Наука XIX века

С высоты Эйфелевой башни Петр Лебедев видел весь Париж. «Город света» оправдывал свое название: электрические лампы ярко освещали все главные достопримечательности французской столицы. Вдали Лебедев мог различить стеклянный купол Большого дворца на другом берегу Сены и знаменитую базилику Сакре-Кёр на Монмартре. Однако он приехал не для того, чтобы любоваться прекрасными видами. Лебедев был не путешественником, а крупным физиком, профессором Московского университета, незадолго до этого внесшим важный вклад в изучение природы света. Он прибыл в Париж в августе г. для участия в Первом всемирном физическом конгрессе, на который съехалось более ученых со всего мира.

Конгресс был приурочен к Парижской всемирной выставке 1900 г., крупнейшему международному событию нового формата, который приобрел популярность в конце XIX — начале XX в. Все началось с Великой выставки в 1851 г. в Лондоне, которая была задумана как способ продемонстрировать всему миру достижения викторианской науки и промышленности, и вскоре эту идею подхватили и другие страны. К концу XIX в. аналогичные выставки проводились во многих городах мира, от Токио до Чикаго, и часто сопровождались научными съездами.

Парижскую выставку 1900 г. посетило более 50 млн человек. Ее изюминкой стал Дворец электричества — архитектурный шедевр в стиле ар-нуво, напоминавший по форме гигантское перо павлина. Дворец электричества, расположенный на Марсовом поле напротив Эйфелевой башни, освещало более 7000 разноцветных электрических ламп. Внутри посетители могли увидеть самые разнообразные электрические машины, а также огромные паровые турбины в действии. По соседству находился Дворец оптики, где посетителям предлагалось взглянуть на небо через гигантский телескоп и посмотреть немые черно-белые кинофильмы. Своих представителей на выставку прислали многие крупные частные компании (Siemens, General Electric и другие) в надежде найти для производимого ими промышленного оборудования покупателей со всего мира.

Это была эпоха индустриализации и интернационализма, и Парижская всемирная выставка 1900 г. как нельзя лучше отражала эти веяния. Благодаря развитию новых телекоммуникационных технологий, таких как электрический телеграф‚ изобретенный в 1830-х гг., и новых транспортных технологий (например, в 1810-х были разработаны океанские пароходы) мир начал все больше ощущать себя взаимосвязанным единым целым. Многие считали, что эти технологические достижения помогают ускорить развитие науки. «Идеи… текут и пересекают весь мир по опутавшим его тончайшим проволочным нитям, позволяющим передавать человеческие мысли с молниеносной скоростью», — заявил один французский политик на открытии Парижской выставки. Во многом именно эти мотивы двигали и организаторами Первого всемирного физического конгресса. Целью конгресса было «собрать физиков со всего мира» в одном месте впервые в истории и «критически оценить достижения на ниве науки, культивируемой этими учеными», объясняли они.

В свободное от посещения Эйфелевой башни или Дворца электричества время участники Первого всемирного физического конгресса обсуждали результаты новейших исследований. Большая их часть касалась теории электромагнетизма. На протяжении сотен лет ученые изучали свойства света, электричества и магнетизма. Но во второй половине XIX в. ученые все чаще задумывались о том, что все эти, казалось бы, отдельные феномены имеют между собой нечто общее. Первоначальный теоретический вклад в эту тему внес британский физик Джеймс Клерк Максвелл. В своей статье 1864 г. Максвелл описал, как свойства, связанные со светом, электричеством и магнетизмом, можно объяснить существованием «электромагнитного поля», по которому распространяются колебания, или волны.

С начала XIX в. ученым было известно, что движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, а движущийся магнит — электрическое поле. Эти два принципа легли в основу разработки первых электрических двигателей и генераторов: электрический ток создавался в них посредством движения магнита внутри проволочной катушки. Максвелл, однако, догадался объединить концепции электрического и магнитного поля в единую концепцию «электромагнитного поля». Эта ключевая идея позволяла объяснить, какое отношение свет имеет к электричеству и магнетизму. Согласно Максвеллу, свет был просто «электромагнитным возмущением», движущимся подобно волнам на морском просторе. Он также предсказал, что должны существовать и другие электромагнитные волны, которые ведут себя так же, как свет. После публикации Максвелла физики по всему миру кинулись исследовать свойства электромагнитного поля.

