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

21 ноября
Первый в небе – физик!

21 ноября 1783 года воздушный шар, построенный братьями Монгольфье, поднял в воздух первых путешественников.

С давних пор люди мечтали летать, словно птицы. Но осваивать воздушный океан они начали, плавая, словно рыбы. В качестве «плавательного пузыря» можно использовать оболочку, наполненную более легким, чем воздух, газом: водородом, метаном, аммиаком. Правда, водород и метан взрывоопасны, а аммиак ядовит. Идеален для этой цели гелий – легкий инертный газ. Но в эпоху пионеров воздухоплавания гелий еще не был открыт. Проще всего оказалось нагреть воздух – ведь горячий газ легче, чем холодный. Изменяя температуру воздуха внутри шара, можно регулировать его подъемную силу. Так и поступили братья Жозеф Мишель и Жан Этьенн Монгольфье. Такие шары стали называть монгольфьерами. 19 сентября 1783 года в присутствии короля Людовика XVI во дворе его замка они отправили в воздух барана, петуха и утку. А вскоре был совершен первый полет человека. В корзине монгольфьера поднялись в воздух физик Жан Франсуа Пилатр де Розье, принимавший самое активное участие в постройке монгольфьера, и его друг. Они пролетели над всем Парижем на высоте около 450 метров и приземлились в 8,5 километрах от места старта. Людовик XVI, правда, предлагал отправить в первый полет уголовников, осужденных на вечную каторгу, обещая им за участие в столь рискованном предприятии амнистию. Но де Розье убедил короля, что нельзя отдавать звания первооткрывателей преступникам.

Увы, Пилатр де Розье стал не только пионером воздухоплавания, но и первой его жертвой (см. 24 ноября).

22 ноября
Теория Всего Сущего

Во времена Фарадея великие открытия делались буквально «голыми руками» – без сложной математики, с помощью простых инструментов. Сегодня, чтобы «вопрошать» материю о том, как она устроена, физики сталкивают частицы, разогнанные на гигантских ускорителях. Так удалось проникнуть вглубь материи до расстояний миллиардная от миллиардной доли метра (10^-18 м). Так открыли кварки (см. 10 ноября). Теория кварков с успехом выдержала все проверки. И все же трудно поверить, что фундаментальные частицы – кварки и лептоны – это точечные образования, лишенные какой бы то ни было внутренней структуры. Как могут точки обладать массой, зарядом и другими характеристиками? В 1984 году физики Майкл Грин и Джон Шварц впервые представили на суд ученых новые идеи о том, как может выглядеть следующий, еще более глубинный слой Мироздания. Все фундаментальные элементы – это не точки, а крошечные непрерывно вибрирующие струны, свернутые «колечками». Размеры колечек невообразимо малы: 10^-35 метра (так называемая «планковская длина»). Разные типы колебаний этих универсальных струн представляют собой все возможные частицы: один тип колебаний дает фотон, другие – гравитон, электрон и т. д. Так начала развиваться теория струн, или Теория Всего Сущего. Теория потребовала нового и очень сложного математического аппарата, который еще не разработан до конца. У нее много авторов. Может быть, и Вы будете одним из творцов Теории Всего Сущего?

Физики подсчитали, что для прямой экспериментальной проверки теории струн потребуется ускоритель размером с Галактику!

23 ноября
Критическое состояние вещества

23 ноября 1837 года родился Ван-Дер-Ваальс, лауреат Нобелевской премии «за работу над уравнением состояния газов и жидкостей» (ум. 1923).

