Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 46 страниц)

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

В древности, наблюдая за поведением света, думали, что два световых луча, пересекаясь, продолжают идти своей дорогой как ни в чем не бывало. Подобные наблюдения укрепляли веру в бестелесность, нематериальность света. Но так ли все происходит на самом деле?

Ньютон первым поставил опыт по наблюдению взаимодействия, или, как говорят оптики, интерференции световых лучей между собой.

Он создал клиновидный воздушный зазор, положив тонкую линзу (выпуклой поверхностью вниз) на плоскую стеклянную пластинку.

Затем ученый осветил зазор, причем сначала белым светом, а потом по очереди и другими основными цветными лучами. Ньютон отметил, что лучи, отражаясь от стеклянных границ воздушного клина, очевидно взаимодействовали между собой. При освещении белым светом в зазоре появились чередующиеся цветные и радужные кольца. Когда же пропускались через зазор цветные лучи, предварительно полученные с помощью призмы, то в нем возникали светлые и темные кольца.

Ньютон оставил эти эксперименты без обычных для него детальных выводов. По-видимому, ученый решил, что здесь скрываются явления, требующие дополнительных исследований, которые он не мог провести.

Лишь в XIX веке в науку придут два выдающихся исследователя, Юнг и Френель, и «достроят» заложенное Ньютоном здание классической оптики.

Томас Юнг (1773–1829), разносторонний ученый, врач по профессии, человек с весьма разносторонними интересами – гимнаст и музыкант, а известный также и как египтолог. Рассказывают одну любопытную историю, связанную с ним. В четырнадцать лет Томаса попросили воспроизвести несколько фраз по-английски, чтобы проверить, умеет ли он хорошо писать. Юноша дольше обычного пробыл в комнате для испытаний. Новый учитель Томаса Юнга готов был посмеяться над неумехой. Однако, когда ученик протянул ему листок, там заданные фразы были не только переписаны, но и переведены на девять (!) разных языков.

В первой же своей работе по оптике Юнг показал, что хрусталик человеческого глаза представляет собой линзу с переменной кривизной. Особые мускулы растягивают и сжимают хрусталик, позволяя получать на сетчатке глаза резкое изображение как удаленных, так и близких Предметов.

Юнгу было всего двадцать лет, когда он выполнил это оптико-медицинское исследование. Королевское научное общество тут же избрало его своим членом.

Критическому уму Юнга теория Ньютона представлялась совершенно неудовлетворительной. Особенно неприемлемым он считал постоянство скорости световых частиц независимо от того, испущены ли они таким крошечным источником, как тлеющий уголек, или таким громадным источником, как Солнце. А более всего представлялась ему неясной и недостаточной ньютоновская теория «приступов», с помощью которой Ньютон пытался объяснить окрашивание тонких пластин. Воспроизведя это явление и поразмыслив над ним, Юнг пришел к гениальной мысли о возможности интерпретации этого явления как наложения света, отраженного от первой поверхности тонкой пластины, и света, прошедшего в пластину, отраженного от второй ее поверхности и вышедшего затем через первую. Такое наложение могло привести к ослаблению или к усилению падающего монохроматического света.

Точно не известно, каким образом Юнг пришел к своей идее наложения. Вполне вероятно, это произошло в результате исследования звуковых биений, при которых наблюдается периодическое усиление и ослабление звука, воспринимаемого ухом. Как бы то ни было, в четырех докладах, представленных Королевскому обществу с 1801 по 1803 год, объединенных несколько лет спустя в обобщающей работе «Курс лекций по естественной философии и механическому искусству», вышедшей в Лондоне в 1807 году, Юнг приводит результаты своих теоретических и экспериментальных исследований. Он несколько раз приводит цитату из XXIV предложения третьей книги «Начал» Ньютона, в которой аномальные приливы, наблюдавшиеся Галлеем на Филиппинском архипелаге, объясняются Ньютоном как результат наложения волн. Исходя из этого отдельного примера, Юнг вводит общий принцип интерференции.

«Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера с определенной постоянной скоростью и попадающих в узкий канал, ведущий к выходу из озера. Представьте себе далее, что по какой-либо иной аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, приходящих к тому же каналу с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся: если они подойдут к каналу таким образом, что вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы, то они вместе образуют совокупность волн большей величины; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды в канале останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».

Для получения интерференции нужно, чтобы оба световых луча исходили из одного и того же источника (чтобы у них был совершенно одинаковый период), после прохождения различного пути они должны попадать в одну и ту же точку, а также идти там почти параллельно.

Значит, продолжает Юнг, когда две части света общего происхождения попадают в глаз по различным путям, идя почти в одинаковом направлении, луч приобретает максимальную интенсивность при условии, что разность путей лучей равна кратному числу некоторой определенной длины, и имеет минимальную интенсивность в промежуточном случае. Эта характерная длина различна для света различных цветов.

