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

14 апреля
Дисциплина гения

14 апреля 1629 года родился Христиан Гюйгенс, голландский физик, математик и астроном (ум. 1695).

Богатство, знатное происхождение, таланты – всем этим обладал Христиан Гюйгенс от рождения. Перед ним были открыты все двери. А он выбрал науку и был предан только ей. Он никогда не терял времени даром. Если занимался математикой, то в качестве отдыха переключался на физику. А из редких развлечений с друзьями рождалась книга «О расчетах в азартной игре», с которой началась теория вероятностей. «То, что для обыкновенного человека было утомительным занятием, для Гюйгенса было развлечением», – писал его современник. Увлекшись астрономией, он усовершенствовал телескоп и открыл кольца Сатурна и его спутник Титан, обнаружил полярные шапки на Марсе, а также сделал много других открытий. При изучении законов равноускоренного движения тел ему требовалось точно измерять время – и Гюйгенс изобрел маятниковые часы, попутно разработав математическую теорию маятников (его предшественник Галилей при изучении законов движения отмерял время по ударам собственного пульса). Еще один важный вклад Гюйгенса в физику – его волновая теория света, с помощью которой он вывел законы отражения и преломления, а также объяснил такое загадочное явление, как расщепление светового луча на две части в некоторых кристаллах.

Ньютон, великий современник Гюйгенса, считал свет состоящим из мельчайших частиц. В XVII веке победил авторитет Ньютона. Но через 100 лет волновая теория Гюйгенса возродилась в работах Юнга и Френеля. А ХХ век примирил оба эти взгляда на свет, прекратив этот спор.

15 апреля
Экзопланеты

15 апреля 1999 года впервые обнаружена другая планетная система, у звезды Эпсилон созвездия Андромеды.

Поиск планет около других звезд (их называют экзопланетами) можно сравнить с попыткой разглядеть свет свечи, горящей рядом с маяком, с расстояния в тысячу километров. И все же экзопланеты и целые планетные системы научились обнаруживать. Их находят по гравитационному влиянию на движение звезды, затмениям блеска звезды при прохождении планеты на фоне ее диска, по некоторым нюансам спектра звезды. К 1 июля 2020 года достоверно подтверждено существование 4281 экзопланет, а число надежных кандидатов еще больше. По оценкам, общее число экзопланет в нашей Галактике не менее 100 миллиардов, от 5 до 20 % из них являются «землеподобными» и некоторые находятся в «обитаемой зоне» своих звезд. Итак, планеты – весьма распространенное явление во Вселенной. Целая «флотилия» космических телескопов занималась и продолжает заниматься их поиском: с 2006 года – COROT, с 2009 – «Кеплер», с 2013 – Gaia, с 2018 – TESS. Даже когда космический телескоп завершает свою миссию, переданные им данные продолжают обрабатываться годами. Будут детально обследованы более ста тысяч звезд.

Титул «двойника Земли» постоянно переходит от одного объекта к другому. В апреле 2020 года наиболее близкой к Земле по температуре и размеру была признана планета Kepler-1649c, удаленная от нас на 300 световых лет. Экзопланета находится так близко к своей звезде, что год на ней длится всего 19,5 земных суток. Возможно, на этой планете существуют океаны. Несомненно, нас ждут новые интересные открытия.

16 апреля
Полезная пустота

16 апреля 1932 года на Ленинградском радиозаводе изготовлены первые отечественные телевизоры.

Кинескоп старого телевизора – прибор с высоким вакуумом. Давление воздуха в нем примерно одна миллионная миллиметра ртутного столба. Пучок электронов рисует изображение на экране, и чтобы электроны точно попадали в нужные места, их не должны сбивать с пути хаотически движущиеся молекулы. Но такие телевизоры – уже прошлый век: электронно-лучевые трубки уступили место жидкокристаллическим экранам. И тем не менее потребность в вакуумных технологиях не только не уменьшается, но непрерывно растет. Пустота (вакуум) – вещь полезная. К примеру, чем меньше концентрация молекул в газе, тем хуже он проводит тепло. Бытовой термос – это две вложенные колбы, между которыми создается вакуум, а потому он хорошо сохраняет тепло. Другой пример: чем меньше кислорода, тем медленнее происходит окисление и продукты медленнее портятся. При создании вакуумной упаковки достаточно низкого вакуума с давлением всего в сто раз меньше атмосферного, и срок хранения продуктов увеличивается в несколько раз.