До какой температуры можно нагреть воду? Если нагревать при атмосферном давлении, то вода закипит при 100 °C. В герметически закрытом сосуде, который выдерживает очень высокие давления, воду можно нагреть до 374 °C! Давление ее пара при этом будет огромным: 220 атмосфер. А еще горячее воду сделать уже невозможно. Эту температуру называют критической. Жидкость и пар при критической температуре весьма необычны. Разберемся подробнее. При нагревании плотность воды уменьшается, а плотность ее насыщенного пара, наоборот, сильно увеличивается. При критической температуре эти плотности становятся одинаковыми – около 0,3 г/см³. Это в три с лишним раза меньше плотности «обычной» воды и в 500 раз больше плотности стоградусного пара. А чем отличается жидкость от пара? На этот вопрос дал ответ Ван-Дер-Ваальс: по существу, ничем. И там, и там молекулы на небольшом расстоянии притягиваются, а сблизившись вплотную, резко отталкиваются. Эти молекулярные силы назвали ван-дер-ваальсовскими. В газе молекулы так удалены друг от друга, что их притяжение почти не ощутимо. Но стоит им достаточно сблизиться, как силы притяжения «сцепляют» молекулы, и получается жидкость. При критической температуре и критическом давлении жидкое и газообразное состояния неразличимы: вода «сливается» со своим паром. Это и есть критическое состояние. Оно присуще всем веществам, у каждого при своей температуре и давлении.

24 ноября
Изобретение профессора Шарля

24 ноября 1783 года впервые состоялась демонстрации полета «шарльера» в России: в Петербурге был запущен небольшой шар диаметром 1,5 фута (около 45 см).

Полет воздушного шара братьев Монгольфье (см. 21 ноября) вызвал большой интерес в научном мире. Молодой профессор физики Жак Шарль (помните газовый закон его имени?) решил, что дымный воздух, наполнявший шар Монгольфье, – не лучшее решение, ведь водород сам по себе гораздо легче воздуха. Он сумел изготовить оболочку, способную долгое время удерживать водород, который он получал, воздействуя серной кислотой на железные опилки. Чтобы полностью надуть шар диаметром 4 м, потребовалось несколько дней, было израсходовано 227 кг кислоты и 454 кг железа. В августе 1783 года состоялся первый запуск (еще без людей) на Марсовом поле в Париже на глазах 300 тысяч человек. «Шарльер» приземлился через 45 минут в 28 км от места старта и так напугал местных жителей, что те разорвали его в клочья. А 1 декабря того же года «шарльер» диаметром более девяти метров унес в первое путешествие самого Шарля. Но водород, как известно, газ горючий и, смешиваясь с воздухом, создает взрывоопасную смесь. Первая воздушная трагедия случилась 15 июня 1785 года. Пионер воздухоплавания Пилатр де Розье со своим помощником хотел впервые перелететь через Ла-Манш на комбинированном аэростате собственной конструкции: один баллон наполнялся водородом, другой – дымным воздухом. Во время полета от искры взорвался водородный баллон, и аэронавты погибли, упав с высоты 900 м на скалы у берегов Франции.

25 ноября
Незамеченное открытие

25 ноября 1814 года родился Роберт Майер, немецкий физик и врач, открывший закон сохранения и превращения энергии (ум. 1878).

Майер сделал в своей жизни одно открытие, но оно обессмертило его имя. Служа корабельным врачом, он задумался над словами штурмана о том, что во время штормов вода в море нагревается, и пришел к выводу, что существует связь между работой и теплотой. Пуская кровь заболевшим матросам, он обратил внимание на то, что в тропиках она не была такого темного цвета, какой бывает венозная кровь в умеренных широтах. Это привело его к мысли, что в жару организму для поддержания температуры нужно «сжигать» меньше вещества. Свою первую статью о сохранении и превращении различных форм энергии он отослал в редакцию журнала «Анналы физики и химии» в 1841 году, но она была отвергнута. В мае 1842-го он отправил вторую статью в химико-фармацевтический журнал, куда физики редко заглядывали. Статья содержала не только четкую формулировку закона сохранения и превращения энергии, но и глубокий анализ имеющихся экспериментальных фактов. Майер указал на необходимость опытного определения механического эквивалента теплоты и предложил идею такого эксперимента. И этот шедевр остался без внимания! В 1847 году Джоуль, не зная о работе Майера, осуществил подобный эксперимент. Научный мир узнал о новом законе из публикаций Джоуля и Гельмгольца. Майер пытался защищать свой приоритет, но наталкивался на непонимание и впал в депрессию. Справедливость восстановили в 1860-х. Ученые стали ссылаться на работы Майера, полагая, что их автор уже умер.

26 ноября
Как считают информацию

26 ноября – Всемирный день информации.

