Роберт Вуд, король эксперимента

Второго мая 2018 года исполнилось 150 лет со дня рождения выдающегося американского физика Роберта Вуда (1868—1955). Блестящий экспериментатор, остроумный человек, большой любитель сценических эффектов — а еще борец с лженаукой и автор фантастических романов.

Роберт Вуд был поздним ребенком: отцу за 60, матери далеко за сорок. Отец, Джозеф Вуд (1803—1892), был незаурядной личностью. Врач по профессии, он уехал на Гавайские острова, где возглавил госпиталь для военных моряков. Рассказывают, что однажды на Гавайи зашел русский военный корабль. Русский адмирал познакомился с доктором Вудом и подарил ему ценную книгу. В ответ доктор Вуд подарил адмиралу дорогую картину, наказав не вскрывать ящик с подарком до тех пор, пока корабль не выйдет в море. Вскрыв ящик, адмирал приказал кораблю вернуться на Гавайи, где вручил доктору дорогой кубок. Вот такое военно-морское гусарство.

На Гавайских островах доктор Вуд начал разводить сахарный тростник, что принесло ему немалое состояние. В 1866 году он вернулся на континент. Семья Вудов дружила с выдающимся американским философом Ральфом Эмерсоном (1803—1882), который очень любил маленького Роберта.

Роберт Вуд был добрым мальчиком, однако не отличался благонравием. Склонность к разного рода взрывам и прочим проделкам, требующим технической изобретательности, проявлялась у него с раннего детства, и лишь чудесным везением можно объяснить, что эти опыты не закончились серьезной травмой. В респектабельной школе, где преподавали древние языки, учиться ему было скучно, и успехами в учебе он родителей не радовал.

Роберт подружился с сыном владельца завода воздуходувных машин Чарли Стертевантом. Чарли привел друга на завод отца, который восхитил Роберта. Он просил рабочих дать ему сделать что-то самому. Сперва рабочие отказывали, но затем сжалились, и вскоре Роберт стал вполне квалифицированным специалистом. Пользуясь заводской техникой, он делал разные интересные вещи. Например, самострел (родители не хотели покупать Роберту ружье). К сожалению, дружба Роберта и Чарли продолжалась недолго — Чарли умер. Для Роберта это стало большой трагедией.

Одно время Роберт увлекался биологией, но и здесь его в первую очередь привлекали эксперименты. Так, он поливал растения красными чернилами, чтобы проверить, не станут ли от этого листья красными. Зато работать с определителем растений ему совершенно не нравилось. Разумеется, он собирал коллекцию минералов, которые он находил в окрестных каменоломнях. И наблюдал небо в телескоп, который был у одного из друзей его отца. Примечательно отношение Роберта к деньгам. В мелочах он был скрягой, однако крупные суммы тратил с размахом.

В 1887 году Роберт Вуд поступил в Гарвардский университет. На экзаменах с позором провалился по латыни и греческому, но зато показал глубокие познания в естественных науках — и в результате был принят.

В студенческие годы Вуд выполнил интересную работу по геологии, экспериментально опровергнув гипотезу своего же профессора, геолога Натаниэля Шалера, согласно которой в нижних слоях ледника из-за огромного давления лед превращается в воду и ледник плывет по этой воде. Вуд показал, что при тех величинах давлений, которые можно ожидать, лед в воду превратиться не может. Шалер огорчился, но, как человек не мелочный, признал правоту студента. Вуд раскритиковал и другую идею Шалера о том, что метеориты выбросило в космос земными вулканами.

В то же время Роберт Вуд был стабильным хвостистом по математике и иностранным языкам. Заниматься тем, что ему неинтересно, он не умел и не любил.

В 1891 году Роберт Вуд окончил Гарвардский университет и поступил в аспирантуру по химии в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе. Вместе с другими аспирантами он жил в частном пансионе. Обитатели этого пансиона подозревали, что его хозяйка кормит постояльцев остатками вчерашнего обеда. Вуд решил вывести ее на чистую воду. Он добавил в недоеденные остатки обеда хлористый литий и на следующий день сжег маленький образец нового обеда. В спектре обнаружилась линия лития, и недобросовестная хозяйка была посрамлена.

Свои химические знания Роберт Вуд использовал и в отношениях с прекрасным полом. Когда во время прогулки на морозе у его девушки замерзли руки, он накапал в бутылку с холодной водой немного серной кислоты, которую носил с собой. При смешивании кислоты с водой выделилось тепло, получилась грелка. Девушка была так потрясена, что без колебаний согласилась выйти замуж за своего поклонника. Они жили долго и счастливо.