Близкий родственник кинескопа – электронный микроскоп. Пучок электронов в вакуумной трубке «ощупывает» рельеф поверхности, позволяя разглядеть отдельные атомы. Высокий вакуум требуется и в ускорителях, где до огромных скоростей разгоняют элементарные частицы. Напыление тонких пленок – еще одна область, где без высокого вакуума не обойтись. Так получают покрытие компакт-дисков. А в некоторых областях высокотехнологичного производства используют не просто высокий, а сверхвысокий вакуум.

17 апреля
Высокотемпературная сверхпроводимость

17 апреля 1986 года в редакцию немецкого «Физического журнала» поступило сообщение об открытии сверхпроводимости при температуре –238^оС.

Открытие в 1911 году сверхпроводимости (см. 28 апреля) разбудило смелые мечты: отсутствие электрического сопротивления и связанных с ним потерь энергии могло бы дать колоссальный экономический эффект! Одна беда: сверхпроводимость наблюдалась лишь при очень низких температурах, что требовало погружения установки в жидкий гелий, а это очень дорого. Если бы удалось создать вещество, сверхпроводящее при температуре жидкого азота (–196 °C), это сделало бы сверхпроводимость почти бесплатной, ведь жидкий азот в сотни раз дешевле. Но все усилия получить высокотемпературную сверхпроводимость оставались тщетными. За 75 лет критическую температуру удалось поднять от –270 до –250 °C. Задача казалась неразрешимой. Вам понятно теперь, почему статья немца Георга Беднорца и швейцарца Алекса Мюллера вызвала такое возбуждение среди физиков, хотя к азотной температуре они еще не подобрались. Революционное значение открытия было настолько очевидным, что уже в следующем, 1987 году, его авторы получили Нобелевскую премию.

К удивлению теоретиков, сверхпроводящие свойства при высокой температуре проявили не металлы, а керамика. После публикаций Беднорца и Мюллера ученых охватила настоящая лихорадка: все хотели превзойти их результаты. Исследователи не покидали рабочих мест ни днем, ни ночью, спали тут же – на раскладушках. И вскоре «азотный рубеж» был взят почти одновременно в США, Японии, Китае и России.

18 апреля
Начало космонавтики

18 апреля 1930 года был впервые испытан реактивный двигатель Цандера (1887–1933).

Математик и инженер Фридрих Артурович Цандер с 20-ти лет размышлял о строительстве ракет. Голодал, потому что государство еще не дозрело до идеи покорения космоса. Мечты начали воплощаться в начале 1930-х после встречи Цандера и Сергея Королева. Вместе они организовали Группу изучения реактивного движения (ГИРД). Первый ракетный двигатель Цандера готовился к испытаниям, а Цандер уже рассчитывал более мощный двигатель. Один из инженеров группы вспоминал: «Все гирдовцы работали буквально сутками. Все члены бригады были моложе Цандера и значительно легче переносили столь большую перегрузку. Видя, что Фридрих Артурович очень устал, ему поставили ультиматум: если он сейчас же не уйдет домой, все прекратят работать, а если уйдет и выспится, то все будет подготовлено к утру, и с его приходом начнутся испытания. Сколько ни спорил, ни возражал Цандер, бригада была неумолима. Вскоре незаметно для всех Цандер исчез, а бригада еще интенсивнее начала работать. Прошло пять-шесть часов, и один из механиков не без торжественности громко воскликнул: «Все готово, поднимай давление, даешь Марс!» И вдруг… стоявший в глубине подвала топчан с грохотом опрокинулся, и оттуда выскочил Цандер. Он кинулся всех обнимать, а затем, смеясь, сказал, что он примостился за топчаном и оттуда следил за работами, а так как ему скучно было сидеть, то он успел закончить ряд расчетов и прекрасно отдохнул».

Цандер умер от тифа в Кисловодском санатории, куда его с большим трудом отправил Королев.

19 апреля
«Салюты» осваивают околоземное пространство

19 апреля 1971 года состоялся успешный запуск первой в мире долговременной орбитальной советской станции «Салют».