Для человека информацией является все, что он видит, слышит, ощущает. В компьютер информация вводится в виде символов: букв, цифр, знаков. Каждый символ кодируется с помощью нулей и единичек, эти «нули и единички» называются битом. Бит может принимать одно из двух значений: 0 или 1. Само слово «бит» (bit) произошло от английского словосочетания BInary digiT – двоичная цифра. Оперативная память компьютера состоит из множества конденсаторов, каждый из которых может быть заряжен («единица») или нет («ноль»). Биты группируют в блоки (байты) по 8 штук. Один вводимый в компьютер символ обычно занимает 1 байт. Итак, 8 бит образуют байт, 2¹⁰ (1024) байт – килобайт, а 2²⁰ байт – мегабайт (это объем большой книги). Для хранения фильма с неплохим качеством потребуется примерно гигабайт (ГБ) – 1024 мегабайта. Информация записывается на материальных носителях, которые могут сменять друг друга. При копировании информации образец практически не разрушается. Простота производства, передачи и копирования информации уже привела к информационному взрыву и информационному загрязнению окружающей среды – бумажному, звуковому, электромагнитному, световому и т. д.

Количество хранимой информации каждые 5 лет увеличивается в 10 раз. Полное число бит информации уже больше, чем звезд во Вселенной. 80 % информации представлены в цифровой форме, остальные 20 % хранятся на бумаге, магнитных лентах, фото и кинопленках. Если темпы прироста информации сохранятся, то к 2023 году количество хранимых бит превысит число Авогадро.

27 ноября
История термометра

27 ноября 1701 года родился Андрес Цельсий (ум. 1744), шведский ученый, предложивший температурную «шкалу Цельсия».

Генеральная идея – судить об изменениях температуры по изменениям тепловых свойств тел – принадлежит Галилею. Можно, например, использовать тепловое расширение жидкостей. Для построения температурной шкалы выбирают две «опорные точки» и делят интервал между ними на части – градусы. Голландский стеклодув Фаренгейт, изготовивший в 1724 году первый спиртовой термометр, разделил на 100 градусов интервал от температуры самой холодной зимы в своем городе до температуры человеческого тела. Весьма неудобная шкала, но она до сих пор применяется в Англии и особенно в США. Между тем еще в 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать очень удобные опорные точки: температуру таяния льда и кипения воды. Эту идею реализовал в своем спиртовом термометре француз Рене Реомюр в 1730 году. Правда, разделил он этот интервал не на 100, а на 80 градусов. Во Франции и в России (до революции) использовали именно термометры Реомюра. Сейчас их нигде не употребляют. Наконец в 1742 году профессор астрономии Андрес Цельсий в своем ртутном термометре разделил этот же интервал на 100 частей. Один нюанс: его шкала была «перевернутой»! Температуру кипящей воды он принял за 0 градусов, а тающего льда – за 100. В таком виде шкала оказалась очень неудобной. Ее «вернул на место» уже после смерти Цельсия другой шведский ученый, и долгое время такой градусник называли «шведским», пока не укоренилась традиция называть термометр цельсиевым.

28 ноября
Открытие пульсаров

Это сюжет, достойный кинофильма. В 1967 году 24-летняя аспирантка Джоселин Белл на кембриджском радиотелескопе занималась радиообзором неба. Самописец, регистрирующий радиоизлучение, не выключался ни днем, ни ночью. Просматривая записи, 28 ноября она обнаружила непонятный пульсирующий источник. Строгая периодичность сигнала (с периодом чуть более 1 секунды) и малые размеры источника наводили на мысль об искусственной природе излучения. Новый источник обозначили как LGM-1 (Little Green Men – маленькие зеленые человечки), засекретили исследования и не стали публиковать сенсационные результаты до выяснения природы таинственных сигналов. В течение месяца английские радиоастрономы обнаружили еще несколько таких источников. Не слишком ли много «зеленых человечков»? Исследователи убедились в естественном происхождении сигналов и только после этого сообщили в печати об удивительном открытии. Из-за пульсирующего радиоизлучения такие объекты назвали пульсарами. Сейчас их известно уже более 2000. Теперь мы знаем, что пульсар – это нейтронная звезда (см. 19 октября), генерирующая узконаправленный пучок радиоизлучения. Из-за быстрого вращения звезды этот пучок попадает в поле зрения наблюдателя через равные промежутки времени – так образуются импульсы пульсара.

