Несколько дней назад один магистр, который всё ещё молодой человек и поэтому получил современное образование, сказал мне, что до двадцати лет он никогда ничему не учился касательно природных явлений или природных законов. Двенадцать лет своей жизни он провёл исключительно среди древних авторов. К сожалению, это типичный случай. Однако мы не можем без ущерба для человечества отделять настоящее от прошлого.
John Tyndall был известным ирландским физиком XIX века. Его первая научная известность пришла в 1850-х годах благодаря его исследованиям диамагнетизма. Позже он сделал открытия в области инфракрасного излучения и физических свойств воздуха, доказав связь между атмосферным CO2 и тем, что сейчас известно как парниковый эффект, в 1859 году.
Tyndall также опубликовал более дюжины научных книг, которые познакомили широкую аудиторию с передовой экспериментальной физикой XIX века. С 1853 по 1887 год он был профессором физики в Королевском институте Великобритании в Лондоне.
Ранние годы и образование
Tyndall родился в Leighlinbridge, графство Карлоу, Ирландия. Его отец был местным полицейским констеблем, потомком выходцев из Gloucestershire, которые поселились в юго-восточной Ирландии около 1670 года. Tyndall посещал местные школы Ballinabranna Primary School в графстве Карлоу до позднего подросткового возраста и, вероятно, был учителем-помощником в конце своего времени там. Предметы, изученные в школе, заметно включали техническое черчение и математику с некоторыми применениями этих предметов к землемерию. Он был нанят чертёжником в Ordnance Survey of Ireland в позднем подростковом возрасте в 1839 году и перешёл на работу в Ordnance Survey for Great Britain в 1842 году. В течение 1840-х годов происходил бум строительства железных дорог, и опыт Tyndall в землемерии был ценным и пользовался спросом у железнодорожных компаний. С 1844 по 1847 год он был хорошо оплачиваемым сотрудником при планировании строительства железных дорог.
В 1847 году Tyndall решил стать учителем математики и землемерия в Queenwood College, интернате в Hampshire. Вспоминая позже это решение, он писал: «желание интеллектуально развиваться не покидало меня; и когда работа на железной дороге замедлилась, я принял в 1847 году должность учителя в Queenwood College». Другой недавно приехавший молодой учитель в Queenwood был Edward Frankland, который ранее работал ассистентом химической лаборатории в British Geological Survey. Frankland и Tyndall стали хорошими друзьями. Опираясь на предыдущие знания Frankland, они решили поехать в Германию, чтобы продолжить своё образование в науке. Среди прочего, Frankland знал, что некоторые немецкие университеты опережали любые британские в экспериментальной химии и физике. Британские университеты по-прежнему сосредоточивались на классике и математике, а не на экспериментальной науке. Пара переехала в Германию летом 1848 года и поступила в University of Marburg, привлечённые репутацией Robert Bunsen как учителя. Tyndall учился у Bunsen в течение двух лет. Возможно, более влиятельным для Tyndall в Marburg был профессор Hermann Knoblauch, с которым Tyndall долгие годы поддерживал переписку. Диссертация Tyndall в Marburg была математическим анализом винтовых поверхностей в 1850 году под руководством Friedrich Ludwig Stegmann. Tyndall остался в Германии ещё на год для проведения исследований магнетизма с Knoblauch, включая несколько месяцев пребывания в берлинской лаборатории главного учителя Knoblauch, Heinrich Gustav Magnus. Ясно, что Bunsen и Magnus были одними из самых лучших преподавателей экспериментальной науки эпохи. Таким образом, когда Tyndall вернулся в Англию летом 1851 года, он, вероятно, имел столь же хорошее образование в экспериментальной науке, как и кто-либо в Англии.
