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

10 мая
Сможем ли мы долететь до звезд?

10 мая 1897 года Циолковский вывел формулу (названную «формулой Циолковского»), определяющую скорость ракеты.

Вся жизнь Циолковского была посвящена одной мечте: полету к звездам. Он первый обосновал возможность использования ракет для межпланетных перелетов. Знаменитая формула Циолковского позволяет рассчитать запас топлива, необходимый для достижения нужной скорости v. Чем больше величина скорости, которую надо сообщить ракете, тем больше нужно топлива. Отношение стартовой массы m₀ ракеты с топливом к ее конечной массе m без топлива очень сильно зависит от скорости u истечения газов из сопла: m₀/m = e^v/u (число e примерно равно 2,7). У современных ракет на химическом топливе скорость истечения газов не превосходит 4 км/c. Это означает, что для достижения первой космической скорости (около 8 км/c) стартовая масса должна быть в e² ≈ 7 раз больше массы выведенного на орбиту аппарата. Для межпланетных перелетов требуется скорость более 16 км/c, и отношение масс достигает e⁴ ≈ 50! А чтобы долететь до звезд хотя бы за несколько десятков лет (по Земным часам), нужна скорость, сопоставимая световой. Стартовая масса в этом случае оказывается больше массы всей Вселенной! Какой отсюда вывод? Формула Циолковского подсказывает: надо, чтобы скорость истечения газов из сопла была сравнима со скоростью света. Можно ли этого добиться? Пока ответ неизвестен.

Это не единственная проблема. Например, столкновение корабля даже с мельчайшими частичками пыли при околосветовых скоростях смертельно. А последние исследования показывают, что пыли в межзвездном пространстве много…

11 мая
Слепой жук и Эйнштейн

11 мая 1916 года Эйнштейн публично представил общую теорию относительности.

Есть две теории относительности: частная и общая. Первая лишила нас иллюзии абсолютности времени и расстояний. Вторая же раскрыла тайну всемирного тяготения. Если первая теория родилась буквально за месяц, то на создание теории тяготения ушло 10 нелегких лет. Эйнштейн писал в одной статье: «Только тот, кто сам это изведал, знает, что такое полные предчувствий, длящиеся годами поиски во мраке, волнение и страстное ожидание, переходы от уверенности к изнеможению и, наконец, рывок, приводящий к ясности».

Закон всемирного тяготения Ньютона, хотя и позволяет предсказывать движение тел под действием силы тяготения, не раскрывает природу тяготения. Эйнштейн объяснил всемирное тяготение искривлением пространства-времени массивными телами. Общая теория относительности предсказала новые явления. И хотя мало кто из ученых сразу смог понять эту теорию, всемирная слава обрушилась на ученого, когда эти предсказания начали подтверждаться (см. 6 ноября). Младший сын Эйнштейна спросил его: «Папа, почему ты так знаменит?», и услышал простой ответ: «Видишь ли, когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут, мне же посчастливилось это заметить».

Эйнштейн однажды написал Чарли Чаплину: «Ваш фильм «Золотая лихорадка» понятен всем в мире, и Вы непременно станете великим человеком». Чаплин ответил: «Я Вами восхищаюсь еще больше. Вашу теорию относительности никто в мире не понимает, а Вы все-таки стали великим человеком».

12 мая
Что такое нанотехнологии

Это слово сегодня очень популярно. Сам термин «нанотехнология» (от греческого nanos – карлик) возник в 70-х годах ХХ века. Это технологии работы с веществом на уровне отдельных молекул и атомов, в пространстве размером в миллиардную часть метра. Люди давно уже применяли нанотехнологии, даже не подозревая об этом. Так, в средние века при создании витражей мельчайшие частицы золота и серебра добавлялись в стекло, из-за чего оно меняло цвет в зависимости от освещения.

Мысль о том, что люди когда-нибудь смогут создавать нужные им устройства, собирая их «молекула за молекулой», высказал на лекции в 1959 году один из крупнейших физиков ХХ века Ричард Фейнман. Он предсказал, что, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. Современники восприняли идею как фантастику или шутку. Но шутки кончились, когда в 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами – туннельный микроскоп. Помечтаем… Нанотехнологии преобразят наш мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие беды. Практически все, что необходимо для жизни человека, будут изготавливать «молекулярные роботы» (нанороботы) непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания – из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения. Все это не так уж далеко за горами.

