Текст книги "Изобретено в СССР"

Ни разу в своей жизни Владимир Демихов не оперировал людей. Только собак и иногда других животных, в частности обезьян. Абсолютное большинство пациентов не прожило и дня. Почти все коллеги открещивались от его опытов и экспериментов, считая их одиозными и безумными. С Ковановым он поссорился и в 1960-м вместе с лабораторией перешёл в «Склиф»; диссертацию защитил очень поздно, в 1963 году, причём сразу и кандидатскую, и докторскую. У него не было даже медицинского образования. Но при этом его статьи и книги переводились на иностранные языки и легли в основу множества трансплантационных методов, использующихся и по сей день. Демихов стал почётным профессором ряда иностранных университетов и научных обществ, авторитетом для многих поколений трансплантологов.

Важно понимать, что в СССР было множество других биологов и медиков, занимавшихся пересадкой органов, – не менее даровитых, порой более сильных и, главное, более уживчивых, чем Демихов. Например, мировым светилом в области трансплантации конечностей и почек был Анастасий Лапчинский, который разработал методику заморозки почек для хранения до пересадки. И все первые успешные пересадки конечностей проводились в мире по методике Лапчинского. Имелись у нас и другие звёзды – вообще в области трансплантологии СССР был на острие научного прогресса.

Все первые в мире пересадки органов людям провёл не Демихов. Более того, некоторые хирурги привнесли в трансплантологию больше него (хотя замечу, что его книга 1960 года, по сути, стала первым в мире учебником трансплантологии). В чём же заслуга Демихова?

Те опыты, которые он провёл на собаках и на основе которых разработал свои методы, не повторил бы никто другой. Никогда. Для этого нужно было быть безумцем и гением одновременно, своего рода доктором Менгеле животного мира. Без опытов Демихова многие жизненно важные операции, включая барнардовскую пересадку сердца, прошли бы намного позже[4]4
  Замечу, что в 1908 году упомянутый француз Алексис Каррель с американским коллегой Чарльзом Гатри пересадили собаке вторую голову – это было очень похоже на более поздние опыты Демихова. Но ввиду несовершенства технологии они не смогли добиться полноценного функционирования имплантата.


[Закрыть].

Более того, Демихов опередил своё время. Лишь сейчас, в первой трети XXI века, итальянский хирург Серджо Канаверо работает над пересадкой человеческой головы. В то время как я пишу эти строки, Канаверо тренируется на трупах в Китае; дата первой операции на живом человеке пока неизвестна. Я не сомневаюсь, что первые пациенты, которым пересадят головы, не проживут и нескольких дней – так было всегда, в том числе и с сердцем. Но медицина требует жертв, тут ничего не поделаешь.

И Демихов пошёл наиболее этичным путём. Всё равно все собаки попадают в рай.

Глава 12. Просто линза

Вообще говоря, в советское время роль личности в истории науки и техники была незначительна. «Советские учёные обнаружили», «в научно-исследовательском институте провели эксперимент», «отечественными инженерами разработано» – такими формулировками научная пресса изобиловала, а вот списки людей, принимавших участие в работе, приводились далеко не всегда. А если и приводились, то в официальной форме, с незапоминающимися инициалами вместо имен, в ряду прочих, включая несколько ступеней начальства. Ситуация же, когда изобретение называлось в честь его автора, считалась из ряда вон выходящей. Это в США инженер основывал компанию и называл её как ему вздумается. А в СССР был регламент. Конечно, я несколько утрирую, но в первом приближении ситуация выглядела именно так.

Однако Дмитрию Дмитриевичу Максутову в этом плане повезло. Телескопы системы Максутова – Кассегрена и Максутова – Грегори знают во всём мире. Дмитрий Максутов – дворянин, сын белого офицера – стал лауреатом двух Сталинских премий и обессмертил своё имя работами в области оптики.

Дед героя нашей истории, Дмитрий Петрович Максутов, был неоднозначным человеком. Став в возрасте 31 года губернатором Аляски, на своём посту он прославился в основном взятками, кумовством и воровством – в общем, представлял собой наихудший образец российского чиновника. У Дмитрия Петровича было пятеро братьев, двое из которых – Павел и Пётр – также сделали себе отличную военную и государственную карьеру.

