Susipažinkime su V. K. Rentgenu. I dalis: pamatyti nematoma - pasaulis kitomis akimis (3)

2013-12-21

Svarbiausias gamtos mokslų uždavinys – atverti langą į pasaulio pažinimą. Žmogiškieji klausos, regos ir kiti jutimai šiam tikslui yra nepakankami, nes riboti. Visa mūsų regima šviesa su visomis vaivorykštės spalvomis tėra siauras ruoželis elektromagnetinių bangų dažnių skalėje. Realus pasaulis yra margesnis ir keistesnis nei savo intuicija bei jutimais galėtume numanyti. Mes esame tarsi kaliniai Platono „Valstybėje“ aprašytame urve – matome tikrojo pasaulio šešėlius, bet ne patį pasaulį. Todėl itin reikšminga modernaus mokslo progreso dalimi tapo technologija, gebanti praplėsti šiuos jutimus ir surinkti tą pasaulio teikiamą informaciją, kurios savo natūralių receptorių pagalba tiesiog nepastebėtume.

Šiame kontekste ypač svarbus buvo XIX – XX amžiaus vokiečių fizikas Vilhelmas Konradas Rentgenas (Wilhelm Conrad Röntgen), atradęs trumpąsias elektromagnetines bangas, dabar vadinamas X arba rentgeno spinduliais. Rentgeno atradimas nebuvo fundamentali fizikos naujovė. Elektromagnetinių bangų egzistavimą keliasdešimčia metų anksčiau numatė škotų mokslininkas Džeimsas Klarkas Maksvelas (James Clark Maxwell), o eksperimentiškai įrodė Vokietijos fizikas Heinrichas Rudolfas Hercas (Heinrich Rudolf Hertz). Tačiau Rentgeno atrasti katodiniai spinduliai buvo aukštesnio dažnio ir trumpesnių bangų, nei tuo metu jau žinomos ultravioletinės bangos. Jų reikšmė pasauliniam mokslo progresui – didžiulė. Rentgeno spinduliai, galintys peršviesti kiaurai kūną, buvo plačiai ir sėkmingai pritaikyti medicinoje (tiek diagnostikos, tiek terapijos srityje), astronomijoje bei tolesnėje fizikos ir technologijų plėtroje.

Fizika nebuvo vienintelis Rentgeno užsiėmimas. Mokslininkas taip pat mėgo gamtą, daug laiko praleido Alpėse, praktikavo alpinizmą bei medžioklę. Rentgenas buvo santūrus, kuklus, uždaro būdo ir labai sąžiningas. Jis nesiekė nei šlovės, nei turtų. Šis fizikas neužpatentavo savo atradimo, nes norėjo, kad juo savo naudai laisvai naudotųsi visa žmonija. Rentgenas mėgo dirbti vienas, be asistentų. Didelę dalį savo tyrimuose naudotų prietaisų jis gaminosi pats. Kaip mokslininkas, Rentgenas buvo kruopštus ir įžvalgus. Jis propagavo geriausią teorinių žinių tikrinimo metodą – eksperimentą. Apibūdindamas savo paties tyrimų pobūdį, mokslininkas buvo lakoniškas: „Aš nemąstau, aš eksperimentuoju“.

Rentgeno jaunystė ir mokslinė karjera

Vilhelmas Konradas Rentgenas gimė 1845 metais nedideliame Lenepo miestelyje, Vokietijoje, netoli Diuseldorfo. Jis buvo vienturtis sūnus pasiturinčių gelumbės gamintojų šeimoje. Vilhelmo tėvas Frydrichas Konradas Rentgenas (Friedrich Conrad Röntgen) buvo kilęs iš amatininkų ir pirklių giminės. Jo motina Šarlotė Frovein (Charlotte Frowein), gimusi taip pat Lenepe, buvo persikėlusi į Amsterdamą, kur jos šeima tapo turtingais pirkliais.