Эффектные демонстрации, часто за пределами аудиторий и лабораторий, были коньком Роберта Вуда. Истории о его научных фокусах и розыгрышах знамениты во всем мире. Даже герои советского подросткового романа Владимира Киселева «Девочка и птицелёт» — школьники, увлеченные химией, — повторяют некоторые из них, например, бросают в лужу кусочек натрия, чтобы напугать хулиганов.

В 1894 году Роберт Вуд поехал работать в Германию, где его интересы сместились от химии к физике, чему способствовало, в частности, открытие в 1895 году рентгеновских лучей.

В Берлине он встретился с другим американцем — Фрэнком Уиллардом, талантливым писателем и человеком авантюрного склада, чьи литературные достижения могли быть куда значительнее, если бы не склонность к горячительным напиткам. Уиллард предложил Вуду побывать в огромной и таинственной России. В реализации этой дорогостоящей идеи им помог российский министр путей сообщения князь Михаил Иванович Хилков (1834—1909).

Князь Хилков был необычным человеком. В отличие от большинства русских аристократов он не увлекался светской жизнью. В конце 1860-х годов отдал свою землю крестьянам и уехал из России в США, где работал сначала разнорабочим на строительстве железной дороги, затем приобрел профессии слесаря и железнодорожного машиниста, а потом стал инженером. Вернувшись в Россию, занимал ответственные посты на железных дорогах и в 1895 году стал министром путей сообщения Российской империи.

Уиллард познакомился с князем Хилковым во время пребывания того в Америке. Он написал князю, представившись собственным корреспондентом некоей газеты (что было неправдой); сообщил, что хотел бы вместе с коллегой-журналистом побывать в России и написать серию очерков о российских железных дорогах. В ответ он получил официальную бумагу из Санкт-Петербурга, дающую право бесплатного проезда по всем железным дорогам России в вагонах первого класса.

Уиллард и Вуд побывали в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Сибири, встречались с Чеховым. Запланированная встреча со Львом Толстым, по-видимому, не состоялась. Уиллард в самом деле написал несколько статей, которые опубликовали американские газеты. Написал статью и Вуд, но ее не напечатали.

Осенью 1896 года Роберт Вуд вернулся в США и получил место преподавателя в Висконсинском университете. Здесь он завоевал любовь студентов эффектными экспериментами во время лекций и сделал важное изобретение. Он придумал, как отогревать трубы с замерзшей водой. Для этого нужно приложить к концам труб высокое электрическое напряжение. Металлическая труба ток проводит, а замерзшие земля и вода — нет. Ток идет по трубе и нагревает лед, который превращается в воду.

От этого изобретения выиграл не столько изобретатель, сколько университет, обратившийся в правительственные структуры с просьбой о выделении дополнительных средств. «А что практически полезного сделал ваш университет для страны?» — спросил чиновник. И университетская администрация вспомнила про обогрев труб. Деньги были выделены, Вуд получил повышение и купил редкий в те времена автомобиль, в котором разъезжал по маленькому университетскому городку, пугая местных старушек.

В 1901 году Роберту Вуду предложили должность полного профессора (заведующего кафедрой) экспериментальной физики в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе. Эту должность он занимал до выхода в отставку в 1938 году.

Уже в Висконсинском университете центр интересов Роберта Вуда переместился в область физической оптики, то есть взаимодействия света с веществом.

В конце 1850-х годов химик Роберт Вильгельм Бунзен и физик Густав Кирхгоф изобрели спектральный анализ. При нагревании образцов вещества оно начинает светиться, причем длины волн излучаемого света — строго определенные и зависят от того, какие элементы входят в состав вещества. Так, натрий дает ярко-желтую линию, калий — фиолетовую. За несколько лет до этого философ Огюст Конт писал, что мы никогда не узнаем, из каких химических элементов состоит Солнце, ибо не сможем добыть образцы вещества для химического анализа. Однако Бунзен и Кирхгоф показали, что для решения этой проблемы образцы солнечного вещества не нужны — достаточно снять спектры солнечного излучения. Что исследователи и сделали, попутно обнаружив в солнечном свете линию неизвестного науке химического элемента, который назвали гелием (см. «Химию и жизнь» 2017 №5).

Вскоре выяснилось, что химические элементы при нагревании изучают свет на нескольких длинах волн, причем на этих же длинах волн и поглощают свет.

