Гарольд Юри: дейтерий, Луна и жизнь на Земле

Лауреат Нобелевской премии по химии за 1934 год «за открытие тяжелого водорода» Гарольд Клейтон Юри не так известен, как Мария Кюри или Эрнест Резерфорд. Одна из причин — неудачная нобелевская лекция, которая по идее должна быть предназначена для непрофессионалов. А что могли донести до широкой публики журналисты, отсидевшие на лекции, если они услышали, например, такое: «Давление пара равно lnP = E_O/RT + E_S/RT + lnM^3/2 T^5/2 -χ/RT + const, где χ — теплота испарения лишенного колебаний  твердого состояния в неподвижный газ при абсолютном нуле»? Зато на церемонии награждения председатель Нобелевского комитета по химии профессор Вальтер Пальмер сказал, что открытие Юри «серьезным образом нарушает безмятежное развитие химии, которое наблюдается уже длительное время. Потому что оно создает для химиков серьезные трудности».

Художник Елена Станикова

Гарольд Клейтон Юри родился 29 апреля 1893 года в маленьком городке Уолкертоне (штат Индиана), в котором и сейчас проживает чуть больше двух тысяч жителей. Его отец был школьным учителем и одновременно проповедником в Церкви братьев, Гарольд же был атеистом. Отец умер от туберкулеза, когда Гарольду исполнилось шесть лет. Сначала он учился в деревенской школе, а после ее окончания три года преподавал в провинциальных школах. Высшее образование получил в университете штата Монтана, став бакалавром наук по зоологии. Несколько лет Юри работал химиком-исследователем и преподавателем химии. В 1923 году под руководством знаменитого Гилберта Льюиса в Калифорнийском университете получил докторскую степень по химии. Следующий год он провел в Копенгагене, в Институте теоретической физики Нильса Бора. Вернувшись в США, Юри преподавал в университете Джонса Хопкинса и в Колумбийском университете, где в 1934 году стал профессором. После войны работал в Чикагском, Оксфордском и Калифорнийском университетах.

Какие же трудности создало его открытие химикам? В 1927 году Фрэнсис Астон очень точно для того времени измерил отношение масс атомов водорода и кислорода-16; у него получилось 1,00778 : 16,0000, в прекрасном соответствии с результатами, полученными химиками: 1,00777 : 16,0000. Однако вскоре оказалось, что природный кислород — плохой эталон, ибо это смесь изотопов. Точные измерения соотношения ¹⁸O : ¹⁶O = 1 : 630 изменили все прежние данные об атомных массах. Пришлось отказаться от «химической» шкалы атомных масс и перейти на «физическую» шкалу, основанную на кислороде-16. Пересчет данных химических анализов дал отношение масс Н : ¹⁶О = 1,00799 : 16,0000, что заметно отличалось от измерений Астона.

В 1931 году Раймонд Бёрдж и Дональд Менцель предположили, что причина расхождения — наличие в обычном водороде тяжелого изотопа, в соотношении ¹Н : ²H = 5000 : 1. Но чувствительность приборов того времени не позволяла обнаружить в водороде такую малую примесь, нужно было сконцентрировать тяжелый водород. В 1931 году Юри и его сотрудники подвергли фракционной перегонке 4 л жидкого водорода, получив в остатке 1 мл, который испарили. Талантливый спектроскопист, он заметил на спектрограмме обогащенного водорода новые очень слабые линии. Но Юри с сотрудниками не удавалось надежно установить, принадлежат ли новые линии изотопу, который они искали, или же это были так называемые дýхи — ложные спектральные линии, появляющиеся из-за несовершенства прибора. В то время, как вспоминал Юри, «число выкуриваемых нами сигарет возросло в десять раз, и мы стали совершенно невыносимы в общении с коллегами и даже с миссис Юри, которая на некоторое время была совершенно мною забыта». Наконец исследователи поняли, что использовали плохой источник водорода — при электролизе быстрее выделяется легкий изотоп, то есть их образец был сначала обеднен тяжелым водородом, а затем снова обогащался им.

Эдвард Уошбёрн предложил разделять изотопы водорода электролизом: остаток обогащался тяжелым изотопом (Юри назвал его дейтерием). Этот метод оказался эффективным. Статья Уошбёрна и Юри была опубликована в 1932 году, и оба были номинированы на Нобелевскую премию. Но Уошбёрн неожиданно скончался, а по положению о Нобелевских премиях их вручают только прижизненно. Юри не смог выступить с традиционной речью на церемонии награждения в Стокгольме: именно в этот день у него родилась третья дочь. Кстати, из четырех детей Юри (три дочери и один сын) трое стали докторами наук.

Получив премию, Юри использовал ее для своих исследований. Помимо этого на средства Юри в том же Колумбийском университете Исидор Раби начал свои работы по атомным и молекулярным пучкам, за которые в 1944 году он получил Нобелевскую премию по физике. А сам Юри занялся химией радионуклидов и вскоре стал ведущим специалистом в этой области. В военные годы он применил свой опыт в работах, связанных с созданием атомной бомбы. А 6 декабря 1941 года, за день до атаки на Пирл-Харбор, Юри был назначен начальником Программы по разделению изотопов урана методом газовой диффузии в научно-исследовательском управлении ВВС, но девять лет спустя вышел из состава Комиссии по атомной энергии США и стал критиком гонки ядерных вооружений. Все его дальнейшие исследования преследовали мирные цели. Так, он придумал, как узнавать о климатических изменениях в прошлом Земли по измерению соотношении ¹⁶O : ¹⁸О в окаменелостях. В одной из поездок в Канаду он прочитал в поезде книгу известного исследователя планет Ральфа Болдуина «The Face of the Moon» (в русском переводе «Что мы знаем о Луне?»). Эта проблема так его заинтересовала, что по возвращении Юри собрал все доступные фотографии Луны и развесил их на стенах своего кабинета. Занявшись химией планет, он стал признанным авторитетом в этой области; термин «космохимия» — его изобретение. В 1952 году Юри опубликовал книгу «Планеты: их происхождение и развитие».

В 1953 году вместе с аспирантом Стэнли Миллером Юри поставил эксперимент по синтезу аминокислот из неорганических веществ, моделируя древнюю атмосферу Земли. Он убеждал руководителей космических полетов проводить больше исследований. Юри предполагал, что Луна — древнейший космический объект, захваченный когда-то Землей и не изменившийся с момента образования Солнечной системы. Проверить это можно было, только изучив образцы лунного грунта. И он убедил руководителей американской космической программы, что изучение Луны даст наиболее ценную информацию по сравнению с другими космическими проектами. В июле 1969 года, накануне первой высадки на Луне, 76-летний ученый сказал в интервью: «О, как бы я хотел попасть на Луну! Я бы набрал там вместе с нашими астронавтами образцы минералов... Думаю, я бы полетел, даже если бы знал, что никогда не вернусь».

Результаты анализа его разочаровали: соотношение ¹⁶О : ¹⁸О на Луне и Земле одинаково, в отличие от всех известных метеоритов. Значит, Луна и Земля образовались одновременно? Юри умер 5 января 1981 года, на 88-м году жизни, так и не узнав ответа. Но он не горевал. «Нужно ведь что-то нам оставить молодым исследователям, — писал он. — Было бы просто ужасно, если бы мое поколение решило все научные проблемы». Сейчас наиболее распространена теория, согласно которой Луна была выбита из Земли на ранней стадии ее развития в результате столкновения с гипотетической планетой Тейей.

Юри был уверен в возможности существования жизни на других планетах. И говаривал, что люди вряд ли самые разумные существа во Вселенной.