Забытые имена: Лиза Мейтнер и Отто Ган /Продолжение/

(Начало здесь ==>>)

Отношения между исследователями всегда были дружескими и очень уважительными. В течение многих лет они обращались друг к другу на «вы», не встречались за стенами лаборатории и никогда не обедали вместе во время работы. Однако, несмотря на некоторую отдаленность, Ган считал, что они были «очень хорошими друзьями», а Мейтнер всегда вспоминала об этом периоде с теплотой, говоря об искреннем расположении Гана, а также о «его любезности и увлеченности музыкой». Ган обладал невероятной музыкальной памятью и часто во время трудоемких экспериментов насвистывал симфонии Бетховена и Чайковского. Экстраверт Ган и застенчивая Лиза Мейтнер хорошо дополняли друг друга.

Оборудование в их лаборатории было очень простым: три электроскопа, сконструированные по образцу моделей, используемых Резерфордом. Эти аппараты нужны были для измерения и учёта различных излучений при радиоактивных процессах. Первой большой целью учёных стало исследование бета-излучения, и они проанализировали этот тип испускания частиц для всех известных элементов. В результате в журнале Physikalische Zeitschrift была опубликована первая совместная статья Гана и Мейтнер под заголовком «О поглощении бета-лучей разных радиоэлементов». Если Ган был одержим идеей открытия новых элементов, то для Мейтнер более интересным казалось «распутывать излучения». В последующие два года они опубликовали восемь статей в том же журнале.

В следующем 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии за открытия в области радиоактивности. Резерфорд, отправившийся за Нобелевской премией в Стокгольм, по дороге заехал в Германию, к своему ученику Гану, и познакомился с Мейтнер, о достижениях которой уже был наслышан. «А я думал, что вы мужчина!» – сказал Эрнест Резерфорд при личном знакомстве с Мейтнер.

Неустанная работа двух учёных приносила всё новые плоды, такие как обнаружение в 1908 году нового радиоэлемента — актиния С. Для более полного анализа бета-излучения они начали применять мощный магнит, чтобы отклонять потоки частиц и измерять их электрический заряд. В этот период Мейтнер обнаружила и экспериментально доказала радиоактивную отдачу — этот эффект ранее предсказал Резерфорд, но сам он его не обнаружил. Ядро радиоактивного атома, испуская альфа-частицу, испытывает откат назад — словно в результате отдачи после выстрела из ружья.

В этот период, наполненный интенсивной работой и исследованиями, Мейтнер завязала дружбу с некоторыми учёными и студентами, которые собирались в доме Макса Планка. Тогда же она познакомилась с Эвой фон Бар-Бергиус, шведской исследовательницей, работавшей вместе с немецким

физиком Генрихом Рубенсом (1865-1922). Эва стала близкой подругой Мейтнер, поддерживавшей её в самые трудные периоды жизни.

Раз в неделю Лиза посещала семинары с участием таких учёных, как Планк и Эйнштейн, на которых обсуждались эксперименты, исследования, открытия. Как вспоминала Мейтнер, «эти беседы были настоящим центром интеллектуальной работы». Она оказалась в эпицентре развития науки своего времени.

Ган неоднократно обращался к Резерфорду с просьбой отправить ему образцы радиоактивных элементов, чтобы продолжать работу. Однажды почтальон подошел к бывшей мастерской и ничего еще не успел сказать, как появилась Мейтнер и воскликнула: «А, вы принесли мне пакет от Резерфорда». Удивленный почтальон посмотрел на пакет и убедился, что отправитель — действительно Резерфорд. Все много шутили над интуицией Мейтнер, хотя этот эпизод имел простое объяснение: в пакете находились радиоактивные вещества, а приборы в лаборатории Лизы улавливали присутствие радиации, поэтому Мейтнер нетрудно было угадать имя отправителя.

Ган замечал: «Все мои попытки отделить друг от друга «элементы» радий и мезоторий окончились неудачей. Так же трудно было отделить радиоторий от тория. Химическое сходство между этими элементами было очевидным и значительно большим, чем сходство между редкоземельными элементами; однако никто не задумывался о возможности существования изотопов».

