Борис Булюбаш
|
|
Джон Тиндаль не видел ничего плохого в обсуждении человеческой души – при условии, что участники обсуждения не считают ее научным понятием. Фото Герберта Роуза Барро. 1885 |
Недосягаемую твердь,
Всегда единую, простую
И непонятную, как смерть.
Дмитрий Мережковский, 1894
«Непонятная и недосягаемая твердь» – таким видел голубое небо в 1894 году русский поэт и писатель Дмитрий Мережковский. Со стремительным развитием воздухоплавания вопрос досягаемости был снят. Что же касается понимания, то Мережковский просто был не в курсе дела: во второй половине XIX века усилиями английских физиков Джона Тиндаля и Уильяма Стретта (лорд Рэлей) наука существенно продвинулась в объяснении цвета безоблачного неба.
Земное vs небесное
В античности понятие цвета кардинально отличалось от современного. Для древних греков цвет был отражением духа, в то время как в физике начиная с XIX века с конкретным цветом соотносилась вполне конкретная длина волны. Кроме того, в Древней Греции Земля противопоставлялась небу, это означало, что описывать происходящее на небе на «земном» языке было недопустимо. Однако вопрос о том, почему небо голубое, по мнению Аристотеля, одного из величайших представителей античной науки, заслуживал несомненного внимания.
До XIX века было сделано несколько попыток ответить на этот вопрос. Так, натурфилософ Аль-Кинди (IX век) считал, что понятие цвета применимо только к твердым и осязаемым веществам (вспомним «твердь» Мережковского). Воздух не твердый, а если он имеет цвет, то это вследствие присутствия в нем твердых вкраплений.
В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи описывал голубой цвет неба как результат смешения отраженного атмосферой белого света и черноты космоса.
В 1704 году Исаак Ньютон предположил, что свет, проходящий через капли воды, «будет давать голубой цвет первого порядка». Ньютон отождествлял его с «превосходным синим цветом яркого неба». Этот цвет является тем (ближайшим к центральному) темному пятну в кольцах Ньютона голубым цветом, который может возникнуть благодаря интерференции. Ньютон ошибался, но в силу его авторитета предложенное им объяснение считалось правильным более полутора столетий.
В 1847 году Рудольф Клаузиус, разделяя в целом взгляды Ньютона, предложил усовершенствовать его теорию. Согласно расчетам Клаузиуса, облако, состоящее из капелек малого размера, должно весьма сильно увеличивать видимые размеры небесных светил. Клаузиус показал, что можно избежать этих затруднений, если вместо предполагаемых Ньютоном малых капель исходить из представления о тонкостенных пузырьках малого радиуса. Свет атмосферы – это свет, отраженный от мелких пузырьков. В случае тонких стенок пузырьков в результате интерференции будет наблюдаться голубая окраска.
Вслед за Клаузиусом голубизну неба пытался объяснить немецкий физиолог Эрнст Вильгельм фон Брюкке. Предметом его исследований были так называемые мутные среды. Он, в частности, подтвердил наблюдения Гете, что на темном фоне мутные среды должны казаться голубыми. Брюкке считал, что свет отражается от посторонних частиц в атмосфере и что голубизна неба связана с цветами мутных сред.
Так вкратце выглядит история вопроса, к изучению которого приступил Тиндаль в 1868 году.
Небо, вода и задний план
Автор книги «Искусство и физика» Леонард Шлейн замечает, что в XIX веке отношение художников к голубому цвету существенно изменилось. Так, в начале Возрождения итальянские художники изображали небо в сакральных цветах: в их картинах оно было, как правило, золотым. Первым художником, нарисовавшим небо голубым, был Джотто. Он, однако, исключение.
Так, сэр Джошуа Рейнольдс считал, что использование синего цвета должно быть ограничено небом, водой и задним планом. Его главный соперник Томас Гейнсборо в ответ на это нарочно написал картину «Голубой мальчик» (1770).
Рассказывая о неуклонном росте популярности голубого цвета, Шлейн замечает, что «только в наиболее сформировавшихся языках (и соответственно в наиболее развитых обществах) появлялось отдельное слово для обозначения синего цвета». Шлейн считает, что до XIX века «главным» цветом художников был красный (символ энергии) и что ситуация изменилась с появлением импрессионистов, «обнаруживших волнующую тайну синего цвета».
В том же столетии тема цвета заявила о себе в физике. И хотя она была представлена еще в оптических работах Ньютона, в XIX веке у нее появилось новое измерение, связанное с цветами спектральных линий.
