выпивке. Долгое время его отец на вопросы об успехах отпрыска без всяких церемоний отвечает, что основной интерес Отто сосредоточен на пиве. Тем не менее тот выдерживает докторский экзамен с оценкой «magna cum laude» («с большим почетом»). Хотя призвания к исследовательским занятиям в себе не чувствует. Ему видится скорее должность промышленного химика. Научный руководитель его докторской диссертации советует ему пожить за границей, чтобы он смог за счет знания иностранных языков повысить шансы своей карьеры в бурно расширяющейся химической отрасли Германии. Так в октябре 1904 года Отто Ган попадает в институт Уильяма Рамсея в Университетском колледже Лондона. Со странной пассивностью он просит у Рамсея о задании. Тот сразу швыряет его в холодную воду. Радиоактивность? Нет, об этом Гану не приходилось слышать во время его учебы в Марбурге и Мюнхене.

А Рамсею незадолго до этого доставили пять центнеров высокорадиоактивного минерала торианита, содержащего торий, и эти пять центнеров с тех пор сократились до 100 граммов соли бария. И вот Рамсей дает своему немецкому ассистенту задание выделить из этого вещества приблизительно подсчитанные 10 миллиграммов радия. Послушник Отто Ган основательно готовится к своему испытанию, штудирует тогда еще обозримую литературу по этому предмету, слушает лекции Рамсея и затем приступает к работе с тщанием и острой наблюдательностью, которая в будущем станет его отличительной чертой. Толковым везет, и ему с самого начала сопутствует удача. Уже скоро он маневрирует на тех же путях познания, какими шла Мария Кюри, у которой смоляная обманка после отделения урана все еще продолжала излучать, благодаря чему был открыт новый элемент. После того как Отто Ган выделил из эссенции торианита радий, остатки продолжают проявлять радиоактивность. Интенсивность излучения, однако, не сопоставима ни с одним из известных в то время радиоактивных элементов. Когда после повторений опыта и перестраховки он смог исключить ложный вывод, обусловленный неопытностью, новый радиоактивный элемент назван им с заслуженной гордостью открывателя радиотором. Он излучает в 250 000 раз сильнее тория. Гана не подвело верное чутье и смелость рук ремесленника. Руководитель института Рамсей обрадован и объявляет об открытии Гана на заседании Королевского общества шестнадцатого марта 1905 года.

Ган набрался в Лондоне достаточной уверенности в себе. Свой следующий практикум он выполняет у Эрнеста Резерфорда в Монреале. У него он учится импровизировать, мастерить из табакерок, баллонов из-под масла и консервных банок действующие аппараты для проверки радиоактивных веществ. Но и в лаборатории Резерфорда, фонтанирующего энергией и воодушевлением, давно уже облучены все инструменты и оборудование, так что измерения слабых по природе излучений приходится проводить в других помещениях. Как и Гизель и супруги Кюри, Резерфорд сам уже стал радиоактивным источником. Однажды он чинит сломанный электрометр на рабочем столе Гана. Прибор после починки хоть и заработал, но зато теперь излучает. Методом сцинтилляций Ган исследует альфа-излучение «своего» радиотора и погружается в чарующие световые явления сернистоцинкового экрана. И в Монреале он тоже открывает сразу два новых элемента, так что мастер на прощанье выдает ему свидетельство на совершенно особый нюх.

Химический институт Берлинского университета возглавляет Эмиль Фишер, нобелевский лауреат 1902 года. По возвращении из Канады в октябре 1906 года Гану разрешено оборудовать под лабораторию пустующую столярную мастерскую на первом этаже. Правда, на признание и уважение коллег он рассчитывать не может. Профессия радиохимика все еще не принимается всерьез, а некоторые органические химики ее органически не переносят. Когда на факультете вывешивают его заявление на получение доцентуры, на листке вскоре появляются пренебрежительные замечания. «Надо же, кто только не претендует нынче на доцентуру», — гласит комментарий одного сотрудника. Однако Гана не смущают предвзятые коллеги. В марте 1907 года он подтверждает в препарате тория присутствие «исходного вещества» своего радиотора и называет его мезотор.

