"Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории" - читать интересную книгу автора (Сибрук Вильям)

ГЛАВА СЕДЬМАЯ Вуд начинает свои знаменитые спектроскопические работы, становится дедушкой Микки-Мауса и читает доклад в Лондонском Королевском Обществе

Первое и окончательное решение молодого профессора Вуда — сделать физическую оптику своей главней областью науки — пришло странным образом, в конце первого года в Мэдисоне. Профессор Сноу попросил его взять на себя чтение курса лекции по этой дисциплине, которую Вуд никогда раньше не изучал. Он охотно согласился и начал читать, держась сначала «только на шаг впереди своих студентов». Он говорит, что когда звонил звонок в конце лекции, он почти целиком исчерпывал свои знания темы. Но скоро он начал набирать темп. Он читал текущую литературу по физике и обнаружил, что открываются целые области оптики, о которых ничего не говорится в учебнике, которым он пользовался, — «Теория света» Томаса Престона. В конце года он уже настолько знал предмет, что понял, что Престон отстал от жизни по крайней мере на десять лет. Тогда он решил — сделать физическую оптику своей специальностью и самому написать учебник по ней!

Нужно долго искать другой пример такой научной самонадеянности. Но вся штука в том, что он сделал то, что задумал, — и монументальный труд стоит перед нами, в третьем, пересмотренном издании, переведенный на немецкий, французский, русский и другие языки, и является одной из основных книг по данной дисциплине. Чтобы написать книгу, потребовалось пять лет, и она появилась, когда Вуд уже перешел в университет Дж. Гопкинса. Вместе с этим, он сразу же погрузился в исследовательскую работу, которая сделала его известным во всем мире, а в местной печати дала ему прозвище «Висконсинского колдуна».

Чем же была отрасль науки, которую выбрал Вуд? Физическая оптика — научное название той области, которая объединяет знания, методы и ресурсы физики, связанные с исследованием свойств и природы света, а также его применений. В этом смысле «физическая оптика» так же стара, как первая мысль человека о причине радуги. Как настоящую науку ее следует начинать с Исаака Ньютона, который впервые доказал, что призма разлагает белый свет на его «простые» цвета, при соединении вновь слагающиеся в белый световой луч. Он же открыл многое другое, касающееся света. Почти два века после Ньютона ученые занимались основными свойствами обычного света. Они измерили его скорость в пространстве. Они изучили, как преломляется световой луч, проходя через различные среды, такие, как стекло, кварц, вода, цветные растворы, — нашли законы этого преломления. До Ньютона, сам Ньютон, а впоследствии многие заметили, что луч света загибается, пройдя через узкую щель, и что ни одна тень, если ее внимательно исследовать, не имеет резкой границы — и назвали это явление дифракцией. Изучено было также явление интерференции, состоящее в том, что два родственных, когерентных луча, возникшие от расщепления одного первоначального луча, взаимодействуют один с другим, и в результате наступает полная темнота или ненормально яркий свет. В середине девятнадцатого века уже достаточно знали о свете, чтобы утверждать, что свет, лучистая теплота, электрическое и магнитное поле — родственные явления: свет — это электромагнитные волны в гипотетической среде, названной эфиром, отличающиеся друг от друга только длиной волны, или, что то же самое, частотой колебания.

Классическая теория света была вполне законченной задолго до появления на сцену Вуда. Но в 1859 году открылись новые широкие возможности в физической оптике — спектроскоп был впервые применен для исследования химической природы вещества. Это открытие Бунзена и Кирхгофа сделало спектроскоп одним из главных инструментов современной науки и особенно укрепило практическое положение физической оптики. Свет стал не только объектом исследования, но и мощным орудием исследования природы физического мира. Малейшие следы веществ открывались по спектру, и самые далекие звезды и туманности обнаруживали свой химический состав и даже свои скорости и направление движения, если изучать их спектры. Развиваясь, эта отрасль науки усложнялась — обнаружилось, что одно и то же вещество давало различные спектры, в зависимости от своего физического состояния. Таким образом, спектральный анализ открывал не только химический состав, но и физическое состояние, в котором находится вещество.

