Забытые имена: Лиза Мейтнер и Отто Ган

Нельзя сказать, что эти имена полностью забыты, узкие специалисты их помнят. Но своей преданностью науке они заслужили более широкую известность.

Лиза Мейтнер стала первой женщиной, получившей докторскую степень Венского университета, — небывалое событие для университета с 500-летней историей. Она пользовалась уважением и дружбой таких великих учёных, как Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Людвиг Больцман. Эйнштейн называл Мейтнер «нашей Марией Кюри». Большая любительница дебатов, она вела жаркие дискуссии по квантовой физике с основными представителями этого направления — Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом — на научных встречах, в том числе на Сольвеевских конгрессах.

Когда до Мейтнер дошли сведения о Бухенвальде и Берген-Бельзене, она написала Гану, что «нужно заставить таких людей, как Гейзенберг, посмотреть на эти лагеря и замученных людей, и на миллионы таких, как он». Лиза считала, что немцы не имеют права прикрываться своим незнанием, она утверждала: «Вы просто не хотели видеть — это было слишком неприятно».

Лиза Мейтнер родилась в 1878 году в Вене, в то время город был столицей Австро-Венгерской империи. Лиза с раннего возраста увлекалась математикой и физикой, но женщинам было запрещено получать высшее образование. К счастью, именно в эту эпоху в Австро-Венгрии начались масштабные социальные преобразования, благоприятно отразившиеся, например, на евреях, которые получили доступ к обучению в вузах. Так мечты Лизы об изучении физики начали сбываться.

Мейтнер прожила в Вене 29 лет, но, покинув её, больше на родину не возвращалась, хотя и сохранила австрийское подданство. Её родители, Филипп Мейтнер и Хедвиг Сковран, были моравскими евреями. В семье росло восемь детей, Лиза — третья из них.Большинство венцев исповедовали католичество, евреев же в этом городе преследовали: они были ограничены в правах по сравнению с другими жителями, как показывает пример с университетским образованием. Положение в корне изменилось в 1867 году, с введением конституции, защищавшей «фундаментальные права всех граждан». Несмотря на то что антисемитизм по-прежнему был характерен для венского общества, Филипп Мейтнер благодаря происходящим изменениям смог получить диплом юриста и стал одним из первых евреев, освоивших эту профессию. Филиппа очень волновала политическая жизнь, и в его доме часто шли дискуссии о будущем страны.

Мать Лизы приложила немало усилий, чтобы дети получили прекрасное музыкальное образование. Все они научились играть на фортепиано, а Августа — или, как ее называли, Густи — даже стала профессиональной пианисткой. Именно Густи была матерью Отто Роберта Фриша, который под влиянием своей прославленной тётки стал блестящим физиком. Фриш непосредственно участвовал в исследованиях по расщеплению ядра.

Семья Мейтнеров жила в районе Леопольдштадт, где селились в основном евреи, и поэтому здесь было много синагог. Мейтнеры не исповедовали никакой религии. Крещение могло бы облегчить их жизнь, но родители предпочли, чтобы религия не имела решающего влияния на их детей. Уже в зрелые годы Мейтнер решила креститься и стала протестанткой.

Лиза как-то рассказывала, что в детстве бабушка предупредила её: если она будет шить в шаббат, на неё обрушатся небеса. Девочка захотела проверить, так ли это, и однажды в субботнее утро села вышивать. Первые стежки она делала очень осторожно и неуверенно, но довольно скоро поняла, что ничего страшного не происходит. Да, любопытство очень часто подталкивало Лизу в её поступках. Многодетная семья Мейтнеров вела не очень богатую жизнь и даже испытывала стеснение в средствах, но при этом в доме всегда было много книг, и все дети получили высшее образование.

Женщинам было запрещено поступать в университеты. Не было у них доступа и к среднему образованию. Когда в 1892 году Мейтнер закончила базовый курс школы, она не смогла продолжить обучение. Считалось, что в этом возрасте, примерно с 13 лет, любая молодая венка должна начать готовиться к браку и учиться вести домашнее хозяйство. Писатель Стефан Цвейг отзывался об этом так: «... именно такими общество желало видеть молодых женщин: глупенькими и необразованными». Единственной возможностью продолжать учёбу была специализация на одном предмете, чтобы стать учительницей, — университетского диплома для такой работы не требовалось. Лиза выбрала французский.

Но в 1897 году женщинам было позволено поступать в австрийские университеты, и это стало для Мейтнер великой возможностью. В одной из бесед с отцом она рассказала о своём желании получить образование в области науки и попросила его поддержки. Этот путь не был легким, но на помощь родителей девушка могла рассчитывать всегда.

