Оставалась проблема «флорентийской склянки». Что это за склянка, было неизвестно, но в буфете у нас стояла длинногорлая старая бутылка, оплетенная соломой и, судя по этикетке, содержавшая прежде вино из Флоренции. (Это была бутылка из-под кьянти.) Ничего ближе к «флорентийской» склянке мне не найти, подумал я. А родство здесь действительно близкое, ибо прототипом теперешних колб послужили винные бутылки, изготовлявшиеся флорентийцами сотни лет тому назад.
Но теперь возникал вопрос, где проводить опыт. Мама держалась разумного правила: «В доме — никаких опытов». Так что оставалось экспериментировать на заднем дворе. Там торчал старый пень, и на нем я решил установить свою флорентийскую склянку. За приготовленьями прошло время, наступил вечер. Дело было зимой, стало уже смеркаться. «И пусть, а все равно поставлю опыт», — решил я и, крепко труся, высыпал во флорентийскую бутылку цинк, а сверху налил кислоты и — ничего не произошло. Абсолютно ничего! Цинк лежит себе в бутылке, залит кислотой, и все. «Чего другого было и ожидать», — подумал я. В хрестоматии множество всяких историй, сказочных и шуточных, и эта одна из сказок или шуток. Выдумки и враки вся эта наука!
Надо было идти ужинать, затем спать; хоть я и был горько разочарован, но не окончательно еще потерял надежду. Перед сном, решил я, пойду гляну напоследок. Выскользнул украдкой во двор — там, конечно, ничего было уже не разглядеть, стояла темень, но я помнил примерно, где пень, и направился туда. Не видно ни зги, а взглянуть надо же, и, достав из кармана коробок, я зажег спичку, поднес. Грохнул великолепный взрыв, бутылку разнесло вдребезги!
Я стоял не очень близко к пню и отделался в основном испугом, — только несколько капель серной кислоты брызнуло на руку. Но тут уже я совершенно убедился; что наука — не враки. И вот, эти два случая, вместе взятые, и дали мне начальный толчок в науку, хотя в Ирландии стать ученым было тогда делом непростым, и много еще минуло лет, прежде чем я уяснил химическое действие серной кислоты и осознал, что посвящу себя исследованию строения кристаллов посредством рентгеновых лучей. По странному совладению позднее я работал лаборантом в Лондонском Королевском институте — как встарь Фарадей, и в том же подвале, где и он когда-то.
Работать как исследователь я начинал у сэра Уильяма Брегга в Королевском институте, где занимался структурой всевозможных кристаллов. Затем я переехал в Кембридж и через несколько лет заинтересовался там работой Хопкинса; ученый этот — почти что основоположник биохимии — поднял вопросы, на которые структура кристаллов, подумалось мне, способна дать ответ. Особенно заинтересовало меня вещество, являющееся основой всего живого, — белковое вещество. Но чтобы понять строение белка, надо было прежде структурно понять нечто еще более общее всему живому — то, в чем возникает жизнь, — я говорю о воде.
А именно вода, эта древнейшая из всех стихий (Фалес считал, что мир сотворен из воды) вечно ставила в тупик физиков и химиков. Хотя в известном смысле вода — типичнейшая жидкость, но при ближайшем рассмотрении она оказывается весьма отличной от наших представлений о нормальной жидкости. Многие из этих ее отличий имеют для нас громадное значение.
К примеру, естественно бы ожидать, что когда жидкость переходит в твердое состояние, то ее частицы располагаются тесней и вещество делается тяжелее, плотнее; многие жидкости так себя и ведут — скажем, большинство металлов при затвердевании. Но с водой происходит как раз обратное. Охлаждаясь, вода плотнеет, но точка наибольшей плотности находится в районе 4 °C, а ниже этой температуры вода становится несколько легче. Замерзая же, она делается еще — и намного — легче и образует лед, плавающий на поверхности воды. Понятно, что вся география, да и биология тоже, перевернулась бы вверх тормашками, если бы вода не обладала этим аномальным свойством, — если бы все реки и пруды замерзали не сверху, а со дна.
Мы так свыклись с этим свойством, что оно вроде бы само собою разумеется. А тем не менее объяснения ему не было. Да и другое свойство воды взять, еще даже обыденней: почему вода вокруг нас — жидкость, а не газ? Молекулы ее очень невелики — атом кислорода и два атома водорода. У сероводорода, Н2S, молекула гораздо тяжелей, однако сероводород — газ; между водяными же молекулами, легчайшими из малых молекул, силы сцепления почему-то достаточны, чтобы при обычных температурах вода была жидкостью. Химики обходили это затруднение с помощью довода, что вода — жидкость не обычная, а ассоциированная. Молекулы ее ассоциируются, объединяются в большие, дигидрольные молекулы и т. п. Для меня как физика все это звучало весьма туманно и неудовлетворительно, и я чувствовал, что для понимания роли воды в живом веществе необходимо существенно уточнить ее структуру.
