Его главная идея
Затем наступает шестилетняя пауза, после которой Дайсон вновь врывается в научную жизнь через свой проверенный рупор The Perfumery and Essential Oil Record, где публикует статью, триумфально озаглавленную «Эффект Рамана и понятие запаха». Даже размер и бросающаяся в глаза гарнитура шрифта для заголовка придавали этой публикации характер газетной новости на первой полосе. Чтобы понять его возбужденное состояние, нужно вернуться немного назад, к революции в химии, которая произошла в предыдущие годы. В 1921 г. индийский физик Чандрасекхара В. Раман совершил длительное путешествие по Европе. Через семнадцать лет в Нобелевской лекции он вспомнил об этом: «Путешествие в Европу летом 1921 года дало мне первую возможность наблюдать чудесную переливающуюся синеву Средиземного моря». Это звучит как обещающее начало романтического воспоминания. Однако интеллект Рамана смыкается как стальной капкан над столь фривольными мыслями: «Представилось вполне вероятным, что этот феномен своим происхождением обязан рассеянию солнечного света молекулами воды». В сентябре Раман вернулся в Калькутту и приступил к систематическому изучению этого явления. Однако, как часто бывает в исследованиях, «вскоре стало очевидно <…>, что тема оказывается гораздо шире, чем та цель, ради которой и предпринималась работа». Этой теме Раман посвятил всю свою научную жизнь.
В Нобелевской речи Раман всячески стремился отдать должное своим коллегам. Одному из них, Венкатесварану, и принадлежит важнейшее наблюдение: когда в качестве жидкости был использован глицерин, а не вода, опалесценция приобрела ярко зеленый цвет, хотя падающий свет был синим. Иными словами, свет не просто рассеивается в растворе – как слабый раствор молока в воде, которое не меняет цвет. Раману и его коллегам нужен был более интенсивный источник света, чтобы наблюдать рассеянный свет, поэтому они построили специальный телескоп семи дюймов в диаметре. Этот инструмент они использовали так, как ни в коем случае не рекомендуют его использовать новичкам, а именно направляли на Солнце. Но он помог им сделать открытие: оказывается, рассеянный свет «следует» за цветом падающего света, но всегда на некотором расстоянии, как хористы ведут мелодическую партию на большую терцию ниже солиста. Раман с коллегами быстро выяснил, что интервал между ними варьируется в соответствии с субстанцией и, таким образом, должен быть свойством самой субстанции, а не падающего солнечного света. Затем они воспользовались недавно изобретенной ртутной лампой, которая, в отличие от раскаленных тел (типа Солнца), излучающих в широком диапазоне частот, испускает свет строго определенной длины волны[55]. И увидели нечто поразительное.
Когда им удалось сфотографировать первые спектры рассеянного света, они увидели, что он состоит из различных «линий», и что положение и интенсивность каждой линии зависит от используемой жидкости. Более того, линии всегда делали то, что и полагается делать опалесценции, а именно – звучали в фиксированной гармонии с падающим светом. Раман вскоре понял, что это значит: каждая линия – это колебание молекулы. До той поры молекулы изображались так, словно связи, соединяющие атомы, жесткие. Однако электронные связи, которые удерживают молекулы, совсем иного рода. Если попробовать оттянуть один атом и отпустить, он совершит несколько вибрирующих колебаний, прежде чем займет первоначальное положение. На самом деле, он ведет себя как эластичная пружина. Диапазон колебаний зависит от пружины и атома. Чем жестче пружина и чем легче атом, тем выше пик. Вес атомов определяется их положением в периодической таблице, а жесткость пружины зависит от силы связи между парами атомов, которая их соединяет – и в меньшей степени от всего окружающего. Можно научиться понимать, какого рода колебания совершают различные пары атомов, когда их дергают. Затем можно попросить кого-нибудь в соседней комнате подергать различные атомы в модели молекулы, чтобы вы этого не видели. Если получится идеальный пик, вы будет знать, какая пара атомов его совершила.
Молекулярные аккорды
Каждое колебание молекулы дает свою линию в Рамановском спектре. Самое главное здесь вот что: каждое химическое соединение определяется набором атомов, связанных друг с другом. Молекулярные колебания – как танцевальные движения: в некоторых задействована только часть молекулы (вспомните движения головой в индийских танцах), другие вызывают гибкие движения всей молекулы (вспомните нескромные 1970-е). Если сложить все различные виды колебаний, которые испытывает молекула, окажется, что они находятся в простом соотношении с количеством ее атомов. Молекула с N атомами имеет 3N способа движений: типичная молекула запаха, скажем, с двадцатью атомами будет способна совершать шестьдесят танцевальных па, или колебательных движений. Спектр колебаний подобен клавиатуре, где нижняя половина (1970-е) занята колебаниями, в которых принимают участие большинство атомов молекулы. Верхняя половина (индийский танец) – это то, где располагаются все характерные черты химических групп. Разумно предположить, что точный перечень колебаний будет зависеть от точной структуры молекулы. По определению, форма соединенных атомов уникальна. Следовательно, не стоит удивляться, что форма колебаний тоже уникальна. На самом деле, это справедливо до такой степени, что точные измерения молекулярных колебаний дают, так сказать, «отпечаток пальца» молекулы. Если вы видели его раньше и знаете структуру, вы можете моментально ее идентифицировать. Для уточнений и сравнений существуют библиотеки с тысячами записей спектров. Кстати сказать, если по структуре можно определить характер колебаний, то обратную задачу решить невозможно: нельзя по характеру колебаний определить структуру.
