В другой статье 1928 г. Дайсон вновь обратился к теории колебаний; он целых две страницы объясняет парфюмерным химикам, что запах не может быть ни действием на расстоянии, ни химической реакцией пахучего вещества с клетками в носу. Первая мысль объясняется тем, что только объекты, способные к испарению, имеют запах, а вторая – тем, что молекулы типа парафинов (цепочки групп – CH2 с верхушками из – CH3) действительно имеют запах, а в остальном химически инертны. В ироничном извинении, которое сближает его со всеми, кому доводилось выдвигать новые научные идеи, он так говорит о своей теории колебаний: «Конечно, можно сказать, что это тоже умозрительная идея, но в целом гипотезы, основанные на известных явлениях, предпочтительнее тех, что порождены исключительно фантазией». Вскоре он, как и Ружичка, синтезировал полную серию макроциклических мускусов от шести до двадцати атомов углерода и сообщил, что только кольца с четырнадцатью и пятнадцатью атомами углерода обладают запахом мускуса. Это очень гибкие молекулы примерно одинаковой формы и с довольно различными запахами. В течение последующих трех лет Дайсон завершил изучение горчичных масел, опубликовав много статей с одинаковым названием и последовательной нумерацией, что было вполне характерно для тех времен, когда темп развития научной жизни не был таким безумным, как ныне.
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.