Изотопы одного элемента имели одинаковые химические характеристики, поэтому некоторая путаница была вполне объяснима. Разное массовое число заставляло считать каждый изотоп новым элементом. Кстати, впоследствии было выяснено, что мезоторий, открытый Ганом в 1907 году, — это радиоактивный изотоп радия (если быть точными, речь идет о радии-228) как продукт распада тория.

Мейтнер и Ган сконцентрировали свои усилия на изучении бета-распада. Об этом явлении было известно с 1899 года, когда Резерфорд показал его отличие от альфа-излучения. В том же году Мария Кюри предположила, что излучение состоит из частиц. Но это необходимо было подтвердить. На бета-излучение воздействовали магнитным полем, чтобы доказать: поле меняет траекторию лучей, а значит, частицы, их составляющие, несут определенный электрический заряд. Используя источник радиации (такой как радий) и фосфоресцирующие экраны для обнаружения гамма-лучей, в октябре 1899 года Фридрих Гизель увидел, что при изменении полюсов магнита точки воздействия на экран смещаются. Следовательно, бета-излучение состоит из частиц. На следующем этапе Беккерель установил, что эти частицы — электроны.

История бета-распада на этом не оканчивается. В 1928 году британский физик Поль Дирак (1902-1984) предсказал существование частицы, имеющей такую же массу, как электрон, но противоположный заряд, поэтому частицу назвали позитроном. Через четыре года американский физик Карл Дейвид Андерсон (1905-1991) открыл присутствие позитронов в космических лучах. Благодаря туманной камере он увидел, что под действием магнитного поля позитроны описывают траекторию, идентичную траектории электронов, поскольку масса частиц совпадала, но направление движения было противоположным, как и их заряды. Кроме того что была подтверждена гипотеза Дирака, почти сразу стало понятно, что эта частица связана с бета-распадом. Фредерик Жолио и Ирен Кюри начали бомбардировку алюминиевой пластины альфа-частицами и увидели, что под их действием алюминий превратился в радиоактивный изотоп фосфора. Так эта пара французских учёных открыла не только возможность искусственной радиоактивности, но и установила, что при этом возникает большое количество позитронов. Бета-распад вызывал не только появление электронов, но и новых частиц. Это означало, что имелось два типа бета-распада: р-, когда испускался электрон, и р+, когда испускался позитрон. В истории бета-распада должны были появиться новые открытия. Австрийский физик Вольфганг Паули (1900-1958) заметил, что при бета-распаде происходят странные явления. После испускания электрона ядро не возвращалось к прежнему состоянию в направлении, противоположном импульсу, полученному электроном, и это со всей очевидностью доказывало, что не сохранялись ни импульс, ни энергия. В письме, которое он направил на физический симпозиум в 1930 году, был сделан прогноз относительно того, что для решения данной проблемы в процессе должна быть задействована новая частица, которую до сих пор никто не мог обнаружить. По мнению Паули, эта частица практически не имела массы и совсем не имела энергии. Когда в 1932 году состоялось открытие нейтрона, решили, что Паули говорил не о нём, поскольку нейтрон был достаточно массивен. Для того чтобы отличать предполагаемую частицу от нейтрона, итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) предложил название «нейтрино». Нейтрино были открыты в 1956 году, когда американские физики Клайд Коуэн (1919-1974) и Фредерик Райнес (1918-1998) обнаружили при проведении опыта миллиарды этих частиц. Исследования бета-распада были завершены, когда ученые установили, что при р~ испускалось одно антинейтрино, и р+ — одно нейтрино.

В 1909 году были организованы конференции в австрийском Зальцбурге. Темой встреч стала революция, вызванная квантовой теорией. Планк, Ган и Мейтнер не могли не приехать на это собрание учёных с мировым именем. Одним из докладчиков был Альберт Эйнштейн, и его лекция — первое публичное представление теории относительности — имела решающее значение для молодой исследовательницы. Спустя несколько десятилетий она вспоминала: «В ходе лекции он говорил о теории относительности, а затем перешёл к уравнению: энергия = масса на скорость света в квадрате. Он показал, что каждому излучению нужно присвоить инертную массу».

