Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Однажды, почувствовав особое любопытство, он вырезал небольшое отверстие, диаметром четверть дюйма, в оконном жалюзи. Поставив призму на пути узкого солнечного пучка, он на противоположной стене затемненной комнаты получил весь солнечный спектр.

«Поначалу это было приятным развлечением — рассматривать яркие, живые цвета», — писал он. Синие оттенки, бледнея, переходили в зеленые, затем желтые переходили в оранжевые и красные. Но более важным был не знакомый спектр, а его форма. Она была не круглой, как отверстие в жалюзи или солнечный диск, а продолговатой: тринадцать с четвертью дюймов в длину и два и пять восьмых дюйма в ширину. Такая «диспропорция была настолько экстравагантной, что возбудила во мне далеко не обычное любопытство и острое желание понять причину».

Что-то заставляло цвета распределяться именно таким образом. Ньютон сомневался в искусственном появлении этого явления, он не верил, что это всего лишь совокупное действие случайных причин. Но и такую возможность нельзя было полностью исключать. Он стал менять положение призмы так, чтобы свет проходил через стекло разной толщины, проделывал в шторке отверстия различного размера, выносил призму за пределы комнаты, чтобы свет прошел сначала через нее, а потом через отверстие в шторке. Но результат оставался прежним: цвета во всех этих случаях распределялись одинаково.

Расщепив свет на цвета с помощью одной призмы, он обнаружил, что их можно соединить с помощью второй призмы. Вторая призма разрушала то, что делала первая, и после нее на стене оставался лишь бесцветный кружок света. Значит, это не призмы окрашивали свет — цвета находились внутри самого светового пучка!

Именно множество таких экспериментов позволили ему сделать удивительный вывод. К тому времени, когда он был готов к проведению того, что он назвал Experimentum Cruris (позаимствовав этот термин у Гука), он, скорее всего, уже знал, что обнаружит. Но это не должно отвлекать нас от сути эксперимента. Как и прежде, пучок света из окна проходил через призму и пересекал комнату, но в этом случае цветовой спектр попадал на деревянную панель. В одном конце панели Ньютон просверлил отверстие и, перемещая соответствующим образом призму, сумел по очереди пропускать через отверстие в панели лучи только одного цвета. После этого они попадали на вторую призму и только потом направлялись на стену.

То, что он увидел в тот день, полностью поменяло все тогдашние представления о свете. Начиная с красной части спектра и переходя к синей, каждый цвет отклонялся все больше и больше — эффект, который ему подсказали цветные нити; синие лучи испытывают большее преломление, чем красные. Это объясняло продолговатость спектра. Если бы все цвета отклонялись одинаково, то спектр был бы круглым пятном. Но свет, как сказал Ньютон, «состоит из лучей, преломляющихся по-разному».

Преломление, или рефракция, позволило Ньютону понять, что такое цвет: луч света, способный преломляться совершенно особым способом. «Одинаковые цвета характеризуются одинаковой рефракцией», — писал он. Цвет — это способность преломляться.

Но на этом все не заканчивалось. Как Ньютон ни старался, после выделения ни один из цветов уже не менялся. «Я преломлял его с помощью призм и отражал телами, которые при дневном свете имеют другой цвет; я пропускал его через слой воздуха, находившегося между двумя пластинками стекла, пропускал через цветные среды и через среды, подсвеченные лучами другого цвета; разными способами останавливал этот луч, но ни разу мне не удалось изменить его цвет. Можно было сделать его более или менее насыщенным или путем потери множества лучей заставить стать блеклым или темным, но при этом он никогда не менял свою суть».

Если луч состоял более чем из одного цвета — оранжево-желтый, желто-зеленый, — то его можно было разложить с помощью призмы на отдельные цвета; рано или поздно, но все равно достигается точка, когда свет разлагается полностью на свои основные компоненты. «Цвет не является определением света, полученного посредством преломления или отражения естественными телами, а представляет собой изначальную, сущностную, характеристику».

Именно белый цвет является смешанным, он представляет собой лишь сочетание всех цветов, «гетерогенную смесь различно преломляющихся лучей». Солнце, сияя над миром, не приносит красное яблоку и зеленое листу. Яблоко и лист приобретают цвет из солнечного света.