Эта гонка, развернувшаяся от Москвы до Калькутты, была призвана доказать правоту выводов Максвелла — или же опровергнуть их.

Традиционная история современной физики и химии сосредоточена на небольшой группе ученых-первопроходцев, живших и работавших в Европе. В этот список обычно входит сам Максвелл, а также ряд ученых, живших позже: например, немецкие физики Генрих Герц, обнаруживший в 1888 г. электромагнитные волны, и Вильгельм Конрад Рентген, который в 1895 г. открыл новый вид излучения, названный впоследствии его именем. И хотя в конце XIX в. Европа действительно была центром научного мира (что во многом стало следствием тех экономических преимуществ, которые, как уже говорилось в предыдущих главах, она приобрела в результате империалистической экспансии), это вовсе не означает, что ученые других стран не внесли никакого вклада в становление физики и химии. Изучив список участников Первого всемирного физического конгресса, мы можем составить куда более разнообразную картину научного мира в конце XIX — начале XX в. Наряду с представителями Великобритании, Франции и Германии на конгрессе присутствовали ученые из России, Турции, Японии, Индии и Мексики. Они не просто сидели и слушали, а представляли результаты своих исследований и собственные гипотезы, что опровергает распространенное ныне представление, будто все крупные прорывы в современной физике происходили исключительно в европейских лабораториях.

Прекрасным примером может служить Петр Лебедев. В своем докладе на парижском конгрессе он рассказал о важном эксперименте, который незадолго до того провел в своей лаборатории в Московском университете. Хотя к концу XIX в. большинство физиков признали существование электромагнитных волн, многие вопросы оставались без ответа. Одно из самых любопытных следствий из теории Максвелла касалось свойств света. Согласно Максвеллу, если свет представляет собой волну, значит, он несет импульс и должен оказывать давление на препятствия. На первый взгляд это казалось противоестественным. Как может свет с его очевидно нематериальной природой обладать физической силой? Но именно это следовало из уравнений Максвелла. Эта сила была настолько мала, что до 1900 г. никому не удавалось ее непосредственно измерить. Поэтому собравшиеся в Париже с большим волнением слушали Лебедева, который описывал свой эксперимент. Лебедев экспериментировал с крутильными весами, помещенными в колбу, откуда откачивался воздух. Освещая электрической лампой легкие крылышки, размещенные на концах коромысла весов, и измеряя закручивание их нити, он подтвердил, что свет действительно оказывает давление, и даже смог измерить его величину.

Кроме Лебедева, на конгрессе выступали и другие ученые из-за пределов Европы. Японский физик Хантаро Нагаока, о котором пойдет речь далее, рассказал о своем исследовании феномена магнитострикции, выражающегося в расширении или сжатии металлов в магнитном поле. Также на конгрессе присутствовала группа индийских ученых, среди которых был знаменитый бенгальский физик Джагдиш Чандра Бос, к которому мы тоже еще вернемся. Бос, пионер радиофизики, рассказал парижской аудитории о некоторых экспериментах, проведенных им в Калькутте. Например, пропуская электрический ток через самые разные предметы, от куска металла до живого растения, Бос пришел к выводу, что между органическими и неорганическими веществами нет принципиальной разницы: казалось, все в мире так или иначе реагирует на электричество. Для Боса, как и для многих ученых рубежа XIX–XX вв., теория электромагнетизма была, по сути, «теорией всего». Тот факт, что уравнения Максвелла можно было использовать и для описания действия нервов, и для объяснения радиосвязи, однозначно доказывал: в природе существует «фундаментальное единство». Так утверждал Бос.

Присутствие столь разнообразной группы ученых в Париже в 1900 г. напоминает нам о важной, но забытой стороне истории современных физических наук.

В XIX в. ученые в лабораториях по всему земному шару, в том числе в России, Турции, Индии и Японии, вносили значимый вклад в развитие физики и химии. Они собирались в разных городах мира, чтобы обсудить свои исследования и поделиться друг с другом идеями. Именно в XIX в. появились первые научные конференции современного типа, в то время, как уже говорилось ранее, часто приуроченные к крупным промышленным выставкам. Первый всемирный физический конгресс был типичен в этом отношении.