Когда Вуд появился на сцене, в конце девятнадцатого столетия, физическая оптика переживала этап весьма бурного развития, как и вся, впрочем, физика в целом. Роль Вуда — смелый эксперимент: его работы нередко бросали вызов формулам теоретиков или же, наоборот, блестяще подтверждали их. Его первая работа по физической оптике дает этому блестящий пример, поясняя также исключительную широту его «специальной» науки. Вот рассказ Вуда:

«Полное солнечное затмение 28 мая 1900 года поставило передо мной задачи, решение которых можно рассматривать как мой первый вклад в физическую оптику. То, что было до этого, шло более по линии демонстраций или истолкований. Морская обсерватория в Вашингтоне пригласила меня принять участие в ее экспедиции по наблюдению затмения, и я расположился с группой в Пайнхерсте (Северная Каролина), около середины пояса полного затмения, где его продолжительность была наибольшей. Здесь я впервые наблюдал солнечную корону и красные языки раскаленного водорода, которые полыхали на краю солнечного диска. Меня особенно интересовал их спектр. Как раз перед полным затмением, когда край солнца вот-вот исчезнет за Луной, можно секунду или две наблюдать огненный полумесяц, который, если его рассматривать с помощью призмы или дифракционной решетки, распадается на спектр цветных полумесяцев, разделенных темными интервалами разной ширины. Это — так называемый спектр „вспышки“ хромосферы, т.е. оболочки светящихся раскаленных паров металлов, которой окружено солнце. Поглощение этой атмосферой накаленных паров еще более интенсивного и яркого излучения поверхности жидкого „ядра“ солнца дает в солнечном спектре темные линии, видимые в спектроскоп. Эти линии — не совершенно черные, а содержат менее яркий свет раскаленного пара.

По возвращении в Мэдисон осенью я прочел в октябрьском номере Astrophysical Journal статью Юлиуса, голландского астронома, выдвигавшего смелую теорию о том, что спектр вспышки хромосферы вызывается аномальной дисперсией белого света, излучаемого жидкой поверхностью солнца. Я сразу же начал опыты, целью которых было — получить подобный спектр в условиях лаборатории. Перед Рождеством я уже послал в Astrophysical Journal отчет об успешном экспериментальном подтверждении теории Юлиуса. Для этого понадобилось создать над белой поверхностью атмосферу паров натрия, в которой плотность изменялась бы чрезвычайно быстро с удалением от поверхности. Я нагревал металлический натрий в железной ложке под куском белого гипса, ожидая, что конденсация пара на холодной поверхности даст необходимое падение плотности с расстоянием. Белая поверхность гипса, ограничивавшая атмосферу натрия, была освещена сильным пучком солнечного света, собранным большой линзой. Освещенный таким образом гипс изображал раскаленную добела поверхность Солнца, а пары натрия — хромосферу. Наблюдая белое пятно через телескоп и призму прямого зрения и передвигая инструмент вверх, можно было растянуть пятно в линию; при этом появлялся темный солнечный спектр поглощения, подобно тому, как это происходит во время затмения, когда диск солнца почти закрыт Луной. С приближением спектроскопа к плоскости освещенной поверхности солнечный спектр исчез, и на его месте внезапно появились две узкие желтые линии, соответственно прежним линиям поглощения. Юлиус сразу же написал мне письмо, выражая свое удовлетворение результатами опыта, так хорошо подтверждавшими его теорию. После этой удачи я понял, что изучение оптических свойств плотных поглощающих свет паров металлического натрия может дать важные результаты для подтверждения существовавших тогда оптических теорий, и я решил начать исследование дисперсии света в этих парах».

Перед нами блестящий пример широкого кругозора Вуда в области физики. Человек воспроизводит в своей лаборатории модель того, что происходит от него за девяносто два миллиона миль, и умножает наши сведения о нашем основном источнике света. Опыт интересен и с другой стороны, он показывает характерные черты экспериментальной техники Вуда — остроумное применение самого простого оборудования. Об этом еще не раз придется говорить: старые железные трубы, выброшенные части велосипеда, домашний «хлам» — все это играет некоторую роль в самых важных и значительных работах Вуда. Он обладает особым талантом — использовать в своих целях все, что попадется под руку.

