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

19 марта
Лед тронулся

19 марта 2002 года обнаружен гигантский айсберг, отколовшийся от шельфового ледника в Антарктиде. Это самое большое обрушение ледника за последние 10 тысяч лет.

Ледники текут подобно рекам, только очень медленно, со скоростью несколько метров в год. Сползая с континента, они надвигаются на береговые бухты и примерзают ко дну. Так формируются шельфовые льды. Временами от их краев откалываются крупные глыбы. Кусок, отколовшийся в 2002 году, по площади в шесть раз больше территории Москвы.

Ученые уже давно заметили, что ледники на полюсах тают, особенно на Южном полюсе. Ученые пока спорят: является ли это результатом глобального потепления климата Земли или локального потепления в районе Антарктиды. За 60 лет температура там повысилась на 3,5 °C – словно за многие тысячелетия! Если современные темпы таяния льда сохранятся, южный полюс растает примерно за 600 лет, а уровень Мирового океана повысится на 70 метров.

Изучая Антарктиду, ученые обнаружили, что под ледниками толщиной более двух километров ее поверхность испещрена глубокими бороздами. Они сравнимы с Большим каньоном в США. Но это не трещины в земной коре, а следы водных потоков! 12–14 миллионов лет назад скрытые под толстым слоем льда антарктические озера вскрылись из-за временного потепления климата. Примерно 130 тысяч лет назад, во время последнего межледникового периода, льды Западно-Антарктического ледяного щита тоже быстро таяли, а уровень мирового океана в то время повысился на 6–9 метров.

Кто виноват в нынешнем потеплении – человек или естественные природные процессы – мы точно не знаем.

20 марта
Вокруг света на воздушном шаре

20 марта 1999 года завершился первый в истории беспосадочный кругосветный полет на воздушном шаре. Швейцарец Бертран Пиккар и англичанин Брайн Джонс облетели Землю за 19 дней 21 час 55 минут.

Воздушный шар, казалось бы – игрушка ветров: куда они дуют, туда он и летит. Трудно поверить, что переменчивые ветры могут перенести доверившиеся им воздушные корабли вокруг света. И все же такое возможно. В середине ХХ века в атмосфере были открыты так называемые струйные течения. Это ветры, дующие на высотах 9–13 километров. Они весьма стабильны и дуют с запада на восток с большими скоростями – от 200 до 450 километров в час. Ширина струйных течений – несколько сотен километров, длина – несколько тысяч километров. Вот он, природный конвейер для переноса воздушных шаров! Когда одна струя заканчивается, пилотам приходится искать другую. На высотах 35–45 километров проходят другие струйные течения.

Бертран Пикар, совершивший кругосветное путешествие на воздушном шаре – внук Огюста Пикара, который сконструировал первый стратостат и поднялся в нем на высоту более 16 км, а также построил первый батискаф, на котором его сын Жак Пикар, отец Бертрана, погрузился на дно глубочайшей Марианской впадины (см. 23 января). Такое вот уникальное семейство рекордсменов!

В 1970 году был зафиксирован рекорд продолжительности полета беспилотного аэростата: находясь в воздухе на высоте около 35 км четыре с лишним года, аэростат облетел Землю более 100 раз!

21 марта
Запрет Паули

21 марта 1924 года 24-летний физик Вольфганг Паули опубликовал знаменитый квантово-механический «принцип запрета».

В первоначальной формулировке принцип Паули звучал так: на каждой атомной орбите могут находиться не более двух электронов. В то время еще не была создана последовательная квантовая теория, и принцип этот выглядел каким-то искусственным построением, «подгонкой» теории под опытные факты. Основателей квантовой физики тяготила такая ситуация. Неслучайно одновременно с публикацией своей исторической статьи о принципе запрета Паули писал в письме другу: «…Физика слишком трудна для меня, и я жалею, что не сделался комиком в кино или кем-нибудь в этом роде, лишь бы никогда и ничего не слышать больше о физике».

В 1940 году, когда уже была разработана квантовая механика, Паули строго доказал «теорему Паули»: для частиц с полуцелым спином s выполняется принцип запрета – в одном квантовом состоянии может находиться не более (2s+1) одинаковых частиц.

