Гильом был известным метрологом конца прошлого века. Он один из специалистов, создавших платино-иридиевые эталоны метра. Эти металлические стержни перестали применять после того, как в 1890 г. Альберт Майкельсон, сконструировав свой интерферометр, создал тем самым новый эталон метра — на оптической основе. Однако эталоны других единиц измерения остались в виде металлических образцов.

В 1899 г. Шарль Гильом начал исследовать сплавы никеля со сталью. В зависимости от относительного содержания компонентов он получал материалы различного качества. Один из таких сплавов практически не испытывал линейного расширения при нагревании. Он был назван «инваром» (от латинского «инвариабилис», что значит «неизменный»). Другой сплав, названный «элинваром», сохранял свою эластичность неизменной в широком интервале температур.

Исследование Гильомом сплавов никеля со сталью явилось большим вкладом в метрологию, и этот вклад был оценен присуждением ученому Нобелевской премии по физике за 1920 г. Но кроме чистой науки они имели важное значение и для практики. Миллионы часов изготовлены из специальных сплавов, созданных швейцарским физиком. Его награждение — хотя и на короткое время — привлекло внимание общественности к области науки, которая не пользовалась особой популярностью.

«Наковальни Бриджмена»

Влекомые стремлением познать неизвестное, ученые подвергают вещество сверхсильным воздействиям, пытаясь выяснить, что с ним при этом происходит. Сверхвысокие температуры — это физика плазмы. Сверхнизкие температуры — царство сверхпроводимости и квантовых жидкостей. Существует также физика сверхвысоких давлений. Пионером в этой области по праву считается профессор Гарвардского университета Перси Уильяме Бриджмен. До него исследовались давления до 3 тыс. атм. Он поднял эту цифру до 500 тыс., а сегодня его последователи достигли 6 млн. атм., или 6 мегабар.

Физика сверхвысоких давлений целиком зависит от техники. Обычный поршневой пресс позволяет получать давление максимум в 50 тыс. атм. Выше этого предела самые прочные поршни и цилиндры разрушаются. Принципиальным новшеством стали «наковальни Бриджмена», в которых давление создается в тонком слое вещества, заключенного между коническими поршнями.

Если поршни изготовить из прозрачного материала, например из алмаза, то можно непосредственно наблюдать за тем, что происходит с веществом при сверхвысоких давлениях.

Превысив определенный предел, возрастающее давление приводит к изменению упорядоченной атомной и молекулярной структуры вещества, в результате чего вещество переходит в новые состояния, которые физики называют фазами. В некоторых случаях после охлаждения или снятия давления состояние, достигнутое в весьма специфических условиях, сохраняется. Примером может служить закаленная сталь, которая получается при быстром охлаждении раскаленной докрасна стали, или алмаз, который образуется из графита при давлении в 100 тыс. атм и температуре 2000° С, но сохраняет свои свойства и при нормальных условиях.

С помощью своей аппаратуры Бриджмен получил шесть разновидностей льда. В экстремальных условиях, создаваемых «наковальнями», он осуществил широкие исследования электрической проводимости металлов, фазовых превращений, прочности материалов, вязкости, сжимаемости и других свойств веществ.

Работы Перси Бриджмена получили высокую оценку — в 1946 г. он был удостоен Нобелевской премии за создание аппаратуры для получения сверхвысоких давлений и за открытия в этой области.[8]

Данная область физики оказалась весьма важной в практическом отношении. Уже в 1955 г. были созданы первые искусственные алмазы, и сегодня существует целая отрасль промышленности, занимающаяся их производством, которая особенно развита в Советском Союзе. Сегодня на повестку дня поставлен вопрос о получении металлического водорода и других экзотических материалов. Техника сверхвысоких давлений дает возможность моделировать различные процессы, которые, как предполагается, происходят в недрах нашей планеты. Вряд ли когда-нибудь ученым удастся достичь «центра» Земли, о чем фантазировал Жюль Верн, но, во всяком случае, «наковальни Бриджмена» помогут нам получить представление о том, что там происходит.