В 1859 году были опубликованы работы Кирхгофа и Бунзена, показавших, что цветовое разнообразие спектров отражает разнообразие в химическом составе веществ. В физике зародилось новое направление исследований – спектральный анализ.
Таким образом, намерение Тиндаля выяснить, почему небо голубое, вписывалось в актуальный интерес физиков XIX столетия к физике цвета.
Голубое небо Джона Тиндаля
12 сентября 1868 года профессор Королевского института в Лондоне Джон Тиндаль приступает к сооружению в институтской лаборатории «искусственного неба» – установки для моделирования процессов в атмосфере Земли.
Границами «искусственного неба» были стенки стеклянной трубки метровой длины и диаметром 7 см. В трубку поместили раствор амилнитрита и заполнили очищенным и высушенным воздухом. Затем Тиндаль направил луч света на образовавшийся в трубке «фотохимический смог». Через месяц с небольшим произошло главное событие: в искусственном небе появилось голубое облако; время его жизни составляло несколько минут, после чего облако становилось белым.
Анализируя это явление, Тиндаль предположил, что в «фотохимическом смоге» присутствуют мелкие частицы, размеры которых во много раз меньше длин волн видимого света. В атмосфере Земли такими частицами могут быть пылинки и частицы водяного пара.
14 января 1869 года Тиндаль представляет Королевскому обществу доклад «О голубом цвете неба и поляризации света». В докладе (и соответствующей статье) Тиндаль развивает свою гипотезу о рассеянии света на частицах «небесной материи», размер которых много меньше длины волны видимого света. Такими частицами могут быть пылинки и частицы водяного пара. Тиндаль даже допускал, что это могут быть микроорганизмы. А вот сэр Оливер Лодж предположил, что речь идет о метеоритной пыли.
Солнечный свет представляет собой «смесь» разных цветов (волн разной длины). Тиндаль предполагает, что волны наименьшей длины (то есть сине-фиолетовая часть спектра) рассеиваются на «частицах небесной материи» сильнее волн наибольшей длины (красная граница спектра).
Предположение Тиндаля было совсем неочевидным, и его нужно было как-то обосновать. О теоретическом доказательстве речь не шла, а эксперимент с частицами, невидимыми в микроскоп, был по определению невозможен. Ситуацию спасло воображение.
В статье «О пользе воображения в области науки» Тиндаль в качестве примера использования воображения описывает мысленный эксперимент, в котором волны на воде взаимодействуют с препятствиями разных размеров. Для Тиндаля это единственная возможность обосновать свою гипотезу о преимущественном рассеянии коротких волн на невидимых частицах.
Он, в частности, отмечал: «Большая прибрежная скала одинаково легко отражает как громадные волны Атлантического океана, так и небольшую зыбь, вызванную прикосновением крыла чайки; так, при большой отражающей поверхности разница в длине эфирных волн тоже пропадает. Но предположим теперь, что отражающие частицы не будут так велики по сравнению с величиною волн, а, напротив, будут очень малы. Тогда уже вся волна не встретится с препятствием, а только небольшая часть отделится при встрече с препятствием. Предположим затем, что посторонние частицы таких маленьких размеров рассеяны в воздухе. На них падают волны всевозможных величин, и при каждом столкновении часть падающих волн отражается… чем меньше будет волна, тем больше будет в сравнении с нею величина частицы, на которую она падает, тем сравнительно больше будет отражение».
В итоге Тиндаль приходит к выводу: «Когда солнечный свет рассеивается этими маленькими частицами, тогда больше всего окажется маленьких волн, поэтому преобладающим цветом в рассеянном свете будет синий. Остальные цвета спектра также должны примешиваться к синему, они все налицо, но только они гораздо слабее. Сила их постепенно убывает от фиолетового к красному».
Концепция маленьких частиц позволяет Тиндалю легко объяснить превращение облака из голубого в белое. Тиндаль связывает это с увеличением размера частиц: они слипаются, их размеры возрастают, и условие малости перестает выполняться. Соответственно исчезает различие в рассеянии световых волн разной длины. Голубой свет и красный рассеиваются одинаково.
|
|
Леонардо да Винчи описывал голубой цвет неба как результат смешения отраженного атмосферой белого света и черноты космоса. Фото Романа Шульгина |
Уже через два года после экспериментов Тиндаля английский физик Джон Рэлей проанализировал ситуацию и предположил, что рассеяние света происходит на частицах соли. В это время он, как и Тиндаль, представлял свет упругими волнами в эфире. В 1898 году уже в рамках электромагнитной теории света Рэлей возвращается к этой теме и решает задачу о рассеянии электромагнитных волн на сферических частицах с размерами много меньшими длины волны видимого света.
