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

5 июня
Всемирный день защиты окружающей среды

Экологические проблемы современного мира глобальны: они имеют отношение ко всему человечеству. Вот только некоторые из них.

Загрязнение атмосферы вызывают все предприятия, сжигающие ископаемое топливо (уголь, нефть, газ и др.). В городах более 70 % загрязняющих выбросов дает автотранспорт (в Москве – 90 %). Эти выбросы содержат окислы азота, углерода, серы, которые, взаимодействуя с атмосферными газами, образуют кислоты. Они становятся причиной кислотных дождей. Попадая в организм человека при дыхании, эти кислоты раздражают слизистые оболочки легких и верхних дыхательных путей и усугубляют течение простудных и аллергических заболеваний.

Загрязнение мирового океана связано, в основном, с нефтью. Когда поверхность океана покрыта нефтяной пленкой, уменьшается количество растворенного в воде кислорода, что снижает продуктивность океана.

О масштабах сокращения площади лесных массивов можно судить по такому примеру: 10 тысяч лет назад 95 % территории современного Китая было покрыто лесом, сейчас – всего 5 %. В настоящее время лес наиболее интенсивно вырубается в тропиках, а ведь тропические леса – основной поставщик кислорода на нашей планете.

Дефицит пресной воды. Хотя запасы воды на Земле огромны, лишь 2,8 % из них приходится на пресные воды. Из них воды суши составляют всего 0,07 %, остальные запасы пресной воды сосредоточены в ледниках. Недостаток пресной воды испытывает сегодня треть населения Земли. Есть еще ряд проблем: деградация почв, истощение природных ресурсов, увеличение отходов, разрушение озонового слоя…

6 июня
Самый сложный полет в истории «Союзов»

6 июня 1985 года стартовал космический корабль «Союз Т-13» для ремонта орбитальной станции «Салют-7».

В феврале 1985 года орбитальная станция «Салют-7», на которой уже полгода не было людей, перестала отвечать на сигналы из Центра управления и постепенно приближалась к Земле. Мировые СМИ сообщали, что огромная неуправляемая станция может в любой момент упасть неизвестно где. Опытных космонавтов Владимира Джанибекова и Виктора Савиных начали срочно готовить к полету на станцию. 8 июня корабль состыковался со станцией. Когда космонавты перешли в помещение станции, температура там была ниже минус пяти. Замерзшая вода разорвала трубы, стены покрылись инеем. Космонавтам разрешили работать на станции по 8 часов в сутки и только по одному – второй оставался в «Союзе». Станция была полностью обесточена. Еду и кофе грели под осветительной лампой на корабле, воду приходилось экономить. На третий день удалось подключить аккумуляторы станции, на следующий день включили часть освещения, подключили генераторы воздуха, разогрели еду. Станция начала отогреваться, лед растаял – и возникла новая проблема: что делать с талой водой? Тряпок-то нет! Начали раздирать одежду.

Грузовой корабль пристыковался только через две недели, привез оборудование, запасы воды и топлива и много вафельных полотенец. А космонавты начали готовиться к выходу в открытый космос для замены солнечных батарей (старые потеряли эффективность под ударами микрометеоритов). Станция была восстановлена! Космонавты трудились на ней 100 дней, после чего на станцию прибыла новая смена.

7 июня
Символ Парижа

В июне 1886 года Эйфель представил чертежи и расчеты «Эйфелевой» башни.

Башня строилась для Всемирной выставки 1889 года, отмечавшей столетие французской революции. Среди 700 проектов, представленных на конкурс, победил проект инженера Густава Эйфеля. Завоевав первую премию, Эйфель воскликнул: «Франция будет единственной страной, располагающей 300-метровым флагштоком!» На самом деле высота башни составила почти 320 метров, и до 1931 года это было самое высокое сооружение в мире.

