Мы знаем, что многие тела вокруг непрозрачны. Фотоны видимого света из-за малой энергии не могут осветить их изнутри. Кроме того, длина волны видимого света (400—700 нм) гораздо больше промежутков между атомами. Поэтому, используя излучение только с очень малой длиной волны, можно сделать непрозрачные тела прозрачными. Такое излучение было открыто немецким физиком В. Рентгеном более века тому назад.
В 1895 г Вильгельм Рентген открыл неизвестные ранее лучи (Х-лучи), проникающие через различные преграды. Сообщение Рентгена вызвало огромный интерес, и медики сразу осознали значение рентгеновского излучения для диагностики. На время Х-лучи стали сенсацией, о которой писали газеты и журналы по всему миру. В 1901 г Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике, хотя об истинной природе Х-лучей было известно очень мало. При вручении премии было сказано: «Нет сомнения в том, сколь большого успеха достигнет физическая наука, когда эта неведомая раньше форма энергии будет достаточно исследована». Понадобилось около 10 лет для объяснения волновой природы Х-лучей, а впоследствии за работы в области рентгеновских лучей было присуждено еще семь Нобелевских премий. Кроме того, благодаря рентгеновским лучам сделаны такие великие открытия, как расшифровка структуры молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, ответственных за фотосинтез (премии 1962 и 1988 гг.).
На протяжении семи недель ученый в одиночестве работал в своей лаборатории над исследованием новых лучей и их свойств. Чтобы исключить зрительный обман, он запечатлел то, что наблюдал на световом экране, при помощи фотопластинки. Он даже велел приносить себе пищу в институт и поставить там кровать, чтобы не нуждаться в перерывах в работе с приборами, особенно со ртутным воздушным насосом.
Создание высокого вакуума путем выкачивания воздуха из трубок было тогда утомительным делом и нередко длилось много дней. Так как разрядные трубки, большей частью спустя короткое время, становились непригодными для использования, и Рентген вновь восстанавливал вакуум самостоятельно, основные опыты заняли относительно много времени.
Под влиянием господствующего учения об эфире Рентген склонялся к признанию того, что здесь речь идет о продольных волнах в эфире: в отличие от световых и электрических волн, которые считались поперечными волнами. Как заметил его ученик Иоффе, это была, по-видимому, единственная ошибка, которую когда-либо допустил Рентген.
Впрочем, исследователь высказал только предположение. Вопрос о природе лучей не стоял для Рентгена на первом? плане. Он ограничился тщательным описанием открытого явления. В начале 1896 года он заметил в письме своему бывшему ассистенту Цендеру: «Какова природа лучей, мне совершенно неясно, и являются ли они в действительности продольными лучами света, для меня это второстепенный вопрос. Главное – факты».
Природа открытых Рентгеном лучей была объяснена еще при его жизни. Они оказались электромагнитными колебаниями, как и видимый свет, но с частотой колебаний во много тысяч раз большей и с соответственно меньшей длиной волны. Они образуются путем преобразования энергии при столкновении катодных лучей со стенкой трубки, причем безразлично, состоит ли она из стекла или металла, и распространяются во все стороны со скоростью света.
В своем «предварительном сообщении» Рентген доказал, что невидимые человеческому глазу Х-лучи действуют на фотопластинку. С их помощью можно делать снимки в освещенной комнате на фотографическую пластинку, заключенную в кассету или завернутую в бумагу.
Время экспозиции составляло при тогдашнем фотослое, который обладал малой чувствительностью и не предназначался для особенностей рентгеновских лучей, от 3 до 10 минут. Однако именно фотографическое действие новых лучей вызвало наибольший интерес. Вопреки намерениям Рентгена его очень скоро даже переоценили. «Для меня фотографирование было средством для достижения цели, а теперь это делают главным», – жаловался он уже в начале 1896 года в одном из писем.
Открывающиеся новые возможности фотографирования сам Рентген, во всяком случае, осветил первым. Одновременно со своей специальной публикацией он в январе 1896 года послал друзьям, коллегам и научным институтам некоторые свои фотографии как приложения к тексту.
