Оптико-механические исследования
В лаборатории над баней, у ворот, на столе из старой двери вскоре стали теснить все остальное прозрачные твердые цилиндры, бруски, куски стекла, желатина.
Джеймс решил продолжить в Гленлейре опыты с поляризованным светом, начатые им в Эдинбурге год или два назад, сразу после одного памятного события.
Весной 1847 года дядя Джеймса, брат покойной матери, Роберт Кей зашел за ним, затем зашли за Льюисом и все вместе шумной компанией направились на Инверлейт-Террас. Прямо к дому, где жил знаменитый в Шотландии и наверняка во всем остальном мире физик Вильям Николь. Их встретил лакей, который провел гостей в лабораторию, большую комнату с зашторенными окнами, где проводил в бесконечных экспериментах свои дни апостольского вида седовласый старец — изобретатель «призмы Николя», или просто «николя».
Лакей оказался лаборантом. Он заботливо прикрыл щели, в которые ломились снаружи лучи весеннего солнца, оставив лишь одно отверстие. Яркий луч света, набитый пылинками, прорезавший темноту комнаты, разбивался о кристалл исландского шпата.
И разделялся на два — казалось, одинаковых.
На самом деле — различных. Лучи были разными. Они, например, по-разному отражались от зеркала. Зеркало можно было бы, например, расположить так, чтобы один луч отражался, а второй — полностью исчезал. Эти лучи отличались и друг от друга, и от исходного луча, прорезавшего темень лаборатории Николя.
— Здесь вы видите поляризованные лучи, — говорил Николь, и в голосе его скользила любовь к этим лучам, к призмам-»николям», которые их рождали, к самой этой темной лаборатории, под которую приспособлена была одна из лучших комнат дома.
— Почему поляризованные? — спросил неискушенный Льюис. Джеймс хотел было толкнуть его в бок, да раздумал: Вильям Николь уже стал с увлечением рассказывать, как тридцатитрехлетний французский инженер Этьен Малюс наблюдал отражение последних закатных лучей в окнах Люксембургского дворца через кристалл исландского шпата...
Бесцветный прозрачный брусок обладал удивительным свойством двойного лучепреломления — и молодой инженер видел два дворца с двумя комплектами ажурных окон. Но два этих дворца неожиданно оказались разными: в то время как окна одного полыхали багровыми красками заката, окна другого были мертвы и пусты... Один из лучей, отразившись под определенным углом от окна, пропал.
Малюс заинтересовался этим странным видением и стал исследовать его. И понял, что напал на след нового явления.
Свеча послушно «раздваивалась», когда на нее смотрели через пластинку исландского шпата. Но если смотреть на отражение свечи, например, в воде, то при определенном угле отражения одна свеча пропадала. Малюс пришел к выводу, что отраженный таким образом луч обладает особой асимметрией вокруг своего направления. И назвал такое свойство луча поляризацией. А сам луч — поляризованным.
Новое явление не могло быть объяснено с помощью корпускулярной теории света (хотя Малюс и попытался это сделать). Но не объяснялось оно и волновой теорией. По крайней мере, не объяснялось волновой теорией Юнга, описанной в его статье «Опыты и проблемы по звуку и свету».
Объяснение явления предложил Огюстен Френель. Разжалованный в результате наполеоновской «чистки» 1815 года, инженер сидел без работы. Занялся оптикой, поначалу совсем мало разбираясь в ней. Звук и свет — похожи или нет? Если предположить, что свет — не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны. Звуковые волны продольны. Но для продольных волн никакой асимметрии вокруг луча не должно быть — все плоскости, содержащие луч, равноправны! Но поляризация лучей существует. Может быть, световые волны поперечны?
Этот вывод Френеля казался настолько диким, настолько безумным, что великий Араго, сам достаточно смелый в науке, помогая Френелю в опытах, отказался тем не менее подписать представленную статью.
И эта «трусость» Араго была понятна. Продольные волны возникают в воде, когда в нее брошен камень. Возникают они и в воздухе, являясь причиной звуковых явлений. Они могли существовать, по понятиям того времени, и в «эфире» — необычайно тонкой жидкости или газе, наполняющем всю вселенную и «ответственном» за световые явления.