1848 metų revoliucijos ir politinis sujudimas nulėmė tai, kad Rentgenų šeima prarado Vokietijos pilietybę ir nusprendė persikelti gyventi į Apeldorno miestą Vidurio Rytų Nyderlanduose. Būtent ten Vilhelmas praleido didžiąją dalį savo vaikystės.

Pradinį ir vidurinį išsilavinimą Vilhelmas Rentgenas įgijo privačiame Martino Hermano van Dorno institute Apeldorne. Būsimasis mokslininkas, besilavindamas šioje įstaigoje, ypatingų mokslinių gabumų nepademonstravo. Tačiau jis buvo išradingas ir nuo pat vaikystės mėgo konstruoti mechaninius prietaisus. Be to, šiuo laikotarpiu atsiskleidė Vilhelmo meilė gamtai. Jis mėgdavo klaidžioti vienas po miškus ir kitas kaimo teritorijas.

Būdamas septyniolikos, Vilhelmas Rentgenas ėmė lankyti Utrechto technikos mokyklą, tačiau jos nebaigė. Nesėkmės priežastis – kvaila vaikiška išdaiga, kurios šis net nepadarė. Vilhelmas buvo apkaltintas nupaišęs nepopuliaraus mokytojo karikatūrą. Nors ir žinodamas tikrąjį „nusikaltėlį“, Vilhelmas klasės draugo neišdavė, o prisiėmė kaltę sau ir buvo pašalintas iš mokyklos. Būsimojo mokslininko ateitis tuo metu neatrodė šviesi. Pašalintas iš mokyklos ir nelaikęs baigiamųjų egzaminų, jis negalėjo būti priimtas į Utrechto universitetą. Tačiau jis lankė analizės, fizikos, chemijos, botanikos ir zoologijos paskaitas šioje įstaigoje neoficialiai.

Laimei, Vilhelmas Rentgenas galiausiai suprato, kad jam uždarytos ne visų universitetų durys. Sužinojęs iš vieno draugo apie liberalią Ciuricho federalinio politechnikos instituto studentų priėmimo politiką, jis 1865 metais nedvejodamas išvyko į Šveicariją ir išlaikė stojamuosius egzaminus. Ėmęs studijuoti mašinų gamybą, jis buvo supažindintas su matematika, mechanika, braižyba, technologijomis, hidrologija bei termodinamika. Po trijų metų jaunasis mokslininkas įgijo mechaninės inžinerijos diplomą.

Rentgeną žavėjo Šveicarijos gamta. Plaukiodamas valtele po Šveicarijos ežerus bei laipiodamas po kalnus, jis ėmė praleidinėti paskaitas, prasčiau mokytis ir šiek tiek atitolo nuo savo studijų. Tik vienam iš profesorių jį įspėjus, kad šis hobis baigsis egzaminų neišlaikymu, Vilhelmas vėl atsidėjo mokslams.

Studijuojant Ciuriche, Vilhelmui Rentgenui daug įtakos turėjo vokiečių fiziko ir matematiko Rudolfo Klausijaus (Rudolf Clausius) paskaitos bei darbas laboratorijoje su fiziku Augustu Kundtu (August Kundt). Būtent pastarasis mokslininkas pasiūlė Rentgenui pereiti iš inžinerijos į fizikos sritį. Paklausęs patarimo, Vilhelmas Rentgenas jau 1869 metais Ciuricho universitete apsigynė fizikos daktaro disertaciją ir tapo Kundto asistentu.

Šeši metai, praleisti Šveicacijoje, buvo vienas laimingiausių etapų Vilhelmo Konrado Rentgeno gyvenime. Šiuo laikotarpiu jis ne tik atsistojo ant kojų kaip mokslininkas, bet ir susižadėjo su savo gyvenimo meile Ana Berta Liudvik (Anna Bertha Ludwig), vokiečių rašytojo Oto Liudviko (Otto Ludwig) dukterėčia, su kuria vėliau susituokė. Būsimąją nuotaką Vilhelmas sutiko „Žaliojoje stiklinėje“ – vienoje vietinių smuklių, priklausiusių jos tėvui. Vestuvės įvyko 1872 metų pradžioje. Beveik 50 metų kartu gyvenusi pora savo vaikų nesusilaukė, tačiau įsivaikino Anos dukterėčią.

Kuomet Ciuricho universiteto fizikos profesoriui Augustui Kundtui buvo pasiūlytas darbas Viurcburgo universitete, kartu su šiuo mokslininku atvyko ir jo asistentu tuo metu buvęs Vilhelmas Rentgenas. Dar po kelių metų kolegos persikraustė į Strasbūrą. Nuo tada artimiausius keliolika metų Rentgenas dirbo daugelyje įvairių universitetų ir pamažėl įgijo puikaus mokslininko reputaciją. Antrojoje XIX amžiaus aštuntojo dešimtmečio pusėje mokslininkas dirbo Strasbūro aukštojoje mokykloje, paskui, nuo 1879 iki 1888 metų buvo Gysenų universiteto profesorius. 1888 metais Vilhelmas Rentgenas sugrįžo į Viurcburgo universitetą, kuriame jam buvo suteiktos Fizikos instituto direktoriaus pareigos bei fizikos profesoriaus titulas. Praėjus dar šešeriems metams, šis mokslininkas tapo Viurcburgo universiteto rektoriumi. Amžių sandūroje Rentgenas atkeliavo į Miuncheno universitetą, su kuriuo ir susiejo savo visą likusią karjerą.

Pirmuosius savo mokslinės karjeros dešimtmečius Vilhelmas Rentgenas tyrinėjo gana platų fizikos temų spektrą. Jis domėjosi skirtingų dujų savybėmis (šia tema parengė ir savo daktaro disertaciją), Faradėjaus bei Kero efektu, kristalų šiluminiu laidumu, vandens spūdumu, elektros bei elektromagnetinių bangų savybėmis. 1888 metais jis eksperimentiškai įrodė, kad magnetinis laukas, sukurtas judančio elektriškai poliarizuoto dielektriko, yra tapatus elektros srovės sukurtam magnetiniam laukui. Šis eksperimentas, vėliau pramintas „Rentgeno srove“, pagrindė Džeimso Klarko Maksvelo elektros teoriją.

Rentgenas buvo puikus eksperimentatorius. Jis sugebėjo pavyzdingai derinti teorines fizikos žinias ir praktinį jų patikrinimą. Šios savybės pelnė mokslininkui aukštą pripažinimą mokslo pasaulyje kur kas seniau nei įvyko jo svarbiausias ir pasaulį pakeitęs atradimas.

Netikėtas atradimas, pakeitęs pasaulį

Paskutiniajame XIX amžiaus dešimtmetyje Vilhelmas Konradas Rentgenas buvo pasiekęs savo akademinio pripažinimo aukštumas. 1894 metais jis tapo Viurcburgo Julijaus-Maksimiljano universiteto rektoriumi. Tuo pat metu, dar net neįtardamas kokios reikšmės atradimas jo laukia, mokslininkas ėmė darbuotis su vadinamaisiais katodiniais spinduliais. Šią temą jau kurį laiką plėtojo tokie mokslininkai kaip Viljamas Kruksas (William Crookes), Johanas Vilhelmas Hitorfas (Johann Wilhelm Hittorf), Heinrichas Hercas (Heinrich Hertz) bei Filipas Lenardas (Philipp Lenard). Katodiniais spinduliais buvo vadinama šviečianti srovė, susidaranti leidžiant elektros srovę vakuuminiu vamzdžiu. Šį fenomeną dar aštuntajame dešimtmetyje atrado ir jam reikalingą vakuuminį vamzdį sukūrė britų mokslininkas Viljamas Kruksas.

