АДАМС, ЛЕВЕРРЬЕ И НЕПТУН

17 марта 1846 года Джеймс посетил лекцию, прочитанную профессором астрономии из университета Глазго. Это был Джон Прингль Николь, автор нашумевшей некогда книги «Взгляд на архитектуру небес». Николь рассказал слушателям назидательную и захватывающую историю открытия планеты Нептун, окончившуюся чуть ли не на днях.

Главным действующим лицом этой истории был Джон Коуч Адамс, молодой человек двадцати пяти лет.

Еще во время обучения в Кембридже Адамс заинтересовался опубликованными в 1821 году таблицами движения планеты Уран, которые не согласовывались с наблюдениями более ранних астрономов. Уже в 1841 году Адамс предположил, что «незакономерности» в движении планеты вызваны тем, что за Ураном в черной пустоте, невидима, кружится вокруг Солнца еще одна планета. Два года он занимался вычислением звездных координат, где, по его мнению, должна была бы находиться не открытая еще планета, и наконец определил их. Теперь нужно было найти мощный телескоп и с его помощью обнаружить планету. Можно было бы, конечно, опубликовать полученные координаты и ждать, пока какой-нибудь астроном — в Англии, России, Франции или Германии — возьмется за поиски планеты.

Но не таков был Адамс. Его патриотизм был поистине викторианским — он желал, чтобы открытие было непременно сделано английским астрономом, в Англии, чтобы новая планета носила английское название и была бы присоединена к английской короне, украшала бы ее, как брильянты из обеих Индий.

Оставив в своих бумагах меморандум от 3 июля 1841 года о предположительном наличии за Ураном еще одной планеты, неопытный Адамс через своего знакомого Джеймса Чаллиса попытался получить аудиенцию у королевского астронома сэра Джорджа Эйри.

Молодой Адамс, видимо полагая, что вся жизнь впереди, не особенно спешил и лишь в сентябре 1845 года передал через Чаллиса данные своих вычислений. Одновременно Адамс передал в Гринвичскую обсерваторию статью с аналогичными данными. Дело стало за английскими астрономами — ведь астрономы других стран ничего о предположениях и вычислениях Адамса не знали.

А 29 июля 1846 года француз Леверрье, проделав ту же работу, что и Адамс, сделал ее достоянием астрономов всех стран. Ждать пришлось недолго — и уже 23 сентября берлинский астроном Галле обнаружил в указанной Леверрье точке неба неизвестную ранее планету. Жизнь двигалась быстрее, чем это предполагал Адамс.

Когда в свете этих новых событий Чаллис попытался рассказать ученому миру о происшедшем, ему просто не поверили. Чудовищно было предположить, что королевский астроном, обладая данными для открытия новой планеты, не сделал этого. Столь же нелепо было и то, что блестящий математик Адамс не опубликовал своих результатов ранее. Возник спор о приоритете. Французы поначалу решили назвать новую планету «Леверрье», но протест общественного мнения был так силен, что остановились в конце концов на нейтральном названии «Нептун».

Научное общественное мнение разделилось на «адамитов» и «антиадамитов», хотя сами виновники конфликта оставались в хороших отношениях. Королевское общество со свойственной ему непоследовательностью увенчало лаврами Леверрье, королева предложила Адамсу рыцарство, от которого он отказался, а Кембриджский университет основал премию Адамса, присуждаемую раз в два года лучшей работе по прикладной математике, астрономии или физике «в ознаменование открытия Нептуна». Премия эта сыграла большую роль в судьбе Джеймса Клерка Максвелла.

Лекция Николя об открытии Нептуна укрепила Джеймса в мнении о всесилии математических методов, в справедливости и мощи законов Ньютона. Он с еще большим рвением принялся за изучение математических и особенно геометрических методов, которые давались ему необыкновенно легко. Жаль, конечно, что его друг Кемпбелл оказывался зачастую не в состоянии понять его идеи, да и тетушка Джейн уже не в состоянии делать вид, что она понимает все эти громоздкие геометрические построения Джеймса. Джеймсу нужны новые друзья, и он находит их.

НОВЫЕ ДРУЗЬЯ

И первый среди них — это профессор Джеймс Форбс, искренне привязавшийся к Джеймсу и видящий в нем надежду шотландской науки. Форбс делился с Джеймсом своими научными идеями. Основным увлечением Форбса были ледники. Его книгу «Путешествие через Савойские Альпы и другие участки Пеннинской цепи с наблюдениями ледников» Джеймс прочел с большим удовольствием. Его заинтересовала на некоторое время физика ледников, которые, как казалось Форбсу, были промежуточной субстанцией между твердым телом и жидкостью и в силу этого обладали рядом специфических свойств. Джеймс заинтересовался этим классом тел и некоторое время экспериментировал на чердаке «старины 31» с различными желеобразными веществами. Он интересовался, как ведут себя подобные тела, когда их сжимают, как они при сжатии преломляют свет.

Этому способствует, к счастью и сожалению, слабое здоровье Максвелла, часто отсутствующего в школе. Невозможность бывать на заседаниях Королевского общества угнетала его куда больше, но отец старался дать ему полный о них отчет, а имя Форбса не сходило с губ старшего и младшего Максвеллов.

И еще один друг появился в это время у Джеймса — Питер Гутри Тэт, учившийся классом ниже, но уже поражавший всех своими блестящими математическими способностями. У мистера Глоага не было ни малейших сомнений в том, что Питер со временем станет в Кембридже «старшим спорщиком» и получит премию Смита за лучшее математическое исследование[19], и в таком признании математических способностей Питер соперничал с Джеймсом. Естественно, что два лучших математика школы — Максвелл и Тэт — не могли не обмениваться идеями.

В 1847 году обучение в Эдинбургской академии заканчивается, Джеймс — один из первых, забыты обиды и треволнения первых лет.

Счастливое свойство характера Джеймса — быстро забывать неприятные моменты в жизни — сквозит в сочиненной им после окончания «Песне Эдинбургской академии»:

Припев:

Припев.

Припев.

ЭДИНБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, СЭР ВИЛЬЯМ ГАМИЛЬТОН

Убежденный в необходимости продолжать учение, отец решает отдать Джеймса с ноября в университет, но не куда-нибудь далеко — в Оксфорд или Кембридж, а поближе, где мог бы он заботливой отцовской рукой пестовать сына.

И здесь Джеймсу снова несказанно везет — он поступает в Эдинбургский университет и сразу же попадает в прекрасные руки. В университете преподают признанные ученые, первоклассные педагоги, известные по всей Англии и даже вне ее. Вторым математическим классом руководит профессор Келланд — известный математик. Классом натуральной философии, то есть физики, ведает почитаемый и любимый друг Джеймса Форбс, а класс логики ведет знаменитый Вильям Гамильтон. И этот последний, казалось, затмевает и математика и физика.

Однажды Джеймс, запыхавшись, бежал вверх, в большую аудиторию, где уже рокотала толпа студентов, ожидающих своего кумира. Торопливость была наказана — и Джеймс лежит на лестнице, колено его разорвано и окровавлено.

— Домой, домой, — советуют проносящиеся мимо коллеги. Джеймс и сам чувствует, что дело плохо — удар силен, чуть не до кости, кровь так и хлещет; но жажда идей, утоляющих вопросы души, проливающих свет на непонятное, указующих, куда идти и как, настолько велика, что Джеймс с трудом, на одной ноге допрыгивает до дверей аудитории, садится где-то сзади и, не пропуская ни единого слова, слушает откровения знаменитого философа.

Сэр Вильям был старым знакомым клана Клерков; вместе с Джоном Клерком Максвеллом он служил в Шотландской коллегии адвокатов, был членом Общества антиквариев, где когда-то царствовал сэр Джон Клерк, и дружил с Робертом Кеем, шерифом.

Между Джеймсом, шестнадцатилетним, и уже стареющим философом установились особые отношения; и это не был снисходительный союз метра с юниором. Джеймс привносил в философию Гамильтона уже нечто свое. Там, где логик Гамильтон ограничивался логическими построениями, глубокий реалист Джеймс подвергал выводы этих построений высшему испытанию. Природой. Опытом.

Взгляды Гамильтона, проповедовавшего «истинно шотландскую» доктрину «естественного реализма», «здравого смысла», были близки его собственным, интуитивным представлениям о мире, существующем независимо от него самого, мире абсолютно материальном, не нуждающемся в боге для своего объяснения.

Разрываемый сомнениями, Джеймс успокаивал себя, утолял свою боль несогласованности, несогласия, нелогичности и противоречия тем, что существуют две различные системы — Знания и Веры, и они подчиняются разной логике, и в логике Веры существуют более сильные пловцы, например, Льюис Кемпбелл, уехавший в Оксфорд готовиться к теологической карьере.

Джеймс слушал Гамильтона, и у него зарождалась уже собственная философия. И не ученические упражнения в логических построениях, а самостоятельные трактаты, теперь уже философского характера, приносил Джеймс на кафедру сэра Вильяма. Одно из этих сочинений сохранилось. Гамильтон не мог выбросить эти листки как заурядную студенческую работу, читал и по-своему изучал ее.

Гамильтон лил бальзам на раны несогласованности, раны противоречий. Он примирял объективно существующий мир, в котором все логично, взаимосвязанно, поддается объяснению, и бога, непостижимого и иррационального. Гамильтон лил бальзам, но он не исцелял, лишь временно утолял боль, возводя непреодолимую стену между Знанием и Верой. Законы Знания, законы Логики неприменимы к смутным областям Веры. И нечего требовать, чтобы Вера подчинялась Логике... И нечего вводить Веру в область Знания.

Физика приобрела в такой философии независимое существование, законы природы подлежали исследованию, природа существовала сама по себе и ждала рационального объяснения. Во всех своих проявлениях природа была объяснима, в ней не было ничего святого и таинственного, не подчиняющегося исследованию, не поддающегося объяснению. Сама логика поддавалась математическому трактованию — Максвелл знал это из трактата Джорджа Буля «Математический анализ логики». Любое логическое построение можно было выразить математически. Сама логика могла получить адекватное математическое выражение. В природе не было «святых земель»... Она существовала вне человека и независимо от него, она развивалась по своим законам, все ее области были как-то взаимосвязаны, и эти связи отнюдь не непостижимы. Надо лишь найти их.

Максвелл очень любил лекции Гамильтона.

Гамильтон обычно читал лишь первую половину лекции. Другую половину читал его ассистент, а сэр Вильям, сидя рядом с ним и грузно навалившись на стол, смотрел на студентов. Изредка делал замечания. Машинально перебирал металлические буквы в кувшине. Буквы эти служили для экзаменов. Сэр Вильям рассаживал студентов на скамьи, обозначенные первыми буквами их фамилий. В надлежащий день сэр Вильям запускал руку в кувшин, доставал какую-нибудь букву и экзаменовал студентов, сидящих на скамье, обозначенной ею.

Гамильтон оглядывал свой класс и, возможно, думал: кто из этих юношей подхватит его идеи, использует их, разовьет и подтвердит?

Думал ли он в этот момент о черноволосом Джеймсе Клерке Максвелле, племяннике своего друга шерифа Кея, сидевшем на скамье, обозначенной буквой К? Возможно, и нет. Но главное влияние, оказанное «истинно шотландским философом», «врагом математики», сторонником доктрины «естественного реализма» сэром Вильямом Гамильтоном на судьбы человечества, было опосредствовано именно через него, Джеймса Клерка Максвелла.

«ПРОПЫ»[20]

Рамки лекций Келланда и Форбса тесны Джеймсу его тянет в более трудные бои...

Да, его тянет в более трудные бои, и он вынужден сам придумывать себе задачки. Часто к их решению присоединяются коллеги по Эдинбургскому университету — Питер Тэт, брат Льюиса Роберт (Боб), Алан Стюарт.

Старый приятель Питер гигантскими шагами шел вперед в математике. Его прочили в будущем году в Кембридж, и Джеймс буквально лез из кожи вон, чтобы придумать для Питера задачку покаверзней.

«...Перед тем как выйти из дома, я сочинил „проп“ для Тэта (П.Г.); только он его никогда не решит. Это „найти алгебраическое уравнение кривой с вертикальной осью, в любой точке которой как на наклонную плоскость может быть положено тяжелое тело, причем горизонтальная составляющая силы, действующей на искомую кривую, меняется, как „n-ная“ степень длины перпендикуляра, опущенного на ось“.

Форбс с сочувствием и любовью наблюдает за своим младшим другом Клерком Максвеллом, он старается, чтобы физические и математические понятия обретали для его учеников реальность, жизненность.

Форбс стремился к тому, чтобы его ученики находили задачки в самой природе, увязывали с природой свои теоретические познания, видели в задачках реальность. Рассказывая о кривых качения (Джеймс был тут на коне — он даже готовил статью о кривых качения), Форбс дал такую задачку — описать циклоиду от вершины горы Бен Невис[24] до Форт Вильяма[25] и определить время, за которое ствол дерева, скатываясь с вершины по этой кривой, достигнет подножия.

Джеймс решил оставить задачку до летних каникул, когда группа эдинбургских студентов по предложению Форбса должна была совершить путешествие в горную Шотландию. И вот он в Хайленде.

После горной Шотландии — родной Гленлейр.

Гленлейр тих, пустынен и провинциален. Отец занят переустройством сада — его и не видно. Нежаркое солнце, квохтанье кур... Одиночество. Хочется поделиться с кем-то, получить отклик, с кем-то посмеяться, пошутить. Для развлечения Джеймс придумывает для себя массу «пропов»:

— Определить широту Гленлейра при помощи блюдечка с патокой;

— определить жесткость крикетного мяча;

— определить подъемную силу воды при разных положениях тела (Боб Фразер, стоя на берегу, держит веревку, за которую уцепился борющийся с течением Джеймс);

— намагнитить железные бруски и испытать их;

— построить электрическую машину;

— найти уравнение квадрата;

— найти уравнение кривой, которую видит сэр Давид Брюстер, когда он украдкой бросает взгляд на стенку.

Джеймс очень скучал в Гленлейре без друзей, без Форбса, без его аппаратов, которыми получил великодушное разрешение пользоваться в любое время по собственному усмотрению. Лучшее лекарство от сплина — устройство собственной лаборатории в Гленлейре.

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.