Фотографии возбудили интерес и вскоре стали так популярны, что при чтении докладов демонстрировались только под стеклом и в рамках, так как иначе они бесследно исчезали.
К самым ранним, технически великолепным снимкам, которые сделал сам Рентген, относятся буссоль, ящик из дерева с заключенными в нем разновесами и левая рука госпожи Рентген, сфотографированная 22 декабря 1895 года, за несколько дней до первого сообщения.
Распространение публикации Рентгена и его фотографий вызвало такую сенсацию, которой не случалось в истории естествознания со времени сообщения Галилея об открытии спутников Юпитера. Даже великолепные эксперименты Герца семь лет назад не дали стольких поводов для разговора.
Рентген был очень угнетен шумихой вокруг его открытия. «Я никому ничего не говорил о своей работе, – писал он Цендеру, – только своей жене я поведал, что делаю нечто, о чем люди, если они это узнают, скажут: «Рентген, видимо, сошел с ума». Первого января я рассылаю отдельные отрывки, и тут начинается чертовщина! Венская пресса первой начала дуть в рекламные фанфары, и другие последовали за ней. Мне через несколько дней дело опротивело, я не узнавал в сообщениях собственную работу». И он заключает, смиряясь с неизбежностью: «Постепенно я привык к шумихе, но буря стоила времени, целых четыре недели я не мог вернуться к опыту. Другие люди могли работать, только я не мог. Вы не представляете себе, как это происходило».
Рентген опубликовал о своих Х-лучах три небольшие статьи. За первым сообщением в конце декабря 1895 года, собственно свидетельством о рождении рентгеновских лучей, в марте 1896 года последовала вторая заметка, в которой прежде всего рассматривалась способность новых лучей делать воздух и другие газы проводниками электрического тока. Третье, и последнее, сообщение появилось годом позже, в марте 1897 года. В нем ученый изложил свои наблюдения над рассеиванием Х-лучей в воздухе. Ему не удалось, несмотря на все старания, доказать их преломление. Это было сделано лишь спустя полтора десятилетия его учениками Вальтером Фридрихом и Паулем Книппингом при экспериментальной проверке гениального предсказания Лауэ.
Приборы, при помощи которых Рентген сделал свои открытия, были созданы и апробированы до него другими, прежде всего Гитторфом, Круксом и Гольдштейном Здесь следует упомянуть также имя Ленарда, несмотря на то что, судя по всему, Х-лучи были открыты без помощи «трубки Ленарда».
Все эти исследователи уже задолго до Рентгена получали при своих экспериментах рентгеновские лучи, не догадываясь об этом Ленард, который не мог не заметить их, не пытался исследовать «признаки непонятных побочных явлений».
После опубликования первого сообщения Рентгена обнаружилось, что уже в 1890 году в одном американском институте был случайно получен рентгеновский снимок лабораторных предметов. Физики, однако, не зная, как истолковать это явление, не приняли его во внимание и не исследовали причины этого странного фотографического эффекта.
Фотоснимком руки он уже в декабрьские дни 1895 года выявил значение новых лучей для медицинской практики. В первом сообщении он также обратил внимание на применимость своих лучей для проверки производственной обработки материалов. В третьем сообщении он привел в подтверждение этого снимок двустволки с заряженным патроном; при этом были отчетливо видны «внутренние дефекты» оружия. Довольно быстро рентгеновские лучи получили применение в криминалистике, искусствоведении и других областях.
Быстрее всего рентгеновские лучи проникли во врачебную практику. Уже в 1896 году они стали использоваться для целей диагностики. Физик Вилли Вин, в то время доцент Берлинского университета, первый руководил такими исследованиями в Берлинском военном госпитале. Вначале новые лучи применяли главным образом для установления переломов. Но вскоре сфера их применения значительно расширилась.
