ВИЛЬГЕЛЬМ РЕНТГЕН

(1845–1923)

Академик А.Ф. Иоффе сказал о немецком физике: «Рентген был большой и цельный человек в науке и в жизни. Вся его личность, его деятельность и научная методология принадлежат прошлому. Но только на фундаменте, созданном физиками XIX века и, в частности, Рентгеном, могла появиться современная физика. Рентгенов ток был толчком к электронной теории, рентгеновы лучи – к электронике и атомистике. На прочном фундаменте выросло новое здание. Если яркая окраска иных деталей этого здания часто и противоречила его вкусу, то все же фундамент, материал и методы для постройки дал нам Рентген…»

Вильгельм Конрад Рентген родился 27 марта 1845 года в Леннепе, небольшом городке близ Ремшейда в Пруссии, и был единственным ребенком в семье преуспевающего торговца текстильными товарами Фридриха Конрада Рентгена и Шарлотты Констанцы (в девичестве Фровейн) Рентген. В 1848 году семья переехала в голландский город Апельдорн – на родину родителей Шарлотты. Прогулки, совершаемые Вильгельмом в детские годы в густых лесах в окрестностях Апельдорна, на всю жизнь привили ему любовь к живой природе.

Рентген поступил в Утрехтскую техническую школу в 1862 году, но был исключен за то, что отказался назвать своего товарища, нарисовавшего непочтительную карикатуру на нелюбимого преподавателя. Не имея официального свидетельства об окончании среднего учебного заведения, он не мог поступить в высшее учебное заведение, но в качестве вольнослушателя прослушал несколько курсов в Утрехтском университете. Вильгельм в 1865 году был зачислен студентом в Федеральный технологический институт в Цюрихе, поскольку намеревался стать инженером‑механиком, и в 1868 году получил диплом. Август Кундт, выдающийся немецкий ученый и профессор физики этого института, обратил внимание на блестящие способности Вильгельма и настоятельно посоветовал ему заняться физикой. Рентген последовал его совету. 22 июня 1869 года молодой ученый защитил докторскую диссертацию в Цюрихском университете, после чего был немедленно назначен Кундтом первым ассистентом в лаборатории.

Получив кафедру физики в Вюрцбургском университете (Бавария), Кундт взял с собой и своего ассистента. Переход в Вюрцбург стал для Рентгена началом «интеллектуальной одиссеи». В 1872 году он вместе с Кундтом перешел в Страсбургский университет и в 1874 году начал там свою деятельность в качестве преподавателя физики.

В 1872 году Рентген женился на Анне Берте Людвиг. Анне была дочерью владельца пансиона, где жил Вильгельм во время обучения в цюрихском Федеральном технологическом институте. Отец не одобрил выбора: он видел женой сына девушку из богатой семьи. Так как сын не подчинился его воле, то он лишил его материальной поддержки. Но, несмотря на постоянную нехватку денег, супруги жили душа в душу. Не имея собственных детей, супруги в 1881 году удочерили шестилетнюю Жозефину, дочь брата Рентгена.

В 1875 году Рентген стал полным (действительным) профессором физики Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме (Германия), а в 1876 году вернулся в Страсбург, чтобы приступить там к чтению курса теоретической физики.

Экспериментальные исследования, проведенные Рентгеном в Страсбурге, касались разных областей физики, таких как теплопроводность кристаллов, пьезо– и пироэлектрические свойства, магнетизм и др., по словам его биографа Отто Глазера, снискали Рентгену репутацию «тонкого классического физика‑экспериментатора». В 1879 году Рентген был назначен профессором физики Гессенского университета, в котором он оставался до 1888 года, отказавшись от предложений занять кафедру физики последовательно в университетах Йены и Утрехта. В 1888 году он возвратился в Вюрцбургский университет в качестве профессора физики и директора Физического института, где продолжил вести экспериментальные исследования широкого круга проблем, в т ч. сжимаемости воды и электрических свойств кварца.

В 1894 году, когда Рентген был избран ректором университета, он приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в вакууме.