Вольфганг Паули был стопроцентным теоретиком. Его неспособность обращаться с экспериментальным оборудованием вошла у друзей в поговорку. Утверждали даже, что ему достаточно просто войти в лабораторию, чтобы в ней что-нибудь переставало работать. Это мистическое явление окрестили «эффектом Паули». Однажды в лаборатории Джеймса Франка в Геттингене произошел взрыв. Как раз в эту минуту на вокзале, в нескольких километрах от лаборатории, останавливался поезд, в котором ехал Паули. Франк добавлял: «Сам радиус действия этого эффекта заставляет признать Паули величайшим теоретиком всех времен!»

22 марта
Откуда на Земле вода?

22 марта – Всемирный день воды. Воды на Земле много. 70 % земной поверхности занимает Мировой океан. Если его воду распределить равномерно по поверхности Земли, то получится слой толщиной 3 км. Но еще в 10 раз больше воды спрятано в земной коре и мантии, правда, там она находится в связанном состоянии в составе горных пород и минералов.

Сначала Земля была горячей и сухой. Так откуда взялась вода? Есть два варианта: вода пришла на Землю из космоса или же у нее земное происхождение. Одна из космических гипотез предполагает, что 3,8 млрд лет назад миллионы комет и астероидов, богатых водой, атаковали Землю, принеся на нее воду. Другая космическая гипотеза «обвиняет» в появлении воды солнечный ветер: протоны, испускаемые Солнцем, попадают в верхние слои земной атмосферы, захватывают электроны, превращаясь в атомы водорода, и немедленно вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Ежегодно почти полторы тонны такой «солнечной» воды рождается в стратосфере.

Однако сейчас ученые все больше склоняются к мысли, что вода так или иначе была «изготовлена» в земных условиях. Предполагают, что ранняя Земля имела плотную атмосферу, содержавшую водород, который, соединяясь с кислородом окислов мантии, производил воду. Водяной пар выбрасывался из земных недр и при извержениях вулканов. После остывания Земли пар сконденсировался в океаны. Образованию воды помогли и особого вида бактерии, которые под действием солнечного света усваивали сульфид водорода и углекислый газ, выделяя при этом воду.

И все же загадка происхождения воды на Земле полностью не разгадана.

23 марта
Лаплас – человек-легенда

23 марта 1749 года родился Пьер Симон Лаплас, французский математик, физик и астроном (ум. 1827).

Лаплас – это целая эпоха в науке. Триумф классической механики, расцвет небесной механики и рождение космогонии – учения о развитии Вселенной. А начиналась она так: 17-летний провинциал приехал завоевывать Париж, вооруженный рекомендательными письмами. Он направился в Академию, в которой царил в то время Даламбер (см. 18 ноября). Переслав ему свои рекомендации, Лаплас долго и безуспешно ждал встречи. Однажды, ожидая в приемной, он изложил на бумаге свои взгляды на основные принципы механики и вероятное развитие этой науки в ближайшем будущем. Письмо Лапласа произвело на Даламбера огромное впечатление, и на следующий день он ответил Лапласу: «Милостивый Государь! Вы имели случай убедиться, как мало я обращаю внимания на рекомендации, но Вам они были совершенно не нужны. Вы зарекомендовали себя сами, и этого мне совершенно достаточно». Так Лаплас стал профессором, а вскоре и академиком.

Он занимался и физикой, и чистой математикой. Но главным его увлечением была небесная механика – расчет движений небесных тел. Лаплас доказал, что законом тяготения Ньютона можно объяснить все наблюдаемые движения небесных тел. Он разработал гипотезу о возникновении солнечной системы из газопылевой туманности. Гипотеза Лапласа произвела полный переворот в умах, утверждая идею эволюции природы. Эта идея вскоре проникла в другие науки – геологию, биологию…

Даже смерть Лапласа достойна легенды. Говорят, его последние слова были: «Наука неисчерпаема, как и природа…»

24 марта
Сергей Вавилов

24 марта 1891 года родился Сергей Иванович Вавилов, создатель Физического института Академии наук (ФИАН) им. Лебедева, президент Академии Наук СССР с 1945 года до своей смерти в 1951 году.

