Текст книги "Автостопом по науке. 70 фактов из истории великих открытий"

17
Большой спор о Большом взрыве

Теорию Большого взрыва, точнее, на тот момент динамическую эволюционную модель, астрономы и физики начали разрабатывать в XX веке, хотя близкие идеи высказывались, конечно, и раньше. В 1910-х годах несколько астрономов, в том числе американец Весто Слайфер и немец Карл Вирц, замечали красное смещение при наблюдении отдаленных галактик. Это означало, что галактики продолжают удаляться от наблюдателя. Причем у дальних объектов красное смещение было более значительным, чем у близких.

Большое значение для развития теории сыграли уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, хотя сам он вводил космологическую постоянную, благодаря которой уравнения допускали статическое решение. Чуть позже на их основе было создано несколько моделей, описывающих расширяющуюся Вселенную.

Первая из них была предложена российским физиком и математиком Александром Фридманом. Он показал, что вне зависимости от космологической постоянной из уравнений можно вывести различные модели Вселенной (хотя он и подходил к проблеме как математик, говоря, что «его дело – указать возможные решения уравнений Эйнштейна, а там пусть физики делают с этими решениями, что они хотят»). Он также предположил, что пропорциональное расстоянию до объекта красное смещение соответствует условиям расширяющейся Вселенной.

Большое значение для развития теории сыграли уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Хотя сам он вводил космологическую постоянную, благодаря которой уравнения допускали статическое решение.

К тем же результатам пришел и бельгийский астроном и математик Жорж Леметр. Заинтересовавшись работами Слайфера и Хаббла, он рассчитал коэффициент зависимости величины красного смещения от расстояния до объекта. Работу, в которой описывались и зависимость, и постоянная, Леметр опубликовал в журнале Annals of the Scientific Society of Brussels. Ее далеко не сразу перевели на английский, и открытие осталось практически незамеченным. Настаивая на возможности нестационарной Вселенной, Леметр спорил с Эйнштейном, сомневающимся в правильности собственных уравнений, и заслужил противоречивую оценку великого ученого: «Ваши вычисления верны, но ваша физика ужасна». Немного позже Леметр развил свою теорию, предположив, что Вселенная развилась из очень сжатого объема, который он назвал «первородным атомом». В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл сформулировал закон и вычислил постоянную, получившие его имя.

В 1948 году вышла работа советско-американского физика Георгия Гамова. В ней он, опираясь на модель Фридмана, предположил, что в начале существования Вселенной ее вещество не только было очень сильно сжато, но и имело невероятно высокую температуру. Одним из выводов теории горячей Вселенной было предсказание реликтового излучения и оценка его температуры – всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

В том же году было опубликовано несколько значительных работ сторонников теории стационарной Вселенной: Фреда Хойла, Германа Бонди и Томаса Голда. Их теория стала альтернативой динамической эволюционной модели (все еще не Большого взрыва). Трое ученых полагали, что расширение Вселенной не доказывает ее возникновения в определенный момент. Возможно, она расширяется по мере появления новой материи, как это и происходило всегда. Скорость образования вещества из вакуума составляет один атом водорода на кубический метр за 10⁹ лет, что позволяет Вселенной оставаться стабильной при расширении.

Теория привлекала сторонников, ее создатели выступали с лекциями, публиковались. В конце марта 1949 года Хойл выступал на радио, рассказывая о своих взглядах на возникновение и развитие Вселенной. В тот день он, говоря о теории своих противников, употребил быстро ставшее известным выражение Big Bang – Большой Бум (или взрыв, хлопок). Хотя Хойл вряд ли к этому стремился, броское название немало способствовало популярности теории.

Вскоре у стационарной Вселенной стали возникать проблемы. Оказалось, что многие объекты, такие как квазары и радиогалактики, существуют лишь на очень больших расстояниях от Земли, точнее, существовали в отдаленном прошлом. Тот факт, что их не находили ближе, говорил в пользу теории Большого взрыва. Но еще больший удар по теории нанесло обнаружение реликтового излучения, предсказанного Гамовым. Его существование было случайно обнаружено в 1965 году астрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном (его пару раз замечали и в более ранние годы, но тогда должного внимания и объяснения открытие не получило). Это стало «последним гвоздем в гроб теории стационарной Вселенной», по выражению физика Стивена Хокинга.

Позднее, в 1990-х годах, Хойл с коллегами разработали теорию квазистационарной Вселенной, в которой попытались избавиться от недостатков оригинальной теории. В частности, они предположили, что во Вселенной время от времени происходят небольшие взрывы (little bangs). Однако, несмотря на старания авторов теории, подавляющее большинство современных работ по астрономии исходят именно из теории Большого взрыва.