Дмитрий Дмитриевич Максутов-старший, сын Дмитрия Петровича, карьеристом не был. Он служил капитаном I ранга, затем работал пресс-атташе в российской миссии (то есть посольстве) в Турции – по сравнению с отцом не достиг почти ничего. После революции он уехал из России и закончил жизнь смотрителем пристани в Нью-Йорке.

А вот Дмитрию Дмитриевичу-младшему повезло остаться. Именно повезло, потому что его жизнь во время революционных событий и Гражданской войны достойна экранизации в Голливуде. Он родился в 1896 году и с детства любил астрономию – своими руками делал телескопы по инструкциям, прочитанным в научно-популярных книгах, и всего в 15 лет стал членом одесского отделения Русского астрономического общества. Но, как и практически любому дворянскому отпрыску, ему прочили военную карьеру, так что Дмитрий Максутов (здесь и в дальнейшем этим именем я буду называть астронома, а не его отца) отучился в Николаевском инженерном училище в Санкт-Петербурге, затем в Офицерской электротехнической школе и в итоге стал специалистом по радиотелеграфии. Служил он на Кавказском фронте, учился в школе военных лётчиков, попал в авиакатастрофу и был списан по инвалидности. Это произошло в декабре 1917 года, когда по стране уже шагала новая власть. Максутов бежал от неё в Китай, но, добравшись до Харбина, остался без средств и возможности добраться до США. В 1919-м вернулся в Томск и… был мобилизован отступающей армией Колчака. Тем не менее послужить Верховному правителю России он так и не успел: до Томска добрались части РККА. Максутову ничего хорошего не светило – он же был белым офицером. Но он как-то сумел это скрыть, видимо подделав бумаги, и поступил учиться сразу на 3-й курс Томского технологического института, став в глазах новой власти просто студентом.

Наконец, в 1921 году Максутов встал на дорогу, определившую всю его жизнь. Давний знакомый его отца, физик Дмитрий Сергеевич Рождественский, собирал по всей стране талантливых астрономов для укомплектования штата Государственного оптического института в Петрограде, основанного по его инициативе в 1918 году, – по сути, это было одно из первых научных заведений, учреждённых уже после революции. Максутов принял предложение Рождественского, но в ГОИ проработал недолго, потому что его отец и брат эмигрировали, а мать, отказавшаяся уезжать, осталась в Одессе одна. Дмитрий переехал туда, преподавал в одесских школах физику, заведовал оптической мастерской в Одесском национальном университете имени И. И. Мечникова, а в ГОИ восстановился лишь после смерти матери, в 1930 году, – и только тогда занялся оптикой всерьёз.

Своё главное изобретение Дмитрий Максутов сделал намного позже, в 1941 году, будучи начальником лаборатории астрономической оптики ГОИ и уже доктором технических наук. К слову, он получил степень без защиты, «по совокупности опубликованных работ».

Телескоп самой простой конструкции называется рефрактором. Фактически это подзорная труба, состоящая из двух элементов – объектива и окуляра. Объектив представляет собой систему линз, которая собирает свет, создавая уменьшенное изображение объекта, скажем Луны, а окуляр увеличивает его, как лупа. Но при кажущейся простоте рефракторы имеют ряд недостатков, среди которых сложность и дороговизна изготовления линз большого размера, а также хроматическая аберрация.

Последняя представляет собой искажения, возникающие из-за того, что показатель преломления оптического стекла, из которого делаются линзы, разный для различных длин волн (это явление называется дисперсией). Иначе говоря, лучи разных цветов по-разному преломляются стеклом и, следовательно, по-разному фокусируются линзой, что искажает получаемое изображение. Для исправления хроматической аберрации приходится использовать специальные материалы с низкой дисперсией или сложные оптические схемы.

Во второй половине XVII века учёные пришли к схеме телескопа-рефлектора. В рефлекторах вместо собирающих свет линз используются зеркала, поэтому такие телескопы лишены главного недостатка рефракторов – хроматическая аберрация у них полностью отсутствует (да и изготавливать крупные зеркала проще, чем линзы). Впервые рефлектор описал шотландский математик Джеймс Грегори в своём трактате 1663 года, затем, в 1668-м, сэр Исаак Ньютон построил первый в мире рефлектор, причём его конструкция отличалась от той, что описал Грегори, а в 1672-м английский естествоиспытатель Роберт Гук реализовал схему Грегори. Потом появились схемы Кассегрена, Несмита, Шмидта и др. Все современные самые крупные телескопы – рефлекторы.