Для поступления в университет необходимо было иметь среднее образование (что предполагало учёбу в течение восьми лет), а также сдать вступительный экзамен. Женщинам, которые хотели поступить в университет, но не прошли курс среднего образования, была предоставлена возможность ограничиться сдачей вступительного экзамена. Курс, который обычно слушали восемь лет, Лиза самостоятельно прошла всего за два года. Девушка очень серьезно относилась к учебе, так что братья даже начали подшучивать над ней: в те редкие минуты, когда они видели Лизу без книги, они предостерегали, что её ждет провал на экзаменах.

Лиза была очень благодарна своему наставнику, физику Артуру Сарваши, о котором писала: «У него был невероятный дар преподавания математики и физики в очень увлекательной манере». Кроме того, Сарваши показал Мейтнер некоторые приборы, которые исследователи использовали в лабораториях. В 1901 году Мейтнер отправилась сдавать экзамен вместе с ещё 14 претендентками, среди которых была и дочь Больцмана, впоследствии оказавшего значительное влияние на карьеру Мейтнер. Выдержали экзамен только четыре девушки. Несмотря на то что Лиза очень интересовалась физикой, она испытывала некоторые колебания, поскольку разрывалась между

страстью к этой дисциплине и желанием оказывать помощь другим: «Когда мне было 23 года и я собиралась поступать в университет, я лелеяла мысль о том, что буду учиться медицине, а в свободное время — заниматься математикой и физикой».

Конец сомнениям положил отец, посоветовавший Лизе не отклоняться от первоначальной цели: «Отец ясно объяснил мне, что такое возможно только для гения, каким был Герман Гельмгольц, но не для обычного человека».

Мейтнер с большим уважением относилась к советам отца, поэтому остановила свой выбор на физике.

Она приступила к учебе в Венском университете в 1901 году. Лиза была немного старше других студентов и при этом одной из немногих женщин. Она постоянно чувствовала неуверенность из-за того, что не прослушала обычную программу среднего образования, и считала, что в её знаниях много пробелов. Желая устранить их, Лиза записалась на изучение множества разных дисциплин.

Скрытность Мейтнер стала причиной неприятного эпизода на одном из первых занятий по математике, что окончательно заставило её сосредоточиться на физике, — профессор попросил Лизу найти ошибку в расчётах. Вот что вспоминала об этом она сама: «Мне потребовалась значительная его помощь, чтобы найти ошибку, и когда он любезно предложил опубликовать это решение под моим именем, я поняла, что не могу на это пойти. Инцидент помог мне окончательно понять, что я хотела стать физиком, а не математиком».

Мейтнер повезло с преподавателями, которые следили за новейшими открытиями в области физики и делились ими со студентами. Франц Экснер, один из преподавателей экспериментальной физики, был другом Вильгельма Рентгена, поэтому знал обо всех открытиях, связанных с Х-лучами. Также этот преподаватель интересовался радиоактивностью и был знаком с Марией и Пьером Кюри, предоставлявшими ему для экспериментов уран.

Начиная со второго года обучения преподавать у Мейтнер стал Людвиг Больцман, уроки которого она называла «блестящими и увлекательными». Больцману удавалось заразить слушателей собственным энтузиазмом, с которым он занимался физикой.

Благодаря Больцману Мейтнер стала свидетельницей одного из самых напряженных интеллектуальных диспутов той эпохи, посвященных существованию атомов. Больцман был защитником атомизма, в то время как большинство химиков и физиков эпохи поддерживали философское течение, известное как позитивизм, согласно которому единственным источником знаний являются чувства. Атомы для учёных представляли собой абстрактные единицы, поэтому позитивисты считали их метафизическим понятием. Больцман, в свою очередь, утверждал, что существование атомов необходимо признать для объяснения известной нам реальности.

В 1906 году Больцман совершил самоубийство. Причиной этого поступка часто называют нервное истощение физика, к которому его привели дискуссии вокруг атомизма. Мейтнер не сомневалась, что самоубийство было результатом «умственной нестабильности».

Больцман поддерживал дружеские отношения со многими своими учениками, так что Мейтнер вместе с другими студентами неоднократно присутствовала на вечерах в его доме, когда он играл на фортепиано и много шутил.

Мейтнер постаралась применить для объяснения теплопроводности законы Максвелла и экспериментально подтвердила свои гипотезы. В знак признания этого труда она стала в 1906 году доктором наук.

Мейтнер познакомилась с Эренфестом во время учёбы в Вене, когда он приехал из Гёттингена в Вену, чтобы учиться у Больцмана.

