СТРЕТТ ДЖОН УИЛЬЯМ, ЛОРД РЭЛЕЙ
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

(1842 г. – 1919 г.)

 

 

Знаменитый английский физик Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей, родился 12 ноября 1842 года в Ленгфорд-Гроув (Мелдон, графство Эссекс, Англия) в знатной семье английских аристократов. Его отец был вторым бароном Рэлей. Мать будущего ученого была старшей дочерью известного капитана Ричарда Викерса.

Джон Уильям Стретт стал первым представителем высшего английского дворянства, прославившимся как выдающийся ученый, получивший Нобелевскую премию по физике.

В детстве мальчик был физически очень слаб. Из-за преследовавших его многочисленных болезней обучение Джона Уильяма часто прерывалось. В возрасте десяти лет мальчик поступил в Итон-колледж, но большую часть времени в Итоне он провел в санатории колледжа. После этого будущий ученый три года проучился в частной школе в Уимблдоне, а потом недолгое время посещал школу в Харроу. Следующие четыре года Джон Уильям занимался у Джорджа Уорнера, который преподавал в Торки (графство Девоншир).

В 1861 году Джон Уильям Стретт поступил в Тринити-колледж в Кембридже, где изучал математику и физику. Одним из преподавателей Джона Уильяма был известный математик Э. Дж. Роус, прививший мальчику любовь к точным наукам. Через некоторое время открылись блестящие математические способности Стретта, и будущий лорд Рэлей стал одним из лучших учеников колледжа. В 1865 году он с отличием сдал типичный кембриджский экзамен по математике и занял первое место по его результатам. Также Джон Уильям был награжден премией Смита.

В 1866 году Рэлей вошел в научный совет Тринити-колледжа, членом которого был вплоть до своей женитьбы в 1871 году.

В 1867 году Джон Уильям Стретт начал работы по созданию лаборатории в своем родовом особняке в Терлинг-Плейсе в Уитхеме. Когда в следующем году лаборатория была готова, ученый сразу же приступил к опытам в области оптики и акустики.

Уже самые ранние исследования Рэлея в этих направлениях физики принесли ему всемирное признание авторитетного ученого и прекрасного специалиста. В 1871 году Рэлей объявил о своем открытии причин проявления синего цвета неба, красного заката и т. д. Долгое время никто из ученых не мог добиться внятного объяснения цвета неба. Этой проблемой интересовался даже великий Ньютон, но не нашел ответов на свои вопросы. Рэлей вывел знаменитое соотношение между интенсивностью рассеяния света очень малыми частицами и длиной его волны, известное теперь как закон рассеяния света Рэлея.

Ученый выяснил, что мелкие пылинки, размеры которых меньше, чем длина волны света, рассеивают солнечный свет, причем чем короче длина световой волны, тем сильнее происходит процесс рассеивания. Поскольку в видимом солнечном спектре синие и фиолетовые лучи имеют наименьшую длину волны, то они рассеиваются наиболее сильно. Таким образом, цвет неба получает голубую окраску.

Теория Рэлея идеально объяснила цвет Солнца, звезд, рассвета и заката, снежных вершин и т. д. Но через некоторое время английский ученый пересмотрел свое открытие. Во-первых, пылинки, которые присутствовали в воздухе, были гораздо больше длины световой волны, а во-вторых, их скопление, наоборот, ослабляло голубизну неба. В 1899 году ученый нашел в себе силы опубликовать статью, в которой признавал ошибочность своей теории. Однако он решил не сдаваться и продолжал свои исследования.

Через некоторое время Джон Уильям Стретт предложил новую оригинальную модель, объясняющую рассеивание света молекулами воздуха. В 1906 году ученый провел ряд исследований вместе с американским астрофизиком Абботом, в результате которых указал правильное объяснение цвета неба и других атмосферных явлений. Кроме того, ученый вывел закон, согласно которому интенсивность рассеянного средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины его волны (закон Рэлея).

Из-за частых и сильных приступов ревматизма в 1872 году Рэлей провел зиму 1873 года в Египте, где совершил круиз по Нилу, и в Греции. В это время он заинтересовался акустикой и начал работать над своей фундаментальной работой по теории звука.

Вскоре после возвращения ученого в Англию умер его отец. После этого печального события Джон Уильям Стретт стал третьим бароном Рэлеем, а также получил во владение фамильную усадьбу в Терлинг-Плейсе в графстве Эссекс (Англия). Кроме того, он стал владельцем фамильного имения в 7 тысяч акров земли.

Соединив изобретательность ученого и полученные сельскохозяйственные знания, Джон Уильям стал одним из самых прогрессивных и успешных землевладельцев, но в 1876 году он полностью передал управление фамильным участком своему младшему брату.

С этого времени лорд Рэлей все свое свободное время посвящал науке. Первые научные исследования Джона Уильяма Стретта касались таких областей физики, как оптика, вибрация и теория колебаний.

В начале 70-х годов XIX столетия ученый провел ряд исследований упругих тел (струн, стержней, пластинок). По результатам опытов он сформулировал основные теоремы линейной теории колебаний. Кроме того, Рэлей проанализировал особые свойства нелинейных систем, способных совершать незатухающие колебания без внешнего периодического воздействия (так называемые автоколебания) и ввел понятия фазовой и групповой скорости. Для групповой скорости английский ученый вывел формулу, известную теперь как формула Рэлея. Также знаменитый ученый нашел решение задачи сложения колебаний со случайными фазами и вывел функцию распределения для результирующей амплитуды (распределение Рэлея).

Свои работы по теории колебаний ученый систематизировал и представил в знаменитом двухтомнике «Теория звука». Его идеи лежат в основе современной теории колебаний.

В 1879 году лорд Рэлей разработал теорию разрешающей способности оптических приборов. Он определил разрешающую способность дифракционной решетки, а также детально проанализировал оптические свойства спектроскопов.

В 1885 году ученый предсказал существование особого вида поверхностных волн – «волн Рэлея».

В 1879 году он стал преемником Джеймса Клерка Максвелла на посту профессора экспериментальной физики и должности директора Кавендишской лаборатории в Кембридже. Рэлей стал вторым директором знаменитой лаборатории.

