Беспокойный гений Эрнста Хладни
Алина Иосифовна Еремеева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ГАИШ.
1756-1827.
В истории науки Эрнст Флоренс Фридрих Хладни известен прежде всего как основоположник экспериментальной акустики. Но в не меньшей степени он заслуживает имени “отца метеоритики” - по существу открытой им области естествознания, сформировавшейся на стыке астрономии, физики, химии, минералогии, метеорологии и революционным образом изменившей астрономическую картину мира.
Формирование личности
Восточная Германия. В округе Лейпцига, не далее 75 км от него, расположились небольшие города Виттенберг (ныне Лютерштадт-Виттенберг), Кемберг и Гримма. Это родные места Хладни. Здесь он родился, получил образование и две ученые степени. Но вовсе не в естественных науках. В них он был великим самоучкой, достигшим своих вершин путем чтения литературы и упорных экспериментальных поисков в неисследованных областях науки. Его успехам способствовали неиссякаемая энергия и исследовательский энтузиазм.
Эрнст Флоренс Фридрих Хладни появился на свет 30 ноября 1756 г. в уже упомянутом Виттенберге. После смерти пятимесячной сестры (еще до его рождения) он оставался единственным ребенком придворного советника, первого профессора права и директора юридического факультета Виттенбергского университета Эрнста Мартина Хладениуса и его жены Иоганны Софии, урожденной Клемент [1]. Прадед исследователя - протестантский пастор - переселился сюда в конце XVII в. из венгерского города Кремница (ныне это Кемниц, Германия), спасаясь от религиозных притеснений, и стал профессором теологии [2]. Э.Ф.Ф.Хладни отказался от латинизированной формы своей фамилии и вернул ей первоначальное начертание, которое говорит скорее о словацких (похоже на Хладный), а не венгерских корнях рода. (Словакия с XI в. до 1918 г. входила в состав Венгерского королевства.)
Потеряв мать, когда ему не было и пяти лет, Хладни рос под строгим контролем отца, а затем, с 14 до 17, в местной школе Гриммы под не менее строгим надзором ее педантичного директора Мюкка. В своей автобиографии [3], написанной в зрелом возрасте, Хладни с благодарностью отозвался о них обоих. Он отметил, что они способствовали укреплению в нем таких свойств характера, как трудолюбие, любовь к порядку и целеустремленность, нетребовательность в быту. С особой теплотой Хладни вспоминал свою мачеху Иоганну-Шарлотту, которая заменила ему мать и заботы о которой еще несколько лет после смерти отца, до самой ее кончины (1801), удерживали его от дальних поездок. Правда, чрезмерная забота о нем самом в детстве, о его здоровье (весьма крепком всю жизнь!), когда ему не позволялось одному выходить из дома даже в небольшую непогоду, играть с другими детьми, сделали его детские годы довольно безрадостными… Человек от природы мягкий, Хладни тем не менее страдал от излишнего принуждения.
По настоянию отца Хладни, склонявшийся к изучению медицины, стал, следуя семейной традиции, изучать (и с успехом) юридические науки в университетах Виттенберга, а затем Лейпцига, где получил в 1781 и 1782 гг. степени доктора философии и доктора права. Но сразу же после смерти отца (1782), вырвавшись из-под длительной опеки, целиком переключился на естественнонаучные исследования.
Склонность к изучению природы у Эрнста Флоренса проявилась в детские годы. Уже в шесть-семь лет он читал описания путешествий, книги по естествознанию, географии, изучал земные и небесные глобусы. В одной из своих статей он вспоминал, как еще в 12 лет задавался вопросом: почему между Марсом и Юпитером такое излишне огромное пустое пространство…
Странствия Хладни и его “Акустика”
Лишь в 19 лет он стал учиться игре на рояле. Увлекшись музыкой, он заинтересовался книгами по теории музыки и звука вообще. Познакомившись с трудами И.Бернулли и Л.Эйлера, он узнал о многих нерешенных проблемах в этой области, таких как скорость звука в разных средах и телах, зависимость звучания (высоты звука) от плотности среды. Хладни погрузился в бесконечные эксперименты. Влияние плотности на звук он изучал с помощью маленькой оловянной флейты, в которую вдувались различные газы. В опытах по сравнению скорости звука в воздушном столбе трубы оргaна и в металлическом стержне он впервые доказал, что в последнем случае скорость не бесконечна (как считалось!), а лишь в 16-17 раз выше, чем в воздухе. Аналогичный результат независимо от Хладни получил и французский физик Ж.Б.Био [2]. Хладни принадлежит заслуга открытия продольных колебаний стержней и струн, а затем и крутильных колебаний стержней; формы колебаний камертонов и колоколов.