Работы Вуда с парами натрия и их оптическими свойствами, которые начались с этого эксперимента, продолжались в течение почти всей его жизни. Возможно, что в нем все еще был жив мальчик, которого когда-то поразило свойство этого металла — взрываться от соприкосновения с водой. Во всяком случае, он поставил себе задачу раскрыть все секреты натрия. Выполняя ее, он сделал ценные вклады в современную теорию природы вещества.

Вуд скоро получил неизвестные доселе виды спектров паров натрия, — а также паров ртути и йода. Его результаты сразу же повергли физиков-теоретиков в ужас и смятение. Не спросив у них разрешения, молодой и беспокойный экспериментатор увеличил число спектральных линий в основных сериях натрия с восьми, известных тогда, до сорока восьми и нашел широкую полосу поглощения в ультрафиолетовой области. По теориям конца девятнадцатого века, каждая спектральная линия излучалась отдельным «вибратором» в атоме, и последний, как выразился Дарроу [20], казался похожим на колокольню или орган. Сам Роуланд однажды сказал, что атом гораздо более сложен, чем большой рояль. Результаты Вуда еще более усложнили его, и они не могли быть объяснены, пока Нильс Бор не формулировал в 1913 году основы современной теории атома. В первой своей статье по этому, предмету Бор говорил, что работы Вуда с натрием — самое совершенное подтверждение его теории атомного излучения.

Здесь же, в Мэдисоне, Вуд начал другую область работ, которая также продолжается в течение всей его жизни. Он заинтересовался изготовлением и применением дифракционных решеток. Это — стеклянные или металлические пластинки, на которых проведено большое количество очень тонких линий (иногда до тридцати тысяч на дюйм). Дифракционные решетки выполняют ту же функцию, что и призмы, разлагая свет на его компоненты, и для многих областей спектроскопии имеют большие преимущества по сравнению с последними. Конечно, изготовление их очень точная и тонкая работа. Знаменитый Роуланд делал лучшие решетки своего времени в лаборатории университета Дж. Гопкинса. Вуд продолжал и улучшил методы Роуланда. В то время, как я пишу эту книгу, он готовится отправиться в Калифорнию со своим новым шедевром в этой области!

Работа Вуда с дифракционными решетками имела один побочный результат, который дал ему широкую известность, когда он еще был в Мэдисоне, — изобретение нового процесса цветной фотографии. Это произошло странным образом. Профессор Сноу пригласил Вуда на собрание в «Клуб Города и Мантии» (Town and Gown Club) — избранное общество местных властей и представителей университета, которое собиралось раз в месяц и терпеливо прослушивало скучную часовую лекцию. Быть членом этого клуба — считалось в Мэдисоне высшей почестью, и даже приглашение в качестве гостя было честью. Очевидно, впрочем, что Вуд этого не почувствовал, просидев всю лекцию с трубкой в зубах, думая о своих делах.

По дороге домой, когда он и Сноу пробирались по глубокому снегу, Вуд внезапно сказал: «Я разработал во всех деталях совершенно новый процесс цветной фотографии. Если вы возьмете дифракционную решетку, поставите ее против объектива на фоне света и будете смотреть с места положения зеленого цвета спектра, то все покажется Вам зеленым. Если на ее место поставить более „грубую“ решетку с большим просветом, она засияет красным светом…» И всю дорогу до дома, идя сквозь снежный буран, Вуд продолжал описывать во всех деталях процесс, который он изобрел с начала до конца за время лекции в клубе. [21]

Весной 1899 года Буду пришло в голову, что можно изучать световые волны по их аналогии со звуковыми и что эти последние можно проецировать на кинематографический экран. В современном смысле этого слова, кино в то время еще не было, но примитивный аппарат уже был сконструирован, и Вуд первый сразу понял возможность «оживления» рисунков и чертежей [22]).

