Хью Олдерси-Уильямс
Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка
Пятно цвета охры
От обладания золотом проистекают земная власть и сила, но от железа когда-то исходило ощущение силы небесной. Куски его падали с неба… и падают до сих пор. Железные метеориты, дары чистого металла, сразу становились священными предметами. В некоторых древних верованиях само небо представлялось сделанным из металла. В финской мифологии Ильмаринен, Бог-Кузнец, на заре времен выковал небесный свод. Конечно, подобный миф мог родиться только в стране с серым небом.
Сам факт падения с неба свидетельствовал о том, что управлялись дары не чем иным, как божественной волей. Эти аэролиты сразу же становились более авторитетными представителями небес на земле, нежели какие-либо земные материалы или артефакты, обожествленные человеком. Поклонение им возникло значительно раньше, чем в сознание человека прокралась мысль о возможности обработки упавшего с неба металла. Таинственным отполированным камням трудно было найти какое-то применение, кроме как поместить их в храмы. Но и в более цивилизованные времена железо бросает человечеству нравственный вызов. Как сказано в Коране (сура 57:25), Бог направил к нам посланников, писание и закон.
Мы послали Наших посланников с ясными знамениями и низвели вместе с ними писание и весы, чтобы люди стояли в справедливости, и низвели железо; в нем сильное зло и польза для людей, и чтобы знал Аллах, кто помогает Ему и Его посланникам втайне. Поистине, Аллах – силен, велик![6]
В Планетарии Хейдена в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке находятся несколько самых крупных железных метеоритов. Один из них, метеорит «Вильяметт», – 15-тонная глыба серебристо-черного цвета размером с небольшой автомобиль, формой напоминающая кусочек попкорна. Это практически чистый металл – железо с небольшим процентом никеля, – за столетие в музее отполированный прикосновениями посетителей. Зайдя туда как-то, я обнаружил его в окружении толпы детей. Я прикоснулся к метеориту и ничего не почувствовал, никакого волшебства, никакого восторга. А ведь какое-то время назад в другом музее я, затаив дыхание от волнения, держал в руках крошечный метеорит, который упал на землю после того, как оторвался от поверхности Марса. Другие посетители тоже прикасаются к «Вильяметту», кто с любопытством, кто с восторгом, кто с грубоватой фамильярностью или полным безразличием, но никто не прикасался к нему с благоговением. Парадоксальным образом само музейное окружение лишает этот исключительный объект его фантастической ауры, превращая в один из сотен интересных экспонатов. Я пытаюсь представить подобную массу металла в образованном ею кратере посреди орегонских лесов, где его когда-то нашли. Там он, конечно, должен был казаться чем-то из иного мира, даром богов.
Метеорит совершенно случайно обнаружил в 1902 г. иммигрант из Уэльса Эллис Хьюз на землях, по странному совпадению принадлежавших Орегонской сталелитейной компании. На протяжении нескольких месяцев Хьюз выкапывал громадину, затем соорудил специальную повозку и перевез метеорит к своему дому. Заявив, что нашел его на своей земле, Хьюз за осмотр достопримечательности брал с посетителей по 25 центов. К несчастью для него, одним из посетителей был юрист из Орегонской сталелитейной компании, заподозривший, что метеорит нашли на земле компании. После чего последовало довольно запутанное судебное разбирательство, которое Хьюз проиграл. Метеорит перешел во владение к компании, позже продавшей его одному филантропу, который и передал экспонат музею.
Метеорит «Вильяметт» сильно поврежден коррозией за столетия во влажных лесах, он весь в шрамах и выбоинах. Лучшие образцы железных метеоритов находят поблизости от полюсов во льдах. В 1818 г. британский исследователь Арктики Джон Росс был поражен, обнаружив, что охотники-эскимосы используют стальные орудия. Он предположил, что их металл имеет метеоритное происхождение, но только в 1894 г. американской экспедиции, возглавляемой Робертом Пири, удалось найти источник – три метеорита из четырех, которые получили от эскимосов названия в соответствии со своей величиной: «чум», «мужчина», «женщина» и «собака». Приложив огромные усилия, Пири извлек «чум» весом в 31 тонну; ныне он также находится в Американском музее естественной истории вместе с «женщиной» и «собакой». Четвертый метеорит, «мужчина», был обнаружен лишь в 1960-е гг. и выставляется в Копенгагене.
