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

17 сентября
«Превратить магнетизм в электричество»

Так написал Фарадей в своей записной книжке в 1822 году, после открытия Эрстедом и Ампером магнитных свойств тока (см. 24 сентября). В течение нескольких лет Фарадей возвращался к попыткам решить поставленную самому себе задачу – получить ток с помощью магнита, но безуспешно. Неудачи объяснялись тем, что он использовал постоянные токи и неподвижные магниты. Такие же попытки предпринимали Ампер и Араго в Париже и Джозеф Генри в Америке. Первого успеха Фарадей добился в конце августа 1831 года. На один сердечник были намотаны две обмотки; одна соединялась с источником тока, а другая – с гальванометром. При замыкании и размыкании первой цепи во второй цепи появлялся кратковременный ток. Это устройство стало прототипом современных трансформаторов. А 17 сентября 1831 года Фарадею удалось, наконец, получить ток с помощью одного лишь магнита, внося его внутрь спирали. Так было открыто явление электромагнитной индукции. Ключами к его пониманию стали опыты Фарадея. Полное изучение этого явления и формулировка закона потребовали еще 20 лет работы.

Из «конкурентов» Фарадея успеха добился Джозеф Генри. Но опубликовать свои результаты Генри смог лишь в 1832 году, на год позже Фарадея. Впрочем, никаких обид и претензий между этими двумя великими людьми не возникло – они впоследствии встречались и высказывали друг другу взаимное восхищение.

На экзамене по электротехнике:

– Расскажите, как работает трансформатор.

– Трансформатор работает: ж-ж-ж-ж-ж-ж.

– Неправильно. Трансформатор работает: у-у-у-у-у-у.

18 сентября
Первые полеты к Луне

18 сентября 1968 года советский космический аппарат «Зонд-5» совершил облет Луны и вернулся на Землю.

Сразу после того, как в 1957 году удалось отправить человека в космос, в СССР задумались о полетах к Луне. Советская космическая программа «Луна» стартовала в 1958 году. Первые три попытки запуска лунных аппаратов были неудачными (см. 31 июля). Достичь лунной поверхности смогла станция «Луна-2» в 1959 году, 14 сентября – аппарат буквально врезался в Луну. А еще через месяц «Луна-3» облетела вокруг Луны и передала на Землю первые снимки обратной (невидимой) ее стороны. 1966-й год оказался одним из самых успешных в советской лунной программе. В апреле на окололунную орбиту была выведена станция «Луна-10» – первый искусственный спутник Луны, а в августе у Луны появился второй искусственный спутник – «Луна-11».

Но еще ни один из аппаратов, на тот момент запущенных к Луне, не возвращался обратно на Землю. Главная трудность – так рассчитать траекторию аппарата, чтобы он вошел в атмосферу Земли не слишком круто и не чересчур полого. Эта задача впервые была решена при запуске аппарата «Зонд-5» в сентябре 1968 года. Внутри него находились черепахи – первые живые существа, облетевшие Луну. Аппарат удалось спустить в Индийский океан. В ноябре того же года «Зонд-6» выполнил аналогичную программу. Правда, cпускаемый аппарат разбился при ударе о землю, но черепахи-космонавты перенесли удар и выжили. В течение следующих двух лет еще три аппарата серии «Зонд» обследовали окрестности Луны и в итоге мягко опускались на поверхность Земли.

19 сентября
Опасные астероиды

19 сентября 2000 года в Лондоне были продемонстрированы уникальные кадры, снятые английскими учеными: небольшой астероид, который влетел в атмосферу Земли, прошел по касательной и опять вылетел в космос. Если бы он шел на 20 км ниже, то врезался бы в Землю, что вызвало бы мощный взрыв, как от крупной ядерной бомбы.

В опасной близости от Земли летает около 800 астероидов размером более 1 км и тысячи более мелких. Пока открыта лишь малая их часть. Тела размером менее 10 км могут остаться незамеченными вплоть до самого момента столкновения. За всю историю Земли на нее упало несколько тысяч астероидов диаметром около 1 км и десятки тел диаметром более 10 км. Система предупреждения астероидной опасности находится только в стадии разработки. Подрыв астероида, что любят изображать в голливудских фильмах, – не самая эффективная мера борьбы. Лучше отклонить потенциально опасное тело от траектории, угрожающей Земле. Принимать меры надо за несколько лет до столкновения.

