Текст книги "Крушение парадоксов"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 14 страниц)

Для того чтобы осознать весь драматизм возникшей ситуации, необходимо встать на точку зрения ученых первой четверти прошлого века. Ведь, отказываясь от корпускулярной теории света, они имели только один путь – считать свет волнами эфира. О свойствах эфира в то время предпочитали не говорить. Давно прошли времена, когда можно было обсуждать размер и форму частиц эфира и спорить о том, состоит ли он из частиц или является плотной жидкостью. Опыт, этот кумир нового времени, не давал для таких суждений никаких оснований. Ученые поклонялись фактам. Известно лишь, что эфир не препятствует движению тел. Ни вечному вращению планет, ни движению малых тел, ускорения и скорости которых можно изменять и измерять в ходе опытов.

Из аналогии с акустикой было понятно, что эфир, эта тончайшая невесомая среда способна к передаче того процесса, который мы воспринимаем как свет. Знаменитый Ампер, один из основоположников учения об электричестве, еще в 1815 году сказал Френелю, что явления поляризации можно понять, предположив, что световые колебания эфира поперечны, в отличие от звуковых волн в воздухе, частицы которого колеблются вдоль направления распространения звука. Френелю такая мысль показалась совершенно дикой. Ведь поперечные колебания возможны только в твердых телах!

Юнг, узнавший об опытах Араго и Френеля с поляризованным светом, тоже подумал о поперечных колебаниях эфира, но писал лишь о «воображаемом поперечном движении». Был ли он еще напуган приемом, оказанным его соотечественниками теории интерференции, или ему самому мысль о поперечных колебаниях эфира казалась слишком фантастической, нельзя установить ни из его статей, ни из писем. Несколько лет сторонники волновой теории чувствовали свое бессилие перед загадкой поляризации света и старались обходить тупик стороной. Сторонники корпускулярной теории торжествовали.

Скачок

Нужно было иметь величайшее мужество, чтобы в таких условиях сделать шаг, совершенный Френелем. Он решился на это лишь в 1821 году, после многих лет безуспешных попыток.

Свет является поперечными колебаниями эфира, писал Френель. Араго, друг и сотрудник Френеля, отказался присоединиться к такой гипотезе и не захотел быть его соавтором в этой крамольной статье. Ведь, признав поперечность света, он должен был принять и то, что эфир, невесомый и всепроникающий эфир, тверже стали! Тверже стали, но свободно проникает сквозь все тела или свободно пропускает их сквозь себя! Такое казалось невозможным в то время, время абсолютного господства механики. Френелю противостоял объединенный фронт ньютонианцев и сторонников его собственной волновой теории. За последующие несколько лет Френель, работая в полном одиночестве, более того, встречая иногда открытое неодобрение, полностью перестроил свою волновую теорию света.

Теперь, когда в уравнения введены изменения, отражающие поперечный характер световых волн, из них, как следствия, получались описания всех известных явлений, связанных с поляризацией света. Были, конечно, и трудности. Трудности, связанные с эфиром. Для их преодоления Френель ввел одну-единственную гипотезу. Это было огромным скачком по сравнению со всеми вариантами корпускулярной теории света, где приходилось вводить массу дополнительных гипотез, специфических чуть ли не для каждого нового явления, частично противоречащих одна другой и, несмотря ни на что, обеспечивавших во многих случаях лишь очень приближенные совпадения с опытом.

Единственная гипотеза Френеля состояла в том, что, хотя эфир никак не влияет на движения материальных тел, тела, в которые он проникает, изменяют механические свойства эфира. Чем плотнее тело, тем меньше скорость поперечных колебаний эфира внутри его. Основываясь на такой гипотезе, Френель построил математическую теорию, объяснившую, в частности, многовековую тайну преломления света. Световая волна, переходящая из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, частично поворачивает обратно и лишь частично проникает внутрь. Если волна падает на границу вещества под углом, то ее отраженная часть уходит от поверхности под тем же углом (Эвклид), а та часть, которая идет внутрь вещества, преломляется в соответствии с законом Декарта – Снеллиуса.