Алёна Манузина

18
Система мер «для всех людей на все времена»

Авторами первых предложений по введению метрической системы считаются два священнослужителя: англичанин Джон Уилкинс и француз Габриэль Мутон. Они были почти ровесниками – родились в 1614 и 1618 годах соответственно.

Биография Уилкинса сродни приключенческому роману: он успел побывать руководителем колледжей и Оксфорда, и Кембриджа (и повоевать со сторонниками астрологии и алхимии в университетах), поучаствовать в создании Королевского общества, написать несколько книг о путешествиях на Луну и встрече там с селенитами, жениться на сестре Оливера Кромвеля, потерять лабораторию и библиотеку во время Великого пожара 1666 года. Но нас он интересует главным образом в связи с его работой «Опыт о подлинной символике и философском языке». Большая часть ее посвящена разработке универсального языка для ученых, торговцев и путешественников; той же цели, установлению взаимопонимания, служит и предложенная им единая система мер – десятичная или, как вариант, восьмеричная.

Авторами первых предложений по введению метрической системы считаются два священнослужителя: англичанин Джон Уилкинс и француз Габриэль Мутон.

Собственную систему мер предложил и Габриэль Мутон (а он тоже был не промах – заставил Лейбница доказывать секретарю Королевского общества, что не использовал идеи Мутона). Свою работу Observationes diametrorum solis et lunae apparentium он опубликовал в 1680 году. Мутон предлагал привязать основные единицы к естественным величинам. Так, основная мера длины должна была составлять одну минуту дуги меридиана. Остальные единицы длины отсчитывались от нее умножением или делением на десять.

К середине XVIII века стало понятно, что дальше пользоваться лишь национальными системами мер уже невыгодно. Они мешали и торговле, и обмену научными знаниями. За разработку единой системы мер выступали и изобретатель Джеймс Уатт, и химик Антуан Лавуазье. По подсчетам, накануне Французской революции в различных регионах этой страны насчитывалось до четверти миллиона различных единиц измерения.

В 1789 году, в тот самый день, когда Национальное собрание приняло Конституцию и разошлось, Академия наук собрала комиссию, чтобы проработать реформу мер и весов. В начале 1790 года Шарль Морис де Талейран как представитель Франции встретился с Джоном Миллером и Томасом Джефферсоном (Великобритания и США), чтобы подобрать систему мер, которую можно было бы принять в качестве международной. Удивительно, но к соглашению они пришли, после чего каждый озвучил его своему парламенту. В комиссии французской Ассамблеи (в которой состояли, например, Жозеф Луи Лагранж, Пьер-Симон Лаплас, Гаспар Монж) десятичная система встретила серьезного конкурента в виде двенадцатеричной, но все же победила, в то время как предложения Миллера и Джефферсона в их странах приняты не были.

Работа комиссии, поддерживаемая сначала Людовиком XVI, потом революционным правительством, продолжалась несмотря на то, что ее состав менялся со сменой правящих групп. И вот 7 апреля 1795 года метрическая система была утверждена законодательно. Вводились следующие единицы: метр (1/40 000 000 часть Парижского меридиана), гектар (100 м²), стер (м³ как объем древесины), литр (дм³ как объем жидкости), грамм (масса см³ воды) и франк в качестве валюты. К единицам предлагалось прибавлять приставки: кило-, деци-, милли– и т. д. Спустя некоторое время ученые по направлению комиссии изготовили платиновый метр (на основе длины меридиана) и эталон килограмма (кубический дециметр воды при температуре 4 °C).

К середине XVIII века стало понятно, что дальше пользоваться лишь национальными системами мер уже невыгодно. Они мешали и торговле, и обмену научными знаниями.

Однако революционное правительство оправдывало свой статус и пошло дальше – утвердило десятичную систему и в измерениях времени. Революционные сутки состояли из десяти часов, час – из ста минут, а минута – из ста секунд. Десять дней составляли неделю, а дальше шли уступки: в году было по-прежнему 12 месяцев, и каждый из них состоял из трех недель (что давало несколько лишних дней в конце года). Такая система измерения времени не прижилась и была отменена указом от того же 7 апреля (18 жерминаля 3 года), календарь продержался немного дольше. А ведь принимали десятичную систему, как говорил Кондорсе, «для всех людей на все времена».

В начале XIX века многие европейские страны, а за ними и их колонии, переняли метрическую систему. В России для этого много сделал Дмитрий Менделеев, говоривший, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Будучи ученым-хранителем при Депо мер и весов, он проверил имевшиеся эталоны, унифицировал требования к хранящимся в регионах образцам и настоял, чтобы в 1899 году метрическая система была принята в качестве факультативной, наряду с фунтами и аршинами.

Сейчас Международная система мер, СИ (от фр. Le Système International), используется почти во всех странах мира. Исключение составляют Соединенные Штаты, Либерия и Мьянма. В некоторых странах, в основном англосаксонских, а также Китае, этот переход еще не завершен. Однако остатки традиционных систем все равно проявляются повсеместно, будь то гражданская авиация или размер экранов смартфонов.

Алёна Манузина

19
Начавший физику с «Начала»

Своим рождением «Математические начала натуральной философии» во многом обязаны целой плеяде выдающихся астрономов. Англичанин Эдмунд Галлей, большой любитель комет, мучился, пытаясь понять, по каким же траекториям они движутся. Он вел астрономические наблюдения в Париже, у Джованни Кассини. Тот считал, что кометы, как и планеты, движутся по круговой орбите, Галлей не соглашался.

Другой астроном, немец Иоганн Кеплер (его увлечение астрономией началось с наблюдения кометы в детстве), воспользовался наблюдениями своего учителя, Тихо Браге, и на их основе вывел законы движения небесных тел. Он считал, что все небесные тела движутся по эллиптическим орбитам, и только кометы – по прямой. Но с этим не согласовывались наблюдения Галлея за кометой 1680–1681 года, которая сначала приближалась к Солнцу, а потом удалялась от него.

Подобно Кеплеру, на основе эмпирических данных Галлей вычислил, что такое движение, как у наблюдаемой им кометы, должна давать сила, исходящая от Солнца и убывающая пропорционально квадрату расстояния до него. Но продвинуться дальше и понять, по какой орбите должно двигаться тело под действием такой силы, он не смог.

Своим рождением «Математические начала натуральной философии» во многом обязаны целой плеяде выдающихся астрономов.

Много времени потратил Галлей на размышления над законами Кеплера и попытками их обосновать. Он обсуждал их с коллегами: Робертом Гуком и Кристофером Реном. В 1684 году Галлей встречался в Кембридже с Ньютоном. Тот огорошил Эдмунда заявлением о том, что давно решил эту проблему, но вычисления (вот досада!) что-то никак не может найти. Ответ – эллиптическая орбита – у Галлея теперь был, а обоснования его пришлось подождать (очевидно, пока великий Ньютон разберет бумаги на своем столе). Здесь стоит отметить, что описания встречи двух умов даются по их воспоминаниям спустя десятилетия и несколько различаются. Как известно, история повторяется, и похожая встреча произойдет в Копенгагене в сентябре 1941 года между Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.

Так или иначе, терпение Галлея было вознаграждено: Ньютон прислал ему небольшую работу «О движении тел по их орбитам». В ней физик привел обоснования и вычисления, касающиеся законов Кеплера, используя в них и то, что станет известно как законы Ньютона. Работа впечатлила Галлея, и он попросил Ньютона расписать его вычисления поподробнее и прислать работу в Королевское общество. Нехотя Ньютон отложил свои алхимические опыты, которым посвятил годы, и сосредоточился на силах, массах и ускорениях. А уж работать он умел: по свидетельствам своего помощника и родственника Хэмфри Ньютона, ученый забывал есть и спать и, гуляя иногда по саду, мог примчаться домой с какой-то новой мыслью и начать ее записывать прежде, чем садился за стол.

В конце апреля 1686 года первый том был готов, за ним последовали еще два. Во время работы над книгой Ньютон не раз менял свой замысел и переписывал все заново. Так, сначала планировалось два тома, а не три, и написать их он собирался более легким языком, чем вышло в итоге (стиль Ньютон изменил, как пояснял он сам, чтобы прочесть труд могли лишь те, кто достаточно подготовлен, а потому может отказаться от своих предубеждений).

Завершение работы чуть не сорвалось, когда к Обществу со своим заявлением о приоритете обратился Гук. Ньютон пригрозил запретить издание третьей книги, но благодаря Галлею и его дипломатическим навыкам (и за его счет) книга все-таки была издана.

А вот проблемы с Гуком на этом не закончились. По утверждениям ученого, их с Ньютоном переписка подтолкнула последнего к исследованиям и стала источником основных идей будущей работы (например, обратной зависимости силы притяжения от квадрата расстояния).

