Пинбол-эффект. От византийских мозаик до транзисторов и другие путешествия во времени - Джеймс Бёрк

Постепенно шлифовка линз привела этого утонченного юношу к исследованию принципов их действия. В результате вышел трактат, в котором Гюйгенс рассматривал свет как последовательность ударных волн, которые вследствие взаимодействия частиц света образуют волновые фронты и вызывают волновые колебания мельчайших частиц «эфира» — невидимой, неосязаемой, невесомой и всепроникающей субстанции.

В 1677 году Гюйгенс столкнулся со странным явлением — преломлением света в кристалле исландского шпата. Кристалл разделял световой поток на две составляющие: первый луч подвергался обыкновенной рефракции в стекле (описанной Гюйгенсом), а второй подчинялся каким-то неизвестным законам. Ученый объяснил это тем, что кристалл состоял из двух различных сред, одна из которых и преломляла свет «ненормальным» образом. Чего не мог объяснить Гюйгенс, так это поведения «ненормального» луча при прохождении через второй кристалл. Когда второй кристалл вращали вокруг его оси (на 360 градусов), луч постепенно затухал, а затем снова набирал полную силу.

Гюйгенс не знал, что необыкновенный луч был лучом поляризованного света — через первый кристалл проходили световые волны, для которых характерны колебания только в одной определенной плоскости. В 1828 году в Шотландии геолог Уильям Николь смог извлечь пользу из этого свойства исландского шпата (или кальцита). Ранее он взял на вооружение и усовершенствовал технологию изготовления тонких срезов камней и кристаллов, разработанную местным камнерезом. На примере таких срезов он исследовал внутреннюю структуру минералов под микроскопом. Тем не менее эта технология Николя так и не получила распространения — он опубликовал только две малоизвестные работы (о мелких полостях в некоторых минералах).

В 1828 году Николь разделил кристалл кальцита на две части и склеил их вместе «канадским бальзамом» — смолой канадской пихты. У смолы был другой показатель преломления, и сквозь кристалл проходил только луч поляризованного света, а обычный свет отражался. Вращением второго кристалла, подготовленного аналогичным способом и установленного позади первого, можно было изменять яркость поляризованного света. Призма Николя, так сейчас называется этот инструмент, показала, что поляризованный свет, проходя через некоторые вещества, затухает, а угол поворота, который влияет на яркость света, зависит от структуры этого вещества. Следовательно, по этому углу можно судить о его химическом составе. Вещества с такими свойствами стали называться оптически активными. В 1840 году призму Николя начали применять для определения качества сахара — количество сахарозы в сахарном растворе влияло на угол преломления поляризованного света, проходящего сквозь раствор.

Несмотря на то что в те времена сахар был столь же ценным и дорогим товаром, как сегодня бензин, это открытие не попало в заголовки газет и не сделало Николя знаменитым. Слава пришла к нему позже, благодаря стараниям другого шотландца — Джеймса Нильсона, мастера по обслуживанию доменной печи из фирмы «Глазго газворкс». В 1824 году он запатентовал изобретение, которое впоследствии изменит ход истории Шотландии. Нагнетаемый в печь поток воздуха он подал через раскаленную докрасна трубу, таким образом повысив его температуру до трехсот градусов Цельсия. В результате производительность выросла: расход угля остался прежним, а чугуна получалось в три раза больше. Другим важным обстоятельством стало то, что при такой технологии можно было использовать углистый железняк из богатых месторождений графства Ланкашир, который ранее считался слишком низкосортным для металлургии. К 1835 году метод Нильсона использовался на каждом металлургическом предприятии Шотландии, и регион приобрел огромную промышленную значимость. С 1829 по 1845 год производство чугуна в Шотландии выросло с 29 до 475 тысяч тонн, шотландский чугун использовался для самых разных нужд — от строительства мостов до производства питьевых фонтанчиков, оборудования для выпаривания сахара85 — 218 и даже чернильниц. Этот подъем естественным образом повлек за собой бум в угольной отрасли, что в конечном итоге и принесло известность Уильяму Николю и его «минералам в мелкую нарезку».

В дальнейшем развитии событий принял участие ботаник-любитель из северной Англии Генри Уитам, который был помешан на строении ископаемых растений. В 1829 году в Эдинбурге, после своего выступления на тему «О растительности начального периода древнего мира», он познакомился с Николем и разговорился с ним о тонких срезах минералов. Уитама так привлекла перспектива изучить свои любимые растения при помощи методики Николя, что он применил ее для исследования множества ископаемых образцов — растений, зубов, рыбьих скелетов, деревьев, — которые в изобилии выкапывали горняки при добыче угля. В 1831 году Уитам описал свои находки в статье «Замечания о некоторых ископаемых растениях» и с благодарностью упомянул Николя (даже не пытайтесь найти эту работу в библиотеке).

Этот труд прочел еще один одержимый, Генри Сорби из Шеффилда (он всюду возил за собой свою мать и так никогда и не женился), и был потрясен методикой Николя и обнаруженными им пустотами в горной породе. Впоследствии этот ученый заложил основы микроскопической петрографии и был первым человеком, который «принес микроскоп в горы». Сорби интересовали минералы сами по себе, а не окаменелые растения, которые могли в них попасться. В 1849 году, взяв на вооружение метод изготовления срезов Николя (геологи называют их шлифами) и призму, он принялся исследовать гранит — ценнейший источник сведений об истории вулканических пород. Ранее Сорби тщательно изучал процессы осаждения песка и ила в вихревых течениях, так что теперь он использовал методы Николя, чтобы проанализировать характерные узоры в камне и узнать, как именно формировались осадочные горные породы. Исследуя микрополости, он научился определять, под действием каких факторов (вода, температура или давление) они сформировались. Эта информация крайне важна для геологов и других ученых, изучающих историю Земли.

В 1864 году, ознакомившись с действием спектрометра86 — 105, 198, Сорби скомбинировал этот прибор с микроскопом и таким образом изобрел микроспектроскоп. Этот прибор он использовал для изучения растворов неизвестных веществ в воде, просвечивая их и пропуская свет сквозь призму. Материалы в изучаемых веществах поглощали световые волны определенной длины, и в результате спектр, видимый через призму, содержал неосвещенные черные вертикальные полосы в тех точках спектра, где в нормальных условиях был бы цвет с соответствующей длиной волны. По этим линиям он определял, какой материал в веществе поглощает свет.

Такие исследования Сорби проводил со многими веществами, в том числе органическими ядами, птичьими яйцами, растениями, водорослями, человеческими волосами, грибами и копотью. В 1867 году его внимание привлекли осенние листья, он решил выяснить, почему они меняют свой зеленый цвет на желтый или красный. Он обнаружил, что все дело в веществе, которое образуется только осенью, когда зеленый хлорофилл в листьях разлагается от недостатка солнечного света. Это желто-красное вещество Сорби назвал каротином (он придает моркови[4] ее характерный цвет). Выяснилось, что каротин отвечает за желтую и красную пигментацию у всех растений и животных. Перья фламинго, панцири крабов, абрикосы, томаты и яичные желтки — во всем был обнаружен каротин. Затем, в 1876 году благодаря стараниям немецкого профессора Франца Болля каротин был найден и в человеческом глазе.

В 1873 году, когда Болль еще жил в Берлине и занимался физиологией электрических рыб, ему поступило предложение, от которого невозможно было отказаться, — возглавить лабораторию сравнительной анатомии в университете Рима. Тремя годами позже, исследуя сетчатку лягушки, Болль обнаружил, что под воздействием сильного света красный пигмент сетчатки обесцвечивался. В том же году он отправился в Берлин и продемонстрировал этот феномен старшим товарищам, в том числе Герману фон Гельмгольцу87 — 233 и Эрнсту Прингсхайму88 — 279. После беседы с Гельмгольцем Болль решил выяснить, почему же обесцвечивается красный пигмент в глазной сетчатке (позже его назовут родопсином). Под микроскопом Болль обнаружил, что потеря красного цвета связана с тромбоцитами внешнего слоя глазных палочек. Поскольку у ночных животных эти ткани красного цвета, а у ведущих дневной образ жизни — белые, Болль посчитал, что красный цвет исчезает под действием света, а в темноте некий «питательный элемент» восстанавливает его. Позже будет установлено, что этим питательным элементом является разновидность каротина, и его дефицит сдерживает выработку зрительного пурпура (родопсина), что ведет к слепоте. Этот аспект диетологии станет очевиден благодаря странному поведению кур на острове Ява.