Ранняя научная работа
Ранняя оригинальная работа Tyndall в физике была его экспериментами с магнетизмом и диамагнитной полярностью, над которыми он работал с 1850 по 1856 год. Его два наиболее влиятельных доклада были первыми двумя, написанными в соавторстве с Knoblauch. Один из них был озаглавлен «The magneto-optic properties of crystals, and the relation of magnetism and diamagnetism to molecular arrangement», датированный май 1850 года. Они описали вдохновляющий эксперимент с вдохновляющей интерпретацией. Эти и другие исследования магнетизма вскоре сделали Tyndall известным среди ведущих учёных того времени. Он был избран членом Royal Society в 1852 году. В поисках подходящей исследовательской должности он смог попросить долгомного редактора ведущего немецкого физического журнала Poggendorff и других видных деятелей написать рекомендации в его пользу. В 1853 году он получил престижную должность профессора натуральной философии (физики) в Royal Institution в Лондоне, во многом благодаря уважению, которое его работа завоевала у Michael Faraday, лидера исследований магнетизма в Royal Institution. Примерно десятью годами позже Tyndall был назначен преемником должностей, занимаемых Michael Faraday в Royal Institution, после выхода Faraday на пенсию.
Альпийский альпинизм и гляциология
Tyndall посетил горы Alps в 1856 году в научных целях и в конечном итоге стал пионером горного скалолазания. Он посещал Alps почти каждое лето с 1856 года, был членом самой первой команды альпинистов, достигнувшей вершины Weisshorn в 1861 году, и руководил одной из первых команд, достигнувших вершины Matterhorn в 1868 году. Он является одним из имён, связанных с «Золотым веком альпинизма» — временем середины викторианской эпохи, когда самые сложные альпийские вершины были покорены впервые.
В Alps Tyndall изучал ледники и в особенности движение ледников. Его объяснение ледникового течения привело его в спор с другими, в частности с James David Forbes. Большая часть ранней научной работы по движению ледников была проделана Forbes, но Forbes в то время не знал о явлении регеляции, которое немного позже открыл Michael Faraday. Регеляция сыграла ключевую роль в объяснении Tyndall. Forbes совсем не видел регеляцию так же. Осложняя их дебаты, публично возник спор о том, кто заслуживает получить заслугу исследователя за что. Красноречивые друзья Forbes, а также сам Forbes считали, что Forbes должен получить признание за большую часть хорошей науки, тогда как Tyndall считал, что признание следует распределять более широко. Tyndall прокомментировал: «Идея полужидкого движения принадлежит полностью Louis Rendu; доказательство более быстрого центрального течения принадлежит отчасти Rendu, но почти полностью Louis Agassiz и Forbes; доказательство замедления на дне принадлежит исключительно Forbes; в то время как открытие локуса точки максимального движения принадлежит, я полагаю, мне». Когда Forbes и Tyndall были похоронены, их разногласие было продолжено их соответствующими официальными биографами. Все пытались быть разумными, но согласия не было достигнуто. Более разочаровывающим является то, что некоторые аспекты движения ледников остались не понятны или не доказаны.
Tyndall Glacier, расположенный в Chile, и Tyndall Glacier в Colorado были названы в честь John Tyndall, как и Mount Tyndall в California и Mount Tyndall в Tasmania.
Основная научная работа
Работа с ледниками привлекла внимание Tyndall к исследованиям de Saussure эффекта нагревания солнечным светом и концепции Fourier, разработанной Pouillet и William Hopkins; что тепло от солнца проникает через атмосферу легче, чем «тёмное тепло» инфракрасное «земное излучение» от нагретой Земли, вызывая то, что мы сейчас называем парниковым эффектом. Весной 1859 года Tyndall начал исследования того, как тепловое излучение, видимое и тёмное, влияет на различные газы и аэрозоли. Он разработал дифференциальную абсорбционную спектроскопию, используя электромагнитный термопил, созданный Melloni. Tyndall начал интенсивные эксперименты 9 мая 1859 года, сначала без значительных результатов, затем улучшил чувствительность аппарата и 18 мая написал в своём журнале «Экспериментировал весь день; предмет полностью в моих руках!» 26 мая он представил Royal Society записку, которая описывала его методы, и заявил «За исключением знаменитого мемуара М. Pouillet о солнечной радиации через атмосферу, насколько мне известно, ничего не было опубликовано о передаче лучистого тепла через газообразные тела. Мы ничего не знаем о влиянии даже воздуха на тепло, излучаемое земными источниками».
10 июня он продемонстрировал исследования на лекции в Royal Society, отметив, что светильный газ и эфир сильно поглощали инфракрасное лучистое тепло, и его экспериментальное подтверждение концепции парникового эффекта; что солнечное тепло пересекает атмосферу, но «когда тепло поглощается планетой, оно настолько меняет качество, что лучи, исходящие от планеты, не могут с той же свободой вернуться в космос. Таким образом, атмосфера допускает вход солнечного тепла; но препятствует его выходу, и результатом является тенденция к накоплению тепла на поверхности планеты».