Но в отличие от известных ранее чисто качественных законов формулы Френеля предсказывали, как распределится энергия падающей волны между отраженной и преломленной волнами. И опыт с огромной точностью подтвердил предсказание для всех прозрачных веществ и любых углов падения света на границу вещества.

Из теории Френеля следовала и зависимость скорости света от свойств вещества. Как и в других вариантах волновой теории, и у него скорость света предполагалась максимальной в свободном эфире (в пустоте).

Лишь через четверть века Фуко смог осуществить очевидное доказательство справедливости этого предсказания. Измеренная им скорость света в воде составляла лишь 3/4 скорости света в воздухе. Но Френель не дожил до триумфа своей теории.

На долю Френеля выпала прекрасная участь бороться и побеждать. Трудности возникали и до его разрыва с Араго в связи с переходом к идее о поперечных колебаниях эфира. Ведь волновая теория, опирающаяся на понятие эфира, в любом варианте должна была ответить на вопрос о движении эфира. Всюду ли он неподвижен, или часть его, находящаяся внутри тел, движется вместе с ними? Еще в 1725 году Бредли, изучая положение некоторых звезд, обнаружил, что во время кульминации, то есть при прохождении через плоскость меридиана, они кажутся отклоненными к югу. Трехлетние наблюдения показали ему, что неподвижные звезды как бы описывают эллипсы на небесной сфере. Бредли правильно объяснил такое явление, позже названное аберрацией, сложением скорости света, идущего от звезды, со скоростью движения Земли по ее орбите. Этим была окончательно доказана конечность скорости света.

Блестящий экспериментатор, Араго понял, что свет звезд может помочь провести решающую проверку справедливости корпускулярной теории света. Он проверил, влияет ли движение Земли на преломление света звезд. Результат оказался отрицательным и убедил Араго в том, что от корпускулярной теории следует отказаться. Но как быть с волновой теорией? Араго обратился с таким вопросом к Френелю.

Компромисс

Ответ гласил: «Да, и отсутствие влияния движения Земли на преломление, и явление аберрации легко объясняются, если считать, что движущиеся тела увлекают за собой эфир, но не полностью, а частично». Эта единственная гипотеза позволила Френелю объяснить все известные в то время оптические явления, связанные с движением тел. Гипотеза подтверждалась и исследованиями открытого позднее эффекта Доплера, заключающегося в изменении цвета излучения или высоты звука в зависимости от движения источника или наблюдателя.

Физо подтвердил гипотезу Френеля, измерив скорость света, проходящего в текущей воде в направлении ее течения и против течения. В конце прошлого века к подобному результату пришел замечательный экспериментатор Майкельсон. Но гипотеза частичного увлечения казалась многим слишком искусственной. Уже Стокс пытался сформулировать компромиссную гипотезу – в телах эфир увлекается полностью, вдали от них он неподвижен. Однако это было слишком сложно.

Френель давно уже лежал в могиле, и никто из последователей не мог выбраться из противоречий. Несмотря на смятение, результаты проведенных Френелем исследований свойств эфира, имеющих сейчас только исторический интерес, не только сохранили свое значение в оптике, но и легли в основу новой области науки – общей теории упругости, развитой после Френеля такими выдающимися математиками, как Коши, Пуассон, Грин и Ламе.

Однако, как и другие революционные теории, теория Френеля еще долго встречала сопротивление старшего поколения ученых, воспитанных на идеях корпускулярной теории света. Можно сказать, что спекуляция на авторитете Ньютона вызывала застой в оптике, сравнимый, пожалуй, лишь с многовековым оцепенением науки под гипнотизирующим влиянием величия Аристотеля.

Брюстер, совершивший ряд важных открытий в оптике кристаллов, известный каждому школьнику в связи с замечательным углом Брюстера, при котором отраженный луч полностью поляризован, завоевавший популярность среди современников изобретением калейдоскопа, игрушки, ставшей теперь анонимной, Брюстер отрицал теорию Френеля. Ибо она приписывала богу «грубую идею заполнить все пространство эфиром только для того, чтобы создать свет».

