История науки: ангел Максвелла

О человеке, который получил степень доктора наук даже без среднего образования, о крыльях из платины и о том, как знаменитый лорд сдался под давлением русского физика, рассказывает рубрика «История науки».

Многим известно, что у Джеймса Максвелла был свой собственный «демон», которого он придумал, чтобы проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики (правда, сам Максвелл называл его гораздо более прозаично — «клапан»). Но мало кто знает о существовании прототипа и для положительного персонажа, достойного (вполне в традициях мультипликации) сидеть на его правом плече. Этот человек существовал в действительности, был на 35 лет младше Максвелла и занимался, как и положено персонажу на правом плече, изучением света (точнее, его давления) с помощью «крылатой» установки. Жил он в России, а звали его Петр Лебедев. Правда, в отличие от того же «Бульдога Дарвина», наш сегодняшний герой, родившийся 8 марта 1866 года, защищал и подтверждал теорию Максвелла не в полемике, а в виртуозно поставленных экспериментах.

Физикой как фундаментальной наукой он увлекся еще юношей. Но, будучи выходцем из купеческой семьи и выпускником реального училища, Петр не мог быть принят в Московский университет, поэтому поступил в Императорское Московское техническое училище. Его он не закончил, но инженерные знания ему пригодились при конструировании приборов. В 1887 году Лебедев покинул стены училища и отправился в Страсбург, где смог попасть в лабораторию Августа Кундта — одну из лучших европейских физических школ того времени. Кундт был известным немецким физиком, очень изобретательным по части придумывания новых опытов. Одной из первых его работ было вычисление скорости звука в твердых телах и газах с помощью стеклянных трубок, наполненных песком, который при воздействии звука располагался правильными волнами. Зная высоту тона и длину волны на песке (эти узоры были позднее названы фигурами Кундта), немецкий ученый вычислял скорость распространения звука.

Но умение придумывать оригинальный и остроумный дизайн исследования не единственное, что отличало лабораторию, куда попал Лебедев. Кундт обладал замечательным талантом лектора и пользовался огромным успехом среди студентов. Кроме Петра Лебедева в лаборатории был и его соотечественник Гольдгаммер, и оба они впоследствии написали биографии любимого профессора.

В Страсбурге Лебедев защитил диссертацию «Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотти — Клаузиуса», после чего, вернувшись в Россию в 1892 году, он получил место ассистента в лаборатории Столетова — видного российского физика того времени. Уже тогда его всерьез интересовала «светлая» тема, и тематика работы лаборатории тоже с этим пересекалась, поскольку сам Столетов был автором первого закона фотоэффекта. Помещение было тесным и плохо оборудованным, но Петр Лебедев был не из тех, кто боится трудностей, а то, что недостатки оснащения и пороги возможностей техники своей эпохи могут быть преодолены с помощью изобретательности и гибкости ума, он понял еще у Кундта. В 1895 году Лебедев разработал прибор для получения рекордно коротких световых волн — 4 и 6 мм (для сравнения, в опытах Герца наименьшая длина волны была 0,5 метров) — и доказал, что электромагнитные волны и на этом уровне ведут себя как видимая часть спектра, и им тоже не чужда ни дифракция, ни интерференция, ни двойное преломление.

Установка Лебедева, которая была нужна для подтверждения теории Максвелла о том, что световое давление равно плотности энергии электромагнитного поля, представляла собой систему из легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Главной проблемой, над которой бились многие экспериментаторы того времени, была сложность выделения именно давления света из ряда сил, которые действуют на эту конструкцию: крылышки могли трепетать и от воздушных потоков, вызванных конвекцией (давлением неравномерно нагретого окружающего газа), и от радиометрического эффекта (самопроизвольного движения нагретых тел). Лебедев сделал платиновые «крылышки» подвеса тонкими, 0,1-0,01 мм, из-за чего их температура быстро выравнивалась, а всю установку поместил в наивысший достижимый современными ему средствами вакуум. Вакуумных насосов в те времена просто не существовало, поэтому ученый откачивал воздух из стеклянного сосуда со своим прибором обычным механическим насосом, а для вытеснения его капал на дно сосуда немного ртути и подогревал ее. Пары ртути вытесняли воздух, который откачивался насосом, а потом температура установки резко понижалась. Это максимально уменьшало давление, поскольку при остывании молекулы начинают двигаться медленнее и меньше сталкиваются друг с другом, и, хотя газ занимает весь предоставленный ему объем, он все же сжимается, и давление становится ниже.

