Читать книгу "Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…"

Забавно, что хотя шары с горячим воздухом использовали братья Монгольфье, а Жак Шарль использовал шары с водородом, именно Шарль первым открыл зависимость объема газа от температуры и тем самым объяснил принцип подъема шаров с горячим воздухом. Значительную часть исследований он провел в своей лаборатории в Лувре. Однако по каким-то причинам не спешил публиковать результаты, и сегодня о нем редко вспоминают в связи с газовыми законами. Однако он, вероятно, обсуждал свои эксперименты с коллегой, Жозефом-Луи Гей-Люссаком, который развил и усовершенствовал эксперименты Шарля и опубликовал результаты в 1802 г.

В жизни Гей-Люссака, как и в жизни Жозефа Монгольфье, белье тоже сыграло немаловажную роль. В бельевом магазине он встретил свою будущую жену; она была простым клерком, но на работе читала тексты по химии (!). Она, в свою очередь, увлеклась Гей-Люссаком по той причине, что он, подобно многим химикам того времени, был азартен. Однажды, когда он выделял натрий и калий, металлы взорвались у него в руках, и он почти лишился зрения. Потом самодельная батарейка так сильно ударила его током, что у него на целый день отнялась рука. Еще раз пробирка взорвалась у него в руках в 1844 г., и он непременно лишился бы глаза, если бы после первого взрыва не стал носить очки.

Естественно, что такой человек, как Гей-Люссак, любил рисковать и не упускал возможности подняться на воздушном шаре. В одном знаменательном полете в августе 1804 г. он поднялся в небо в компании физика Жана-Батиста Био. Формально Био выполнял функцию второго пилота, однако бо́льшую часть времени занимался тем, что измерял силу магнитного поля Земли на разных высотах (к его удовольствию, магнитное поле было достаточно сильным даже на высоте нескольких километров; в отличие от температуры и давления, сила магнитного поля слабо зависит от высоты). А Гей-Люссак тем временем собирал материал для изучения химического состава верхних слоев атмосферы. Для этого на разной высоте он должен был открывать пустые пробирки, а потом закрывать их, чтобы потом на земле провести анализ воздуха.

Так они поднимались, занимаясь своими делами, пока Био вдруг не сделалось плохо. Он вообще был не в очень хорошей спортивной форме, а тут внезапно повалился как подкошенный. В конечном счете все обошлось, но можете себе представить ужас Гей-Люссака. Одновременно управляя шаром и приводя в чувство Био, он позабыл о своих пробирках. Упущенная возможность не давала ему покоя, и через три недели он отправился в полет в одиночестве. Новый шар поднимался быстрее, Био в качестве балласта в корзине не было, так что Гей-Люссак поднялся на невероятную высоту около 7 км (его рекорд продержался полстолетия). На этой высоте он вполне мог погибнуть от кислородной недостаточности, но поборол страх и сумел заполнить несколько пробирок разреженным воздухом. Проведенный позднее анализ показал, что даже на большой высоте состав воздуха остается таким же, как на уровне моря. Другими словами, хотя воздуха на высоте меньше, соотношение азота, кислорода и других газов в нем не меняется.

Мы живем внутри невероятно тонкой воздушной оболочки, гораздо более тонкой, чем кожура яблока по отношению к яблоку.

Однако по мере того как химикам с помощью неуправляемых воздушных шаров удавалось анализировать все более высокие слои атмосферы, они начали понимать, что с увеличением высоты воздух все же изменяется, но гораздо более сложным образом. Атмосферу условно разделили на четыре слоя, располагающиеся один над другим. Нижний слой, в котором мы живем, тропосфера, поднимается от поверхности Земли примерно на 15 км (в зависимости от широты и сезона). Именно здесь происходят все погодные явления. Выше, на высоте до 45 км, располагается стратосфера, содержащая озон. Дальше следует мезосфера, в которой сгорают метеориты; она простирается на высоту до 75 км. И, наконец, следует легчайшая термосфера, где рождается северное сияние. Протяженность этого слоя достигает 800 км. Кажется, что на такой головокружительной высоте уже начинается космос, однако антигравитационный автомобиль способен преодолеть такое расстояние всего за семь часов. Впрочем, вряд ли такое путешествие окажется привлекательным: примерно половина массы земной атмосферы сосредоточена на уровне ниже 7 км. А на высоте 12 км (не дальше, чем обычная воскресная пробежка) содержание кислорода снижается вчетверо по сравнению со значением на уровне моря, так что жить в таких условиях просто невозможно. Древнегреческие ученые полагали, что в небесах воздух улучшается, достигая совершенства. На самом деле мы живем внутри невероятно тонкой воздушной оболочки, гораздо более тонкой, чем кожура яблока по отношению к яблоку.