Наряду с рентгенодиагностикой начала развиваться рентгенотерапия. Рак, туберкулез и другие болезни отступали под действием новых лучей. Так как вначале была неизвестна опасность рентгеновского излучения и врачи работали без каких бы то ни было мер защиты, очень часты были лучевые травмы. Многие физики также получили медленно заживающие раны или большие рубцы. Сотни исследователей и техников, работавших с рентгеновскими лучами, стали в первые десятилетия жертвами лучевой смерти. Так как поначалу лучи применяли без проверенной опытом точной дозировки, рентгеновское облучение нередко становилось губительным и для больных.
Несмотря на то, что Рентген по образованию был инженером, он не участвовал в создании и дальнейшем развитии рентгеновской техники. Это сделали другие: ученые и дельцы, которые собрали богатый урожай на этой целине.
Одним из первых нашел техническое применение открытию Рентгена американец Эдисон. Он создал удобный демонстрационный аппарат. Уже в мае 1896 года он организовал в Нью-Йорке рентгеновскую выставку, на которой посетители могли разглядывать собственную руку на светящемся экране. После того как помощник Эдисона умер от тяжелых ожогов, которые он получил при постоянных демонстрациях, изобретатель прекратил все дальнейшие опыты с рентгеновскими лучами.
Рентген прекрасно понимал большое научное, медицинское и технологическое значение своего открытия. Однако ему чужда была всякая мысль о его денежной эксплуатации. Результаты исследований, полученные в университетской лаборатории с помощью общедоступных средств, должны были свободно использоваться всеми.
Рентген решительно отверг предложение Берлинского всеобщего электрического общества передать ему за высокую сумму право на использование патентов всех его будущих физических открытий в технических целях. Он не думал также ни о каких охранительных правах на технику его опыта. Рентген не собирался практически реализовать свое открытие, как Вильям Томсон. Он не был «коммерции советником», подобно Вальтеру Нернсту. Как метко заметил один американский ученый, «окна его лаборатории, выходящие в сторону Патентного ведомства, всегда были закрыты».
В 1901 году первым из ученых мира Вильгельм Конрад Рентген получил Нобелевскую премию по физике. Две другие Нобелевские премии за достижения в естественных науках – по химии и медицине – также были присуждены ученым, работавшим в Германии.
Для принятия премии исследователь ездил в Стокгольм. Его прошение об отпуске, посланное Королевскому баварскому государственному министерству церковных и школьных дел 6 декабря 1901 года, написано в стиле времени: «По доверительному сообщению Королевской Шведской Академии наук почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся получил первую Нобелевскую премию за 1901 год. Королевская Шведская Академия придает особое значение тому, чтобы удостоенные премии принимали ее лично в Стокгольме в день вручения (10 декабря текущего года). Так как эти премии обладают исключительно высокой ценностью и в высшей степени почетны, то почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся полагает, что должен последовать, хотя и не с легким сердцем, желанию Королевской Шведской Академии, а потому он просит предоставить ему отпуск в продолжении следующей недели».
Рентген был единственным лауреатом в истории Нобелевского фонда, который вопреки ожиданиям не читал доклада. Это происходило обычно в течение ближайших шести месяцев после присуждения. Из письма его жены следует, что он летом 1902 года обратился в Стокгольм с просьбой назначить подходящий срок для доклада. Одна из формулировок ответного послания Шведской Академии позволила ему, однако, заключить, что, по уставу, нет обязательства читать доклад. «Мой муж не заставил повторять это себе дважды, – заметила фрау Рентген, – и ответил, что он очень благодарен за намек и охотно отказывается при таких обстоятельствах от чтения доклада».
Открытие Рентгена пробудило физиков от механистически-догматической дремоты. Год Рентгена, 1896 год, положил начало тому глубокому кризису физики, преодоление которого было процессом становления физической науки XX столетия.
Рентгена можно назвать совестью немецкой экспериментальной физики. Он ярчайшим образом олицетворял собой тип эмпирически работающего естествоиспытателя, внимательного и трезвого наблюдателя природы. Однако величие его индивидуальности исследователя, величие научного труда всей его жизни ломает рамки ограниченности того класса исследователей, к которому он принадлежал.
