Эта история начинается с рассказа о человеке, отличавшемся фантастической неподверженностью скуке. Джон Уильям Стретт родился в 1842 г. одновременно богатым и болезненным, и ему предстояло вести бесполезную жизнь никчемного английского дворянина. Он тяжело заболел коклюшем и вынужден был прервать обучение в Итоне, но и когда вернулся, ничем особенным не выделялся. Однако Стретт был честолюбив. Он поступил в Кембриджский университет и вместо того, чтобы просто тихонько закончить обучение, напугал всю семью, выбрав курсы математики и физики. Его успехи в постижении наук стали для родных еще бо́льшим потрясением, а желание работать в области физики вызвало настоящий шок. Казалось, в 1871 г. он одумался, поскольку женился и оставил работу. В 1873 г., после смерти отца, Стретт унаследовал титул лорда Рэлея и семейное состояние. Однако старый зуд не давал ему покоя, и в 1876 г. Рэлей передал управление имуществом младшему брату. Таким образом, он поставил себя в такое же унизительное положение, в котором оказался Жозеф Монгольфье (младший брат управляет делами семьи!), чтобы иметь возможность заниматься наукой.

Рэлей носил усы, как у моржа, и пушистые бакенбарды, а лысина на его голове с годами становилась все заметнее. За время научной деятельности он опубликовал более 400 статей и выполнил новаторские исследования в десятке научных областей, включая биологию (в частности, он установил, почему павлиньи перья имеют такой элегантный металлический блеск). Однако в начале 1880-х гг. он выбрал невероятно скучное занятие: он принялся измерять плотность некоторых газов, в частности кислорода и водорода. В XVIII в. эта работа, безусловно, могла представлять интерес, но что нового надеялся обнаружить Рэлей через столетие? Однако же он потратил на эти измерения 10 лет и, действительно, не нашел ничего нового. Он просто определил плотности этих газов с большей точностью — до нескольких дополнительных знаков после запятой. Такая вот «антиэврика».

Далее с немыслимым мазохистским упорством Рэлей принялся определять плотность еще более скучного газа — азота. Ему нужны были образцы чистого азота, которые он получал путем постепенного удаления из воздуха всех остальных компонентов. Чтобы удалить из влажного английского воздуха пары воды, он раскладывал в лабораторных помещениях шерстяные одеяла, которые за несколько дней набирали по литру воды. Затем, чтобы удалить кислород, он прогонял воздух через раскаленные медные трубки, а для избавления от углекислого газа использовал раствор поташа (карбоната калия). Оставшиеся примеси уничтожались серной кислотой. Потом он собирал чистый азот в колбу и измерял его плотность.

Чем, как не помешательством, объяснить тот факт, что после этого Рэлей повторил тот же самый эксперимент, очищая азот иным способом. В этот раз он удалял кислород не с помощью горячих медных трубок, а пропускал его через жидкий аммиак. Этот процесс был сложнее в том смысле, что кислород (O₂) взаимодействовал с аммиаком (NH₃), в результате чего в качестве побочного продукта выделялся дополнительный азот. Но, поскольку Рэлей все равно собирался изучать азот, ему это не мешало.

Догадайтесь, что случилось. Рэлей обнаружил, что литр азота, очищенного с помощью аммиака, был на 7 мг легче, чем литр азота, очищенного с помощью меди. В школе на уроках химии я бестолково потратил много часов за лабораторным столом и могу вам сказать, что если бы мне удалось в двух экспериментах получить результаты, различающиеся на 10 г, я был бы просто счастлив. Получить результат с такой точностью, как у Рэлея, просто невозможно — начинаешь подозревать обман. Но Рэлея это различие потрясло. В его время ученые достигли в миллионы раз большей точности измерений, чем во времена Лавуазье, и оперировали мельчайшими долями миллиграмма. Таким образом, 7 мг приходилось считать ошибкой, и Рэлей начал методично (явный невротик) перепроверять результаты. Он изобрел шесть других методов очистки воздуха; с помощью одних методов у него получался дополнительный азот, а с помощью других — нет, что «маскировало», по его выражению, существующую разницу.