Башню удалось собрать всего за два года благодаря тому, что Эйфель применил особые конструкционные методы. Например, при выкапывании котлованов для опор, из-за близости реки Сены, он накачивал в рабочее пространство сжатый воздух, чтобы туда не могла проникать вода. Эйфель со своими инженерами рассчитывал силу ветра, чтобы самое высокое сооружение в мире было устойчиво к ветровым нагрузкам. Ажурная конструкция легко продувается воздушными потоками, почти не оказывая им сопротивления. Даже самый сильный шторм, случившийся в Париже, отклонил верхушку башни лишь на 12 сантиметров. Значительно больше на нее действует солнце. Обращенная к солнцу сторона расширяется от жары так, что верхушка отклоняется в сторону на 18 сантиметров.

Одни восхищались этим сооружением, другие возмущались. Но равнодушных не было. От планировавшегося через 20 лет сноса башню спасли любовь парижан и радиоантенны, установленные на самом ее верху, – начиналась эпоха внедрения радио. Сегодня Эйфелева башня служит и как телебашня.

8 июня
Как был открыт нептуний

8 июня 1940 года объявлено об открытии нептуния – 93-го элемента в таблице Менделеева.

В 1869 году, когда Менделеев открыл периодическую систему элементов, их было известно всего 63. В самой дальней, 92-ой клетке своей таблицы, Менделеев поместил уран (в те времена многие предыдущие клетки оставались еще «пустыми»). Это действительно последний из первичных элементов, содержащихся в Земле с момента ее зарождения. Теперь мы знаем, что все трансурановые (т. е. идущие после урана) элементы нестабильны и успели распасться за 4,5 млрд. лет существования Земли.

Попытки создать заново 93-й элемент начались сразу после открытия нейтрона в 1932 году. С этой целью Энрико Ферми облучал уран нейтронами. Он ожидал, что ядро урана-238, покорно захватив нейтрон, перейдет в изотоп уран-239, а затем, испустив электрон, превратится в ядро 93-го элемента. По существу, Ферми наметил верный путь. Но получить 93-й элемент он не смог. Как выяснилось позднее, медленные нейтроны не захватываются ядром урана, а «разбивают его вдребезги», т. е. приводят к делению ядра. В итоге попытка синтезировать трансурановый элемент обернулась другим великим открытием – делением атомного ядра (см. 11 февраля). А захватываются ядрами урана быстрые нейтроны. Выяснил это и обнаружил 93-й элемент американский физик Эдвин Макмиллан в 1940 году. Ирония судьбы в том, что он-то как раз не собирался искать этот элемент, но новое часто входит не в ту дверь, в которую стучишься.

На сегодняшний день синтезированы элементы вплоть до 118. «Охота» за сверхтяжелыми элементами продолжается.

9 июня
От Римана к Эйнштейну

9 июня 1854 года немецкий математик Риман (1826–1866) представил доклад о геометрии искривленных пространств.

Пространство, как и время, кажется нам чем-то самоочевидным. Невозможно усомниться, что, к примеру, параллельные прямые никогда не пересекутся. Первым, у кого возникла «безумная» идея, что пространство может быть и другим – искривленным, был Николай Лобачевский (1792–1856). Его идеи были не поняты, над автором потешались, и умер он в бедности и безвестности. Через 20 с лишним лет геометрию искривленных пространств стал разрабатывать Риман. И хотя его тоже поняли не сразу, все же в последние годы своей недолгой жизни Риман получил признание.

Представить себе искривленное трехмерное пространство нелегко, а двумерное – просто. Собственно, мы и живем на искривленной поверхности – поверхности сферы, которая только на небольших участках кажется плоской. Если идти по этой поверхности все время прямо, то вернешься в исходную точку. А что если наше трехмерное пространство обладает таким же свойством?

И все же до поры до времени искривленные пространства казались лишь играми ума. Так было до появления общей теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн пришел к выводу, что любое массивное тело искривляет пространство вокруг себя – подобно тому, как вы искривляете поверхность батута, на котором стоите. Если на краю этой «ямки» поместить другое тело, оно будет скатываться в «ямку» – притягиваться. Это и есть всемирное тяготение, и геометрические уравнения Римана помогли Эйнштейну описать это самое загадочное явление природы.

10 июня
Охотники за водой

10 июня 2003 года в США запущена ракета-носитель с марсоходом «Спирит» на борту. 7 июля того же года стартовала ракета с таким же аппаратом «Оппортьюнити».