С этим открытием связан своеобразный парадокс: чтобы доставить массивные железные метеориты, обнаруженные в арктических льдах, Пири пришлось построить железную дорогу. Ее строительство потребовало ввоза гораздо большего количества железа, чем то, которое составляло массу метеоритов, – еще одно доказательство того, что небесный металл до сих пор обладает властью над металлом земным.
Метеориты из железа, как правило, становились весьма привлекательными предметами поклонения. Но в тех случаях, когда на первый план выходила необходимость выживания, первостепенное внимание, естественно, обращали на практическую пользу металла. Задолго до того, как обнаружили, что железо можно получать из земной руды, главным его источником для человечества было небо. Однако метеориты падают редко, поэтому в самых различных культурах, от Древнего Египта до ацтеков, железом дорожили за его практическую пользу и часто ценили выше золота. Предметы из железа, такие как, например, мечи, по своим функциональным характеристикам превосходили любое другое оружие. Бедуины считают, что человек, вооруженный мечом из метеоритного железа, становится неуязвимым. Тем не менее метеоритного сырья всегда было слишком мало и не хватило бы на то, чтобы вооружить армию, поэтому подобное оружие использовалось чаще для ритуальных, нежели для боевых целей.
Примерно пять тысяч лет назад, вероятно в Месопотамии, люди впервые научились выплавлять железо из довольно широко распространенных на земле руд. Постепенно почитание упавших с неба железных глыб сменилось откровенным недоверием к ним. До XIX столетия в образованном обществе относились с глубочайшим презрением к самой мысли, что куски чистого металла могут просто так упасть с неба. Как-то Французская академия путем голосования приняла резолюцию, что железных метеоритов в реальности не существует. И лишь с появлением новых методов анализа возникла возможность подтвердить их неземное происхождение. Прежде всего тем, что во многих из них содержится определенное количество (порой значительное) никеля, то есть они не могли быть частью земных руд. По сути, они представляют собой нержавеющую сталь. Более того, когда был впервые выпущен сплав стали с никелем, он рекламировался как «метеоритная сталь», таким образом подчеркивались его особые свойства. И наоборот, если в каких-либо древних артефактах, сделанных из железа, отсутствует никель, это служит для археологов явным свидетельством того, что металл был выплавлен из земной руды.
* * *
Хотя названия всех металлов в языках, произошедших от латыни, мужского рода (в немецком среднего), сами по себе металлы имеют гендерные ассоциации, совершенно не зависящие от их грамматического рода. Золото и серебро связывают с солнцем и луной, которые почти повсеместно ассоциируются соответственно с мужским и женским началом. К примеру, в греческой мифологии солнечный бог Аполлон облечен в золотые одежды, а его сестра Артемида охотится с помощью серебряного лука. В мифологии инков луна была сестрой солнца, состоявшей с ним в кровосмесительном браке. У других древних элементов гендерные ассоциации не столь однозначны. Например, ртуть в китайской и западной алхимической теории представляет женское начало, а сера – мужское, при том, что в индийской традиции она связывается с мужским божеством Шивой. Как бы то ни было, нет более мужского металла, чем железо.
Когда советская пресса назвала Маргарет Тэтчер «железной леди» за ее настойчивое противостояние коммунизму, она восприняла это как комплимент. Железо всегда символизировало силу и жесткость, слова почти синонимичные в повседневном употреблении, однако имеющие разные и совершенно конкретные значения в естественных науках. Железо обычно отличается твердостью, то есть оно очень незначительно меняет форму при силовом воздействии на него, но оно также значительно менее эластично и менее ковко, чем другие древние металлы. И именно названное качество неподатливости, а не только его твердость, служит основой большинства метафор, связанных с железом. Удачное символическое словосочетание, придуманное когда-то Черчиллем, «железный занавес» также построено на ассоциациях с физической и поведенческой негибкостью и, по-видимому, содержит тонкий намек на Сталина. С другой стороны, Веллингтон заслужил прозвище «железный герцог» не за героизм на поле боя, а за то, что повесил на окнах своего лондонского дома железные ставни, чтобы защититься от «толпы».