В 1802 году Юнг подкрепил свой принцип интерференции классическим опытом «с двумя отверстиями», возможно поставленным под влиянием аналогичного опыта Гримальди, который, однако, не привел к открытию интерференции из-за особенностей применявшейся установки.

Опыт Юнга общеизвестен: в прозрачном экране кончиком булавки прокалываются два близко расположенных одно к другому отверстия, которые освещаются солнечным светом, проходящим через небольшое отверстие в окне. Два световых конуса, образующихся за непрозрачным экраном, расширяясь благодаря дифракции, частично перекрываются, и в перекрывающейся части, вместо того чтобы давать равномерное увеличение освещенности, образуют серию чередующихся темных и светлых полос. Если одно отверстие закрыто, то полосы исчезают и появляются лишь дифракционные кольца от другого отверстия. Эти полосы исчезают и в том случае, когда оба отверстия освещаются (как это было в опыте Гримальди) непосредственно солнечным светом или искусственным источником света. Привлекая волновую теорию, Юнг очень просто объясняет это явление. Темные полосы получаются там, говорит ученый, где провалы волн, прошедших через одно отверстие, налагаются на гребни волн, прошедших через другое отверстие, так что их эффекты взаимно компенсируются; светлые каемки получаются там, где два гребня или два провала волн, прошедших через оба отверстия, складываются. Этот опыт позволил Юнгу измерить длину волны для различных цветов: он получил длину волны 0,7 микрона для красного света и 0,42 микрона для крайнего фиолетового. Это первые в истории физики измерения длины волны света, и следует отметить их поразительную точность.

Из своего принципа интерференции Юнг вывел целый ряд разнообразных следствий. Он рассмотрел явления окрашивания тонких слоев. Ученый объяснил их вплоть до мельчайших деталей. Юнг вывел эмпирические законы, найденные Ньютоном, и, считая неизменной частоту света заданного цвета, объяснил уплотнение колец в опыте Ньютона при замене воздушной прослойки между линзами водой уменьшением скорости света в более преломляющей среде.

Интересно заметить, что Юнгу принадлежит термин «физическая оптика», применяемый для обозначения исследований «…источников света, скорости его распространения, его прерывания и затухания, его расщепления на различные цвета, влияния на него различной плотности атмосферы, метеорологических явлений, относящихся к свету, особенных свойств некоторых веществ по отношению к свету».

Работы Юнга, представляющие собой наиболее существенный вклад в теорию оптических явлений со времен Ньютона, были восприняты физиками того времени с недоверием, а в Англии они подвергались даже грубым насмешкам. Объяснялось это отчасти тем, что Юнг пытался применять принцип интерференции и к явлениям явно не интерференционным, отчасти некоторой неясностью изложения, которая чувствуется и сейчас и которая, должно быть, еще больше чувствовалась в те времена, и отчасти, как упрекал Юнга впоследствии Лаплас, тем, что Юнг иногда удовлетворялся недостаточно строгими, а порой поверхностными экспериментами.

Из представлений о свете как о волновом движении эфира исходил и Огюстен Френель (1788–1827), дорожный инженер, сравнительно поздно начавший интересоваться наукой.

«Добрый гений» Френеля академик Франсуа Араго, вовремя заметивший выдающийся талант ученого и всю жизнь помогавший ему, тем не менее, писал в своих записках-воспоминаниях: «Огюстен Френель учился так медленно, что восьми лет едва умел читать… Он никогда не чувствовал склонности к изучению языков, не любил знаний, основанных на одной памяти, и запоминал то, что было доказано ясно и убедительно».

Первое время Френель работал в сельской глуши. Он и не подозревал об опытах Юнга, поэтому повторил их. И объяснение огибания светом препятствий Френель дал подобное юнговскому.

Позднее, уже работая в Париже, Френель получил математические уравнения, точно описывающие оптические процессы, происходящие на границе двух различных оптических сред.

Различные формулы Френеля так часто применяются в оптических работах, что, несомненно, занимают по этому показателю первое место.

Френель предложил для создания интерференционной картины направлять солнечный свет на экран с помощью двух зеркал, установленных под небольшим углом друг к другу.

Известный ученый, автор многих университетских учебников по физике, Роберт Поль для большой аудитории предложил создавать интерференцию, направив свет на тонкую слюдяную пластинку. Отраженный пластинкой свет попадает на большой экран, на котором хорошо видны интерференционные полосы.

Явление интерференции широко используется в приборах, которые называются интерферометрами.

Интерферометры могут служить самым различным целям, например для контроля чистоты обработки поверхности металла.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО У ЖИВОТНЫХ

Ко второй половине восемнадцатого века изучение электрических явлений уже дало материал для вывода о важной роли электричества в биологии. Опыты Джона Уолша и Ларошеля доказали электрическую природу удара ската, а анатом Гунтер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Гунтера были опубликованы в 1773 году.