Вечером 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, он собрался уходить. Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и хотел было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое‑то светящееся пятно. Оказывается, светился экран из синеродистого бария. Почему он светится? Солнце давно зашло, электрический свет не мог вызвать свечения, катодная трубка была выключена, да и вдобавок закрыта черным чехлом из картона. Рентген еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: оказывается, он забыл ее выключить. Нащупав рубильник, ученый выключил трубку. Исчезло и свечение экрана; включил трубку вновь – и вновь появилось свечение. Значит, свечение вызывает катодная трубка! Но каким образом? Ведь катодные лучи задерживаются чехлом, да и воздушный метровый промежуток между трубкой и экраном для них является броней. Так началось рождение открытия.

Оправившись от минутного изумления, Рентген начал изучать обнаруженное явление и новые лучи, названные им икс‑лучами. Оставив футляр на трубке, чтобы катодные лучи были закрыты, он с экраном в руках начал двигаться по лаборатории. Оказывается, 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! Но это только минута, ибо следующим шагом Рентгена был шаг к шкафу, где лежали фотопластинки: надо увиденное закрепить на снимке. Так начался новый ночной эксперимент. Ученый обнаруживает, что лучи засвечивают пластинку, что они не расходятся сферически вокруг трубки, а имеют определенное направление…

Утром обессиленный Рентген ушел домой, чтобы немного передохнуть, а потом вновь начать работать с неизвестными лучами. Пятьдесят суток – дней и ночей – были принесены на алтарь небывалого по темпам и глубине исследования. Были забыты на это время семья, здоровье, ученики и студенты. Он никого не посвящал в свою работу до тех пор, пока не разобрался во всем сам. Первым человеком, кому Рентген продемонстрировал свое открытие, была его жена Берта. Именно снимок ее кисти, с обручальным кольцом на пальце, был приложен к статье Рентгена «О новом роде лучей», которую он 28 декабря 1895 года направил председателю Физико‑медицинского общества университета. Статья была быстро выпущена в виде отдельной брошюры, и Рентген разослал ее ведущим физикам Европы.

Первое сообщение Рентгена о его исследованиях, опубликованное в местном научном журнале в конце 1895 года, вызвало огромный интерес и в научных кругах, и у широкой публики. «Вскоре мы обнаружили, – писал Рентген, – что все тела прозрачны для этих лучей, хотя и в весьма различной степени».

Вечером 6 января 1896 года из Лондона по телеграфу было передано сообщение: «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».

Казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей Берте Рентген – жене профессора. А профессор Рентген, запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых им лучей. Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, в частности, к открытию радиоактивности. С тех пор открытие немецкого физика навсегда вошло в арсенал медицины, дефектоскопии и др.

Открытие Рентгена вызвало огромный интерес в научном мире. Его опыты были повторены почти во всех лабораториях мира. В Москве их повторил П.Н. Лебедев. В Петербурге изобретатель радио А.С. Попов экспериментировал с икс‑лучами, демонстрировал их на публичных лекциях, получая различные рентгенограммы. В Кембридже Д.Д. Томсон немедленно применил ионизирующее действие рентгеновских лучей для изучения прохождения электрического тока через газы. Его исследования привели к открытию электрона.

Рентген опубликовал еще две статьи об икс‑лучах в 1896 и 1897 годах, но затем его интересы переместились в другие области.

Росла и слава Рентгена, хотя ученый относился к ней с полнейшим равнодушием. Ученый не стал брать патент на свое открытие, отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания. Вдобавок ко всему он умудрился восстановить против себя самого кайзера Германии Вильгельма II.

В 1899 году, вскоре после закрытия кафедры физики в Лейпцигском университете, Рентген стал профессором физики и директором Физического института при Мюнхенском университете. Находясь в Мюнхене, Рентген узнал о том, что он стал первым лауреатом Нобелевской премии 1901 года по физике «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь».

Рассказывает Л.В. Бобров: «Это было в декабре 1901 года. Рентген узнал, что ему присуждена Нобелевская премия – первая за работы в области физики. Он не хотел ехать в шведскую столицу, однако его уговорили: таков, мол, порядок. Зато уж там, получив премию из рук самого кронпринца, он постарался поскорее стушеваться, так и не выступив перед многочисленной аудиторией, хотя двое других его коллег‑лауреатов – профессор Вант‑Гофф из Берлина и профессор Беринг из Галле – произнесли пространные речи, положив тем самым начало непреложной традиции. Потом, правда, на банкете во время торжественного акта в музыкальной академии Рентген был вынужден сказать несколько слов, но то была обычная официальная благодарность. Лишь по возвращении в Мюнхен, где его ждали цветы, растроганный Рентген произнес слова, шедшие от самого сердца. Он сказал, что не имеет намерения желать присутствующим того же, что выпало на его долю. Известность – это не так важно в конце концов. Ибо самая прекрасная и самая высокая радость, которую может познать каждый, над какими бы проблемами он ни работал, – это радость поиска, наслаждение достигнутым решением. И по сравнению с этим глубочайшим внутренним удовлетворением любое признание – ничто…»