Для Мейтнер это были «угнетающе новые и удивительные» идеи.

Несмотря на то что Лиза уже занимала свое место в ряду значимых учёных, жить ей приходилось очень скромно, так как она не получала за свою работу жалования. Источником дохода для Мейтнер стали переводы научных статей, а также несколько написанных ею научно-просветительских работ. С 1909 года режим дискриминации женщин в Берлинском университете значительно смягчился — их начали принимать на обучение. Это изменение правил позволило Мейтнер в конце концов попасть в кабинеты института химии.

Работа Мейтнер и Гана получила определенное признание, и директор института предложил им расширить свою лабораторию, чтобы они могли проводить больше опытов. Мейтнер работала в подвале института в течение пяти лет.

В 1912 году было построено здание для Института химии имени кайзера Вильгельма. Отто Гана приняли на работу в качестве директора отдела

радиоактивности — эта должность предполагала хорошую оплату. Мейтнер пришлось довольствоваться тем, что её приняли в качестве приглашённого исследователя, не получающего вознаграждения.

Однако в тот же год Макс Планк принял её на работу как своего ассистента. Это была не только большая честь — для Мейтнер это стало своеобразным «паспортом на ведение научной деятельности в существующем научном сообществе, а также помогало преодолеть множество предрассудков относительно женщин в академической среде». В её задачи входило исправление работ нескольких сотен студентов, и еженедельно она выбирала из них работу, которая зачитывалась публично.

Это непростое занятие отнимало у исследовательницы много времени. В новом институте она также наравне с Ганом встала во главе отдела

радиоактивности. Казалось, карьера Мейтнер идёт в гору. После двух лет работы в Институте кайзера Вильгельма Пражский университет предложил ей академическую должность с хорошей зарплатой. Однако директор берлинского института не хотел, чтобы Мейтнер уезжала, поэтому сразу же увеличил размер её жалованья.

Для того чтобы химик мог работать с радиоактивностью, требовалась специальная подготовка, поэтому университеты приступили к обучению химиков в новой сфере — радиохимии. Сначала физики приблизились к химии, а теперь химики должны были протянуть руку физикам. Радиоактивность неизбежно требовала междисциплинарного сближения, что доказывает успех, достигнутый в содружестве Отто Гана, одного из первых радиохимиков, и физика Лизы Мейтнер.

В новом институте Ган и Мейтнер заговорили о необходимости исключительных мер гигиены и ввели специальные протоколы для того, чтобы избежать радиоактивного загрязнения образцов и инструментов. Благодаря предпринятым мерам предосторожности существовала гарантия, что измерения будут как можно более точными. В прежней столярной мастерской все эти меры не предпринимались, но в новых лабораториях, например, было запрещено здороваться за руку, а для манипуляций с конкретными радиоактивными веществами использовались отдельные стулья. Возможно, благодаря этим мерам безопасности исследователи защитились от опасного воздействия радиоактивности на организм.

В 1914 году началась Первая мировая война. Большинство работников Института химии имени кайзера Вильгельма были призваны в армию, включая Отто Гана, который недавно женился на студентке факультета искусства Эдит Юнгганс (они познакомились в 1911 году во время круиза). Мейтнер оставалась в институте и писала Гану обо всех событиях, а также передавала дошедшие до неё известия о гибели их товарищей на фронте.

Ган был обычным солдатом немецкой армии до тех пор, пока не было принято решение о привлечении солдат, имеющих научное или техническое образование, к разработке военных технологий. На следующий год его записали в программу разработки химического оружия Фрица Габера, немецкого химика, который впоследствии, в 1918 году, получил Нобелевскую премию. Габер, руководивший молодой командой исследователей, прославился после получения азота из воздуха. Азот применялся в производстве аммиака — основного компонента для удобрений, и это открытие вызвало революцию в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Но в военное время Габеру было поручена разработка ядовитых газов, и учёный оказался втянут в один из наиболее трагических эпизодов войны. По иронии судьбы, после прихода к власти нацистов Габеру пришлось бежать из Германии.