Встречаются как-то в мороз два физика. Один другому и говорит:

– Ну у тебя и нос! 720 нанометров!

– Что, такой маленький?

– Нет. Такой красный. (Такую длину волны имеет красный свет.)

13 мая
Большой человек

13 мая 1895 года в Нью-Йорке сгорела лаборатория Николы Теслы (1856–1943). В огне погибли записи многих его изобретений.

Никола Тесла был человеком более чем двухметрового роста и большого ума. Самое знаменитое его изобретение – генератор переменного тока – родилось в воображении Теслы, когда он был еще студентом. Но все физики того времени были убеждены, что электричество можно использовать и передавать на расстояние только в виде постоянного тока. Тесла придумал и электродвигатель переменного тока, и снова его никто не хотел слушать. Не найдя понимания у себя на родине, в Хорватии, а также в Европе, в 1884 году молодой изобретатель переехал в США. Он занимался выкапыванием канав, спал, где придется, и ел, что найдется. Но уже через год получил патенты на свой электродвигатель и разработанные им методы передачи электроэнергии. Главным его противником в деле пропаганды переменного тока был знаменитый изобретатель Эдисон, который к тому времени уже сделал себе состояние на электростанциях и электродвигателях постоянного тока. Противостояние этих двух изобретателей вошло в историю как «война токов». В 1888 году известный предприниматель Георг Вестингауз купил у Теслы патенты на миллион долларов (большую по тем временам сумму). За три года Тесла получил еще 15 миллионов долларов за свои двигатели и навсегда избавился от материальных забот.

В юности Тесла заболел холерой. Буквально на смертном одре он умолял отца позволить ему учиться на инженера, а не священника. Получив разрешение, Никола быстро выздоровел. Но всю жизнь панически боялся микробов.

14 мая
Что за ливни?

14 мая 1899 года родился Пьер Оже, французский физик, открывший широкие атмосферные ливни в космических лучах (ум. 1993).

В 1937 году, изучая космические лучи (см. 7 августа), Пьер Оже заметил, что сразу несколько детекторов космических частиц, находящихся далеко друг от друга, иногда срабатывают одновременно. Это значит, что зарегистрированные частицы имеют общее происхождение. Когда космические частицы (в основном, протоны и ядра гелия) с огромной энергией врываются в атмосферу, они, соударяясь с ядрами атомов воздуха, порождают целый каскад ядерных превращений. В атмосфере возникает лавина новых частиц – так называемый широкий атмосферный ливень. Одна энергичная первичная частица порождает миллионы вторичных частиц, покрывающих площадь несколько квадратных километров!

Среди космических частиц встречаются такие, энергия которых в сотни миллионов раз больше, чем энергии, достигаемые на самых мощных ускорителях! Откуда они берутся – остается пока загадкой. Полагают, что эти частицы порождаются при взрывах сверхновых в нашей Галактике, а также огромными черными дырами, расположенными в соседних галактиках. Таких сверхэнергичных частиц очень мало: на квадратный километр земной поверхности приходится одна частица раз в несколько десятков лет. Для наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий в 2007 году в Аргентине «вступила в строй» крупнейшая в мире обсерватория имени Пьера Оже.

Подсчитано, что число ученых, занимающихся космическими лучами сверхвысоких энергий, пока что превосходит число частиц, которые за это время были реально зарегистрированы.

15 мая
Об опасности науки

15 мая 1859 года родился Пьер Кюри, французский физик, один из первых исследователей радиоактивности, Нобелевский лауреат 1903 года (ум. 1906).