С января 2004 года на Марсе начали работу сразу два марсохода – «Спирит» («Дух») и «Оппортьюнити» («Возможность»). «Спирит» продержался в рабочем состоянии 6 лет, 2 месяца и 19 дней, наколесив по поверхности планеты 7730 метров. А его коллега «Оппортьюнити» проработал почти 14 лет (рекорд!), до июня 2018 года, пройдя путь более 45 км.

Аппараты передали на Землю невероятно детальные снимки поверхности Марса. Но главная задача, поставленная перед ними, – поиск следов жидкой воды, ведь вода – это жизнь. И аппараты нашли прямые свидетельства того, что некогда на Марсе плескалась вода! Это было более трех миллиардов лет назад, когда климат на Марсе был теплым и влажным. Возможно, тогда там были даже океаны. Очень велико искушение предположить, что на Красной планете существовала жизнь. Эту гипотезу подтверждают найденные образцы грунта, на которых отчетливо видны следы прошлого пребывания микроорганизмов. Почему же вода исчезла? Где она теперь? Часть воды остается на Марсе в виде полярных шапок. И немало воды может скрываться под поверхностью в виде ледников. Прибывший на Марс в мае 2008 года другой американский аппарат – «Феникс» – получил прямые тому доказательства. Проделав неглубокие борозды в грунте, он обнаружил там водяной лед! Анализ марсианской почвы показал: она почти ничем не отличается от земной почвы и вполне пригодна для выращивания растений. Возможность колонизации Марса в будущем реальна!

11 июня
«Прошу миловать науки»

11 июня 1711 года родился русский физик Георг Вильгельм Рихман, исследователь атмосферного электричества.

Георг Рихман, профессор физики Петербургской Академии, был одним из первых, кто способствовал превращению электричества в точную науку. Он построил первый электроизмерительный прибор – электрометр. Вместе с Ломоносовым он с увлечением воспринял сообщение об опытах Франклина (см. 15 июня), доказавших, что гроза – явление электрическое. Рихман соорудил у себя на квартире прибор для получения электричества из грозовых туч. Он состоял из изолированного железного листа, пропущенного сквозь крышу дома и соединенного с электрометром в комнате. Аналогичный прибор был и в квартире Ломоносова.

26 июля 1753 года при приближении грозы оба ученых заспешили к своим установкам. (Заметим в скобках, что электрометры их были не заземлены, так что действительно представляли опасность для экспериментаторов). Рихман позвал к себе гравера, чтобы зарисовывать опыты. «Теперь нет еще опасности, однако, когда туча будет близко, то может быть опасность», – успел он сказать граверу. И тут прямо в лоб его ударил огненный шар. Раздался грохот, и оба упали. Гравер был оглушен, а Рихман убит. Причиной несчастья стала, скорее всего, случайная шаровая молния – окно было отворено. Смерть Рихмана напугала ученых и отвратила многих от подобных занятий. Ломоносов писал графу Шувалову: «Чтобы сий случай не был протолкован противу приращения наук, всепокорнейше прошу миловать науки». После смерти Рихмана Ломоносов один продолжил опыты по электричеству.

12 июня
Дом Науки для всех

12 июня 1872 года в Москве открылась Первая всероссийская политехническая выставка, материалы которой легли в основу Политехнического музея.

Инициаторами создания Политехнического музея были ученые, объединившиеся в 1864 году в Императорское Общество любителей естествознания, антропологии и этнографии. Общество стремилось сделать научные знания доступными всем. Однако оно не имело постоянной базы. И тогда возникла мысль создать в Москве общедоступный музей, который будет стимулировать интерес к этим сферам деятельности. Чтобы собрать экспонаты для музея, устроили в Москве, в здании Манежа, Всероссийскую политехническую выставку. На ней были представлены новейшие научные и производственные достижения. Успех выставки был огромный, за три месяца ее посетили 750 тысяч человек. Так был основан Политехнический музей. Сначала он принимал посетителей во временно арендованном помещении. Строительство специального здания для музея началось в 1874 году и растянулось на 30 лет. К началу ХХ века музей стал важным научным, культурным и просветительным центром. В его Большой аудитории проводятся лекции, диспуты, демонстрации научных опытов, конференции и литературные встречи. В музей приводят даже малышей. В комнате-игротеке можно все потрогать, покрутить, покатать и покататься, самим провести опыты, поиграть, посидеть на гвоздях, решить головоломки и проч. Научный лекторий собирает взрослых, интересующихся достижениями современной науки. Может быть, посетив этот дом на Лубянке, вы захотите в нем надолго «поселиться».