Два брата Вавиловы, Николай (знаменитый генетик, погибший в саратовской тюрьме) и Сергей (физик), стали украшением истории науки ХХ века.

В 1934 году Сергей Вавилов основал Физический институт Академии наук и стал его первым директором. Тогда же в ФИАНе было сделано первое крупное открытие: Черенков, аспирант Вавилова, наблюдал свечение жидкостей при движении в них электронов со сверхсветовой скоростью (эффект Вавилова – Черенкова). Дальновидность Сергея Ивановича сказалась и в том, что он стал развивать в ФИАНе ядерную физику – тогда только очень немногие ученые понимали то значение, которое она вскоре приобретет. А в новорожденном ФИАНе, казалось бы, никаких условий для занятий ядерной физикой не было – ни подготовленных в этой области кадров, ни оборудования. Благодаря дальновидности и огромной организаторской работе Вавилова ФИАН стал крупнейшим научно-исследовательским центром в СССР. Научные интересы самого Сергея Ивановича лежали в области физической оптики. Он был к тому же прекрасным популяризатором науки. Вам наверняка понравятся его книги «Глаз и Солнце», «О теплом и холодном свете» и другие.

После скоропостижной смерти С.И. Вавилова в английском журнале «Природа» писали: «Проделанная им работа на благо Родины превосходит выпадающую на долю одного человека. Наряду с Ломоносовым его будут считать одним из великих создателей науки в СССР».

25 марта
Лучше меньше, да лучше

25 марта 1934 года Энрико Ферми впервые сообщил об искусственных превращениях ядер, вызываемых нейтронами.

В 1934 году супруги Жолио-Кюри получили не существующие в природе изотопы, бомбардируя легкие ядра альфа-частицами (см. 15 января). В том же году Энрико Ферми пошел по новому пути: он начал облучать элементы нейтронами. Это было неожиданно и смело. Многие физики отнеслись скептически к идее Ферми: ведь чтобы получить нейтроны, сначала надо было облучать альфа-частицами бериллий, так что количество производимых нейтронов было гораздо меньше количества альфа-частиц. Зато нейтрону легче проникнуть в ядро, чем альфа-частице – ведь он не имеет заряда и ему не надо преодолевать электрическое отталкивание ядра. «Нейтронные пушки» Ферми представляли из себя маленькие трубочки длиной в несколько сантиметров, заполненными смесью бериллия и радона. Альфа-частицы, испускаемые радоном, попадали в ядра бериллия и выбивали из них нейтроны. «Пушку» направляли на пластинку из изучаемого вещества и оставляли на несколько часов или дней. Такой простой метод оказался очень успешным! Ферми писал, что высокая эффективность нейтронов «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов». Ему удалось этим методом получить 47 новых изотопов при облучении 68 элементов. За этот цикл работ Ферми удостоен Нобелевской премии 1938 года. Воодушевленный успехом, он начал бомбардировать нейтронами тяжелые элементы торий и уран. Что из этого вышло, вы прочтете на странице 8 июня.

26 марта
Дубна – город науки

26 марта 1956 года подписано соглашение о создании в Дубне Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).

В 1947 году в 120 километрах от Москвы на берегу Волги началось строительство крупнейшего по тем временам ускорителя заряженных частиц, а вокруг него начал расти город Дубна. К середине 1950-х всем в мире стало понятно, что ядерная наука не должна замыкаться в засекреченных лабораториях. В 1956 году в Дубну приехали специалисты из 12 стран мира. Дубна стала международным городом науки. Сегодня это всемирно известный центр фундаментальных ядерных исследований. На его счету много первоклассных достижений. Здесь были синтезированы химические элементы с зарядовыми числами от 102 до 105 и от 113 до 118. Знак признания выдающегося вклада ученых ОИЯИ – решение Генеральной ассамблеи Союза чистой и прикладной химии о присвоении 105-му элементу системы Менделеева имени «ДУБНИЙ». Много ли городов на Земле могут похвастаться такой честью?

Из первоапрельского номера стенгазеты ОИЯИ – интервью:

– Чтo вы cкaжeтe o пpивлeкaтeльнocти жeнщин OИЯИ?

– O, жeнщины y нac пpивлeкaютcя нa caмыe paзнooбpaзныe cтpoитeльныe paбoты!