Ньютон признавал, что переписка послужила ему стимулом заняться вопросами движения тел, однако любую возможность заимствования идей у Гука он отрицал. Если уж чьи-то размышления ему и помогли, то это были их общие с Гуком предшественники: француз Исмаэль Буйо и итальянец Джованни Борелли. Предоставить убедительные подтверждения своего приоритета Гук не смог, и даже Галлей с Реном его не поддержали.

Первое издание «Начал» появилось в июле 1687 года и состояло из 250–400 экземпляров. Некоторые из них сохранились и находятся в известных библиотеках в Кембридже, Стэнфорде, Королевской обсерватории в Эдинбурге, несколько – в США, еще один был подарен Академии наук.

Помимо уже упомянутых споров о приоритете, на Ньютона посыпались критические отзывы и другого рода: многие его коллеги (в том числе Готфрид Лейбниц, Якоб Бернулли, Джованни Кассини) не могли принять силы тяготения, для которой не нужна была среда и которая действовала через пустое пространство. Ньютону и самому было не все понятно в работе описанных им сил. И все же труд стал началом целой эпохи, господства классической механики, которое продолжится до начала XX века.

Алёна Манузина

20
О скотч, ты мир!

На скотче держится очень многое, а если не держится – наклейте еще. Клейкой лентой, которая принесла «Нобеля», побывала на Луне и обматывала дирижабли, сегодня пользуется каждый из нас, но мало кто задумывается об истории ее происхождения.

И очень зря, потому что на основе этой истории можно писать вдохновляющие книги в модном жанре мотивирующих биографий. Простой парень из Миннесоты Дик (Ричард) Дрю с рождения не хватал звезд с неба, но в течение своей жизни воплотил типичную американскую мечту, добившись головокружительного успеха. В юности он пару лет поездил по стране, играя на банджо с местными музыкальными коллективами. Чуть позже он, казалось бы, образумился, заплатив заработанными деньгами за обучение в Университете Миннесоты. Но не тут-то было: 18 месяцев спустя он разочаровался в программе, заскучал и бросил учебу.

Поскольку нужно было на что-то жить, 22-летний молодой человек, не умеющий практически ничего, но полный энергии и оптимизма, стал просматривать объявления о вакансиях в газетах. Там он натолкнулся на сообщение о том, что компания 3М ищет работников.

На скотче держится очень многое, а если не держится – наклейте еще. Клейкой лентой, которая принесла «Нобеля», побывала на Луне и обматывала дирижабли, сегодня пользуется каждый из нас.

3M, или Minnesota Mining and Manufacturing Company (Миннесотская горнодобывающая и производственная компания), переживала не лучшие времена. В 1902 году она была основана для изготовления наждачной бумаги, и пятеро ее владельцев купили небольшую шахту для добычи корунда, порошок которого и придает наждаку абразивные свойства. Но начинающих бизнесменов обманули: шахта была уже истощена, поэтому пришлось срочно искать другой минерал для покрытия. Одним из предложений стал испанский гранат, однако, хотя он и обладал достаточной твердостью, он имел и свои недостатки. Вскоре компания была завалена письмами с жалобами, что абразивный порошок осыпается с бумаги. Компания меняла владельцев, вела разработки в течение десяти лет, но безрезультатно.

И тут им пришла заявка на вакансию с сопроводительным письмом: «Я никогда не работал по найму в коммерческой сфере, но очень хочу начать. Я понимаю, что мой труд не может стоить много, так как у меня нет нужного практического опыта, но я был бы рад любой зарплате, которую вы согласитесь выплачивать мне в первое время. Я физически вынослив и, если это потребуется, умею водить трактор и выполнять основные работы на ферме». Конечно, его автором был наш герой, и, разумеется, он был принят, правда, только на должность тестировщика различных зерен для наждачной бумаги, что считалось довольно низкоквалифицированной работой. Чуть позже, в 1923 году, когда компания изобрела влагоустойчивый наждак, он получил повышение и стал ходить по автомобильным мастерским, предлагая свою продукцию.

В те годы двухцветная покраска машин считалась последним писком моды, что вызывало немало головной боли у производителей. Им приходилось заклеивать части автомобиля газетами, хирургической лентой и другими материалами, но при отсоединении такое покрытие отрывало куски краски и портило всю работу. Насмотревшись на страдания автомастеров, Дрю загорелся идеей сделать свою клейкую ленту, которую можно было бы легче отклеивать.