Кроме изучения атмосферы, Гей-Люссак активно занимался лабораторной работой и смог открыть еще один газовый закон. Этот закон гласит, что с повышением давления газа обязательно повышается и его температура. И если вас посетило ощущение déjà vu (этот закон, по сути, идентичен закону, связывающему температуру и объем газа), вы не одиноки. Во времена Гей-Люссака многие химики начали замечать, что поведение газов в любых ситуациях неизменно описывают одни и те же параметры: температура, давление и объем. Совершенно естественно, возникало желание объединить все газовые законы в одном общем «верховном законе». Прошло еще несколько десятков лет, но в 1830-х гг. ученые наконец нашли так называемый объединенный газовый закон. Итак. Если объем газа обозначить через V, температуру через T, давление через P, а количество через n и ввести арифметическую константу R, поведение любого газа можно описать следующим уравнением: PV = nRT.

Возможно, эта формула не поражает воображение (подозреваю, что при взгляде на нее вас не ослепило, как при взгляде на солнце). Но поверьте моим словам: это уравнение сродни нитроглицерину – такая в нем заключена мощь. При умелом обращении эта формула может рассказать массу вещей о поведении газов: как температура влияет на объем, как объем влияет на давление, а также о любом другом сочетании параметров. Не менее важно, что в этом уравнении в неявном виде содержится и другая информация. Предположим, вам кажется, что датчик давления на каком-то резервуаре на вашем производстве барахлит, и вы опасаетесь взрыва. Что делать? Нужно измерить объем резервуара, температуру, и, voilà, с помощью объединенного газового закона вы можете рассчитать давление. Другими словами, если вам известны другие параметры, давление определяется автоматически. А если у вас испортился термометр, уравнение позволит определить температуру. Это может показаться жульничеством: вы измеряете один параметр, а получаете другой, как будто определяете цвет объекта по его весу. На самом деле связь между давлением, температурой и объемом газа, которая на первый взгляд может показаться весьма зыбкой, существует на более глубоком, более фундаментальном уровне. И закон объясняет, в чем она заключается.

Газовый закон раскрывает совершенно новый аспект физики газов. Пристли, Лавуазье и Дэви искали различия между газами: каковы их запахи, горючесть или влияние на нашу физиологию. Но газовый закон применим ко всем газам в равной степени. Он запрещает все разговоры о различиях – это демократический закон. Облако водорода состоит из микроскопических молекул-комариков, облако радона – из гигантских шмелей, но при нагревании оба расширяются одинаковым образом. Облако азота спокойно и неактивно, облако хлора обжигающе токсично. Но если сдавить эти облака, они сожмутся идентичным образом. Разные твердые вещества и разные жидкости ведут себя очень по-разному, за исключением очевидного факта, что они твердые или жидкие. Но газы невероятно похожи друг на друга. На физическом (но не на химическом) уровне все газы ведут себя одинаково.

Научное открытие – одно из высочайших достижений человеческого разума: человек смотрит на жужжащий и мельтешащий перед глазами мир и находит в нем незыблемые сущности. Закон PV = nRT является такой «сущностью» в большей степени, чем многие другие научные принципы. Эти пять букв описывают любой газ. Раньше объединенный газовый закон иногда называли законом состояния идеального газа. И мне нравится это название, поскольку закон позволяет нащупать что-то абсолютное, вечное и неизменное, что-то поистине идеально работающее в нашем переменчивом мире.

Вот такая красота, но я все же вынужден признаться: мои последние слова были ложью. Красивой ложью, удобной и, может быть, даже благородной, но все-таки ложью. Поскольку, как только вы переходите к изучению реальных газов, настоящих, таких как воздух, которым вы дышите в данный момент, выясняется, что их поведение в какой-то степени отличается от поведения идеального газа. Как окружность, которую вы чертите на бумаге даже с помощью циркуля, никогда не будет такой ровной и симметричной, как идеальная окружность. Химикам это, конечно же, известно, и когда они проводят расчеты с помощью закона идеального газа, они знают, что реальность окажется чуточку иной. Причем поведение одних газов больше походит на поведение идеального газа, а других меньше. По этой причине, когда двое ученых в 1890-х гг. обнаружили несколько почти идеальных газов (настолько близких к идеальному газу, как никакие другие в нашем мире), большинство ученых отказывались в это поверить. Они считали, что таких безупречных веществ просто не бывает.

Как только вы переходите к изучению реальных газов, настоящих, таких как воздух, которым вы дышите в данный момент, выясняется, что их поведение в какой-то степени отличается от поведения идеального газа.

Эта история начинается с рассказа о человеке, отличавшемся фантастической неподверженностью скуке. Джон Уильям Стретт родился в 1842 г. одновременно богатым и болезненным, и ему предстояло вести бесполезную жизнь никчемного английского дворянина. Он тяжело заболел коклюшем и вынужден был прервать обучение в Итоне, но и когда вернулся, ничем особенным не выделялся. Однако Стретт был честолюбив. Он поступил в Кембриджский университет и вместо того, чтобы просто тихонько закончить обучение, напугал всю семью, выбрав курсы математики и физики. Его успехи в постижении наук стали для родных еще бо́льшим потрясением, а желание работать в области физики вызвало настоящий шок. Казалось, в 1871 г. он одумался, поскольку женился и оставил работу. В 1873 г., после смерти отца, Стретт унаследовал титул лорда Рэлея и семейное состояние. Однако старый зуд не давал ему покоя, и в 1876 г. Рэлей передал управление имуществом младшему брату. Таким образом, он поставил себя в такое же унизительное положение, в котором оказался Жозеф Монгольфье (младший брат управляет делами семьи!), чтобы иметь возможность заниматься наукой.

Рэлей носил усы, как у моржа, и пушистые бакенбарды, а лысина на его голове с годами становилась все заметнее. За время научной деятельности он опубликовал более 400 статей и выполнил новаторские исследования в десятке научных областей, включая биологию (в частности, он установил, почему павлиньи перья имеют такой элегантный металлический блеск). Однако в начале 1880-х гг. он выбрал невероятно скучное занятие: он принялся измерять плотность некоторых газов, в частности кислорода и водорода. В XVIII в. эта работа, безусловно, могла представлять интерес, но что нового надеялся обнаружить Рэлей через столетие? Однако же он потратил на эти измерения 10 лет и, действительно, не нашел ничего нового. Он просто определил плотности этих газов с большей точностью – до нескольких дополнительных знаков после запятой. Такая вот «антиэврика».

Далее с немыслимым мазохистским упорством Рэлей принялся определять плотность еще более скучного газа – азота. Ему нужны были образцы чистого азота, которые он получал путем постепенного удаления из воздуха всех остальных компонентов. Чтобы удалить из влажного английского воздуха пары воды, он раскладывал в лабораторных помещениях шерстяные одеяла, которые за несколько дней набирали по литру воды. Затем, чтобы удалить кислород, он прогонял воздух через раскаленные медные трубки, а для избавления от углекислого газа использовал раствор поташа (карбоната калия). Оставшиеся примеси уничтожались серной кислотой. Потом он собирал чистый азот в колбу и измерял его плотность.

Чем, как не помешательством, объяснить тот факт, что после этого Рэлей повторил тот же самый эксперимент, очищая азот иным способом. В этот раз он удалял кислород не с помощью горячих медных трубок, а пропускал его через жидкий аммиак. Этот процесс был сложнее в том смысле, что кислород (O₂) взаимодействовал с аммиаком (NH₃), в результате чего в качестве побочного продукта выделялся дополнительный азот. Но, поскольку Рэлей все равно собирался изучать азот, ему это не мешало.

Догадайтесь, что случилось. Рэлей обнаружил, что литр азота, очищенного с помощью аммиака, был на 7 мг легче, чем литр азота, очищенного с помощью меди. В школе на уроках химии я бестолково потратил много часов за лабораторным столом и могу вам сказать, что если бы мне удалось в двух экспериментах получить результаты, различающиеся на 10 г, я был бы просто счастлив. Получить результат с такой точностью, как у Рэлея, просто невозможно – начинаешь подозревать обман. Но Рэлея это различие потрясло. В его время ученые достигли в миллионы раз большей точности измерений, чем во времена Лавуазье, и оперировали мельчайшими долями миллиграмма. Таким образом, 7 мг приходилось считать ошибкой, и Рэлей начал методично (явный невротик) перепроверять результаты. Он изобрел шесть других методов очистки воздуха; с помощью одних методов у него получался дополнительный азот, а с помощью других – нет, что «маскировало», по его выражению, существующую разницу.

