Эдвард Виктор Эпплтон: человек, назвавший скрытое зеркало неба

В одну зимнюю ночь 1924 года физик, родившийся в Брэдфорде, сидел в приемном домике за пределами Оксфорда, медленно вращая диск передатчика BBC, находившегося в шестидесяти милях от него. Он наблюдал за тем, как сигнал усиливается и затухает в ритме, который не имел ничего общего с земной волной. Эдвард Эпплтон (Edward Appleton) только что доказал, что само небо состоит из отражающих слоев заряженных частиц — и тем самым он дал радио, радарам и, в конечном итоге, битве за Британию (Battle of Britain) реальный шанс на победу.

Детство в Брэдфорде

Эпплтон был сыном работника склада в Брэдфорде, Йоркшир, и пробился в жизнь благодаря стипендии: сначала в гимназию для мальчиков Хэнсон (Hanson Boys' Grammar School), а затем, в восемнадцать лет, стипендия имени Айзека Холдена (Isaac Holden Scholarship) позволила ему поступить в колледж Святого Иоанна в Кембридже (St John's College, Cambridge). Он получил степень по естественным наукам в 1913 году и остался для получения степени магистра физики, попав под влияние двух определяющих экспериментаторов той эпохи, Дж. Дж. Томсона (J. J. Thomson) и Эрнеста Резерфорда (Ernest Rutherford), в Кавендишской лаборатории (Cavendish Laboratory). Первая мировая война прервала его учебу: зачисленный в Королевские инженеры в январе 1915 года, он провел войну, обучая армейских операторов беспроводной связи на базе сигнальных войск в Фенни-Стратфорде (Fenny Stratford) — не самая престижная должность, которая, тем не менее, сделала его экспертом-практиком в области радио.

Погоня за затухающим сигналом

Вернувшись в Кембридж после войны, Эпплтон присоединился к научным сотрудникам Резерфорда и начал размышлять над проблемой, о которой знал каждый инженер вещания, но никто не мог объяснить: почему радиосигналы становились сильнее и слабее после наступления темноты, а иногда и вовсе исчезали. В 1924 году, будучи уже профессором физики Уитстона в Королевском колледже Лондона (King's College London), он и студент Майлз Барнетт (Miles Barnett) провели эксперимент, который принес ему известность. Используя передающую станцию BBC и варьируя длину волны, наблюдая за приемом в Оксфорде, Эпплтон обнаружил интерференционную картину между прямой земной волной и вторым сигналом, приходящим сверху — доказательство того, что радиоволны отражаются от ионизированного слоя верхних слоев атмосферы. Он вычислил его высоту, используя разработанную им самим технику частотной модуляции, а затем пошел дальше: в 1926 году он обнаружил второй, более высокий слой, позже названный в его честь слоем Эпплтона (Appleton layer), расположенный на высоте от 300 до 400 километров и способный отражать более короткие волны, которые делают возможным дальнее коротковолновое вещание. Именно Эпплтон дал всему этому региону атмосферы его нынешнее стандартное название: ионосфера (ionosphere).

От физики к военной работе

Практическое значение этого открытия стало неоспоримым в 1930-х годах. Магнитоионная теория Эпплтона, построенная на электромагнетизме Лоренца (Lorentz) и Максвелла (Maxwell), позволила инженерам предсказать, как радиоволны будут вести себя в ионизированном небе — знания, которые легли в основу разработки радара Робертом Уотсоном-Уоттом (Robert Watson-Watt). Когда Нобелевский комитет позже суммировал значение этого вклада, он был краток: без работы Эпплтона радар «появился бы слишком поздно, чтобы сыграть решающую роль в битве за Британию». Эпплтон не остановился на чистой науке. В 1936 году он стал исполняющим обязанности директора Кавендишской лаборатории после внезапной смерти Резерфорда, а в 1938 году был назначен секретарем Департамента научных и промышленных исследований (Department of Scientific and Industrial Research), фактически возглавив мобилизацию британской науки для грядущей войны. С 1941 года он руководил проектом Tube Alloys, британским проектом по созданию атомного оружия, назначив Джеймса Чедвика (James Chadwick) главой британской миссии, внедренной в американский Манхэттенский проект (Manhattan Project), а позже рекомендовав Джона Кокрофта (John Cockcroft) для создания британского послевоенного научно-исследовательского учреждения по атомной энергии. Попутно его департамент находил время для десантных судов, прыгающих бомб, авиационных клеев и опреснения морской воды — не самых гламурных, но необходимых механизмов тотальной войны.

Нобелевская премия и последние годы

В 1947 году Эпплтон был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования физики верхних слоев атмосферы, особенно за открытие так называемого слоя Эпплтона». К тому времени он уже был посвящен в рыцари в 1941 году и удостоен наград правительствами разных стран от Норвегии до Исландии и США за свое научное руководство в военное время. В 1948 году он оставил административную работу в науке, чтобы стать директором и вице-канцлером Эдинбургского университета (University of Edinburgh), на этом посту он оставался до самой смерти. Он руководил ростом университета с менее чем 4 000 до более чем 7 000 студентов, продвинул противоречивую реконструкцию площади Джордж-сквер (George Square) в современный университетский квартал и поддерживал науку, основав и редактируя Журнал атмосферной и земной физики (Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics). Он продолжал публиковаться в свои шестьдесят, в 1954 году определив, что поведение ионосферы зависит от магнитной широты, сравнивая данные Дели и Батон-Ружа. Он скончался от сердечного приступа в Эдинбурге в апреле 1965 года, всего через несколько недель после женитьбы на своей второй жене Хелен Эллисон (Helen Allison), его бывшем личном секретаре.

Почему Эдварда называют гением

Основания называть Эпплтона гением опираются на специфический и проверяемый вид проницательности: он взял раздражающий фактор — сводящее с ума замирание ночных радиосигналов, которое каждый инженер беспроводной связи той эпохи просто терпел — и распознал в нем признаки физической структуры, которую никто до этого не измерял напрямую. Разработка метода частотной модуляции для определения времени и высоты отражения была актом точной количественной изобретательности, а не удачной догадкой, и двухслойная структура, которую он затем нанес на карту (и магнитоионная теория, которую он построил для ее объяснения), устояли как полезные инженерные знания, прежде всего применительно к радарам. Формулировка самого Нобелевского комитета, приписывающая его работе заслугу в победе в битве за Британию, является едва ли не самым сильным внешним подтверждением значения, которое только может получить физик. Честный контраргумент заключается в том, что Эпплтон не был одиноким теоретическим провидцем в духе Эйнштейна или Дирака: его прорыв был триумфом экспериментатора, построенным на существующем электромагнетизме Максвелла-Лоренца и выполненным с помощью студента с использованием обычного вещательного передатчика. Его поздняя карьера, какой бы внушительной она ни была, принадлежала скорее к сфере администрации и научной политики — организация Tube Alloys, управление университетом — чем к новым оригинальным открытиям. Гениальность, если она есть, сосредоточена узко и точно в 1924–1926 годах: распознавание, метод и название слоя неба, о существовании которого никто не знал.

Наследие

Имя Эпплтона теперь носят лунный кратер, башня в Эдинбурге и Лаборатория Резерфорда-Эпплтона (Rutherford Appleton Laboratory), сформированная в 1979 году путем слияния переименованной Радиоисследовательской станции (Radio Research Station) с лабораторией, носящей имя Резерфорда — подходящее объединение учителя и ученика. Ионосфера, которую он нанес на карту, остается рабочим фундаментом коротковолнового радио и, в буквальном смысле, фундаментальным слоем современной физики атмосферы.