Рэлей выводит математическую зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния и длины волны. Интенсивность оказалась обратно пропорциональной четвертой степени длины волны. Это означает, что сине-фиолетовая часть солнечного света рассеивается примерно в семь раз сильнее красно-желтой части. Рэлей пришел к выводу, что Тиндаль был неправ и рассеяние в атмосфере Земли связано не с мелкими частицами пыли, а с молекулами воздуха.
Прошло 10 лет, и польский физик-теоретик Мариан Смолуховский совместно с российским физиком-теоретиком Леонидом Мандельштамом показали, что в действительности рассеяние происходит на тепловых флуктуациях показателя преломления среды.
Основываясь на этих идеях, Альберт Эйнштейн в 1910 году создал общую теорию рассеяния света. В 1911 году в переписке Эйнштейна и Смолуховского вопрос о природе голубого цвета неба упоминается как решенный. Добавим к этому, что Смолуховский планировал воспроизвести голубизну света в лаборатории – то есть на новом уровне повторить сделанное Тиндалем. Как отмечает Абрахам Пайс в научной биографии Эйнштейна, «первые результаты выглядели довольно многообещающе, и Смолуховский задумал более детальные эксперименты. Осуществлению этого замысла помешала смерть».
В истории объяснения голубого цвета неба эксперименты Тиндаля занимают свое уникальное место: они впервые выявили особенности рассеяния света в мутной среде. За голубизну неба рассеяние Тиндаля не отвечает, зато именно оно «делает» глаза голубыми. Тиндаль знал об этом. Так, он упоминает Гельмгольца, «безжалостно приписывающего синий цвет глаз их мутности».
Что имеется в виду? В радужной оболочке голубых глаз в небольшом количестве присутствует пигмент меланин – частицы диаметром 0,6 мкм. Более короткие волны синей части диапазона рассеиваются на этих частицах, а также на коллагеновых волокнах. Более длинные волны красной части диапазона проходят через сетчатку.
Неустойчивость «небесной материи»
В 2006 году European Journal of Physics опубликовал статью Питера Песича, показавшего, что взвешенные в атмосфере капли воды являются неустойчивой системой. Питер Пеcич – директор научного института Колледжа Святого Джона в Санта Фе, автор книги «Небо в бутылке», целиком посвященной работам Тиндаля вокруг проблемы голубого неба. Основываясь на оценках Тиндаля, показавшего, что размер гипотетических капель воды составляет 0,1 мкм, Песич рассчитывает время падения капель на Землю. По его оценкам, в процессе падения капли достигнут максимальной скорости 2,1 мкм/с. При высоте атмосферы h = 8 км за 120 лет все капли упали бы на Землю.
Есть и другие причины неустойчивости небесной материи. Во-первых, маленькие капли быстро испаряются. Во-вторых, они могут сливаться в крупные капли (коагулировать)… Такие капли будут падать еще быстрее.
По мнению Песича, Тиндаль «видел серьезные трудности вокруг своей гипотезы и именно поэтому предположил, что небесная материя представляет собой не воду, а «органические частицы». Если же принять гипотезу Рэлея о том, что речь идет не о каплях воды и не об «органических частицах», а о частицах соли, то мы получим еще большую скорость падения и еще меньшее время жизни (примерно 50 лет). В случае же метеоритной пыли это время составляет уже 15 лет.
И Рэлей, и Лодж считали, что убыль частиц может компенсироваться: в случае Рэлея испарением из океанов, а в случае Лоджа – новыми метеоритами. По оценкам Песича, метеорная пыль может составлять 100 тыс. куб. м в год.
Тиндаль и Рёскин
Во второй половине XIX столетия в Великобритании происходили перемены во взаимоотношениях науки и общества: стремительно рос авторитет точных наук, и это беспокоило представителей наук гуманитарных. Английский писатель, художник и теоретик искусства Джон Рёскин писал в 1875 году: «Есть наука о морали, наука об истории, наука о грамматике, наука о музыке и наука о живописи, и это совершенно несравненно более высокие области человеческого интеллекта, и они требуют большей точности и более тщательного наблюдения, чем химия, электричество или геология».
Рёскин, выдающийся представитель гуманитарного знания, активно интересовался экспериментами Джона Тиндаля. Критикуя Тиндаля, он по мере сил противодействовал неоправданному возвышению точных наук. Новый предмет исследования физика Тиндаля – голубое небо – был значимой темой и для науки о живописи, и для науки о морали (в той мере, в какой к ней можно отнести психологию научного исследования).