13 июня
Создатель теории электромагнитного поля

13 июня 1831 года родился Джеймс Максвелл (ум. 1879).

О жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно. Как и Эйнштейна, в школе Джеймса Максвелла сначала считали туповатым, учиться ему не нравилось. Первая любовь, разбудившая талант и воображение, – геометрия. Увлекшись ею, Джеймс вскоре стал лучшим учеником школы в Эдинбурге, потом университета в Кембридже. Его наставник писал: «Это был самый экстраординарный человек, которого я когда-либо видел. Он органически был не способен думать о физике неверно». А в 20 лет Максвелл встретил свою настоящую любовь, любовь с первого взгляда и на всю жизнь. Это была книга Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству». Максвелл был единственным, кто воспринял все гениальные идеи Фарадея, намного опередившие свое время. Он придал этим идеям математическую форму, дополнил их двумя оригинальными законами и блестяще завершил построение полной теории электромагнитного поля. Все законы электромагнетизма Максвелл выразил в виде нескольких уравнений. Генрих Герц, доказавший на опыте уже после смерти Максвелла полную справедливость его теории, писал, что эти уравнения «живут своей собственной жизнью, обладают собственным разумом – кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено».

Максвелл прожил всего 48 лет и умер от рака.

 
«Наш мир, может, несколько страшен,
И жизнь наша – без толку труд.
Все ж буду работать, отважен.
Пускай меня глупым зовут»
 

(Дж. Максвелл).

14 июня
Спонтанное деление ядер

14 июня 1940 года телеграммой в журнал “Nature” Георгий Флеров и Константин Петржак сообщили об открытии спонтанного деления ядер урана.

К началу 1939 года ученые уже знали, что в результате бомбардировки нейтронами атомы урана могут делиться с выделением энергии (см. 11 февраля). Физики во всех странах задумались: как использовать гигантскую ядерную энергию? В Ленинградском физико-техническом институте этими исследованиями руководил Игорь Курчатов. Он поставил перед своими аспирантами Петржаком и Флеровым задачу: исследовать зависимость процесса деления урана от энергии нейтронов. Измерения начали с фона (т. е. с отсутствия нейтронов), ожидая получить нулевые значения. К удивлению, деление все же происходило, хотя и очень редко – одно в 2–3 часа. Предположили, что оно происходит спонтанно (самопроизвольно). Когда Курчатову сообщили об удивительных результатах, он воскликнул: «Нужно бросить все и заняться только этим! Такая ситуация бывает у экспериментаторов только один раз в жизни!» Чтобы точно убедиться, что это деление не связано с внешними факторами, необходимо было исключить влияние космического излучения. Решено было провести измерения в метро, где интенсивность космического излучения в десятки раз меньше, чем на поверхности. Курчатов написал письмо Кагановичу, министру путей сообщения, чтобы он разрешил проводить опыты на станции метро «Динамо», которая была тогда самым глубоким местом в Москве. Молодые аспиранты собрали всю аппаратуру, приехали в Москву. С часа ночи до пяти утра они проводили эксперименты. Все подтвердилось блестяще.

15 июня
«Змей Франклина»

15 июня 1752 года Бенджамен Франклин (1706–1790), один из творцов Декларации независимости и конституции США, изобретатель громоотвода и плоского конденсатора, в эксперименте с воздушным змеем доказал электрическую природу молнии.

Со времени Возрождения история не знала столь разносторонне одаренного человека. Франклин был настоящим дельцом, дипломатом, писателем, вдумчивым наблюдателем природы и неотразимым сердцеедом. Он был к тому же изобретателем и первым американским физиком, об опытах и открытиях которого заговорили ученые Европы.

