Текст книги "Научные открытия для тех, кто любит краткость"

27 апреля
Тучи на горизонте классической физики

27 апреля 1900 года лорд Кельвин прочел знаменитую лекцию в Королевском институте, в которой он точно указал две основные проблемы классической физики на рубеже веков.

К концу XIX века классическая физика была практически завершена. Были созданы полная теория электромагнитных явлений и оптика, термодинамика, не говоря уже о механике. Однако 76-летний лорд Кельвин, «король» классической физики (см. 26 июня), с удивительной проницательностью указал на две «тучи», омрачающие красоту и ясность науки, одним из создателей которой он сам являлся. Первая «туча»: «как может Земля двигаться сквозь упругую среду, какой по существу является светоносный эфир?». Вторая – невозможность термодинамически обосновать спектры теплового излучения тел. Подводя итог бесплодным поискам путей преодоления противоречий, лорд Кельвин пессимистично заключает, что простейший путь состоит в том, чтобы не обращать внимания на существование этих «туч».

Но уже через несколько месяцев, в последние дни XIX века, Планк опубликовал свое решение проблемы теплового излучения, введя понятие о квантовом характере излучения и поглощения света, а через пять лет Эйнштейн сформулировал частную теорию относительности, отрицающую существование эфира. Таким образом, за двумя тучками на небе физики скрывались теория относительности и квантовая механика – фундаментальные основы сегодняшней физики.

В 75 лет лорд Кельвин ушел в отставку с должности профессора, но в соответствии со своим неугомонным характером тут же записался в университет в качестве студента-исследователя.

28 апреля
Пропавшие потери

28 апреля 1911 года голландский физик Камерлинг-Оннес на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил об открытии явления сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – одно из самых необычных явлений физики. Открытие его было неожиданным, но тот факт, что первооткрывателем стал Камерлинг-Оннес (см. 21 сентября), не случаен. Дело в том, что именно ему удалось решить труднейшую научную и техническую задачу того времени: получить жидкий гелий (для этого потребовалось охладить его до температуры минус 269 °C, или 4 градуса Кельвина), что позволило ученым заглянуть в неведомый мир низких температур. Оказалось, что при охлаждении веществ жидким гелием они начинают проявлять удивительные свойства. Камерлинг-Оннес поместил в жидкий гелий ртуть, и ее электрическое сопротивление полностью исчезло! Он назвал это явление сверхпроводимостью. Вскоре он обнаружил сверхпроводимость не только в ртути, но и в целом ряде других металлов.

По сверхпроводящей замкнутой цепи ток может сколь угодно долго циркулировать, не затухая. Самое длительное существование незатухающего тока – около двух лет – было зафиксировано впоследствии в Англии (этот ток тек бы и поныне, если бы не перерыв в снабжении лаборатории жидким гелием, вызванный забастовкой транспортных рабочих). Точность современных измерений в 10 миллиардов раз выше, чем была у Камерлинг-Онесса, но отличие от нуля сопротивления сверхпроводника обнаружить не удается.

Чтобы понять природу этого удивительного явления, потребовалось почти полвека.

Сверхпроводимость – когда без напряжения преодолеваешь сопротивление.

29 апреля
Отцы и дети

29 апреля 1897 года на заседании Королевского института в Лондоне Джозеф Джон Томсон сделал первое сообщение об открытии электрона.

Отец Дж. Дж. Томсона, книготорговец, хотел, чтобы мальчик стал инженером. Он купил сыну микроскоп, что, возможно, направило Джозефа на путь научных исследований. По окончании колледжа он направился в Кембридж, где остался до конца жизни. Томсон начал работать в знаменитой Кавендишской лаборатории (см. 16 июня) под руководством профессора Рэлея, после ухода которого стал ее руководителем (ему было тогда всего 28 лет). Для истории физики Дж. Дж. Томсон – это тот, кто открыл электрон. Он доказал, что переносчиками заряда в катодно-лучевой трубке являются легкие отрицательно заряженные частицы, и измерил для них отношение заряда к массе. Так был открыт первый из элементарных «кирпичиков» материи. В 1906 году Томсон получил за эту работу Нобелевскую премию. Он же предложил первую модель атома, которую физики остроумно прозвали «кекс с изюмом». Томсон представлял себе атом в виде положительно заряженного шарика – «кекса», в который погружены изюминки-электроны. Из какой материи вылеплен этот «кекс», оставалось загадкой. Впоследствии эта модель была опровергнута Резерфордом (см. 7 марта).