Если бы Солнце стало нейтронной звездой, оно имело бы радиус 10 км и вращалось с периодом около 0,001 с.

Нобелевскую премию за открытие пульсаров получил в 1974 году Энтони Хьюиш, научный руководитель Джоселин Белл. Заслуги главной «виновницы» открытия премией не отмечены.

29 ноября
Эффект Доплера

29 ноября 1803 года родился австрийский физик Кристиан Доплер (ум. 1853).

Вам наверняка доводилось стоять у дороги, по которой проносится машина с включенной сиреной. Пока машина приближается, тон сирены выше; затем, когда машина начинает удаляться, он понижается. Вы при этом наблюдаете фундаментальное (и полезнейшее) свойство любых волн – эффект Доплера. Кристиан Доплер предсказал его теоретически в 1842 году. Суть эффекта: если источник волн движется вам навстречу (или вы к нему), то «гребень» каждой следующей волны доходит до вас чуть быстрее (чем при неподвижном источнике), так как был испущен ближе к вам – то есть воспринимаемая частота волны возрастает. При удалении источника, наоборот, частота уменьшается. Интересно, как именно эффект был впервые проверен экспериментально. Духовой оркестр был посажен в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрали группу музыкантов с абсолютным слухом (т. е. способностью, выслушав ноту, точно назвать ее). Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а музыканты фиксировали изменения высоты тона (частоты), подтвердившие предсказание Доплера. Во всем мире этот эффект используется в полицейских радарах для измерения скорости машин. Очень важное применение эффект Доплера нашел в астрофизике. С его помощью было сделано величайшее открытие ХХ века – расширение Вселенной (см. 17 января).

Дорожная полиция перешла на новые методы работы. Чтобы радар показывал больше, они бегут навстречу автомобилю как можно быстрее.

30 ноября
Луноход-1 пропал?

Это обнаружилось в ноябре 1971 года в ходе эксперимента НАСА по лазерному зондированию Луны. Цель экспериментов – определить расстояние до Луны, которая постепенно удаляется – примерно на 38 миллиметров в год. Для измерения расстояния с Земли на Луну направляют мощный лазерный луч, ловят отраженный, засекают время путешествия луча и вычисляют расстояние. Таким способом удается определять расстояние с точностью до нескольких миллиметров! Луч направляют на уголковый отражатель – открытую коробочку с тремя зеркалами, закрепленными перпендикулярно друг другу. Любой луч, попавший на зеркала, отражается точно в том направлении, по которому пришел. Уголковым отражателем были оснащены оба советских лунохода. Так вот, все попытки получить отраженный от Лунохода-1 сигнал, проводившиеся с ноября 1971 года, оставались безуспешными. Метеорит, что ли, в него попал? Лишь в апреле 2010-го «пропажу» обнаружил Лунный орбитальный зонд НАСА (Lunar Reconnaissance Orbiter), который фотографировал участки лунной поверхности. На его фотографиях различимы объекты размером до полуметра! Отчетливо видны все лунные модули спуска Аполлонов – теперь никто не может сомневаться, что американцы были на Луне! Удалось сфотографировать и пропавший Луноход. Уточнив его координаты, ученые отправили на Луноход лазерные импульсы с телескопа обсерватории в Нью-Мексико и наконец-то получили четко различимый отраженный сигнал.

Из школьных перлов: «Мы живем на одной стороне Земли и видим одну сторону Луны, а американцы живут на другой стороне Земли и видят другую сторону Луны».