Ассоциации железа с мужественностью подчеркиваются и тем, что оно, как никакой другой металл, подходит для изготовления оружия. Тем не менее это вовсе не значит, что сделать из железа хороший меч легко. В Саттон-Ху в Суффолке, англосаксонском королевском захоронении, обнаруженном в 1939 г., археологи нашли шлем, изготовленный из цельного куска железа. Предположительно он принадлежал королю Редвальду, умершему около 625 г. н. э. Там же находились его меч и щит, сохранившиеся значительно хуже. Клинок меча был изготовлен путем сложного технологического процесса, подразумевающего наложение листов железа один на другой для создания формы клинка, в результате чего на его поверхности появляется тонкий декоративный рисунок. В случае использования названной технологии требуемые характеристики могут быть правильно распределены по поверхности: предельная твердость – ближе к лезвию клинка и некоторая гибкость в середине, чтобы меч не сломался при сильном ударе. Искусство кузнеца заключалось в его интуитивном понимании, когда нужно добавить больше углерода, получаемого из древесного угля в горне, в расплавленное железо, чтобы добиться более твердой стали. Музей в Саттон-Ху организовал показ железных листов и стержней того типа, с которых кузнецы начинали свою работу. Они похожи на свежий пластилин серого цвета. Но без жара раскаленного горна трудно представить себе, как из них создать такое прекрасное оружие, или прочувствовать настойчивые, размеренные, много раз повторяющиеся процессы нагревания и размягчения, ковки и закалки, ассоциировавшиеся с циклами смерти и возрождения в огне, что придавали мечу особое ритуальное значение.
Редкость железа на протяжении довольно долгого времени и технические сложности, связанные с его обработкой, наделяли профессию кузнеца большим престижем и окружали таинственностью. Кузница была местом, где пылал адский огонь, а от необработанной руды исходил резкий запах серы. Вейланд, или Виланд, англосаксонский бог-кузнец, подобно Гефесту в древнегреческих мифах, изображался изгнанным вместе со своей кузницей на остров, настолько отвратительным казалось все, что было связано с его трудом. И все же сам кузнец – мастер в одной из самых нужных профессий, и он обычно славен не только своим искусством, но и смекалкой и изобретательностью. К примеру, Ильмаринен в финской мифологии одновременно и кузнец, и изобретатель.
Таким образом, мечи, изготовленные из железа, были исключительно ценными артефактами – слишком ценными, чтобы их использовать в реальном сражении, – и, естественно, им приписывали магические свойства. Хотя технология создания этих мечей не всегда ясна, скорее всего, Экскалибур, меч из легенд о короле Артуре, был сделан из железа. Его название происходит либо от валлийского caled, означающего «твердый», либо от греко-латинского слова со значением «сталь» chalybs. Меч Сигурда, Грам, в скандинавской мифологии также железный. Изготовление изделий из железа достигло уровня высокого искусства в Японии, где очень мало меди, необходимой для производства бронзы, и других металлов, считавшихся драгоценными за пределами Японии. Кусанаги, меч VII века, являющийся в Японии частью императорских регалий, практически наверняка изготовлен из железа, хотя узнать точно невозможно, так как сам меч, или его копия, хранится в специальном святилище и осматривать его запрещено.
Не удовольствовавшись сценой в «Золоте Рейна», где герой Зигфрид выковывает волшебный меч, Вагнер начал работу над оперой, основанной на легенде о кузнеце Виланде (и еще над одной на сюжет новеллы Э. Т. А. Гофмана «Фалунские рудники», действие которой развивается в обширных медных рудниках в Швеции; о них мы поговорим позже). Когда в 1983 г. были опубликованы отрывки из документов, которые предположительно были дневниками Гитлера, а затем сенсационно выяснилось в 1983 г., что это было всего лишь подделкой, в одном из наиболее правдоподобных аспектов обмана утверждалось, что Гитлер, страстный поклонник Вагнера, имел намерение закончить незавершенный труд композитора.
Хотя железу испокон века приписывались воинственные мужские характеристики, лишь с развитием современных научных методов исследования удалось доказать, что красный цвет крови и железной руды обусловлен одной и той же причиной.
