Інфрачервоне випромінювання: як Вільям Гершель відкрив невидиме світло

В історії науки трапляються моменти, коли проста цікавість призводить до відкриттів, що змінюють наше уявлення про світ. Таким стало дослідження Вільяма Гершеля (1738–1822) про “радіантне тепло”, яке ми нині називаємо інфрачервоним випромінюванням. У своїх дослідах Гершель, один із найвидатніших астрономів свого часу, вперше припустив існування світла, невидимого для людського ока.

Вільям Гершель

Початок захоплення: від музики до астрономії

Вільям Гершель, народжений як Фрідріх Вільгельм Гершель 1738 року в Ганновері (Німеччина), спочатку був музикантом і навіть входив до військового духового оркестру. У 19-річному віці він переїхав до Лондона, де оволодів англійською мовою і заробляв на життя музикою. У середині 1760-х Гершель перебрався до Бат (Англія), де почав самостійно вивчати мови, математику, оптику й астрономію.

Захопившись зоряним небом, Гершель вирішив “нічому не вірити на слово” і власноруч перевіряти відкриття попередників. Оскільки готові телескопи йому не підходили, він навчився шліфувати та полірувати дзеркала й почав збирати власні прилади. Незабаром Гершель змайстрував телескоп із 7-футовою фокусною відстанню, потім — 10-футові, 20-футові й навіть 40-футовігіганти, де йому допомагали брат Александер і сестра Кароліна. Зрештою, у 1781 році Гершель виявив планету Уран, що принесло йому світову славу та офіційну посаду королівського астронома при королі Георгу III.

Телескоп Гершеля

Ідея “радіантного тепла”: що коли світло не тільки видиме?

На межі нового століття Гершель зацікавився природою світла під час спостереження за Сонцем. Щоб зменшити яскравість і тепло, він використовував різнокольорові скельця — і раптово зауважив, що деякі кольори захищають переважно від тепла, а інші — лише від світла. Цей незвичайний ефект привів Гершеля до припущення, що різні кольори можуть по-різному розподіляти теплову енергію.

У березні 1800 року він презентував свої висновки Королівському товариству Лондона. У своїх дослідах Гершель пропускав сонячне світло через призму, створюючи веселку на столі. Потім спеціальною картонкою із вузькою щілиною він ізолював окремі смуги світла. Гершель ставив один термометр на ділянку з кольоровим світлом, а другий поряд, у тіні, й ретельно порівнював підвищення температури. Виявилося, що червоне світло найбільше нагріває термометр, тоді як зелений і фіолетовий спектри давали менший нагрів.

Експеримент Гершеля зі світлом навесні 1800 року

Інфрачервоне випромінювання: невидиме світло Гершеля

У наступних експериментах Гершель звернув увагу:

• Освітлювальна здатність (видимість предметів) найбільша у жовто-зеленій ділянці.

• Теплова дія (радіантне тепло) продовжує зростати за межами видимого червоного кольору.

Саме це привело Гершеля до історичного висновку про існування “невидимого” світла, яке після нього назвуть інфрачервоним випромінюванням. Учений писав про “невидимі промені з таким імпульсом, що непридатні для зору”, вважаючи, що вони подібні до світла, але не спричиняють візуального відчуття.

Попри перший прорив, остаточні висновки Гершеля були нерішучими. Він припустив, що тепло і світло можуть бути двома різними речами, адже тодішня наука ще не мала розвиненої теорії електромагнітного поля (Джеймс Клерк Максвелл розробить її лише через декілька десятиліть), а фотони Гілберт Льюїс введе майже через століття. Проте фундаментальні праці Гершеля стали основою для майбутніх відкриттів, зокрема для досліджень Йоганна Вільгельма Ріттера, Вільгельма Конрада Рентгена та вдосконалених теорій Максвелла і Макса Планка.

На шляху до сучасної фізики світла

Інфрачервоне випромінювання виявилося ключем до розширення нашого розуміння повного спектра електромагнітного випромінювання, що охоплює і видиме світло, і радіо-, ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання тощо.

• Питання, чи є світло хвилею чи частинками, до кінця XIX століття все ще залишалося предметом суперечок (Ньютон vs. Гюйгенс).

• Лише із робіт Максвелла, Планка та Айнштайна стало зрозуміло, що світло має корпускулярно-хвильову природу.

Сам Вільям Гершель, хоча й помилково відділив “радіантне тепло” від видимого світла у своїх пізніших висновках, зробив перший крок на шляху розуміння того, що наше око бачить лише невелику частину реального діапазону електромагнітної енергії.

Джерела:

1. W. Herschel, «Investigation of the Powers of the Prismatic Colours to Heat and Illuminate Objects […]», Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 90 (1800), с. 255–283.

2. W. Herschel, «Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun», Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 90 (1800), с. 284–292.

3. «Portrait from the Smithsonian Libraries».