Путь к абсолютному нулю

В конце XIX в. широкое распространение получили опыты по сжижению газов. Исследователям удалось получить жидкие кислород, водород и гелий; появились и технические средства, необходимые для создания сверхнизких температур. Эксперименты такого рода привели в конце концов к важным результатам: в физике были открыты явления сверхтекучести и сверхпроводимости, в химии — группа инертных газов.

Первые научные исследования свойств газов относятся к XVII в. Англичанин Роберт Бойль и француз Эдм Мариотт установили закон изменения объема данной массы газов от давления при постоянной температуре. В конце XVIII в. нидерландский физик Мартин Ван Марум, занимаясь экспериментальной проверкой закона I Бойля — Мариотта, обнаружил, что при давлении в 7 атм. газообразный аммиак переходит в жидкое состояние. Незадолго до этого Антуан Лоран Лавуазье обратил внимание на роль охлаждения. Идя этими двумя путями (используя высокое давление и низкие температуры), ученые XIX в. пытались сжижать газы.

В 60-е годы прошлого века Томас Эндрюс из Королевского колледжа в Белфасте провел серию экспериментов, желая выяснить, как влияют давление и температура на состояние вещества и на его переход из жидкого состояния в газообразное. Он выявил интересные закономерности, которые впоследствии были обобщены Яном Дидериком Ван-дер-Ваальсом. В 1873 г. этот нидерландский физик вывел уравнение состояния реального газа, в котором учитывались объем молекул и силы взаимодействия между ними. Работа Ван-дер-Ваальса имела большое значение как для физики, так и для химии, поскольку в ней впервые агрегатное состояние вещества рассматривалось с точки зрения атомистических представлений о его микроструктуре.

В 1910 г. Нобелевский комитет по физике наконец принял решение о присуждении премии видному исследователю, который сделал свои открытия несколько десятилетий назад, — тем самым, казалось бы, нарушались условия, оговоренные в завещании Альфреда Нобеля, В период, когда началось интенсивное исследование строения атома, Ван-дер-Ваальс стал лауреатом Нобелевской премии, так как он первым показал реальность существования молекул.

В конце прошлого столетия исследованием поведения газов при сверхнизких температурах занимался и известный английский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей). Он хотел проверить гипотезу Уильяма Праута о том, что все химические элементы образуются путем «конденсации» атомов водорода. Определяя вес атмосферных газов, Рэлей установил, что атмосферный азот тяжелее азота, полученного химическим путем. В сущности, это было установлено еще в XVIII в., после того как Генри Кавендиш провел в 1785 г. соответствующие эксперименты. Однако это открытие, как и многие другие работы талантливого, но очень замкнутого ученого, долгое время оставалось неизвестным научной общественности.

В 1892 г. Рэлей публикует результаты своих исследований, из которых следовало, что в атмосфере присутствует какой-то неизвестный элемент. Два года спустя Рэлей вместе с химиком Уильямом Рамзаем сумел идентифицировать это вещество. Они показали, что в воздухе имеется химически инертный газ, относительное содержание которого составляет один процент. Поскольку этот газ не вступал ни в какие химические реакции, он получил греческое название «аргон» (что в переводе означает «инертный»).

Химик Рамзай сразу же понял, что здесь он имеет дело с особым химическим элементом. Из таблицы Менделеева следовало, что наряду с гелием должна существовать целая группа инертных элементов, обнаружение которых могло бы придать законченность этой системе классификации. Рамзай приступил к интенсивным исследованиям, завершившимся в 1895 г. получением гелия. Ранее этот элемент был открыт лишь на Солнце — при исследовании солнечного спектра. В последующие три года упорной работы были открыты и остальные газы, относящиеся к этой группе: криптон, ксенон и неон. Последний представитель группы инертных газов — радиоактивный радон — обнаружен Рамзаем в 1903 г.