Но во всех этих средах поперечные волны, «бьющиеся» в плоскостях, перпендикулярных направлению движения волны, просто невозможны. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах.
Френель ввел в обиход физиков новый эфир. Это была странная субстанция.
Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам...
Неудивительно, что новую среду не жаловали. Знаменитый шотландец Давид Брюстер при каждом удобном случае поносил грубую идею заполнения всего пространства странным эфиром только для того, чтобы объяснить свет.
Брюстер поддерживал Ньютона, и уж заодно с ним — француза Малюса. Ему удалось, идя по стопам Малюса, одновременно с Араго открыть новый вид поляризации — хроматическую. И главное, открыть новый закон — закон Брюстера. Этот закон определял угол отражения, при котором должен был пропадать второй луч. Теперь можно было заранее рассчитать тот угол отражения, на который случайно наткнулся Малюс, наблюдая дворец через кристалл исландского шпата.
Используя закон Брюстера, Николь сделал и свои «николи» — турмалиновые призмы, склеенные наискосок с помощью канадского бальзама. Один луч проходил через прибор беспрепятственно, а другой отражался от внутренней прозрачной перегородки. Николь боготворил Брюстера, Ньютона, поляризацию, «николи». Казалось, что большой вклад, который в открытие и объяснение поляризации внесли французы, доставлял ему скрытые страдания.
— Да, французы многое сделали в области поляризованного света. Но какие французы? Лишь те, что шли за Ньютоном!
Дядюшка Роберт и Льюис одобрительно и понимающе кивали, а Джеймсу казалось, что наибольший вклад, самый великий шаг был сделан именно Френелем, бросившим Ньютону вызов. Джеймсу была ясна правильность идеи о поперечности световых волн — ибо она была единственной, которая могла непротиворечиво объяснить явление поляризации.
А Николь продолжал рассказывать о своих приборах. Он не мог говорить о поляризации равнодушно.
— Поляризованный луч, — страстно говорил Николь, — можно сравнить с путешественником, который, проникнув в неведомые страны, возвращается к нам с богатым запасом сведений, с набитым чемоданом, с заполненными дневниками. Он может рассказать о неведомой внутренней структуре тел и даже помог уже в обнаружении подделок — да, да — к примеру, при экспертизе сахара!
Эти слова Джеймсу запомнились. И когда в лаборатории Николя бушевали еще краски спектра, когда Николь демонстрировал с восторгом, как поляризованный луч «чувствует», когда образец нагревают или механически напрягают, мысли Джеймса были уже далеко. Он видел то, чего не увидели другие, — поляризованный луч можно было использовать для определения внутренних напряжений в нагруженных твердых телах.
Итак — проникнуть туда, куда нельзя было проникнуть раньше. Внутрь твердого тела, где «власть человека», как выразился Николь, «столь же велика, как власть сиамского короля в Англии».
И может быть, тут Джеймс позавидовал тому, что нет у него этих тяжелых полированных «николей», и придется воспользоваться ему несовершенными «турмалиновыми щипцами», дававшими окрашенный луч. Но это уже не могло остановить его.
Некоронованный король шотландской физики Брюстер утверждал, что быстро охлажденное, неотпущенное, с сохраненными внутренними напряжениями стекло и некоторые другие материалы должны давать эффект двойного лучепреломления за счет различия упругости в различных направлениях. Когда луч света падает на такой материал, он расщепляется на два луча, один из которых идет в направлении меньшей упругости, другой — в направлении большей.
А раз так, то изучение пути лучей можно использовать для определения упругости среды в разных направлениях, для обнаружения напряжений в прозрачных материалах типа желатина и неотпущенного стекла. Таким образом, исследование механических напряжений можно свести к оптическому исследованию. Два луча, разделившиеся в напряженном прозрачном материале, будут взаимодействовать, рождая характерные красочные картины.
Эти красочные картины помогут проверить формулы сопротивления материалов.
Для изготовления деталей сложной формы Джеймс решил использовать желатин из рыбьего клея. Он залил его в горячем состоянии в пространство между двумя концентрическими цилиндрами. Когда желатин остыл, Джеймс вынул его из формы и отполировал — получилась толстостенная твердая прозрачная труба, вполне пригодная для испытаний на кручение и для одновременных оптических исследований в поляризованном свете.