Нос может служить настоящим спектроскопом.
Когда Дайсон ознакомился с работой Рамана, он сразу же увидел ее прямую связь с запахами: мы можем определить химические группы, для этого нужен спектроскоп. Следовательно, если форма не является надежным предсказателем запаха (вспомните его опыты с горчицами несколькими годами ранее), то нос может служить настоящим спектроскопом. Далее на семи увлекательнейших страницах Дайсон настолько далеко вырвался вперед, что наука о запахах до сих пор его догоняет. Вот суть того, что он продемонстрировал. В своей характерной манере Дайсон пишет: «Давайте проведем расследование на простом случае – выберем некую группу веществ с однозначно характерным запахом, которые отличается от подавляющего большинства <…> Я выбрал меркаптаны (-SH) как наиболее подходящие; как только их сильный и устойчивый запах фиксируется, он создает самое яркое впечатление, и большинство химиков способны распознать его снова <…>. Есть ли какая-то соответствующая характерная черта в спектре Рамана? Ответ таков: в спектре Рамана существует бесспорно уникальная характеристика всех алкилмеркаптанов, линия <…> с частотой 2567–2580. Ни одно другое соединение не имеет подобной линии» (курсив мой).
Запах ракетного топлива утром
Большинство из сказанного им верно: SH соединения действительно обладают характерным и запоминающимся вонючим запахом, с которым ничто другое не сравнится. Однако последнее утверждение ошибочно. На самом деле есть еще один тип соединений с такого рода колебаниями: единственная ковалентная связь в природе, волновое число колебаний которой находится в пределах 2500. Это бороводородная связь, В-Н, а соединения, в которых она присутствует, называются боранами. Если бы Дайсон об этом знал, он бы оказался в шаге от важнейшего свидетельства в поддержку своей теории, настоящего Розеттского камня запахов. Представьте: если идея колебаний верна, то бораны должны иметь запах серы. Однозначно. Так ли это?
Френсис Джонс (см. на соседней странице) был первым, кто создал и осмелился понюхать боран. Это было в 1878 г. Он обнаружил, что боран имеет «неприятный[56] запах», который, как мы сейчас знаем, характерен для всех таких соединений.
Летучие, легко воспламеняющиеся, с неприятным запахом, высокотоксичные бораны, безусловно, требуют особого обращения. Технику удержания этих яростных зверей на приемлемо длинном поводке разработал в начале XX века Альфред Шток. Его великое изобретение представляло собой вакуумную трубку, а точнее, ряд сосудов, соединенных стеклянными трубками, разделенными в нужных местах задвижками. Из сосудов выкачивался воздух. В состоянии, близком к вакууму, газы перемещаются очень быстро, и бораны можно было перегонять из одной части вакуумной трубки в другую, просто охлаждая ту часть, где боран должен был конденсироваться, закрывать задвижку на другом конце и нагревать участок заново. С помощью такого устройства Шток смог должным образом изучать бораны. Коллега-химик так отозвался о его работе: «Все заявления, сделанные по поводу боранов до 1912 года, когда с ними начал работать Шток, являются неверными». То есть все, за исключением запаха. В 1912 г. в журнале Германского химического общества Berichte Шток опубликовал большую статью, свою первую работу на эту тему. Он берет В4Н10 и описывает его как «бесцветный газ с характерным, отталкивающим запахом, притом, что в очень разбавленном состоянии напоминает запах шоколада».
Шоколадная тема, как мы вскоре увидим, имела непредвиденные последствия. Через несколько страниц Шток становится более конкретен. Он описывает запах другого борана, В6Н12, как «чрезвычайно отталкивающий, похожий на В4Н10, но чем-то напоминающий сероводород». Это – недостающее звено, которое было нужно Дайсону. Совершенно различная форма, никаких общих химических свойств, но та же самая схема колебаний – и, видит бог, тот же запах!
Сообщение в Chemical News от 29 ноября 1878 г. об открытии первого борана. Обратите внимание, что Джонс с самого начала сообщает о «неприятном запахе» бороводорода. В более поздней статье он характеризует запах как «крайне неприятный» и констатирует, что он «при вдыхании даже в умеренных количествах вызывает тошноту и головную боль». Действительно, все бораны очень токсичны. Примечательно зеленое пламя борана, его можно видеть при запуске двигателей Lockheed SR-71, у которых нет стартера, и им для начала работы требуется небольшая порция бороводородного топлива. Э