Таким образом, ко времени начала опытов Гальвани в 1786 году не было недостатка в попытках физической трактовки психических и физиологических явлений. Почва для возникновения учения о животном электричестве была вполне подготовлена.

Вся жизнь Гальвани (1737–1798) прошла в итальянском городе Болонье. Жизнь его была небогата событиями. Любопытно, что университет он закончил по специальности богословие и только после защиты диссертации заинтересовался медициной. Это произошло под влиянием общения его с тестем – известным врачом и профессором медицины Карло Галеацци.

Несмотря на ученую степень, Гальвани круто изменил свою профессию и вновь окончил Болонский университет, но уже медицинское отделение. Магистерская работа Гальвани была посвящена строению человеческих костей. После ее успешной защиты Гальвани начал преподавать медицину. В 1785 году, после смерти Галеацци, Гальвани занял его место руководителя кафедры анатомии и гинекологии.

Работая в университете, Гальвани одновременно занимался физиологией: ему принадлежат интересные труды, в которых он доказал, что строение птичьего уха практически не отличается от человеческого.

Открытие, как это часто бывает, произошло случайно. В своем трактате Гальвани пишет: «Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина… Один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки… Другой заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями».

Как справедливо указал впоследствии Вольта, в самом факте вздрагивания лапки препарированной лягушки при электрическом разряде с физической точки зрения не было ничего нового. Явление электрической индукции, а именно явление так называемого возвратного удара, было разобрано Магоном в 1779 году. Однако Гальвани подошел к факту не как физик, а как физиолог. Ученого заинтересовала способность мертвого препарата проявлять жизненные сокращения под влиянием электричества.

Он с величайшим терпением и искусством исследовал эту способность, изучая ее локализацию в препарате, условия возбудимости, действие различных форм электричества и в частности атмосферного электричества. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии, значение которой в наше время трудно переоценить.

Вместе с тем Гальвани пришел к замечательному открытию. Напрастно ожидая сокращения мышц в ясную погоду, он, «утомленный… тщетным ожиданием… начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке»… «Хотя я, – пишет он далее, – нередко наблюдал сокращения, но ни одно не соответствовало перемене в состоянии атмосферы и электричества… Когда же я перенес животное в закрытую комнату, поместил на железной пластине и стал прижимать к ней проведенный через спинной мозг крючок, то появились такие же сокращения, такие же движения».

Таким образом, Гальвани, осуществив ряд экспериментов, приходит к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его привели к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов и лягушечного препарата.

Особенно эффектен и эффективен оказался следующий опыт: «Если держать висящую лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы крючок, проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла бы касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно… сокращаться. При этом лапка встает и поднимается и затем, вновь упав на пластинку, вместе с тем приходит в соприкосновение с последней, снова по той же причине, поднимается вверх, и, таким образом, продолжает далее попеременно подниматься и падать, так что эта лапка, к немалому восхищению и радости наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником».

В такой довольно непростой форме был открыт новый источник электричества, создающий в проводящей замкнутой цепи длительный разряд. По объективным причинам физиолог Гальвани не мог допустить и мысли, что причина явления кроется в контакте разнородных металлов. Ученый предположил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаемой действием мозга, которое передается по нервам.

Теория животного электричества подводила базу под практическую электромедицину, и открытие Гальвани произвело сенсацию. Среди последователей болонского анатома оказался и Вольта.

Алессандро Вольта (1745–1827) родился в итальянском городе Комо. Уже с 18 лет Алессандро ведет переписку с Нолле по вопросам физики. Еще через год он пишет латинскую поэму о современных физико-химических открытиях. Первая работа 1764 года посвящена лейденской банке, следующая работа 1771 года – «Эмпирические исследования способов возбуждения электричества и улучшение конструкции машины». В 1774 году Вольта становится преподавателем физики в родном городе. В 1777 году он изобретает электрофор, затем конденсатор и электрофор с конденсатором. Но и это не все. На его «счету» изобретение электрического пистолета, водородной лампы, эвдиометра.

В 1777 году Вольта назначается профессором физики в Павий. В восьмидесятых годах изобретает пламенный зонд. За изобретение столба он получил награду от Наполеона и был избран членом Института.

В первых своих статьях, напечатанных в начале девяностых, Вольта разделяет точку зрения Гальвани. Но вскоре намечается будущий отход от этой теории, на первый план выдвигаются физические моменты эффекта. Сначала Вольта устанавливает, что соответствующим образом «препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр».