Закрепив этот цилиндр, Джеймс мог немного сдвигать в направлении вращения его внутреннюю поверхность. В стенках цилиндра возникали напряжения.
Величину их можно было рассчитать теоретически. Но и более того — напряжения можно было видеть! Для этого цилиндр нужно было рассматривать в поляризованном свете. (В самый разгар этих занятий Джеймс получил от дяди Роберта посылку, а в ней переложенный заботливо в мягкие ткани драгоценный подарок Николя — два «николя», сделанные им самим!)
В поляризованном свете сечение цилиндра представляло собой радужное кольцо, перекрещенное двумя темными полосами. Джеймсу удалось зарисовать эту картину акварелью и показать, что каждая линия ее имеет большой смысл и значение. Так же, как и расстояние между кольцами. И как закономерность смены цветов.
Джеймс показал, что цветные картины носят вполне закономерный характер и могут быть использованы для расчетов, для проверки выведенных ранее формул, для выведения новых. Оказалось, что некоторые формулы неверны, или неточны, или нуждаются в поправках.
И более того, Джеймсу удалось вскрыть закономерности в тех случаях, где раньше не удалось ничего сделать из-за математических трудностей.
Прозрачный и нагруженный треугольник из неотпущенного стекла дал Джеймсу возможность исследовать напряжения и в этом, не поддававшемся расчету случае.
«Радуга» теперь не скрашивала унылую простоту концентрических кругов. Линии одинакового цвета — изохромы — следовали причудливой игре внутренних перенапряжений и рождали красивые, но отнюдь не простые фигуры. Линии наиболее сильных напряжений — изоклины — давали возможность построить кривые направлений сжатия и растяжения. Получившаяся система траекторий напряжений позволяла вычислить главные напряжения.
Красивые цветовые картины приводили к прозаическим, но очень полезным формулам и цифрам. Гармония и в этот раз, как и тогда, когда Джеймс рисовал свои овалы, закономерно приходила к алгебре...
...Если предыдущий доклад — «Теория кривых качения» — сделал в Эдинбургском королевском обществе от имени Джеймса профессор Келланд, то этот, новый — «Равновесие упругих тел», прочесть за него было и неудобно, да и просто трудно!
Девятнадцатилетний Джеймс Клерк Максвелл впервые поднялся в 1850 году на трибуну Эдинбургского королевского общества. Его доклад не мог остаться незамеченным: слишком много нового и оригинального содержал он.
Джеймс доложил обществу свое решение четырнадцати задач из области сопротивления материалов. Он определил математически напряжения, возникающие от усилий и нагрева в полых цилиндрах, стержнях кругового сечения, тонком круглом диске, в полых сферах, плоских треугольниках. Несколько задач уже были решены раньше — Джеймс, не зная этого, решил и их. Несколько были решены Джеймсом более точно, чем раньше. Некоторые решены заново.
Все — «проверено светом».
И более того — с помощью поляризованного света удалось решить задачи, которые ранее считались неразрешимыми из-за непреодолимых математических трудностей.
Красивые акварели, стоящие рядом с Джеймсом на пюпитре, — зарисовки «цветных картин», сделанные им, открывали науке новый, неизвестный ранее перспективный метод исследования. Метод фотоупругости.
Это было главное. Но все оценили и то, что девятнадцатилетний юноша, впервые появившийся перед ними сегодня, попутно решил добрый десяток сложнейших задач из области сопротивления материалов.
Да, в науке это был уже не мальчик, а достойный муж.
В тот год Британская ассоциация собиралась в Эдинбурге. Много собралось в Эдинбурге знаменитых физиков — Фарадей, Тиндаль, Брюстер, Николь, Стокс, Томсон. Джеймс Клерк Максвелл чинно сидел где-то в последних рядах вместе с отцом и дядей Джоном Кеем, рядом с Питером, Бобом и Аланом. Много было прослушано интересного, Джеймс жадно впитывал новые идеи, учился на слух. Лишь однажды не сдержался — пустился в яростный, бескомпромиссный спор с докладчиком — первым физиком Шотландии, автором закона, носящего его имя, изобретателем калейдоскопа Давидом Брюстером. Спор касался теории цветов: Брюстер утверждал, что смешение голубого и желтого цветов дает зеленый, а Джеймс, тысячекратно наблюдавший сложение этих цветов и имевший свой взгляд на это, спорил с ним.