Хотя у рефлекторов нет никаких хроматических аберраций, они не лишены недостатков. Последние проявляются в том, что для лучей, проходящих на разном расстоянии от оптической оси и под разными углами к ней, фокусы не совпадают, и это искажает изображение. Если луч падает параллельно оси телескопа, то говорят о сферической аберрации, если под углом – то о коме, если же точка расплывается и фокусируется в виде отрезка, это называется астигматизмом.

Максутов в 1941 году по-прежнему работал в ГОИ. Он более или менее успешно миновал репрессии: в 1930-м его арестовали на месяц во время чистки рядов ВКП(б), в марте 1938-го возбудили новое дело об измене Родине, но в декабре уже закрыли, поскольку как учёный он был нужен стране в большей мере, нежели как заключённый. В августе 1941 года ГОИ отправили в эвакуацию в Йошкар-Олу, и где-то в поезде, как впоследствии рассказывал сам Максутов, его осенило.

Решение проблемы оказалось настолько простым, что его действительно можно было придумать, трясясь в переполненном вагоне. Оно не требовало даже записи. Сферическую аберрацию следовало компенсировать сферической же линзой особой формы – так называемым мениском.

Мениск – это вогнуто-выпуклая или выпукло-вогнутая линза. То есть одна её сторона является выпуклой, а другая – вогнутой. Если центральная часть тоньше краёв (отрицательный мениск), то линза рассеивает свет, если толще (положительный) – собирает. Мениск изобрёл в 1804 году знаменитый английский учёный, химик и оптик Уильям Хайд Волластон. Изначально он разработал мениск в качестве корректирующей линзы для очков (он используется таким образом и по сей день), затем в 1812 году применил его в своей конструкции камеры-обскуры. Мениск Волластона впоследствии использовали для корректировки аберраций первые фотографы – Ньепс и Дагер. Обратите внимание: мениск был известен более 100 лет, с его помощью проводили корректировки оптических систем, в том числе и компенсацию хроматической аберрации телескопов-рефракторов, но до Максутова никто не догадался использовать его в рефлекторе!

11 августа 1941 года Максутов прибыл в Йошкар-Олу, а месяц спустя испытал первый телескоп с корректирующей системой. Идея была прекрасна в первую очередь своей простотой: мениск тщательно рассчитанной формы позволял корректировать аберрации в любых типах рефлекторов – и в схеме Ньютона, и в схеме Гершеля, и в схеме Грегори и т. д. и т. п. К концу 1942 года Максутов рассчитал сотни менисков для самых разных оптических приборов, в том числе для объективов, спектрографов и даже для прожекторов.

В 1944 году в Оборонгизе вышла статья Максутова «Новые катадиоптрические менисковые системы», где подробно описывалось его изобретение. В том же году в «Журнале Оптического общества Америки» (Journal of the Optical Society of America) была опубликована англоязычная версия статьи: Максутову разрешили отправить работу в зарубежный научный журнал. В 1946 году за свою работу учёный получил Сталинскую премию I степени.

Стоит заметить, что Максутов не был первым оптиком, решившим проблему сферической аберрации. В 1930 году эстонско-шведский физик Бернхард Шмидт установил в телескопе-рефлекторе ограничивающую диафрагму с асферической линзой (то есть такой, у которой одна или обе поверхности не являются сферическими). Это позволило добиться того же результата, что и у Максутова, – диафрагма полностью устраняла кому и астигматизм, а асферическая линза особой формы (сейчас такую линзу называют корректирующей пластинкой Шмидта) компенсировала сферическую аберрацию.

Систему Шмидта, скончавшегося в 1935 году, многократно совершенствовали. Наиболее известны доработки, сделанные в 1940-х сотрудниками Гарвардского университета Джеймсом Бейкером и Джозефом Нанном. Она используется во многих крупных телескопах мира: в Паломарской и Гамбургской обсерваториях, а также на орбитальном телескопе «Кеплер».

Схема Максутова чисто технически менее совершенна, чем схема Шмидта, зато она значительно проще, не требует изготовления сложных асферических линз и позволяет, как уже говорилось, легко модифицировать практически любой рефлектор. Наиболее распространены в любительской оптике схемы Максутова и Шмидта, модифицирующие телескоп системы Лорана Кассегрена, представленный Парижской академии наук в 1672 году.