Ведущие исследователи радия Кюри, Беккерель и Гизель демонстрировали вредное воздействие радия на человеческий организм на собственных телах с глубокими и плохо заживающими язвами. Пьер Кюри в своей нобелевской речи даже предостерегал от слишком легкомысленного обращения с высокорадиоактивными веществами. Говорил, что это может привести к потере двигательной способности и в конце концов стать смертельным. Он знал, о чем говорил. К тому времени ему было уже трудно удерживать пальцами пробирку. Однако когда австрийский физик Штефан Майер выясняет, что вода слывущих целебными термальных источников в Бад-Гаштайне радиоактивна, никто больше не хочет слышать никаких предостережений.

Не заставило себя ждать и то, что медики, встрепенувшись от радиационного бума, стали пристально приглядываться к урановым рудникам Санкт-Йоахимсталя. Якобы шахтеры там никогда не страдают ревматизмом, подагрой и невралгиями, чему причиной может быть постоянное испарение радона из радия — продукта распада урана. Мол, здесь радиоактивный воздух явно оказывает такое же воздействие, что в Бад-Гаштайне исходит от легендарной воды. Как раз в это время шахтные воды были официально признаны радиоактивными. Это грунтовая вода, постоянно сочащаяся в штольни сквозь щели и трещинки в налегающих породах. Одного предприимчивого йоахимстальского булочника Куна эта хорошая новость навела на коммерческую идею. С разрешения властей он нанял людей таскать ему в дом рудничную воду из шахт в деревянных дежах и стал предлагать ревматическим больным ванны, якобы облегчающие недуг. Разлитая в бутылки для питья, эта целебная вода конечно же должна была прописываться врачом, но исцеляла и без врача, продаваемая из-под прилавка, принося булочнику изрядный побочный доход. Пока четыре кабинки с ваннами, установленные рядом с пекарней в плачевных гигиенических условиях, еще только становятся зародышем будущей модной радийной водолечебницы Санкт-Йоахимсталь, курорт Бад-Гаштайн в земле Зальцбург, упоённый своим радиоактивным источником молодости, совершенно официально рекламирует себя стихами:

Чудодейственный источник Бад-Гаштайн.

Я сама купаюсь в ванне, полной тайн.

В излучающем бульоне поварюсь,

Снова девочкой-подростком обернусь. 

В аптеках теперь можно купить кожаные мешочки, в которые расфасовано по 62 грамма смоляной обманки с содержанием оксида урана 43 %. Если носить такой мешочек на теле, то препарат своим излучением изведет ревматические заболевания. В пансионах и отелях расцветающих радийных курортов Санкт-Йоахимсталя каждый день подают к столу свежий хлеб, выпечку и даже пиво с добавлением радона. Одно фармацевтическое предприятие рекламирует свой продукт такой надписью на упаковке: «Доказательством биологического воздействия может служить тот факт, что полуминутное или минутное облучение уже вызывает покраснение кожи». И австрийская фабрика радия Нойленгбах продает свои радиоактивные грязи в виде порошка в мешках по пять килограммов для домашних ванн и обещает: «При длительном применении — поразительно стойкий эффект».

При таких коммерческих выгодах и беспечном увлечении новой терапией снабжение науки радием перекрывается. Когда Эрнест Резерфорд в 1907 году переезжает из Монреаля в Манчестер, он с трудом, всякими правдами и неправдами добывает приемлемое количество радия для особой серии опытов, которую намеревается поставить. В конце концов ему удается договориться с Венской академией наук. Он получает в длительное пользование 0,4 грамма хлорида радия — щедрость, которая творит историю. Ибо тут крохотное количество светоносной материи, освобожденной от многих тонн тяжелой, черной, как смола, породы, встречается с неповторимой силой воображения гения. И этой необычной встрече в нужный момент времени сообщество физиков обязано первым значительным прорывом во внутреннюю структуру атома.

