Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории

Проснувшись на следующее утро очень рано, я задумал выйти в сад и сделать рисунок акварелью до завтрака. Окна были завешены тяжелыми занавесками, но сквозь них проходило вполне достаточно света, чтобы можно было одеться, и, так как для того, чтобы отодвинуть занавески, надо было сначала обнаружить какое-то скрытое приспособление, я начал одеваться в полумраке. Вдруг кто-то стукнул в дверь. На мне было нижнее белье и носки, но я быстро нырнул в кровать, натянул одеяло до подбородка и стал ожидать дальнейших событий. Еще раз стукнули в дверь, а потом она тихо отворилась, и в комнату на цыпочках вошел слуга. Я повернулся и попытался изобразить зевоту проснувшегося человека, хотя обычно просыпаюсь моментально, за долю секунды, даже если меня поднять среди ночи. Слуга бесшумно заскользил к окну и отодвинул занавески. Я опять зевнул и вытянул руки. «Доброе утро, сэр, и прекрасный день, сэр», — сказал слуга, по обычаю всех слуг в Англии. «В какой воде вы хотите купаться, сэр?» — «В холодной», — сказал я. «Хорошо, сэр», — сказал слуга и тихо исчез. Вдруг в комнату внесли огромный круглый таз, поставили посередине спальни и наполнили из бесчисленных кувшинов. «Может быть вы желаете еще чего-нибудь, сэр?» — сказал слуга. — «Нет», — ответил я выразительно, боясь, что он попробует вынуть меня из постели и искупать и при этом обнаружит, что я, очевидно, спал в нижнем белье. — «Хорошо, сэр. Благодарю вас, сэр». Я выбрался из постели, разделся и занялся проблемой — как выкупаться в круглой жестяной лохани шести футов диаметром.

После завтрака лорд Рэлей повел нас в свою лабораторию, которая находилась во флигеле. Здесь я почувствовал себя «как дома», так как все было похоже на мою собственную лабораторию: самодельные ртутные вакуум-насосы, стеклянные трубки, смонтированные на старых потрескавшихся деревянных досках. Большую роль играли щепки, веревочки и сургуч, что наполнило мою душу восхищением — я понял, что именно с этой простой аппаратурой первый из физиков Англии сделал свои важнейшие открытия. В конце он повернулся ко мне и сказал с теплой и умной улыбкой: «Профессор Вуд, не можете ли вы повторить здесь для нас некоторые из ваших интересных демонстраций с парами натрия?». Я сказал: «С удовольствием, если можно будет зажечь горелку и у вас есть металлический натрий». Пока я был занят выдуванием трубок, лорд Рэлей охотился за своим натрием. Лаборатория была уставлена застекленными ящиками, в которых стояли покрытые паутиной банки с химикалиями, как видно, очень давнего происхождения. Наконец, я присоединился к его поискам. «Где-то у меня есть целая банка, но мне кажется, что она исчезла, и нам придется отказаться от опытов». Вдруг я заметил в углу верхней полки одного из шкафов стеклянную широкую банку, наполовину залитую желтой жидкостью, с какими-то кусками в ней. Я открыл шкаф и сказал лорду Рэлей: «Я чувствую, что, если бы это была моя лаборатория, я бы, наверное, держал натрий в этом шкафу» — и, запустив руку в глубину полки, я вытащил запыленную банку. «Ха, ха, — сказал Рэлей, улыбнувшись, — кажется вы его поймали. Мне кажется, нет ничего, относящегося к натрию, что вы не могли бы открыть, — даже место, где он прячется». Мы принялись за дело. Я зарядил трубки металлом, откачал воздух и запаял их на огне горелки, добился окрашенного слоя «осадка» и продемонстрировал изменение цвета в результате местного охлаждения. Затем я достал свою длинную газовую горелку и через полчаса наладил демонстрацию с аномальной дисперсией в длинной трубке с парами натрия.

Когда мы возвращались завтракать, лорд Рэлей обратился к профессору Кайзеру и сказал: «Мы очень интересно провели сегодняшнее утро». — «О, да, — ответил милый старый Кайзер, — очень, очень интересно!» Луммер, который шел в стороне, заложил руку в. свой длинный сюртук, гордо откинул назад голову и произнес: «Was mich anbetrifft, ich habe nichts Neues gesehen» (Что касается меня, я не видел ничего нового).