Можно лишь довообразить детали этого спора, ибо никаких документов не сохранилось. Можно представить себе, как какой-нибудь эдинбуржец, пришедший на конгресс Британской ассоциации как на редкое развлечение, удивленно подняв брови, спросит у своего внимательно слушающего этот спор соседа:
— А кто этот юноша?
А сосед, не в силах оторваться от спора, уважительно скажет:
— Это ученик Форбса, из Клерков, Максвелл-юниор! — И помедлив, внимательно и серьезно глядя на соседа: — Надежда нашей шотландской науки!
Да, Джеймса стали понемногу признавать. И не только его коллеги-студенты — его авторитет среди них с первого дня был непререкаем. Его странности уже не были объектом насмешек, как в школе; юные таланты, собранные в Эдинбургском университете, лучше разбирались в сути вещей, в их смысле, ценности и значении. О странностях Джеймса ходили слухи, он становился знаменитостью с совершенно неожиданной стороны.
— Вот тот, черноволосый, — это Джеймс Клерк Максвелл, из Клерков.
— Он никогда не пробовал вина!
— Он ездит в третьем классе — любит жесткие сиденья.
— Не надевает крахмальных рубашек.
— А вы послушайте его мрачные шутки!
— У него вид, как будто он боится что-нибудь сломать.
— Он говорит загадками.
— Он делает открытия даже в полоскательнице для пальцев!
— Он будущий великий шотландский физик.
ЧТЕНИЕ
Джеймс чувствовал, что он быстро продвигается вперед, в каком-то смысле даже становится популярным и известным, и неправдой было бы сказать, что ему это было неприятно. Он отнюдь не был безразличен к успеху, похвалам и славе.
Но промелькнувшая еще в детских письмах самокритичность, способность поставить себя на место других, не дает ему предаться утехам тщеславия. Джеймс прекрасно понимал, что у него все еще недостаточно знаний. Он заказывает массу книг (то, что отец — человек со средствами, здесь очень кстати, ибо книги дороги), берет книги сразу в нескольких библиотеках, они путешествуют за ним громоздким багажом. За три года, проведенных в Эдинбургском университете, он прочел «Математический анализ логики» Джорджа Буля, «О природе вещей» Лукреция, «Исчисление бесконечно малых» Ньютона, «Алгебру» Келланда, «Механику» Поттера, «Меморабилии» Ксенофонта, «Диалоги» Эвклида, труды Цицерона, Еврипида, Геродота, «Лекции» Юнга, «Принципы механики» Виллиса, «Механику и технику» Мосли, «Теплоту» Диксона, «Оптику» Муаньо. «Теорию теплоты» Фурье, «Описательную геометрию» Монжа, «Оптику» Ньютона, «Дифференциальное исчисление» Коши, «Научные мемуары» Тейлора, «Критику чистого разума» Канта, «Левиафана» Гоббса, «Лексикон» Данбара, труды Бернулли и множество иных книг, которые никак нельзя причислить к развлекательной литературе.
Все эти книги требуют вдумчивых размышлений, оценки, отзыва, нехолодного душевного отклика, и Джеймс откликается — он комментирует их, обсуждает с отцом, Питером, Льюисом и Форбсом. Главное, что черпается из этих книг, — конечно, научные сведения. Все, что можно проверить, проверяется. Читаются в основном оригинальные сочинения — компилятивные используются для справок, и Джеймс не устает повторять, что следует читать только первоисточники — только в них можно усмотреть момент зарождения идеи и процесс ее развития, и только тогда знание усваивается наиболее полно. Откликами о прочитанном, о том, что волновало Джеймса Клерка Максвелла, что он хотел прочесть, что читал и что черпал из книг, наполнены его письма к уехавшему учиться в Оксфорд Льюису. Льюис Кемпбелл решил посвятить свою жизнь греческой философии.
Джеймс поверял Льюису самые заветные свои мысли — о боге и дьяволе, о человеке и природе, о прочитанных книгах и придуманных им философских доктринах, о своих планах.