Орбитальные станции – новый этап освоения космоса, связанный с постоянным пребыванием там человека. Начало этого этапа далось нам нелегко. 23 апреля 71-го года на станцию отправился первый экипаж космонавтов. После касания корабля со станцией выяснилось, что вышел из строя стыковочный узел и переход внутрь станции невозможен. Отделиться от станции и вернуться на Землю космонавты смогли только через двое суток. 6 июня к станции отправился очередной «Союз». На этот раз стыковка прошла удачно, на станции началась работа. При возвращении на Землю 30 июня космический экипаж трагически погиб из-за нарушения герметизации кабины космического корабля. Новые экспедиции на «Салют-1» уже не отправлялись. Спустя пять с лишним месяцев после запуска станция была затоплена в океане.

При запуске второго «Салюта» произошла авария ракеты-носителя. Не повезло и третьему «Салюту». Из-за неисправности системы ориентации он прожил на орбите лишь несколько дней. Москва официально назвала ту станцию спутником «Космос-557». США ломали голову, что за гигантский спутник массой 20 тонн Советы вывели на орбиту. Но больше уже неудач не было. Хотя не всегда все было безоблачно (см. 6 июня). С 1974 года на орбите успешно работали станции «Салют» и «Мир», что позволило накопить бесценный опыт, ставший опорой для создания Международной космической станции (см. 20 ноября).

20 апреля
Огюстен Жан Френель

20 апреля 1818 года Френель (1788–1827) представил в Академию наук Франции «Заметку о теории дифракции».

Если пучок света пройдет через маленькое круглое отверстие, то в центре светового пятна на экране может оказаться темная точка. Это проявление дифракции света и доказательство его волновой природы. Объяснил такого рода «чудеса» Френель, создатель теории дифракции света. Френель получил образование инженера. Занимаясь реорганизацией маячного освещения, он увлекся оптикой и начал собственные исследования. Необходимых приборов в его распоряжении не было, приходилось делать их своими руками из подручных материалов. Несмотря на это он добился великолепных результатов. Для увеличения яркости маяков Френель разработал сложные кольцевые призмы, которые применяются на маяках и поныне. А плодом его научных изысканий стал замечательный труд по теории дифракции света, в котором это явление впервые объяснялось наложением световых волн. Надо сказать, что в те времена среди ученых господствовало представление о свете как о потоке мельчайших частиц – корпускул. Главным аргументом корпускулярной теории света была прямолинейность его распространения. Френель создал, по сути, новую область физики – волновую оптику, объясняющую все случаи интерференции и дифракции, а также явление поляризации, которое Френель связал с поперечным характером световых волн. Не сразу, но еще при жизни ученого его теория получила признание. Умер Френель в возрасте 39 лет.

Когда вы смотрите на поверхность CD-диска, переливающуюся всеми цветами радуги, вы наблюдаете явление дифракции.

21 апреля
Битва за полюс

21 апреля 1908 года Фредерик Альберт Кук (1865–1940) первым достиг Северного полюса.

В 1891 году нью-йоркский врач Кук вдруг круто изменил свою жизнь и отправился в полярную экспедицию, руководил которой знаменитый путешественник Роберт Пири. После похода Кук написал статью о своих этнографических исследованиях, но Пири запретил публикацию, считая все материалы своей собственностью. Так пути двух полярников разошлись. Кук «заболел» полярными просторами, он участвовал еще в нескольких походах и, наконец, решил покорить Северный полюс. Надо сказать, что Пири к тому времени предпринял уже 8 таких безуспешных попыток. Кук, в отличие от Пири, сделал ставку на легкость и скорость. Он взял с собой всего двух эскимосов и минимум груза. И цель была достигнута за 5 недель! Обратный же путь Кука длился почти год. 1 сентября 1909 года Кук, обмороженный и почти умирающий от голода, добрался до телеграфа, и только тогда мир узнал о его победе. Прошло пять дней, и о взятии полюса 6 апреля 1909 года, то есть через год после Кука, возвестил Пири, одновременно обрушив на Кука грубую ругань: «Это блеф, что Кук побывал на полюсе, он просто морочит публику». Пири писал своему другу: «Я положил всю жизнь, чтобы совершить это. И когда наконец я добился цели, какой-то поганый трусливый самозванец все испортил». Пири организовал настоящую травлю Кука, не чураясь подкупов свидетелей и публикаций фальшивых «признаний» Кука в прессе. Куку перестали верить, а лавры покорителя полюса достались Пири.