Резерфорд чуть было не прозевал идеального сотрудника для своего прорывного эксперимента, ибо Ганс Вильгельм Гейгер, двадцатипятилетний докторант из Нойштадта, что стоит на «винодельческой дороге», только что окончил свою годичную стажировку в Физическом институте Манчестерского университета и уже укладывает чемодан для возвращения в Германию. Разговорившись с ним и увидев его выдающиеся способности экспериментатора, энергичный Резерфорд предлагает ему стать его ассистентом. Первым делом Резерфорду нужно усовершенствовать подсчет альфа-частиц, которые испускает радиоактивное вещество. Это должен взять на себя электрический прибор, разгрузив человеческий глаз. Вдохновившись идеями шефа, Гейгер разрабатывает опытную установку, из которой в конечном итоге получается так называемый «счетчик заряженных частиц», прототип счетчика Гейгера. При помощи нового прибора Резерфорд и Гейгер фиксируют, что один грамм радия испускает 34 000 000 000 альфа-частиц в секунду.

Альфа-магистру понятно, что они с Гансом Гейгером установили тем самым первый международный стандарт радиоактивности. После этого он осуществляет свою давно лелеемую мечту и покупает автомобиль «уолслей» с четырьмя сиденьями и пятнадцатью лошадиными силами. Машину пригоняет с завода шофер, который потом три дня живет у Резерфорда и дает хозяину уроки вождения. Но автомобильными прогулками наслаждаются не только его жена Мэй и дочь Айлин. Руководитель института регулярно приглашает и двадцать своих сотрудников из Японии, России, Германии, Америки и Англии группами по три человека на моторизованные вылазки на природу с отчаянной скоростью сорок километров в час. Хаим Вейцман, будущий президент Израиля, а в то время биохимик Манчестерского университета, описывает Резерфорда как «молодого, энергичного, неукротимого... Не было под солнцем ничего такого, о чем бы он не поддержал оживленного разговора, зачастую ничего в этом не понимая. Когда я шел обедать в столовую, по всем коридорам разносился его добродушный, громкий голос». Резерфорд явно замечал эту собственную черту характера и в других людях. Об одном своем закадычном друге он пишет: «Целый день лорд Кельвин рассуждал о радии, и меня восхищает самоуверенность, с какой он говорит на тему, в которой ровно ничего не смыслит». Один из его студентов видит в нем «вождя племени», который с каждым пошутит, шагая по лаборатории, сияющий, румяный и голубоглазый, и воодушевит своих студентов — не хорошо, но громко исполняемым — церковным гимном «Вперед, солдаты христианства».

В период между 1910 и 1912 годами Эрнест Резерфорд снова посвящает себя давней проблеме, которой он уже занимался в Монреале: взаимодействию излучения высокой энергии с материей. Луч из альфа-частиц, пройдя сквозь тонкую металлическую фольгу, становится нечетким. Несколько альфа-частиц явно отклонились на пути сквозь атомы металла. Что позволяет сделать заключение об огромных электрических силах внутри атома. Гансу Гейгеру и двадцатиоднолетнему студенту Эрнесту Марсдену поручено присмотреться к этому феномену. В их опытной установке им приходится опять вернуться к традиционным наблюдениям за световыми вспышками, поскольку искомое рассеяние не поддается автоматическому учету. На то и человеческий мозг, чтобы регистрировать отклонения. Лупу первых опытов Эльстера и Гейтеля уже давно заменил микроскоп с 70-кратным увеличением, на выходе которого закреплен сернистоцинковый экран. Этим привинченным экраном микроскоп заглублён в вакуумную камеру, где натянута тонкая золотая фольга, позади которой стоит источник радона.

Два физика пустились в трудоемкое дело. Они должны зрительно отсчитать 80 000 прямолинейно мчащихся сквозь атомы золота альфа-частиц, чтобы засечь пригоршню тех корпускул, которые отклонились в сторону. Время от времени они регистрируют рассеяние и под таким углом, который больше похож на возврат альфа-частиц к своему радоновому источнику. Этот феномен можно было заметить лишь при таком тщательном наблюдении за световыми вспышками, и он остается загадкой для Резерфорда и его ассистентов. Он ставит под сомнение все сложившиеся представления о структуре атома. Эти данные исключают равномерное распределение массы атома. Впоследствии Резерфорд сформулировал это так: «Это почти так же невероятно, как если бы швырнуть фанату на лист шелковой бумаги — и она рикошетом попала бы в тебя самого».

Результаты измерений Гейгера и долговременная статистика допускают такой вывод, что внутри атома золота вся его масса сконцентрирована в минимальном пространстве. Когда альфа-частица со скоростью 20 000 километров в секунду натыкается на это внутреннее ядро, она стопорится на лету сильным электрическим зарядом ядра и с ускорением отдачи отбрасывается назад к своему источнику. Все остальные альфа-частицы, пролетающие мимо ядра, более или менее сильно отклоняются от своей прямолинейной траектории. Но если почти все 80 000 альфа-лучей беспрепятственно пролетают сквозь золотую фольгу, то атом должен по большей части состоять из пустоты. И поскольку это ядро, nucleus, как нарекает гипотетическое образование Резерфорд, так редко задевается, оно должно быть невообразимо мало. Простой расчет соотношения приводит Резерфорда, Гейгера и Марсдена к поразительным выводам о размерности атомов. Если сам атом не больше чем стомиллионная доля сантиметра, то ядро должно быть еще меньше на 10 000 порядков.

Здесь, в Физическом институте Манчестерского университета как раз и формируется совершенно новое, хоть еще и несколько смутное представление о структуре атома. По мнению Резерфорда, ядро объединяет в себе почти всю массу атома. Оно положительно заряжено, тогда как электроны образуют наружную оболочку атома и заряжены отрицательно. Где еще, как не в этом крошечном ядре атома, мог бы происходить распад у радиоактивных элементов? Где еще, если не там, должна быть скрыта могучая атомарная энергия? Судя по всему, радиохимия на глазах превращается в «нуклеарную» науку, а именно в учение об атомном ядре.

Отто Ган принадлежит к числу первых ученых, которые узнали о волнующе новом представлении об атоме непосредственно из уст бывшего учителя. Они встречаются в Париже, в марте 1912 года как участники конференции Международной комиссии по радию. Мария Кюри демонстрирует там 22 миллиграмма высокочистого радия, запаянного в стеклянную трубку, в качестве международного стандарта радия. Как эталон он должен теперь храниться в Севре близ Парижа в Международной палате мер и весов. Тридцатитрехлетний профессор Ган считается между тем одним из ведущих радиохимиков мира. Год назад он во время поездки на пароходе в Штеттинской бухте [1] познакомился со своей невестой Эдит Юнгханс, на которой собирается вскоре жениться. Может быть, хоть тогда, как он надеется, прекратятся слухи, которые ходят в институте у него за спиной. Ибо Ган с конца 1907 года работает вместе с женщиной, австрийской «фройляйн доктор».

Лиза Мейтнер, дочь еврейского адвоката, стала второй женщиной, получившей ученую степень доктора в Венском университете. Вообще-то директор Эмиль Фишер в принципе отвергает преподавательниц в своем институте. Такая установка согласуется с прусскими законами о высшем образовании, которые практически не дают возможности женщине сделать академическую карьеру. Однако для Лизы Мейтнер Фишер делает исключение. До тех пор пока она знает свое место в столярной мастерской Гана и не кажет носа в студенческих аудиториях и лабораториях, ей можно работать в Химическом институте. Разумеется, лишь в качестве вольной посетительницы и на собственный кошт. Ган и Мейтнер явно находят общий язык. Тут же возникают слухи и пересуды. Воспоминания Гана об этом периоде жизни звучат почти как запоздалое опровержение: «О нашем общении между собой вне стен института не могло быть и речи. Лиза Мейтнер к тому же и воспитана была как дитя высшего света, она была очень сдержанна, почти нелюдима... За многие годы я ни разу даже не обедал вместе с Лизой Мейтнер за пределами института. Мы никогда не прогуливались вместе. Лиза Мейтнер шла домой, и я шел домой. При этом мы все-таки были сердечными друзьями». Ган при этом человек общительный, в свободное время регулярно встречается с коллегами для обмена мыслями и... он поет. Сподвигнутый песнями, которые напевает Лиза в долгие часы их совместных измерений — а это Брамс, Шуман и Вольф, — он вливается в университетский певческий кружок «Хриплый фазан», в котором преобладают дамы. Гану грезится амурная атмосфера. Однако замыслил он — тем более что теперь он обручен — совсем другое, ведь здесь поют «племянницы Планка, дочери Гарнака... Дамы хорошего круга, а быть принятым в их семьях не так легко».

В 1911 году, по инициативе теолога Адольфа фон Гарнака, отца трех певучих дочерей из «Хриплого фазана», учреждается Общество кайзера Вильгельма — для содействия фундаментальным научным исследованиям. В октябре 1912 года открывают первое научное учреждение этого общества: Химический институт кайзера Вильгельма в берлинском Далеме с Эмилем Фишером во главе. Отто Ган должен руководить там отделом радиоактивности. Лиза Мейтнер приглашена и далее работать с Ганом в новом здании института. В это переломное для науки время в столице Германии распространяются и первые сообщения одной из новых многообещающих теорий, которую, по слухам, создал Фредерик Содди. Она неожиданно убедительно объясняет некоторые непонятные свойства радиоактивных веществ. К 1911 году найдено более двадцати новых радиоактивных элементов, в таком множестве они уже не помещаются в периодической системе, которая оказалась им тесновата, как слишком узкий корсет.

Новая идея проясняет некоторые прежние расхождения. Содди исходит из того, что все радиоактивные элементы — такие, как уран, радий и торий, — имеют разные сорта атомов, которые впоследствии будут названы «изотопами». Они хоть и обладают одинаковыми химическими свойствами, но совершенно различаются по физической структуре. Если следовать теории Содди, то Отто Ган в 1905 году у Рамсея в Лондоне открыл не новый элемент радиотор, а лишь доселе неизвестный дополнительный изотоп тория. И другое открытие Гана — мезотор — тогда тоже не новый элемент, а всего лишь другой изотоп радия. Для всех изотопов радия характерно следующее: у них разные физические свойства — индивидуальный вид распада, собственный период полураспада и атомный вес. Тогда как в отношении химических свойств они не отличаются от элементарного радия. Отто Ган сожалеет, что сам не опубликовал аналогичную догадку, добытую в многолетних кропотливых трудах. «А ведь Содди наверняка сделал не так много негативных опытов отделения, как я, — ропщет Ган на самого себя, но все же справляется с завистью: — ...но у него было больше мужества». Резерфордовская модель атома и соддиевская теория изотопов еще не завершены, но оба исследователя — в который раз — на верном пути к лучшему пониманию атома.