В 1852 году Джордж Габриэль Стокс показал, что некоторые вещества при освещении сами начинают светиться, но длина волны такого свечения (названного флуоресценцией) изменяется. Стокс сформулировал правило, согласно которому длина волны флуоресценции всегда больше, чем у падающего света. Дальнейшие исследования, в частности Роберта Вуда, показали, что это правило выполняется далеко не всегда.

В начале 1900-х годов, исследуя флуоресценцию паров натрия, Вуд обнаружил, что спектр флуоресценции нетривиальным образом зависит от длины волны возбуждающего света: при ее увеличении длина волны излучаемого света уменьшается, так что при некоторых длинах волн они сравниваются. Это явление получило название оптического резонанса. Пятьдесят лет спустя было показано, что в определенных условиях интенсивность этой флуоресценции может многократно превысить интенсивность вызывающего ее света. Устройство, использующее этот эффект, получило название лазера. Таким образом, можно считать, что первый шаг к созданию лазеров сделал Роберт Вуд.

Добавим, что в 1911 году Роберт Вуд обнаружил оптический резонанс паров ртути в ультрафиолетовой области спектра.

Исследования, проводимые Вудом, требовали создания новых спектрографов, способных испускать лучи с различной длиной волны в разных направлениях, превращая белый свет в радугу. Спектрографы давали возможность точно определять длины волн, ответственные за тот или иной эффект, а также длины волн флуоресценции.

Спектрографы тонкого разрешения, позволявшие различать свет с близкими длинами волн, обнаружили тонкую структуру спектральных линий. Оказалось, что широкие линии состоят из нескольких узких, при этом набор узких линий может меняться при изменении длины волны возбуждающего света. С точки зрения физики первого десятилетия ХХ века это было совершенно непостижимо — для объяснения пришлось подождать появления квантовой физики.

Спектрограф Вуда представлял собой, по сути, деревянную трубу длиной более четырех метров: с одной стороны дифракционная решетка, с другой — щель и зеркало. Однажды в спектрографе, установленном в сарае, поселились пауки и сплели паутину. Очистить трубу обычными способами не было возможности, и тогда Вуд запустил в нее кошку. Кошка прошла сквозь трубу и собрала на себя всю паутину; животное выглядело недовольным, но прибор был в порядке.

К 1905 году Вуд подготовил к печати свою монографию «Физическая оптика», подводящую итоги его исследований.

Роберт Вуд много работал над созданием хорошего источника ультрафиолетового излучения, не дающего примеси видимого света, пытался создать фильтры, надежно поглощающие видимый свет, но пропускающие ультрафиолет. Использовал для этого металлическое серебро, которое пропускало УФ-излучение в узком диапазоне, поглощая остальные лучи, экспериментировал и с некоторыми другими веществами. В конце концов он создал специальное стекло (стекло Вуда), в состав которого входит значительное количество окиси никеля или кобальта. А следующим шагом была «черная лампа» (ее еще называют лампой Вуда). Внутри лампы находятся пары ртути, через которые пропускается электрический разряд. При этом возникает свечение в ультрафиолетовой области и области видимого света, однако видимый свет поглощается стеклом Вуда, из которого сделана лампа. Черная лампа все-таки светится слабым фиолетовым светом, однако максимум ее излучения приходится на ближний ультрафиолет.

А вот сплав Вуда с температурой плавления 68,5°C, вопреки распространенному мнению, создал не Роберт Вуд, а его однофамилец — дантист Барнаба Вуд еще до рождения будущего физика.

Использование фильтров впервые (в 1902 году) позволило Вуду фотографировать разные объекты в ультрафиолетовой части спектра. В частности, он сделал фотографии Луны, где выявил область аномально сильного ультрафиолетового поглощения. Это оказался кратер Аристарх в северо-западной части видимой стороны Луны; кстати, в видимой области эта структура настолько яркая, что заметна на Луне невооруженным глазом. Предполагается, что грунту кратера придают оранжевый цвет сферические частицы диаметром около 0,2 мм из стеклоподобного вулканического материала — такой грунт обнаружил экипаж «Аполлона-17» в районе кратера Шорти. Есть также мнение, что в этом районе Луны имеются залежи серы.

Интересно, что снимки Луны в УФ-области вышли очень контрастными, а снимки земных объектов — размытыми и практически лишенными теней. Это позволило сделать вывод о сильном рассеянии УФ-излучения в атмосфере.