В 1902 г. Рэлей опубликовал в журнале Nature письмо, в котором рассказал о своих затруднениях и попросил химиков всего мира дать ему совет. Большинство советов оказались бесполезными. Однако Рэлей прислушался к мнению Уильяма Рамзая – работавшего в Лондоне худого шотландца с усталыми глазами. Вскоре Рамзай так же сильно увлекся проблемой, как сам Рэлей, и Рэлею это не понравилось. Тем не менее они договорились сообщать друг другу о ходе исследований и вместе публиковать результаты.

Одно объяснение они отвергли сразу. Рэлей предположил, что мог каким-то образом создать необычную форму азота, типа N₃ (нечто вроде озона O₃). Это объяснило бы различие в плотности, однако Рамзай отклонил эту версию, поскольку структура N₃ казалась нестабильной.

Физик лорд Рэлей (слева), открывший аргон, и химик Уильям Рамзай (справа), открывший другие инертные газы (Фотографии любезно предоставлены фондом Wellcome Trust)

Они начали кое-что понимать, когда внимательно проанализировали старую забытую статью Генри Кавендиша. В 1785 г. Кавендиш заполнил ртутью пробирку, запаял ее, но оставил в ней пузырь воздуха, а потом стал пропускать ток, так что через пузырь проскакивали искры. Под действием искр кислород и азот воздуха реагировали с образованием красно-оранжевых паров. Эти пары растворялись в ртути, и по мере их растворения воздушный пузырь сжимался. Кавендиш ждал, что он исчезнет совсем. Но сколько он ни ждал – час, день, неделю, – примерно 1 % газа все равно оставался. В итоге Кавендиш сдался, но столетие спустя Рэлей и Рамзай поняли, что, возможно, выделили новый газ.

Какой долгий путь! Ученые исследовали состав атмосферы уже более ста лет, и казалось невероятным, что они проглядели целый процент воздуха. Однако наличие этого нового газа прекрасно объясняло различие плотностей выделенного Рэлеем азота. Допустим, что в образцах воздуха действительно содержался какой-то более тяжелый газ, чем азот. Плотность таких образцов должна зависеть от относительного содержания азота и газа X, как плотность ореховой смеси зависит от относительного содержания арахиса и бразильского ореха. Но когда Рэлей использовал метод выделения азота, при котором возникал дополнительный азот (больше арахиса в смеси), он изменял это соотношение и, следовательно, плотность смеси. Рэлей и Рамзай согласились, что стоило заняться изучением этого неизвестного газа.

В поисках газа X каждый пошел своим путем. Рэлей последовал за Кавендишем и удалял из воздуха все, кроме искомого газа, с помощью электрической искры. Работа оказалась настолько монотонной, что устал даже такой человек, как Рэлей. Он установил в домашней лаборатории телефонную линию и поместил одну телефонную трубку около генератора искр, который при работе гудел. Другую он поставил в библиотеке, где мог удобно устроиться в кресле, и вставал, когда гул прекращался. Рамзай тем временем удалял N₂ из воздуха с помощью магния – сверхактивного металла, который при взаимодействии с азотом превращался в хрупкий бурый порошок. Однако для реакции нужно было разогреть магний до такой температуры, что содержащая его стеклянная пробирка почти плавилась. Возможно, Рамзай даже завидовал монотонной работе Рэлея, поскольку однажды десять дней кряду пропускал азот взад и вперед через раскаленный металл. Но оба метода сработали: каждый получил капельку газа X 99 %-ной чистоты.

На следующем этапе дуэт приступил к изучению свойств нового газа. Это оказалось вещество без цвета, вкуса и запаха, что весьма интересно. Но главной особенностью газа были его акустические свойства. Звуковые волны представляют собой импульсы энергии, распространяющиеся в пространстве посредством соударений молекул газа (толкните человека в толпе: падая, он толкнет соседа, тот, в свою очередь, кого-то еще и т. д., передавая тем самым исходную энергию удара). Движение молекул газа создает области высокого и низкого давления, которые наши уши воспринимают в качестве звука. Эти волны/удары распространяются с разной скоростью в зависимости от массы и формы молекул газа.