Об этой связи подозревали уже давно. Зигфрид, убив дракона Фафнира мечом собственноручного изготовления, слизывает кровь дракона, пролившуюся ему на руку. Кровь, так же как и меч, наделена волшебными свойствами, и Зигфрид внезапно обретает способность понимать язык птиц. Возможно, даже «Айрн-Брю», изготавливаемый, согласно рекламе, с добавлением железа, привлекает не в последнюю очередь благодаря игре с табу на употребление в пищу крови несмотря на то, что количество железа в нем микроскопическое, а его ржавый цвет – результат пищевых добавок.
Хотя и прежде часто упоминалось о металлическом вкусе крови, объяснение этому нашлось лишь в середине XVIII столетия. Историю о том, как это произошло, редко вспоминают в анналах науки. Однако эксперимент сам по себе был довольно прост, и провел его впервые, по-видимому, болонский врач Винченцо Менгини около 1745 г. Он прожарил кровь нескольких млекопитающих, а также птиц, рыб и человека. Затем пошевелил плотные остатки магнитным ножом и с удовлетворением обнаружил, что частички крови пристали к ножу. Из пяти унций собачьей крови он получил почти целую унцию плотного материала, большая часть которого обладала магнитными свойствами. (Считается, что он получил примерно такие же результаты и с человеческой кровью, хотя в описаниях названных экспериментов и не говорится, каким способом он ее добыл.)
Упомянутый эксперимент очень просто повторить. Поместите в формочку столовую ложку крови (кровь для своего эксперимента я выжал из упаковки с замороженной куриной печенью) и частично выпарите ее на медленном огне. Рыхлый осадок поместите в небольшой тигель или в любой сосуд из тугоплавкого материала и продолжайте высушивать осадок на огне. Выскребите осадок и разотрите его до состояния крупного порошка, напоминающего кофейную гущу. Высыпьте порошок на лист бумаги и проведите над ним магнитом. Несколько частичек сразу же пристанут к магниту.
Такого результата и ожидал Менгини. Вопрос: на основании чего у него возникла мысль, что в крови должно присутствовать железо? Она могла возникнуть у него только потому, что ассоциация железа с Марсом, кровью и войной, зародившаяся еще в греческой и римской мифологии, настолько укоренилась в алхимической теории его времени, что людям, страдавшим от болезней крови, иногда прописывали соли железа. Дополнительным свидетельством того, что связь между железом и кровью была известна давно, служит тот факт, что одна из главных железосодержащих руд носит название «гематит» – слово, появившееся в XVI столетии. Корень «гем» – производный от греческого слова, означающего «кровь».
В ходе дальнейших исследований Менгини готовил составы с большим содержанием железа, которые давал людям и животным, после чего наблюдал повышение количества красных кровяных телец; так он доказал, что цвет крови связан с присутствием в ней железа. Своими исследованиями Менгини внес значительный вклад в объяснение и лечение хлороза, заболевания, при котором кожа становится бледной и приобретает зеленоватый оттенок, и только после этого болезнь получила свое нынешнее название «анемия», от древнегреческого «ан» (приставка со значением отрицания) и «(г)ем» (кровь), что означает в сумме означает «бескровный».
Связь железа с Марсом начиналась не менее запутанным образом. Было вполне естественно для мистиков и философов искать связи между солнцем, луной и пятью видимыми планетами и сходным числом известных с древности металлов. Но при отсутствии развитой металлургии невозможно было решить, какие металлы чистые, а какие – смесь. Как следствие, латунь, бронза и сплавы, используемые для производства монет, часто помещались на один уровень с золотом, серебром, свинцом и оловом, а особый алхимический статус ртути означал, что поначалу ее вообще не связывали ни с какой планетой. В Персии железо первоначально ассоциировалось с Меркурием. Лишь значительно позже западные алхимики связали Меркурий с ртутью, а железо – с Марсом.