В этот период в его жизнь вошел гениальный гёттингенский физик-мыслитель Г.К.Лихтенберг, дважды сыгравший для Хладни, по его собственным словам, роль “повивальной бабки”. В 1771 г. были открыты знаменитые фигуры Лихтенберга - картина поверхностного электрического разряда, возникающая при проскакивании искры на пластинку из непроводящего материала (стекло), посыпанную непроводящим же порошком (смоляными крошками, например). Под впечатлением от этого открытия Хладни решил проверить, какова будет реакция гибких пластин с порошком, если провести смычком по их краю. Так в 1787 г. появились его знаменитые звуковые фигуры, которые он описал в своем первом научном сочинении “Открытия в теории звука” (Лейпциг, 1787; репринтное издание в 1980 г.). Они показали распределение стоячих волн, возникающих при вибрации пластинки, и стали в дальнейшем эффективным методом изучения собственных колебаний диафрагм различных акустических приборов. В 1818 г. Хладни в одном из писем сообщал об остроумном применении его звуковых фигур одним строителем в Кобленце: для совмещения отверстий в каменной плите лестницы перед сверлением ее снизу строитель посыпал плиту песком, который при сверлении немного разрежался, точно указывая место для встречного сверления сверху.
Чтобы удовлетворить свою вторую страсть - тягу к путешествиям, Хладни отказался от официальной службы (а его ожидала должность профессора университета). Поэтому он никогда не имел твердого материального дохода и жил на скромные средства, получаемые от выступлений во время своих бесчисленных поездок. Он исколесил всю Европу, побывал в России. В своей автобиографии, предварявшей его главный труд по физике “Акустика” [3], он писал, что ему следовало бы стать моряком или купцом, или же врачом. С поразительной искренностью он признавался, что в выборе его занятий существенную роль сыграло тщеславие, стремление проявить свою личность, подавляемую в юности.
Неограниченная природная любознательность, трудолюбие и целеустремленность направляли его внимание и силы в наименее затронутые наукой области явлений. И он добился в этих областях больших успехов. Вместе с тем как занятия чистой наукой, так и нерегулярное чтение лекций в университетах (сначала в Виттенберге - по физической и математической географии, по геометрии, затем в течение трех лет в Берлине - по акустике) давали незначительные доходы, и Хладни был постоянно в бедственном положении. Это послужило толчком - искать успеха в практической деятельности, в области изобретательства и искусства, что вызывает больший отклик в обществе.
Вдохновленный опытами некоего Мезоччи со звучащими гибкими пластинками, Хладни задумал принципиально новый музыкальный инструмент и в 1789 г. создал свой “эуфон” (в переводе с греческого - благозвучный), а на следующий год уже мог продемонстрировать игру на нем. Этот инструмент представлял собой набор небольших прямых стеклянных трубочек, соединенных с кривыми стержнями. Звучание, которое вызывалось вибрацией от продольного трения трубочек увлажненными пальцами, напоминало звук гармоники. Он усиливался резонатором, помещавшимся сначала за трубочками, а затем горизонтально под ними. Широкий отклик на это изобретение в немецких газетах и музыкальном журнале, а затем и в известном английском “Философском сборнике” подсказал Хладни идею музыкальных выступлений на публике, которые он дополнял лекциями по акустике и демонстрацией звуковых фигур.
