Хотя девочке Мане приходилось учить уроки на русском языке, она оплакивала мать на польском; когда ее мечта о свободе осуществилась, она говорила на французском и жила в холодной мансарде Латинского квартала. Студентка, которую теперь называли Мари, открыла в Парижском университете красоту физики и математики. Через некоторое время она не устояла перед магнетизмом Пьера, в то время как немецкие, английские и французские ученые воевали со спектрами излучений.
Сначала казалось, что у Марии есть все для того, чтобы быть счастливым ребенком, но в детстве она пережила две большие драмы. Самая ужасная состояла в том, что ее обожаемая мать, красавица Бронислава Богуская, после рождения дочери заболела туберкулезом и умерла, когда Марии было десять лет. Это было ударом для всей семьи, но особенно для маленькой дочери, которая обожала ее и которую мать никогда не обнимала, боясь заразить.
Другая большая драма в жизни Марии была следствием политического положения Польши. С 1772 года страна перестала существовать как государство и была поделена между Австрией, Россией и Пруссией. Варшава и ее окрестности попали во владение Российской империи. Дед Марии со стороны отца участвовал в Польском восстании 1830 года и после ареста был вынужден идти 200 км босиком в Варшавскую тюрьму. Руководителей восстания 1863 года повесили в Варшавской крепости, недалеко от дома на улице Фрета, где через четыре года, 7 ноября 1867 года, родилась Мария. У ее родителей уже было четверо детей: Зося, Юзеф, Броня и Хелена.
ПЕРВАЯ УЧЕБА И ОБРАЗОВАНИЕ
Отца Марии, Владислава Склодовского, сняли с должности директора института, в котором он преподавал, из-за его политических убеждений. Владислав был вынужден занимать должности более низкой категории с меньшей зарплатой, пока в итоге его не исключили из системы государственного образования. Чтобы содержать семью, он был вынужден принимать постояльцев, которым предоставлял жилье, полный пансион и обучение. Из-за этого две его дочери, Мария и Хелена, остались без комнаты: они проводили ночь на диванах в столовой, из которой должны были уходить на рассвете, чтобы постояльцы могли позавтракать. Но самое худшее было в том, что один из этих постояльцев принес в дом клопов и других паразитов, из-за которых двое детей заразились тифом и старшая дочь, Зося, умерла. Мать, которая уже была тяжело больна туберкулезом, так и не оправилась от этой трагедии и скончалась через год. С тех пор отношения Марии с отцом, братом и сестрами, особенно с Броней, стали еще более тесными.
Сложное экономическое положение и смерть родственников не помешали Марии в возрасте 15 лет с высшими оценками закончить среднее образование, получив похвальную грамоту. Несмотря на неистовое желание продолжить учебу, ни она, ни ее сестры не могли поступить в Варшавский университет, поскольку ни в один вуз женщин не принимали. Они также не могли поехать учиться за границу, поскольку и так пошатнувшееся экономическое положение семьи окончательно ухудшилось, когда Владислав вложил свои сбережения в разорительный бизнес, основанный одним из его родственников.
Но ни Мария, ни Броня не собирались отказываться от своей мечты поехать в Париж, в Сорбонну, куда принимали женщин. Чтобы достигнуть этой цели, Мария предложила Броне договор, согласно которому она должна была работать, чтобы оплатить учебу Брони в области медицины, а когда та получит образование и начнет работать, то будет финансировать учебу Марии. Сестры выполнили договор, но прошло семь лет, пока Мария смогла поехать в Париж. В эти годы Мария полюбила старшего сына семьи, в которой она работала гувернанткой, Казимира Зоравского, так сильно, что они строили планы на свадьбу. Но пара столкнулась с тем, что родители молодого человека были категорически против этого брака, и помолвка была расторгнута. Это наполнило Марию грустью и горечью — а ей еще не исполнилось 20 лет.
В годы ожидания Мария активно занималась в Летучем университете, подпольном высшем учебном заведении. По большей части учениками были женщины. Эти занятия, которые ради безопасности проводились каждый день в новом месте, стали определяющими в судьбе будущей исследовательницы. Действительно, на них Мария, которая тогда писала стихи и рассматривала возможность того, что станет писательницей, серьезно увлеклась наукой и решила посвятить ей всю жизнь.
Кроме того, в это время Мария получила знания, которые стали основой ее будущей научной работы. Один из ее двоюродных братьев со стороны матери, Юзеф Богуский, директор Музея промышленности и сельского хозяйства, который учился химии в Санкт-Петербурге, предложил ей проводить эксперименты в лаборатории. Воспроизведение опытов, описание которых она нашла в книгах по химии, во время бессчетных воскресных вечеров предоставило Марии базу, которая оказалась очень полезной при работе над докторской диссертацией.
Юзеф Богуский учился вместе с химиком Дмитрием Менделеевым, ассистентом которого он позже стал. В 1869 году, через два года после рождения Марии, Менделеев открыл периодическую таблицу химических элементов. Речь шла о способе упорядочить элементы, известные к тому времени, по колонкам со схожими химическими свойствами. Одной из самых гениальных догадок Менделеева было предсказание существования еще не открытых элементов, которые должны были заполнить пустоты его великой таблицы. Когда французские и немецкие ученые открыли несколько элементов, существование которых предсказал Менделеев, он получил мировую славу. Для формирования у Марии широты взглядов, которая позволила ей делать свои открытия, имело ключевое значение убеждение Менделеева в том, что должны существовать химические элементы, которые пока еще никто не открыл.
ПАРИЖСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В ноябре 1891 года Мария наконец поехала в Париж. После многих дней подготовки и следуя советам сестры, которая уже несколько раз путешествовала по этому маршруту, она переехала из Варшавы во французскую столицу. По шоссе это 1600 км, что сегодня предполагает чуть больше двух часов на самолете. Но для Марии это означало почти четыре дня пути самым дешевым классом в поезде, где даже не было сидений, поэтому вместе с багажом, книгами, одеялами и едой ей пришлось везти с собой стул. К тому времени она превратилась в полноватую девушку с пухлыми губами; ее взгляд, молчаливый и любопытный, был оттенен упрямыми светлыми локонами, которые были кошмаром Марии со школы.
Первое, что она сделала, — записалась в Парижский университет, изменив имя на французское Мари (имя, данное ей при рождении, было Мария Саломея). Она была одной из 23 учениц женского пола среди 1825 студентов факультета естественных наук. Из 9000 студентов, которые тогда обучались в Сорбонне, только 210 были женщинами, и большая часть из них изучали медицину. Однако число студенток, которые действительно серьезно относились к учебе и не ограничивались посещением нескольких занятий, было намного меньше. В 1893 году, когда Мария закончила обучение, во всем университете была лишь еще одна выпускница.
Мать Марии, Бронислава Богуская, скончавшаяся в 1898 году.
Владислав Склодовский со своими дочерьми Марией, Броней и Хеленой в 1890 году.
Дети семьи Склодовских: слева направо, Зося (родилась в 1862), Хелена (1866), Мария (1867), Юзеф (1863) и Броня (1865).
* * *
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА
Химическая лаборатория будет неполной, если на ее стенах не висит периодическая таблица, и обычно преподаватель химии не может обучать этому предмету, не ссылаясь на нее. Периодическая таблица появилась благодаря великому химику Дмитрию Менделееву (1834–1907). Когда в 1867 году Менделеев впервые столкнулся с преподаванием неорганической химии, он обнаружил множество соединений, элементов и реакций, не обладающих видимой связью. С целью организовать этот хаос преподаватель обобщил информацию о каждом элементе на маленьких карточках, расположил их по возрастанию атомной массы и сгруппировал всеми возможными способами. В отчаянии оттого, что не может найти главного принципа,
Менделеев заснул на рабочем столе, и ему приснилось нечто, похожее на периодическую таблицу. Проснувшись, он составил таблицу, в которой атомная масса элементов, представленных по рядам, увеличивалась слева направо. Колонки, названные «группами», включали в себя элементы, имеющие сходные химические свойства. Однако таблица Менделеева была не первой попыткой организовать химические элементы. Так, в 1829 году немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер нашел серию триад; в 1864 году англичанин Джон Ньюлендс расширил эту классификацию и установил закон октав, а в 1869 году немец Юлиус Майер составил классификацию, очень похожую на систему Менделеева. Но самым примечательным в классификации русского химика была ее способность к прогнозированию: можно было предсказать существование элементов, которые, хотя еще и не были открыты, должны были заполнить пустоты таблицы. Менделеев даже имел смелость предсказать свойства некоторых неизвестных элементов, а именно галлия, германия, радия и полония. Потребовалось почти полвека, чтобы с помощью модели атома новозеландского ученого Эрнеста Резерфорда, разработанной в 1911 году и дополненной в 1913 году датским ученым Нильсом Бором (модель которого включала квантовые постулаты), стало возможным подтвердить правильность порядка, найденного Менделеевым.
* * *
Несмотря на то что женщинам доступ к высшему образованию был запрещен, в Польше (и семья Марии тому пример) было много образованных женщин, которые имели профессию.
К примеру, мать будущей исследовательницы была директором лучшего женского пансиона в Варшаве. Однако во Франции, где женщинам не нужно было преодолевать препятствия для получения образования, это было редкостью. Так что присутствие студенток в Сорбонне, чаще всего иностранок, воспринималось как допустимая эксцентричность на преимущественно мужской территории. Показательный образ женщин французского общества представляет нам писатель Октав Мирбо (1848–1917), который утверждал, что «женщина — это не мозг, это чувственность, что намного лучше. У нее есть единственная роль в этом мире: заниматься любовью и обеспечивать продолжение рода».
Невозможно описать все, что мне дали те годы. Освободившись от каких-либо материальных обязательств, я погрузилась в радость учения, хотя условия моей жизни были далеки от идеальных.
Мария Кюри, «автобиографические заметки»
Итак, в Париже той «прекрасной эпохи» женщинам позволялось поступать в Сорбонну, но женщина, которая кроме этого претендовала на изучение физики и математики, считалась странным человеком. Похоже, это не останавливало Марию, которой недавно исполнилось 24 года. Она приехала в столицу Франции, готовая воспользоваться этой возможностью, не обращая внимания на все предрассудки и материальные затруднения. Как Мария объяснила позже, больше всего на этом новом этапе своей жизни она наслаждалась ощущением свободы, того, что она хозяйка своего времени и может учиться без ограничений, посещая те занятия, которые ей нравятся. Кроме того, после занятий с учителями на родине, которые (за редким исключением в виде ее двоюродного брата Юзефа Богуского) имели скудное образование, она в значительной степени оценила то, что в Сорбонне были одни из лучших в Европе преподавателей по естественным наукам.