При презентации лауреата К.Т. Одхнер, член Шведской королевской академии наук, сказал: «Нет сомнения в том, сколь большого успеха достигнет физическая наука, когда эта неведомая раньше форма энергии будет достаточно исследована». Затем Одхнер напомнил собравшимся о том, что рентгеновские лучи уже нашли многочисленные практические приложения в медицине.

Хотя самим Рентгеном и другими учеными много было сделано по изучению свойств открытых лучей, однако природа их долгое время оставалась неясной. Но вот в июне 1912 года в Мюнхенском университете, где с 1900 года работал Рентген, М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта интерференция и дифракция рентгеновских лучей.

Рентгена раздражала внезапно свалившаяся на него известность, отрывавшая у него драгоценное время и мешавшая дальнейшим экспериментальным исследованиям. По этой причине он стал редко выступать с публикациями статей, хотя и не прекращал это делать полностью: за свою жизнь Рентген написал 58 статей. В 1921 году, когда ему было 76 лет, он опубликовал статью об электропроводности кристаллов.

Рентген ушел в отставку со своих постов в Мюнхене в 1920 году, вскоре после смерти жены, и умер 10 февраля 1923 года от рака.

ГЕНДРИК ЛОРЕНЦ [6]

(1853–1928)

«Его блестящий ум указал нам путь от теории Максвелла к достижениям физики наших дней. Именно он заложил краеугольные камни этой физики, создал ее методы… Образ и труды его будут служить на благо и просвещение еще многих поколений», – сказал Эйнштейн над прахом Лоренца. Стиль работы Лоренца – брать глубоко и стремиться к полной завершенности – послужит, по словам Макса Планка, образцом и для будущих поколений. «Его труды не перестали быть захватывающе интересными… он оставил после себя огромное наследие – истинное завершение классической физики», – оценивал вклад Лоренца Луи де Бройль. Таким был и таким остается перед потомками Гендрик Лоренц – этот «великий классик теоретической физики».

Гендрик Антон Лоренц родился 18 июля 1853 года в голландском городе Арнеме. Шести лет он пошел в школу. В 1866 году, окончив школу лучшим учеником, Гендрик поступил в третий класс высшей гражданской школы, примерно соответствующей гимназии. Его любимыми предметами стали физика и математика, иностранные языки. Для изучения французского и немецкого языков Лоренц ходил в церкви и слушал на этих языках проповеди, хотя в бога не верил с детства.

В 1870 году он поступил в Лейденский университет. С большим интересом Гендрик слушал лекции университетских профессоров, хотя его судьбу как ученого, видимо, в большей мере определило чтение трудов Максвелла, очень трудных для понимания и названных им в связи с этим «интеллектуальными джунглями». Но ключ к ним, по словам Лоренца, ему помогли подобрать статьи Гельмгольца, Френеля и Фарадея. В 1871 году Гендрик с отличием сдал экзамены и получил степень магистра, но в 1872 году покинул Лейденский университет, чтобы самостоятельно готовить докторскую диссертацию. Он возвратился в Арнем и начал работать учителем вечерней школы. Работа ему очень нравится, и вскоре Лоренц стал хорошим педагогом. Дома он создал небольшую лабораторию, где продолжал усиленно изучать труды Максвелла и Френеля. «Мое восхищение и уважение переплелось с любовью и привязанностью; как велика была радость, которую я испытал, когда смог прочесть самого Френеля», – вспоминал Лоренц. Он становится ярым сторонником электромагнитной теории Максвелла: «Его «Трактат об электричестве и магнетизме» произвел на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений в жизни; толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло все, что я до сих пор знал».