Так начиналась давно желанная для него жизнь странствующего “артиста-ученого”. Публика воспринимала выдающегося физика как оригинального музыканта-изобретателя. А его звуковые фигуры поражали не меньше, чем фокусы. 31 мая 1794 г. Хладни был удостоен чести выступать как лектор и музыкант в Петербургской академии наук, которой был посвящен его труд 1787 г. Директор Академии княгиня Е.Р.Дашкова удостоила его звания иностранного корреспондента Академии.
Конструкция эуфона была громоздкой и непрочной. На обратном пути, в долгом плавании по Балтийскому морю из Ревеля (Таллин) во Фленсбург (тогда в Дании), Хладни не только нашел способ усовершенствовать эуфон, но и придумал по сути новый инструмент, который назвал “клавицилиндр”. Окончательно его конструкция была завершена к 1802 г. Он напоминал квадратное пианино размером 805018 см (длина, ширина и толщина резонирующего футляра), где помещался звуковой, теперь уже единственный цилиндр. Цилиндр был соединен с клавиатурой и ножной педалью, с помощью которой и махового колеса цилиндр (также смачиваемый время от времени) приводился во вращение [2, 4]. Музыка, напоминавшая звуки гармоники, вызывалась трением об него искривленных металлических стержней. Он не требовал настройки, обеспечивал возможность не просто ударного, но протяжного звучания и был намного благозвучнее эуфона. Его внутреннее устройство Хладни держал в секрете, так как, по его словам, этот инструмент был главным средством его “пропитания”. Описание нового инструмента, как и всего комплекса своих акустических исследований, Хладни изложил в уже упомянутом большом сочинении “Акустика”.
Клавицилиндр.
В Европе между тем разгоралась война нового претендента на мировое господство - Наполеона I. Затруднилось распространение научной информации между странами. Несмотря ни на что, Хладни предпринимает одну за другой свои обширные поездки, иногда возвращаясь в Виттенберг, к которому в 1806 г. уже приближались военные действия. Вместе с местной профессурой ему пришлось укрываться в соседнем Кемберге. Позднее, в 1814 г., он совершит мужественный поступок - спасет от пожара (при обстреле пруссаками) важные документы города, хранившиеся в Виттенбергской крепости, в то время как многие из его дорожных записей погибли в его собственном горящем доме. К счастью, удалось уберечь от огня музыкальные инструменты, уникальную (метеоритную!) коллекцию и портреты музыкантов [5].
А в 1803 г., оказавшись в Веймаре, Хладни знакомится с Гёте и обсуждает с ним акустические проблемы. В 1808 г. прибывает в Париж, где демонстрирует перед Наполеоном, перед П.С.Лапласом и перед К.Л.Бертолле свой клавицилиндр и звуковые фигуры. Пораженный император назвал Хладни человеком, который сделал видимым звук. Хладни был польщен двухчасовой аудиенцией у Наполеона (между прочим, в знак уважения к заслугам Хладни Наполеон приказал выделить ему на время пребывания в Париже 6 тыс. франков). Но восторженное отношение к великому полководцу Хладни бесповоротно утратил, когда Наполеон объявил себя императором. В ноябре 1809 г. в Париже выходит сделанный самим Хладни по просьбе французских физиков французский перевод “Акустики”. В 1810-1812 гг. он продолжает поездку с лекциями и выступлениями по Швейцарии (Цюрих и Женева), Италии (Турин, Милан, Павия, Болонья, Флоренция, Венеция) и возвращается через Падую, Верону, Мюнхен, Вену и Карлсбад. Опасаясь разбойников, Хладни путешествовал в карете с двойным дном, чтобы уберечь свои коллекции.
Считая акустические занятия и особенно инструменты главным своим достижением, Хладни опубликовал в Лейпциге “Новый вклад в акустику” (1817), “Вклад в практическую акустику и в учение о строительстве инструментов” (1821), где подробно описал новый эуфон (первый давно разбился в дороге) и клавицилиндр. Посмертно выйдут его сочинения “Краткий обзор учения о звуке и тонах с приложением, развитием и расположением соответствующих соотношений тонов” (1827) и второе неизмененное издание его фундаментального труда “Акустика” (1830). Хладни избрали своим членом помимо Петербургской академии ученые общества Гёттингена и Эрфурта, а также Берлинское общество друзей-естествоиспытателей.
“Огненные шары” и аэролиты
Реальность метеоритов отрицалась наукой XVIII в. Физическая картина мира, созданная Ньютоном, не допускала падения “камней с неба”. После первого официального исследования парижскими академиками образцов каменного метеорита “Lucй” (1772) была установлена (соответственно уровню науки того времени) неотличимость их состава от земных пород. Аэролиты (воздушные камни) причислили к фульгуритам - земным породам, оплавленным молнией, справедливо отбросив их древнее толкование как творений самого грома (“громовые камни”). Ученые отметили при этом и важные особенности “камней” - их насыщенность железом (отсюда больший удельный вес, чем у обычных камней), оплавленность (черная корка) при совершенно неизмененной внутренней структуре камня (правильно объяснив последнее как свидетельство сильного, но кратковременного нагрева!). Итак, были выявлены ясные для каждого современного исследователя первые признаки метеоритов вообще! Но тогда это прозвучало как аргумент в пользу наземного кратковременного воздействия огнем молнии, притянутым железистой массой [6]. Кстати, падение метеоритов часто связывали с грозой, принимая за молнию полет и взрыв болида - “огненного шара”.
После революционного обновления Б.Франклином представлений о физике земной атмосферы наиболее трудно “стираемым” белым пятном среди наблюдаемых в небе нерегулярных световых явлений оставались “огненные шары”. Они сильно отличались и от беззвучных падающих звезд, и от молнии, даже шаровой, по многим признакам. Их громоподобный взрыв сопровождался целой серией новых звуковых эффектов, которые сравнивали с ружейной пальбой, грохотом при разрушении дома и т.п. Огненный шар, как правило, проносился по небу наклонно вниз или даже почти горизонтально, т.е. обладал собственной скоростью. Нередко он оставлял за собой дымный хвост, указывая на горение какой-то плотной материи… Начавшиеся еще в XVII в. первые оценки высот и скоростей, а также размеров огненных шаров поражали: высоты до нескольких сотен километров - еще не “астрономические”, но и слишком большие для сгущения таких шаров в земной атмосфере; скорости - до десятков километров в секунду, т.е. “космические”, как у планет; огромные, километровые, размеры головы!
Э.Галлей в 1714 г. первым высказал верную идею, что это случайные сгустки космической материи, встречаемые Землей на ее пути вокруг Солнца. Однако и она противоречила ньютоновой картине мира с ее пустым межпланетным пространством. Поэтому спустя пять лет он отказался от нее. В XVIII в. были опубликованы две новые сходные космические (!) гипотезы болидов - Д.Прингля в Англии (1759) и Д.Риттенхауза в США (1786). Но обе остались незамеченными. Наибольшее распространение и признание получила в XVIII в. атмосферно-электрическая теория огненных шаров Ч.Благдена (1784). Эту теорию приняли и физики, в том числе Лихтенберг.
О природе болидов и “метеорных камней”
При встрече в Геттингене в феврале 1793 г. с Лихтенбергом Хладни завел речь о внутренней противоречивости атмосферно-электрического объяснения болидов. Хладни указывал на слабости этой теории, проявив достаточную осведомленность в вопросах физики атмосферы, а также относительно параметров и общей картины болидов. Под напором его логики Лихтенберг высказал мысль, что в таком случае огненные шары должны порождаться чем-то чуждым Земле, что приходит в ее атмосферу извне.
Идея поразила Хладни. Следуя совету Лихтенберга, он серьезно взялся за изучение проблемы болидов по историческим хроникам и уже вскоре как юрист убедился в достоверности свидетельств о них. Он обратил внимание на их космические параметры (скорости и направление движений) и более того - убедился, что нередко после взрыва такого “огненного шара” на землю действительно выпадали твердые массы - каменные, а иногда и железные. Установленный таким способом факт Хладни назвал “исторической истиной”. Тем самым он давал ответ и на пожелание и призыв знаменитого шведского химика О.Бергмана - попытаться найти вещество упавшего огненного шара: