Глава 1 - Вселенная

 

Тропа Физическая

 

Ступим теперь на физическую тропу. И «проползем» по ней два нужных нам здесь раздела: спектры и спектральный анализ; электромагнетизм;

 

Спектры

 

В 1672 году Ньютон начал публиковать труды по оптике, где в частности сообщил удивленному миру ЧР о разложении белого света «на радугу» в спектр, перевернув тем самым всеобщее понимание с головы на ноги, ибо до этого белый свет считался простым, а остальные сложными.

При ближайшем рассмотрении спектры различных излучений оказались не сплошными, с плавным переходом одного цвета в другой по известному правилу «Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан», они оказались пересечены множеством поперечных линий темных в основном, но иногда и ярких. Их назвали спектральными линиями это узкие (ширина много меньше длины волны) участки в спектрах, на которых интенсивность излучения ослаблена (линии поглощения или абсорбционные) или усилена (линии излучения или эмиссионные).

Но еще долго спектры оставались красивыми игрушками…

 

Джозеф фон Фраунгофер (Joseph von Fraunhofer, 1787-1826) родился в Штраубинге, Бавария, и достиг больших высот в изготовлении оптических стекол, за что его пригласили (в 1806 году, 19 лет) в оптический институт на окраине Мюнхена (впоследствии здесь он изготовил знаменитый рефрактор для обсерватории Дорпат [Тарту] в Эсто-нии). В 1814 году он обнаружил (заново, впервые их обнаружил В.Г.Волластон в 1802 году) тысячи темных линий в спектре Солнца, изучил их, измерил их длины волн… И доказал, что они принадлежат излучению Солнца, а не возникают как помехи в инструментах. Теперь их называют Фраунгоферовыми линиями.

В 1859 году физик Густав Кирхгоф (Gustav Robert Kirchhof, 1824-1887) и учитель химии Роберт Бунсен (Robert Wilhelm Bunsen, 1811-1899) (его основные работы в области органической, аналитической и физической химии; это он изобрел цинково-угольную батарейку, а позже когда ему стукнуло 76 лет калориметр) показали, что Фраунгоферовы линии являются характерными линиями поглощения различных химических элементов. То есть по ним можно определять через какое именно вещество проходит излучение… [они, кстати, потом существенно улучшили спектроскоп и обнаружили с его помощью элементы рубидий (1860) и цезий (1861)]

 

 

 

Но чтобы поточнее определить элемент срочно нужна была какая-то система точного измерения длин волн в спектре.

В 1868 году такую систему придумал Андерс Ангстрем (Anders Jons Angstrom, 1814-1874). С тех пор для измерения маленьких длин и применяется единица ангстрем (1=1/10 000 микрона). Эту семейку вирус ЧЧ поразил аж на три поколения: его сын Кнут Юхан Ангстрем (1857-1910), геофизик, создал новые и точные инструменты, применяющиеся в геофизике до сих пор, а внук Андерс Кнутсон, тоже геофизик, создал еще один, а потом исследовал солнечную постоянную и солнечную активность.

Через год ее (систему) модернизировал Генри Роуланд (Henry Augustus Rowland, 1848-1901) и с тех пор она стала мощным инструментом в спектроскопии. Этим инструментом пользуются многие, но отметим, что здесь спектроскопическая тропка физики влилась в астрономию и породила астрофизику физику астрономических объектов.

По одной такой линии в спектре Солнца обнаружили новый элемент назвали его, разумеется, гелий. И только потом уж его обнаружили на Земле… что немедленно возвело спектроскопию в ранг надежных теорий.

 

 

Электромагнетизм

 

Среди многих явлений, занимавших извилины ЧЧ еще со времен Тропы Натуральной, были два чрезвычайно непонятных и странных:

·        натертый кусочек янтаря поднимал кусочки папируса;

·        близ города Магнезия были удивительные камни, притягивающие железо.