В 1875 году Лоренц блестяще защитил докторскую диссертацию и в 1878 году становится профессором специально для него учрежденной кафедры теоретической физики (одной из первых в Европе) Лейденского университета. В 1881 году он был избран членом Королевской академии наук в Амстердаме. В том же году Лоренц женился на Алетте Катерине Кайзер, племяннице профессора астрономии Кайзера. У супругов Лоренц родилось четверо детей (один из них умер в младенческом возрасте).

Уже в докторской диссертации «Об отражении и преломлении лучей света» Лоренц пытался обосновать изменение в скорости распространения света в среде влиянием наэлектризованных частичек тела. Под действием световой волны заряды молекул приходят в колебательное движение и становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Эти волны, интерферируя с первичными, и обусловливают преломление и отражение света. Здесь уже намечены те идеи, которые приведут к созданию электронной теории дисперсии света.

В следующей статье – «О соотношении между скоростью распространения света и плотностью и составом среды», опубликованной в 1878 году, Лоренц вывел знаменитое соотношение между показателем преломления и плотностью среды.

Как пишет М. Планк: «Если диэлектрическая постоянная прозрачного тела зависит от поляризуемости его молекул, то она всегда должна быть больше, чем у свободного эфира, что согласуется с действительностью. Указанное выше затруднение для теории Максвелла – то, что показатель преломления тела, определяемый его диэлектрической постоянной, изменяется с длиной волны, в лоренцовой теории устраняется, благодаря тому, что, согласно Лоренцу, диэлектрическая постоянная дает только показатель преломления для бесконечно длинных волн. Для волн конечной длины влияние проходящей через тело электромагнитной волны на движение содержащихся в теле, колеблющихся возле своих положений равновесия электронов существенно меняется с длиной волны и обусловливает, таким образом, явления нормальной и аномальной дисперсии в соответствии с тем, насколько частота волны отклоняется от собственной частоты электронов. И для зависимости показателя преломления от объемной плотности тела Лоренц смог вывести удовлетворительно согласующуюся с экспериментальными данным формулу, исходя из оценки числа поляризованных молекул в единице объема.

По случайному совпадению ту же формулу одновременно нашел его почти однофамилец, датский физик Людвиг Валентин Лоренц, и поэтому формула названа двумя именами: формула Лоренца–Лоренца».

В 1892 году Лоренц выступил с большой работой «Электромагнитная теория Максвелла и ее приложение к движущимся телам». В этой работе очерчены основные контуры электронной теории. Мир состоит из вещества и эфира, причем Лоренц называет веществом «все то, что может принимать участие в электрических токах, электрических смещениях и электромагнитных движениях». «Все весомые тела состоят из множества положительно и отрицательно заряженных частиц, и электрические явления порождаются смещением этих частиц».

Лоренц получил уравнение для определения силы, с которой электрическое поле действует на движущийся заряд. Лоренц сделал фундаментальное предположение – эфир в движении вещества участия не принимает (гипотеза неподвижного эфира). (Это предположение прямо противоположно гипотезе Герца о полностью увлекаемом движущимися телами эфире.)

В заметке 1892 года «Относительное движение Земли и эфира» ученый описывает единственный, по его мнению, способ согласовать результат опыта с теорией Френеля, т е. с теорией неподвижного эфира. Этот способ состоит в предположении о сокращении размеров тел в направлении их движения (сокращение Лоренца–Фитцджеральда).

В 1895 году вышла фундаментальная работа Лоренца «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах». В этой работе Лоренц дал систематическое изложение своей электронной теории. Правда, слово «электрон» в ней еще не встречается, хотя элементарное количество электричества было уже названо этим именем. Ученый просто говорит о заряженных положительно или отрицательно частичках материи – ионах и свою теорию соответственно называет «ионной теорией». «Я принимаю, – пишет Лоренц, – что во всех телах находятся маленькие заряженные электричеством материальные частицы, и что все электрические процессы основаны на конфигурации и движении этих «ионов»». Лоренц указывает, что такое представление общепринято для явлений в электролитах и что последние исследования электрических разрядов показывают, что «в электропроводности газов мы имеем дело с конвекцией ионов».