Его настойчивые и изысканные опыты принесли ему славу великого экспериментатора. Рэлей тщательно и терпеливо в течение пяти лет осуществлял эксперименты и переопределял стандарты различных электрических единиц сопротивления, электродвижущей силы и т. д. На момент ухода знаменитого ученого из Кембриджа были определены стандарты вольта, ома, ампера и других электрических единиц.

В Кембридже лорд Рэлей показал себя прекрасным преподавателем и руководителем. Под его активным контролем была разработана система лабораторных работ по элементарной физике, которая используется до сих пор в Кембридже. В ту пору это был революционный шаг в методике обучения. Через некоторое время изобретением Рэлея начали пользоваться почти все университеты Великобритании.

После пяти лет напряженной работы в 1874 году Джон Уильям Стретт оставил Кембридж и продолжил научные исследования в своем имении в Терлинг-Плейсе, где он оборудовал высококлассную лабораторию. В этой лаборатории ученый совершал свои грандиозные открытия до самой смерти.

С 1887 по 1905 год Стретт работал профессором физики (натурфилософии) в основанной еще в 1799 году Королевской ассоциации Великобритании, став на этом посту преемником Тиндалла.

Знаменитый ученый всегда занимался одновременно несколькими научными исследованиями. Сфера его научных интересов включала целый ряд областей физики, включая акустику, волновую теорию, цветовое изображение, электродинамику, электромагнетизм, рассеяние света, механику, термодинамику, гидродинамику, плотность газов, вязкость, капиллярность, вибрацию пластичных сред и фотографию.

Джон Уильям был идеологом и конструктором различных приборов и инструментов. Он создал рефрактометр, дифференциальный манометр, прибор для измерения громкости звука и т. д. Имя знаменитого ученого носят различные физические законы, понятия, явления, приборы, среди которых диск Рэлея, интерферометр Рэлея, рэлеевское рассеяние света, волны Рэлея, закон намагничивания Рэлея и др.

В 1877–1878 годах была напечатана фундаментальная двухтомная монография ученого «Теория звука», ставшая впоследствии классическим руководством для студентов, инженеров-акустиков и ученых.

Множество его научных работ было напечатано в «Научных статьях» – шеститомном фундаментальном издании 1889–1920 годов. В своих более поздних работах Джон Уильям сосредоточился на электрических и магнитных проблемах, но главную популярность и Нобелевскую премию Рэлею принесла работа совсем в другой области физики.

В то время ученые полагали, что природа воздуха им полностью известна. Еще в 1775 году Генри Кавендиш провел ряд исследований структуры воздуха. Знаменитый ученый окислял азот в воздухе с помощью электрического разряда и в результате обнаружил, что оставалось небольшое количество газа, которое не поддавалось окислению. Гениальный физик предположил, что кроме азота и кислорода в воздухе находится еще какой-то инертный, бесцветный, нерастворимый газ без запаха, но ученый мир не обратил внимания на его исследования.

В начале 90-х годов XIX века Рэлей заинтересовался плотностями основных газов атмосферы. Он провел свои собственные исследования в данной области и заметил разницу в плотностях азота, получаемого в результате химического синтеза, и азота, выделенного из воздуха путем удаления других известных его компонентов. Плотность азота из воздуха неизменно превышала на одну и ту же величину (1/230) плотность азота, выделенного из аммиака (вес 1 литра азота из аммиака был 1,2505 г, а вес азота из воздуха равнялся 1,2572 г).

Рэлей выдвинул гипотезу, что разницу в плотностях можно объяснить присутствием в воздухе неизвестного науке газа и что полученный из воздуха азот не является чистым. В своей статье 1892 года в журнале «Природа» он поведал о результатах своих опытов и попросил читателей предложить объяснение полученным данным, но никто так и не смог ответить на вопрос Рэлея.

19 апреля 1894 года знаменитый физик читал лекцию в Королевском обществе, которую посетил Уильям Рамзай. Рамзая заинтересовали опыты лорда Рэлея, и в результате ученые договорились продолжить исследования в данном направлении.

Рамзай провел серию эффективных крупномасштабных экспериментов, во время которых удалял из воздуха кислород, а оставшийся атмосферный азот пропускал несколько раз через нагретый магний. В результате этих экспериментов получался твердый нитрид магния и небольшое количество (около 1/80) инертного газа. При спектроскопическом анализе кроме линий азота наблюдались линии неизвестного газа.

В начале августа 1894 года Рамзай поделился результатами исследований с Рэлеем, сообщив, что ему удалось изолировать тяжелый компонент воздуха, неизвестный науке. Лорд Рэлей повторил эксперименты Рамзая, и они также подтвердили присутствие в воздухе неизвестного газа (1/107 первоначального объема).

После этого открытия ученые начали работать вместе и обменивались письмами почти каждый день. Они предложили место в периодической таблице для газообразных элементов.

13 августа 1894 года ученые совместно объявили об открытии нового элемента в атмосфере – первого инертного газа. По предложению председателя Британской ассоциации Мэдена газ назвали аргоном (от греческого «ленивый») из-за его инертности. После этого Рамзай продолжил свои опыты и идентифицировал другие инертные газы – неон, криптон, ксенон и гелий.

В течение периода, когда ученые исследовали аргон, Рэлей не изменил своим принципам и параллельно занимался другими научными исследованиями. В это время он опубликовал несколько важных работ по рассеиванию и интерференции света, телефонной связи, акустическим измерениям.

В 1900 году Джон Уильям Стретт получил зависимость распределения энергии в спектре абсолютно черного тела от температуры и вывел закон излучения абсолютно черного тела (закон Рэлея-Джинса). Хотя работа Рэлея распространялась только на длинные волны, она имела большое значение для возникновения теории квантов. Всего через несколько месяцев Планк сообщил о решении проблемы черного тела, предложив революционный квантовый подход к решению физической задачи.

В 1904 году Джон Уильям Рэлей был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований». Его сотрудник и коллега Уильям Рамзай в этом же году получил Нобелевскую премию по химии.

В своей презентационной речи 10 декабря 1904 года профессор Дж. Е. Цедерблом, президент Шведской королевской академии наук, акцентировал внимание присутствующих на том, что открытия Рэлея стали продолжением исследований ученых, проводившихся с XVII века. Открытие Рэлеем аргона способствовало серии открытий новых химических элементов – благородных газов. Исследования Джона Уильяма Стретта Цедерблом назвал «бриллиантовыми».

Свою нобелевскую лекцию, прочитанную 12 декабря 1904 года, лорд Рэлей озаглавил «Сосредоточенность газов в воздухе и открытие аргона». В ней знаменитый ученый подробно проанализировал историю своего величайшего открытия.

Джон Уильям был одним из наиболее плодовитых физиков за всю историю науки. Его перу принадлежат 448 научных трудов, что отчетливо свидетельствует о глубине понимания Рэлеем различных областей физики. Абсолютно все работы знаменитого физика отличаются ясным и чистым литературным стилем.

За свою более чем пятидесятилетнюю научную карьеру ученый занимал различные должности. Лорд Рэлей работал в шести научных и правительственных организациях. В течение шести лет он был президентом Правительственного комитета по взрывчатым веществам. С 1896 по 1919 год был научным руководителем «Тринити Хаус».

В 1883 году ученый стал членом Лондонского королевского общества. С 1885 по 1901 год он состоял его секретарем, а с 1905 по 1908 год был его президентом. С 1908 года и до конца жизни ученый был номинальным президентом Кембриджского университета.

Кроме того, лорд Рэлей являлся президентом Британской ассоциации фундаментальных наук, президентом Консультативного комитета по аэронавтике, главным контролером за снабжением Лондона натуральным газом, активно сотрудничал с Энциклопедией Британника.

С 1892 по 1901 год Джон Уильям Стретт был генерал-губернатором Эссекса. Будучи членом Палаты лордов, Рэлей редко вступал в политические дебаты, хотя и не позволял политикам мешать научному прогрессу.

В свободное время Джон Уильям любил путешествовать, увлекался теннисом, фотографией и музыкой.

Будучи от природы заядлым консерватором, Джон Уильям так и не принял теорию относительности Альберта Эйнштейна, хоть и внимательно следил за развитием науки в целом и квантовой теории в частности.

В 1871 году Джон Уильям Рэлей женился на Эвелин Бальфур, сестре будущего премьер-министра Великобритании – графа Артура Джеймса Бальфура – и дочери знатных английских аристократов. Супруги имели трех сыновей, старший из которых стал профессором физики в Королевском колледже, входящем в состав Лондонского университета, и был главным биографом своего отца.

Кроме Нобелевской премии Джон Уильям Стретт был награжден различными медалями и премиями, среди которых можно выделить медали Лондонского королевского общества – Королевскую медаль (1882), медаль Копли (1899) и медаль Румфорда (1914), а также золотую медаль Маттеучи Итальянской национальной академии наук (1895), медаль Фарадея Британского химического общества (1895), медаль Альберта Королевского общества искусств (1905) и медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1914). В 1902 году ученый был награжден орденом «За заслуги», а в 1905 году стал членом тайного совета Великобритании.

Знаменитый ученый состоял членом более 50 академий и научных обществ. Ему было присвоено более десятка почетных ученых степеней лучших университетов мира.

Джон Уильям продолжал работать в своей лаборатории в Терлинг-Плейсе до самой смерти. До последнего своего часа он публиковал глубокие и одновременно ясные для понимания научные работы. Лорд Рэлей умер в Терлинг-Плейсе 30 июня 1919 года.

Джона Уильяма Стретта, лорда Рэлея по праву считают последним из ряда великих британских классических физиков.

 

БОЛЬЦМАН ЛЮДВИГ

(1844 г. – 1906 г.)

 

 

Людвиг Больцман – выходец из хорошо обеспеченной семьи, его дед, иммигрант из Германии, владел в Австрии часовой фирмой, а отец был налоговым чиновником. Родился Людвиг 20 февраля 1844 года в Вене. Но вскоре семья переехала сначала в Вельс, а затем в Линц. В Линце мальчик получил начальное и среднее образование. Затем Людвиг поступил в Венский университет, который закончил в 1866 году. И в школе, и в университете Людвиг зарекомендовал себя как прилежный, аккуратный и талантливый юноша. Правда, сам Больцман вспоминал, что был избыточно честолюбив, и его поведением во многом руководили соображения карьеристского характера, однако надо сказать, что подобные наблюдения встречаются исключительно в его воспоминаниях. Возможно, знаменитый ученый просто очень самокритично относился к себе и особенностям своего характера.

Неудивительно, что особенно впечатляющими были успехи юноши в физике и математике. Но ему не были чужды и другие интересы. Людвиг любил природу, музыку, хорошо играл на рояле, был большим любителем поэзии. Одним из университетских преподавателей Людвига был Йозеф Стефан – выдающийся ученый, основатель австрийской физической школы. Знаменитый преподаватель оказал большое влияние на научное мировоззрение Больцмана. Впоследствии ученых объединяла дружба и сотрудничество.

После окончания университета Больцман сменил немало мест работы. Описания его карьеры просто пестрят датами, названиями городов, кафедр. Защитив диссертацию и получив научную степень, Людвиг остался в Венском университете на должности ассистента Стефана. Вместе учитель и ученик занимались исследованиями теплового излучения. В 1867 году Больцман получил должность приват-доцента, а еще через год место профессора математической физики в Граце. Работая в Граце, Больцман посещал Германию (Гейдельберг и Берлин), где на него произвело большое впечатление знакомство со знаменитыми учеными Бунзеном, Кирхгофом, Гельмгольцем. В 1873 году молодой ученый вернулся в Вену, где возглавил кафедру математики. 1876 год – опять Грац и должность профессора экспериментальной физики. В 1889–1894 годах ученый возглавлял кафедру теоретической физики в Мюнхенском университете. После смерти Стефана (в 1893 году) Больцман получил предложение занять освободившуюся кафедру теоретической физики в Вене. Успел Людвиг поработать и в Лейпциге (1900–1902 годы), но затем вновь вернулся в Вену.