Кук был полностью реабилитирован лишь за несколько месяцев до смерти в 1940-м.

22 апреля
Врачи-физики

22 апреля 1799 года родился французский врач и физик Жан-Луи Пуазейль (ум. 1869).

Изначально связь между медициной и физикой была тесной, недаром совместные съезды естествоиспытателей и врачей проходили вплоть до начала XX века. И, между прочим, врачи активно участвовали в создании физики, а к исследованиям их часто побуждали вопросы, которые ставила медицина.

Английский врач и физик Томас Юнг стал основателем волновой оптики (см. 19 июля). Немецкий физиолог Герман Гельмгольц (см. 31 августа) и английский врач Роберт Майер (см. 25 ноября) открыли закон сохранения и превращения энергии.

Французский врач Жан-Луи Пуазейль экспериментально изучал мощность сердца как насоса, качающего кровь, и исследовал законы движения крови в венах и капиллярах. Он вывел формулу Пуазейля, которую теперь знают все студенты-физики. В его честь названа единица вязкости – пуаз.

Соотечественник Пуазейля Жан-Бернар-Леон Фуко, знаменитый своим маятником (см. 3 января), тоже по образованию врач. А русский врач Иван Михайлович Сеченов (1829–1905), чьим именем названа Московская государственная медицинская академия, известен также открытиями в области физической химии. Ну а современная медицина просто немыслима без тесного союза с физикой. Так, в центрах ядерной медицины работают медицинские физики – специалисты в области физики, работающие в сотрудничестве с медиками.

Если диаметр кровеносного сосуда уменьшится в 2 раза, объем протекающей по нему крови (при той же мощности сердца) уменьшится в 16 раз! Это следует из формулы Пуазейля.

23 апреля
Человек, придумавший кванты

23 апреля 1858 года родился Макс Планк, немецкий физик, автор гипотезы о световых квантах, лауреат Нобелевской премии (ум. 1947).

Планк намеревался стать лингвистом или музыкантом. Но к окончанию гимназии «переметнулся» в физику. Прекрасным пианистом Планк оставался всю жизнь и в более поздние годы часто играл дуэтом с Эйнштейном, тоже любителем музыки и прекрасным скрипачом.

Планк воплощал лучшие традиции немецкой научной школы – трудолюбие, тщательность и консерватизм. Но по прихоти судьбы именно он стал родоначальником новой, квантовой эры, пришедшей на смену эре классической физики (см. 14 декабря). Причем свою революционную гипотезу о световых квантах Планк выдвинул в весьма преклонном для ученого возрасте – в 42 года (безумные идеи чаще высказывают молодые, не отягощенные грузом традиций люди). Выпустив же в мир дерзкую гипотезу, Планк затем скептически наблюдал за созданием квантовой механики. Он, как и Эйнштейн, давший квантовой гипотезе «второе рождение» (см. 17 марта), надеялся, что отход от классических позиций окажется временным и будущие теории вернут на место определенность, однозначность и наглядность классического описания мира.

Он пережил много личных трагедий: смерть жены и двух дочерей, гибель старшего сына на фронте первой мировой войны, расстрел младшего за участие в заговоре против Гитлера в 1944-м. Сам Планк в 1937 году ушел в отставку с поста президента Института физики кайзера Вильгельма в знак протеста против изгнания из него евреев (теперь этот институт носит имя Макса Планка). Он прожил длинную и красивую жизнь.

24 апреля
Обсерватория на орбите

24 апреля 1990 года выведен на околоземную орбиту телескоп «Хаббл» (США) с диаметром зеркала 2,4 м.

