Созданная 150 лет назад, в феврале 1869 года, таблица Менделеева быстро стала триумфом предсказательной силы науки, а со временем и самым ярким ее визуальным образом. Сам автор периодического закона был не только выдающимся ученым, но и реформатором, публицистом и общественным деятелем.
Биограф Дмитрия Менделеева принстонский историк Майкл Гордин рассказывает про десятилетия жизни таблицы в доквантовую эпоху и славу ее создателя.
Д.И. Менделеев и А.И. Куинджи за шахматной доской, 1904 г. // wikipedia.org
Появление периодического закона
Менделеев начинал свою научную карьеру в середине 1850-х годов – в то самое время, когда химия стремительно менялась. Было две причины такой быстрой трансформации науки. С одной стороны, в середине века начали массово находить нефть – в Баку, Галиции, затем в Пенсильвании. Из нее учились делать самые разные вещества – от фармацевтических до красителей. В химический синтез приходят большие инвестиции, а химия становится очень важным промышленным знанием. В Российской империи нефтяной бум, и благодаря ему, кстати, возникнет Нобелевская премия, которую Менделеев не получит: братья Нобели заработали капитал в Азербайджане.
С другой стороны, происходит маленькая теоретическая революция. В середине XIX века стало понятно, что процедуры определения атомных весов, использовавшиеся в прошлом, далеки от идеальных. И в 1860 году, когда Менделеев находится в длительной командировке в Гейдельберге, происходит первая большая конференция европейских химиков в Карлсруэ. Менделеев присутствует и слушает доклад итальянского химика Станислао Канниццаро, который предлагает единый метод для установления атомных весов. Благодаря этому химия – и органическая тоже – становится более точной и простой. Теоретические прорывы наложились на экономический бум химии и создали фактически новую и бурно развивающуюся науку.
Обе эти перемены означали, что потребовались новые учебники, чтобы описывать новые теории и обучать химии все больше людей. Учебники появлялись повсюду: и во Франции, и в Англии, и в немецких княжествах. А в России проблема усугублялась тем, что университетская реформа 1863 года наряду с другими реформами того времени значительно увеличила число студентов, поэтому, когда Менделеев в 1867 году становится профессором химии, ему нужен новый учебник, который позволил бы обучать все новых студентов. Он стоит перед дилеммой. Можно перевести учебник с европейского языка (его английский очень плох, французский он знает, а предпочел бы, вероятно, немецкий, если бы пошел этим путем). Но наука меняется слишком быстро, перевод займет много времени, и учебник устареет быстрее, чем выйдет из печати. А можно написать учебник самостоятельно и продавать его. Это не только выйдет быстрее, но и поможет прокормить семью. Он выбирает второй вариант. И благодаря этому, пытаясь решить свою педагогическую задачу, находит периодический закон.
Сперва Менделеев пишет первый том учебника, почти полностью посвященный химии всего лишь четырех элементов: углерода, кислорода, водорода и азота, – то есть как раз тех самых элементов, которые особенно важны для бурно растущей органической химии. И глава за главой он обсуждает, скажем, свойства кислорода, затем его физические и химические свойства, нахождение в природе, промышленное значение. Шестьсот страниц первого тома вмещают в себя четыре биогенных элемента (плюс четыре галогена – от фтора до иода). На второй том у него остается еще 55 элементов, и он просто не может проделать аналогичную работу еще раз. Ему нужна система, позволяющая рассказывать об элементах не по одному, и в процессе размышлений он изобретает эвристический метод, основанный на семействах элементов и облегчающий рассказ. Но чем больше он думает, тем больше понимает, что это не просто эвристика, что его наблюдение имеет отношение к действительности. Сперва он называет открытый им порядок закономерностью, а вскоре начинает использовать слово «закон».
Первая периодическая таблица Менделеева (набросок, 1869)
Ему хочется верить, что в периодической таблице нет исключений, что это закон природы, не просто удобный способ расположить элементы, а отражение их сути. Но вот только он не может сказать, в чем состоит закон. В том, что с ростом атомного номера происходит периодическое изменение свойств? Это почти всегда так, но не всегда. Менделеев настаивает, что его закон не правило грамматики, которое верно в большинстве случаев, но в его таблице есть исключения. Например, ему приходится поменять местами теллур (128) и йод (127) и поставить более тяжелый элемент впереди, поскольку так диктуют его свойства. Менделеев, естественно, не знает про существование нейтронов, поэтому настаивает, что должна была произойти ошибка, массу теллура надо измерить заново. Его коллеги сделали это несколько раз – с тем же результатом. Только теперь мы знаем почему.