Через несколько месяцев после прибытия в Париж она оставила дом своей сестры и сняла комнату на последнем этаже здания в Латинском квартале (район, расположенный очень близко от Сорбонны), где вела спартанский образ жизни. Ее время распределялось между занятиями, работой в лаборатории и самостоятельной подготовкой в библиотеках и дома. Поскольку бюджет Марии был очень скудным, она не могла оставить ни сантима на такую роскошь, как покупка мяса, угля для обогрева и приготовления еды и сменной одежды. У нее также не было других занятий, кроме учебы, так что тратить пол-утра на покупки и стряпню не входило в ее планы. Скудность в еде привела ее к состоянию чрезвычайной слабости. К счастью, рядом была приятельница, которая оповестила сестру Марии, и та приютила ее на время. Но едва восстановив силы, Мария вернулась в мансарду, к скудной еде и бесконечным часам учебы.
Она страдала не только от голода, но и от холода; сама Мария рассказывает в мемуарах, что зимой замерзала вода в раковине, которая стояла в ее комнате, и однажды, когда уже не хватало одежды и одеял, она накрылась сверху стулом, чтобы хоть как-то согреться. Но даже питаясь почти исключительно чаем, хлебом и маслом и съедая иногда одно яйцо, через два года после прибытия в Париж она завершила образование по физике, став лучшей в своем выпуске. Главное, она всегда вспоминала эти годы как полные счастья: после стольких лет ожидания и борьбы наконец-то исполнилась ее мечта изучать естественные науки в одном из лучших университетов.
Благодаря отличным оценкам Марии предоставили грант Фонда Александровича, предназначенный для выдающихся польских студентов, которые желали учиться за границей. Это позволило ей теперь изучать в Парижском университете математику. В июле 1894 года она стала второй в списке выпускников курса, что было для нее поражением, за которое она упрекала себя в течение нескольких лет.
После этого Мария получила еще один грант, на этот раз французский, от Общества поощрения национальной промышленности. Его целью было изучение магнитных свойств сталей под руководством профессора Габриэля Липпмана, одного из наставников Марии в Сорбонне. Когда девушка начала выполнять эту работу, выяснилось, что в лаборатории нет необходимых инструментов и что она не может рассчитывать на сотрудничество ни с одним ученым, разбирающимся в этой теме; однако благодаря счастливой случайности обе проблемы были решены. Доктор Юзеф Ковальский, в то время преподаватель физики во Фрайбургском университете, совершал свадебное путешествие в Париж со своей супругой, молодой полькой, которая знала Марию еще со времен ее работы гувернанткой в доме Зоравских. Мария встретилась с ними и рассказала о своих проблемах. Ковальский сказал ей, что знает человека, способного ей помочь, ученого, который больше всех знает о магнетизме не только во Франции, но и на всем континенте: это Пьер Кюри. Одним весенним вечером 1894 года Ковальский пригласил их обоих.
МАГНЕТИЗМ ПЬЕРА
Официальные биографы, среди которых сама Мария и ее дочь Ева, говорят, что связь между Пьером и Марией возникла сразу; можно сказать, что это была любовь с первого взгляда. Слова кажутся бедными для того, чтобы описать, что же возникло между ними — нечто такое же интенсивное, как магнитные поля, которые использовал Пьер для изучения магнетизма.
Настолько интенсивное, что Мария отклонилась от той цели, которую себе поставила, — приехать в Париж только для того чтобы потом использовать полученные знания на благо своей родины. После получения высшего образования в области физики и математики и окончания гранта на изучение сталей Мария планировала вернуться в Варшаву. Она хотела помочь своей стране наилучшим способом из известных ей: обучая своих соотечественников. Так, летом 1894 года Мария думала, что оставляет Париж навсегда.
Но она не могла предвидеть встречу с Пьером. Он впервые в своей жизни поборол свою хроническую нерешительность и сделал все возможное и невозможное, чтобы убедить Марию вернуться. Пьер не был связан никакими отношениями, когда познакомился с Марией; он жил для науки и не был готов разделить свою жизнь с кем-то, у кого не было бы той же цели, что и у него. Его мнение о научных способностях женщин было не слишком высоким, но это, как и многое другое в его жизни, резко изменилось после знакомства с Марией. Не менее радикальными были изменения и в жизни молодой женщины.
Итак, этот серьезный и застенчивый господин, у которого в его 35 лет не было никаких отношений, все лето искал способ встретиться с Марией. Поехать к ней в Варшаву казалось ему чрезмерным вмешательством, но он подумал, что, возможно, они смогут встретиться в Швейцарии, когда она с отцом на несколько дней поедет туда на отдых. В итоге он не решился на эту встречу (как расскажет об этом позже), но не переставал писать ей в своем характерном хаотичном стиле. В этих письмах он говорил о том, что они имеют общую мечту посвятить себя науке. Также он делал ей такие неприличные предложения, как снять вдвоем квартиру, которая была рядом с их лабораторией. Сегодня кажется естественным, что мужчина и женщина живут вместе, не оформляя отношений, но в конце XIX века предложение жить в одном доме, не состоя в браке, должно быть, звучало вопиюще даже для Марии, которая мало внимания обращала на условности. Одно дело — принимать его в мансарде в Латинском квартале, где она жила одна, а совсем другое дело — согласиться на предложение жить с ним, какой бы удобной ни была для обоих эта квартира.