Сын Томсона Джордж тоже стал физиком и Нобелевским лауреатом. Ровно через 30 лет после открытия электрона-частицы он доказал, что электрон обладает волновыми свойствами (см. 6 января). Так электрон «обеспечил» Нобелевские премии и отцу, и сыну.

Из тех, кто работал в Кавендише под руководством Дж. Дж. Томсона, семеро стали Нобелевскими лауреатами.

30 апреля
Единые единицы

30 апреля 1917 года метрическая система введена как обязательная в Российской империи.

Всего лишь 200 лет назад единицы измерения не были стандартизованы. В разных странах применяли разные единицы, что затрудняло научное общение. Первым международным стандартом стало принятие в 1795 году метрической системы, основанной на использовании метра и грамма (см. 7 апреля).

В любой системе единиц различают основные единицы, которые задаются эталонами, и производные единицы, которые можно выразить через основные. Минимальное число основных единиц равно семи. Выбрать эту семерку основных можно по-разному. Сейчас наиболее распространена Международная система единиц, которая называется СИ (система интернациональная). Она была принята в 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам. В этой системе основными единицами являются: метр (длина), секунда (время), килограмм (масса), ампер (сила тока), кельвин (температура), моль (количество вещества), кандела (сила света). Международные эталоны основных единиц хранило Международное бюро мер и весов в Париже.

В 2019 году были изменены определения основных единиц СИ. Теперь все они определяются через фиксированные значения фундаментальных физических постоянных (заряда электрона, постоянных Планка, Больцмана и Авогадро). При этом величины единиц не изменились, но привязки к материальным эталонам больше не требуется.

В Библии сказано: «Неверные весы – мерзость перед Господом, но правильный вес угоден ему». Возможно, поэтому первые образцы мер и весов хранились в церквях и монастырях.

Май

1 мая
Открытие школьного учителя

1 мая 1825 года родился Иоганн Бальмер, швейцарский математик (ум. 1898).

Еще в XVII веке Ньютон, пропустив узкий солнечный луч сквозь призму, разложил солнечный свет в спектр – цветную полоску, состоящую из всех цветов радуги. Но научная спектроскопия родилась лишь через 200 лет. В 1853 году шведский физик Андерс Ангстрем установил, что спектры раскаленных газов, в отличие от солнечного спектра, состоят из отдельных ярких линий. Так, в спектре водорода он обнаружил всего четыре линии (красную, голубую и две фиолетовые) и точно измерил их длины волн. Через год исследованием спектров занялся немецкий физик Густав Кирхгоф. Он сформулировал основные законы спектрального анализа. Стало ясно, что атомы любого элемента обладают своим, характерным только для него, спектром. Спектральные линии оказались тем языком, на котором даже далекие космические объекты могут рассказать нам о себе.

В конце XIX века спектрами занимались многие физики. Однако важнейший шаг вперед в этой области сделал не физик, а математик Иоганн Яков Бальмер. Всю свою жизнь он преподавал математику в школе для девочек в швейцарском городе Базеле. Он не сделал себе имени на математическом поприще, зато в 1885 году он сумел найти простую формулу, объединяющую длины волн всех водородных линий. Формулу Бальмера знает сегодня каждый студент. Она сыграла большую роль в физике. Во-первых, формула предсказала инфракрасные и ультрафиолетовые линии спектра водорода – и эти линии вскоре были обнаружены. А через 90 лет эта формула помогла Нильсу Бору создать квантовую теорию атома.

2 мая
Гений физического эксперимента

2 мая 1868 года родился Роберт Вуд, американский физик, с 1930 – почетный член Академии наук СССР (ум. 1955).

«Моцарт физики», «виртуоз эксперимента», «отец современной оптики», «американский мальчик, который стал самым оригинальным экспериментатором, но так и не вырос» – так называли Роберта Вуда, веселого, красивого, азартного и жизнелюбивого человека. В школе он устраивал поджоги и взрывы, ездил по периллам винтовой лестницы, за что и был исключен. Но уже в 33 года стал профессором университета.