Битва за приоритет
Признание открытия и заслуги пришло к Менделееву не сразу. Прежде всего, потому, что науке всегда требуется время для принятия фундаментального открытия. Когда, например, Эйнштейн в 1905 году придумал теорию относительности, из которой следовало, что физика должна отказаться от использования понятия эфира, ученым потребовалось десять лет, чтобы согласиться с этим выводом.
Но была и другая причина. В течение 1860-х годов другие люди тоже предлагали таблицы, которые выглядели очень похоже на таблицу Менделеева. Меньше чем за десятилетие появляется шесть разных таблиц, и Менделеев предлагает свою последним. Обычно открывателем считают того, кто предложил идею первым, но в этом случае приоритет получил последний. Вероятно, потому, что у менделеевского варианта было два важных преимущества. Его таблица, в отличие от таблиц конкурентов, включала все известные элементы, и он смог предсказать свойства некоторых новых, еще не открытых элементов, поэтому, когда его предсказания сбылись, он автоматически стал самым важным из авторов периодического закона.
Кроме того, он пережил всех своих соперников. Я не хочу сказать, что Менделеев не заслуживал славы открывателя периодического закона, просто приоритет в науке всегда достается тому, кто готов за него сражаться. А Менделеев и в этом был очень хорош.
Он вел долгую борьбу с немецким химиком по имени Лотар Мейер, который в 1864 году опубликовал собственный учебник «Современные химические теории». Там содержалась частичная периодическая таблица. Менделеев всегда уверял, что он не читал этой книги, даже несмотря на то, что она была переведена на русский, а сам он читал по-немецки. Наверное, не читал. Как бы то ни было, Мейер продолжает работать над своей версией таблицы, а Менделеев – над своей, и ни один не знает про работу другого. Менделеев заканчивает работу над таблицей, посылает ее в феврале 1869 года для публикации в журнале Русского химического общества и понимает, что его работу никто не прочтет: она написана по-русски. В то время никто из европейских химиков не читал по-русски.
Менделеев сокращает статью до двухстраничного текста и отдает своему студенту, чтобы тот перевел ее на немецкий и послал в Европу. Статья попадает не к кому-нибудь, а к самому Лотару Мейеру, который редактирует журнал. Тот читает статью, очень ее хвалит и передает в журнал для публикации. А затем публикует собственную статью, в которой цитирует Менделеева и пишет, что тот сделал хорошую работу, придумал отличную таблицу, но кое-где допустил ошибки. Самая значительная ошибка, на которую обращает внимание Мейер: Менделеев использует для описания смены свойств элементов в таблице слово stufenweise – «постепенный». Получается, что Менделеев не заметил самого важного свойства системы элементов – ее периодического характера.
Менделеев читает это и приходит в ярость, потому что, конечно же, в оригинальном русском тексте он использовал слово «периодический», а не «постепенный». Оказалось, студент ошибся при переводе. Менделеев говорит, что Мейеру следовало бы читать оригинальную статью, а не резюме, а Мейер отвечает, что ему и так уже приходится читать по-итальянски, по-английски и по-шведски и русский язык – это уже перебор.
Так начался диспут, который продолжался много лет, несмотря на то что и Мейер, и Менделеев ценили работы друг друга и каждый признавал, что соперник сделал что-то, чего ему самому не пришло в голову. Но Мейер цитирует Менделеева часто и в положительном ключе, а Менделеев не спешит отвечать взаимностью. Спор продолжается все 1870-е годы, а к началу 1880-х большинство европейских химиков уже сходятся в том, что они оба заслуживают признания. Но затем Мейер умирает, и роль Менделеева постепенно становится все значительнее, пока его соперник не оказывается подзабыт, хотя некоторые учебники упоминают его по сию пору. Так появляется популярная ныне картина одинокого открывателя Периодической системы. И отчасти это происходит потому, что Менделеев сделал предсказания, которые сбываются – находят предсказанные им элементы, и наука придает этому все большее значение.