Потом ученый определяет важность контакта разнородных металлов. «Такое различие металлов безусловно необходимо; если же обе обкладки из одного и того же металла, то следует, чтобы они отличались, по крайней мере, по способу их приложения…» (т. е. по состоянию контактной поверхности). Далее Вольта показывает, что ток электрического флюида обусловлен контактом разнородных металлов и может производить не только мышечные сокращения, но и другие раздражения нервов. Наконец, Вольта устанавливает полярность эффекта: перемена обкладок местами вызывает изменение вкуса с кислого на щелочной. В свете этих фактов теория мышечной лейденской банки Вольта представляется несостоятельной.

В дальнейшем Вольта окончательно порывает с теорией животного электричества. Он дает физическую трактовку эффекта. В письме к Кавалло Вольта пишет: «…я открыл новый весьма замечательный закон, который относится собственно не к животному электричеству, а к обычному электричеству, так как этот переход электрического флюида, переход, который не является моментальным, каким был бы разряд, но постоянным и продолжающимся все время, пока сохраняется сообщение между обеими обкладками, имеет место независимо от того, наложена ли эта обкладка на живое или мертвое животное вещество, или на другие не металлические, но достаточно хорошие проводники, как, например, на воду или на смоченные ею тела». А раньше 10 февраля 1794 года в письме к тому же Кавалло Вольта прямо начинает вопросом: «Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убежден, что все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или самой воде».

Физиологические раздражения нервов являются результатом проходящего тока, и эти раздражения тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены нами здесь; цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит. Этот знаменитый ряд напряжений Вольта и открытый им закон напряжений составляют ядро всего эффекта. Животные органы, по Вольта, «являются чисто пассивными, простыми, очень чувствительными электрометрами, и активны не они, а металлы, т. е. что от соприкосновения последних и происходит первоначальный толчок электрического флюида, одним словом, что такие металлы не простые проводники или передатчики тока, но настоящие двигатели электричества…» В одном из примечаний к этой статье Вольта вновь подчеркивает, что к идее о контактном напряжении он пришел уже более трех лет тому назад и уже в 1793 году дал свой ряд металлов.

Таким образом, суть эффекта заключается, по мнению Вольта, в свойстве проводников «вызывать и приводить в движение электрический флюид там, где несколько таких проводников разного класса и сорта встречаются и соприкасаются между собою».

«Отсюда и получается, что если из них три и больше, и притом различные, составляют вместе проводящую цепь, если, например, между двумя металлами – серебром и железом, свинцом и латунью, серебром и цинком и т. д. – ввести один или более проводников, именно из того класса, который назван классом влажных проводников, так как они представляют жидкую массу или содержат некоторую влагу (к ним причисляются животные тела и все их свежие и сочные части), если, говорю я, проводник этого второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления, смотря по тому, с какой из сторон действие на него оказывается сильнее в результате такого соприкосновения».

Так ясно и четко Вольта сформулировал условия возникновения постоянного тока: наличие замкнутой цепи из различных проводников, причем, по крайней мере, один должен быть проводником второго класса и соприкасаться с различными проводниками первого класса. Гальванисты в ответ приводили опыты, в которых мышечные движения возбуждались дугой из однородного проводника и даже, как в опытах Валли, соприкосновениями различных препаратов без металлического проводника. На это Вольта указывал, что и в этих опытах имеется неоднородность. Концы одной проводящей дуги различны, осуществить их полную однородность почти невозможно, контактная разность может возникнуть и при соприкосновении различных проводников второго класса.

«…Неметаллические проводники, проводники жидкие или содержащие в себе в той или иной мере влагу, те, которые мы называем проводниками второго класса, и они одни, сочетаясь друг с другом, будут являться возбудителями, как металлы, или проводники первого класса в сочетании с проводниками второго класса…»

В дальнейшем Вольта в целях устранения всяких сомнений в не физиологической, а чисто физической сути дела исключает животные препараты, служившие до тех пор индикаторами тока. Он разрабатывает методику измерений контактных разностей потенциалов своим конденсаторным электрометром. Об этих классических опытах Вольта сообщает в письме к Грену в 1795 году и Альдини в 1798 году.

20 марта 1800 года Вольта написал свое знаменитое письмо Бенксу с описанием своего столба – изобретения, произведшего подлинную революцию в науке об электричестве.

П.С. Кудрявцев пишет в своей книге: «Природа открытого эффекта была очень сложна, и при тогдашнем уровне физико-химических наук и физиологии раскрыть картину явления было невозможно. В споре о природе явления по существу оказались правы обе стороны. Гальвани стал основоположником электрофизиологии, а Вольта – основоположником учения об электричестве. В лабиринте противоречивых опытов и наблюдений Вольта нащупал правильный путь, нашел опытный физический закон напряжений, дал правильное описание цепи электрического тока. Впереди еще предстояли большие споры по вопросу о причине и природе контактной разности потенциалов, но в ее существовании уже сомнений не оставалось, а в вольтовом столбе наука получила мощное орудие исследования, которым она и не замедлила воспользоваться».