Исследования Tyndall действия лучистой энергии на составляющие воздуха привели его к нескольким направлениям исследований, и его первоначальные результаты исследований включали следующее:
- Tyndall объяснил тепло земной атмосферы с точки зрения способности различных газов в воздухе поглощать лучистое тепло в форме инфракрасного излучения. Его измерительное устройство, которое использовало технологию термопила, является ранней вехой в истории абсорбционной спектроскопии газов. Он был первым, кто правильно измерил относительные инфракрасные абсорбционные способности газов азот, кислород, водяной пар, углекислый газ, озон, метан и другие газы-следы и пары. Он пришел к выводу, что водяной пар является самым сильным поглотителем лучистого тепла в атмосфере и является главным газом, контролирующим температуру воздуха. Поглощение другими газами незначительно, но относительно мало. До Tyndall широко предполагалось, что земная атмосфера нагревает поверхность в том, что позже называлось парниковым эффектом, но он был первым, кто это доказал. Доказательством было то, что водяной пар сильно поглощает инфракрасное излучение. В связи с этим, Tyndall в 1860 году был первым, кто продемонстрировал и количественно определил, что визуально прозрачные газы являются инфракрасными излучателями.
- Он разработал демонстрации, которые продвинули вопрос о том, как лучистое тепло поглощается и испускается на молекулярном уровне. Он, похоже, был первым человеком, который экспериментально продемонстрировал, что излучение тепла в химических реакциях имеет своё физическое происхождение в только что созданных молекулах в 1864 году. Он создал поучительные демонстрации с участием накаливания инфракрасного излучения в видимый свет на молекулярном уровне, которые он называл калоресценцией в 1865 году, в которых он использовал материалы, прозрачные для инфракрасного излучения и непрозрачные для видимого света или наоборот. Обычно он называл инфракрасное излучение «лучистым теплом», а иногда «ультра-красными колебаниями», так как слово «инфракрасный» не начал входить в использование до 1880-х годов. Его основные доклады 1860-х годов были переизданы как 450-страничный сборник в 1872 году под названием Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat.
- При исследованиях лучистого тепла в воздухе было необходимо использовать воздух, из которого были удалены все следы плавающей пыли и других частиц. Очень чувствительный способ обнаружения частиц — это облить воздух интенсивным светом. Рассеивание света частицами примесей в воздухе и других газах, а также в жидкостях, известно сегодня как эффект Tyndall или рассеивание Tyndall. При изучении этого рассеивания в конце 1860-х годов Tyndall получил пользу от недавних улучшений в электрических лампах. Он также имел в своём распоряжении хорошие концентраторы света. Он разработал нефелометр и подобные приборы, которые показывают свойства аэрозолей и коллоидов через сконцентрированные световые лучи на тёмном фоне и основаны на использовании эффекта Tyndall. При сочетании с микроскопами результатом является ультрамикроскоп, который был разработан позже другими.
- Он был первым, кто наблюдал и сообщил о явлении термофореза в аэрозолях. Он заметил его вокруг горячих объектов при исследовании эффекта Tyndall с фокусированными световыми лучами в тёмной комнате. Он разработал лучший способ продемонстрировать его, а затем просто сообщил об этом в 1870 году, без углубленного изучения физики этого явления.
- В экспериментах с лучистым теплом, требовавших большого лабораторного мастерства в начале 1860-х годов, он показал для различных легко испаряющихся жидкостей, что молекула за молекулой паровая форма и жидкая форма имеют по существу одинаковую способность поглощать лучистое тепло. В современных экспериментах с использованием узкополосных спектров находят некоторые небольшие различия, которые оборудование Tyndall не мог обнаружить; см., например, спектр поглощения H2O.
- Он консолидировал и усилил результаты Desains, Forbes, Knoblauch и других, демонстрирующие, что главные свойства видимого света могут быть воспроизведены для лучистого тепла — а именно отражение, преломление, дифракция, поляризация, депольяризация, двойное преломление и вращение в магнитном поле.
- Us