Забавный факт: телескопы Максутова – Грегори и Грегори – Максутова представляют собой совершенно разные системы. Вторая не имеет отношения к упомянутому выше Джеймсу Грегори, шотландскому учёному XVII века. Она названа в честь Джона Грегори, американского оптика, который в 1957 году опубликовал в журнале Sky & Telescope сенсационную статью «Постройка телескопа Кассегрена – Максутова в домашних условиях». Версия телескопа, описанная в статье Джоном Грегори, оказалась совершенно новой, ранее нигде не применявшейся схемой менискового прибора. Грегори получил на неё патент, и схема вошла в историю под названием Грегори – Максутова.

Дмитрий Максутов прожил удивительно богатую творческую жизнь. Менисковые телескопы производятся наряду с другими системами практически всеми фирмами, специализирующимися на астрономической оптике. Ряд телескопов Максутова – Кассегрена установлен в различных обсерваториях, например в чилийской Серро-Эль-Робле, Абастуманской обсерватории в Грузии и др. Серьёзнейшей его работой стало проектирование большого азимутального телескопа (БТА-6) в Нижнем Архызе – с 1975 по 1990 год это был самый большой телескоп в мире, потом рекорд перешёл к Keck 1 в обсерватории Кека на Гавайях. Правда, сам Максутов БТА-6 в работе не увидел: он скончался в 1964 году и был похоронен на знаменитом «астрономическом» кладбище у Пулковской обсерватории.

Сегодня в честь Максутова названа малая планета 2568 Maksutov, открытая в 1980 году как раз с помощью менискового телескопа, а также кратер на обратной стороне Луны. Но в первую очередь его имя сохранилось в названиях всех телескопов, использующих его изобретение. Казалось бы, такое простое – и одновременно такое сложное.

Глава 13. Разгоняем частицы

В первую очередь надо понимать, зачем вообще нужны ускорители заряженных частиц – сложные и порой опасные устройства, стоящие миллионы долларов. Вопрос: «Ай-яй-яй, на что идут наши налоги?» – в отношении фундаментальных научных исследований звучит достаточно часто.

Отмечу, что ускоренные частицы встречаются не только в циклотронах и синхрофазотронах, но и в знакомых многим из нас и применяющихся на практике устройствах. Например, в электронно-лучевой трубке (кинескопе) используется направленный поток электронов, который движется к экрану (мишени): это позволяет преобразовать электрический сигнал в изображение (оптическую информацию) и наоборот. Так что если у вашей бабушки сохранился телевизор с ЭЛТ, то вот вам простейший ускоритель. Ещё пример – обычный рентген в поликлинике. Рентгеновские лучи генерируются с помощью специальной электровакуумной трубки, которая является, по сути, ускорителем электронов. Когда разогнанные электроны попадают в материал анода и тормозятся, они резко теряют энергию, испуская так называемое тормозное излучение в рентгеновском диапазоне. Так что рентгеновская трубка тоже дальний родственник Большого адронного коллайдера.

Для получения изображения на экране или генерации рентгеновского излучения слишком мощный ускоритель не нужен, он даже будет вреден. А вот того, чтобы разгонять частицы до очень высоких энергий, он понадобится. Такие частицы являются мощнейшим исследовательским инструментом, изучение их столкновений друг с другом и с различными мишенями может многое сказать о физических свойствах самих частиц, мишеней и в целом об окружающем мире. Ускоритель в этом плане можно назвать микроскопом, который позволяет исследовать мир элементарных частиц, а энергию соударения – смысловым аналогом разрешающей способности объектива, то есть чем выше энергия, тем больше информации об исследуемых объектах мы получаем.

«Как столкновение может о чём-то рассказать?» – спросите вы. Я отвечу: «Косвенно». Нам не под силу заглянуть внутрь атомного ядра с помощью даже самых мощных микроскопов. Значит, информацию нужно получить каким-то другим способом.

Столкновение двух частиц приводит к тому, что из их энергии рождаются новые частицы. Помните знаменитую эйнштейновскую формулу E = mc²? В соответствии с этой формулой при столкновении двух высокоэнергетических частиц могут рождаться другие частицы, если их масса будет меньше энергии исходных частиц.

