ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В лаборатории над баней, у ворот, на столе из старой двери вскоре стали теснить все остальное прозрачные твердые цилиндры, бруски, куски стекла, желатина.
Джеймс решил продолжить в Гленлейре опыты с поляризованным светом, начатые им в Эдинбурге год или два назад, сразу после одного памятного события.
Весной 1847 года дядя Джеймса, брат покойной матери, Роберт Кей зашел за ним, затем зашли за Льюисом и все вместе шумной компанией направились на Инверлейт-Террас. Прямо к дому, где жил знаменитый в Шотландии и наверняка во всем остальном мире физик Вильям Николь. Их встретил лакей, который провел гостей в лабораторию, большую комнату с зашторенными окнами, где проводил в бесконечных экспериментах свои дни апостольского вида седовласый старец — изобретатель «призмы Николя», или просто «николя».
Лакей оказался лаборантом. Он заботливо прикрыл щели, в которые ломились снаружи лучи весеннего солнца, оставив лишь одно отверстие. Яркий луч света, набитый пылинками, прорезавший темноту комнаты, разбивался о кристалл исландского шпата.
И разделялся на два — казалось, одинаковых.
На самом деле — различных. Лучи были разными. Они, например, по-разному отражались от зеркала. Зеркало можно было бы, например, расположить так, чтобы один луч отражался, а второй — полностью исчезал. Эти лучи отличались и друг от друга, и от исходного луча, прорезавшего темень лаборатории Николя.
— Здесь вы видите поляризованные лучи, — говорил Николь, и в голосе его скользила любовь к этим лучам, к призмам-»николям», которые их рождали, к самой этой темной лаборатории, под которую приспособлена была одна из лучших комнат дома.
— Почему поляризованные? — спросил неискушенный Льюис. Джеймс хотел было толкнуть его в бок, да раздумал: Вильям Николь уже стал с увлечением рассказывать, как тридцатитрехлетний французский инженер Этьен Малюс наблюдал отражение последних закатных лучей в окнах Люксембургского дворца через кристалл исландского шпата...
Бесцветный прозрачный брусок обладал удивительным свойством двойного лучепреломления — и молодой инженер видел два дворца с двумя комплектами ажурных окон. Но два этих дворца неожиданно оказались разными: в то время как окна одного полыхали багровыми красками заката, окна другого были мертвы и пусты... Один из лучей, отразившись под определенным углом от окна, пропал.
Малюс заинтересовался этим странным видением и стал исследовать его. И понял, что напал на след нового явления.
Свеча послушно «раздваивалась», когда на нее смотрели через пластинку исландского шпата. Но если смотреть на отражение свечи, например, в воде, то при определенном угле отражения одна свеча пропадала. Малюс пришел к выводу, что отраженный таким образом луч обладает особой асимметрией вокруг своего направления. И назвал такое свойство луча поляризацией. А сам луч — поляризованным.
Новое явление не могло быть объяснено с помощью корпускулярной теории света (хотя Малюс и попытался это сделать). Но не объяснялось оно и волновой теорией. По крайней мере, не объяснялось волновой теорией Юнга, описанной в его статье «Опыты и проблемы по звуку и свету».
Объяснение явления предложил Огюстен Френель. Разжалованный в результате наполеоновской «чистки» 1815 года, инженер сидел без работы. Занялся оптикой, поначалу совсем мало разбираясь в ней. Звук и свет — похожи или нет? Если предположить, что свет — не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны. Звуковые волны продольны. Но для продольных волн никакой асимметрии вокруг луча не должно быть — все плоскости, содержащие луч, равноправны! Но поляризация лучей существует. Может быть, световые волны поперечны?
Этот вывод Френеля казался настолько диким, настолько безумным, что великий Араго, сам достаточно смелый в науке, помогая Френелю в опытах, отказался тем не менее подписать представленную статью.
И эта «трусость» Араго была понятна. Продольные волны возникают в воде, когда в нее брошен камень. Возникают они и в воздухе, являясь причиной звуковых явлений. Они могли существовать, по понятиям того времени, и в «эфире» — необычайно тонкой жидкости или газе, наполняющем всю вселенную и «ответственном» за световые явления.
Но во всех этих средах поперечные волны, «бьющиеся» в плоскостях, перпендикулярных направлению движения волны, просто невозможны. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах.
Френель ввел в обиход физиков новый эфир. Это была странная субстанция.
Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам...
Неудивительно, что новую среду не жаловали. Знаменитый шотландец Давид Брюстер при каждом удобном случае поносил грубую идею заполнения всего пространства странным эфиром только для того, чтобы объяснить свет.
Брюстер поддерживал Ньютона, и уж заодно с ним — француза Малюса. Ему удалось, идя по стопам Малюса, одновременно с Араго открыть новый вид поляризации — хроматическую. И главное, открыть новый закон — закон Брюстера. Этот закон определял угол отражения, при котором должен был пропадать второй луч. Теперь можно было заранее рассчитать тот угол отражения, на который случайно наткнулся Малюс, наблюдая дворец через кристалл исландского шпата.
Используя закон Брюстера, Николь сделал и свои «николи» — турмалиновые призмы, склеенные наискосок с помощью канадского бальзама. Один луч проходил через прибор беспрепятственно, а другой отражался от внутренней прозрачной перегородки. Николь боготворил Брюстера, Ньютона, поляризацию, «николи». Казалось, что большой вклад, который в открытие и объяснение поляризации внесли французы, доставлял ему скрытые страдания.
— Да, французы многое сделали в области поляризованного света. Но какие французы? Лишь те, что шли за Ньютоном!
Дядюшка Роберт и Льюис одобрительно и понимающе кивали, а Джеймсу казалось, что наибольший вклад, самый великий шаг был сделан именно Френелем, бросившим Ньютону вызов. Джеймсу была ясна правильность идеи о поперечности световых волн — ибо она была единственной, которая могла непротиворечиво объяснить явление поляризации.
А Николь продолжал рассказывать о своих приборах. Он не мог говорить о поляризации равнодушно.
— Поляризованный луч, — страстно говорил Николь, — можно сравнить с путешественником, который, проникнув в неведомые страны, возвращается к нам с богатым запасом сведений, с набитым чемоданом, с заполненными дневниками. Он может рассказать о неведомой внутренней структуре тел и даже помог уже в обнаружении подделок — да, да — к примеру, при экспертизе сахара!
Эти слова Джеймсу запомнились. И когда в лаборатории Николя бушевали еще краски спектра, когда Николь демонстрировал с восторгом, как поляризованный луч «чувствует», когда образец нагревают или механически напрягают, мысли Джеймса были уже далеко. Он видел то, чего не увидели другие, — поляризованный луч можно было использовать для определения внутренних напряжений в нагруженных твердых телах.
Итак — проникнуть туда, куда нельзя было проникнуть раньше. Внутрь твердого тела, где «власть человека», как выразился Николь, «столь же велика, как власть сиамского короля в Англии».
И может быть, тут Джеймс позавидовал тому, что нет у него этих тяжелых полированных «николей», и придется воспользоваться ему несовершенными «турмалиновыми щипцами», дававшими окрашенный луч. Но это уже не могло остановить его.
Некоронованный король шотландской физики Брюстер утверждал, что быстро охлажденное, неотпущенное, с сохраненными внутренними напряжениями стекло и некоторые другие материалы должны давать эффект двойного лучепреломления за счет различия упругости в различных направлениях. Когда луч света падает на такой материал, он расщепляется на два луча, один из которых идет в направлении меньшей упругости, другой — в направлении большей.