Несмотря на колебания, которые вызвала проблема использования отравляющих газов в военных целях, Ган оказался среди тех, кто считал, что использование такого оружия приблизит конец войны и победу Германии и таким образом позволит сократить количество жертв. Ган считал, что газ в каком-то смысле может спасти много жизней. Однако его ожидания не сбылись: новое оружие вызывало ужасную, мучительную смерть солдат противника. «Я чувствовал глубокий стыд.» – говорил Отто Ган о применении отравляющего газа.

Ган должен был определить, при каких метеорологических условиях и рельефе местности газ наносит противнику наибольший ущерб, не подвергая опасности немецких солдат. В качестве добровольца и даже рискуя жизнью он участвовал в экспериментах, позволяющих проверить надежность противогазов.

В 1915 году Мейтнер также записалась в армию. Она прошла курсы в больнице и могла работать техническим специалистом по рентгеновской диагностике. Лизу отправили в госпиталь недалеко от линии фронта, и она занималась тем же, чем и Мария Кюри с дочерью Ирен на стороне французов.

Так как работа ассистента лучевой диагностики не требовала много времени, Мейтнер выполняла и обязанности медсестры. Она посмотрела в лицо ужасам войны. Для нее это был очень тяжёлый опыт, поэтому она на всю жизнь сохранила отвращение к войне и, верная своим принципам, отказалась участвовать в разработке атомной бомбы.

В 1917 году Мейтнер вернулась в Институт кайзера Вильгельма. Она вспоминала: «За исключением нашего небольшого отдела, остальные помещения института были переданы в распоряжение профессора Габера и его группы для военных целей».

Гана в то время также направили в Берлин, так что он периодически мог заходить в институт, и они с Мейтнер, как прежде, работали в команде. Один из их экспериментальных проектов привёл к открытию протактиния.

Ещё до начала войны Ган и Мейтнер начали искать новый элемент в урановой смолке — минерале, в котором впервые был обнаружен уран, а Кюри нашли там же полоний и радий. Война заставила отложить исследования, но в начале 1917 года Мейтнер решительно собиралась довести дело до конца, пусть даже в одиночку.

Изучая полученный результат, она пришла к выводу, что в нём «содержится новое вещество», испускающее сильное и специфическое альфа-излучение. В это время Ган также был в лаборатории и внёс в открытие свой вклад, химически описав новое вещество и некоторые его свойства.

Исследование длилось несколько месяцев, результаты были опубликованы в 1918 году. К огромному удивлению Гана и Мейтнер, пришло известие, что команда из Великобритании, в которую входили Фредерик Содди и Джон Кранстон, также опубликовала статью об открытии нового элемента. Однако британцы не смогли с такой точностью описать его характеристики, и научный комитет отдал приоритет открытия Гану и Мейтнер. Обсуждение названия нового элемента также было очень длительным (предлагали назвать его лизониумом — в честь Лизы Мейтнер). В конце концов выбрали вариант «протактиний» (Ра), элемент занял место № 91 в периодической таблице.

В конце 1918 года Мейтнер назначили главой отдела физики Института кайзера Вильгельма.

Мейтнер оказалась в эпицентре научной революции, которая происходила в ту эпоху в физике. Она переписывалась с Эйнштейном, который в одном из писем спрашивал Мейтнер: «Что вы думаете об этой проблеме? Позвоните мне и скажите ваше мнение». Мейтнер заслужила уважение главных учёных того времени и наконец получила место, которого заслуживала.

Всю жизнь она вспоминала о знакомстве с Нильсом Бором. Говорила: «Не думаю, что есть какой-либо другой учёный, который имел бы большее влияние на мировую науку, чем Нильс Бор в течение как минимум двух поколений физиков».

Бор предложил свою модель атома в 1913 году. Эта модель относилась прежде всего к атому водорода и коренным образом отличалась от всех предыдущих моделей, особенно в том, что касалось состояния и поведения электронов. Бор отверг законы классической механики, воспользовавшись вместо неё новой квантовой теорией.