Мейтнер решила, что предложение Эренфеста изучать вместе с ним идеи Рэлея и Больцмана довольно любопытно, и сразу же согласилась.

Сотрудничество Мейтнер с Эренфестом, который впоследствии прославился своими достижениями в статистической физике и квантовой механике, было плодотворным, они получили некоторые результаты, которые подтолкнули Лизу продолжать карьеру исследователя.

Как правило, тех, кто защитил диссертацию и хотел продолжать заниматься наукой, ждала работа в университете в качестве ассистента какого-нибудь профессора. Эта должность была одной из низших в иерархии, поэтому считалась сравнительно доступной, но никогда прежде её не занимала женщина. Мейтнер была второй женщиной, получившей докторскую степень в университете, но стать ассистентом ей не удалось, хотя она и мечтала о будущем исследователя. Лиза решила просить о поддержке Марию Кюри, однако и в её лаборатории не было свободных мест.

По совету родителей, которые хотели, чтобы их дочь наконец нашла работу и могла содержать себя, Мейтнер стала преподавателем в женской школе. Для неё это было временным решением, так как исследования вызывали гораздо больший её интерес. Лиза решила, что вечерами будет продолжать исследовательскую работу в Институте теоретической физики — в лаборатории, которую возглавлял Больцман вплоть до своей смерти. Мейтнер писала, что эта лаборатория была больше похожа не на научное учреждение, а на какой-то курятник.

Директором института стал Стефан Майер, бывший ассистент Больцмана. Его основные интересы лежали в области изучения радиоактивности, поэтому одним из первых экспериментов, которые были доверены Мейтнер, было наблюдение за тем, как разные металлы поглощают альфа и бета лучи. Мейтнер при этом не получила никаких новейших результатов, но такая работа помогла ей освоить некоторые приборы, такие как электроскоп, владение которыми было необходимо любому исследователю.

Радиоактивность привлекала всех молодых учёных, которые стремились совершить в этой области решающие открытия. Исследователи обнаруживали всё новые и новые радиоактивные элементы. Первым был найден уран в 1896 году, всего четыре года спустя были открыты полоний, радий, торий, актиний. Количество новых элементов неумолимо росло, в том числе и потому, что ещё не существовало понятия изотопа.

Исследователи считали различные свойства веществ следствием того, что они являются разными элементами.

Майер сделала важное открытие, доказав, что бета-излучение состоит из потока электронов. К такому же выводу одновременно пришли Беккерель и Фридрих Гизель. Учёные также стремились определить электрический заряд альфа-частиц, но это удалось сделать лишь Резерфорду в 1906 году, использовав мощные магнитные поля.

В конце 1906 года Мейтнер начала новые исследования, связанные с радиоактивностью. Было известно, что альфа-частицы обладают слабой проникающей способностью, однако требовалось выяснить, рассеиваются они, как утверждал Резерфорд, или поглощаются материей. Если происходит рассеяние, то это означало, по словам Резерфорда, что «атомы материи находятся в поле действия интенсивных электрических сил».

Ее экспериментальная система для доказательства рассеяния лучей должна была направлять пучок альфа-частиц так, чтобы лучи проходили через матрицу из мелких параллельных металлических трубочек. Цель Мейтнер состояла в том, чтобы коллимировать лучи, то есть направить их вдоль металлических трубочек. Затем альфа-пучок должен был пройти через металлическую пластинку, после чего его вновь коллимировали при прохождении через еще одну систему трубочек. При изменении расстояния между коллиматорами ослабление было разным, и это доказывало, что альфа-лучи на самом деле при прохождении через пластинку рассеиваются. Этот эксперимент имел ещё одно следствие: стало очевидным, что в зависимости от атомной массы металлической пластинки меняется показатель рассеяния, — чем больше была атомная масса атомов металла, тем больше рассеяние.

Мейтнер опубликовала результат эксперимента по рассеиванию в 1907 году в немецком журнале Physikalische Zeitschrift — одном из самых престижных научных изданий того времени. Так был дан старт её научной карьере.

В1910 году Фредерик Содди заметил, что «элементы с разным атомным весом (сейчас мы называем его атомной массой) могут иметь одинаковые свойства», то есть соответствовать одной позиции в периодической системе. Появление новых инструментов, таких как масс-спектрометр, позволило анализировать атомные ядра в зависимости от их соотношения масса — заряд. Это помогло установить, что казавшиеся новыми вещества были изотопами одного элемента.