Я все еще думал над этим вопросом, когда поехал в 1932 году с группой английских физиков и химиков в Советский Союз, чтобы принять там участие в научных дискуссиях. Часть времени мы провели в Москве, часть в Ленинграде. До этого я приезжал уже однажды в Советский Союз, но впервые вошел теперь в тесный контакт с советскими учеными; должен сказать, что для всех нас этот контакт послужил большим творческим стимулом. Особенно сильное впечатление произвела на меня работа профессора Френкеля, чья смерть в 1952 году была такой утратой для физики. Мы с ним обсудили многие из проблем твердого и жидкого состояний, которые его особенно занимали. Но понятно, пребывание в Советском Союзе было так заполнено встречами, посещениями, осмотрами, что у нас просто не было возможности и времени для разработки фундаментальных теорий. И все же такая возможность в конце концов представилась, причем именно в Советском Союзе.
Наш визит близился к концу; мы уже все увидели, истратили все деньги, оформили все документы, чтобы выехать в самый последний момент, исчерпав полностью возможности визита, — и вернуться в начале октября к преподаванию в Кембридже.
Прибыли мы из Англии морем, в Ленинград, а возвращались воздушным путем, из Москвы. В московском аэропорту, лишь недавно тогда открывшемся, расписание полетов отличалось суровостью. От нас потребовалась явка в аэропорт к четырем часам утра. Так что возникла проблема — как бы не проспать. Возможно, русский человек решил бы ее очень просто, не стал бы вообще ложиться. Я, однако, ухитрился раздобыть будильник — единственный, кажется, во всем Институте физики — и, благополучно им разбуженный, вовремя прибыл в аэропорт, но обнаружил там, что улететь нет никакой возможности. Все было окутано густым осенним туманом, и неизвестно было, когда он разойдется.
Оставалось одно — ждать. А для ожидания в те времена не было предусмотрено никаких удобств. Негде было поесть, негде посидеть, оставалось лишь ходить взад-вперед в тумане и надеяться, что он рассеется. А если не рассеется, то нас ожидали немалые заботы: смена маршрута, переоформление выездных документов, добывание еще какого-то количества денег — и сотня других затруднений, неминуемо связанных с переменой планов. Но как бы ни было, надо было чем-то занять время ожидания, и, прохаживаясь у аэродрома, мы с профессором Р. Х. Фаулером, ныне покойным, повели разговор о том, о сем и в конце концов свернули на научную тему. Больше всего прочего нас занимал туман, и естественно, что о нем и пошла речь. Туман состоит из воды, из водяных капелек размером в какую-нибудь тысячную долю миллиметра, и странно прежде всего то, что, образовавшись, эти капельки затем уж не крупнеют, иначе бы туман, разумеется, превратился в дождь; однако туман обычно в дождь не обращается, упрямо продолжает быть туманом, и капельки его оседают медленно — до неприметности медленно.
Итак, речь у нас шла о воде, и профессор Фаулер, большой знаток термодинамики, но не очень сведущий в структурной теории, попросил меня объяснить структуру воды, как я эту проблему понимаю. И тут-то я задумался над нею заново — в свете наших московских дискуссий. Меня вдруг осенило, что, быть может, ключ ко всей природе воды — в структуре самой молекулы. Хотя обычно мы обозначаем молекулу воды как Н2О, не уточняя, как размещены в ней атомы водорода, но проще всего, конечно, расположить их на бумаге так:
Н О Н — то есть на прямой линии. Однако водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральная, не обладала бы определенной направленностью, моментом. А вода обладает весьма сильным электрическим моментом, и этим, возможно, объясняются ее особенности. Такой электрический момент может образоваться, только если оба атома водорода примыкают с одной и той же стороны:
И мелькнула мысль, что именно такое «однобокое» расположение частиц водорода и способно объяснить чрезвычайно свободный способ межмолекулярного сцепления в воде (см. рисунок); отсюда становится, быть может, объяснимым и правильный порядок водяных молекул льда.
Структуру льда раскрыл за много лет до того мой старый учитель сэр Уильям Брегг. Он обнаружил, что каждую водяную молекулу льда окружают четыре других, образуя тетраэдр (треугольную пирамиду). Как именно размещены там атомы водорода, он не мог установить, да и никто тогда не мог. Сперва предполагали, что атомы водорода размещены посредине между атомами кислорода. Однако если мы предположим, что атомы водорода размещаются не между атомами кислорода, а внутри их, тогда каждая водяная молекула окажется совершенно естественно связанной с четырьмя другими молекулами: с двумя свяжут ее собственные атомы водорода, а с остальными двумя — водородные атомы соседних молекул. И тогда парадоксальный факт, что лед легче воды, получит объяснение. Если та или иная группа связана с четырьмя другими группами, то обычно возможен ряд различных способов расположения, поскольку структура по своей рыхлости напоминает скорее кружево, чем плотно упакованную дробь или горох. А нам известно уже кое-что о таких четверо частных кружевны