Лиза познакомилась с Бором в 1920 году, когда он был приглашён в Берлин, чтобы прочесть лекцию. Как рассказывала Мейтнер, она вышла с лекции «немного подавленная, потому что чувствовала, что понимает очень немного». Они с Ганом воспользовались приездом Бора и пригласили его в институт, чтобы провести целый день со знаменитым учёным и попросить его рассказать подробнее о своих гипотезах и идеях.

Но дружба между Бором и Мейтнер укрепилась ещё больше, когда её саму пригласили прочесть лекцию в Копенгагене в 1921 году. Часть лета она провела в компании Бора и его семьи. «Даже сегодня я вспоминаю нашу первую встречу как чудо», — рассказывала Мейтнер. В конце лета у неё появилось время, чтобы поехать в Швецию и поработать с физиком Манне Сигбаном (1886- 1978). Все эти контакты впоследствии имели большое значение для Мейтнер, когда ей пришлось спасаться от нацистов. Как раз в следующем 1922 году весь мир обратил внимание на Бора, удостоившегося Нобелевской премии, и его институт.

После поражения Германии в 1919 году была принята новая конституция, поставившая окончательную точку на имперской эпохе и открывшая дорогу либеральной республиканской демократии. Социальные недуги помогли подготовить плодородную почву, на которой взросли расистские и националистические идеи партии Адольфа Гитлера, пришедшего к власти в 1933 году.

Антисемитские настроения распространились и в научном сообществе. Основной целью нападок стал Эйнштейн, воплотивший в себе «еврейскую науку», которую арийцы осыпали проклятиями. Мейтнер писала Гану об антисемитских выступлениях и нападках, от которых страдал Эйнштейн:

«От всего сердца хочу заявить, что конференции против Эйнштейна с антисемитским подтекстом не делают чести немцам, здесь и правда можно говорить о варварстве. [...] Неужели снова появится Святая инквизиция с герром Герке [немецкий физик] в качестве Великого инквизитора?»

В эти смутные времена карьера Мейтнер шла вверх. В 1922 году она получила право вести занятия и таким образом стала первой женщиной — университетским преподавателем в Германии. Этой деятельностью она занималась последующие десять лет. Венская академия наук присудила Мейтнер премию Игнация Либера в качестве признания ее заслуг и открытий, также она была награждена серебряной медалью Лейбница. Уже в 1923 году Ган и Мейтнер по предложению Макса Планка были выдвинуты на Нобелевскую премию.

Учёные продолжали сотрудничество с Институтом кайзера Вильгельма, но теперь каждый из них руководил собственным отделом: Мейтнер возглавила отдел радиофизики, Ган — радиохимии.

Мейтнер продолжала общаться с Ганом, но их постоянные контакты прекратились. Эйнштейн, находившийся в США, после прихода к власти Гитлера принял решение не возвращаться на родину.

Были приняты законы, заставлявшие увольняться граждан, которые не могли доказать чистоту расы, то есть то, что ни их родители, ни родители родителей не были евреями. Хотя Мейтнер давно стала протестанткой, для расистов она оставалась еврейкой, пусть и защищенной австрийским гражданством. Однажды после того, как Мейтнер заполнила анкету о своих родственниках, ей сообщили, что она больше не может заниматься преподаванием. Вмешательство Планка и Гана не принесло плодов.

Многие ученые-евреи бежали из Германии, хотя устроиться на новом месте в условиях кризиса было довольно сложно. Мейтнер, со своей стороны, решила не замечать угроз и полных ненависти речей, считая это временным явлением. Она сохранила должность в Институте кайзера Вильгельма и продолжала работу. Именно в тот момент исследовательница приступила к новой серии экспериментов, для которой они с Ганом вновь начали работать вместе. Учёные шли вслед за Энрико Ферми, исследуя бомбардировку урана нейтронами. Эта работа привела Мейтнер и Гана к открытию расщепления ядра.

Вследствие бомбардировки атомов урана нейтронами может получиться так, что ядро расколется на две примерно равные части, высвобождая в ходе этого процесса значительное количество энергии. Этот опыт помог Мейтнер и Гану, при участии Штрассмана и Фишера, открыть расщепление ядра. Учёные основывали свои исследования на работах других физиков — Ферми, Резерфорда, Жолио и Кюри.