Пьер Кюри в 1891 году начал изучение магнитных свойств различных соединений и элементов. В то время знания о магнетизме были очень пространными, но было известно, что вещества можно разделить на три группы в зависимости от их поведения в присутствии магнитных полей. Самой многочисленной группой были диамагнетики, то есть группа слабомагнитных веществ, намагничивающихся против направления внешнего магнитного поля. Парамагнитные вещества, наоборот, намагничиваются по направлению внешнего поля. Наконец, сильномагнитные вещества, или ферромагнетики, среди которых железо, могут обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. Пьер изучал поведение 20 веществ в магнитном поле, нагревая их до высокой температуры, и выяснил, что диамагнетики не изменяют свойств с ростом температуры, в то время как парамагнитные вещества теряют при этом магнитные свойства. Но наиболее вызывающе вели себя ферромагнитные вещества, которые теряли свои свойства и превращались в парамагнетики, если имели температуру выше пороговой (названной температурой Кюри в честь Пьера).
Результаты этой работы составили его докторскую диссертацию, представленную 6 марта 1895 года. Это была выдающаяся работа, которая произвела революцию в знаниях того времени о магнетизме. Среди присутствующих на защите был доктор Эжен Кюри; как отец, он мог с гордостью убедиться, каким удачным было его решение не отдавать своего сына, казавшегося тугодумом, в школу, а вместо этого нанять учителей, чтобы не менять его личного ритма обучения. Еще одним человеком, присутствовавшим на защите, была польская студентка, которая попросила помощи Пьера в исследованиях магнитных свойств сталей. Должно быть, девушка произвела на него очень большое впечатление, поскольку через некоторое время после знакомства с ней Пьер отправил ей необычное любовное послание — экземпляр статьи с дарственной надписью, в которой он сформулировал свой универсальный принцип симметрии.
Практичный характер и возможность создания семьи, которую, должно быть, учитывал Пьер, наверное, были определяющими в решении получить наконец докторскую степень. Вне зависимости от мотивов, которые побудили его представить диссертацию, это было очень плодотворным решением, поскольку через некоторое время после защиты Пьер получил кафедру в Школе промышленной физики и химии. С другой стороны, он привлек внимание Французской академии наук, которая через некоторое время вручила ему и его брату премию Планте за открытие пьезоэлектричества, совершенное, когда Пьеру было немногим больше 20 лет. Это признание не было случайностью; когда Пьер защитил докторскую диссертацию, он уже получил результаты первой величины в различных областях (таких как симметрия кристаллических соединений, пьезоэлектричество и магнетизм), и его работы привлекли внимание влиятельных иностранных ученых, таких как лорд Кельвин. Тот факт, что он не представлял свою диссертацию раньше, был вызван не исследовательской ревностью, а тем, что он не придавал значения почестям и академическим званиям.
Мария (внизу слева) в семейном кругу. Фотография была сделана, когда она еще жила в Варшаве.
Мария в доме Длуских на улице Альмань после прибытия в Париж. Это была любимая фотография Пьера.
Супруги Кюри с велосипедами, на которых они отправились в свадебное путешествие.
* * *
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО: ВОПРОС СИММЕТРИИ
Механизм поджига во многих газовых плитах основывается на явлении, открытом Пьером Кюри вместе с его братом Жаком. Оно состоит в создании разряда с помощью давления, которое является следствием отсутствия центра симметрии в некоторых веществах. Когда создается давление на определенную ось кварца или турмалина, заряды автоматически распределяются по граням, перпендикулярным этой оси, и создается небольшая разница потенциалов. Первым перспективным применением этого явления был пьезоэлектрический сонар, который разработал Поль Ланже- вен во время Первой мировой войны для обнаружения подводных лодок. Пьезоэлектрическая система, подключенная к гидрофону, издавала высокочастотные сигналы, и, измерив время, через которое возвращалось эхо, можно было вычислить расстояние до объекта. Затем было разработано огромное число устройств, использующих этот эффект; одно из самых простых — зажигалка: при нажатии на кнопку ударник бьет по пьезоэлектрическому кристаллу, создается высокое напряжение на концах кристалла, из-за чего возникает искра, с помощью которой зажигается газ.
Распределение зарядов в веществе без центра смещения: в центре — распределение симметрии; слева — удлинение, а справа — сжатие вдоль одной из осей, параллельной плоскости бумаги.
БРАК
Самым заметным изменением в жизни Пьера после защиты диссертации было изменение не академического статуса, а семейного положения. Поначалу казалось, что двум людям из таких далеких городов, как Париж и Варшава, столиц таких разных обществ — блестящей Франции конца XIX века и расчлененной Польши, будет сложно найти взаимопонимание. Но несмотря на расстояние, было много вещей, которые их объединяли. Они происходили из похожих семей, члены которых были очень близки друг другу и испытывали большое увлечение наукой. В обеих семьях было гораздо больше академического образования, чем денег, а их родители были в какой-то степени потерпевшими неудачу учеными.
Но в их академическом образовании было фундаментальное различие: в то время как Мария была примерной ученицей, которая получала высшие оценки на всех занятиях, Пьер из-за разновидности дислексии, вызвавшей сложности при письме, обучался за рамками общего образования. Столкновение железной дисциплины Марии и хаотичного и бьющего через край творчества Пьера, должно быть, вызывало многочисленные конфликты, но затем эти характеры необычным образом дополнили друг друга как в личном, так и в профессиональном плане. Их любовь к науке была такой же безусловной, как и презрение к деньгам и славе. Спартанский образ жизни, без уступок моде или капризам, был естественным для них обоих. И наконец, хотя и по-разному, но оба были глубоко ранены душевно: Пьер — смертью подруги отрочества, Мария — презрением семьи Зоравских.
Свадьба состоялась 26 июля 1895 года в муниципалитете Со, в пригороде Парижа, где жил Пьер со своими родителями. Самым ветреным поступком, который совершила Мария, чтобы отметить это событие, была покупка нового костюма. Но она специально выбрала модель синего цвета: затем его можно было носить в лаборатории. По открытому желанию молодоженов церемония была светской. Пьер не был крещен и также не получил никакого религиозного образования из-за атеистических убеждений его отца. Мать Марии, напротив, была ярой католичкой, которая воспитывала своих детей в этой религии, но ее ранняя смерть, причинившая Марии столько боли, стерла у девушки все следы веры.
Молодожены поехали в свадебное путешествие по полям Бретани на велосипедах, которые купили на деньги, полученные в качестве свадебного подарка. В конце XIX века велосипед был невольным участником беспрецедентной революции в женском поведении. В то время появились первые конструкции с двумя колесами одинакового размера, что превращало их в эффективное средство передвижения и делало езду доступной для женщин. Одежду, включая корсеты, многослойные юбки и пышные шляпы, для этого пришлось упростить. Юбки укоротились и подобрались, их дополнили шаровары, чулки до колен и дамские ботинки. Шляпы стали легче и плотно прижимались к голове, корсеты сократились до минимума, чтобы облегчить движения. Все эти изменения были не просто вопросом моды, они предполагали кардинальные перемены в женском социальном поведении.
Мария стала страстной велосипедисткой, и ее одежда была приспособлена к езде на велосипеде, как это можно видеть на известной фотографии, где они вместе с Пьером стоят у дома его родителей в Со. Супруги сделали этот снимок рядом со своими новыми велосипедами после свадьбы. На Марии довольно короткий костюм, дамские ботинки и маленькая соломенная шляпка. Супруги не ограничились этой поездкой, и с учетом дешевизны этого транспорта велосипеды стали их семейным средством передвижения. Кроме того, так как Мария была ярой сторонницей упражнений на свежем воздухе, велосипед был главным элементом ее досуга.
После возвращения из свадебного путешествия пара переехала в маленькую квартиру на улице Гласьер (рядом со Школой промышленной физики и химии), которую они заполнили лишь самой необходимой мебелью, оказавшейся ненужной их семьям. Пьер вновь принялся за работу преподавателя, а также за исследования симметрии кристаллов и магнетизма. Так как его зарплаты не хватало на то, чтобы содержать семью из двух человек даже с такими небольшими потребностями, Мария подготовилась к конкурсу на получение должности преподавателя и заняла первое место на экзаменах, которые сдала летом 1896 года. Это дало ей право вести уроки в нормальных школах для девушек, и с 1900 года она стала преподавать в школе в Севре. Кроме того, Мария возобновила изучение намагниченности разогретых сталей, но занималась этим не в лаборатории Липпмана в Сорбонне, а в Школе промышленной физики и химии, где работал Пьер. Пауль Шуценбергер, директор школы и постоянный покровитель Пьера, широким жестом позволил ей работать там же, где Пьер проводил эксперименты для диссертации. Мария закончила исследования в 1897 году, когда их первая дочь уже должна была появиться на свет, и опубликовала результаты в 1898 году.
Во время каникул мы ездили на велосипеде еще дальше. Мы объехали значительную часть Оверни и Севенн, так же как и несколько прибрежных районов. Эти поездки на весь день, в результате которых мы каждый вечер приезжали в новое место, были наслаждением.
Мария Кюри, «автобиографические заметки»
* * *
Рождение Ирен 12 сентября 1897 года не вынудило Марию отступиться от намерения сделать научную карьеру. Пьер даже не задумывался о такой возможности, а Мария получила неоценимую помощь от другого мужчины семьи Кюри. Важную роль сыграл ее свекор Эжен Кюри, доктор на пенсии, который присутствовал при родах. После смерти своей супруги, через две недели после рождения Ирен, он оставил собственный дом и обосновался в доме Марии и Пьера, полностью посвятив себя заботе о внучке. Хотя Мария старательно следила за физическим и умственным развитием дочери и шила для нее всю одежду, именно дедушка Эжен наблюдал за польскими кормилицами внучки и играл с ней.
Должно быть, Эжен был исключительным человеком, поскольку он не только не критиковал необычное поведение своей невестки, но и поддерживал Марию во всех ее решениях. Когда она вернулась в лабораторию через три месяца после рождения Ирен, то знала, что оставляет девочку в хороших руках. Марии нужно было много сил, чтобы взяться за новую исследовательскую работу, поскольку она собиралась получить степень доктора наук, которую впервые за 600 лет истории Парижского университета присвоили бы женщине.