Многочисленные переезды были связаны отнюдь не только с тем, что ученый приобретал все большую известность и получал все более заманчивые предложения. Очень часто научные взгляды Больцмана расходились с взглядами его коллег. Учитывая принципиальность и непримиримость, с которой ученый отстаивал свои воззрения, не удивительно, что часто его взаимоотношения с другими преподавателями становились, по меньшей мере, натянутыми. Так в 1900 году он покинул Венский университет из-за нежелания работать с Эрнстом Махом, который возглавил кафедру истории и теории индуктивных наук. Мах, основатель эмпириокритицизма[95], в частности, не признавал атомизма. В Лейпциге же Больцман не смог сотрудничать с Вильгельмом Оствальдом, который разделял те же идеи. Поэтому после того, как Мах по болезни оставил кафедру, Больцман вернулся в Вену. Все это удивительно, если учесть, что Людвиг с большим уважением относился лично к Маху и был дружен с Оствальдом. Здесь, наверное, уместным будет вспомнить легендарные слова, приписываемые Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Больцман был прекрасным преподавателем, его лекции пользовались большой популярностью. Он всегда с вниманием относился к студентам и был рад их достижениям не меньше, чем собственным. Когда имя Больцмана стало всемирно известным, он стал получать множество просьб о чтении лекций от учебных заведений из разных стран. Только в Америке ученый побывал трижды. Свои заметки об этих поездках он опубликовал в книге (очень, кстати, легкой по стилю и манере изложения) «Путешествие одного немецкого профессора в Эльдорадо».

Научная деятельность Людвига Больцмана охватывала чрезвычайно широкий круг проблем. Ему принадлежат работы по математике, механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике, кинетической теории газов. Со времени обучения в университете Больцман был убежденным последователем теории Максвелла, например, об уравнениях Максвелла он отзывался, цитируя «Фауста»: «Не Богом ли начертаны эти знаки?» Работая в 1867–1871 годах над развитием идей Максвелла, Больцман обобщил распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла) и вывел распределение, названное в его честь. Формула распределения Больцмана, распределения частиц идеального газа по энергиям во внешнем силовом поле, стала важным обобщением статистической физики.

А в 1872 году Людвиг Больцман совершил открытие, которое часто называют его главным научным достижением. Вслед за Максвеллом он стал всесторонне использовать статистические методы в физике. Считается, что к открытию статистической интерпретации второго закона термодинамики (закона неубывания энтропии в замкнутой системе)[96] Больцмана подтолкнул мыслительный эксперимент с «демоном Максвелла».

В 1872 году Больцман ввел так называемую Н-функцию, характеризующую состояние замкнутой макроскопической системы. Следующим шагом он доказал, что функция эта не может возрастать (Н-теорема). Для случая идеального газа Больцман показал, что Н-функция и энтропия S обратно пропорциональны, и вывел формулу, в которой связал энтропию с термодинамической вероятностью W: S = k ln W , где k – постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной к числу Авогадро.

Это соотношение получило название принцип Больцмана. Словами его можно выразить следующим образом: термодинамическая система стремится перейти из менее вероятных состояний в более вероятные (при которых W  и S максимальны).

Принцип Больцмана лег в основу статистической физики. Используя его, Макс Планк вывел свой закон излучения. Также на принципе Больцмана основана и современная теория информации. О важности открытия Больцмана говорит хотя бы тот факт, что формула S  = k ln W выгравирована на памятнике ученому в Вене. Опубликованный в 1896–1898 годах курс «Лекции по теории газов» Больцмана стал фундаментальным трудом по статистической физике.

Принесло свои плоды и сотрудничество ученого с его учителем и другом Стефаном. Еще одним важным достижением Людвига Больцмана стало теоретическое обоснование закона излучения абсолютно черного тела, эмпирически открытого Стефаном в 1879 году. Согласно ему, общая энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Для того чтобы теоретически обосновать это утверждение, Больцман блестяще соединил термодинамику и теорию электромагнитного поля Максвелла. Известный немецкий физик Макс фон Лауэ (нобелевский лауреат 1914 года) назвал этот закон «ожерельем теоретической физики». Сейчас он носит название закона Стефана – Больцмана.

Будучи, как мы уже говорили, убежденным последователем Максвелла, Больцман провел немало исследований, целью которых было подтверждение его теории электромагнитного поля. Например, он произвел измерения диэлектрической проницаемости различных веществ и установил, что она связана с показателем преломления света. Эти результаты стали одним из первых подтверждений теории света Максвелла. Результаты своих исследований и теоретические выводы Больцман изложил в «Лекциях о максвелловской теории света» (1891–1893). Много внимания австрийский ученый также уделял и изучению термоэлектричества, диамагнетизма (свойства вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению поля), в частности, разработал теорию эффекта Холла[97].

Что же касается личных качеств Людвига Больцмана, то знакомые и друзья описывали его как веселого, общительного и жизнерадостного человека. Он в 1876 году женился на студентке математического факультета Генриетте фон Айгентлер, очень любил жену и детей, постоянно устраивал у себя в доме праздники, музыкальные и танцевальные вечера. Неподалеку от Граца ученый, который очень любил природу, приобрел домик в горах и даже завел корову.

Но в последние годы жизни здоровье ученого сильно ухудшилось. Зрение так ослабло, что он уже не мог самостоятельно читать и был вынужден нанять секретаршу, читавшую ему вслух. Многие рукописи под диктовку Больцмана писала его жена. По ночам его преследовали мучительные приступы астмы и стенокардии, днем – головная боль. Кроме того, ученый очень тяжело воспринимал непонимание и неприятие его идей многими коллегами. Из-за этого или из-за проблем со здоровьем, а скорее всего, по обеим причинам, у Больцмана все чаще и чаще случались тяжелые приступы депрессии. Говорят, что он очень боялся из-за болезней потерять свой творческий потенциал, возможность успешно заниматься наукой. В 1901 году, возможно, выведенный из состояния душевного равновесия очередной полемикой с Оствальдом, Больцман попытался покончить с собой, правда, неудачно. А в конце лета 1906 года ученый с семьей поехал на отдых в небольшой курортный городок Дуино близ Триеста. 5 сентября 1906 года, во время очередного приступа депрессии, Людвиг Больцман повесился.

 

РЕНТГЕН ВИЛЬГЕЛЬМ КОНРАД

(1845 г. – 1923 г.)