Практически сразу же после открытия радиоактивных излучений обнаружилось их смертоносное воздействие на живые организмы. Пьер Кюри говорил: «В преступных руках радий может стать весьма опасным, и мы можем теперь задать себе вопрос, выигрывает ли человечество от знания секретов природы, достаточно ли оно созрело, чтобы пользоваться ими, не принесет ли ему вред это знание. Пример изобретения динамита Нобелем весьма характерен. Наличие мощных взрывчатых веществ сделало возможным проведение грандиозных работ. Но вместе с тем взрывчатые вещества являются страшными средствами разрушения в руках преступников, вовлекающих народы в войну. Я склонен придерживаться точки зрения Нобеля, что человечество извлечет из новых открытий больше хорошего, чем плохого». Поразительно, что Пьеру Кюри пришла в голову аналогия именно с изобретением динамита Нобелем (см. 3 сентября), в то время, когда никто и не предполагал, что исследования радиоактивности приведут к появлению самого разрушительного оружия – атомного. Да, наука остается опасным занятием. Будем верить в разумность человечества вслед за Нобелем и Пьером Кюри.

Когда супруги Кюри находились в Лондоне, в их честь был дан банкет. Во время банкета Пьер внимательно рассматривал драгоценности, украшавшие дам. После банкета Мария спросила мужа, чем объяснить такое его странное поведение. Оказалось, Пьер высчитывал, сколько лабораторий можно построить за эти драгоценности

16 мая
Один против всех

16 мая 1960 года американский физик Теодор Мейман (1927–2007) создал первый в мире рубиновый лазер.

Говоря о создании лазера, обычно вспоминают русских физиков Басова и Прохорова (см. 11 июля) и американца Чарльза Таунса, получивших в 1964 году Нобелевскую премию «за создание квантовых генераторов и усилителей». Но эти ученые создали мазеры, работающие в микроволновом диапазоне. А сделать источник когерентного видимого света, то есть лазер, никак не удавалось, хотя крупные компании, военные ведомства и лаборатории вкладывали в эту работу огромные средства. В частности, группа Чарльза Таунса получила на разработку лазера 100 миллионов долларов. Экспериментальные исследования зашли в тупик, и многие ученые стали сомневаться в возможности создания лазера.

Удивительно, но одинокий ученый, Теодор Мейман, обошел в этом соревновании крупнейшие организации и построил первый лазер. Активным веществом в нем служил рубиновый стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью ламп фотовспышки. Трудности, с которыми столкнулся молодой и мало тогда кому известный ученый, были огромны. В него никто не верил, финансирование было скудным. Когда в качестве материала для лазера он выбрал рубин, маститые ученые подняли его на смех. Но Мейман был верен себе, и после 9 месяцев колоссальных усилий, работы в атмосфере насмешек, неверия и безденежья он предъявил ученому сообществу работающий лазер! Изобретение получило широкий общественный резонанс, но, увы, не было отмечено Нобелевской премией.

Надпись на двери лаборатории оптики: «Не смотри в лазер оставшимся глазом!»

17 мая
Максвелл и цветная фотография

17 мая 1861 года Максвелл впервые продемонстрировал цветную фотографию.

Все знают Максвелла как автора знаменитых уравнений электромагнитного поля (см. 13 июня) и одного из «отцов» статистической физики. Он «отметился» также в механике, оптике и математике, занимался популяризацией науки, конструировал научные приборы… Очень разносторонний человек! Но мало кто знает, что он еще и автор трехкомпонентной теории цветоощущения. Суть ее в том, что все цвета можно получить, смешивая в определенных пропорциях три основных чистых цвета: красный, синий и зеленый. Эта теория опиралась на факт существования трех видов колбочек на сетчатке глаза человека, обнаруженный двумя другими разносторонними учеными – Гельмгольцем и Юнгом (см. 19 июля и 31 августа). Чтобы доказать свою теорию цвета, Максвелл задумал сделать цветную фотографию. В эпоху еле чувствительных фотопластинок это было немыслимое чудо! Максвелл с трудом уговорил известного фотографа помочь осуществить этот проект.

Бант из трехцветной ленты был сфотографирован при ярком солнечном свете трижды: через красный, синий и зеленый светофильтры. На стекле были напечатаны три фотоснимка. И во время лекции перед Королевским обществом в Лондоне состоялась демонстрация. Максвелл установил три фонаря, перед каждым из них – те же фильтры, которые использовались при съемке. Три изображения были одновременно спроецированы на экран – и все увидели цветное изображение!