ЛУЧИ В ТЕМНОТЕ
Первый вопрос, которым задались супруги, был о предмете исследований Марии. Пьер уже был известным ученым, когда познакомился с Марией, что она прекрасно понимала, несмотря на отсутствие признания со стороны официальных научных учреждений во Франции, таких как Парижский университет и Французская академия. Пьер был пионером в различных областях, и, как свидетельствовали его ученики, он был отличным наставником. Следовательно, Мария могла провести работу в любой из областей, где Пьер был специалистом. Однако она была зачарована интригующими «урановыми лучами», открытыми Анри Беккерелем за пару лет до этого. Так что Мария решила, что ее диссертация будет посвящена этой области; молодая польская студентка не последовала по блестящему научному пути своего мужа, а решила проложить свою собственную дорогу. Исследование оказалось таким завораживающим, что в конце концов привлекло и гения-мечтателя Пьера. Вдвоем они одержали победу там, где Анри Беккерель, член Французской академии, потерпел поражение.
В последние годы XIX века ученые Парижа и всей Европы находились под впечатлением революционного открытия, которое совершил в ноябре 1895 года Вильгельм Конрад Рентген, преподаватель физики в университете Вюрцбурга. Рентген изучал действие электрических разрядов в вакуумных трубках Крукса и свойства катодных лучей, возникающих в них. Ученый заметил, что кроме катодных, в трубке возникают другие типы лучей.
Рентген назвал их икс-лучами в честь символа неизвестной переменной, поскольку у них были свойства, которые отличали их от всех лучей, известных к тому времени. Например, они позволяли видеть кости, не повреждая окружающих их тканей, что Рентген продемонстрировал на самом известном рентгеновском снимке в истории, где запечатлена рука его жены Берты с кольцом на безымянном пальце. Свойства этих лучей были такими невероятными, что о них писали все газеты. Сразу же была предложена возможность использовать их в медицине, как для постановки диагноза, так и для лечения. Даже велись споры, можно ли воспользоваться их способностью открывать скрытое для того, чтобы действовать против чести и достоинства дам.
В лабораториях по всему миру началось лихорадочное стремление открыть лучи с такими же завораживающими и уникальными свойствами, как у рентгеновских. Всего лишь через месяц после объявления об их открытии, 20 января 1896 года, икс-лучи были официально представлены в Париже президентом Французской академии наук Анри Пуанкаре. Выдающийся ученый указал на возможность связи между рентгеновскими лучами и фосфоресценцией, то есть на способность некоторых веществ излучать свет после того, как они были освещены. Среди французских исследователей, присутствовавших при этом, был Анри Беккерель, член династии, занимавшейся изучением явлений фосфоресценции.
Интерес семьи Беккерелей к этому явлению возник во время поездки в Венецию дедушки Анри, Антуана (1788–1878), где он был впечатлен фосфоресценцией моря. За исследования по электричеству Антуан стал членом английского Королевского общества, чем могли похвалиться очень немногие иностранцы. Он также был первым Беккерелем, который руководил лабораторией прикладной физики в Музее естественной истории во Франции, — должность, которую непрерывно занимали члены его семьи в течение почти сотни лет. Его сын, Александр Эдмон (1820–1891), продолжил изучать явления фосфоресценции и сменил своего отца на посту директора лаборатории музея. Его внук, Анри (1852–1908), который родился в жилом помещении музея, отведенном для семьи директора, учился сначала в Политехнической школе, а затем в Национальной школе мостов и дорог. Он начал научную карьеру под руководством отца, которого сменил на посту директора лаборатории музея. Несколькими годами ранее, в 1889 году, он был избран членом Французской академии, пожизненным секретарем которой он стал позже, а в 1895 году получил кафедру в Политехнической школе. Его сын, Жан Беккерель (1878–1953), сменил его на посту директора лаборатории прикладной физики музея.
* * *
ТРУБКИ КРУКСА, X-ЛУЧИ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
Английский химик сэр Уильям Крукс (1832–1919) изучал проводимость газов при крайне низком давлении и для этого разработал трубки, которые носят его имя. Ученый заметил, что если в концы трубки с вакуумом поместить два электрода, к которым приложить высокое напряжение, по трубке проходят лучи, испускаемые катодом (в связи с чем он назвал их «катодные лучи»), из-за чего светятся флуоресцентные экраны, на которые они направлены. Очевидность этих результатов привлекла внимание других исследователей. Так, 8 ноября 1895 года немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) заметил, что когда катодные лучи сталкиваются с металлической поверхностью анода в трубке Крукса, они производят другие лучи с уникальными свойствами: они невидимы, способны выходить из трубки, пересекать черный картон и освещать флуоресцентный экран. Он назвал их икс-лучами за их интригующие свойства, и через несколько недель после открытия (которое в итоге принесло Рентгену Нобелевскую премию по физике) они уже применялись в медицине, произведя революцию в методах диагностики и лечения. Любопытство, которое рентгеновские лучи вызвали у ученых, породило другие открытия, среди них — открытие радиоактивности. Никто не думал, что у них может быть другое применение, пока в 1912 году немецкий физик Макс фон Лауэ (1879–1960) не выяснил, что когда лучи пересекают кристаллы сульфата меди, то дают характерные точки на фотографической пластинке. В следующем году британский физик Уильям Генри Брэгг (1862–1942) и его сын Уильям Лоренс (1890–1971) открыли, что длина волны икс-лучей (γ) связана с расстоянием, разделяющим ряды атомов в кристалле (d), и с углом, который образуют лучи с кристаллом (θ), математическим отношением, названным в их честь законом Брэгга: nγ = 2d ∙ sin θ . Открытия Брэггов и фон Лауэ снабдили ученых очень мощным инструментом анализа структуры веществ любого типа, что способствовало пониманию множества физических, химических и биологических процессов.