Благодаря открытию нейтрона, сделанному в 1932 году Джеймсом Чедвиком, стало возможным обосновать существование изотопов в соответствии с их ядерной структурой. Изменяющееся число нейтронов в атомном ядре объясняло изменение массы одного и того же элемента. Самый простой пример изотопов в природе мы можем привести, вспомнив о водороде. У этого элемента один протон в ядре. Если у него нет нейтронов, он образует изотоп протий; когда добавляется один нейтрон, получается дейтерий; изотоп с двумя нейтронами называется тритий.

Мейтнер решила оставить Вену и уехать в Берлин, чтобы учиться у Планка, в надежде, что это откроет перед ней новые горизонты.

В 1907 году Макс Планк был уже уважаемым учёным. По мере того как его идеи распространялись в научном сообществе, росло и количество молодых исследователей, которые хотели слушать лекции учёного в Берлинском университете. Планк стал учителем Лизы, хотя его характер очень отличался от характера Больцмана. Планк был серьезным, сдержанным, сухим и лаконичным — полная противоположность энтузиасту Больцману.

Планк не возражал против присутствия женщин в университете, хотя считал, что женщина, обладающая способностями и интересом к теоретической физике, — скорее исключение из правила. Это не замедлило проявиться в самом начале его знакомства с Мейтнер. Лиза рассказывала об этих первых встречах так:

«Когда я записалась в Берлинский университет, чтобы слушать лекции Планка, он принял меня очень любезно и почти сразу пригласил к себе. Когда я впервые побывала у него дома, он сказал мне: «Но у тебя же уже есть докторская степень! Чего ещё ты можешь желать?» На это я ответила, что хотела бы достигнуть настоящего понимания физики. Тогда он дал мне краткий дружеский ответ и больше не углублялся в данный вопрос. Я сделала вывод, что он был не очень высокого мнения о женщинах, занимавшихся наукой. Предполагаю также, что в какой-то степени для той эпохи он был прав».

Со временем взаимное уважение Планка и Мейтнер росло. Планк помогал Лизе в ее восхождении по карьерной лестнице, он всегда старался, чтобы она получала за свою работу достойное вознаграждение, в связи с чем несколько раз выдвигал её на Нобелевскую премию. Мейтнер, в свою очередь, отмечала «чистоту характера» Планка, и её уважение к нему как к учёному постоянно росло. Она даже близко подружилась с близнецами — дочерьми Планка.

Мейтнер не планировала задержаться в Берлине дольше чем на два года, поэтому стремилась использовать отпущенный самой себе короткий срок максимально эффективно.

Мейтнер познакомилась с молодым химиком Отто Ганом, научные интересы которого совпадали с интересами Мейтнер и который тоже хотел с ней познакомиться.

Отто Ган родился во Франкфурте (Германия) в 1879 году. Он был младшим из трёх детей в семье довольно скромного происхождения. Однако дела его отца шли успешно, и они не испытывали финансовых ограничений. Как писал в автобиографии Отто, его отец желал для сына карьеры архитектора, хотя сам Ган не чувствовал в себе способностей к этому делу:

«У меня отсутствовала какая бы то ни было склонность к рисованию. ... У меня не было артистического воображения, в целом я совершенно не был приспособлен к этой профессии».

В юношеские годы Отто превратил прачечную в своём доме в импровизированную химическую лабораторию и так увлёкся экспериментами, что твёрдо решил стать химиком.

В 1897 году он поступил в Марбургский университет, но, как сам говорил впоследствии, «наше внимание к науке было не слишком заметным». В тот период Гана скорее привлекали развлечения, а не наука: «Я не планировал превращаться в учёного, мне быстро стало понятно, что для работы в промышленности достаточно освоить основы».

Он понимал, что после окончания обучения ему несложно будет найти работу в немецкой химической промышленности, переживавшей бурное развитие, поэтому в университетские годы много времени проводил в тавернах вместе с друзьями, и это были «беззаботные и счастливые часы». Однако по предметам, напрямую связанным с химией, Ган получал высшие оценки.

После окончания учёбы он прошёл обязательную военную службу, а затем стал ассистентом одного из профессоров Марбургского университета. Для получения работы в промышленности Гану требовалось иметь опыт работы за рубежом и знать иностранные языки. Отто решил, что для расширения полученных знаний лучше всего отправиться в Лондон. Этот простой план имел неожиданные результаты.

В 1904 году Ган прибыл в Лондон, чтобы работать вместе с шотландским химиком и экспертом по благородным газам Уильямом Рамзаем (1852-1916). Тот открыл, среди прочего, газ гелий и в этом же году получил Нобелевскую премию. Исследования Рамзая были посвящены радиоактивности, он находился на пике своей научной карьеры. Увы, через несколько лет химик занялся проектом добычи золота из морской воды, и в связи с этим его карьера пошла на спад. Для Гана сотрудничество с Рамзаем открывало множество возможностей, которыми он не преминул воспользоваться.