Последние годы астрономы глаз не спускают с астероида Апофиз, который был замечен в 2008 году в 500 тыс. км от нашей планеты. В 2029 году эта 300-метровая глыба промчится на очень малом расстоянии от Земли – 32,5 тысячи километров (это меньше, чем радиус орбиты большинства телекоммуникационных спутников Земли) – и даже будет видна невооруженным глазом. Затем он приблизится к нам в 2036 и 2068 годах. Вероятность столкновений с ним невелика, но уж больно не хочется рисковать…

Астероид пролетел мимо Земли. Его назвали «Пятачок»: не то чтобы не попал, просто не попал в Шарик.

20 сентября
Топливо с Луны?

20 сентября 1970 года межпланетная станция «Луна-16» совершила мягкую посадку на Луну. Был произведен забор образцов лунного грунта, которые были доставлены на Землю.

Образцы лунной породы, доставленные на Землю автоматическими станциями «Луна» (330 граммов) и американскими астронавтами миссии «Аполлон» (380 кг!), были тщательно изучены. В итоге родились проекты, которые пока кажутся фантастическими. В этом столетии США и Россия собираются не просто вернуться на Луну, но создавать там постоянные базы. Готовятся к полетам на Луну Индия, Китай, Япония… Что же такого интересного обнаружилось в лунном грунте, что побуждает людей стремиться освоить это небесное тело? Одна из причин – возможность привозить с Луны большое количество изотопа гелий-3. Его содержание на Луне в 10 тысяч раз больше, чем на Земле: гелий-3 в течение миллиардов лет приносил солнечный ветер (см. 9 сентября). Этот изотоп может стать самым перспективным источником энергии в будущем, когда запасы нефти, газа и урана на Земле истощатся. Избавить человечество от перспективы энергетического кризиса, возможно, суждено термоядерным реакторам. Правда, они до сих пор не построены, но оптимисты полагают, что это дело ближайших десятилетий. Чтобы обеспечить на год все человечество энергией, потребуется 100 тонн гелия-3 с Луны. Чтобы добыть одну тонну гелия-3, надо вскрыть лунный грунт площадью 20 тысяч кв. км на глубину 3 метра. Придется построить на Луне крупные заводы. Помимо гелия, в лунном грунте много и других полезных элементов, например, титана. Одним словом, это целая революция.

21 сентября
«Господин Абсолютный Нуль»

Такое почетное прозвище заслужил голландский физик Камерлинг-Оннес, открывший явление сверхпроводимости и получивший Нобелевскую премию «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». Он родился 21 сентября 1853 года (ум. 1926).

Почему физики так упорно стремятся к недостижимому – абсолютному нулю температуры? Дело в том, что тепловое движение молекул затемняет суть некоторых явлений. Понижение температуры может, по выражению Камерлинг-Онеса, «приподнять завесу, которую простирают над внутренним миром атомов и электронов тепловые движения при обычных температурах». Интуиция его не подвела: приподняв эту завесу, в 1911 году он сделал свое самое поразительное открытие: обнаружил полное исчезновение электрического сопротивления некоторых металлов при очень низких температурах. Это явление он назвал сверхпроводимостью (см. 28 апреля).

Этот человек видел далеко вперед. Созданная им лаборатория низких температур Лейденского университета стала прообразом научно-исследовательских институтов XX века. Одним из первых он понял, что проникновение во все более глубокие тайны природы требует мощной технологической базы. В то время, когда остальные лаборатории мира могли получать жидкие газы (водород, гелий) каплями, в его лаборатории их производили литрами. Он открыл специальное училище для механиков и стеклодувов, и его лаборатория не испытывала недостатка ни в оборудовании, ни в квалифицированных помощниках. Ее двери были открыты для физиков всех стран (см. также 10 июля).

22 сентября
Необычная судьба Майкла Фарадея

22 сентября 1791 года родился великий английский физик Майкл Фарадей, основоположник учения об электромагнитном поле (ум. 1867).