Энергия частиц измеряется в электрон-вольтах (эВ), где 1 эВ – это энергия, которую приобретает частица с единичным зарядом (например, электрон), проходя разность потенциалов в 1 вольт. Энергии, превышающие энергию покоя частицы (то самое mc², где m – масса покоя частицы), считаются высокими. Когда частица разогнана до подобной энергии, её скорость приближается к световой, а если на её пути поставить мишень – чаще всего это ядра какого-нибудь элемента, – то образуются продукты соударения, которые можно исследовать, получая информацию об исходных частицах.

Данные о результатах столкновения регистрируются с помощью специальных блоков – детекторов, которые фиксируют заряд, энергию и направление движения образующихся частиц, тем самым позволяя определять их тип. Детекторы могут быть очень разными – от простейших (фотоплёнка) до сложнейших устройств высотой с четырёхэтажный дом.

Ускоритель заряженных частиц – это устройство, которое использует комбинацию электрических и магнитных полей. Электрическое поле ускоряет заряженные частицы, а магнитное определяет направление их движения. Но основной вопрос, который, наверное, возникает у читателя: зачем ускорители строят такими огромными? Почему Большой адронный коллайдер имеет длину кольца в 27 километров?! И почему он вообще кольцеобразный, проще ведь разгонять по прямой – или нет?

Нет. Чем больше длина траектории, тем большую энергию можно придать частицам. А по замкнутому кольцу частицы способны двигаться бесконечно, круг за кругом, и на каждом круге электрическое поле будет «подхлёстывать» их, разгоняя до всё большей и большей энергии. Конечно, существуют линейные ускорители, но максимальные энергии, достижимые в них, значительно меньше, нежели в циклических (кольцевых).

Размеры ускорителей обусловлены необходимостью поддерживать сильное магнитное поле, которое «поворачивает» частицы. Чем большую энергию при разгоне приобретают частицы и чем меньше радиус их поворота, тем большее магнитное поле требуется для удержания их на траектории. Соответственно, для того, чтобы обойтись меньшим магнитным полем, нужно увеличивать радиус: чем он больше, тем ближе траектория к прямой линии и тем меньше энергии требуется на корректировку движения. А увеличение радиуса поворота естественным образом ведёт к увеличению размера колец ускорителя.

Помимо того, при движении по круговой траектории частицы испускают так называемое синхротронное излучение, на которое растрачивается часть их энергии. Чем меньше радиус траектории, тем больше энергии частицы при повороте уходит в излучение. Когда потери энергии в единицу времени превышают энергию, которая затрачивается на разгон, ускорение прекращается. Соответственно, увеличение радиуса ускорителя позволяет уменьшить затраты на синхротронное излучение и увеличить предельную энергию, до которой можно разогнать частицы.

«Ускоритель» – это название большой группы приборов. Как я писал выше, даже телевизионная ЭЛТ представляет собой небольшой ускоритель, правда линейный и с очень маленькой энергией (10–25 кэВ). Большие ускорители могут разгонять частицы до энергий в десятки, сотни тысяч, миллионы или даже миллиарды раз выше.

Ускорители делятся на две большие конструктивные группы: линейные и циклические. Внутри этих групп существует более узкое деление в зависимости от конфигурации электрического и магнитного полей – бетатроны, циклотроны, микротроны, синхрофазотроны, фазотроны и т. д. Коллайдер – термин немного другого плана: коллайдерами называются ускорители, в которых пучки частиц не бомбардируют неподвижную мишень, а сталкиваются «лоб в лоб» с аналогичным образом разогнанным пучком (ускоритель на встречных пучках). Такая схема позволяет повысить энергию столкновений в несколько раз за счёт эффектов теории относительности.

Ещё встречается вопрос: откуда берутся частицы для ускорителя? Они берутся из ионных источников – устройств, создающих поток ионов (атомов, от которых оторваны один или несколько электронов) с помощью нагрева или электрического разряда. Например, в Большом адронном коллайдере разгоняют ионы (ядра атомов) водорода, которые получают, ионизируя водород из баллонов электрическим разрядом.

Наверное, у меня получился довольно сумбурный текст. Это связано с тем, что всю теорию ускорителей нельзя уместить в такой небольшой объём. Если вам интересны различные устройства для разгона частиц, принципы их действия и цели разработки, вы можете прочесть об этом в других, специализированных изданиях. Я же просто изложил вам основные принципы, необходимые для того, чтобы понимать, что же изобрёл Владимир Иосифович Векслер.