Араго был первым, узнавшим от Френеля о необходимости признать поперечность колебаний эфира. Он решительно отверг эту идею и не примирился с ней даже через четверть века, несмотря на упомянутый выше опыт Фуко, подтвердивший важное следствие теории об уменьшении скорости света в телах. Араго справедливо считал, что такой вывод следует и из прежних волновых теорий. Био отрицал теорию Френеля всю свою жизнь. Но все больше молодых физиков следовало за Френелем.

Долой эфир, долой корпускулы!

Лишь один из ученых старшего поколения отдал должное интуиции и настойчивости Френеля. Им оказался ирландский математик и астроном Гамильтон. Ему принадлежат замечательные работы в области теории комплексных чисел и механики. Интересовался он и общими принципами развития науки.

Гамильтон, пожалуй, первым четко выделил две фазы характерные для развития каждой области науки. Сперва человек обнаруживает неизвестные ранее факты и систематизирует их, пока ему не удается обнаружить в первоначальной груде несвязанных явлений некоторые закономерности, охватывающие группу фактов. Так постепенно наука поднимается до понимания внутреннего единства разнообразных явлений и процессов. После этого может быть построена теория, не только объясняющая с единой точки зрения все известное ранее, но и способная предсказать неизвестные явления и закономерности. Говоря более четким языком, ученый на первой стадии познания восходит от отдельных фактов к законам; на второй стадии он нисходит от законов к следствиям. Орудие первой стадии – индукция и анализ, орудие второй – дедукция и синтез. На первой стадии основную роль играют фантазия и смелость, на второй – логика и строгость.

Френель совершил потрясающий скачок от первой стадии ко второй. Нужно было обладать величайшим воображением и смелостью, чтобы предвидеть поперечные колебания в незримом и неощутимом эфире, несмотря на очевидные противоречия со здравым смыслом, рождающиеся от этого предположения. Требовалась огромная работа, почти непосильная для человека, снедаемого туберкулезом и имевшего лишь инженерную подготовку, для того чтобы создать математическое здание теории и получить из нее следствия, неведомые ранее. Гамильтон и личной склонностью и научной подготовкой принадлежал к людям, сфера которых – математическая строгость. Его шокировала необходимость признавать за эфиром одновременно и невесомость, и абсолютную твердость. Он не мог примириться с массой противоречивых гипотез корпускулярной теории света. В работе Френеля его привлекало внутреннее единство. Он чувствовал, что упругий эфир, из которого исходил Френель, по существу, является излишним. Гамильтон решил создать формальную математическую теорию света, не связанную ни с какой конкретной моделью. Он хотел, чтобы теория исходила из минимума общих принципов и описывала на их основе все известные факты.

Гасконец

В качестве исходного пункта Гамильтон выбирает принцип Ферма, пришедшего в конце своей жизни к утверждению о том, что свет распространяется по простейшему пути. Ферма, современник Декарта и юрист по профессии, был выдающимся математиком, во многом опередившим своих современников. Среди широкой публики он известен своей великой теоремой, решение которой до сих пор не получил никто. Суть ее очень проста. Ферма утверждал, что простейшее уравнение x ⁿ+ y ⁿ= z ⁿ, где n– целое число, большее двух, не может быть удовлетворено никакими положительными целыми числами. В справедливости утверждения Ферма может убедиться каждый, стоит только попробовать. Но почему это так?

В свое время за доказательство теоремы предлагалась большая премия, но математики настояли на ее отмене. Они задыхались под обязанностью разбираться в нескончаемом потоке «доказательств», шедших от любителей легких денег, привлеченных кажущейся простотой задачи. Теперь ясно, что теорему Ферма нельзя доказать без создания новых глубоких методов в теории уравнений.

Случилось так, что Ферма прочитал книгу по оптике, написанную его другом де ла Шамбром. Автор выводил в ней законы преломления света, следуя давно забытым утверждениям Герона, жившего за сотню лет до нашей эры. Герон исходил из метафизического принципа, согласно которому природа всегда действует по кратчайшему пути. В четвертом постулате, относящемся к свойствам зеркал, Герон указывает, что из всех лучей, испытавших отражение и соединяющих две точки, минимальны те, которые отражаются под равными углами. Минимальны – значит короче других.