Янтарь по-гречески electron, и это дало название электричеству; ну, с Магнезией тоже ясно. Тогдашние ЧЧ их покрутили, повертели и так и эдак, но вынуждены были положить на полку с этикеткой «чудеса». Много раз потом их оттуда брали, опять вертели… и снова туда складывали.

И был еще один феномен, известный и страшный издавна: молния.

 

…В начале 1750-х годов два петербуржца — Ломоносов и Рихман — решили повторить и углубить опыты «…господина Вениамина Франклина, который столь далеко отважился, чтобы вытягивать из атмосферы тот страшный огонь, который часто целые земли погубляет». Оба сделали у себя дома устройства: на крыше торчал железный прут, от него вниз шла, ни к чему не касаясь, проволока, к ней подвешена железная линейка и шелковая ниточка, дабы проверить «…отскочит ли нить от линейки, и произведет ли потому какую электрическую силу… чего ради с превеликою нетерпеливостью ожидали грому…». 26 июля 1753 года на Васильевский остров, где они оба жили, надвинулась грозовая туча, и они оба поспешили к своим устройствам. «Сперва… не было электрической силы, но через некоторое время она появилась и из проволоки стали выскакивать искры при приближении к ней предметов… Все от меня прочь бежали, и жена просила, чтобы я прочь шел… и я подчинился, когда поданы были щи, да и электрическая сила почти перестала…» — так напишет Ломоносов позже. Для Рихмана эта гроза стала последней: разряд прошел от левого виска в ступню левой ноги, сквозь все тело… Опыты после этого случая пытались закрыть, и Ломоносов обращается к графу Шувалову: «…Я не знаю еще или по последней мере сомневаюсь, жив ли я, или мертв. Я вижу, что господина профессора Рихмана громом убило в тех же точно обстоятельствах, в которых я был в то же самое время… Между тем умер господин Рихман прекрасною смертию, исполняя по своей профессии должность. Память о нем никогда не умолкнет… Между тем, чтобы сей случай не был протолкован противу приращения наук, всепокорнейше прошу миловать науки». И дальше Ломоносов проводил эти опыты уже один, «исполняя должность»

Исполняя должность. То есть делая то, что должен, несмотря на смерть друга и опасность. Так рождался громоотвод — непременный атрибут всех современных высоких построек.

 

Физиолог Луиджи Гальвани (Luigi [or Aloisio] Galvani, 1737-1798) обнаружил возникновение электричества в результате химических реакций и его имя теперь носят гальванические процессы. И предположил существование “животного электричества”, что позднее опроверг Алессандро Вольта.

Алессандро Вольта (Alessandro Volta, 1745-1827;

из семерых детей Филиппо Вольта и Маддалены Инзаи он был самым ненормальным как физически, так и умственно; долго его считали немым – первое свое слово этот «заморыш» сказал в возрасте 4 лет; а вот потом этот «дефективный» ребенок быстро догнал и обогнал всех других: к 16 годам он уже широко известен среди физиков…) до 16 лет учился в Иезуитском Колледже в Италии, а потом стараниями дяди по отцу (отца уже не было в живых) в Комо, где скоро познал все, что тогда было известно об электричестве. В 24 года (1769) опубликовал свою первую работу по электричеству, в 1775 представил миру электрофор первое электростатическое устройство, которое привлекло широчайшее внимание.

А в 1800 первый источник постоянного тока, потом его назовут вольтов столб (его письмо в Лондонское Королевское Общество было направлено в конце 1799 года и называлось «Об искусственном электрическом органе»). Но к упомянутым чудесам это пока отношения не имело...

В 1785 году Чарльз Кулон (Charles Augustin de Coulomb, 1736-1806), французский военный инженер, вернувшийся во Францию после 9 лет службы в Вест Индии, среди прочих научных занятий достал с полки и эти чудеса. И вывел силу притяжения или отталкивания таких зарядов (теперь это закон Кулона). Ясности в картину чуда это не внесло, но хоть позволило как-то что-то рассчитывать…

В 1800 году сэр Вильям Гершель (подробнее мы встретимся с ним на Астрономической Тропе) обнаружил, что в темном месте солнечного спектра, дальше его красного конца, где уже “ничего не светит”, вещество тем не менее нагревается. Это излучение назвали инфракрасным.