В предыдущей главе мы разобрали, как мир капитализма и войн определил развитие современных биологических наук. В этой главе мы посмотрим через ту же призму на формирование современных физических наук. Рост спроса на новые коммуникационные технологии в XIX в. во многом объяснял, почему ученые так заинтересовались свойствами электричества и магнетизма. В первые десятилетия XIX в. в Британии и Германии были проложены первые экспериментальные телеграфные линии. На одном конце оператор посылал по металлической проволоке короткие электрические импульсы, соответствующие определенному коду, обычно азбуке Морзе, которые оператор на другом конце принимал и преобразовывал в обычный текст. Таков был нехитрый принцип работы электрического телеграфа. Впервые в истории эта система дала возможность почти мгновенно передавать информацию на большие расстояния. В 1850–1860-е гг., как раз в то время, когда Джеймс Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма, телеграфная связь начала использоваться и на международном уровне. В 1858 г. была проложена первая трансатлантическая телеграфная линия, соединившая Ирландию и Ньюфаундленд. А в 1865 г. телеграф связал Британию с ее колонией — Индией. Правительства разных стран быстро осознали огромное значение современной науки для международных коммуникаций как в мирные времена, так и во время войны. Физики и инженеры вдруг обнаружили высокий спрос на свои знания: их нанимали для консультаций при строительстве новых телеграфных линий и для внедрения радиосвязи в армии.

Наряду с физикой еще одной важной промышленной наукой той эпохи была химия. В XIX в. было открыто более 50 новых химических элементов; многие из них — в результате разведки новых рудников или в процессе переработки минерального сырья. Этому способствовал и прогресс в физике — например, открытие, что ток можно использовать для разделения различных химических элементов. Но, пожалуй, самым важным прорывом стала разработанная русским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 г. периодическая система, которая упорядочивала все химические элементы по их атомной массе, начиная с самого легкого — водорода. Периодическая таблица Менделеева не только классифицировала известные элементы, но и предсказывала существование многих пока неизвестных элементов, что положило начало гонке по заполнению этих пробелов. В ней, как и во всех научных гонках, присутствовал момент национального соперничества. Иногда ученые даже называли новые элементы в честь своих стран. Когда русский химик Карл Клаус в середине XIX в. открыл новый элемент, он назвал его «рутением» — от Ruthenia, латинского названия России. «Я дал новому веществу название в честь своей родины», — объяснил он.

Были и другие примеры подобного «химического национализма».

Германий, галлий и полоний также были названы в честь соответствующих стран. В одном случае это было относительно молодое государство: германий был открыт в 1886 г., когда после объединения Германии (1871 г.) прошло всего 15 лет. В другом случае наименование элемента предшествовало появлению государства: Мария Склодовская-Кюри назвала полоний в честь родной Польши в надежде на то, что однажды та станет независимой. На момент открытия полония в 1898 г. Польша была разделена между Германией, Россией и Австро-Венгрией.

Таким образом, в ту эпоху могло сложиться впечатление, будто национализм идет рука об руку с интернационализмом. Во второй половине XIX в. ученые путешествовали по миру, преподавали в зарубежных университетах, публиковали свои работы на нескольких языках и встречались на международных конференциях. Но в тот же период государства начали рассматривать науку как средство укрепления могущества в промышленной и военной сфере. В 1900 г. на Первом всемирном физическом конгрессе многие все еще с оптимизмом смотрели в будущее. «Так много родилось новых мыслей, так много создалось и упрочилось дружеских связей», — написал один физик по возвращении с парижского конгресса. Но в 1914 г., с началом Первой мировой войны, прежний международный порядок рухнул — и, казалось, навсегда. В этой главе мы рассмотрим, как в научном мире складывались напряженные отношения между национализмом и интернационализмом в период 1790–1914 гг., и вспомним о том, что подлинная история физики и химии в XIX в. формировалась не европейскими учеными-одиночками, а глобальной историей — историей национализма, промышленности и войн. И начнем мы наш рассказ с России.