Производство катодных лучей.
Схема трубки с x-лучами, охлаждаемой с помощью воды
* * *
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ И ПУДИНГ
В 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856–1940), директор лаборатории Кавендиша в Кембридже, доказал, что катодные лучи, производимые в трубках Крукса, были потоками частиц с отрицательным зарядом. Он изучал отклонения лучей в присутствии магнитных и электрических полей и из результатов сделал вывод, что масса частиц, которые их образуют, примерно в 1800 раз меньше, чем масса самого легкого известного атома — водорода. Кроме того, он заметил, что частицы общие для всех атомов, так что они должны быть их частью. В результате этого открытия оказалось, что модель атома Дальтона, согласно которой атомы неделимы, неверна. Томсон предложил новую модель атома, которую назвал «пудинг». Такое необычное название было очень подходящим, поскольку отсылало к предположению Томсона о том, что любой положительный заряд (и вместе с ним почти вся его масса) атома распределен равномерно, занимая весь объем (как тесто пудинга), а отрицательные заряды (электроны, то есть изюминки) размещены внутри. Естественно, речь шла об очень примитивном и далеком от реальности представлении, как мы знаем сегодня, но это было огромным шагом вперед к пониманию сложной природы атома. Томсон определил отношение заряд/масса частиц, которые образовывали катодные лучи, изучая, как они отклоняются электрическим и магнитным полями. Несколькими годами позже Томсон разработал технику химического анализа, масс-спектроскопию, с помощью которой его ученик Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) открыл изотопы, атомы с одинаковым числом протонов (атомным номером) ядра, но различным числом нейтронов, то есть другим массовым числом. Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за открытие того, что катодные лучи образованы частицами, названными электронами.
Катодные лучи (центральная линия) отклоняются из-за электрического поля (серый прямоугольник в центре).
БЕККЕРЕЛЬ И РАДИОАКТИВНОСТЬ
Анри Беккерель официально считается первооткрывателем радиоактивности, хотя он даже не дал ей названия — это сделала Мария — и на самом деле не открывал ее, поскольку это явление уже было обнаружено за несколько лет до него Ньепсом де Сен-Виктором (1805–1870), французским исследователем, который в промежутке между 1856 и 1861 годами опубликовал несколько работ по излучению урановых солей. Однако следует учитывать, что для науки нормально признавать первооткрывателем не того, кто первым заметил явление. Чтобы открытие было признано и одобрено как часть научного знания, оно должно быть не просто опубликовано в престижном журнале, но и достоверно определено и принято научным сообществом. Так, например, дедушка Анри открыл пьезоэлектричество за 60 лет до Пьера и Жака, но ни он, ни его современники не смогли объяснить это явление и не нашли ему применения, поэтому оно было забыто. Нечто похожее, должно быть, произошло с открытием Ньепса.
Продолжая работу отца и деда, Анри Беккерель изучал явления фосфоресценции, сосредоточившись на солях урана. Чтобы обнаружить их излучение, он пользовался фотографическими пластинками и солнцем в качестве источника света. Собираясь выступать в Академии наук в начале марта 1896 года, в конце февраля он приготовил соли урана на пластинке. Он использовал серебряную эмульсию, которую покрывал черной бумагой, чтобы она не засветилась под солнечным светом, а облучалась лишь лучами, испускаемыми солями. Но в среду 26 февраля и в четверг 27-го в Париже было пасмурно, и Беккерель хранил пластинку с солями в ящике. Несмотря на то что в следующие дни также не было солнца, исследователь решил проявить пластинку, столько дней пролежавшую без воздействия солнечного света. Ученый ожидал, что результат будет очень размытым. Однако оказалось, что оттиск на фотографической пластинке четкий. Он повторил эксперимент, чтобы подтвердить, что излучение имеет место без всякого осветительного процесса, который бы активизировал фосфоресценцию, и обнаружил: соли продолжают излучать, пролежав несколько дней в темноте. Беккерель представил результаты на следующем заседании Академии наук, к изумлению представителей европейских лабораторий. Исследователь тогда предположил, что это явление — фосфоресценция, но не обычная, которую до этого обнаруживали для солей урана, а «невидимая и долгосрочная».
Беккерель повторил свои эксперименты с помощью прибора, который зафиксировал бы излучение с большей скоростью и точностью, чем это можно было сделать с помощью фотографической пластинки. Чтобы проверить, ионизируют ли лучи воздух, то есть высвобождают ли они заряд и делают его проводником, он решил применить электроскоп — прибор, использованный в первых исследованиях по электростатике. Этот прибор, показанный на рисунке, состоит из стержня-проводника с пластинками из золота на конце, который помещается в сосуд. Чтобы узнать, содержит ли тело электрический заряд, надо лишь дотронуться им до верхнего конца стержня. Если тело заряжено, то заряд проходит через него к золотым пластинкам, которые отталкиваются из-за одноименного заряда. Чем больше заряд, тем больше угол отклонения.
Беккерель выяснил, что заряженный электроскоп разряжается из-за действия урановых лучей. Это говорило о том, что они ионизируют (заряжают) среду (воздух), в которой распространяются. Однако попытка количественно оценить излучение оказалась неудачной: удалось лишь установить связь между углом отклонения пластинки из золота от главной оси электроскопа и временем излучения. Но результаты не были воспроизводимыми, поскольку изменение угла было величиной, которая не предполагала точного измерения.