В 1801 году Иоганн Риттер (Johann Wilhelm Ritter, 1776-1810), знаменитый тем, что впервые получил водород и кислород электролизом воды, открыл излучение и на другом конце ультрафиолетовое, заметив потемнение фотопластинки за пределами фиолетового конца спектра.

 

Но пока и оба этих явления ни к электричеству, ни к магнетизму отношения не имели.

В 1820 году Ампер (Andre Marie Ampere, 1775-1836,

«скорее был уродлив, чем некрасив, одевался плохо и был явно неряшлив… был неуклюж и неловок»… но голова у него работала хорошо), с раннего детства замеченный в острой неравнодушности к математике (в 13-летнем возрасте он представил Лионской Академии наук свое решение задачи о квадратуре круга), что в возрасте 28 лет после публикации его теории игр привело его к руководству кафедрой математики в Лионском институте, доложил Парижской Академии наук серию работ по магнитным эффектам и электрическим токам. Настолько полных, что Максвелл назвал его “Ньютоном электричества”.

В апреле 1820 года Эрстед (Hans Christian Oersted, 1777-1851), датский физик, обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку: когда он по проволоке пускал ток, стрелка отклонялась (обнаружил, кстати сказать, во время лекции, которую читал «на общественных началах», то есть помимо своей основной деятельности и бесплатно, студентам медицинского(!) факультета. Потом он все это долго перепроверял…). А 21 июля опубликовал в виде коротенькой монографии (на латыни). В научном мире это было подобно землетрясению его тут же наградили медалью, а Королевское Общество избрало его своим иностранным членом.

Некоторые исследователи считают, что отсюда начался электромагнетизм. Хотя лично я склонен присоединиться к другой точке зрения. Ведь трудами Эрстеда обнаружено только взаимное влияние электрических и магнитных явлений но это все еще два разных явления…

 

Георг Ом (Georg Simon Ohm, 1787-1854)

начальное образование получил от отца, в том числе слесарное – отец у него был слесарь У него и самого руки были «приставлены» что надо, многое он ими умел… в частности, проволоку тянуть, а ему впоследствиии пришлось много проволочек сделать – ведь чтобы понять как ток идет, пришлось и через тонкие, и через толстые пропускать, через прямые и кривые, и из меди, и из… короче, очень-очень много проволочек; в 1805 году поступил в университет своего родного Эрлангена, но на следующий год пришлось бросить из-за отсутствия средств и дальше он пробирался самостоятельно. В 1826 году опубликовал экспериментальные данные, а на следующий год — математическое обоснование электродвижущей силы и электрического сопротивления. Теперь это зовут «Законом Ома».

Министр «ихний», куратор образования, заявил, что физик, «проповедующий подобную ересь, недостоин преподавать естественные науки». И выгнали (он преподавателем был в это время). Несколько лет совсем нищенствовал… Потом перебивался кое-как – то уроками, то слесарными поделками. Потом уж и в мире признали его труд (в 1841 году Королевское Общество избрало его иностранным членом)… А в своем отечестве допустили снова преподавать только через 23 года (1849), профессором Мюнхенского университета. И поработать-то удалось только пять лет. Закон Ома этому министру испортить, конечно, не удалось. А вот жизнь самому Ому – удалось…

 

И наконец наш мир посетил Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791-1867).

Он родился 22 сентября в английской деревушке недалеко от Лондона в чрезвычайной бедности точнее сказать в нищете и образование получил соответствующее («самое начало начального: кое-как читать, чуть писать...» так записано в его дневнике). Но в 14 лет ему очень повезло: взяли учеником к переплетчику (сомневаюсь, что хоть кто-нибудь из ЧР сочтет это везением. В этом-то, видно, и разница: для него это был доступ к Книге. А Книга — Знание. А Знание — счастье). И он стал проглатывать все книги, какие переплетал… Когда Эрстед обнаружил свой эффект, у многих возникла мысль: “раз ток создает магнитные силы, может и они будут создавать ток?” В 1821 году Фарадей соорудил устройство из проволоки и магнита, преобразующее электрическую энергию в механическую электромотор. Потом на целых десять лет ушел занялся химией: открыл бензин и бутилен, впервые получил нержавеющую сталь... Но вышеупомянутая идея не покидала его ГИ (о чем свидетельствует запись в дневнике от 1822 года: «превратить магнетизм в электричество»)…

29 августа 1831 года он вернулся: подключил рамку из проволоки к гальванометру и сунул в рамку магнит… Ток пошел.

 

И теперь мы, включая небрежным щелчком пальца выключатель, даже не задумываемся, что это возможно только потому, что где-то кто-то крутит для нас рамку Фарадея… К концу жизни он сильно сдал. «Снова и снова рву я свои письма, потому что пишу ерунду. Я не могу уже плавно писать и проводить линии. Смогу ли я преодолеть этот беспорядок? Не знаю. Больше писать не буду. Моя любовь с Вами» — так он написал. И умер в своем рабочем кресле, 25 августа…

Но главное было даже не в том, что ток пошел. Главное в его попытках объяснить как же это происходит. И для объяснения ему пришлось придумать образ: пространство вокруг магнита заполнено чем-то (он назвал это силовыми линиями) и если проволока движется относительно этих силовых линий (или они относительно проволоки), ток идет. То есть придумал-то он то, что теперь называется полем! Эйнштейн, который в ОТО использовал именно идею поля, назвал это «величайшим творением научного ума»… Так в физику вошла новая сущность: поле.

 

Как раз в том году, когда Фарадей совал свой магнит в рамку, в шотландском Эдинбурге в семье Максвеллов родился мальчик по имени Джеймс.

Начальные классы у мальчика шли трудно, особенно математика(!), его даже прозвали в школе «дурилой». Но когда началась геометрия — он «проснулся». То ли геометрия с ее четкой логикой и наглядностью тому виной, то ли он просто «созрел», но дальше он был уже только первым учеником, и никаким другим. Через 14 лет (1845) этот мальчик (James Clerk Maxwell, 1831-1879) представил Королевскому Обществу Эдинбурга свою первую работу «черчение точных овалов», чем вогнал уважаемое Общество в полное уныние: работа была очень интересной, заслушать и утвердить ее и тем самым приоритет Англии не только очень хотелось, было просто необходимо… но не предоставлять же слово с великой кафедры Королевского Общества ребенку! Однако когда очень хочется, решение находится: зачитать работу поручили кому-то взрослому, а мы с тех пор так и чертим эти самые овалы с помощью двух булавок и закольцованной ниточки. В 1859 (28 лет) его эссе с математическим описанием колец Сатурна было признано лучшим… Но это к слову.

В 1864 он представил работу по теории электромагнетизма с четырьмя знаменитыми “уравнениями Максвелла” (так их назвали позже, разумеется) и хотя коллеги-ученые стали использовать эти результаты сразу, опубликована работа была только через 9 лет (1873). Уравнений было 4 штуки пара описывала электричество, пара магнетизм. Однако поле можно было описать только “совместно” уравнения оказались неотделимыми. Родилось электромагнитное поле.

 

Наконец-то полку “чудеса” удалось малость очистить: два несвязанных (казалось бы) явления оказались проявлениями одного и того же поля. И отсюда начался электромагнетизм.

 

Хотя суть “чудес” и это не проясняло…

Томас Эдисон (Thomas Alva Edison, 1847-1931) в связи с переездами родителей в начальную школу ходил всего три месяца, однако за его образованием строго следила мама Нэнси Эллиот Эдисон, до замужества бывшая учительницей.