Вуд интересовался тем, какую форму имеет световая волна в некоторых случаях сложного отражения, например, в вогнутом сферическом зеркале. Он решил, что этот вопрос можно разрешить, применяя аналогию между звуком и светом. Немецкий физик Теплер изобрел прибор, с помощью которого можно фотографировать сферические звуковые волны, распространяющиеся от треска электрической искры. Эта волна представляет собой «оболочку» сильно сжатого воздуха, которая расширяется со скоростью более тысячи футов в секунду. Чтобы «уловить» ее в поле зрения камеры, ее надо осветить другой искрой, проскакивающей примерно на одну десятитысячную секунды позднее первой. Пользуясь прибором Теплера, Вуд сделал большую серию снимков отражающихся и преломляющихся звуковых волн, а также явлений их рассеяния и дифракции. Одна из фотографий показывала отражение звуковой волны от миниатюрной «лесенки», сделанной из стекла и помещенной около искры. Эхо от «лесенки» представляло собой цепь волн, составлявших вместе высокую музыкальную ноту. Это явление — преобразование звука «взрыва» в музыкальную ноту может быть проверено: если похлопать в ладоши перед лестницей, на открытом воздухе, где отражение от стен и потолка волны, не является помехой, можно услышать музыкальную ноту отражения от ступенек.

Отражение волн от кривых поверхностей оказалось чрезвычайно сложным. Вуд разработал геометрический метод построения отраженных волн на основании теории и сделал несколько сот рисунков тушью. Он сфотографировал их последовательно на киноленту, которая только что появилась в то время в продаже. Затем он достал проекционный аппарат и убедился, что метод дает прекрасные результаты. Черные линии, изображающие звуковые волны, двигались, сворачиваясь и изгибаясь странным образом, и давали поразительную картину того, что происходит со световыми волнами в случае отражения света в аналогичных условиях. Практически любое оптическое явление преломления или отражения света может быть изображено звуковыми волнами и изучено этим новым способом.

Результаты были опубликованы в научных журналах в Америке и за границей. Газеты, нисколько не заботясь об аналогии со световыми волнами — что одно только и интересовало здесь Вуда — были взволнованы новостью «видения» звуковых волн и печатали страницу за страницей фотографии чертежей.

В январе 1900 года Вуд получил приглашение от Королевского Общества Искусств приехать в Лондон и прочесть лекцию о своем методе цветной фотографии на февральском заседании. Затем пришло письмо от физика Чарльза Вернона Бойса, приглашавшего его показать в Королевском Обществе «живые фотографии» звуковых волн. Существует много королевских обществ: Королевское Астрономическое, Королевское Фотографическое, Королевское Микроскопическое, Королевское Общество Искусств, и так далее, но просто «Королевское Общество» существует только одно, оно основано в 1660 году и бесспорно является компетентнейшей научной организацией мира. Профессор Сноу был чрезвычайно взволнован и обсудил это приглашение с президентом Адамсом, который пошел к регентам университета, и Вуду предоставили двухмесячный отпуск для поездки в Европу.

Бойс встретил его в Лондоне, повел его в Сэвил-клуб и Атенеум и достал ему подходящую квартиру поблизости от первого. Его лекция в Обществе Искусств была назначена на день св. Валентина, под председательством сэра Вильяма Абней. Но великое событие в его жизни было еще впереди…

Молодой американский профессор должен был появиться перед Королевским Обществом вечером на следующий день. Бойс, наконец, разыскал и установил киноаппарат — их было тогда два во всем Лондоне.

Когда они вошли под священные своды, члены Общества пили чай в комнате благородного собрания, из которой они потом проследовали в аудиторию. Лорд Листер, почтенный отец антисептической хирургии, председательствовал на кресле, похожем на трон, за высокой кафедрой. Большой золотой жезл времен Кромвеля был внесен на красной бархатной подушке и торжественно положен на кафедру перед президентом. Кромвель обращался с ним менее церемонно, и его знаменитый приказ «Убрать эту дубинку!» прозвучал в веках.

В зале сидело много ученых знаменитостей, живших тогда в Лондоне: Крукс, Дьюар, сэр Оливер Лодж, лорд Рэлей и др. Через несколько минут они будут слушать «молодого человека из Висконсина», который встанет на место, где стояли Исаак Ньютон, Дэви, Фарадей и другие великие люди науки Британии. Но если вы думаете, что это ошеломило нашего молодого человека из Висконсина, то вы плохо знаете его. Он говорит в своих записках: «Я показал им фотографии звуковых волн и движущиеся диаграммы без запинки и говорил спокойно, чувствуя не больше смущения, чем на лекциях в Мэдисоне».

Чепуха! В действительности он прекрасно чувствовал огромную честь и сгорал от волнения. Ведь это была заря его всемирной славы.