На работе у него было все, что необходимо: разные виды клея и бумажные основы для наждака, и молодой энтузиаст посвятил себя поискам нового решения. Начальство было не очень довольно, поскольку это отвлекало его от основных занятий. Ричард импровизировал и перепробовал множество субстанций: жевательную резинку, всевозможные смолы и масла, глицерин и семена льна – и все-таки смог (как и Чарльз Гудийр, нашедший когда-то «рецепт» стабилизации каучука простым перебором компонентов, в числе которых был даже суп) сделать свое открытие. Итоговой формулой липкого вещества, которое легко клеится и отклеивается, стала смесь глицерина и мебельного клея, которую наносили на пергаментную бумагу.

Эта клейкая лента не была первой в своем роде, потому что еще в 1882 году нанесение клея на газовую ткань запатентовал немец Пауль Байерсдорф. Позднее один из его сотрудников улучшил это изобретение, создав прообраз того, что мы сейчас называем лейкопластырем. Чтобы не травмировать кожу, клейкая субстанция наносилась не на всю ленту, а только с краю. Существует даже байка, что когда Ричард впервые принес свою ленту в автомастерскую, она тоже была покрыта клеем только по краям. Это коробило краску, за что работники обозвали изобретение «шотландским», намекая на стереотипы о шотландской скупости. Впоследствии Дрю начал покрывать клеем всю липкую сторону, а название осталось.

Однако малярная лента, плод его двухлетних усилий, все же не вдохновила начальство: Уильям Макнайт, прямой руководитель Дрю, не разрешил ему купить станок, чтобы производить ленту в больших масштабах. Но, поскольку наш герой был научным сотрудником, у него был небольшой бюджет на покупку расходных материалов. На эти деньги Дрю постепенно купил детали станка по отдельности и собрал его. Такое упорство не смогло остаться незамеченным, и начальник наконец сдался. Жалеть об этом ему не пришлось, ведь изобретение перевернуло мир лакокрасочной индустрии, а чуть позже предприимчивые американцы, пытаясь выжить во время Великой депрессии, нашли ему множество других применений. Скотч позволил чинить многие вещи, которые без него нужно было неминуемо выбросить, а покупать заново в кризисные годы приходилось втридорога.

Но тут на горизонте появился конкурент: компания DuPont изобрела целлофан, который пришелся по нраву многим продавцам в качестве упаковки. Вместо того чтобы отчаяться, Дрю, которого наконец-то повысили и разрешили продолжать эксперименты, с воодушевлением принялся искать способ создания прозрачного скотча на основе нового материала. Купив 90 метров целлофана, он начал экспериментировать. Однако материал был тонок, капризен, легко плавился и рвался, а клей оставлял на нем некрасивые желтые следы. Ричарду пришлось разработать целый метод обращения с новой основой и создать прозрачный клей, в этот раз из каучука, смол и масел. В 1930 году появился тот самый прозрачный скотч, который приобрел небывалую популярность и до сих пор остается незаменимым во многих отраслях.

Во время Второй мировой войны появилось множество новых видов клейкой ленты для военных нужд. Дрю продолжал разработки. Его изобретение было повсюду: скотч использовался в сантехнике, в хирургии, продавался двусторонний скотч, скотч с надписями, светоотражающий скотч… Клейкая лента использовалась как антикоррозийное покрытие дирижаблей компании Goodyear, в качестве теплоизоляции в луноходах и даже стала материалом для произведений искусства – и все благодаря чудаку Ричарду Дрю, который поощрял самые странные идеи своих сотрудников и ценил сообразительность и желание развиваться больше, чем дипломы престижных университетов.

В 1930 году появился прозрачный скотч, который приобрел небывалую популярность и до сих пор остается незаменимым во многих отраслях.

Ричард Дрю умер в 1980/81 году. Но его изобретение еще продолжает вызывать интерес ученых. В 1953 году было доказано, что скотч может испускать рентгеновские лучи, если поместить его в вакуум, благодаря явлению, известному как триболюминесценция, когда свет возникает из разрушения химических связей при деформации материала. В 2008 году ученые показали, что это излучение достаточно сильное, чтобы оставить рентгеновский снимок пальца.

Примерно тогда же, в начале 2000-х, происходили знаменитые эксперименты Гейма и Новоселова, в ходе которых ученые растворяли скотч, который раньше был обмотан вокруг графита, и получали графен. Насмешки коллег над компанией «мусорных ученых», использующих отходы изучения графита (с помощью скотча образец делали гладким, чтобы его можно было поместить в туннельный микроскоп) продолжались недолго: Нобелевская премия по физике, которую Гейм и Новоселов получили в 2010 году, мало к этому располагала.

Екатерина Мищенко