В 1902 г. Рэлей опубликовал в журнале Nature письмо, в котором рассказал о своих затруднениях и попросил химиков всего мира дать ему совет. Большинство советов оказались бесполезными. Однако Рэлей прислушался к мнению Уильяма Рамзая — работавшего в Лондоне худого шотландца с усталыми глазами. Вскоре Рамзай так же сильно увлекся проблемой, как сам Рэлей, и Рэлею это не понравилось. Тем не менее они договорились сообщать друг другу о ходе исследований и вместе публиковать результаты.

Одно объяснение они отвергли сразу. Рэлей предположил, что мог каким-то образом создать необычную форму азота, типа N₃ (нечто вроде озона O₃). Это объяснило бы различие в плотности, однако Рамзай отклонил эту версию, поскольку структура N₃ казалась нестабильной.

Физик лорд Рэлей (слева), открывший аргон, и химик Уильям Рамзай (справа), открывший другие инертные газы (Фотографии любезно предоставлены фондом Wellcome Trust)

Они начали кое-что понимать, когда внимательно проанализировали старую забытую статью Генри Кавендиша. В 1785 г. Кавендиш заполнил ртутью пробирку, запаял ее, но оставил в ней пузырь воздуха, а потом стал пропускать ток, так что через пузырь проскакивали искры. Под действием искр кислород и азот воздуха реагировали с образованием красно-оранжевых паров. Эти пары растворялись в ртути, и по мере их растворения воздушный пузырь сжимался. Кавендиш ждал, что он исчезнет совсем. Но сколько он ни ждал — час, день, неделю, — примерно 1 % газа все равно оставался. В итоге Кавендиш сдался, но столетие спустя Рэлей и Рамзай поняли, что, возможно, выделили новый газ.

Какой долгий путь! Ученые исследовали состав атмосферы уже более ста лет, и казалось невероятным, что они проглядели целый процент воздуха. Однако наличие этого нового газа прекрасно объясняло различие плотностей выделенного Рэлеем азота. Допустим, что в образцах воздуха действительно содержался какой-то более тяжелый газ, чем азот. Плотность таких образцов должна зависеть от относительного содержания азота и газа X, как плотность ореховой смеси зависит от относительного содержания арахиса и бразильского ореха. Но когда Рэлей использовал метод выделения азота, при котором возникал дополнительный азот (больше арахиса в смеси), он изменял это соотношение и, следовательно, плотность смеси. Рэлей и Рамзай согласились, что стоило заняться изучением этого неизвестного газа.

В поисках газа X каждый пошел своим путем. Рэлей последовал за Кавендишем и удалял из воздуха все, кроме искомого газа, с помощью электрической искры. Работа оказалась настолько монотонной, что устал даже такой человек, как Рэлей. Он установил в домашней лаборатории телефонную линию и поместил одну телефонную трубку около генератора искр, который при работе гудел. Другую он поставил в библиотеке, где мог удобно устроиться в кресле, и вставал, когда гул прекращался. Рамзай тем временем удалял N₂ из воздуха с помощью магния — сверхактивного металла, который при взаимодействии с азотом превращался в хрупкий бурый порошок. Однако для реакции нужно было разогреть магний до такой температуры, что содержащая его стеклянная пробирка почти плавилась. Возможно, Рамзай даже завидовал монотонной работе Рэлея, поскольку однажды десять дней кряду пропускал азот взад и вперед через раскаленный металл. Но оба метода сработали: каждый получил капельку газа X 99 %-ной чистоты.

На следующем этапе дуэт приступил к изучению свойств нового газа. Это оказалось вещество без цвета, вкуса и запаха, что весьма интересно. Но главной особенностью газа были его акустические свойства. Звуковые волны представляют собой импульсы энергии, распространяющиеся в пространстве посредством соударений молекул газа (толкните человека в толпе: падая, он толкнет соседа, тот, в свою очередь, кого-то еще и т. д., передавая тем самым исходную энергию удара). Движение молекул газа создает области высокого и низкого давления, которые наши уши воспринимают в качестве звука. Эти волны/удары распространяются с разной скоростью в зависимости от массы и формы молекул газа.