 

 

Вильгельма Рентгена недаром образно называли человеком, который «просветил» мир, так как его великое открытие сыграло чрезвычайно существенную роль в создании современных представлений о строении и свойствах вещества. Имя физика-экспериментатора увековечено не только в X-лучах, но и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентген – международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный рентгеновским аппаратом, известен как рентгенограмма; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией. Интересно, что автор изобретения, будучи убежденным сторонником классической физики, относился к своему открытию довольно скептически. Нет, он прекрасно понимал его научно-техническое значение, но всю шумиху, поднятую вокруг Х-лучей, считал не более чем погоней за сенсацией. Такой уж был характер у великого экспериментатора.

Вильгельм родился 27 марта 1845 г. в прусском городке Леннеп близ Дюссельдорфа и был единственным ребенком в семье состоятельного торговца и владельца суконной фабрики Фридриха Рентгена и его жены Шарлотты Фровейн. Когда мальчику было три года, семья переехала в Голландию, на родину матери. Здесь он сначала посещал частную школу в Апелдорне, потом техническое училище в Утрехте – родители намеревались передать ему сукновальное дело. Но в 1862 г. его исключили из училища за отказ донести на своего товарища. Вилли попытался сдать экзамены на аттестат зрелости экстерном в другом учебном заведении, но безуспешно, и поэтому в 1865 г. он отправился в Цюрих изучать механику в Федеральный технологический институт (политехникум). Здесь для поступления не требовался аттестат зрелости, а благодаря хорошим текущим отметкам в Утрехтском училище юноша был даже освобожден от вступительного экзамена. Три года Рентген изучал машиностроение, но особый интерес проявил к прикладной математике и технической физике. По окончании научно-инженерного курса по совету знаменитого физика А. Кундта он занялся экспериментальной физикой. И уже в 1869 г. 24-летний Вильгельм получил докторскую степень, опубликовав статью по теории газов. Сразу же после защиты диссертации Рентген женился на Берте Людвиг, дочери хозяина студенческой закусочной, с которым долгое время был дружен.

В 1874 г. в качестве ассистента он последовал за своим учителем Кундтом в Страсбургский университет и начал научно-практическую деятельность. Спустя год он сдал экзамены на право преподавания физики и математики и стал профессором Высшей сельскохозяйственной школы в Гогенгейме. Через год вернулся в Страсбург, а в 1879 г. по рекомендации Г. Гельмгольца получил место профессора в Гессенском университете, в котором работал до 1888 г., отказавшись от предложений занять кафедру физики в университетах Иены и Утрехта.

Здесь Рентген, занимаясь в основном вопросами электромагнетизма и оптики, сделал очень важное открытие: основываясь на электродинамике Фарадея – Максвелла, обнаружил магнитное поле движущегося заряда (так называемый «рентгенов ток»). Среди других работ этого периода – исследование свойств жидкостей, газов, электромагнитных явлений, открытие взаимосвязи электрических и оптических явлений в кристаллах кварца.

В 1888 г. Вильгельм был приглашен в университет баварского города Вюрцбурга, расположенного на юге Германии, а спустя шесть лет стал его ректором. В стенах этого университета 8 ноября 1895 г. он сделал открытие, которое принесло ему всемирную известность. Именно тогда 49-летний профессор приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках. Около полуночи 8 ноября 1895 г. ученый, уже почувствовав усталость, собрался уходить, но, окинув последним взглядом лабораторию, вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается, светился экран из синеродистого бария. Почему он светится? Рентген еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: забыл выключить. Нащупав рубильник, ученый обесточил ее и свечение экрана исчезло; включил – вновь появилось… Значит, свечение вызывает катодная трубка! Оправившись от минутного изумления и забыв об усталости, Рентген тут же стал исследовать обнаруженное явление и новые лучи, названные им Х-лучами (как известно, в математике через «х» обозначается неизвестная величина).

Оставив футляр на трубке, чтобы катодные лучи были закрыты, он с экраном в руках начал передвигаться по лаборатории. Тут же выяснилось, что полтора-два метра для этих неизвестных лучей не преграда, они легко проникают через книгу, стекло, станиоль… А когда рука ученого оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране силуэт ее костей! Фантастично и жутковато! Рентген заторопился: необходимо было закрепить увиденное на снимке. Так начался новый эксперимент, который показал, что лучи засвечивают фотопластинку и имеют определенное направление. Только утром обессиленный ученый ушел домой. «Великий жребий», который ему выпал, как позднее сказал Рентген, он поспешил подкрепить «безупречными результатами исследований». На пятьдесят дней и ночей было забыто все: семья, здоровье, ученики и студенты… Он никого не посвящал в свою работу до тех пор, пока не разобрался с их отражением, поглощением, способностью ионизировать воздух. Рентген велел приносить себе пищу в университет и поставить там кровать, чтобы избежать сколько-нибудь значительных перерывов в работе. Первым человеком, кому он продемонстрировал свое открытие, была его жена Берта. Именно снимок ее кисти, с обручальным кольцом на пальце, ученый приложил к статье «О новом роде лучей», которую он 28 декабря 1895 г. направил председателю Физико-медицинского общества университета и известил о своем достижении императора Вильгельма II.

Уже через 10 дней на заседании Научного физико-медицинского общества было рассмотрено сообщение об открытии Рентгена. Он попросил разрешения у советника фон Колликера «просветить X-лучами» его руку. Сразу же была сделана фотография, и все присутствующие смогли воочию убедиться в «волшебном» действии «невидимых лучей». После этого «подопытный» предложил назвать эти лучи именем Рентгена.