Сын кузнеца в Лондоне, с 12 лет начавший работу переплетчиком в книжном магазине, заинтересовался содержанием умных книг, которые ему приходилось переплетать. Один из посетителей магазина подарил 19-летнему Фарадею абонемент на цикл публичных лекций известного химика сэра Дэви. Майкл, посетив несколько лекций, свои подробные конспекты лекций переплел в кожу и отправил сэру Дэви. И тот сделал Фарадея своим ассистентом в Королевском институте! А вскоре Фарадей стал самым выдающимся британским ученым эпохи. Физик Столетов писал о нем: «Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы».

В те времена еще не было электроизмерительных приборов. Ток в цепи обнаруживали нагреванием проволоки, искоркой и даже оценивали на вкус (гальванометр для своих опытов Фарадей впоследствии сделал сам). Как заметил Гельмгольц, немного проволоки, несколько старых кусков дерева и железа дали Фарадею возможность сделать величайшие открытия. Но математикой он не владел совершенно – более тысячи страниц его трудов не содержат ни одной формулы. Лишь через 20 лет Максвелл перевел на язык математики формулировки Фарадея.

В 1938 году в архиве Фарадея обнаружили запечатанное послание ученого потомкам, датированное 1832 годом. В нем он сообщал о своей уверенности в существовании электромагнитных волн и сожалел, что современники не разделяют его взглядов.

23 сентября
Открытие «на кончике пера»

23 сентября 1846 года немецкий астроном Иоганн Готфрид Галле, руководствуясь вычислениями математика Леверье, обнаружил планету Нептун.

Это открытие стало триумфом классической механики. Дело в том, что шестая планета – Уран, открытая в 1781 году Уильямом Гершелем, вела себя странно. Она едва заметно отклонялась от того пути, по которому должна следовать согласно законам механики с учетом возмущений со стороны известных планет. Французский математик Урбен Леверье и независимо от него англичанин Джон Адамс, пытаясь понять причину «плохого» поведения Урана, предположили, что его движение возмущается притяжением неизвестной планеты. Они почти одновременно рассчитали массу этой планеты и указали место на небе, где в данное время она должна была находиться. Но Адамсу не повезло: его предсказанию астрономы не поверили и наблюдений по существу не начали. А вот немецкий астроном Иоганн Готтфрид Галле, получив письмо от Леверье, сразу кинулся к телескопу, и в тот же вечер отыскал неизвестную планету в указанном месте. Так разногласие между теорией и практикой привело в итоге к триумфу механики Ньютона, а Урбену Леверье и Иоганну Галле досталась слава первооткрывателей.

Галилей, наблюдая за спутниками Юпитера в 1612–1613 годах, обнаружил маленькую звездочку, изменившую со временем свое положение (а перемещаться на небе могут только планеты или кометы) – эта «звездочка» зафиксирована на его рисунках. Только через 366 лет выяснилось, что этой «звездой» был Нептун.

24 сентября
На заре электродинамики

24 сентября 1820 года Ампер обнаружил магнитное взаимодействие токов.

Летом 1820 года Эрстед заметил действие электрического тока на магнитную стрелку. Сообщение об этих опытах изменило судьбу 45-летнего Андре Мари Ампера, французского математика. Ампер – теоретик, у него не было лаборатории, и он никогда не интересовался электричеством. Но именно в его голове в это время родились ключевые идеи о связи магнетизма с электрическим током. Чтобы проверить свои идеи на опыте, ему хватило двух недель. Кстати, именно тогда Ампер первым в мире произнес слова «сила тока». Неудивительно, что через много лет, в 1893 году, единицу силы тока назвали Ампером. Открытие магнитного взаимодействия токов привело к созданию новой науки – электродинамики, которая объясняет магнитные явления действием электрических токов. Ампер заложил основы этой науки.

В личной жизни Ампер был несчастлив. Первая жена умерла, от второй он сам ушел, забрав двоих детей. Несмотря на многочисленные почетные звания, денег вечно не хватало, и Ампер подрабатывал инспектором школ, разъезжая по всей стране. Во время одной из таких поездок он и умер. На могильном камне сделана надпись: «Он был так же добр и так же прост, как и велик».