В 1752 году он провел эксперименты с воздушным змеем, запущенным в грозовое облако. К змею он прикрепил заостренную проволоку длиной около 80 см. Змей удерживался пеньковой веревкой, к концу которой Франклин для изоляции привязал шелковую ленту и в этом же месте укрепил металлический дверной ключ. Во время грозы пенька намокала и становилась хорошим проводником, а шелковая лента оставалась сухой, т. к. находилась под навесом. Ученому удалось зарядить от металлического ключа конденсатор. Так он доказал, что «небесное» электричество ничем не отличается от «земного». Распространенный же миф о том, что Франклин дождался, пока в змея ударит молния, неверен: ток в этом случае был бы смертелен!

Франклину мы обязаны появлением термина «электрический заряд». Он же назвал два рода зарядов «положительным» и «отрицательным», а до него говорили о «стеклянном» и «янтарном» электричестве. Он ввел многие общепринятые сейчас термины: батарея, конденсатор, проводник, разряд, обмотка и другие.

16 июня
Колыбель открытий

16 июня 1874 года в Кембридже, старейшем университете Англии, произошло торжественное открытие Кавендишской лаборатории.

Вот уже больше ста лет эта лаборатория привлекает лучших молодых физиков. Она была построена на средства герцога девонширского Вильяма Кавендиша, наследника знаменитого Генри Кавендиша (см. 10 октября). В красивом трехэтажном здании имеются лаборатории и лекционные аудитории. Все лабораторные столы крепятся на балках, не связанных с полом, что позволяет проводить очень тонкие эксперименты, не опасаясь сотрясений. Первым руководителем лаборатории был Максвелл. Он посвятил последние годы своей жизни становлению этого учебно-научного центра.

Сначала лаборатория использовалась лишь как учебная база для подготовки физиков-экспериментаторов, но уже в первой половине ХХ века она стала одним из мировых центров экспериментальной физики, биологии и других фундаментальных исследований. Здесь были открыты электрон (1897) и нейтрон (1932), впервые расщеплено атомное ядро (1919), созданы камера Вильсона (1912), масс-спектрограф (1913), линейный ускоритель (1932), предложена модель структуры ДНК (1953). Своим примером здесь учили молодых физиков Рэлей и Дж. Дж. Томсон, Резерфорд и Брэгг. Лучшим научным работникам Кавендишской лаборатории на 3 года присуждается стипендия имени Максвелла. Эту очень почетную стипендию получал и советский физик Петр Леонидович Капица, который 13 лет стажировался в Кембридже.

«Физика – прежде всего живое творение рук и мозга, которое передается более примером, чем зубрежкой» (А. Б. Пиппард, «Традиция Кавендиша»).

17 июня
Четвертое состояние материи

17 июня 1832 года родился Уильям Крукс, английский физик и химик, а также президент Британского Общества психических исследований (ум. 1919).

Уильям Крукс, изучая электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Мы называем теперь это состояние плазмой. Плазма – это газ, состоящий из ионов и электронов. Какое из состояний материи наиболее характерно для Вселенной? Ответ звучит неожиданно: это плазма. Мы проживаем на одном из твердых островков в мире, где 99 % массы составляет плазма: Солнце, звезды, межзвездная и межпланетная среда. На поверхности Земли в естественных условиях плазма – редкий гость, появляющийся лишь при вспышках молний. Шаровые молнии и полярные сияния – это тоже виды плазмы. В ХХ веке научились создавать плазму и использовать ее: в газоразрядных лампах, освещающих улицы и витрины, в лазерах, дуге электросварки и других устройствах. Наконец, решающую роль плазма должна сыграть в овладении энергией управляемого термоядерного синтеза, который может в будущем стать для нас практически неисчерпаемым источником энергии.

Уильям Крукс был первым в мире ученым, который с помощью женщины-спирита Флорин Кук неоднократно вызывал для научных экспериментов призрак, который представился как «Кэтти Кинг, родная дочь главаря банды морских пиратов, Джона Кинга» (личность историкам известная). При этом присутствовали десятки свидетелей, а также фотографы и художники.