Другое предположение Лоренца заключается в том, что эфир не принимает участия в движении этих частиц и, следовательно, материальных тел, он неподвижен. Как отмечает М. Планк: «Наиболее характерны для лоренцовой теории покоящегося светового эфира вытекающие из нее уравнения распространения света в движущихся телах. Здесь эта теория на деле показала свое превосходство над теорией Максвелла–Герца, так как она непосредственно дает согласующееся с опытом выражение для френелевского коэффициента и так как она вообще в состоянии правильно учесть все эффекты, вызываемые движением тел, по крайней мере, пока отношение скорости тела к скорости света входит в формулу по существу только в первой степени».

Лоренц стал развивать идеи, изложенные им в «Опыте теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», совершенствуя и углубляя свою теорию. В 1899 году он выступил со статьей «Упрощенная теория электрических и оптических явлений в движущихся телах», в которой упростил теорию, данную им в «Опыте».

В 1900 году на Международном конгрессе физиков в Париже Лоренц выступил с докладом о магнитооптических явлениях. Его друзьями стали Больцман, Вин, Пуанкаре, Рентген, Планк и другие знаменитые физики.

В 1902 году Лоренц и его ученик Питер Зееман удостоены Нобелевской премии «в знак признания выдающегося вклада, который они внесли своими исследованиями влияния магнетизма на излучения».

«Наиболее значительным вкладом в дальнейшее развитие электромагнитной теории света мы обязаны профессору Лоренцу, – заявил на церемонии вручения премии Я. Теель из Шведской королевской академии наук. – Если теория Максвелла свободна от каких бы то ни было допущений атомистического характера, то Лоренц начинает с гипотезы о том, что вещество состоит из микроскопических частиц, называемых электронами, которые являются носителями вполне определенных зарядов».

В своей речи при вручении премии ученый сказал: «…Мы надеемся, что электронная гипотеза, поскольку она принята в различных разделах физики, ведет к общей теории, которая охватит многие области физики и химии. Возможно, что на этом длинном пути сама она полностью перестроится».

В 1904 году он выступил с основополагающей статьей «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света». Лоренц вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени в двух различных инерциальных системах отчета (преобразования Лоренца). Ученому удалось получить формулу зависимости массы электрона от скорости.

В 1912 году, переиздавая эту работу, в примечаниях он признал, что ему не удалось полностью совместить свою теорию с принципом относительности. «С этим обстоятельством, – писал Лоренц, – связана беспомощность некоторых дальнейших рассуждений в этой работе».

В 1911 году в Брюсселе состоялся I Международный Сольвеевский конгресс физиков, посвященный проблеме «Излучение и кванты». В его работе участвовали двадцать три физика, председательствовал Лоренц. «Нас не покидает чувство, что мы находимся в тупике; старые теории оказываются все менее способными проникнуть в тьму, окружающую нас со всех сторон», – сказал он во вступительном слове. Он ставит перед физиками задачу: создать новую механику: «Мы будем очень счастливы, если нам удастся хоть немного приблизиться к той будущей механике, о которой идет речь».

В 1912 году Лоренц ушел на должность экстраординарного профессора кафедры и предложил своим преемником жившего тогда в России физика Пауля Эренфеста. В 1913 году Лоренц занял должность директора физического кабинета Тейлоровского музея в Харлеме.

М. Планк вспоминал: «Те из нас, кому выпадала удача в последние годы, по тому или иному поводу, встречаться с Лоренцом, отчетливо представляют себе, вспоминая прошлое, его облик: невысокую, но пропорциональную фигуру, выразительный, выступающий вперед лоб, светлые глаза, которые ясно говорили об остроте проницательного ума и вместе с тем излучали мягкий, покоряющий свет чистой, сердечной доброты, приветливость в сочетании с чувством собственного достоинства, отличавшую его обхождение и беседу, его необычайно разносторонние интересы и его поразительную память на большое и малое, его отзывчивый и симпатичный юмор и, наконец, как главное, внушавшую уважение просветленную гармоничность всего его существа – правдивое отображение его отношения к своей науке и к своим спутникам жизни».

Обширные знания и опыт ученого, охватывавшие все области физики, в сочетании с его умением обходиться с людьми и решать деловые вопросы, делали его наиболее желанным посредником при научных дискуссиях во время физических конференций и съездов. На каждом международном физическом конгрессе последних лет Лоренц заранее предназначался в почетные президенты. Так было и на V, последнем для него, Сольвеевском конгрессе по проблеме «Электроны, фотоны и квантовая механика» в 1927 году. А 4 февраля 1928 года Лоренца не стало.

Поиск по сайту: