Атомная алгебра

Первое реальное экспериментальное подтверждение представления о материи, состоящей из отдельных атомов, было получено в начале XIX в. в работах английского химика Джона Дальтона. Он обнаружил, что химические соединения, по-видимому, состоят из веществ, содержащихся в них в целочисленных пропорциях, и это революционное открытие привело ко всеобщему научному признанию идеи о том, что такие вещества действительно существуют в виде дискретных порций.

Например: «Элементы кислорода могут сочетаться с определенной порцией газообразного азота или с удвоенной его порцией, но не с промежуточным количеством». Разумеется, одно это обстоятельство не доказывало дискретности материи и даже не было достаточно сильным аргументом, чтобы переубедить приверженцев непрерывной модели. Но оно содержало в себе недвусмысленный намек. Должно было существовать какое-то объяснение такому свойству сочетания веществ.

Обозначения, принятые для описания таких реакций, способствовали распространению атомистической точки зрения. Сочетание азота с кислородом может быть записано в виде N + O или N + 2O. Между этими вариантами ничего нет. Оказалось, что все соединения содержат пропорции, соответствующие целочисленным отношениям. Например, сульфид алюминия дается формулой 2Al + 3S = Al₂S ₃, и элементы содержатся в нем в соотношении 2: 3. Элементы никогда не сочетаются иначе чем в целочисленных соотношениях. Создавалось впечатление, что в самом сердце химического мира существует музыкальная гармония. Музыка маленьких сфер.

Русский ученый Дмитрий Менделеев прославился тем, что смог расположить этот растущий список молекулярных ингредиентов так, что в нем начала проявляться закономерность, основанная на целых числах и подсчете. Казалось, возвращается пифагорейская вера в могущество числа. Как и многие ученые до него, Менделеев расположил элементы в порядке возрастания относительного веса, но он смог понять, что для выявления смутно возникающей закономерности необходимо проявить некоторую гибкость.

Он выписал известные элементы на карточки и постоянно раскладывал из них на своем столе своего рода химический пасьянс, пытаясь заставить их раскрыть свои тайны. У него ничего не получалось, и это приводило его в исступление. В конце концов он заснул, обессиленный, и увидел во сне разгадку, а проснувшись, смог разложить карточки по приснившейся ему системе. Один из важных моментов, которые позволили ему успешно расположить элементы, состоял в осознании необходимости некоторых пропусков – то есть понимании того, что в этой колоде не хватает нескольких карт.

Ключом к расположению элементов был так называемый атомный номер, зависящий от числа протонов в атомном ядре[36], а не от суммарного числа протонов и нейтронов, которое определяет массу ядра. Но, поскольку в то время никто не имел никакого понятия об этих, еще меньших, составляющих, Менделееву приходилось лишь догадываться о причинах, лежащих в основе его системы.

В качестве приблизительной аналогии можно представить себе обычную карточную колоду: карты можно разложить по мастям, но также можно заметить, что во всех мастях есть карты одинакового достоинства. В химических элементах можно было заметить периодичность восьмерок: свойства элементов, расположенных через восемь друг от друга, казались очень похожими. Через восемь элементов от лития находится натрий, еще через восемь – калий. Все они – мягкие, блестящие, химически активные металлы. Похожая закономерность обнаруживается и в газах со сходными свойствами.

Расположение элементов по восьмеркам было замечено еще до открытия Менделеева и называлось законом октав. Восьмерки сравнивали с музыкальными октавами: когда я играю на своей виолончели восемь нот мажорной гаммы, самая высокая и самая низкая ноты звучат очень похоже и даже называются одинаково. Когда Джон Ньюлендс впервые предложил этот закон октав на рассмотрение Королевского общества, его попросту высмеяли. «Вы бы еще сказали, что, для того чтобы понять элементы, их надо расположить в алфавитном порядке!» – пошутил один из академиков. Схема Менделеева до некоторой степени подтвердила справедливость закона октав. Именно благодаря принципу повторяющейся, или периодической, структуры эта система получила название периодической таблицы.

Гениальное прозрение Менделеева состояло в том, что несоответствие некоторых элементов системе может указывать на существование недостающих элементов. Предположение о наличии в таблице пробелов было, возможно, самым ярким проявлением его проницательности. Например, пустое место в 31-й клетке таблицы позволило Менделееву предсказать в 1871 г. существование и свойства нового вещества, впоследствии названного галлием. Четыре года спустя французский химик Лекок де Буабодран выделил первые образцы этого нового элемента, предсказанного благодаря математическим закономерностям, открытым Менделеевым.