В 1899 году Лебедев сообщил предварительные результаты своих опытов. Из них следовало, что Максвелл был прав и электромагнитное поле обладает механическим импульсом, а значит, и массой. В 1900 году он выступил с докладом на Всемирном конгрессе физиков в Париже. В том же году Петр Лебедев, не окончивший даже технического училища, за свои открытия получил степень доктора наук, а годом позже опубликовал свою работу в немецком журнале «Анналы физики» и стал профессором Московского университета. Для этого ему даже не пришлось защищать свою магистерскую диссертацию.

В том же году Лебедев организовал первые в России студенческие коллоквиумы при физической лаборатории (у него все еще не было лаборатории с хорошим оснащением, ее он получит только после завершения строительства физического института в 1904 году). Один из участников этих коллоквиумов отзывался о них так: «Нет в нашей жизни более сильного воспоминания, чем эти незабвенные собрания, на которых мы из учеников незаметно для себя вырастали в начинающих, но уже самостоятельных ученых и на которых наш учитель проявил себя в новом невиданном блеске. Огромная эрудиция, блестящая выдумка, меткость научных характеристик, богатство воспоминаний Петра Николаевича только здесь предстали нам во весь свой полный рост». Как и его учитель Кундт, со временем Лебедев создал целую научную школу со множеством учеников и последователей.

Изощренные опыты и тонкие приборы ученого вызывали насмешки коллег, пенявших ему на неоконченное техническое образование: по их словам, у Лебедева «наука сведена до уровня техники». Но ученого это не останавливало. Ему было недостаточно доказательств давления света лишь на твердые тела: он продолжил свою работу в этом направлении и с газами, измерить давление света на которые было намного сложнее. Но он справился и с этой задачей, в 1907 году разубедив самых закоренелых скептиков. Даже такой сильный противник теории давления света, как известный британский физик Уильям Томсон, был вынужден признать свое поражение, написав: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот… Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Позже Лебедев увлекся космическим влиянием давления света и его действием на хвосты комет, потом — ультразвуком и магнитным полем Земли. Относительно последнего он придерживался гипотезы английского физика Сазерленда, который считал, что вращение небесных тел «выдавливает» электроны из ядра с высоким давлением. В результате внутри остаются положительно заряженные протоны, а отрицательный заряд концентрируется на поверхности, из-за чего и возникает магнитное поле. Подтвердить эту идею Лебедев пытался с помощью быстрого вращения нейтральных тел, ожидая, что они приобретут электрический заряд, но из-за ничтожной чувствительности установки зарегистрировать его не получалось.

1911 год запомнился Московскому университету «делом Кассо». Министр, носивший такую фамилию, покусился на вольные студенческие порядки, запретив студенческие собрания и фактически превращая университетскую администрацию в надзирателей. Лебедев в числе 28 видных преподавателей и вместе с ректором Мануйловым, его помощником Мензбиром и проректором Минаковым уволились. Многие профессора перешли в Московский городской народный университет имени А.Л. Шанявского и на Московские высшие женские курсы. Лебедев на частные средства создал в университете Шанявского новую физическую лабораторию, но продолжить исследования там не успел: волнения и конфликты подточили его здоровье, и он умер из-за проблем с сердцем в возрасте 46 лет.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.