Это ли помогло, или с рождения в ГИ сидела зараза, но в 10 лет он уже не мог без химии и в подвале дома появилась лаборатория. Денег на нее да и на книги тоже не хватало и стал он продавать газеты и конфеты в поезде Порт Хурон - Детройт. Потом занялся телеграфией… и изобретал всего помаленьку, где бы ни работал угольный микрофон для телефона; систему промышленной генерации и распределения тока; камеру для съемок на движущуюся пленку… пока смерть не настигла его в 84-летнем возрасте, как раз когда он заканчивал изобретение способа получать каучук у себя на родине… (он получил 1093 патента на изобретения по штуке каждый месяц(!) своей жизни, даже если включить детство…).

Но для нас здесь важно, что в 1883 он заметил потемнение стекол ламп в экспериментах, удивился, поэкспериментировал еще и обнаружил, что какие-то заряженные частицы, видимо, могут преодолевать промежуток между электродами это назвали эффектом Эдисона, долго остававшимся любопытной научной игрушкой.

В 1893 Генрих Герц (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894;

человек он был болезненный, вечно у него что-нибудь болело: зубы, уши, глаза… но это не мешало интересоваться всем на свете, и за что бы он ни брался – все получалось, и получалось хорошо. Когда он стал знаменитым ученым, его наставник по токарному делу сказал «Жаль. Из него мог бы получиться отличный токарь»);

обнаружил коротковолное радиоизлучение и на основании работ Максвелла доказал его электромагнитную природу, подтвердив тем самым электромагнитную природу света...

Мы почти не вспоминаем его, хотя каждый день сталкиваемся с его именем: «…связь с космическим кораблем осуществлялась на частоте … герц», «тактовая частота процессора … мегагерц»… Мегагерц – это миллион герц. А герц – это Генрих Герц…

 

 

В 1895 году (8 ноября, поздно вечером, один в лаборатории – никак не мог уйти домой, очень хотелось закончить эксперименты и понять, как же бегут электроны от катода к аноду и могут ли они что-то «засвечивать»…) Вильгельм Рентген (Wilhelm Konrad Roentgen, 1845-1923) открыл рентгеновские лучи

(за что в 1901 году — первом году, когда они были учреждены — получил Нобелевскую премию; сам-то он назвал их Х-лучами, потому во многих странах их так и зовут, однако в большинстве все же его Именем. Это открытие «описатели» часто приводят как явное доказательство «случайности». Я опять-таки склонен присоединиться к другой точке зрения. Рентген был неразговорчив и нелюдим, однако в истории осталась его фраза «Я искал невидимые лучи», сказанная английскому коллеге. А его ближайшие помощники Л.Цендер и В.Герлах вполне однозначно говорят «Рентген искал какие-то лучи, он даже предупреждал нас, когда уходил к себе в лабораторию, не беспокоить его, а особо рвущимся говорить, что «я умер». Так что, скорее всего, Рентген догадывался, или «предощущал» то, что именно он ищет. Впрочем, «случайность» открытий действительно имеет место, но в ней есть одна многозначительная странность: чаще всего «случайно» открывают что-то как раз те люди, которые углубились в проблему дальше и глубже всех. Простите за не относящееся к делу отступление)…

В 1897 Дж Дж Томпсон доказал, что частицы Эдисона действительно отрицательно заряженные частицы материи, он их назвал электроны.

И наконец в 1902 году Хендрик Лоренц (Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928) совместно со своим учеником Питером Зееманом стали лауреатами Нобелевской премии за работы по теории света, твердо «воткнув» видимый свет в общий спектр электромагнитного излучения.

Только теперь все перечисленные выше явления, такие разнохарактерные и непохожие, стали одним целым — электромагнитным излучением. Свет оказался всего лишь небольшим участком электромагнитного спектра, сам же спектр включил в себя и радиоволны, и инфракрасное излучение, и ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма… и все это подчинилось одним и тем же законам, а отличия оказались лишь в длине волны...

 

 

Домой Оглавление Назад Дальше