О человеке, позволившем измерить расширение Эйфелевой башни, о человеке, который смог узнать температуру космоса, и о человеке, который сделал больше всех для победного шествия метрической системы, читайте в нашем сегодняшнем выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».

Шарль Эдуар Гийом

Родился 15 февраля 1861 года, Флерье, Швейцария.

Умер 13 июня 1938 года, Севр, Франция.

Нобелевская премия по физике 1920 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания услуг, которые он оказал точным измерениям в физике своим открытием аномалий в сплавах никеля и стали (in recognition of the service he has rendered to precision measurements in physics by his discovery of anomalies in nickel-steel alloys)».

Автор этих строк, как и многие люди, имеющие отношение к популяризации науки, читал замечательные книги Якова Перельмана — и «Занимательную физику» в том числе. И один из поразивших меня фактов был связан с тем, что Эйфелева башня в Париже в зависимости от погоды увеличивается или уменьшается на 12 сантиметров. «Изменения высоты Эйфелевой башни были обнаружены с помощью проволоки из особой никелевой стали, обладающей способностью почти не изменять своей длины при колебаниях температуры. Замечательный сплав этот и носит название «инвар» (от лат. invariabilis — неизменный, инвариантный)», — можно прочитать в том издании, которое появилось на свет через год после меня и было в моей детской библиотеке. Так я впервые познакомился с изобретением Шарля Эдуара Гийома, героя нашего сегодняшнего рассказа. Но обо всем по порядку.

Вообще-то, и отец, и дед Шарля Гийома были часовщиками. Дед сбежал из Парижа после Французской революции в Лондон и открыл часовую мастерскую там. Отец какое-то время поработал в Лондоне, но затем переехал в Швейцарию, где и родился будущий нобелевский лауреат.

Интерес к науке и технике у молодого Шарля поддерживали отец, который давал ему первые уроки, и книжка Франсуа Араго и Жозефа Бертрана «Собрание похвальных академических речей», которая, по его собственным словам, приучила его к науке.

А потом, в 1878 году, было поступление в знаменитую Политехническую школу, ETH Zurich, которая и поныне остается одним из сильнейших естественнонаучных «прикладных» вузов мира.

Четыре года спустя Гийом уже защищает диссертацию. Его учебная работа посвящена электролитическим конденсаторам. Правда, после этого наш герой берет паузу в науке – уходит в швейцарскую армию артиллерийским офицером. А вернувшись из армии, получает новую работу в новой стране.

Здесь нужно сделать одно «лирическое отступление». Как вы помните, в 1875 году в Париже семнадцать стран подписали Метрическую конвенцию – как итог проходившей там с 1 марта по 20 мая Дипломатической метрологической конференции. Кстати, Россия была среди этих семнадцати. Подписание состоялось 20 мая в Зале Часов здания Министерства иностранных дел Франции. В мире началась эпоха метрической системы.

Одновременно с Метрической конвенцией, неподалеку от Парижа, в Севре, в Павильоне де Бретейль, оставшемся от Замка Сен-Клу, создали Международное бюро мер и весов, занимавшееся созданием и поверкой эталонов и внедрением метрической системы. Именно туда и устроился ассистентом Шарль Гийом. В 1902 году он стал заместителем директора бюро, а в 1915 году — его директором, пробыв на этом важном посту 21 год, выйдя в отставку (и сохранив должность почетного директора) всего за два года до смерти.

Сначала Гийом взялся за температуру. Предстояло увеличить точность измерения ртутного термометра. Принцип действия прост: в баллончик с тонким стеклянным цилиндром сверху налита ртуть. При нагревании ртуть расширяется, и столбик поднимается. Но для того, чтобы измерения стали точнее, нужно учесть и сделать поправки на тепловое расширение самого стекла – изменение объема баллончика и сужение капилляра, по которому поднимается расширившаяся ртуть. В 1889 году вышел «Трактат по термометрии» с результатами работ Гийома.

Любопытно, что в 1896 году вышла еще одна работа Гийома, посвященная температуре. Швейцарско-французский физик смог стать первым человеком, который измерил… температуру космоса. Именно он подсчитал, что свет от звезд должен нагревать предмет, помещенный далеко от них, на 5-6 градусов Кельвина.

После работ с температурой Гийом принялся за главное дело своей жизни — длину и ее эталоны. Как вы помните, эталон метра — платино-иридиевый, и очень дорогой. Он начал экспериментировать со сплавами, чтобы найти ему замену. И сравнительно скоро обнаружил нечто странное.

Главный враг эталона метра — тепловое расширение. Гийом заметил, что в железо-никелевых сплавах при высоком содержании никеля коэффициент теплового расширения оказывался очень небольшим (напомним, что обычный стальной стержень увеличивается на одну стотысячную часть своей длины при нагревании на один градус).

Дальнейшие исследования показали, что в диаграмме «железо-никель» точка, соответствующая сплаву с 36% никеля, дает аномально низкий коэффициент теплового разрешения. Так родился сплав инвар, о котором мы говорили в самом начале статьи.

Гийом на этом не остановился и разработал различные варианты обработки инвара с тем, чтобы на всех стадиях можно было контролировать коэффициент расширения. Эталоны и мерные ленты из инвара очень быстро получили распространение, а ученый продолжал работать.

Чуть позже появился сплав, который состоял из тех же 36% никеля (магическое число!), но железа было поменьше, и появился хром: соответственно, 52% и 12%. Его назвали элинвар: сплав с Инвариантной Эластичностью. Так Гийом показал, что у сплава практически не меняется упругость при изменении температуры. А значит, можно было сделать нерасстраивающиеся камертоны и балансиры точнейших часов (вот где сказался опыт отца и деда!).

Так «всего лишь» создание двух сплавов очень сильно продвинуло метрическую систему и точность измерений во всей физике. И неудивительно, что скромный и обаятельный директор Международного бюро мер и весов получил в 1920 году более чем заслуженную Нобелевскую премию по физике.

На представлении лауреатов о главном физике 1920 года сказали: «Гийом, несомненно, является крупнейшим метрологом современности... Его открытие имеет огромное значение для сверхточных научных измерений и тем самым для развития естественных наук в целом. Кроме того, работы Гийома по свойствам никелевой стали внесли вклад в теоретическое понимание «строения вещества в твердом состоянии».

Любопытно и то, что, получив Нобелевскую премию, новоиспеченный лауреат не заболел звездной болезнью, а добавив свой авторитет к природному обаянию, продолжил продвигать метрическую систему по всему миру.