Когда впервые возникла мысль, что у Марса может быть некая более материальная связь с железом? Изобретение спектроскопа в 1859 г. позволило ученым проанализировать свет, исходящий от светящихся тел, что привело к открытию нескольких новых элементов – их определили с помощью цветов пламени, возникающем при их горении. Спектр подобен радуге, в которой всякий раз представлены разные сочетания цветовых полос. У каждого элемента свой характерный спектр, возникающий в результате особых характеристик поглощения и излучения света, что является следствием свойств энергетических уровней электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра атома. Первые спектроскопы, однако, были чувствительны только к световому излучению, исходящему от лабораторного пламени или от солнца. Они не могли дать никакой информации о свете, отраженном от несветящихся объектов. Ученые, конечно, могли выдвигать гипотезы, что красная планета богата железной рудой, но возможностей обосновать это было не больше, чем доказать, что луна сделана не из сыра. А в тот период, когда они могли бы начать с большей эффективностью изучать названный вопрос – в последние годы XIX столетия, – многих из них отвлекли белые, похожие на земные, полярные шапки и предполагаемые «каналы», покрывавшие его поверхность.
И только после того, как космические аппараты – «Викинг» в 1976 г. и «Пасфайндер» в 1997 г. – долетели до Марса, появилась возможность объяснить происхождение его цвета. Вместо ожидаемого светло-голубого оттенка от разреженной атмосферы небо на Марсе оказалось цвета ириски из-за частых пыльных бурь. Поверхность планеты покрыта мелкой пылью минерала лимонита – разновидности оксида железа. Последние данные с аппаратов, исследовавших Марс, свидетельствуют: содержание железа на поверхности планеты значительно выше, чем в коре, что в свою очередь говорит о том, что железо, скорее всего, имеет метеоритное происхождение, а не является результатом вулканических выбросов вещества мантии на поверхность.
Редко случается, что наука находит подтверждение древним суевериям. Однако с железом это произошло дважды: первый раз с подтверждением его присутствия в крови, второй раз – на Марсе.
* * *
В наше время при упоминании о железе на ум сразу же приходят не вызывавшие религиозное поклонение метеориты и не волшебные мечи, а технические достижения Промышленной революции. Римляне широко использовали железо для изготовления оружия, различных инструментов и сооружений, но лишь после 1747 г., когда впервые было установлено, как при добавлении угля к железу можно получать сталь, использование железа далеко обгоняет все остальные металлы. В 1747 г. Ричард Форд, унаследовавший литейный цех Абрахама Дарби в Шропшире, показал, как можно, варьируя количество кокса или угля, добавляемого к руде, выдавать более хрупкое или, наоборот, более прочное железо. Возможность регулировать свойства металла, ставшая результатом добавления к нему небольшого количества углерода, позволила производить металл для самых разных сфер использования, от несущих конструкций больших мостов, до шестеренок и колес паровых двигателей и прядильных машин.
Наиболее ярким, экстравагантным и популярным воплощением нового «железного века» стала железная дорога – новшество, связь которого с железом отмечена практически во всех языках, кроме английского: chemin de fer, Eisenbahn, via ferrea, järnväg, tetsudou. Железо таким способом прославило себя гораздо эффективнее, чем это когда-либо могло сделать золото в прошлом или кремний в будущем. Поэты той поры, естественно, воспринимали Промышленную революцию как разрушительную силу, а железо – как главный символ рабства у техники, важнейшего следствия названной революции. Уже в 1728 г. Джеймс Томсон, шотландец, прославившийся созданием слов к гимну «Правь, Британия», оплакивал утрату поэтического золотого века в «наши железные времена». Поэма Блейка «Иерусалим» пронизана темой дьявольского железа.
Мне представляется, что наиболее точно выразил отношение к железной дороге Олдос Хаксли, когда в «Слепом в Газе» в эпизоде, где главный герой с детским энтузиазмом отправляется в железнодорожное путешествие, писал: «Мужская душа, не достигшая зрелости, naturaliter ferrovialis[7]». (То есть мальчишки по своей природе любят железные дороги. Для Хаксли типичны сложные аллюзии. Здесь он обращается к раннехристианскому автору Тертуллиану, считавшему, что душа по природе христианка – anima naturaliter christiana.) Римское железо служило материалом для кандалов и цепей, викторианская сталь открыла новые земли, пересекла океаны и объединила людей. Она в прямом и переносном смысле строила мосты. Впечатляющий чугунный мост через реку Северн рядом с Коулбрукдейл, построенный в 1779 г., в настоящее время включен в число объектов всемирного наследия ЮНЕСКО. При возведении подвесного моста через пролив Менай, спроектированного Томасом Телфордом в 1819 г. и протянувшегося на 166 метров, использовался ковкий чугун. Таким образом были учтены требования Британского Адмиралтейства обеспечить свободный провоз грузов под мостом, что было бы невозможно, если бы мост был возведен на каменных быках. Тридцать лет спустя Роберт Стефенсон завершил строительство второго железного моста, основанного на трубчатой конструкции, который способен выдержать нагрузку паровоза, несущегося над проливом через квадратный тоннель. Обе структуры демонстрировали настоящую конструктивную «гимнастику в легком весе», ставшую возможной только благодаря искусно используемому в строительстве железу. От Хрустального дворца Джозефа Пэкстона до парохода «Грейт Истерн», спроектированного Изамбардом Кингдомом Брюнелем, – все эти шедевры инженерного искусства мы до сих пор воспринимаем с искренним восторгом. Однако в те времена ничто не могло сравниться с волнением, которое вызывала железная дорога – вспомните хотя бы излучающее энергию живописное полотно Тёрнера «Дождь, пар и скорость» с изображением поезда, несущегося по виадуку, – и воспоминания о ней до сих пор у многих вызывают ностальгию.
Как видно по нынешнему состоянию многих метеоритов, когда-то упавших на землю, там, где железо, вскоре появляется и ржавчина. Ржавчина обладает собственной довольно мощной символикой, связанной с ее кровавой окраской, ну, и, конечно, во многом определяемой символикой железа. И если подъем индустриальной эпохи сопровождался образами свежевыкованного железа, то ее упадок окрашен в цвета ржавчины. Несколько американских штатов, от Мичигана до Нью-Джерси, получили прозвище «ржавый пояс» после того, как металлообрабатывающая промышленность в этих районах стала жертвой конкуренции с зарубежными производителями. Может создаться впечатление, что символика ржавчины абсолютно негативная, хотя на самом деле это не совсем так. Точно так же, как любовь к руинам проистекает из тайного желания представить в воображении гибель нашей собственной цивилизации, не испытывая при том чудовищных последствий подобного коллапса, так и переход железа и стали в результате коррозии в более естественное состояние ржавчины вызывает ассоциации с возвращением в идиллическую Аркадию. Даже на самом пике Промышленной революции Джон Рёскин с восторгом говорил о том, что время и хаос когда-нибудь сделают свое дело. В 1858 г. он прочел лекцию в Танбридж-Уэллс[8], где в воде знаменитых источников появилась ржавчина. В своей лекции Рёскин восхвалял «пятно цвета охры», которое, по его мнению, ни в коем случае нельзя рассматривать как «испорченное железо», но только как железо в его «самом совершенном и полезном состоянии». (В словах Рёскина содержалась скрытая тавтология, ибо охра есть не что иное, как обычный оксид железа.)
Точку зрения Рёскина с энтузиазмом поддерживают современные скульпторы, часто предпочитающие сталь с патиной ржавчины. «Ангел Севера» Энтони Гормли, установленный в Гейтсхеде, обнимает пространство широкими металлическими крыльями. Сталь, из которой он создан, приводит на память героическую эпоху судостроения, которым славился Тайнсайд[9] (парадоксальным образом примерно с того самого времени, когда Рёскин прочел свою лекцию), но ржавчина явно запечатлевает закат названной эпохи. Громадные арки из ржавой стали Ричарда Серры также, на мой взгляд, служат полезным напоминанием о том, что все наши достижения и успехи преходящи. В музее неподалеку от Копенгагена я обнаружил еще одно творение Серры над узким, заросшим кустарником ущельем. Это нечто прямо противоположное первому большому железному мосту – он не пересекает долину, а блокирует ее, железо не предохраняется тщательно от всесокрушающей коррозии, а напротив, полностью отдано ей во власть и медленно разрушается среди опавших буковых листьев. Я подхожу к стене коричневого цвета и стучу по ней, желая убедиться, что там действительно металл, а не его имитация. Я провожу по нему пальцами, как, наверное, делал Рёскин, прикасаясь к какому-нибудь отслужившему свой век механизму викторианской эпохи, чтобы всеми органами чувств ощутить это «пятно цвета охры». Цвет со вкусом крови. Я задумался на мгновение, а не такой ли вкус у того марсианского метеорита, который я держал в руках, – вкус человеческой крови у камня с Марса, камня из небесного железа.