Бывают ли научные открытия случайными

Гениальный кроманьонец присел на камушек, задумался — и открыл закон всемирного тяготения. Возможно ли такое? А почему бы и нет? Разве не рождались гении во все времена и эпохи? Рождались. И видели, как падают яблоки или камни. И открытия делали. Но не какие придется, а жестко обусловленные эпохой и обстоятельствами окружавшей их среды. И ни закона всемирного тяготения, ни теории относительности кроманьонец, да что там — всесторонне развитый древний грек, измыслить не мог.

Даже нечто более простое, чем законы природы,— химические элементы — открывалось людьми не в стихийной последовательности, а строго закономерно. Вот в чем убеждает небольшая книга В. Рича «Охота за элементами». Впрочем, выводы — после, а сейчас начнем по порядку.

Необходимость

Для народов древности раньше ли, позже ли вопросом жизни или смерти могло стать открытие нового металла или усовершенствование технологии металлообработки (слова «технология» еще не было, а производственные секреты, охранявшиеся не менее строго, чем в наше время, существовали). Например, хетты оставались непобедимыми, пока железо, которое первоначально умели добывать из руды только они, не стало доступным и для соседей. Соперники хеттов, ассирийцы, освоив новую технологию, сокрушили державу, от которой они железо получили.

Существование государств и народов зависело от твердости мечей, от прочности плугов — иными словами, от искусства кузнеца и металлурга. Поэтому наблюдательность и фантазия гениев, которые наверняка рождались тогда на свет ничуть не реже, чем в эпоху всеобщей грамотности, были направлены именно на эти существеннейшие вопросы. Не случайно большинство элементов, известных древним,— металлы!

Другая сторона дела: элементы, которые, вполне возможно, неоднократно открывались в стародавние времена, но не находили применения, столь же успешно забывались. Цинк или, скажем, уран, попади они в руки древних, могли просто не привлечь к себе внимания: ни мечей из них не сделаешь, ни ожерелий. С цинком, кстати, так и получилось: открывали его в далеком прошлом, по-видимому, не раз; найденный в Трансильвании идол, отлитый задолго до новой эры, на 87 процентов состоит из этого металла. Но широкого применения для цинка не находилось. И лишь в XVIII веке он был открыт окончательно.

Можно воспевать необходимость, можно, по крайней мере, отдавать должное ее могучей стимулирующей силе, но невозможно отрицать и то, что чисто утилитарный подход изрядно тормозил развитие знания (об этом, кстати, полезно помнить и в век кибернетики). Не случайно поток открытий набрал полную силу не ранее, чем человеческая любознательность вырвалась из оков сиюминутной потребности,— и появилась наука в современном смысле этого слова.

Среди первых ее достижений было четкое осознание самого понятия «химический элемент». Ведь открытие новых элементов тормозилось не только утилитаризмом, но и ветхозаветными теориями, связывающими, например, каждый металл с определенной планетой на небесах. В результате «истинных» металлов не могло быть более семи — вот и приходилось цинк называть «индийским оловом», висмут — «серым оловом» или «бледнейшим свинцом», сурьму— тоже «свинцом». Элементам становилось тесно на небосводе — не помогали даже хитроумные попытки пристроить к делу новые астрономические открытия, сделанные с появлением телескопов, привязать какие-нибудь металлы к обнаруженным Галилеем спутникам Юпитера… Дело не сдвигалось с мертвой точки, пока металлы не вернулись на нашу грешную Землю не только в материальном, но и в теоретическом смысле.

Метод

К XV веку знали полтора десятка элементов. Затем, до середины XVIII века, сумели открыть только один — фосфор. Что же приключилось с человеческим гением? Иссяк он, что ли?

Такое предположение абсурдно, ведь речь идет об эпохе Возрождения и последовавшей за нею промышленной революции. Не гений иссяк, а нечто иное — метод. Вот почему блистательное время — Возрождение и XVII век — оказалось, по выражению В. Рича, «трехсотлетней пустыней».

С каменного века до эпохи пара и электричества метод открытия элементов, в сущности, не менялся. Если не принимать в расчет самородки, образуемые отдельными металлами, то все элементы были открыты «с помощью костра». Из всех возможных способов воздействия на вещество применялся один — тепловой. Между кострами древних охотников, с восхищением замечавших, что некоторые камни способны «превращаться в воду» — плавиться — и изощренными печами средневековых металлургов принципиальных различий нет: печь — это всего лишь технологически усовершенствованный костер. Превращения вещества и тут и там сводятся к термическому распаду молекул, к окислению одних веществ кислородом воздуха или восстановлению других горючим веществом, чаще всего углем. Понятно, что элементы, не поддающиеся выделению в результате подобных превращений, не мог открыть даже самый гениальный экспериментатор.

Вот вам еще одно объективное препятствие случайным открытиям — техническая невозможность их осуществления.

Как отмечает В. Рич, «трехсотлетняя пустыня» оказалась далеко не бесплодной: в недрах иных, не химических отраслей знания созревали новые идеи, новые способы воздействия на вещество, но в химический обиход все это проникало далеко не вдруг.

Крупнейшим шагом вперед стадо осознание того факта, что элементы могут быть не только твердыми или жидкими, но и газообразными. В результате конец XVIII века не только обогатил список элементов водородом, кислородом, азотом, но и вообще породил на свет химию как науку. Однако активные металлы, не поддающиеся восстановлению углем, и окислители, более сильные, чем кислород,— такие вещества по-прежнему оставались недоступными. Длилось это, впрочем, совсем недолго: усилия физиков привели к созданию нового инструмента воздействия на молекулы — электрической батареи. И как же быстро химики им овладели!

Калий, натрий, кальций, магний, барий, стронций, бор — целых семь новых элементов было выделено всего за два года, 1807 и 1808. Дэви, Гей-Люссак, Берцелиус пустили в ход электролиз. Великие люди были, кто же спорит, но только ли личными их достоинствами объясняется такой поток событий?

Поток этот дал мощные ответвления: получив в руки восстановители неведомой прежде силы — калий и натрий, химики добрались и до других труднодоступных металлов, ранее известных только в составе соединений. Уран, титан, молибден, первые редкоземельные элементы — их открытие тоже было косвенным результатом применения электрического тока.

Вскоре, однако, начала скудеть и эта жила. 1817 год, например, обогатил химию тремя элементами, 1824 —двумя, 1825 и 1827 дали по одному. А после 1844, когда казанский профессор Карл Карлович Клаус открыл металл, названный рутением, наступил шестнадцатилетний перерыв. Снова исчерпался метод — и никакие таланты, никакие усилия в рамках привычных химических манипуляций сдвинуть воз с места не могли.

Требовалось новое веяние, веяние извне — и оно явилось в 1860 году. Бунзен и Кирхгоф изобрели спектроскоп. Химическое это было изобретение? Нет, физическое. А двинуло вперед химию.

Что же произошло? Прибор Бунзена и Кирхгофа не вносил ничего нового в технику выделения веществ, никак не влиял на теории, которыми химики пытались объяснить их поведение, но делал зрение исследователя более острым. И до того многие элементы были обнаружены по необычной, характерной окраске их самих или образуемых ими соединений. Нередко это закреплялось и в названиях («йод» — фиолетовый, «хлор» — желто-зеленый, «родий» — розовый, по цвету солей этого металла). Спектроскоп же позволял видеть не цвет вообще, а узкие спектральные линии, индивидуальные для каждого элемента.

А когда химики убеждались, что некий неведомый элемент — у них перед глазами, никакие силы предотвратить его выделение уже не могли. Упорства и изобретательности этим людям было не занимать. Спектроскоп же, кстати, помогал и контролировать процесс выделения: ярче стали линии — значит, удалось обогатить образец искомым элементом; побледнели,— стало быть, эксперимент идет по ложному пути. Появилась возможность быстро налаживать то, что в наши дни зовут обратной связью. И вот результаты: в 1860 году открыт цезий, в 1861— рубидий и таллий, в 1867 — индий.

Спектроскопу предстояли и другие подвиги, но времена изменились. Развитие методов стало опережать реализацию их возможностей. Не успели еще отпраздновать десятилетие замечательного прибора, а на свет явилось нечто, выходящее за рамки любых технических усовершенствований и изобретений, появился метод, позволяющий не опознать элемент, не выделить его из смеси с другими, нет, берите выше — предсказать, вычислить его свойства. Появился Периодический закон Менделеева.

Открылась самая увлекательная глава истории химии — глава, которая, к сожалению, осталась за рамками книги «Охота за элементами», представляющей собой, надо надеяться, лишь первую часть задуманного автором сочинения.

Кларк

Итак, возможности открытия элементов ограничивались, с одной стороны, утилитарными, хозяйственными потребностями, а с другой — доступными методами исследования. Однако величайшей самонадеянностью было бы полагать, что все дело — только в этих факторах. Социальных, человеческих. Ведь не в лабораторном шкафу помещались руды и минералы, из которых люди добывали разные металлы и металлоиды,— на реальной планете. Должны были, значит, оказывать свое влияние обстоятельства геохимические, с развитием общества никак не связанные.

Выявление этой стороны дела, закономерности которой, насколько известно, до сих пор осмыслены не были,— одно из главных достоинств книги В. Рича, оно придает ей и самостоятельную научную ценность.

Ключевая идея проста. Каждый из нас, не задумываясь, ответит на вопрос, что легче поднять на дороге — ржавый гвоздь или бриллиант. Даже если оставить в стороне бережливость, обычно свойственную владельцам бриллиантов, нельзя не признать, что гвоздей на свете в миллионы раз больше. Потому и находка ржавой железки куда вероятнее.

А теперь ответьте: что легче было людям открыть — железо, составляющее почти одну двадцатую массы нашей планеты, или какой-нибудь цирконий, которого на все про все — 0,021 процента? Ответ однозначен. Вероятность открытия элемента тем выше, чем более он распространен. Накладываются здесь, конечно, факторы иного рода — химическая активность элемента (чем он инертнее, тем легче его извлечь из соединений), превратности спроса на те или иные материалы,— но при прочих равных условиях дело решает распространенность. Мерой же ее служит кларк — величина, введенная в научный обиход век с небольшим назад американским геохимиком Ф. У. Кларком, названная его именем и равная как раз упомянутой выше величине, процентному содержанию элемента в земной коре.

Анализ событий, выполненный автором «Охоты за элементами», показывает, что во многих случаях дело действительно решал кларк. Индий, ближайший родственник таллия, распространен, однако же, в десяток раз менее и найден был не до, а после таллия. Барий — самый редкий из щелочноземельных металлов, встречается в сотни раз реже, чем кальций. Не естественно ли что минералов, содержащих барий, до XVII века не знали?

..Необходимость, метод, кларк — сколько же обидных ограничений накладывают природа и закономерности общественного развития на исследовательскую деятельность человека! А ведь принято думать, что успех или неуспех в ней определяются только талантом и трудолюбием ученого…

Что же остается на его долю? Родиться вовремя? Уловить веяние эпохи раньше других и тем самым опередить их с открытием на месяц-другой? Увы, порой бывает важно и это. А все же без таланта, упорства да и без удачи открытия в руки не даются. Без этих слагаемых бессильна любая закономерность.

Автор: В. Зяблов.