Вуда порой раздражало, что широкая публика знает его не по научным работам, а по физическим фокусам да «небольшим изобретеньицам» (за некоторые из которых его университет получал очень большие государственные премии). Но что делать, если его вклад в науку не так просто объяснить простыми словами. Больше всего он занимался физической оптикой. Вуд стал «отцом» инфракрасной и ультрафиолетовой фотографии, его спектрографы расширили возможности астрофизики. В физике и технике известны «эффект Вуда», «аномалия Вуда», «сплав Вуда», «стекло Вуда», «лампа Вуда». Эту лампу еще называют «лампой черного света». Она практически не излучает видимый свет – только ультрафиолетовый. Криминалисты с ее помощью обнаруживают следы крови, которые флюоресцируют в ультрафиолетовом свете, разведчики – тайнопись на бумаге, одежде или теле, банковские работники проверяют подлинность денежных банкнот.

Когда у Вуда засорилась длинная и узкая труба спектроскопа, он просто запустил в нее кошку и закрыл вход. Пробираясь к выходу, кошка по пути почистила своей шерстью трубу.

3 мая
Будущее нашего Солнца

3 мая – День Солнца.

Звезды рождаются и умирают. Уже не одно поколение звезд сменилось во Вселенной за 13,8 миллиардов лет ее существования. Наше Солнце относится к звездам второго поколения и принадлежит к классу желтых карликов – спокойных долгоживущих звезд. Уже около 5 млрд лет оно светит, практически не меняясь. Это возможно благодаря термоядерным реакциям превращения водорода в гелий в ядре Солнца. После выгорания водорода в ядре «горение» переместится в слои вокруг ядра. Это приведет к «раздуванию» Солнца, постепенному увеличению его размеров. Температура в ядре будет повышаться, а на поверхности – падать. Расширение Солнца может начаться уже через 0,5–1 млрд лет. Через 4 миллиарда лет Солнце раздуется так, что поглотит Меркурий, Венеру и почти достигнет орбиты Земли. На Земле вся вода испарится, а большая часть атмосферы рассеется в космическое пространство. Ничего живого на Земле не останется. Из желтого карлика Солнце превратится в красного гиганта. В ядре этого гиганта гелий начнет превращаться в углерод. Когда же и гелий «выгорит», Солнце может взорваться, сбросив свою распухшую оболочку.

Изредка мы видим на небе вспыхнувшую на несколько дней или недель новую звезду – это смерть звезды. Оставшееся после взрыва компактное ядро (белый карлик) будет постепенно остывать, превращаясь в холодное безжизненное тело. Никуда от этого сценария не деться. Предусмотрительные ученые уже задумываются, как бы заранее эвакуировать нашу планету.

Срок жизни более массивных звезд гораздо меньше. Поэтому около них не может успеть зародиться жизнь.

4 мая
Открытие реликтового излучения

Весной 1964 года сотрудники лаборатории «Белл телефон» Арно Пензиас и Роберт Вилсон намеревались измерять радиоизлучение Галактики. В их распоряжении был самый чувствительный на тот момент радиотелескоп. Они начали свои наблюдения на волнах длиной 7,35 см, на которых излучение Галактики должно быть очень мало. К своему удивлению, они обнаружили некий радиошум, от которого никак не получалось избавиться. Проверка всех компонентов устройства эффекта не принесла. В начале 1965 года они даже демонтировали рупор антенны и вычистили всю грязь, однако и это не уменьшило уровня шума. Исследователи вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Оказалось, что пространство излучает так, как будто оно имеет температуру примерно 270 °C. Если бы исследователи слышали о реликтовом тепловом излучении, предсказанным Гамовым (см. 20 февраля), то сразу бы поняли, что именно его они и обнаружили! А между тем группа астрофизиков из соседнего Принстонского университета как раз собиралась приступать к поиску реликтового излучения, и аппаратура для этого была уже смонтирована. Когда они узнали о «проблеме» Пензиаса и Уилсона, то поняли, что включать аппаратуру уже не имеет смысла.