Открытие привлекло к себе всеобщее внимание: брошюра с докладом за несколько дней была издана пять раз. Ее сразу же перевели на английский, французский, итальянский и русский языки, однако природа таинственных лучей была объяснена лишь в 1912 г. физиками Лауэ, Фридрихом и Книппингом. При всем колоссальном интересе к этому явлению понадобилось около 10 лет, чтобы в знаниях об X-лучах добавилось что-то новое: английский физик Чарлз Баркла доказал их волновую природу и открыл характеристическое (определенной длины волны) рентгеновское излучение. Еще через 6 лет Макс фон Лауэ разработал теорию интерференции X-лучей на кристаллах, предложив использовать кристаллы в качестве дифракционных решеток. В том же 1912 г. эта теория получила экспериментальное подтверждение в опытах В. Фридриха и П. Книппинга. Научное значение открытия Рентгена раскрывалось постепенно, что подтверждается присуждением семи Нобелевских премий за работы в области рентгеноскопии. В 1896 г. доктор Г. Л. Смит первым получил рентгеновское изображение в медицине. Месяц спустя американские физики использовали рентгеновские лучи в диагностических целях, и стало очевидно, что проводить определенные операции необходимо только после предварительного просмотра рентгеновского снимка. Тогда же К. Мюллер начал производство рентгеновских трубок на небольшом предприятии в Гамбурге для их использования в близлежащей больнице. Его фабрика стала основой нынешней, самой передовой в мире фабрики по производству рентгеновских трубок, принадлежащей компании Philips. Кроме того, рентгеновским лучам обязаны такие великие открытия, как структура молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, ответственных за фотосинтез (Нобелевские премии 1962 и 1988 гг.).

Революционное открытие немецкого физика быстро, даже по сегодняшним меркам, приобрело широкую известность. Весь январь 1896 г. прошел под лозунгом «Сенсационное открытие», а телеграфом из Лондона на весь мир передавалось: «Даже шум военной тревоги не в силах был бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены. Сообщается, что профессор Вюрцбургского университета Роутген открыл свет, который проникает при фотографировании через дерево, мясо и большинство других органических веществ. Профессору удалось сфотографировать металлические гири в закрытой деревянной коробке, а также человеческую руку, причем видны лишь кости, в то время как мясо невидимо». Дальше последовала лавина публикаций: только за один год свыше тысячи статей по новым лучам. Во всех европейских столицах читались публичные лекции об открытии Рентгена и демонстрировались опыты. Не обходилось и без курьезов. Американские блюстители нравов предлагали запретить рентгеновские лучи на том основании, что, дескать, «будучи вставленными в театральные бинокли, они позволят зрителям полностью раздевать появляющихся на сцене актрис». А одна из заокеанских фирм предлагала покупать шляпы ее производства, которые, «прикрывая лоб, не позволяют читать ваши мысли при помощи икс-лучей».

А через год после открытия Рентгеном X-лучей он получил письмо от английского моряка, у которого со времен войны в груди застряла пуля. Тот попросил, «если это возможно, выслать немного лучей в конверте, доктора найдут пулю и я вышлю Вам лучи назад». И хотя у Рентгена был легкий шок, он ответил с присущим ему юмором: «В данный момент я не располагаю таким количеством лучей. Но если Вам не трудно, вышлите мне свою грудную клетку, я найду пулю и отошлю Вам грудную клетку назад».

В 1899 г. Рентген стал профессором физики и директором Физического института при Мюнхенском университете. Профессором этого университета он оставался до 1920 г. В 1901 г. ученый узнал, что он стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике. Интересно, что он был единственным лауреатом, кто не читал традиционной Нобелевской лекции. Рентген вообще мало участвовал в публичных мероприятиях, никогда не принимал участия в ежегодных съездах физиков, естествоиспытателей и врачей, отвергал всякие чествования со стороны власть имущих. Помимо Нобелевской премии ученый был удостоен медали Румфорда Лондонского королевского общества, золотой медали Барнарда за выдающиеся заслуги перед наукой Колумбийского университета и состоял почетным членом и членом-корреспондентом научных обществ многих стран.

На протяжении десятилетий в научном мире дискутировался вопрос: случайно или закономерно открытие Рентгена? Знавшие гениального физика ученые утверждали, что кропотливость и наблюдательность исследователя не могли не привести к открытию, ведь он считался лучшим экспериментатором своего времени. И если в самом факте открытия был элемент случайности, то в исследовании сути предмета с Рентгеном никто сравниться не мог. Академик А. Ф. Иоффе, работавший его ассистентом на протяжении трех лет, говорил: «Я думаю, что совершенно закономерно, что из многих исследователей, в течение 40 лет работавших среди рентгеновых лучей, их заметил только один Рентген, исключительно тонкий и точный экспериментатор-наблюдатель в самом высоком смысле этого слова».

По свидетельствам современников, Рентген был человеком замкнутым и суровым. Он не участвовал в съездах ученых, не принял предложения, стать членом Прусской академии и президентом Палаты мер и весов. Отказывался от всех присуждаемых ему премий (кроме Нобелевской), многих престижных наград. Прекрасно понимая значение своего открытия, он решительно отверг предложение Берлинского электрического общества продать за большую сумму право на использование патентов будущих его открытий – ему была чужда мысль об их торгашеском использовании. Рентген считал, что результаты, полученные в научной лаборатории, могут и должны использоваться всеми. Он продолжал работать, не допуская для себя никаких послаблений.

Академик Иоффе вспоминал: «Редко можно было видеть улыбку на лице Рентгена. Но я видел, с какой трогательной заботливостью он относился к своей больной жене, как разглаживались его морщины, когда его увлекал научный вопрос, когда мы ходили на лыжах или слетали на салазках с гор… Рентген был человеком аскетической скромности… В Мюнхене, живя с женой и ее осиротевшей племянницей, Рентген вел скромный, замкнутый образ жизни. Точно в 8 часов начинал работать в институте и в 6 часов вечера возвращался домой; как и все, имел двухчасовой отдых от 12 до 14… Не могу также не вспомнить о деликатности, с которой Рентген устраивал мой отдых в Швейцарии. Он приглашал меня на свой счет в качестве ассистента в тот швейцарский отель, где жил сам, якобы для обсуждения нашей совместной работы…» И в тоже время Рентген не допускал никаких компромиссов с совестью, не отступал от своих убеждений даже в отношениях с императором Вильгельмом. Когда тот в мюнхенском Музее науки и техники взялся было объяснять Рентгену элементарные вещи, ученый резко его отчитал, после чего сразу и навсегда сделался «врагом Германии».

И тем не менее, во время Первой мировой войны ученый первым в ответ на призыв германского правительства передал свои валютные ценности, включая Нобелевскую премию, в государственный фонд. А в 1917 г., когда в Германии был голод, Рентген не захотел никакой материальной поддержки от физиков других стран. У него начались голодные обмороки, но даже в больнице он отказался от привилегированных пайков. В 1920 г. Рентген ушел в отставку со своих постов в Мюнхене, вскоре после смерти жены. Знаменитый ученый-экспериментатор умер 10 февраля 1923 г. от рака толстой кишки.

Открытия радио, радиоактивности и рентгеновского излучения «спрессованны» во времени примерно в десять месяцев. Они стали «спусковым крючком» для развития экспериментальной физики XX в., и память о первооткрывателях этих явлений – А. С. Попове, А. Беккереле и В. Рентгене – хранится благодарными потомками. Об этом, например, свидетельствует деятельность музея-лаборатории в Вюрцбурге, в которой Рентген сделал свое открытие. В исторической лаборатории до сих пор все сохраняется без изменений, и она вместе с прилегающими помещениями образует мемориал.

 

ЖУКОВСКИЙ НИКОЛАЙ ЕГОРОВИЧ

(1847 г. – 1921 г.)

 

 

Николай Егорович Жуковский родился 5 (17) января 1847 года в деревне Орехово под Владимиром. Отец Николая, Егор Иванович, происходил из небогатой дворянской семьи, он получил образование в Петербургском институте инженеров путей сообщения и работал инженером-путейцем. Его жена Анна Николаевна также была хорошо образованной женщиной. Она весьма строго воспитывала шестерых детей и сама обучала их грамоте, музыке, рисованию. Неудивительно, что Николай рано научился читать и полюбил это занятие. Позже, для подготовки к гимназии, с мальчиком занимался репетитор – студент Московского университета Репман, одаренный и добросовестный педагог, прививший своему воспитаннику интерес к естественным наукам.

В 1858 году Николай поступил в 4-ю московскую гимназию. Ему легко давались естественные дисциплины, правда, латынь и немецкий язык вызывали некоторые затруднения. Что, впрочем, не помешало юноше в 1864 году окончить гимназию с серебряной медалью. Вначале он планировал пойти по стопам отца и продолжить обучение в том же Институте инженеров путей сообщения. Но преподаватели гимназии и Репман переубедили Николая, и он поступил на физико-математический факультет Московского университета. Также немаловажную роль в таком выборе сыграло и то, что учеба и жизнь в Москве была дешевле, а семья Жуковских в то время испытывала материальные затруднения.

При университете в те времена только-только появился математический кружок, позже превратившийся в Московское математическое общество. Уже с первого курса Николай Жуковский выделялся в общей массе студентов своими математическими способностями, и неудивительно, что его привлекали к работе в кружке. Тем временем финансовое положение семьи Жуковских становилось все хуже и хуже. Николай был вынужден репетиторствовать, издавал лекции своих преподавателей. Учебные достижения Жуковского уже не были так высоки, чтобы добиться если не стипендии, то хотя бы отмены платы за обучение. К тому же ему приходилось материально поддерживать братьев Ивана и Валериана, также учившихся в Москве. Все время учебы в университете Жуковский в буквальном смысле жил впроголодь, ходил зимой в жалком пальтишке, зачастую спал на досках, покрытых одной простыней.

Несмотря ни на что, юношеская мечта не покинула Николая: он хотел стать инженером. Поэтому в 1868 году, окончив университет, он поступил в Петербургский институт инженеров путей сообщения. Но замыслам молодого человека реализоваться было не суждено. Его здоровье, подорванное тяжелой московской жизнью, еще ослабил петербургский климат, а его усидчивость не менее отчаянно боролась с геодезией и черчением, науками, к которым способностей у юноши не было. В итоге и здоровье, и усидчивость потерпели поражение: весной 1869 года Жуковский покинул институт и оправился в Орехово. Здесь он некоторое время жил по совету врачей, которые установили сильное переутомление и рекомендовали хорошее питание, покой и временный отказ от умственной деятельности.

За время этого вынужденного, но столь необходимого отдыха, Николай Жуковский принял решение сделать научную карьеру. Однако сначала необходимо было позаботиться о хлебе насущном. Осенью 1870 года окрепший Жуковский отправился в Москву, где приступил к работе во 2-й женской гимназии. Преподавательскую работу он совмещал с самостоятельной подготовкой к экзаменам на право защищать магистерскую диссертацию. Экзамены были успешно сданы в начале 1871 года, после чего Жуковский получил право преподавать в высших учебных заведениях. Со следующего года Николай Егорович стал преподавателем математики Московского технического училища (позже Московского высшего технического училища имени Н. Э. Баумана – МВТУ). Здесь ученый проработал почти до конца своих дней. Также с 1872 года он преподавал в Практической академии коммерческих наук.

В 1876 году Николай Жуковский защитил диссертацию «Кинематика жидкого тела», получившую весьма лестные отзывы. После защиты ученый стал магистром прикладной математики и отправился в заграничную командировку, целью которой было продолжение исследований и сбор материалов для работ по гидродинамике. После возвращения на родину в октябре 1879 года Николай Егорович был назначен экстраординарным профессором аналитической механики МВТУ (штатным профессором он стал в 1887 году). Он также принимал активное участие в деятельности Политехнического общества. Примерно в это же время молодой ученый стал проводить первые исследования в области воздухоплавания и аэродинамики. Некоторые из его экспериментов были не только интересными, но и опасными, например, он сделал шелковые крылья на бамбуковом каркасе, надевал эти крылья на себя и, изучая действие подъемной силы, съезжал на велосипеде с горы, развивая очень большую скорость. 1 ноября 1881 года Жуковский выступил со своим первым докладом, касающимся вопросов воздухоплавания.

30 апреля 1882 года Николай Егорович успешно защитил докторскую диссертацию «О прочности движения». Это дало ему возможность преподавать в Московском университете. В 1885 году Жуковский занял должность приват-доцента, а еще через год экстраординарного профессора. Теперь преподавательская нагрузка ученого стала просто колоссальной, но при этом он успевал заниматься и научной работой. В том же 1885 году вышла серьезная и важная работа «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородной капельной жидкостью». Сочинение это было удостоено премии Московского университета как лучшее сочинение по математике. Свое практическое применение исследования, начатые Жуковским в этой области, нашли только в XX веке, при расчетах движения ракет, баки которых наполнены горючим, но и в конце XIX столетия работа стала известна в научных кругах и получила заслуженное одобрение.