Мечта любого астронома – иметь телескоп вне земной атмосферы. Во-первых, он мог бы вести наблюдение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, излучения которых поглощаются земной атмосферой. Во-вторых, разрешающая способность была бы в 10 раз выше, чем у наземного телескопа такого же размера (ведь турбулентные потоки в атмосфере сильно ухудшают изображение). Работы по проектированию и строительству обсерватории на земной орбите заняли больше 20 лет. И в 1990-м долгожданное событие состоялось! Шаттл Дискавери вывел на околоземную орбиту телескоп «Хаббл», названный в честь Эдвина Хаббла, открывшего расширение Вселенной. Подобно своему тезке, орбитальный телескоп должен был раздвинуть границы наблюдаемого мира. Но уже в первые недели после начала работы телескопа выяснилось, что качество снимков значительно хуже ожидаемого. Причина вскоре разъяснилась: неверная форма главного зеркала. Отклонение от заданной формы поверхности составило лишь 0,002 мм, но результат оказался катастрофическим. Это означало, что многие намеченные программы стали просто невыполнимыми! Ученые немедленно начали поиск решения проблемы и придумали систему оптической коррекции – подобие «очков» для телескопа, устраняющих искажения изображения. Поскольку программа предусматривала ремонт и обслуживание телескопа на орбите, астрономы с нетерпением стали ждать первой такой экспедиции, чтобы установить на телескопе эти «очки» (продолжение см. 13 декабря).

25 апреля
Вольфганг Паули

25 апреля 1900 года родился Вольфганг Паули, швейцарский физик, лауреат Нобелевской премии, один из создателей квантовой механики и релятивистской квантовой теории поля (ум. 1958).

Учителя обнаружили у Паули математические способности, когда ему было 11 лет, и предоставили ему право заниматься самостоятельно. В 15 лет Паули смог прочитать только что опубликованную работу Эйнштейна по общей теории относительности и разобраться в ней – а ведь многие маститые физики не смогли ее понять! А когда Паули уже изучал физику в Мюнхенском университете под руководством Зоммерфельда, то написал 200-страничный труд о теории относительности для издававшейся тогда «Физической энциклопедии». (Сначала обзор обещал написать сам Эйнштейн, но, будучи занят, обратился за помощью к Зоммерфельду, а тот переадресовал просьбу юному гению.) Этот труд был вскоре издан отдельной книгой и удостоился похвалы Эйнштейна. Книга до сих пор остается классической.

Очень рано Паули завоевал авторитет в вопросах теоретической физики. Ему принадлежит немало ярких и плодотворных идей, обогативших квантовую физику. С его именем связано такое фундаментальное понятие квантовой механики, как спин, он сформулировал «принцип запрета Паули» (см. 21 марта), предсказал существование нейтрино (см. 4 декабря) и многое другое.

Однажды Паули написал Бору о какой-то проблеме, и вежливый Бор сразу ответил: «Спасибо за письмо, по существу отвечу в четверг». Через месяц, так и не получив ответа, Паули написал Бору: «Дорогой профессор Бор, не обязательно писать в четверг, подойдет любой другой день недели».

26 апреля
Трагедия и физика

26 апреля 1986 года произошла авария на Чернобыльской АЭС. Это число – День памяти погибших в радиационных авариях и катастрофах.

Авария в Чернобыле беспрецедентна по своим масштабам. Цепная реакция деления урана стала неуправляемой – реактор «пошел в разгон»… За считанный секунды температура в реакторе выросла до нескольких тысяч градусов, произошел взрыв, в атмосферу сразу были выброшены тонны испарившегося урана и радиоактивных продуктов распада. Зараженный воздух разнесло ветром по всей Европе.

Почему цепную ядерную реакцию так трудно держать под контролем? Деление ядер урана вызывается нейтронами, и в результате деления каждого ядра образуются 2–3 новых нейтрона – их называют следующим поколением. Ход реакции определяется коэффициентом размножения нейтронов k, который показывает, во сколько раз изменяется число нейтронов в каждом следующем поколении. Если k меньше единицы, реакция затухает, k больше единицы – идет по нарастающей; при работе в стационарном режиме этот коэффициент должен в точности равняться единице. В реакторе помещают специальные регулирующие стержни, способные поглощать нейтроны и таким образом регулировать их коэффициент размножения. Сложность в том, что поколения нейтронов сменяются за миллионную долю секунды; человек не в состоянии отслеживать такие быстрые процессы – только автоматика. И точность регулировки требуется чрезвычайно высокая: увеличение k хотя бы на одну сотую приводит к взрывному ходу реакции. Именно это произошло на Чернобыльском реакторе при попытке изменения режима его работы (см. также 5 мая).