– Kaкaя yклaдкa бyдeт мoднoй в нoвoм ceзoнe?

– Я нaдeюcь, чтo yклaдкa цвeтныx плитoк в цoкoлe нoвoгo кopпyca бyдeт пpиятным cюpпpизoм для нaшиx мoдниц.

– А чтo наши модницы бyдyт нocить?

– Цeмeнт, пecoк, легкий гpaвий…

27 марта
Самое знаменитое открытие Рентгена

27 марта 1845 года родился Вильгельм Конрад Рентген, немецкий физик, первый лауреат Нобелевской премии по физике (ум. 1923).

В 1894 году Рентген, уже известный своими работами экспериментатор, приступил к работе с вакуумной трубкой. Это была стеклянная трубка с откачанным воздухом, внутри которой помещались два электрода под высоким напряжением (такое простое устройство подарило физикам целый ряд важных открытий: плазма, электрон, рентгеновское излучение; оно стало основой ряда электронно-лучевых приборов). Однажды Рентген затемнил комнату и обернул трубку непрозрачной черной бумагой. К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом флюоресцирующим веществом, светящуюся полосу. Он установил, что свечение появлялось всякий раз, когда подавалось напряжение на трубку. Он назвал неизвестное излучение трубки «икс-лучами» и очень подробно изучил его свойства. Так, оказалось, что икс-лучи могут проникать почти во все предметы (см. 8 ноября).

Икс-лучи стали сенсацией. Рентгена же раздражала свалившаяся на него известность, отрывавшая его от работы. Очень скоро рентгеновские лучи нашли многочисленные практические приложения, особенно в медицине. Но Рентген никогда не думал ни о патенте, ни о наградах. Поэтому особенно приятно, что именно он стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике «за открытие замечательных лучей, названных впоследствии в его честь».

Рентгена исключили из школы за то, что он отказался назвать имя товарища, нарисовавшего карикатуру на преподавателя. Он даже не получил школьного аттестата.

28 марта
Плутоний – добро или зло?

28 марта 1941 года американские ученые объявили об открытии 94-го элемента – плутония.

С ним связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. Это самый дорогой из технически важных металлов – намного дороже золота. Как и все трансурановые элементы (см. 8 июня), плутоний, участвовавший в образовании нашей Солнечной системы, не дожил до наших дней и был воссоздан заново в ХХ веке. Синтезированы 25 различных его изотопов, четыре из них нашли практическое применение. Самый ценный изотоп – это плутоний с массовым числом 239. А замечателен он тем, что его ядра делятся медленными нейтронами и в процессе их деления рождается достаточно нейтронов, чтобы вызвать цепную реакцию. Неуправляемая, взрывная реакция – это атомная бомба. Управляемая реакция – это атомный реактор. Такими же свойствами обладают и ядра урана-235. Да вот беда – этих ядер крайне мало в природе, а синтезировать их в большом количестве мы не можем. Основную массу природного урана (99,3 %) составляет изотоп уран-238, который можно использовать, только превратив уран в плутоний. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию, напротив, в этом процессе энергия выделяется! Ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239, и этих бомб достаточно, чтобы уничтожить все живое на Земле. Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии в больших масштабах. Для этого просто не хватило бы урана-235!

Уравновешивается ли зло, нанесенное взрывами атомных бомб, достижениями «мирного атома»?

29 марта
Самый яркий астероид

29 марта 1807 года открыт астероид Веста, занимающий второе место по массе и третье место по размеру, после Цереры и Паллады.

Веста вместе с тысячей других астероидов находится в главном поясе астероидов, расположенном между орбитами Марса и Юпитера. Но только Весту можно увидеть с Земли невооруженным глазом. Объясняется это яркостью ее поверхности, очень приличным размером (около 530 километров в поперечнике) и тем, что она ближе других подходит к Земле. В 1990-х годах с помощью орбитального телескопа «Хаббл» (см. 24 апреля) впервые удалось рассмотреть поверхность Весты. Самой заметной ее деталью является огромный кратер диаметром 460 километров и глубиной 13 километров, занимающий весь южный полюс. Миллиарды лет назад Веста пережила мощное столкновение с другим космическим телом, которое пронзило ее кору и прошло вглубь мантии. Как Веста смогла пережить столь чудовищный катаклизм? Загадка! Осколки Весты, выброшенные в космос во время этого столкновения, получили название «вестоиды». Многие малые тела в поясе астероидов могут быть последствием той далекой катастрофы. Иногда «вестоиды» залетают и на Землю.