В 1978 году Пензиасу и Уилсону за открытие реликтового теплового излучения была вручена Нобелевская премия по физике. Это открытие имело огромное значение для космологии. Излучение несет сведения о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей, и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик.

5 мая
Человеческий фактор

5 мая 1976 года Петр Капица в докладе «Глобальные проблемы и энергия», прочитанном в Стокгольмском университете, предупредил о непредсказуемости аварий на АЭС из-за оплошностей и ошибок людей.

Опасных инцидентов за ядерную эру случилось не менее полусотни. Поводом для доклада Капицы послужила авария на американской АЭС «Браунс Ферри» 22 марта 1975 года. Ну кто бы мог предугадать, что рабочий в одном из подвальных помещений станции зажжет обычную свечу! Огонь, подхваченный сквозняком, привел к пожару и выбросу радиации в атмосферу. И до этого были случаи такого рода.

1952 год, Канада, Чок-Ривер. Во время испытаний реактора из-за ошибок персонала и неисправностей в системе управления стала нарастать неуправляемая цепная реакция. Оболочка реактора начала плавиться, большая радиоактивная масса вылилась на землю…

1957 год, Великобритания, Уиндскейл. Дежурный персонал АЭС торопился и нарушил технический регламент. В итоге – пожар и выброс радиации. Пострадало пол-Европы (но узнали об этом лишь через 30 лет).

В 1955-м и 1961-м «человеческий фактор» вызвал аварии на американском реакторе в штате Айдахо.

Самая же крупная из предшественниц Чернобыльской трагедии 1986 года случилась на американской АЭС Тримайл Айленд в 1979-м по причине своевременно не обнаруженной утечки теплоносителя. Чтобы избежать взрыва, руководители АЭС сознательно пошли на выброс радиоактивных веществ.

Разве что авария на японской АЭС Фокусима-1 в 2011 году не связана с «человеческим фактором» – она произошла по вине цунами.

Кстати, этот доклад Капицы журналы отказались печатать.

6 мая
Гибель «Гинденбурга»

6 мая 1937 года произошло крушение крупнейшего в истории немецкого пассажирского дирижабля «Гинденбург».

В 1930-х самолеты не могли совершать беспосадочные межконтинентальные перелеты, а плавание на океанских лайнерах занимало много времени. Дирижабли же были относительно быстры и дешевы, грузоподъемность их достигала 100 тонн, а дальность полета была фактически неограниченной. Единственный минус заключался в пожароопасности, ведь оболочка дирижаблей наполнялась взрывоопасным водородом. Конечно, идеальным наполнителем был бы инертный газ гелий, но в те времена он производился только в США, а поставки гелия за пределы страны власти запретили.

«Гинденбург» работал на очень популярной линии Европа – США, поэтому его пассажирский салон всегда был заполнен до отказа. Два-три дня бесшумного полета на высоте 200 метров над океаном, две прогулочные галереи, столовая с кухней, бар, гостиная с роялем, 25 двухместных кают – сплошное удовольствие! Первый полет дирижабль совершил в марте 1931 года, а его 63-й полет окончился катастрофой. В свой последний полет «Гинденбург» долетел до Нью-Йорка, пройдя сквозь грозовой фронт, и уже подлетел к мачте-причалу, как вдруг вспыхнул гигантский водородный резервуар. Дирижабль рухнул на землю, и через 34 секунды все было кончено: вместо красавца-дирижабля не земле лежал его догорающий скелет. Погибло 36 пассажиров из 97. Причиной возгорания стала утечка водорода из баллона и его воспламенение от возникшей при сбрасывании посадочных канатов искры. Эта катастрофа стала концом эры дирижаблей (см. 28 августа).

7 мая
С днем радио!

7 мая 1895 года Александр Степанович Попов на заседании физико-химического общества в Петербурге впервые продемонстрировал сконструированный им радиоприемник.