Беда в том, что в ряде случаев, при отражении от вогнутых зеркал свет шел по наиболее длинному пути. Как быть с принципом Герона, столь милым сердцу любителей общих принципов?

Ферма утверждал, что длина пути менее важна, чем простота. Прямая проще кривой. Если рассматривать не все вогнутое зеркало, а прямую, касательную к нему в точке падения света, все станет ясным. По отношению к прямой путь света самый короткий. Так можно примирить четвертый постулат Герона с общим принципом простоты. Ферма немедленно нашел из этого принципа и закон преломления. Но, как и в случае великой теоремы, никто не мог понять, каким образом он это сделал. Ферма обещал де ла Шамбру представить свой путь доказательства по первому требованию, но оттягивал выполнение обещания целых четыре года. Декарт обратил внимание на то, что Ферма был гасконцем. Лишь 1 января 1662 года Ферма доказал, что и гасконцы способны выполнять свои обещания. В новогоднем письме де ла Шамбру он уточняет, что природа стремится не просто к кратчайшему пути, а к пути, проходимому за кратчайшее время! Закон преломления получился с удивительной непосредственностью. Но, к сожалению, Декарта уже не было в живых, и он не мог оценить остроумие гасконца.

И вот Гамильтон поставил своей целью вывести все законы оптики из одного принципа. Он хотел следовать Лагранжу, который построил всю аналитическую механику, исходя из принципа наименьшего действия. Гамильтон понимал, что этот принцип, как и принцип Ферма, выведен из метафизических соображений об экономии в природе. Но, еще более уточнив формулировку Ферма, он говорит об экстремальном, стационарном или варьируемом действии.

Гамильтону удалось свести математическую формулировку этого принципа всего к двум математическим уравнениям. Из уравнений как простые следствия получались все законы оптики и механики. В них не было ни эфира, ни корпускул. Они давали все то, и только то, что поддавалось опытной проверке.

Может быть, уже здесь следует упомянуть о том, что именно метод Гамильтона лежит в основе современной квантовой механики. Наука наиболее рельефно выявляет связь между поколениями. Научные идеи не признают границ. Но глубоко ошибется желающий сопоставить развитие науки с неуклонным, безостановочным течением могучей реки. Прогресс науки сродни капризному течению горной речки, порой разбегающейся на множество рукавов, застаивающейся в заводях и мчащейся по бурным перекатам.

Самородок

В начале прошлого века тринадцатилетний сын лондонского кузнеца после кратковременного пребывания в начальной школе поступил в обучение к переплетчику. Там он мог утолить свою жажду чтения. Стоит ли думать о том, как сложилась бы его судьба и история науки, если бы ему пришлось обучаться другому ремеслу?

Майкл Фарадей не просто читал, а набирался знаний. Начал посещать публичные лекции. Лекции замечательного химика Дэви покорили юношу, и он послал Дэви письмо с просьбой принять его на работу. Так Фарадей проложил себе дорогу в науку.

Естественно, что, начав работать с Дэви, Майкл стал химиком. Но его тянуло к физике. Отсутствие систематических знаний математики наложило характерный отпечаток на все исследования Фарадея. Он был смелым и гениальным экспериментатором. Некоторые ограничивают его роль именно великими экспериментальными открытиями. Но он был, пожалуй, еще более великим провидцем. Стремился и умел находить общность в казалось отдаленнейших областях науки, в совершенно несхожих явлениях. Он был глубоким теоретиком, способным проникать мысленным взором в самую суть вещей и явлений, и формулировал свои мысли в столь четкой форме, что и в словесном выражении они не уступали математическим теоремам. Вот что писал по этому поводу Максвелл: «По мере того как я продвигался вперед в изучении Фарадея, я убедился, что его способ понимания явлений также имеет математический характер, хотя он и не предстает нам облаченным в одежду общепринятых математических формул...»

Фарадей пришел к глубокому убеждению о единстве природы и стремился отыскивать все новые и новые доказательства единства.

«...теперь мы знаем, – писал Фарадей, – что он (магнетизм) действует на все тела и находится в самой тесной связи с электричеством, теплотой, химическим действием, со светом, кристаллизацией, а через последнюю и с силами сцепления».

Фарадей проделал огромное количество опытов, вскрывающих единство того, что он называл силами, а в современной терминологии является различными формами энергии. Но величайшим открытием Фарадея, величайшим после Ньютона, является его теоретический вывод о существовании полей. Он отождествлял поля с материей, считая, что она проникает через все тела и заполняет все пространство.

Пространство Ньютона – пассивное вместилище тел и зарядов. Пространство Фарадея – средоточие явлений, источник и передатчик сил, действующих на тела и заряды.

Внимание! Сейчас последует величайший для всей истории изучения и покорения света вывод. Пространство наполненное силовыми линиями, делает ненужным понятие эфира. Ненужным! Можно представить себе, что свет есть не что иное, как дрожание силовых линий. «Если допустить такую возможность, – пишет Фарадей, – то можно было бы обойтись без эфира...»

Переводчик – творец

Максвелл поставил перед собой цель – придать идеям Фарадея математическую форму. Максвелл рано пристрастился к математике. Свою первую научную работу он выполнил за год до поступления в университет. В то время ему было лишь пятнадцать лет. Во всем блеске математическое дарование Максвелла проявилось при решении задачи, казавшейся совершенно недоступной обитателям Земли. Речь идет о загадке колец Сатурна, открытых, как мы знаем, еще Гюйгенсом. За века, прошедшие с тех пор, высказывалось множество гипотез о природе этих колец. Но никто не мог предложить способа проверки их истинности. И то, что было и до сих пор остается недоступным для опыта, оказалось решенным на листе бумаги. Максвелл расчетным путем показал, что кольца» не сплошные образования – твердые или жидкие. Они должны состоять из множества отдельных тел, вращающихся по близким орбитам. Важное значение для науки имеют и работы Максвелла по кинетической теории газов, но самых ценных результатов он добился, развивая идеи Фарадея.

После долгой и кропотливой работы в период 1860–1875 годов Максвелл создал теорию, в которой электрические и магнитные силы природы объединены в понятие единого электромагнитного поля, включающего видимый свет, невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Он свел все известное людям об электричестве и магнетизме к четырем удивительно простым уравнениям. Именно эти уравнения сообщили, что свет – просто электромагнитные волны, способные распространяться в пустом пространстве так же легко, как в прозрачных телах. Причем из уравнений следовало, что эти электромагнитные волны могут существовать сами по себе. Они представляют собой реальность, ранее неведомую людям и внезапно появившуюся перед учеными, как могучий хребет из-за рассеявшегося тумана.

По признанию одного из крупнейших физиков нашего времени, даже «современные представления не могут служить основой для понимания этих электромагнитных колебаний, которые не сводятся к классическому и наглядному представлению о колебаниях материального тела; висящие в пустоте, если можно так сказать, они выглядят для непосвященных (а может быть, даже и для физиков) чем-то довольно таинственным».

Чего же требовать от современников Максвелла! Несмотря на свои невероятные свойства, эфир прочно утвердился в их сердцах, ибо люди, сформировавшие свои взгляды под влиянием ньютоновской физики, идеалом которой было сведение всех явлений к механическим, не могли отказаться от эфира как переносчика световых волн. Не могли поверить в самостоятельную сущность света и других еще неведомых электромагнитных волн.

Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде все усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.

Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказание новых, открытых только впоследствии, в том числе предсказание существования электрической индукции и радиоволн. Они не содержали лишь одного – в них не было ничего относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам. Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых ученых эфир стал просто синонимом пустого пространства.

Но, несмотря на то, что через двенадцать лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, возбуждаемые в его приборах, традиции механистической физики не были сломлены. Многие физики упорно продолжали пытаться подвести под теорию Максвелла ходули привычной наглядности. Одни считали электромагнитные поля Максвелла особыми натяжениями эфира, так же как ранее принимали свет за поперечные волны в эфире.

Другие, продолжая считать эфир реальностью, предпочитали забывать о его противоречивых свойствах, относя его в разряд непознаваемых невесомых субстанций.

Жар-птица

Прошлый век перевалил в свою вторую половину под торжественные звуки фанфар. Здание науки уже красовалось многими башнями и казалось построенным на века.

Рассказывают, что один молодой человек, мечтавший заниматься теоретической физикой, поведал о своей мечте Томсону. И тот отговаривал молодого физика, потому что теоретическая физика, по существу, закончена и в ней нечего делать.

Но Томсон ошибался, как ошибались многие и до и после него, считая, что достигли предела знаний, не понимая неисчерпаемости природы, безграничности процесса познания.

Наука манит своих слуг чарующим видом сияющих вершин, и они без устали карабкаются по каменистым тропам, стремясь ввысь и пренебрегая устрашающими пропастями. Бывает и так: человек строит башню, чтобы с нее видеть дальше и больше. И другие нетерпеливо помогают ему. А у подножия башни образуется зияющий провал, грозящий поглотить строителей и их гордую башню, если они не сумеют вовремя укрепить ее фундамент...

Выдающийся немецкий физик Кирхгоф, уже прославившийся тем, что установил законы распространения электричества по проводам, ничем не отличавшиеся от законов, управляющих течением жидкости по трубам, настойчиво изучал оставшиеся еще не вполне ясными свойства упругих тел. Судьбе было угодно столкнуть его с замечательным химиком Бунзеном, успевшим прославиться изобретением угольно-цинкового гальванического элемента и тем, что с его помощью Бунзен получил металлический магний, литий, кальций и стронций.

Потеряв глаз при взрыве во время одного из опытов, тяжело отравившись мышьяком, Бунзен оставался оптимистом и видел многое, скрытое от других. Он проложил дорогу химии металлорганических соединений и химии радикалов и стремился создать метод химического анализа, пригодный для контроля металлургических процессов. Здесь основным требованием была быстрота – качество, почти недоступное химии.

Итак, они встретились, и совместная работа закипела. Они начали изучать спектры пламени, окрашенного солями различных металлов, пользуясь спектроскопом и газовой горелкой, специально изобретенной Бунзеном. Эта горелка, существующая поныне, дает почти бесцветное пламя. Ее потомки трудятся и в газовых плитах, ив огромных топках.

После Ньютона не только в лабораториях, но и в светских гостиных увлекались разложением белого света в радужные полоски. Но лишь в самом начале XIX века Волластон соединил призму с узкой щелью в камере-обскуре. Так возник спектроскоп. Спектр получился в нем необычайно ярким, как хвост жар-птицы, цвета были насыщенными, свободными от белесой дымки, мешавшей всем предшественникам Волластона. На фоне радужной полоски Волластон увидел семь темных линий. Он принял их за границы, разделяющие цвета спектра, и не придал им никакого значения. Мелкий факт, вполне понятный. Что могло быть более обычным, чем границы, в ту пору – пору мелких княжеств и враждующих государств.

Не удивительно, что об этом открытии вскоре забыли. Один из многих печальных случаев в истории науки.

Задумав увеличить яркость изображения при наблюдении спектров, Фраунгофер соединил воедино зрительную трубу со щелевым спектроскопом Волластона и направил в свой прибор солнечные лучи. Прекрасный яркий спектр пересекали четкие темные линии... Их были сотни...

Спектроскопы Фраунгофера завоевывали все большую популярность. Многие любовались чарующей симфонией света. Но «смотреть» не означает «видеть». По своему смыслу «видеть» гораздо ближе к «понимать». Именно это имеет в виду англичанин, спрашивая: «You see?»

Никто не может сказать, сколько человек, начиная с Ньютона, рассматривали всевозможные спектры. Несомненно, многие замечали, что окраска пламени связана с появлением в его спектре узких и ярких линий. Возможно, кто-нибудь заметил и то, что желтые линии, порождаемые поваренной солью, возникали и при внесении в пламя других солей натрия. Зеленые линии появлялись не только в присутствии металлической меди, но и при нагревании мельчайших крупинок медного купороса и других солей меди.

Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твердому выводу – Тальбот прав, говоря: «Когда в спектре пламени появляются определенные линии, они характеризуют металл, содержащийся в пламени». Более того, каждый химический элемент характеризуется вполне определенным набором спектральных» линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.