Слава Дмитрия Менделеева
Репутация ученого в России складывалась не столько благодаря его периодическому закону, сколько благодаря общественной деятельности. Во-первых, он один из самых популярных профессоров в университете, и это уже делает его публичной фигурой. Во-вторых, и это по-настоящему прославило Менделеева, в 1870-е он возглавляет комиссию Физического общества, посвященную борьбе со спиритизмом. Он и его коллеги по комиссии выписывают из Англии спиритистов и проверяют их способности в эксперименте. Так он становится своего рода Ричардом Докинзом своего времени, главным борцом с предрассудками.
У него есть оппоненты, в частности Александр Аксаков, двоюродный брат Ивана и Сергея Аксаковых, и Александр Бутлеров – по иронии судьбы второй самый известный химик в стране, обладающий заслуженным европейским признанием, который верит, что спиритические явления реальны. Все столичные газеты пишут об этой истории, Достоевский упоминает Менделеева в этом контексте, тот становится знаменит на всю страну. Он читает публичные лекции в Соляном городке на Фонтанке, его считают остроумным и харизматичным лектором, публика идет на него валом. Гонорары за лекции против спиритизма он переводит борцам за независимость Боснии и Герцеговины от Османской империи, и этот жест тоже оценен.
Но по-настоящему он прославился – и тут его слава становится абсолютной – тогда, когда в ноябре 1880 года его не избирают членом Академии наук. Во время голосования он проигрывает в один голос. И газеты сходят с ума: считается, что его забаллотировали из-за происков «немецкой партии», он становится символом незаслуженных репрессий. Его надо защищать. В течение трех месяцев эта несправедливость остается главной газетной темой, а затем террористы убивают Александра II, и это, конечно, становится куда большей новостью. Но начиная с того времени Менделеев остается самым известным русским ученым, а его мнения ищут по любому вопросу. Скажем, спрашивают его, что он думает о смертной казни, как в ХХ столетии спросили бы Эйнштейна или Хокинга. Он становится публичным интеллектуалом в масштабах всей империи.
За свою долгую жизнь Менделеев успел поучаствовать во множестве споров и диспутов. Он спорит с Нобелем, где строить нефтеперерабатывающие заводы, с Бутлеровым – про спиритизм, он много спорит с Толстым про экономику (когда сын Толстого, Иван, был студентом и ходил на обязательные лекции по химии, профессор однажды специально вызвал его к себе, чтобы рассказать, как неправ его отец). Кроме того, Менделеев ведет заметную светскую жизнь, держит салон, в который по средам приходят художники-передвижники, дружит с Репиным и Куинджи, композитором Бородиным, который был химиком, хотя и менее успешным, и учился с Менделеевым в Гейдельберге.
Ко всему этому Менделеев еще и реформатор. У него сильные взгляды на то, как должна быть устроена экономика, и он много об этом пишет. В конце 1880-х годов он становится архитектором очень важного тарифа – пошлины на ввоз определенных химических соединений из Европы. Он консультирует Министерство финансов и Сергея Витте. Он превращает Палату мер и весов в настоящий и современный метрологический институт. Создает первый закон, позволяющий использовать метрическую систему в Российской империи. В тот момент она дозволяется, а обязательной станет только в 1918 году, но это в большой степени заслуга Менделеева.
Вопреки легенде, Менделеев не «придумал водку», хотя писал диссертацию о смешении спирта с водой и участвовал в комиссии, которая разрабатывала соответствующий стандарт (40% – как у английского джина). Он не пьет водку, а если пьет, то вино: у него в роду есть алкоголики.
Менделеев – один из первых защитников права женщин на образование. В 1862 году, когда готовилась университетская реформа Александра II, он предлагал указать в уставе, что студентом может быть человек любого пола.
Трансформации Периодической системы
Таблица Менделеева в том виде, в котором мы привыкли ее видеть в каждом кабинете химии, выглядит совсем не так, как он ее задумал. Прежде всего, она лежит на боку: в оригинальной таблице кислород был под азотом, а не справа от него. Кроме того, в оригинальной таблице не было сужения, которое она содержит теперь, – оно появилось благодаря квантовой теории. Чтобы все это поместилось в одну таблицу, Менделееву пришлось разбить каждый ряд пополам, у него были не периоды, а полупериоды. Наконец, Менделеев создал много разных вариантов своей таблицы – и для того, чтобы учесть новые открытия, и потому, что хотел продемонстрировать разные ее свойства. Визуальное представление таблицы – это продукт ХХ века и его открытий.