Далее он выяснил, что соли урана в растворе также дают излучение, а это означало, что оно не является исключительным свойством твердых тел. Хотя Беккерель настаивал на том, чтобы назвать новое явление «невидимой фосфоресценцией» (три семейных поколения, занимавшихся фосфоресценцией, должно быть, оказывали свое влияние), каждый раз было все более очевидно, что оно совсем не связано с тем, что изучали его отец и дед. На самом деле у них было больше схожести с рентгеновскими лучами, поэтому Беккерель решил проверить, подвержены ли урановые лучи, по аналогии с рентгеновскими, явлению рассеивания (изменению направления распространения при столкновении с препятствиями на своем пути) и поглощаются ли они различными веществами. Ученый заметил, что их поведение не похоже на поведение рентгеновских лучей (сегодня мы знаем, что «урановые лучи» включают в себя различные типы излучения, одно из которых похоже на рентгеновское, а другие нет; сложность урановых лучей была неизвестна Беккерелю).
Ученый также исследовал вопрос о том, что отвечает за излучение: химический элемент уран или одно из его соединений. Он заметил, что явление проявляется как у солей желтого цвета, для которых характерна фосфоресценция и в которых степень окисления урана +6 (то есть он потерял 6 электронов из оболочки), так и у зеленых солей со степенью окисления +4, для которых фосфоресценция нехарактерна. Затем Беккерель измерил излучение чистого урана, пользуясь фотографическим методом, с которого он начал свои исследования, и выяснил, что оно наиболее интенсивное из всех анализируемых. Это подтвердило то, что речь идет об атомном явлении, связанном с элементом — ураном.
В 1897 году Беккерель был избран ежегодным президентом Физического общества, что сопровождалось бюрократической и отчетной работой, поэтому он не продолжал свои эксперименты в этой области. Он сделал лишь один доклад, в котором резюмировал результаты своей работы, и объявил о разряжении электроскопа урановыми лучами. После этого Беккерель вернулся на знакомую территорию, к изучению «классической» фосфоресценции, оставив теорию урановых лучей в зачаточном состоянии.
Мы уже рассмотрели причины, из-за которых лучи, открытые Беккерелем, были забыты. Возможно, когда их сравнили с рентгеновскими и выяснили, что они дают намного менее четкий рисунок, они оказались не очень интересными. С другой стороны, их было не так просто получить, поскольку вместо вакуумных трубок и генераторов, необходимых для получения рентгеновских лучей, нужно было иметь соединения урана, которые были доступны не во всех лабораториях. Но самым главным фактором, вызвавшим прекращение их изучения, оказалось то, что это явление было выше понимания ученых того времени, и сколько бы экспериментов ни ставил Беккерель, он не мог ответить на самые простые вопросы о природе наблюдаемых лучей. Первый из них был связан с источником энергии процесса: поскольку не было необходимости в облучении, что же вызывало урановые лучи и откуда происходила их энергия? Было похоже, что она неистощима, поэтому само существование подобного явления, казалось, нарушает принцип сохранения энергии.
* * *
ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ: ОТ НАУТИЛУСА ДО ЛАБОРАТОРИИ
Хотя истории моряков, которые видели ночное свечение моря, известны с древности, именно Жюль Верн впервые написал об этом — в романе «Двадцать тысяч лье под водой». Герой произведения, капитан «Наутилуса» Немо, объяснял явление «молочного моря» присутствием миллионов инфузорий, маленьких морских микроорганизмов, которые светятся в темноте. Роман был опубликован в 1870 году, но это явление привлекло внимание Антуана Беккереля задолго до этого, в начале XIX века. Ученый заметил, что многие минералы обладают способностью светиться в темноте, и завещал своему сыну изучить это явление. Его внук, который продолжил семейные исследования, в конце концов открыл радиоактивность фосфоресцирующих соединений урана, которые испускают свет в темноте, — явление, получившее название «люминесценция». В зависимости от факторов, которые ее порождают, говорят о фотолюминесценции, когда причиной испускания света является внешнее воздействие света, хотя и с другой длиной волны, о хемилюминесценции, когда причиной является химическая реакция, и о биолюминесценции, когда свет испускается живыми организмами. В свою очередь, фотолюминесценция может быть флуоресценцией, когда испускание света одновременно световому излучению, которое ее порождает (не абсолютно одновременно, но промежуток времени между процессами очень короткий, порядка 10 наносекунд, 0,00000001 = 10 х 10 -9 секунд), или фосфоресценцией, когда оно происходит позже (или, точнее, когда промежуток времени между облучением и началом свечения больше 10 наносекунд, а может доходить до нескольких часов). Причина задержки в испускании света при фосфоресценции происходит из-за перекрещивания электронных состояний с различной мультиплетностью. Это приводит к уменьшению вероятности того, что произойдет переход. Такие процессы, которые описываются вероятностным формализмом квантовой физики, были частью необъяснимой феноменологии для физики конца XIX века. С другой стороны, следует сказать, что ни одно из явлений люминесценции никак не связано с радиоактивностью, являющейся спонтанным явлением, у которого нет никакого предварительного источника возбуждения светового, химического или животного происхождения.
Схема, показывающая разницу между флуоресценцией и фосфоресценцией (где S — мультиплетность, а Е — энергия).