Ампер славился своей рассеянностью. Однажды он шел по улице, производя в уме сложные расчеты. Он ничуть не удивился, когда прямо перед ним возникла прекрасная черная доска, достал из сюртука мел и стал записывать вычисления. Потом доска начала двигаться вперед, и ему пришлось идти, а затем бежать за ней. Доска оказалась задней стенкой кареты.

25 сентября
Озоновые дыры

25 сентября 1974 года в журнале «Сайенс» впервые приведены данные исследований, свидетельствующие о том, что аэрозоли способствуют разрушению озонового слоя Земли.

Молекулы озона состоят не из двух атомов кислорода, как обычный кислород, а из трех. Озона в атмосфере очень мало, но без него жизнь на планете была бы иной. Озон находится в стратосфере, на высоте 20–25 км. Формирование озонового слоя закончилось 400 миллионов лет назад, и после этого начали быстро развиваться наземные растения и животные. Озоновый слой, хотя он весьма тонкий, полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и обеспечивает живым организмам надежную защиту от губительного действия этого излучения. Но в 1970-х годах у ученых возникло беспокойство за судьбу озонового слоя. Было выявлено существенное уменьшение концентрации озона над Антарктидой, получившее название «озоновой дыры». Озоновая дыра над Антарктидой была максимальна в 1987 году, когда ее площадь была равна площади США. Регистрировались «мини-дыры» и в других местах, в частности, над Москвой. Отчего же они возникли? Основная причина – попадание в атмосферу миллионов тонн фреонов (газов, используемых в холодильниках и аэрозольных баллончиках). Молекулы фреонов постепенно поднимаются в стратосферу и расщепляются под действием ультрафиолета с образованием хлора и азота. А один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона! Даже если мы сегодня же прекратим использование фреонов, действие уже попавших в атмосферу молекул будет продолжаться еще несколько десятилетий.

26 сентября
«Прости меня, Ньютон!»

26 сентября 1905 года в немецком журнале «Анналы физики» опубликована специальная теория относительности Эйнштейна.

«Прости меня, Ньютон!» – написал Эйнштейн в коротком автобиографическом эссе. Его специальная теория относительности (через 10 лет появится еще и общая теория относительности) изменила привычную со времен Ньютона картину мира. «Иногда я спрашиваю себя: как же так получилось, что именно я создал теорию относительности? По-моему, причина этого кроется в следующем. Нормальный взрослый человек едва ли станет размышлять о проблемах пространства-времени. Он полагает, что разобрался в этом еще в детстве. Я же, напротив, развивался интеллектуально так медленно, что, только став взрослым, начал раздумывать о пространстве и времени. Понятно, что я вникал в эти проблемы глубже, чем люди, нормально развивавшиеся в детстве», – говорил Эйнштейн. Вызывает изумление, что от возникновения зачаточной идеи до окончания последней страницы знаменитой статьи прошло чуть больше месяца. Увы, ученый мир не спешил приходить в восторг от новой теории. Цюрихский университет отверг рукопись теории относительности, представленную 26-летним ученым как диссертационную, усмотрев в этой работе «крайне неуважительное отношение к авторитетам». А Берлинский университет отказался взять автора этой теории на работу.

Кстати, название «теория относительности» предложил Макс Планк в 1906 году.

Эйнштейн сказал: «Есть только две бесконечные вещи – Вселенная и человеческая глупость. Правда, на счет Вселенной я не уверен».

27 сентября
Судьба человечества на трех страницах

27 сентября 1905 года поступила в печать статья Эйнштейна «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», в которой предлагалось знаменитое соотношение между массой и энергией.

На трех страницах из основных положений теории относительности Эйнштейн вывел знаменитую формулу: E = mc². Эта формула показывает, что даже покоящееся тело заключает в себе энергию – «энергию покоя». Надо только уметь ее извлечь. Формула Эйнштейна объяснила, откуда Солнце и звезды черпают свою энергию. Она позволила людям добывать энергию из ядер атомов – делать атомные и термоядерные бомбы, а также строить атомные электростанции. Мы научились «отщипывать» крохотные кусочки от энергии покоя – это происходит в ядерных реакторах, где менее 0,5 % массы урана или плутония превращается в доступную нам форму энергии.