Декабрь

1 декабря
Физика на кухне: «раздавленная банка»

Простой, но очень эффектный опыт поможет вам продемонстрировать могущество атмосферного давления, а также свойства насыщенного водяного пара. Итак, возьмите жестяную банку из-под чая или кофе. Главное, чтобы крышка плотно закрывалась. Налейте в банку немного воды и поставьте на плиту – пусть кипит несколько минут, чтобы водяной пар полностью вытеснил воздух из банки. Теперь снимите банку с плиты и плотно закройте крышку. Для быстрого охлаждения поставьте банку в раковину и облейте холодной водой. Пар в банке конденсируется, давление резко упадет, и… вы будете изумлены: банка сожмется и сплющится! Внимание: обливая банку водой, не трогайте ее руками – берегите пальцы! Что же произошло? Часто пытаются объяснить «катастрофу» понижением давления воздуха внутри банки, но простой расчет показывает, что это понижение очень незначительно и явно недостаточно. Здесь ключевую роль играет резкое снижение давления насыщенных паров воды, которые конденсируются на охлаждаемых стенках банки. Давление насыщенного водяного пара резко уменьшается при понижении температуры: при 100 °C оно равно одной атмосфере, а при 20 °C – менее 0,03 атмосферы. А поскольку воздуха в банке осталось очень мало (помните, он был вытеснен паром при кипячении), некому противостоять внешнему атмосферному давлению. Жестяные стенки для него – пустяк!

Из школьных ответов: «Насыщенные пары отличаются от ненасыщенных тем, что они уже насытились…»

2 декабря
Энрико Ферми

2 декабря 1942 года в США под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901–1954) был запущен первый в мире ядерный реактор.

Ферми с ранних лет отличался необыкновенными способностями. У него была к тому же феноменальная память: прочтя книгу хотя бы один раз, он знал ее почти наизусть. На вступительных экзаменах в Реальную высшую Нормальную школу в Пизе Ферми изумил экзаменаторов своими обширными знаниями и точностью ответов и был отмечен как «нечто исключительное». После стажировки в Германии – «эпицентре» квантовой физики – Ферми стал профессором Римского университета и «отцом» первой в Италии школы как теоретической, так и экспериментальной физики. Здесь Ферми выполнил работы, приведшие его к получению Нобелевской премии «за открытие искусственной радиоактивности, вызванной медленными нейтронами» (см. 25 марта). Во время второй мировой войны Ферми вынужден был эмигрировать в США. Там он участвовал в создании первой атомной бомбы. И ему же первому удалось «приручить» атом и положить начало управляемому производству атомной энергии. В его честь назван 100-й химический элемент – фермий, в США учреждена премия имени Э. Ферми, его имя присвоено Чикагскому университету ядерных исследований.

«Ферми терпеть не мог ошибаться. В своих мыслях он мог вынашивать самые дерзкие гипотезы, но никогда не публиковал их прежде, чем они не были солидно подтверждены. Точно также он никогда не давал кому-либо обещаний и даже не подавал надежды, если не был уверен, что сможет сдержать слово» (из воспоминаний друга Ферми Э. Сегре).

3 декабря
Звуки, которые мы не слышим

3 декабря 1872 года с английского брига «Дея Грация» заметили бригантину «Мария Целеста».

По поведению бригантины опытным морякам стало понятно, что ею никто не управляет. Когда они поднялись на борт, на судне не было ни души. В матросском кубрике койки были аккуратно заправлены, все рундуки целы, а на столе лежали недокуренные трубки. На камбузе находился большой запас пресной воды и продуктов. Что же могло произойти с судном и его людьми? В истории мореплавания известно несколько подобных случаев. Многие из них остаются загадкой до сих пор. А между тем известно, что при шторме в океане ухудшается самочувствие людей на берегу, возрастает число самоубийств и дорожных происшествий. Это явление получило название «голос моря». Его причиной являются порождаемые штормовой волной инфразвуки, частота которых меньше 20 колебаний в секунду. Инфразвуковая волна распространяется с гораздо большей скоростью, чем штормовая, поэтому воздействует на людей, находящихся даже далеко от места шторма. Инфразвуки человек не слышит, но чувствует. Так, при испытании генераторов инфразвука у исследователей возникают страх, беспокойство, потеря чувства равновесия. При увеличении мощности генератора появляется сильная боль во внутренних органах. Инфразвук с частотой семь колебаний в секунду смертельно опасен для человека, так как может вызвать остановку сердца.

Были попытки использовать инфразвук в кинотеатрах при демонстрации фильмов ужасов. Результат оказался катастрофическим: публику охватила паника. Такие попытки были запрещены.