I. Война и грозы в царской России

Александр Попов смотрел, как приближается гроза. Что ж, настало время проверить свое изобретение в деле. Попов уже много лет преподавал электротехнику в Минном офицерском классе — военно-морском училище, находящемся в Кронштадте в восточной части Финского залива. Теперь, весной 1895 г., он собирался применить то, чему учил, на практике. Поднявшись на ближайшую башню, он запустил в небо небольшой воздушный шар, к которому была привязана медная проволока. Когда грозовые тучи вдалеке озарились разрядами молний, Попов присоединил конец проволоки к «грозоотметчику». Как он и рассчитывал, машина ожила. Хотя гроза находилась на расстоянии почти 25 км, на каждую вспышку молнии откликался маленький звонок. Попов, имевший самое прямое отношение к военно-морскому флоту, сразу же понял потенциал своего изобретения. С его помощью корабли в море и синоптики на суше могли обнаруживать приближение грозы до ее начала. Как работало этот устройство? В основе действия грозоотметчика лежал известный принцип — разряд молнии создает электромагнитные волны. Попов изобрел способ регистрировать эти волны на расстоянии… и попутно сконструировал один из первых радиоприемников в мире. В царской России радио зародилось во время изучения гроз.

При создании своей машины Попов опирался на работу французского физика Эдуарда Бранли. В 1890 г. Бранли сообщил о своем открытии: электромагнитные волны воздействуют на металлические опилки. Это привело к изобретению прибора, получившего название «когерер»: он лег в основу всех первых радиоприемников. Когерер состоял из небольшой стеклянной трубки, заполненной металлическими опилками. Сами по себе металлические опилки — плохой проводник электричества. Но при прохождении через трубку электромагнитной волны металлические опилки выравнивались — когерировали — и, сцепившись, внезапно превращались в проводник электричества. Таким образом пионеры радио смогли обнаруживать электромагнитные волны. Единственная проблема состояла в том, что каждый раз для восстановления детектирующих свойств трубки ее требовалось встряхивать, чтобы расцепить и перемешать опилки. Гениальное новшество Попова позволило решить эту проблему. Его грозоотметчик использовал ток, генерируемый электромагнитными волнами, для питания молотка, который ударял по стеклянной трубке и встряхивал металлические опилки. Благодаря этому прибор мог срабатывать при каждом разряде молнии — то есть регистрировать каждое отдельное излучение электромагнитной волны.

Тот факт, что российский изобретатель грозоотметчика работал в военно-морском училище, говорит о многом.

Физика в XIX в. была наукой как теоретической — «чистой», так и практической — «промышленной». Попов родился в 1869 г. на Урале в рабочем поселении при Богословском металлургическом заводе, который выбрасывал в небо над поселком клубы ядовитого дыма. В детстве Попова завораживали машины в местных мастерских и на руднике. Однажды из старых ходиков и электрического звонка он сконструировал электрический будильник и с гордостью поставил его у себя в спальне, где он и отзванивал время. Его отец был бедным священником и настаивал, чтобы сын отправился учиться в духовную семинарию. Тем не менее Попов сумел поступить на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета, где учился с 1877 по 1882 г. Чтобы заработать себе на жизнь, одновременно с учебой он работал электромонтером в новой петербургской компании — товариществе «Электротехник». Он помогал проводить освещение в местном увеселительном саду, а в 1880 г. устроился гидом на проходившую в СанктПетербурге промышленную выставку, где компании со всего мира представляли свои новейшие электрические машины: телеграфные аппараты, электрогенераторы и даже устройство для электротерапии, которое, как гласила его реклама, излечивало самые разные недуги.

По окончании учебы Попову предложили должность преподавателя в Санкт-Петербургском университете, но обещанное ему жалованье было скромным, а молодой физик собирался жениться и нуждался в надежном источнике дохода. Поэтому в 1883 г. он устроился ассистентом на кафедре электротехники в Минном офицерском классе и переехал в Кронштадт. Для начинающего ученого в России XIX в. работа на военно-морской флот предполагала не только более высокий доход, но и более благоприятные условия для научной деятельности. В Минном классе имелась физическая лаборатория, оснащенная самым современным оборудованием, а также обширная библиотека с новейшими зарубежными и российскими научными изданиями. В училище готовили специалистов, которым предстояло управлять торпедными катерами. Попов читал курсантам лекции по самым разным дисциплинам — от электромагнетизма до химии взрывчатых веществ. Именно в лаборатории Минного класса Попов впервые сгенерировал электромагнитные волны и продемонстрировал курсантам, как использовать его грозоотметчик для коммуникации на расстоянии. «Можно предположить, что применение этих явлений принесет существенную пользу на флоте в качестве маяков и для сигнализации между кораблями», — пояснил Попов. В то время вся коммуникация в море осуществлялась с помощью флагов и сигнальных огней — так же, как и на протяжении многих веков.