Физика этого процесса довольно сложна (уж поверьте мне), но в общих чертах Рамзай и Рэлей измерили скорость звука в газе X в двух состояниях, а потом получили отношение этих значений. Такая процедура нужна для определения формы молекул газа, поскольку (внимание, это важно!) это отношение зависит от размера и структуры молекул. Представьте, например, что вы пропускаете импульс через облако углекислого газа (CO[34]34
  Речь идет о так называемом показателе адиабаты, или коэффициенте Пуассона, который представляет собой отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме; показатель адиабаты и скорость звука связаны между собой.


[Закрыть]₂) или аммиака (NH₃). Атомы C, O, N и H в этих молекулах поворачиваются по отношению друг к другу или приближаются и удаляются, как на пружинке. Из-за этих дополнительных движений часть исходной энергии волны рассеивается, и – по другим сложным физическим причинам – критическое отношение снижается примерно до 1,3. Атомы в более простых молекулах, таких как H₂ или N_2, имеют меньше возможностей для относительных перемещений и, следовательно, рассеивают меньше энергии. Для них характерно отношение 1,4. Рамзай и Рэлей обнаружили, что данное отношение для загадочного нового газа составляло 1,67, а это означало, что его молекула состоит меньше чем из двух атомов. Другими словами, молекула газа состояла всего лишь из одного атома – как никакая другая молекула газа.

Но самым удивительным оказалось не это. Рамзай и Рэлей хотели посмотреть, как их газ реагирует с другими веществами, и пытались ввести его в реакцию с кислородом, водородом и углекислым газом. Но реакций не происходило. Они попытались осуществить взаимодействие с более активными веществами, такими как сера, фосфор или калий. Бесполезно. Они попробовали хлор, кислоты и другие ужасы. Ничего. В конце концов они опустошили всю химическую лабораторию, натравливая на свой газ все самые активные в химическом плане соединения. Ни проблеска ответа.

К августу 1894 г. ученые поняли, что открыли совершенно новый газ и, возможно, новый элемент. Но они все еще не осмеливались предать гласности свои результаты. Они все же опубликовали данные о странном отношении скоростей звука и полном отсутствии реакционной способности, но не захотели идти дальше и заявлять об открытии нового элемента. Отчасти это была нормальная осторожность – необходимо было полностью удостовериться в своей правоте. Отчасти гордость. Они знали, что Смитсоновский институт вручает премию в размере 10 000 долларов (сегодня это 275 000) за лучшую публикацию о ранее неизвестных свойствах воздуха. Поскольку институт интересовали только новые данные, ученые решили пока промолчать и сохранить возможность выиграть премию.

Однако никакие меры предосторожности не могли помешать распространению информации среди ученых, которые прекрасно понимали суть результатов и относились к ним весьма неодобрительно. Для химиков, изучавших свойства атмосферы, это был удар: как все они могли просмотреть этот загадочный газ? (Если газ X составляет 1 % воздуха, как утверждали эти двое, значит, каждый человек за день вдыхал 100 г этого газа.) Хуже того, если R&R действительно открыли новый элемент (некоторые называли его аргоном – от греческого слова, обозначающего «ленивый»*), его нужно поместить в периодическую таблицу. Но куда? На основании плотности аргона Рэлей определил его атомную массу. Она равнялась 40. В таком случае его место было рядом с хлором и калием – двумя чрезвычайно активными элементами. Но это же полная бессмыслица! Создатель периодической таблицы Дмитрий Менделеев включился в обсуждение и заявил, что никакого аргона не существует, а Рэлей и Рамзай просто каким-то образом умудрились получить молекулу N₃.

В январе 1895 г. Рэлей и Рамзай все-таки выиграли премию Смитсоновского института, опередив 218 других претендентов. Это была тяжелая победа, поскольку за время их молчания отношение научного сообщества к ним заметно ухудшилось. Один критик назвал аргон «химическим монстром, неожиданно и без приглашения ворвавшимся в счастливое семейство элементов». Периодическая таблица так много значила для химии, что всякий, кто ей угрожал, угрожал самой химии. Рэлей и Рамзай вынуждены были извиниться за привнесенный хаос, но не отказались от своих убеждений.