Тем временем ученого все больше и больше занимала проблема покорения воздушной стихии. В 1889 году он принял участие во Всемирном конгрессе воздухоплавателей в Париже, в начале 1890-го выступил с докладом «К теории летания» на съезде русских естествоиспытателей. В нем Николай Егорович впервые задался вопросом о происхождении подъемной силы. Далее последовал целый ряд работ и докладов по динамике полета. В 1890-х годах Жуковский опубликовал более сорока работ. Одним из первых стал труд «О парении птиц», в котором исследовались механизмы парения с набором и потерей высоты, изучались траектории передвижения центра тяжести птицы, приводились результаты экспериментов по измерению подъемной силы, рассматривались возможности исполнения летательными аппаратами сложных маневров, в том числе и «мертвой петли», которую через 21 год выполнил русский летчик Петр Нестеров.

Не прекращал Жуковский и исследования в области гидродинамики. В 1890 году он написал работу «Видоизменение метода Кирхгофа для определения движения жидкости в двух измерениях при постоянной скорости, данной на неизвестной линии тока». Не вникая в подробности, скажем, что в этом труде ученый изложил свой собственный метод, значительно расширивший возможности гидравлических расчетов. В 1897–1899 годах он изучал причины аварий на водопроводных линиях. Итогом этих исследований стала публикация фундаментального труда «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах». В нем автор ввел понятие гидравлического удара и привел целый ряд соответствующих расчетов. Эта работа также получила широкую известность во всем мире.

Очень удачно в последнее десятилетие XIX века складывалась и личная жизнь Николая Жуковского. В 1894 году Надежда Сергеевна Сергеева, гражданская жена Жуковского, родила дочь Елену, а в 1900-м – сына Сергея. Елена стала любимицей ученого, впоследствии она сопровождала отца в заграничных поездках, ездила с ним на испытания и аэродромы. Отец и дочь часто вместе посещали театры, совершали загородные прогулки.

В 1900 году кандидатуру Жуковского выдвинули в действительные члены Академии (членом-корреспондентом он был с 1894 года). Но избрание в Академию требовало переезда в столицу, а Жуковский не желал оставлять учеников и начатой работы и поэтому взял самоотвод. В 1902 году ученый построил при университете аэродинамическую трубу. Николай Егорович и его ученики разработали методику аэродинамических исследований, сконструировали некоторые приборы. В 1904 году в Кучино под Москвой был открыт Аэродинамический институт. Основан он был на деньги мецената Д. П. Рябушинского, а руководил созданием института Жуковский.

Тем временем ученый продолжал настойчиво искать природу подъемной силы. Первый сдвиг в этой области произошел осенью 1905 года. 15 ноября в Математическом обществе был прочитан доклад Жуковского «О присоединенных вихрях», затем последовала работа «О падении в воздухе легких продолговатых тел, вращающихся около своей продольной оси». В этих работах Жуковский изложил открытый им принцип образования подъемной силы и сформулировал формулу для ее расчета. Отныне конструкторы летательных аппаратов были избавлены от необходимости действовать вслепую и могли заранее производить необходимые расчеты.

В 1908 году Николай Жуковский основал при МВТУ кружок воздухоплавателей. В него вошли многие его ученики, которые впоследствии стали известными учеными и конструкторами: Александр Архангельский, Владимир Ветчинкин, Гурген Мусинянц, Григорий Сабинин, Борис Стечкин, Борис Юрьев, Алексей Туполев и другие. В следующем году при училище было заложено строительство аэродинамической трубы. В 1910 году Николай Егорович возглавил Московское общество воздухоплавателей. Этот год ознаменовался и началом новых исследований. Вместе с одним из самых талантливых своих учеников, Сергеем Алексеевичем Чаплыгиным, в 1910–1912 годах Жуковский создал ряд работ, в которых подробно описал силы, действующие на крыло, разработал математический аппарат для расчета обтекания крыла и метод теоретического построения профилей крыла (профили Жуковского – Чаплыгина).

С 1904 года Жуковский занимался еще одной важной проблемой – теорией гребного винта. В период с 1912 по 1918 год им были опубликованы работы, в которых излагалась вихревая теория гребного винта. Впоследствии эта теория стала основой для проектирования современных воздушных винтов.

Во время Первой мировой войны Жуковский принимал активное участие в подготовке военных кадров: читал курс по баллистике, воздухоплаванию. Также он разрабатывал теорию бомбометания, проводил исследования по баллистике, гидромеханике. Не оставлял ученый и аэродинамику, с 1913 по 1920 год он опубликовал целый ряд статей, в которых разработал основы аэродинамических расчетов. В частности, много внимания Жуковский уделял вопросам устойчивости и прочности аэропланов.

После прихода к власти большевиков Николай Егорович при поддержке коллег и учеников добился создания Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Институт был открыт 1 декабря 1918 года, а Жуковский назначен председателем его научной коллегии. Тем временем условия жизни и работы ученого в послереволюционной России никак нельзя было назвать идеальными. Скорее всего, именно это и подорвало его здоровье. В феврале 1920 года Жуковский заболел воспалением легких. Его состояние усугубило и тяжелое потрясение: 15 мая от туберкулеза умерла горячо любимая дочь. Правда, лечение в одном из лучших подмосковных санаториев принесло свои плоды, и здоровье Николая Егоровича постепенно пошло на поправку. В июне он снова смог работать: дописал две начатые ранее статьи, посетил ЦАГИ. Но 29 июня у ученого случился инсульт, и он был частично парализован. Несмотря на это, Жуковский продолжал работать: продиктовал автобиографию, курс программ для МВТУ и Института инженеров красного воздушного флота, который возглавил в сентябре. Но в конце года Николай Егорович заболел тифом и перенес второй инсульт. На этот раз победить болезни ему не удалось – 17 марта 1921 года ученого не стало.

 

Дата: 2019-04-23, просмотров: 372.