Попов по праву гордился своим изобретением. Поэтому он был поражен, узнав, что у него есть конкурент, разработавший очень похожее устройство. В 1897 г., просматривая свежий номер инженерного журнала, Попов наткнулся на новость, что итальянский инженер Гульельмо Маркони пытается запатентовать в Великобритании радиоприемник собственной конструкции. Сегодня Маркони широко известен как изобретатель радио, но в действительности несколько других ученых, включая Попова (который не уставал это подчеркивать), чуть ли не одновременно разработали почти идентичные устройства. «Приемник Маркони во всех своих деталях сходен с моим устройством от 1895 года», — сетовал Попов. Было очевидно, что исследование возможностей практического применения электромагнитных волн продвигается вперед быстрыми темпами, поэтому Попов поспешил превратить свой грозоотметчик в коммерческую систему радиосигнализации. Для этого он объединил усилия с французским инженером-предпринимателем Эженом Дюкрете, который начал производство радиодетектора Попова во Франции. В 1898 г. с помощью модифицированного варианта первоначальной конструкции Дюкрете удалось принять радиоволны, отправленные между Эйфелевой башней и Пантеоном, на расстоянии более 3,2 км. Впервые Эйфелева башня была использована в качестве радиоантенны — эту функцию она продолжает выполнять и по сей день.

Как уже говорилось в предыдущей главе, во второй половине XIX в. в царской России возобновились инвестиции в науку. Это касалось прежде всего физических и биологических наук. После поражения России в Крымской войне 1853–1856 гг. царь Александр II был полон решимости модернизировать экономику и вооруженные силы. Это требовало создания новых научных лабораторий как при гражданских университетах, так и при военных учебных заведениях, а также переориентации науки на удовлетворение военных и промышленных нужд. Александр II был убежден, что выживание Российской империи в конечном счете будет зависеть от того, сумеет ли она воспользоваться новейшими достижениями науки и техники. Для торжеств по случаю своей коронации, состоявшейся в Москве в сентябре 1856 г., он даже приказал военным инженерам осветить весь Кремль грандиозной электрической иллюминацией. Один комплект гирлянд, согласно официальному отчету, был оформлен в виде «колоссальной короны… с огненными сапфирами, изумрудами и рубинами».

Таково было новое индустриальное восприятие царской власти. Для Александра II будущее было за электричеством.

Исследовательская лаборатория Минного офицерского класса в Кронштадте была лишь одним из великого множества новых научных учреждений, созданных в России во второй половине XIX в. В 1866 г. Александр II утвердил создание Русского технического общества с правлением в Санкт-Петербурге. Это общество занималось организацией отраслевых съездов в разных областях, включая железнодорожное дело, фотографию, электрическую телеграфию и многие другие. Кроме того, РТО издавало целый ряд научных журналов, в том числе журнал «Электричество», а также проводило крупные промышленные выставки (на одной из таких выставок Александр Попов и подрабатывал в бытность студентом).

Университеты тоже стали уделять больше внимания физическим наукам, хотя, как правило, в этом они отставали от промышленных и военных училищ. В 1874 г. русский физик Александр Столетов посетил Кембриджский университет: там он познакомился с Джеймсом Максвеллом и присутствовал при открытии нового центра экспериментальной физики — Кавендишской лаборатории. Вдохновленный британским примером, по возвращении в Россию Столетов занялся расширением и модернизацией физической лаборатории Московского университета. К концу 1880-х гг. физический факультет располагал самым современным научным оборудованием, включая аппараты для генерации электромагнитных волн. Именно здесь Петр Лебедев проводил свои эксперименты с «давлением света», о которых шла речь в начале главы.

На службе у империй и капитала. Развитие экспериментальной науки в России XIX века