Менделеев прожил почти пятьдесят лет после создания таблицы и вносил в нее много правок. Например, после открытия аргона, неона и гелия он создал отдельный столбец для благородных газов, который поместил не справа, как мы сделали бы сейчас, а слева. Если не знать структуры атомов, разницы действительно нет. Но у этого решения было забавное следствие: если поместить гелий слева от лития, в таблице появляется пропуск в левом верхнем углу, что-то легче водорода. Менделеев думал, что там находится эфир – субстанция, по которой перемещается свет и которой, как мы знаем теперь, не существует. Это была странная теория, но сама система обладала предсказательной силой и многое объясняла.
Когда Менделеев описал свою систему в 1869 году, еще не было известно о существовании электронов: их открыли тридцать лет спустя. А электроны как раз и объясняют различия в поведении элементов. Кроме того, тогда не было известно существование протонов, которые объясняют атомные номера: протоны откроют в 1913 году. Он тогда не знал многих вещей, совершенно необходимых, чтобы объяснить его систему сегодня, но это не мешало ему придерживаться довольно бескомпромиссных взглядов касательно этого вопроса. Например, он полагал, что каждый элемент совершенно неизменен и не может превратиться ни в какой другой. В частности, атом не мог быть, с его точки зрения, разделен на части, то есть являлся атомом в исконном, греческом представлении. Он считал, что у каждого элемента есть некоторая связывающая сила, позволяющая ему образовывать соединения. Все эти теории к началу ХХ века вызывали большие сомнения.
В середине 1890-х годов было совершено два открытия, которые совсем ему не понравились и с которыми он яростно спорил. Во-первых, радиоактивность. Менделеев считал ее алхимией, ему казалась абсурдной идея, что радий может превратиться в свинец. Он громогласно и публично спорил с Беккерелем и супругами Кюри, с которыми был знаком.
Менделеев вообще много путешествует. Он дважды едет в Америку: первый раз в 1876 году, в столетие Соединенных Штатов, и посещает нефтяные поля в Пенсильвании, а затем в 1904 году на ярмарку в Сент-Луисе. Его поездка в Париж связана с работой над мерами и весами: он хочет посмотреть на эталонный метр и килограмм и заказать новые эталоны для России. Находясь в Париже, он посещает лабораторию Кюри, видит соли радия и полония. Один из его спутников позже вспоминает, что Менделеев, выйдя оттуда, назвал радиоактивность безумной идеей: изучив несколько солей радия, они хотят перевернуть всю химию, которую мы теперь знаем. В дневниках из Парижа он то ли в шутку, то ли всерьез сравнивает радиоактивность со спиритизмом, с которым боролся тридцать лет назад.
Во-вторых, были открыты благородные газы. Сперва Менделееву это открытие тоже не понравилось, потому что для них не было места в его системе. Он смог их поместить в таблицу только после того, как было получено несколько таких газов, и они образовали новую группу. И даже после этого называл Рамзая «укрепителем» периодической системы.
Менделеев отвергал – или не торопился принимать – как раз те открытия, которые позволили нам по-настоящему, на новом уровне объяснить, почему работает Периодическая система. Его система существовала просто так, не имея хорошего объяснения. Возможно, именно эта его позиция стоила ему Нобелевской премии: от него ждали, что он примет новые открытия и что-то поменяет в своей системе, а он не стал этого делать. Но кроме Нобелевской премии и места в Академии наук он получил все, что только можно, был членом всех европейских академий и разделил с Лотаром Мейером, с которым спорил за приоритет своего открытия, медаль Копли Королевского общества – старейшую научную награду. Всемирное научное признание пришло к нему после того, как были открыты три предсказанных им элемента.
Хотя Менделеев предсказал и элементы, которые так и не были найдены, его сбывшиеся предсказания относятся к числу самых важных, случившихся в XIX веке. В частности, благодаря им возникло представление о том, насколько они важны для науки. Когда Клеменс Винклер в 1886 году нашел предсказанный Менделеевым германий (экасилиций), он хотел назвать его нептунием, поскольку планету Солнечной системы тоже сперва предсказали с помощью математических расчетов, а затем открыли в 1846 году. Но в результате элемент получил название в честь родной страны Винклера. Интересно, что другие два предсказанных им элемента – галлий и скандий – тоже были названы в честь стран: в XIX веке химики были националистами. И сам Менделеев многократно подчеркивал, что его закон был изобретен в России, но изменил взгляды ученых по всей Европе. Отчасти благодаря его усилиям Россия к началу ХХ века перестала считаться периферией научной Европы.
Источник: «Постнаука»