Об этой работе Максвелла вспомнили 30 лет спустя, когда появились подходящие фотоматериалы для регистрации зеленого и красного цвета.

18 мая
Забытый Хевисайд

18 мая 1850 года родился Оливер Хевисайд, английский ученый-самоучка (ум. 1925).

У него не было университетского образования. За исключением шести лет работы в телеграфной компании он всю жизнь был безработным. Трудно точно указать его научную профессию. Как заметил некий шутник: «Хевисайд одно время бывал математиком, другое время – физиком, но во все времена – телеграфистом». Действительно, он очень много думал об усовершенствовании телеграфа. Именно его теория линий связи позволила неограниченно увеличивать дальность телефонной и телеграфной связи и принесла миллиардные прибыли предпринимателям. Сам же Хевисайд жил бедно и умер в нищете. Но его работы изменили облик математики и физики. Вы думаете, что векторы для описания сил первым применил Ньютон? Нет, это был Хевисайд. Он научил физиков оперировать векторами и был одним из создателей векторного анализа. Он разработал используемый ныне в квантовой механике операторный метод. Он значительно упростил уравнения Максвелла: свел 20 уравнений, содержащих 20 переменных, к четырем (одновременно и независимо это же сделал Герц). В течение ряда лет знакомые нам уравнения электродинамики назывались уравнениями Герца – Хевисайда.

Это был гений и очень своеобразный человек – убежденный холостяк, чудак-отшельник, чуждый мирских забот и всякого тщеславия. В детстве он почти оглох, но всю жизнь играл на эоловой арфе. Хевисайд почти забыт. Но когда вы будете в очередной раз звонить по междугороднему телефону или писать векторные формулы, вспомните имя человека, подарившего вам эту возможность.

19 мая
Осторожно! Свинец!

19 мая 1845 года английский полярный исследователь адмирал Джон Франклин отправился в очередную экспедицию, которая оказалась для него последней.

Экспедиция Франклина, искавшая северо-западный проход из Атлантического в Тихий океан, пропала. Только в 1859 году на острове Кинг-Уильям (Канада) были обнаружены ее останки. Около 130 лет считалось, что путешественники погибли от голода и холода. Но в 1981–1986 годах антропологи провели анализ останков и установили, что причиной смерти явилось отравление свинцом. Дело в том, что британское адмиралтейство снабдило экспедицию самым современным провиантом, рассчитанным на три года: консервами в металлических банках. Эти банки содержали свинец в высокой концентрации.

Вот еще один исторический пример свинцового отравления: во времена расцвета древнего Рима были введены в употребление свинцовые трубы для водопровода и содержащие свинец сплавы для изготовления металлической посуды, которой пользовались состоятельные люди. Исследование захоронений того времени показало: содержание свинца в скелетах знатных римлян сильно повышено.

Теперь-то мы знаем, как опасен свинец: это сильно действующий токсин, нарушающий функции многих органов человека, особенно мозга. Содержание свинца в биосфере сильно возросло после того, как с 1923 года в бензин в качестве антидетонатора стали добавлять тетраэтилсвинец. К счастью, в последние годы во многих странах, в том числе в России, использование этилированного бензина запрещено. Выбросы свинца в атмосферу дают также вулканы, металлургические и другие заводы.

20 мая
«Остановивший Солнце, сдвинувший Землю»

В мае 1543 напечатана книга Николая Коперника (1473–1543) «О вращениях небесных сфер».