Декарт тоже верил, что цвет является не свойством предмета, а свидетельством того, что свойства влияют на свет. Теперь Ньютон узнал, почему это происходит. Мир многокрасочен, потому что состоит из тел, «которые отражают один тип света значительно больше, чем другие».

В начале сентября 1666 года почти весь Лондон был разрушен Великим пожаром. Огонь заодно уничтожил и всех крыс, что позволило справиться с чумой. Отложив в сторону научные исследования, Роберт Гук помогал Кристоферу Рену перестраивать город.

Ньютон же, покинув Вулсторп, отправился в Кембридж, где получил почетную математическую кафедру и стал читать лекции о цвете и свете. Позже он, изобретя зеркальный телескоп длиной шесть дюймов, который был мощнее обычного телескопа, превышающего его по размерам в десять раз, произвел сильное впечатление на членов Королевского научного общества, а в 1672 году, через шесть лет после проведения знаменитых экспериментов, опубликовал в «Философских трудах» Королевского общества статью «Новая теория, объясняющая свет и цвета».

Гук отнесся к этому с большой ревностью и попытался дискредитировать Ньютона, в результате чего между учеными возникла вражда, не прекращавшаяся до конца их жизни. Гук заявил, что он сам, еще до Ньютона, поставил эти эксперименты и что полученные результаты легко объясняются его собственной теорией. (Позднее он будет настаивать на том, что «Основы» Ньютона не что иное, как плагиат его трудов.)

Другие ученые, включая Гюйгенса, отправили в журнал свои возражения, на которые Ньютон либо не обращал внимания, либо отвечал весьма презрительно. Безжалостное отношение к новым идеям не является чем-то особенным в научном мире, однако Ньютон посчитал себя оскорбленным. Особенно его донимала группа английских иезуитов, которые настаивали на том, что не могут воспроизвести его Experimentum cruris и что вытягивание спектра является результатом явления, названного ими «ярким облаком». Травля продолжалась до 1678 года, когда Ньютон от отчаяния полностью отошел от общественных дел и стал вести совершенно уединенную жизнь. Было ему тогда всего тридцать пять лет от роду, и впереди его ждали не менее великие свершения.

Глава 4

Антуан Лоран Лавуазье

Флогистон и кислород

Только представьте, что это значит — понять, что дает листу его цвет и что заставляет пламя гореть!

Однажды осенним днем 1772 года парижане, прогуливавшиеся недалеко от Лувра, в саду Инфанты, вдоль набережной Сены, могли видеть странное, напоминавшее плоскую подводу сооружение в виде деревянной платформы на шести колесах. На ней были установлены огромные стекла. Две самые большие линзы, имевшие в радиусе восемь футов, были скреплены вместе так, чтобы из них получилось увеличительное стекло, собиравшее солнечные лучи и направлявшее их на вторую линзу, поменьше, а затем на поверхность стола. На платформе стояли занятые в эксперименте ученые в париках и черных очках, а их ассистенты сновали, как матросы по палубе, настраивая все это сложное сооружение на солнце, непрерывно держа плывущее по небосклону светило «под прицелом».

Среди людей, которые воспользовались этой установкой — «ускорителем элементарных частиц» XVIII века, — был Антуан Лоран Лавуазье. Его тогда занимало, что происходит при сжигании алмаза.

Давно было известно, что алмазы горят, и местные ювелиры попросили Французскую академию наук исследовать, не таится ли в этом какой-нибудь риск. Самого Лавуазье интересовал несколько иной вопрос: химическая сущность горения. Вся прелесть «поджигающего стекла» заключалась в том, что оно, фокусируя солнечные лучи в точке, находящейся внутри контейнера, нагревало все, что в эту точку можно было поместить. Дым из сосуда можно было направить по трубке в сосуд с водой, осадить содержащиеся в нем частицы, затем выпарить воду и проанализировать остаток.

К сожалению, эксперимент не удался: от интенсивного нагрева стекло постоянно лопалось. Однако Лавуазье не отчаивался — у него были и другие идеи. Он предложил Академии наук программу по изучению «воздуха, содержащегося в веществе», и того, как он, этот воздух, связан с процессами горения.