В 2011 году для изучения Весты к ней прибыла американская межпланетная станция «Даун» («Рассвет»). После года работы на орбите Весты аппарат переместился на орбиту Цереры. Хотя орбиты Весты и Цереры довольно близки, эти астероиды совершенно не похожи друг на друга: Веста – безводное каменное тело, а Церера содержит огромное количество льда. Изображения, переданные станцией «Даун», позволили создать детальные карты этих небесных тел.

30 марта
День защиты Земли

Много ли в космосе планет, похожих на нашу? Некоторые ученые полагают, что Земля и жизнь на ней – невероятно редкое явление во Вселенной, хотя планетные системы есть у многих звезд. Но для появления сложных форм жизни нужен ряд условий. Звезд типа Солнца – не слишком холодных и не слишком горячих, стабильно излучающих на протяжении миллиардов лет – не более 5 % в Галактике. К тому же звезда должна находиться не слишком близко к Галактическому ядру и не в ее спиральных рукавах, а между ними (иначе частые вспышки сверхновых по соседству уничтожат все живое). Но и периферия Галактики тоже не годится – она слишком бедна химическими элементами. Наше Солнце расположено наилучшим образом: оно обращается вокруг ядра Галактики на расстоянии примерно 2/3 ее радиуса, находясь между спиральными ветвями сотни миллионов лет – практически все время, пока на Земле существуют высшие формы жизни.

Большой удачей стало столкновение молодой Земли с другой планетой 4,45 млрд лет назад. Земля в итоге «обзавелась» Луной и массивным ядром, которое генерирует мощное магнитное поле, защищающее нас от солнечной и галактической радиации. Луна стабилизирует Земную ось и исполняет функцию астероидного щита. Гиганты Юпитер и Сатурн защищают внутренние планеты от гостей извне. Так что, возможно, мы – явление уникальное! Подробности – в книге палеонтологов Уорда и Брауна «Уникальная Земля: Почему высокоразвитая жизнь не является распространенным явлением во Вселенной» (2000).

Существует лишь две возможности: либо мы одни во Вселенной, либо нет. Обе одинаково пугают.

31 марта
Альтернативные источники энергии

31 марта 1965 года дала ток первая в СССР Паужетская экспериментальная геотермальная электростанция на Камчатке.

Запасы ископаемых топливных ресурсов к следующему столетию будут истощены, а термоядерный синтез пока не освоен. Зато неистощимые ресурсы энергии имеются буквально над головой и под ногами.

От Солнца на Землю поступает в семь тысяч раз больше энергии, чем фактически используется во всём мире. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения. Ископаемые виды топлива тоже образовались благодаря Солнцу.

Солнечную энергию можно напрямую преобразовывать в теплоту и электричество. Если бы только 1 % земной поверхности был использован для установки солнечного оборудования, то мы были бы полностью обеспечены энергией. К тому же этот способ производства энергии почти безвреден для окружающей среды. Пока что солнечные батареи обходятся гораздо дороже обычного топлива, но прогресс не стоит на месте.

Очень перспективна ветряная энергетика. Уже сейчас ветряные установки окупают себя и становятся все более выгодны. Степи, поля, открытые площадки возле городов, крыши высоких зданий – мест для ветряных генераторов огромное множество.

На Камчатке 40 % потребляемой электроэнергии вырабатывается на геотермальных источниках. Рейкьявик (Исландия) полностью обеспечивает себя геотермальной энергией.

Самым стабильным источником может стать геотермальная энергия – энергия подземных горячих вод. В России использование только 0,2 % потенциала геотермальной энергии могло бы покрыть потребности всей страны. Вопрос только в рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Эти несметные запасы энергии в России еще ждут своего освоения.

В Германии доля электроэнергии, произведенной из энергии солнца, ветра, биомассы и воды, уже приближается к 50 %, а к 2030 году планируется довести ее до 65 %.