Потом Рамзай дополнительно усложнил ситуацию, сделав новое открытие. Несколькими годами ранее один начинающий американский геолог работал с урановой рудой и вдруг заметил, что из нее выделяются мельчайшие пузырьки газа. Этот газ не реагировал ни с какими веществами, имевшимися в его распоряжении, поэтому геолог счел, что это азот, и успокоился. В начале истории открытия аргона один знакомый рассказал Рамзаю об этом случае. Рамзай собрал немного рудного газа и подтвердил, что он не вступает ни в какие реакции – даже с теми веществами, с которыми обычно взаимодействует азот. Он проделал еще несколько экспериментов и показал, что этот газ легче аргона. Это означало, что Рамзай открыл еще один новый элемент. Он назвал его криптоном – от греческого слова kryptos – «скрытый». Но когда он послал образец газа другому ученому для проверки своих выводов, пришла его очередь удивляться. Еще в 1860-х гг. астрономы научились разлагать солнечный свет на составляющий его спектр. И в этом спектре они заметили странные желтые, зеленые и красные полосы, которые приписали некоему таинственному элементу. И теперь выяснилось, что новый газ Рамзая при нагревании излучал именно такой спектр. Другими словами, Рамзай открыл этот «солнечный элемент» на Земле. Поскольку для этого элемента уже было придумано название, Рамзай согласился со всеми и стал называть его гелием*.

Гелий еще больше усложнил ситуацию, возникшую в связи с открытием аргона, поскольку теперь в гармоничной периодической таблице предстояло найти место уже для двух странных элементов. Некоторые смельчаки предлагали добавить новую колонку, стоящую исключительно из газов, но Менделеев и другие отвергли эту идею. Создание периодической системы элементов было одним из величайших прорывов в истории химии. Сотни ученых провели за ее усовершенствованием миллионы часов. И теперь из-за этих двух британцев приходилось все переделывать и сооружать новый столбец? Нет уж.

Однако Рамзаю понравилась идея нового столбца – в частности, поскольку наличие целого столбца означало, что таких странных газов может быть больше. Чтобы проверить свою догадку, в 1898 г. он с помощью ассистента начал очищать 1600 л воздуха, удаляя кислород, азот и другие компоненты, пока не остались только неактивные газы. Затем этот остаток охладили, переведя его в жидкое состояние. Ученые понимали, что бо́льшую часть этой смеси составляет аргон, но если там были и другие элементы, можно было попробовать извлечь их путем постепенного нагревания. Как мы уже обсуждали выше, разные соединения в составе жидкости кипят независимым образом – при разных температурах. Было понятно, что при медленном повышении температуры новые газы поочередно отделятся от смеси. Один выделенный газ все же назвали криптоном, второй – ксеноном (от греческого слова «странный»; нужно сказать, что все инертные газы получили какие-то недобрые имена). Об открытии третьего газа Рамзай рассказал дома за ужином. Его десятилетний сын вмешался в разговор и предложил имя novum от латинского «новый». Рамзай хотел всем новым газам дать греческие имена, но обдумал предложение сына и пришел к компромиссному решению, назвав элемент неоном.

Вы можете подумать, что для периодической таблицы пять чужаков хуже, чем два. Но это не так. Имея пять неактивных газов – аргон, гелий, неон, криптон и ксенон, – химики с большей охотой открыли новый столбец, содержащий только газы. Через несколько лет ученые обнаружили еще одного представителя этого семейства – радон. Рамзай подтвердил существование радона, изучив его спектр. Таким образом, он приложил руку к открытию всех известных инертных газов*. Поначалу химики рассматривали элементы из этой колонки как изгоев: их поместили сюда, чтобы отделаться и забыть. Но со временем их оценили; улыбнулся даже старик Менделеев*. Теперь эти газы называют благородными по той причине, что они не нисходят до других элементов, чтобы вступить с ними в реакцию. Они превосходно чувствуют себя в одиночестве, и это отсутствие интереса к другим веществам позволяет им полностью подчиняться закону идеального газа.

В 1904 г. Рамзай был награжден Нобелевской премией по химии и стал научной знаменитостью. В интервью он скромно объяснял свой успех толщиной больших пальцев, которыми затыкал пробирки с инертными газами, когда проводил с ними лабораторные опыты. А также связал ловкость рук с навыком скручивания сигарет (готовые сигареты он считал «недостойными экспериментатора»). Именно из-за курения в середине 1910-х гг. у него развился рак носа. В этот период его чрезвычайно волновали события Первой мировой войны, он предвидел конец цивилизации и нападал на немецких ученых на страницах лондонской газеты The Times. Смущенные друзья Рамзая объясняли эти выпады болезнью. Рамзай умер в 1916 г., находясь в мрачном состоянии духа, сокрушаясь по поводу того, что человеческие существа редко ведут себя так достойно, как благородные газы.

Рэлей шел своим путем и, в частности, совершил научный подвиг, дав ответ на древнейший вопрос, почему небо голубое.

Рэлей тоже был награжден Нобелевской премией в 1904 г., но по физике – за открытие аргона и исследования плотностей наиболее распространенных газов. Эта награда дополняла награду Рамзая по химии, однако, учитывая весь спектр экзотических газов, открытых Рамзаем, премия Рэлея выглядела скромно. На самом деле, не следует думать, что Рэлей ничего не делал все время, пока Рамзай перекраивал периодическую таблицу. Вовсе нет.

До начала XX в. философы и ученые выдвигали по этому поводу массу предположений. Одни считали, что голубой цвет – это некая смесь темного индиго ночи и желтого света солнца. Другие связывали цвет неба с наличием плавающих кристаллов льда, а третьи – с такими экзотическими проявлениями, как флуоресценция озона или микроскопические пузырьки. Рэлей объяснял синеву неба рассеянием солнечного света на каких-то содержащихся в воздухе неизвестных частицах. Физика этого явления опять-таки сложна, но суть в том, что свет с более короткой длиной волны рассеивается (то есть перенаправляется) сильнее, чем свет с большей длиной волны. В частности, голубой свет, длина волны которого меньше, чем почти у всех остальных цветов видимого спектра, рассеивается сильнее, чем красный или оранжевый.

Между рассеянием света и цветом неба связь следующая. Представьте, что вы лежите на скамейке во дворе и глядите на проплывающие облака. Тем временем на Землю от Солнца прибывает белый свет. На самом деле этот «белый свет» представляет собой волны разной длины, включая синие. В соответствии с теорией Рэлея вероятность рассеяния и отклонения синих волн выше, чем любых других. И поэтому синие волны могут распространяться в разные стороны. Они вновь могут попасть на небо, в космос, но могут и к вам в глаз. Понятно, что какое-то количество красного (а также зеленого или желтого) света тоже рассеивается, но гораздо в меньшей степени, чем синий свет. И поэтому в каждой точке неба доминирует именно синий свет. Сложите вместе все эти точки – и вы получите небесную лазурь.

Те из вас, кто разбирается в теории цвета, назовут мое объяснение абсурдным. В конце концов, фиолетовый свет имеет еще меньшую длину волны, чем синий. И по логике в таком случае небо должно быть фиолетовым. До определенной степени это верно, но существуют и другие факторы. Солнце излучает больше синего света, чем фиолетового, поэтому и рассеивается больше синего света. Кроме того, колбочки человеческого глаза хуже воспринимают фиолетовый свет. Таким образом, синий цвет неба объясняется не только теорией Рэлея о рассеянии света, но также особенностями солнечного спектра и структурой нашего глаза.

Рэлей далеко продвинулся в развитии этой теории в 1871 г., когда покинул Кембридж, чтобы жениться. Однако он не мог ответить на один важнейший вопрос: какие же частицы рассеивают солнечный свет? Что это – пыль, лед, микробы? Рэлей предполагал, что это кристаллы соли, но точного ответа у него не было.

Намек на ответ впервые промелькнул в письме, которое Рэлей получил от физика Джеймса Клерка Максвелла в 1873 г. Максвелл отдыхал на северо-востоке Индии и любил сидеть на террасе отеля, поглядывая на Гималаи. Иногда ему удавалось разглядеть даже Эверест, находившийся в сотне километров.

Прозрачность воздуха поразила его, и он задался вопросом, почему молекулы газа между ним и Эверестом не поглощают весь свет. Если бы Максвелл всерьез занялся этой проблемой, он бы, безусловно, ее разрешил. Он был великим физиком, значительно переработавшим как термодинамику, так и оптику. Но у Максвелла не было под рукой никаких книг по физике, и он заметил в письме, что ленится и доверяет решение этого вопроса Рэлею.