Митчел Уилсон - Американские ученые и изобретатели

• Название: Американские ученые и изобретатели
• Автор: Митчел Уилсон
• Издательство: Pyfybt
• Жанр: Научпоп
• Год: 1964

Очерки, посвящённые самым выдающимся учёным и изобретателям Америки, чья деятельность оказывала часто решающие влияние на развитие мировой науки и техники. Рассказывая об их жизни и творчестве, автор в то же время показывает их неразрывную связь с мировой наукой, с мировой культурой. Поэтому содержание книги значительно шире того, что можно предположить по её названию.

Книга представляет собой серию литературных портретов известных американских ученых и изобретателей — Франклина, Морзе, Эдисона, братьев Райт, Фултона, Эли Уитни, Генри, Чарльза Гудийра, Александра Белла, Уилларда Гиббса, Альберта Майкельсона, Роберта Милликена, Ли де Фореста, Ирвинга Пангмюра.

Читателя, который даст себе труд познакомиться с очерками Митчела Уилсона, воскрешающими яркие страницы истории изобретательской мысли, не придётся убеждать в высоких литературных достоинствах этого труда. Писатель выступает не только как острый новеллист, но и как глубокий знаток тех конкретных областей человеческой деятельности, в которых подвизаются его герои.

---

Талант Лангмюра в этом искусстве целых пятьдесят лет давал ему немало возможностей «позабавиться», принес ему почетные дипломы, медали и Нобелевскую премию. Лангмюр же открыл миру больше увлекательных подступов к новым областям знания, чем любой другой из его современников-американцев.

За все эти неожиданные удачи «Дженерал Электрик» платила щедро, но отнюдь не оставалась в накладе. В результате открытий, полученных в собственных лабораториях, «Дженерал Электрик», эта частная американская корпорация, в 1954 году была богаче и могущественней, чем были до первой мировой войны многие вместе взятые европейские королевства и империи, чьи гусары и лейтенанты щеголяли расшитыми мундирами в Вене, Берлине и Париже как раз в то самое время, когда Ирвинг Лангмюр в высоком крахмальном воротничке и брюках с узкими манжетами сошел с поезда на станции Скенектеди (США) в 1909 году.

Маленький мир в стеклянном шаре

«Когда я впервые пришел в „Дженерал Электрик“ в 1909 году, — писал Лангмюр, — большая часть сотрудников лаборатории была поглощена работой над выплавкой вольфрамовой нити».

Вольфрам был превосходным материалом для нитей в лампочках накаливания. Его можно было нагревать до необычайно высоких температур — вплоть до 3100°, — и поэтому он давал значительно более яркий свет, чем другие металлы.

Доктор Кулидж, специалист «Дженерал Электрик» в области рентгеновских лучей, разработал метод выплавки проволоки из вольфрама, но негибкий, ломкий металл ставил перед исследователями множество проблем. Любопытство Лангмюра разожгло то, что до сих пор в лаборатории удалось изготовить всего три нити накаливания, хорошо работающие под переменным током. Все другие оказывались хрупкими и ломкими.

Поскольку докторская диссертация Лангмюра была посвящена газам, он высказал предположение, что одной из причин неудач с вольфрамовой нитью является чрезмерное количество газа, остававшееся в металле при ее изготовлении. Он заявил Уитни, что ему бы хотелось заняться именно этой проблемой. Впрочем, на его решение повлияли и другие обстоятельства: ему еще не приходилось видеть таких превосходных вакуумных аппаратов, каким располагали лаборатории «Дженерал Электрик», и работа над вольфрамовой нитью помогла бы ему как следует ознакомиться с этой новой техникой.

Начав почти наугад, он взял одну лампочку накаливания с вольфрамовой нитью и присоединил ее к необычайно чувствительному прибору, измеряющему низкие давления, — недавно изобретенному манометру Мак-Леода. Ему хотелось проверить, увеличивается ли содержание газа в горящей лампе.

Дня через два манометр Мак-Леода показал, что лампочка наполнена количеством газа, в 7 тысяч раз превышающим объем вольфрамовой нити. Совершенно неожиданный результат! Более того, судя по всему, увеличение количества газа еще не прекратилось. Лангмюр начал опыт, чтобы посмотреть, выделяет ли газ накаленная нить. В ходе опыта он обнаружил так много газа, что стало ясно: источник его значительно больше по размеру, чем проволока толщиной в волосок.

«В то лето я узнал, что стеклянные поверхности, которые предварительно не подвергались длительному прогреванию в вакууме, медленно выделяют водяной пар. Он вступает в реакцию с вольфрамом и образует водород».

«Среди инженеров-электриков существовало мнение, что если бы можно было повысить вакуум в лампе, лампа стала бы работать значительно лучше… Однако я не знал, как добиться большего разрежения, и вместо этого предложил изучить отрицательное действие газов, наполняя газами лампу. Я надеялся, что таким образом настолько хорошо изучу воздействие газа, что смогу экстраполировать до нулевого давления газа и тем самым предсказать, не ставя на самом деле эксперимента, насколько улучшится работа лампы при идеальном вакууме».

После трех лет работы Лангмюр, наконец, смог утверждать, что вольфрамовая нить имеет тенденцию испускать электроны в количестве, зависящем только от ее температуры и не зависящем от количества газа в лампе. Следовательно, идея идеального вакуума для идеальной лампы неверна. Так, в конце концов, Лангмюр пошел наперекор всем установившимся представлениям. Он наполнил лампу азотом. Она горела ярче и была прочнее всех прежних ламп. Благодаря ее эффективности, американские потребители света в один вечер экономили на счетах за освещение целый миллион долларов.

Исходя из результатов того же исследования — действия газов на раскаленную нить, Лангмюр смог предсказать, что триоды де Фореста будут работать с неслыханной чувствительностью, если удастся создать в них вакуум, который, как когда-то полагали инженеры, был необходим для обычных осветительных ламп.

Чтобы достичь такого разрежения, Лангмюр изобрел вакуумный насос, в 100 раз более мощный, чем все существовавшие ранее. С его помощью он мог создавать разрежение, доходящее почти до одной миллионной части атмосферы.

Помня о водяном паре, заключенном в стеклянных стенках лампы, он изобрел специальную печь для прогрева стеклянных вакуумных трубок с одновременным выкачиванием из них газов. Результатом явилась так называется «жесткая» вакуумная трубка, применяемая во всех радиоаппаратах.

Лангмюр улучшил аудионы де Фореста не только путем увеличения разрежения; он также попытался наполнять их большими количествами газа. Когда электроны, вылетавшие из раскаленной нити, бомбардировали газ, в этих трубках появлялись лавины электрического тока. Прежде чем Лангмюру надоели эти исследования, он создал целый ряд трубок, соответствующих различным по силе токам — от микромикроампер до сильнейших разрядов в передающих трубках величиной в человеческий рост.

Ирвинг Лангмюр (в центре) в лаборатории фирмы «Дженерал Электрик». 1912 год.

В 1907 году, когда Ли де Форест обратился за патентом на триод, персонал лаборатории «Дженерал Электрик» в Скенектеди насчитывал 40 ученых и инженеров и 55 технических работников. Через десять лет исследовательский персонал лаборатории «Дженерал Электрик» состоял из 3 тысяч человек.

Научные руководители, подобные Л. Кулиджу и Уитни, окруженные способными сотрудниками, вытеснили изобретателей-одиночек, работающих в своих мастерских. Тем не менее мощь исследовательской группы в конце концов зависела от творческого воображения руководителя исследований. До тех пор, пока в лаборатории удавалось привлечь таких ученых, как Лангмюр, исследовательские группы могли быть уверены, что их работа найдет какое-то практическое применение. С точки зрения дивидендов, лангмюровский метод чистого исследования окупал себя с лихвой.

Наиболее важный результат исследования Лангмюром нити накаливания появился на свет случайно. Испытывая способность вольфрамовых нитей испускать электроны, он случайно взял нить, изготовленную Кулиджем для какой-то особой цели. В испытательном аппарате Лангмюра эта нить начала испускать электроны в дотоле невиданном количестве. Оказалось, что эта вольфрамовая нить была пропитана окисью тория. Когда Лангмюр продолжил наблюдение, он обнаружил, что нить действует лучше всего, если она покрыта слоем окиси тория не толще, чем в одну молекулу.

Как раз в тот момент, когда наука стремилась постигнуть эйнштейновскую вселенную с четырьмя измерениями, Лангмюр стал пионером доселе неизведанного мира двух измерений, полного противоречий, сложности и красоты.

Мономолекулярная масляная пленка

«Я начал работать в лаборатории „Дженерал Электрик“ в 1909 году над явлением высокого вакуума в лампах с вольфрамовой нитью и стал вводить в баллон лампы различные газы, чтобы увидеть, что произойдет, просто ради удовлетворения своего любопытства. Я наполнил баллон азотом, водородом и кислородом и разогрел нить накаливания до 3000° по Цельсию. Произошло нечто весьма удивительное. Прежде всего, кислород образовал пленку на поверхности нити. Пленка эта была такой прочной, что могла бы выдержать даже нагревание до 1500° по Цельсию в течение нескольких лет, и ее нельзя было восстановить водородом. Я наткнулся еще на несколько подобных явлений.

Я обнаружил, что мономолекулярный слой окиси тория на вольфраме может увеличить эмиссию электронов из вольфрамовой нити в вакууме в 100 тысяч раз».

В 1909 году, когда Лангмюр начал работу, существование молекул не было общепризнанным фактом. Милликен в то время еще не ставил своих экспериментов, но все же Лангмюр утверждал, что «уже можно считать доказанным, что атомы и молекулы — реальные вещи». «Тогда я сказал себе: если это так, доведи эту мысль до конца».

Лангмюр наблюдал за поведением нерастворимых веществ на поверхности жидкости. То были обыкновенные пленки смазочного масла, плававшие в тазу с водой, но Лангмюр сумел претворить свои наблюдения в проницательные выводы относительно размеров и формы молекул в пленке и их химии.