Так родился спектральный анализ.

Вскоре после начала совместных работ Бунзен и Кирхгоф открыли два новых элемента, которым они дали наименования цезий (от латинского «голубой») и рубидий (красный) в соответствии с цветом характерных для этих элементов спектральных линий. Открытие убедительно продемонстрировало мощь нового метода. В развитие и применение спектрального анализа включилось множество ученых.

Один за другим были открыты таллий, индий и галлий – последний предсказан Д.И. Менделеевым на основании его периодического закона.

В спектре Солнца обнаружились линии, не совпадающие с какими-либо из известных на Земле. Так люди познакомились с гелием, лишь впоследствии найденным в земных условиях. Это был триумф. Но, пожалуй, много большее научное и философское значение имел постепенно крепнувший вывод о единстве мира, проявляющемся в том, что вся вселенная состоит из одних и тех же элементов.

В 1888 году Гельмгольц писал, что открытие спектрального анализа вызвало восхищение всех людей и возбудило их фантазию в большей мере, чем какое-либо другое открытие, потому что оно позволило заглянуть в миры, представлявшиеся нам совершенно недоступными.

Постепенно оказалось, что спектральные линии элементов расположены отнюдь не хаотически, а подчиняются вполне определенным закономерностям. Стало ясно, что закономерности связаны с какими-то особенностями самих элементов. Многие спектральные линии удалось сгруппировать в серии, подчиняющиеся очень простым математическим закономерностям. Удалось обнаружить простые числовые коэффициенты, входящие в формулы для нескольких различных серий, в том числе и таких, которые относятся к различным элементам. Но что означает этот порядок? Вследствие чего он существует? Природа как бы бросала вызов ученым. Как мог пренебречь им Томсон?

Ультрафиолетовая катастрофа

Но не одной этой загадкой тревожила природа умы тех, кто еще не устал от ее сюрпризов. Здесь мы вынуждены отбросить все, что никак не связано со светом. Даже из того, что имеет к нему непосредственное отношение, недостаток места заставляет отбирать лишь самое интересное.

Одна из таких загадок восходит к Кирхгофу. Объяснение природы фраунгоферовых линий привело Кирхгофа к формулировке общего закона, суть которого проста, как просты и другие великие законы природы: способность вещества излучать пропорциональна его способности поглощать и зависит от температуры. Термодинамика, достигшая к тому времени больших успехов, позволяла утверждать, что все тела, находящиеся внутри замкнутой оболочки, должны прийти к тепловому равновесию – достичь одинаковой температуры. При этом не важны ни размеры, ни форма тел или самой оболочки, ни вещество, из которого они состоят. Не требуется и соприкосновения между ними. Равновесие будет обеспечено испускаемым и поглощаемым ими излучением.

Что, если в оболочке, в которой уже установилось тепловое равновесие, проделать небольшое отверстие? Это один из тех простых вопросов, на которые не существует простых ответов. Но если оболочка находится внутри другой замкнутой оболочки, положение упрощается. Между ними начинается обмен энергией, и постепенно их температура выравнивается. В ходе этого обмена через отверстие меньшей оболочки будет проходить излучение, переносящее избыток энергии от более нагретой части к менее нагретой. Если внешняя оболочка горячее, то поток энергии направлен из нее во внутреннюю полость меньшей оболочки, которая поглощает все излучение, как абсолютно черное тело.

Так Кирхгоф пришел к понятию «абсолютно черного тела» и построил его модель в виде камеры с очень малым отверстием. Энергия, выходящая из такого отверстия наружу, определяется только температурой «абсолютно черного тела» и не зависит от вещества, из которого она сделана. Если раскалить модель до высокой температуры, отверстие будет сиять ослепительным белым светом. Это не игра слов, а прямое следствие закона Кирхгофа. Раскаленное «черное тело» должно приходить в равновесие с окружающими его более холодными телами, для этого оно должно путем излучения передавать внешним телам свою избыточную энергию. Если оно очень нагрето, то излучение должно быть весьма ярким.