На торжественное открытие Химического института кайзера Вильгельма двадцать третьего октября 1912 года кайзер вознамерился прибыть собственной персоной. Надо бы устроить для него нечто особенное, и Гану выпадает сомнительная честь сыграть роль чужеземца и продемонстрировать его величеству эффект свечения мезотора. Накануне открытия прибыл, бряцая волочащейся саблей, императорский флигель-адъютант, чтобы проинспектировать здание и местность. Офицеру необходимо точно знать торжественную программу в ее последовательности. Ган предполагает показать 300 миллиграммов мезотора — поистине царское количество — в красивой коробочке на бархатной подушечке. От свинцового экрана наплевательски решили отказаться из эстетических соображений. Чтобы подобающе инсценировать эффект самосвечения препарата, комната, естественно, должна быть хорошо затемнена. Что флигель-адъютант, однако, решительно отверг: «Исключено, мы не можем направить его величество в совершенно темную комнату».

Призванный для содействия шеф института Эмиль Фишер выторговал компромисс. Путь императору в темноте будет указывать маленькая красная лампочка. Однако в день торжественного открытия выясняется, что Вильгельм II темноты не боится. Он отказывается от красной лампочки. Ган демонстрирует ему эффект свечения, а выделяющийся из препарата радиоактивный газ полыхает по сернистоцинковому экрану изумрудными волнами.

В то время как Мария и Пьер Кюри в Париже в месяцы до и после смены века изучают радий в богемской смоляной обманке, немецкий физик Макс Планк в Берлине занят излучением так называемого абсолютно черного тела. В качестве экспериментального приближения к этому представлению можно, пожалуй что, представить полость разогретой самодувной печи в лаборатории Мартина Генриха Клапрота. По законам классической физики невозможно увидеть излучаемый печью световой спектр — от светло-желтого через красный и голубовато-белый до вошедшего в поговорку цвета белого каления. Более того, при постоянно нарастающем жаре в раскаленных стенках печи должно преобладать коротковолновое излучение, так что вскоре отдаваться будет только свет ультрафиолетовой области. К тому же в неограниченном количестве. Если уютно примоститься у такой коротковолновой печки, то будешь ощущать тепло, но свет огня видеть не сможешь, потому что доминирующий ультрафиолетовый свет невидим. К счастью, такой печи не бывает, ибо в физической реальности нет бесконечной энергетической ценности. Однако основанная на ньютоновской механике теория теплового излучения требует в конечном счете именно бесконечной энергетической ценности. На этом основании классическая теория не может быть верной.

Макс Планк, профессор теоретической физики Берлинского университета, работал над решением этой проблемы в течение трех лет, пока четырнадцатого декабря 1900 года не выдвинул наконец поистине революционную гипотезу ради того, чтобы непротиворечиво описать фактический спектр электромагнитного излучения. По этой гипотезе тепловое излучение нагретых тел не может быть непрерывным процессом, при котором энергетические уровни плавно, без скачков становятся сколь угодно малы. Вместо этого энергообмен между горячими стенками печи и излученным светом идет — чтобы не нарушать картину — дискретно, долями, ступенчато отделенными друг от друга. Здесь больше нет плавных переходов, а есть скачки. Минимальную порцию энергии, которую можно испустить или поглотить, Планк называет квантом. Энергия одного кванта — произведение частоты излучения и природной константы, которую сам Планк поначалу называет элементарным квантом действия, но которую вскоре в его честь назовут постоянной Планка. Ее размерность — исчезающее малое количество энергии, умноженное на время, — самое малое допустимое в природе действие. Это невообразимо малое число, а именно нуль, за которым после запятой следуют еще 34 нуля, прежде чем появится наконец пара значащих цифр. Бесспорное указание на то, что речь идет об атомарных порядках величин.

Не пройдет и недели после презентации его гипотезы, как другие ученые подтвердят своими вычислениями справедливость решения Планка: их экспериментальные данные согласуются с его теорией. Никто, даже сам Планк, не понимает, почему именно неполноценные «затычки», получившие определение квантов, создают помехи ультрафиолетовым печам. Но они вряд ли могут что-то значить в реальном мире, полагает первооткрыватель. Они могут представлять собой не более чем гениальную математическую уловку — таково единодушное мнение сообщества физиков. Англичане говорят о типично немецком изобретении, которое элегантно устраняет бесконечные величины.