Напомним: в создании голубого цвета неба Тиндаль ключевую роль отводил частицам пыли и водяного пара. В связи с этим Рёскин недоумевает: как молекула воды, прозрачность которой следует из прозрачности неба, в то же самое время может быть ответственна за его голубизну? Еще одно слабое место в концепции Тиндаля Рёскин увидел в противоречии: в горах запыленность атмосферы и концентрация водяного пара были существенно меньше, чем на уровне моря, а голубизна неба была при этом существенно более выражена.
С точки зрения Рёскина, голубизна неба порождается не взвешенными в нем частицами, но «самим разделенным воздухом». Интуиция полимата (полимат – ученый, внесший оригинальный вклад в несколько областей интеллектуальной деятельности) подсказала Рёскину правильный ответ. От концепции частиц, на которых рассеиваются световые волны, физики в итоге отказались.
Голубое небо для Рёскина – источник человеческой силы и мудрости, а его символ – голубые глаза богини Афины Паллады: «Всякий раз, когда вы широко распахиваете окно утром, вы впускаете Афину, как мудрость и свежий воздух в одно и то же мгновение; и всякий раз, когда вы вдыхаете чистый, долгий, полный вдох истинного неба, вы вбираете Афину в свое сердце, через свою кровь и, с кровью, в мысли своего мозга».
Рёскин подчеркивает в своей книге «Современные художники», что «голубизна неба – это цвет чистого атмосферного воздуха без паров воды, цвет смеси чистого кислорода и азота. Это целостный цвет всего воздуха между нами и пустотой космоса». Рёскин называет художника, на картинах которого мы видим именно такое небо: Уильям Тёрнер.
Историк науки Питер Песич пишет в связи с этим об инсайте Тёрнера и о косвенном влиянии его живописи на формирование концепции Тиндаля.
На рассказы Тиндаля об «искусственном небе» и на его высказывания о том, что голубизна появляющегося в лабораторной колбе облака не уступает голубизне итальянского неба, Рёскин реагирует резко. Явно иронически он называет эксперименты Тиндаля «волшебством высшего сорта», а «яркие голубые глаза Афины» – «точным мифическим выражением природных явлений, открытие которых является величайшим триумфом современной науки».
Заметим, что Рёскин был неравнодушен к синему цвету: это был цвет его глаз и галстука. И даже свою лодку он покрасил в голубой цвет.
Существование единых ценностей
Обсуждая эксперименты и гипотезы Тиндаля, Рёскин способствовал сближению точного и гуманитарного знания. Самим фактом своей критики Тиндаля он демонстрировал существование единых для гуманитарного и естественно-научного знания ценностей научного исследования. При всем том Тиндаля отличала широта взглядов. Так, он не видел ничего плохого в обсуждении человеческой души – при условии, что участники обсуждения не считают ее научным понятием: «Метафизика будет приветствоваться, когда она откажется от своих претензий на научное открытие и согласится быть причисленной к виду поэзии».
Для Тиндаля образ человека науки предполагал уважение к искусству, не уступающее страсти к науке. Он чувствовал, что для настоящего ученого успех научного исследования обеспечивается не только интеллектом, но также и воображением.
Образ невидимых частиц – центров рассеяния световых волн, а также объяснение этого рассеяния на примере волн на воде могут быть признаны только с помощью воображения. Воображение в представлении Тиндаля предполагало переход от пылинок к частицам, находящимся далеко за пределами возможностей микроскопа.
Для Рёскина же использование воображения было ограничено исключительно масштабами, определяемыми нашими органами чувств. Что же касается микроскопа, то Рёскин только однажды пригласил своих читателей его использовать: нужно было разобраться в строении птичьего пера, чтобы лучше его нарисовать. Использование микроскопа он называл «мучительной помощью». Подобные инструменты были для него символами технологического прогресса, который, по его мнению, сопровождался моральным регрессом.
Биограф Тиндаля Рональд Джексон пишет: «Очень жаль, что Рёскин и Тиндаль не поладили. Тиндаль как представитель точных наук вполне мог бы поддержать Рёскина, неоднократно заявлявшего об угрожающем земной цивилизации росте промышленной активности. Опыт физика-экспериментатора Джона Тиндаля вполне мог быть использован для изучения последствий сжигания ископаемых видов топлива».
Однако история, в том числе и история науки, не знает сослагательного наклонения…
Нижний Новгород