Katodiniai spinduliai buvo populiari tema XIX amžiaus pabaigos fizikoje. Daugybė mokslininkų tyrinėjo šių spindulių savybes ir prigimtį, tačiau gaudavo prieštaringus rezultatus. Dabartiniam mokslui yra žinoma, jog katodinius spindulius sukuria elektriniame lauke pagreitinti ir iš katodo išmušti jonai, paveikdami elektronus. Elektronų srautas atsiranda, kuomet sukuriama aukšta įtampa tarp elektrodų, padėtų skirtinguose vakuuminio vamzdelio, iš kurio išsiurbtas beveik visas oras, galuose. XIX amžiaus mokslininkai šių spindulių prigimtį dar tik spėliojo.

Tačiau Vilhelmas Konradas Rentgenas tuščiai spekuliuoti nemėgo. Jis griežtai vadovavosi principu, kad tik mokslinis eksperimentas gali patikimai patvirtinti ar atmesti bet kokią teoriją apie fizinį pasaulį. Ėmęs domėtis katodinių spindulių klausimu bei susirašinėti su šią temą tyrusiu vokiečių mokslininku Filipu Lenardu, jis įsigijo pačius geriausius prietaisus, reikalingus eksperimentams. 1895 metų antroje pusėje Rentgenas galiausiai ėmėsi intensyvaus darbo, kuriam paskyrė visą savo laiką. Idant išvengtų klaidų, jis nuolat kartojo jau atliktus eksperimentus ir tikrino įvairias hipotezes.

Lemtingoji diena išaušo 1895 metų lapkričio 8-ąją. Tą vakarą penkiasdešimtmetis Vilhelmas Konradas Rentgenas, kaip įprasta, darbavosi savo laboratorijoje, kruopščiai tyrinėdamas katodinių spindulių savybes. Šių eksperimentų metu mokslininkas naudojo fluorescencines medžiagas, kurios, veikiamos katodinių spindulių, imdavo švytėti. Šį kartą paėmęs vieną katodinį vakuuminį vamzdelį, mokslininkas apvyniojo ir visiškai uždengė jį juodu popieriumi. Katodiniai spinduliai nėra ypatingai skvarbūs, todėl net tekant elektros srovei neturėtų matytis iš vamzdelio sklindančios šviesos.

Tačiau įvyko kai kas netikėto. Įjungęs srovę katodo spindulių vamzdelyje, Rentgenas išvydo fluorescencinių kristalų spinduliuojamą žalsvą šviesą. Taip pat švietė bario junginiais padengtas ekranas. Mokslininkas įsitikino, kad spindulių vamzdelis buvo visiškai uždengtas, o katodiniai spinduliai prasiskverbti pro stiklą ir popierių negalėjo. Netrukus jis pakišo plaštaką tarp ekrano bei vamzdelio ir… ekrane išvydo savo rankos skeletą.

Šio netikėtumo sujaudintas mokslininkas išjungė vakuuminiu vamzdeliu tekėjusią elektros srovę ir švytėjimas liovėsi. Paleidus srovę iš naujo, kristalai vėl sublizgėjo. Rentgenas suprato, kad prieš jo akis atsivėrė naujas neištirtas reiškinys. Paslaptingos kilmės skvarbiuosius spindulius jis pavadino X spinduliais (matematikoje „X“ paprastai yra nežinomybės simbolis).

Istorikai iki šiol nėra priėję vieningos nuomonės, ar Rentgeno atradimas buvo nulemtas gryno atsitiktinumo. Pasak vienos versijos, mokslininkas tą vakarą paprasčiausiai įvyniojo katodinį vamzdelį, baigdamas darbą, o ne siekdamas atlikti kokį nors eksperimentą, tačiau pamiršo jį išjungti. Kitų teigimu, Rentgenas jau prieš kelias dienas buvo atkreipęs dėmesį, kad netoli vamzdelio padėtos fotoplokštės greitai sugesdavo, todėl sąmoningai ieškojo šio reiškinio priežasties.

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Paulius Zanevičius

(17)
(0)
(2)

Komentarai (3)

Visi šio ciklo įrašai