В конце нашего визита мы все отправились в Кембридж и поселились в общежитии колледжа. Артур Бальфур, брат леди Рэлей, был в тот год президентом Ассоциации и держал вступительное слово. Затем участники заседания разошлись по секциям, и все члены читали свои доклады или показывали новые опыты. Я поставил полдюжины демонстраций с парами натрия, которые показывались беспрерывно с помощью двух добровольцев-студентов; кроме этого, я выставил ряд цветных фотографий, сделанных дифракционным методом. Почти все время у столов толкалась толпа зрителей. Дальше по залу, в маленькой темной комнате разместился Луммер, показывавший сложную структуру зеленой линии ртути с помощью интерференционной пластинки, только что разработанной им и профессором Герке. Я очень интересовался их опытами и однажды утром зашел к ним. Кроме меня был всего один посетитель, и я имел полную возможность показать свой интерес, задавая разнообразные вопросы, ответы на которые, однако, давались мне довольно высокомерным тоном. Позже ко мне подошел один преподаватель из Кембриджа и сказал: «Удивительная личность этот Луммер! Он жалуется всем на то, что вокруг ваших работ стоит толпа, а к нему никто не идет, а он считает свои опыты значительно более важными!»

Во время вечернего заседания группы физики зал был переполнен. Председательствовал Рэлей, и около него на возвышении сидело восемь или десять известных физиков. Рядом с лордом Рэлеем было одно свободное кресло — он поймал мой взгляд, улыбнулся и показал на него. Так как я сидел в середине зала, и все уже уселись, ожидая начала собрания, я отрицательно покачал головой, но он опять показал на кресло и заставил меня идти. Слегка смущенный, я поднялся по ступенькам на платформу и сел. Вдруг, к своему изумлению, я увидел, что Луммер, тоже сидевший далеко в зале, вскочил и стал пробираться к платформе, на которую и уселся, свесив ноги на пол — решившись любой ценой «занять свое место под солнцем». Когда пришло время читать мою статью, лорд Рэлей, огласив ее название, добавил с веселой улыбкой, что мне удалось даже открыть банку с натрием в его лаборатории, которую сам он тщетно искал целых полчаса».

Вернувшись из Франции осенью 1904 года, Вуд переставил всю спектроскопическую аппаратуру из своей комнаты в первом этаже в маленькую комнатку в башне лаборатории, которая служила основанием купола астрономического телескопа в университете Джона Гопкинса. Здесь он располагал солнечным светом весь день, так как башня возвышалась над тенью МакКой-Холла, который стоял по другую сторону улицы. Свет вольтовой дуги, который он применял, изучая флуоресценцию в предыдущем году, не был достаточно интенсивен для разрешения его проблем, но с помощью солнечного света он надеялся выяснить сущность некоторых новых интересных явлений.

Американская Академия искусств и наук в Бостоне дала ему большую премию из фонда Румфорда, которая сделала возможной постройку большого и мощного спектрографа с тремя огромными призмами из плотного флинта со сторонами по пять дюймов и большими ахроматическими линзами. Все это было смонтировано на жесткой металлической раме из стальных стержней и алюминия, вместе с щелью и держателем фотопластинок, и вся конструкция заключена в дешевый, неокрашенный ящик из сосновых досок, размером с большой рояль. Такой стиль характерен для всех последующих его аппаратов. Он не заботился об их внешнем виде, при условии, что все скрытые внутри оптические части высоко совершенны. Следующий прибор он назвал «могильным» спектрографом, так как его основанием была каменная плита с кладбища. Целью его теперь было обобщить и расширить результаты, достигнутые в предыдущем году совместно с Муром, а именно, что при изменении света, возбуждающего флуоресценцию паров натрия от голубого к желтовато-зеленому, область максимальной интенсивности спектра флуоресценции сдвигается в противоположную сторону, т. е. от желтого к зеленому цвету. Простая стальная трубка в предыдущих опытах должна была перезаряжаться натрием примерно через каждый час работы — ввиду малого количества металла, которое можно было употребить сразу» и его быстрой дистилляции на более холодной части трубки, где он накоплялся и свисал фестонами черного губчатого вещества со стенок. Чистка трубы была небезопасным делом, так как металл образовывал взрывчатые соединения с водородом и азотом. Стеклянные окошечки вынимались из концов трубы, и ее ставили вертикально на заднем дворе лаборатории. Затем из второго этажа в нее выливали ведро воды. Эта операция вызывала целую серию громких взрывов, с большими языками желтого пламени, которые иногда привлекали окрестных полисменов, стремившихся поймать нарушителя законов, занимающегося стрельбой в черте города.

Вуд рассказывает:

«Чтобы избежать частых недоразумений с полицией, я соорудил пустой трехдюймовый стальной барабан, который плотно входил в длинную стальную трубу и имел два небольших отверстия для входа и выхода пучка цветных лучей. Перед установкой в большую трубу барабан был на три четверти наполнен натрием, и теперь можно было работать около ста часов, прежде чем становилось необходимо чистить трубу и закладывать натрий.