Эти слова высечены на пьедестале памятника Копернику на его родине, в Польше. В них вся суть открытия Коперника: мы живем не в центре мира, а на одной из планет, обращающейся, наряду с другими планетами, вокруг Солнца. Удивительно, но церковные власти не сразу разглядели эту «ужасную ересь». Лишь через 73 года после смерти Коперника его книга была внесена инквизицией в список запрещенных и оставалась под запретом аж до 1833 года. За пропаганду идей Коперника в 1600 году инквизиция заживо сожгла на костре Джордано Бруно, в 1633 угрозами пыток принудила к отречению Галилео Галилея, а сам автор крамолы счастливо избежал угроз и преследований. Может быть, это объясняется тем, что Коперник, в отличие от Бруно и Галилея, не искал единомышленников, не затевал споров, не стремился пропагандировать свои идеи. «Я никогда не искал рукоплесканий толпы, – писал он, – я изучал то, что для нее никогда не будет предметом уважения и одобрения, и никогда не занимался вещами, которые она одобряла». Получив должность каноника (священнослужителя) в небольшом городке, он поселился в маленькой башне крепостной стены, окружавшей собор, и прожил там тридцать лет – одинокий задумчивый человек, по ночам наблюдавший за звездами.

Он был уже стар, когда решился напечатать главный труд всей своей жизни. За несколько часов до смерти ему принесли экземпляр только что отпечатанной книги, и он успел взять ее в руки. Могилы Коперника не сохранилось. Книга осталась.

21 мая
Водородная бомба и Нобелевская премия мира

21 мая 1921 года родился Андрей Дмитриевич Сахаров, «отец» советской водородной бомбы, борец за права человека, лауреат Нобелевской премии мира (ум. 1989).

В 1948 году молодой выпускник аспирантуры физического факультета МГУ Андрей Сахаров был привлечен к работам по созданию советской водородной бомбы. 12 августа 1953 года в СССР по схеме, предложенной А.Д. Сахаровым, была успешно испытана первая в мире термоядерная бомба. Подобного оружия на тот момент у США не было. Когда в том же году Сахаров защищал докторскую диссертацию, его учитель И.Е. Тамм сказал: «Не может быть сомнений в том, что А.Д. Сахаров заслуживает не только ученой степени доктора физических наук, но и избрания в Академию наук СССР». А президент Академии добавил: «У этого человека больше заслуг перед страной, чем у нас всех вместе взятых». Так Сахаров стал сразу доктором наук и академиком.

С 1957 года он начал борьбу против испытаний ядерного оружия. Отношение властей к «отцу водородной бомбы», трижды Герою Социалистического труда, лауреату Государственной и Ленинской премий резко изменилось, когда он осмелился открыто восстать против власти. Он выступал в защиту политзаключенных и инакомыслящих, протестовал против ввода советских войск в Афганистан. В 1980-м Сахарова лишили всех правительственных наград и выслали в закрытый для иностранцев город Горький (ныне Нижний Новгород). Ссылка продолжалась 7 лет. В это время он создавал новые теории развития Вселенной. В Москву Сахаров вернулся в декабре 1986-го по личной просьбе Горбачева.

22 мая
Из чего состоит Вселенная?

Все знают, что Вселенная состоит из галактик, а они, в свою очередь, состоят из звезд и межзвездных облаков пыли и газа. Все это вещество мы регистрируем с помощью наших приборов. Но, оказывается, наблюдаемая материя, подобно надводной части айсберга, составляет всего 4 % от всего «имущества» Вселенной. Что же представляют из себя остальные 96 %?

Около 25 % приходится на долю так называемой темной материи. Она не излучает, не поглощает и не рассеивает свет, поэтому невидима. Но именно она своим полем тяготения удерживает галактики в скоплениях и звезды в галактиках. Большая часть темной материи состоит, скорее всего, из не открытых еще в земных условиях частиц. Они гораздо тяжелее протона и очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, потому-то их так сложно обнаружить. Остальную часть Вселенной (не менее 70 %) составляет еще более таинственная темная энергия. Что это такое, пока никто не знает, хотя теории на этот счет имеются. Согласно одной из них, это энергия вакуума, запасенная в каком-то физическом поле. Темная энергия равномерно «разлита» во Вселенной: в галактиках ее столько же, сколько вне их. Самое же необычное – то, что темная энергия обладает антитяготением: она как бы расталкивает вещество, заставляя галактики разбегаться друг от друга все быстрее и быстрее. В 1998 году, анализируя данные, полученные на космическом телескопе «Хаббл», астрономы установили, что Вселенная сейчас не просто расширяется, а расширяется с ускорением – все быстрее и быстрее. Природа темной энергии – это главная загадка физики XXI века.