Эйнштейн не был единственным ученым, кто соотносил энергию и массу (к этой же мысли пришел и Хевисайд – см. 18 мая), но он был первым, кто вывел эту формулу из общих предпосылок теории.

Однажды на семинаре, прослушав доклад одного из участников, Эйнштейн сказал ему: «Мне жаль, но ваша работа базируется на некоторых идеях, которые я недавно опубликовал, но которые, к сожалению, оказались ошибочными». Докладчик возмутился: «Имеете ли вы право менять свои идеи вместо того, чтобы исходить из предыдущих публикаций и развивать их дальше?», на что Эйнштейн ответил: «То есть вы хотите, чтобы я вступил в спор с господом Богом и стал доказывать ему, что он действует не в согласии с моими опубликованными идеями?»

28 сентября
История очков

Сегодня примерно половина 12-летних школьников имеет те или иные дефекты зрения, а взрослых еще больше. Виноваты не только компьютеры, телевизоры и чтение. Изменилось наше питание: мы потребляем слишком много очищенных углеводов, что приводит к росту глазных яблок в длину, отчего, помимо всего прочего, возникает, например, близорукость (миопия). Ну а с возрастом слабеют глазные мышцы, и появляется старческая дальнозоркость (пресбиопия). Так что без очков не обойтись.

В античные времена очков не знали, и стареющие философы страдали, не имея возможности читать. В XIII веке английский ученый и философ Роджер Бэкон заметил, что если тщательно отшлифовать сегменты стеклянного шара, они будут хорошим средством от «слабых глаз». Но беда была в том, что в те времена стекло было мутным, с большим количеством пузырьков. Прозрачное стекло научились делать только в Венеции, и тайна его изготовления тщательно оберегалась до XVI века. Поэтому очки оставались дорогой вещью, доступной лишь богачам. Они даже включались в завещания отдельным пунктом. И долгое время очки с выпуклыми линзами служили только дальнозорким. Вогнутые стекла, необходимые для коррекции близорукости, научились делать лишь в XVI веке. Способ крепления очков на голове тоже прошел длинную эволюцию. Сначала очки прикрепляли к шляпам. Потом стали вставлять стекла в железные кольца и закреплять их на стержне. Это было как бы пенсне, но его приходилось придерживать рукой. Затем появились оправы с дужками, но без заушников. Просто к концам дужек прикрепляли шнурки и связывали их на затылке. Лишь в XIX веке стали делать очки, похожие на современные.

29 сентября
Что такое «ВУРС»?

29 сентября 1957 года на южном Урале произошла крупнейшая авария на радиохимическом заводе «Маяк».

Этот завод был построен в конце 1940-х для производства оружейного плутония. Именно здесь был произведен плутоний для первой советской атомной бомбы. Разработка технологии производства велась в сжатые сроки, не позволявшие создать надежные системы хранения радиоактивных отходов. На «Маяке» жидкие радиоактивные отходы хранились в емкостях из нержавеющей стали, каждая из которых была рассчитана на 70–80 тонн. Эти емкости помещались в ячейки омываемого речной водой глубокого бетонного каньона. Жидкость в одной из емкостей полностью испарилась, что привело к разогреву и взрыву сухих радиоактивных отходов. Взрыв сорвал и отбросил на 25 метров бетонную плиту перекрытия каньона, в атмосферу было выброшено множество радиоактивных веществ. На высоте около километра образовалось радиоактивное облако, которое перемещалось ветром в северо-восточном направлении. В результате на территории Челябинской, Свердловской и Тюменской областей образовался радиоактивный след, вытянутый более чем на 1000 км и имеющий ширину от 10 до 50 км. Он получил название «Восточно-уральский радиоактивный след» (ВУРС). Облучению подверглись почти 300 тысяч человек. Пришлось эвакуировать население с площади более тысячи квадратных километров.

Подобные «шрамы» остались и в других странах, развивавших ядерные технологии. Понимание всей сложности проблемы хранения радиоактивных отходов пришло значительно позднее и основано во многом на опыте сделанных ошибок.