Солнечный свет, отраженный гелиостатом на раме окна, фокусировался на щели монохроматора, и цветные лучи, выходившие из второй его щели, фокусировались на отверстии барабана, образуя окрашенное пятно флуоресценции в месте, где они входили в пары натрия, истекавшие из отверстия. Изображение этого пятна попадало на щель моего нового спектрографа с помощью зеркала и линзы конденсора. Спектр можно было наблюдать визуально или фотографировать, и изменения в распределении интенсивности при повороте призм монохроматора, изменяющем цвет пучка, посылаемого в трубу, были очень хорошо заметны. При «голубом» возбуждении флуоресценции спектр состоял из двух или трех узких желтых полос, но при изменении цвета на сине-зеленый, а затем на зеленый в спектре флуоресценции появлялись новые полосы, которые быстро заполняли зеленую сторону, пока не встречались с узкой полоской возбуждающего света, после чего простирались за нее, в сторону коротких волн — очевидное нарушение закона флуоресценции Стокса. Грубые теории, существовавшие. до этого времени, были в этом случае бессильны; физические процессы в случае флуоресценции были гораздо более сложными, чем это предполагалось.

А затем произошло самое главное и важное открытие. Наблюдая распространение спектра флуоресценции от желтого через зеленый, к синему цвету, при медленном изменении возбуждающих лучей от синих к зеленым, я заметил, как мне показалось, некоторое расплывание в наиболее широких зеленых полосах. Сужая щель монохроматора, что делало возбуждающий cвет более однородным до предела, когда спектр флуоресценции был едва заметным, я покрыл свою голову и спектрограф черной тканью и, к изумлению своему, обнаружил, на месте более или менее непрерывного спектра из широких полос, серию узких резких линий на правильных интервалах, вроде делений на линейке. Медленно поворачивая винт монохроматора, вращавший призмы и этим менявший цвет возбуждающих лучей, я увидел как бы колебательное движение или вибрацию линий спектра флуоресценции вправо и влево. Это походило на отражение лунного света в ряби на поверхности воды.

Увидеть спектр с линиями, колеблющимися вправо и влево, было так же невероятно, как если бы вдруг деления на обычной линейке стали двигаться и прыгать. При более внимательном наблюдении обнаружилось, что линии на самом деле не движутся, а пропадают на одном месте и появляются в другом. Теперь у меня был способ вызывать отдельные группы широко разделенных линий в сложном «полосатом» спектре, состоящие из тысяч сдвинутых линий, — метод, который сильно упрощал исследование этих весьма мало изученных и понятых нами спектров. Если привести аналогию из акустики, это было подобно тому, как если бы кто-нибудь пробовал изучить устройство рояля, слушая звук, производимый при ударе сразу по всем клавишам, и вдруг обнаружил, что на них можно нажимать по очереди или по группам [28] ».

28

Это было начало чрезвычайно важных исследований, так называемых «резонансных спектров», для которых физика того времени не находила никакого объяснения. С появлением теории дискретных уровней энергии в атомах и молекулах, объяснение их сразу же стало очевидным, и, как Вуд предсказал, их изучение получило огромную важность в теории «полосатых» спектров.

Вуд торжествовал, как Архимед. У него только не было ванны, чтобы выскочить из нее. Но он хотел отпраздновать свое открытие и сделал это удивительным способом, который поверг в ужас очевидцев и обратил в паническое бегство возчика.

«Никогда раньше, — говорит Вуд, — никто не видел, чтобы линии спектра „играли“ таким образом. Как раз в этот момент черная туча закрыла солнце, и раздался отдаленный раскат грома. Гроза быстро надвигалась, и через несколько минут стало так темно, что во многих окнах на другой стороне улицы зажглись огни. Затем пошел сильный дождь, и скоро потоки мутной воды потекли вниз под гору во всю ширину улицы. Целая толпа народа укрылась от дождя в широком подъезде МакКой-Холла на противоположной стороне улицы, и я вдруг придумал великолепный способ отпраздновать мое открытие.

Раскаты грома следовали за молнией всего через секунду или две. Из банки с металлическим натрием я вынул кусок величиной с куриное яйцо, и открыв окно, подождал следующей молнии. Негр ехал на телеге в гору против ветра и потока воды по улице, погоняя кнутом свою клячу. Вдруг сверкнула огромная молния. Я бросил металлический «мячик» вниз, и он упал посреди улицы, взорвавшись с гигантским желтым языком пламени и грохотом, который в точности совпал с ударом грома. Толпа в подъезде в панике бросилась в здание, а негр торопливо повернул лошадь и телегу и умчался галопом вниз по холму, с ужасом оглядываясь через плечо на вулкан желтого огня, который плыл по воде, преследуя его».