Исследовал Вуд и инфракрасное излучение. Ему удалось отделить излучение в далекой инфракрасной области (длина волны более 0,1 мм) от излучения с меньшими длинами волн. В 1908 году он первым в мире начал фотографировать в инфракрасной области и показал, что листья зеленых растений сильно отражают инфракрасные лучи — на фотографиях они получались белыми.

«Роберт Вуд плодовит, как кролик», — говорил один из его коллег.

Альберт Эйнштейн и Роберт Вуд

В 1908 году Роберт Вуд купил старую ферму. Жизнь на ферме стала для него источником новых идей. (Кстати, именно там был сооружен спектрограф, для прочистки которого использовали кошку.) На ферме он создал простой и оригинальный ртутный телескоп. Ртуть — жидкий металл, хорошо отражающий свет, и если заставить ее принять форму параболоида, то получится прекрасное зеркало для телескопа. А сделать это очень просто: нужно равномерно вращать цилиндрический сосуд с ртутью, тогда центробежная сила будет прижимать ртуть к стенкам и ртутная поверхность станет вогнутой, получится параболоид. Его параметры можно изменять, меняя скорость вращения.

Телескоп Вуд поместил в колодце. Правда, у изобретения оказался серьезный недостаток: с его помощью можно было наблюдать лишь объекты, находящиеся над колодцем в зените. Поэтому идея не нашла практического применения.

Заинтересовал фермера Вуда и парниковый эффект. Почему в парнике, покрытом стеклом, температура воздуха значительно выше, чем снаружи? Традиционная точка зрения заключалась в том, что пол в парнике поглощает видимый свет и излучает инфракрасные лучи, которые не могут пройти сквозь стекло, в результате парник нагревается. Вуд предположил существование другого механизма нагрева: воздух получает тепло от пола, и стенки парника препятствуют конвекции и подъему теплого воздуха вверх. Для проверки гипотезы он сделал два микропарника, один покрыл обычным стеклом, а другой — прозрачным материалом, пропускающим инфракрасные лучи. В обоих парниках воздух нагревался, следовательно, главной причиной нагрева было отсутствие конвекции.

После вступления США в Первую мировую войну Роберт Вуд представил военным ведомствам стран Антанты ряд идей. Так, для защиты от вражеских торпед он предложил обшивать днища кораблей дополнительным слоем металла, чтобы между старым и новым днищем оставался слой воздуха. Была у него также идея применять в военных целях слезоточивые газы, которые не убивали бы солдат противника, а делали их небоеспособными. Но, пожалуй, самый необычный его военный проект — использование дрессированных тюленей для борьбы с вражескими подводными лодками. Удалось научить тюленей воспринимать шум винтов подводной лодки и запах выделяемого ею машинного масла, однако гоняться за вражескими лодками умные животные не стали — их отвлекали косяки рыб. Ни одной германской подводной лодки не удалось уничтожить подобным способом. Зато изучение тюленей помогло усовершенствовать приборы, улавливающие звуки в воде.

Признанием значимости военных изобретений Роберта Вуда стало присвоение ему звания майора. Ученый в военной форме называл сам себя «овцой в волчьей шкуре». В сентябре 1917 года он даже отправился в Европу, чтобы лично участвовать в испытаниях новых военных разработок.

Еще одним увлечением Роберта Вуда стала борьба с феноменом, которое советский физик Александр Исаакович Китайгородский (1914—1985) вслед за Чеховым называл «рениксой» (напишите слово «чепуха» письменными буквами и прочитайте, как будто это латиница, получится renyxa). Во времена Вуда, как и в наши дни, было немало людей, стремившихся опровергнуть законы физики и скучные материалистические истины. Среди них встречались и откровенные мошенники, и добросовестно заблуждающиеся люди, и потенциальные пациенты лечебных заведений психиатрического профиля. Роберт Вуд охотно откликался на просьбы разобраться в причинах странных эффектов. И почти всегда разбирался, наглядно показывая необоснованность претензий на опровержение научных истин. Если бы он был нашим современником, то, вероятно, стал членом международного Общества скептиков вместе с Ричардом Докинзом, Джаредом Даймондом и другими.

По просьбе полиции Роберт Вуд принимал участие в расследованиях преступлений, совершавшихся с помощью технических устройств, например реконструировал механизм бомбы, взорвавшейся на Уолл-стрит 16 сентября 1920 года (30 убитых и сотни раненых). Это преступление осталось нераскрытым, но в других случаях Вуд помог изобличить преступников. А в 1906 году он предложил полиции идею фотографировать документы в ультрафиолетовых лучах, чтобы выявлять зачищенные слова и фразы. Этот метод широко применяется в современной криминалистике.

В 1938 году, достигнув 70-летнего возраста, Роберт Вуд вышел в отставку, однако продолжал активно заниматься научной работой. Он пережил Вторую мировую войну и умер в 1955 году, в возрасте 87 лет. Как известно, многие выдающиеся исследователи жили долго — возможно, потому, что продолжали активно работать до глубокой старости. Роберт Вуд не был исключением.

За свою жизнь Вуд опубликовал 268 научных работ, из них 224 без соавторов и 44 — с одним соавтором. Экспериментальную часть почти всех своих работ он выполнял самостоятельно, а не просто осуществлял руководство. В научном обиходе прочно укоренилось выражение «эксперимент в стиле Вуда». Физики-экспериментаторы считали его наивысшим комплиментом. Вуд был членом многих научных обществ, в том числе иностранным членом АН СССР. С 1935 года до конца жизни он занимал пост президента Американского физического общества.

Книга «Как отличить птиц от цветов»: непереводимая игра слов почти на каждой странице

Роберт Вуд хорошо рисовал акварелью и масляными красками. Склонность к живописи унаследовала и его дочь Маргарет, которая стала художницей.

Знаменитый физик попробовал себя и в художественной литературе. Еще в 1887 году он отправил в чикагскую газету занимательную историю о прилете на Землю инопланетян. Что интересно, заметка была опубликована. В 1907 году Вуд написал и сам проиллюстрировал веселую книжку «Как отличать птиц от цветов» — это был отголосок горячей дискуссии между писателями школы Сетона-Томпсона и учеными о том, где в художественной литературе, посвященной природе, кончаются наблюдения натуралиста и начинается вымысел. Роберт Вуд с серьезностью героев Льюиса Кэрролла учит различить клевер (clover) и ржанку (plover), крокус (crocus) и ворону (crow). Книгу называли полной ерундой, однако она имела успех.

Совместно с писателем Артуром Трейном (1875—1945) Роберт Вуд написал и в 1915 году опубликовал научно-фантастический роман «The Man Who Rocked the Earth» — «Человек, который потряс Землю», а затем продолжение — «The Moon Maker», которое не один раз издавалось на русском языке под названием «Вторая Луна». Вуд так увлекся, что даже сделал для книги фотографии, которые якобы снимали герои во время космического полета, — удаляющуюся Землю на них изображал раскрашенный крокетный шар. Однако роман был написан для журнала «Cosmopolitan», его редактор, увидев фотографии, заявил, что с такими иллюстрациями журнал станет похож на «Popular Mechanics», и отклонил их. (Видел бы он современную «Популярную механику»!)

Без сомнения, Роберт Вуд принадлежал к плеяде исследователей-романтиков, по классификации Вильгельма Оствальда, — таких как биологи Жан Батист Ламарк и Джон Холдейн, математики А.Н. Колмогоров и А.А. Ляпунов, физики Л.Д. Ландау, Ричард Фейнман и Стивен Хокинг. Они не любят долго заниматься одной и той же темой, сильно разбрасываются и не всегда доводят работу до конца; первыми протаптывают тропинки между научными дисциплинами, но для того, чтобы превратить тропинку в широкую дорогу, им обычно не хватает терпения.

Еще при жизни Вуда писатель Уильям Сибрук (1884—1945) написал о нем книгу «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории». В СССР ее опубликовади в 1946 году и переиздали в 1960-м. Редактором и автором предисловия был президент АН СССР, выдающийся исследователь в области физической оптики Сергей Иванович Вавилов (1891—1951). В предисловии Сибрук блестяще охарактеризовал своего героя:

«Маленькие американские мальчики любят изобретать и делать разные штуки — змеи, взрывы, рогатки, машинки и трубочки для стрельбы горохом. Кроме того, они любят отчаянные и дерзкие проделки.

Сущность Роберта Вильямса Вуда в том, что это — сверходаренный американский мальчик, который не стал взрослым за всю свою жизнь. Это же можно сказать как о личности самого Марка Твена, так и о ее изображении в Томе Сойере и Геке Финне. Роль окружения в развитии этих двух американских мальчишек (одного — умершего, другого — живущего ныне), которые стоят и будут всегда стоять гигантами в своих совершенно различных областях, совершенно одна и та же».