В этот день – День радио – стоит помянуть добрым словом и сказать спасибо Джеймсу Максвеллу, предсказавшему существование радиоволн, и Генриху Герцу, открывшему их на опыте; Александру Степановичу Попову, первому изобретателю радиоприемника, и Гульельмо Маркони, благодаря которому радио вошло в повседневную жизнь людей, а также многим ученым, инженерам и энтузиастам. Сегодня суммарная мощность технологического излучения человечества (в частности, в ТВ-диапазонах метровых волн) уже сопоставима с радиоизлучением Солнца! Для внеземных наблюдателей (если они есть) наша Солнечная система стала почти вдвое ярче в радиодиапазоне. Правда, этот всплеск нашего радиоизлучения пока дошел лишь до ближайших звездных систем, удаленных от нас на несколько десятков световых лет. Если бы мы обнаружили такое странное изменение радиоизлучения в какой-то звездной системе, то сделали бы вывод о наличии в ней «братьев по разуму». Но звезды вокруг нас почему-то «молчат». История радиотехники продолжает вершиться на наших глазах.

Герц, продемонстрировавший на опыте существование электромагнитных волн, не верил, что открытые им волны смогут приносить пользу. Он даже написал в Дрезденскую палату коммерции письмо о том, что исследования радиоволн нужно запретить как бесполезные.

Дама в автомобиле включает pадио и слышит: «Вы слyшаете pадио Евpопа-плюс»! Дама: «И откyда они все знают?»

8 мая
«Магдебургские полушария»

8 мая 1654 года бургомистр Магдебурга Отто фон Герике произвел знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями».

Отто фон Герике был любознательным человеком. В то время благодаря работам Галилея, Торричелли и Паскаля сформировалось понятие об атмосферном давлении. Тогда же начались попытки создать пустоту и доказать, что, вопреки мнению Аристотеля, природа ее не «боится» (см. 15 октября).

Опыты с пустотой увлекли фон Герике. Сначала он заполнил бочку водой, подсоединил к ней насос и начал выкачивать воду. Но обручи бочки быстро треснули – когда над водой образовалась пустота, гигантские силы атмосферного давления расплющили бочку. Тогда Герике взял медный сосуд. Поршень насоса сначала двигался легко, потом все тяжелее, и вдруг «внезапно, ко всеобщему ужасу, шар со страшным шумом разлетелся на мелкие куски, как если бы он был сброшен с высочайшей башни».

Самый знаменитый свой опыт Герике показал при большом стечении народа в 1654 году – он вошел в историю как «опыт с магдебургскими полушариями». Отто фон Герике взял две медные чаши (магдебургские полушария) и сложил их вместе, получив полую сферу диаметром около 35 см. Когда из сферы откачали воздух, две восьмерки лошадей не смогли растащить прижатые друг к другу полушария, удерживаемые только атмосферным давлением.

Отто фон Герике продолжал придумывать остроумные эксперименты и разрабатывал устройства для откачки воздуха. Он известен как изобретатель первого вакуумного насоса. Можно сказать, что с него 400 лет назад началось развитие вакуумной техники (см. 16 апреля).

9 мая
Человек, стоявший у истоков телевидения

9 мая 1911 года русский физик Борис Львович Розинг (1869–1933) провел первую в мире телевизионную передачу.

Предки Бориса Львовича приехали в Россию по приглашению Петра I. Розинг еще в 1907 году предложил (и запатентовал в России и за границей) идею электронного телевизора. Ему удалось осуществить свою идею на практике. Он сконструировал трубку (кинескоп), в которой поток электронов «бомбардирует» торец, покрытый изнутри слоем вещества, способного светиться под воздействием электронных ударов. Розинг так сформулировал преимущества электронного телевидения: «Катодный пучок есть именно то идеальное перо, которому самой природой уготовано место в аппарате получения изображения в электрическом телескопе. Он обладает тем ценнейшим свойством, что его можно двигать с какой угодно скоростью при помощи электрического или магнитного поля, могущего быть притом возбужденным со скоростью света с другой станции, находящейся на каком угодно расстоянии».

Свыше четверти века Розинг занимался совершенствованием телевизора. Его по справедливости следует считать отцом электронного телевидения. К несчастью, его деятельность была прервана в 1931 году, когда он был арестован «за финансовую помощь контрреволюционерам» (дал денег в долг приятелю, впоследствии арестованному) и сослан в северные районы, где умер через два года.

Но у телевидения нет единственного изобретателя: многие ученые и инженеры объединили свои усилия. В США изобретение телевидения связано с именем Владимира Зворыкина, который до своего отъезда в Америку был учеником Розинга.