«Это был год моей «трансмутации» из специалиста по органической химии в радиохимика», — вспоминал Ган. Его знания по радиоактивности были скудными, а опыта у него не было совсем. Однако Рамзай считал, что отсутствие знаний может стать преимуществом: такой исследователь свободен от предрассудков. Скоро изучение радия, открытого Кюри в начале века, привело Гана к выводу, что он обнаружил новый радиоактивный элемент. Отто назвал его радиоторием, так как его связь с торием была очевидна. Рамзай заметил способности Гана, сулившие блестящую карьеру исследователя, и попросил своего новоиспеченного помощника продолжать исследования в области радиоактивности.

Позднее сам Ган признавал: «Как это вещество [радиоторий] попало в образец радия? Объяснение состояло в том, что образец был взят не из жилы чистого урана, а из торианита, который залегает на Цейлоне [сегодня Шри-Ланка] и содержит, кроме урана, большой процент тория. Строго говоря, открытие радиотория было делом удачи».

Пребывание в Лондоне подходило к концу. Гана ожидало крупное химическое предприятие, занимавшее прочные позиции в экономике страны и обещавшее юноше широкие перспективы. Это была стабильная и хорошо оплачиваемая работа.

Но Рамзай ввёл Отто в новый мир, в котором он почувствовал себя как рыба в воде. Исследовательская работа означала весьма неопределённое и нестабильное будущее, но и открывала интересные возможности. Рамзай, со своей стороны, сказал Гану, что для продвижения в науке необходимо отправиться в Канаду и поработать там в Университете Макгилла с главным экспертом по радиоактивности — Эрнестом Резерфордом.

Гану необходимо было принять решение: возвращаться на родину или просить Резерфорда принять его в качестве помощника в лаборатории. Он выбрал второй вариант, но впоследствии наладил плодотворное сотрудничество и с предприятиями химической промышленности, финансировавшими часть его проектов.

Отто Ган работал в Университете Макгилла у Эрнеста Резерфорда в течение полутора лет. Вначале Резерфорд не слишком высоко оценил открытие радиотория. Не доверял он и методам, которые использовал Уильям Рамзай. Учёный даже написал Гану, что тот должен «поучиться физике и отделаться от своего элемента». Однако постепенно между Резерфордом и Ганом завязалась дружба на всю жизнь, а канадский период работы стал для Отто очень плодотворным и, как говорил он сам, «памятным». Здесь Гану удалось найти вещество, которое он назвал радиоактинием.

Вернувшись в Германию, Ган нашел место в Берлинском химическом институте. Берлин, казалось, был идеальным городом для химика, так как в нём находились основные предприятия химической промышленности. Ганом заинтересовался сам директор института Эмиль Фишер, известный учёный, получивший Нобелевскую премию в 1902 году за изучение пурина.

Радиоактивность была областью исследований, ещё не получившей достаточного внимания в университете, но открытие мезотория, сделанное в 1907 году, вызвало большой интерес со стороны промышленных предприятий. Химически этот элемент был сходен с радием, но его производство обходилось значительно дешевле. Мезоторий обладает рядом интересных характеристик, и благодаря своему открытию Ган получил некоторую известность в стране. Позже выяснилось, что все три открытых им элемента — радиоторий, радиоактиний и мезоторий — в действительности являются изотопами уже известных веществ.

Мейтнер и Ган встретились впервые в Берлинском университете в конце 1907 года. С первого момента они прекрасно поняли друг друга, так что Ган сразу же предложил Лизе работать в химическом институте вместе с ним. Однако на это нужно было испросить разрешения директора Фишера. Тот поначалу сопротивлялся идее Гана, так как нормы университета запрещали женщинам присутствовать в здании, да и он сам хотел бы воздержаться от совместной работы в лаборатории с женщиной. Наконец он уступил и позволил Мейтнер работать в институте — при условии, что их лаборатория будет находиться в подвале, в помещении, где до этого была столярная мастерская. Мейтнер запрещалось входить в основное здание, даже туалетной комнатой ей приходилось пользоваться в соседнем отеле. «Мне пришлось пообещать, что я не буду входить в химический институт, где работали студенты-мужчины и Ган ставил свои химические опыты», — рассказывала она впоследствии.

По утрам Мейтнер приходила на занятия в университет как слушатель — это было основной причиной ее пребывания в Берлине. Ган, в свою очередь, в течение рабочего дня занимался подготовкой к открытию отдела радиохимии института. В их полном распоряжении для экспериментов оставались только вечера.