Текст книги "Взламывая прогресс"

Навигация

Большую часть истории человечества люди перемещались по местности, используя хорошо знакомые ориентиры и положение небесных тел. В XII в. компасная технология произвела революцию в перемещении из точки А в точку Б.

Компас – это магнитное устройство, которое совпадает с магнитным полем Земли. Поэтому свободно вращающийся компас всегда будет указывать в одном и том же направлении, что весьма полезно, если вы потерялись на чужой и неизвестной земле (или далеко в море). Природные магнитные железняки под названием «магнетиты» исследовались древними культурами как минимум еще в 600 г. до н. э. Китайцы первыми стали использовать магнитные явления в практических целях. К I в. н. э. у них в ходу были «указывающие на юг регуляторы» – магнетиты, вырезанные в форме ложек, которые свободно вращались на плоской доске. И хотя в наши дни господствующим направлением, по которому вычисляются другие, является север, древние китайцы смотрели на вещи иначе. Эти древние компасы использовались не для навигации, а для предсказания самых благоприятных расположений для храмов и т. д. Потребовалась еще тысяча лет, чтобы компас превратился из указателя на юг в «железную рыбу». В этом изобретении тончайший металлический указатель плавал в чаше с водой и вращался, указывая на юг. Таким жидкостным компасом можно было пользоваться на борту корабля, и эта технология позволяла мореплавателям более уверенно пересекать моря, что, в свою очередь, распространяло компасные технологии все шире и дальше. Первое упоминание о магнитном компасе в Европе относится к началу XIV в. в Амальфи (Италия). Вполне возможно, что компас внес решающий вклад в появление итальянских городов-государств, возведенных на маршрутах морских торговых судов.

Широту можно рассчитать по высоте солнца над горизонтом – в тропических областях оно выше в небе, чем ближе к полюсам. Вычисление производилось путем наведения прибора на Солнце и определения угла наклонной дуги. Пиком инноваций стал секстант, разработанный Джоном Хэдли примерно в 1731 г. В нем использовались зеркала, поэтому мореплаватель мог видеть солнце и горизонт одновременно.

Корабельный компас указывает на север, а остальные направления измеряются как углы или азимуты от этой отметки.

МОРСКИЕ ХРОНОМЕТРЫ

Земля вращается с запада на восток, совершая по одному обороту каждые 24 часа. Это создает видимое движение солнца по небу, которое достигает высшей точки ежедневно в полдень. В местах с одинаковой долготой полдень будет в одно и то же время. В местах на востоке полдень наступает раньше, а на западе – позже. Сравнение локального полудня со временем в зафиксированном месте дает вам долготу (каждый час разницы – это сдвиг на 15˚). Однако теория в разы опередила технологии, поскольку лишь в конце XVIII в. часы под названием «морские хронометры» стали достаточно точными для выполнения этой задачи.

ГЛОБАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ

Направление – это не единственное, что нужно знать мореплавателю. Плавания вне зоны видимости земли основывались на навигационном счислении координат местоположения: определении текущего положения корабля в зависимости от того, насколько долго и как быстро он плыл. Это была, без преувеличения, сомнительная авантюра с методом проб и ошибок – чаще всего ошибок, когда суда напрочь сбивались с нужного курса и попадали в опасные воды. Решением стало измерение широты (положение к северу или югу от экватора, что включало в себя измерение высоты солнца над горизонтом) и долготы (направление к востоку или западу). Такая задача была более сложной, но ее удалось решить с помощью часов.

Ружья

На простом языке ружье – это трубка, из которой с помощью заряда выстреливает снаряд. Со временем ружья становились более надежными и смертоносными; они сыграли важную роль в мировой истории и войнах.

Предшественниками ружей были китайские огненные копья из бамбука – одни из первых оружий, в которых использовался порох. Когда с одной стороны поджигался порох, во врага летели стрелы, глиняные черепки или металлические осколки. Около 1100-х гг. металлические трубки начали заменять на бамбуковые, а шрапнель – на снаряды определенной формы. Первым изображением этих «извергателей», способных выбрасывать железный шар на 40 м, можно считать гравировку 1128 г. Конкретный пример одного из таких древних ружей, датируемый 1288 г., указывает на то, что они укреплялись на земле с помощью деревянной опоры – она решала проблему отката, а также помогала держать солдата на определенном расстоянии от пламени, выстреливавшего из ствола.

СТРЕЛКОВОЕ ОРУЖИЕ

Довольно скоро пороховое оружие распространилось за пределами Китая. К XIV в. более крупные и усовершенствованные пушки в Европе прозвучали погребальным звоном для противоборствующих сил в лице рыцарей в доспехах. Но такие пушки были громоздкими, а солдатам хотелось такое оружие, которое можно было бы нести в руках. Простые «ручницы» представляли собой миниатюрные пушки, из которых можно было стрелять через плечо. Зачастую для управления ручницей требовалось двое мужчин: один прицеливался, а второй стрелял.

«Извергатель» династии Мин.

Мушкетер 1600-х гг.

Винтовка Winchester 1866 г.

ВИНТОВКИ

Где-то в XV в. оружейники заметили, что в ружьях с нарезным стволом (неглубокие нарезы внутри ствола) пули закручивались, и такие закручивающиеся пули имели бóльшую дальность и точность. С тех пор винтовка, изначально задуманная как однозарядное шомпольное ружье, превратилась в мощное оружие, способное стрелять несколькими пулями на дальность в 1800 м.

ЗАМОК И ЛОЖА

В середине XV в. появились аркебуза – первое ружье с прикладом, позволявшим выстреливать с плеча, а затем и более тяжелый мушкет, из которого стреляли с Y-образной опоры. Кроме того, XV в. подарил нам фитильный замок – большое достижение. Прежде из ружья выстреливали, поднося горящий фитиль к запальному отверстию в стволе, от которого воспламенялся порох. В фитильном замке порох хранился в затравочной полке; он поджигался фитилем или запальным шнуром в подвижном зажиме. Обе руки стрелка могли оставаться на ружье, что существенно улучшало прицеливание. Более поздний колесцовый замок создавал искру механически и был еще надежнее, поскольку в нем отсутствовал фитиль, который требовал зажигания.

Кремневый замок, который, скорее всего, изобрел Марэн ле Буржуа во Франции в XVII в., стал первым ружьем со спусковым механизмом. При натяжении данный механизм заставлял молоток под названием «огниво» ударяться по кремню и высекать искры в порох из зарядной полки. Кремневым замком можно было пользоваться даже при верховой езде!

ПУЛЕМЕТ МАКСИМ

В 1884 г. британский изобретатель американского происхождения Хайрем Максим изобрел первый полностью автоматический пулемет. Он использовал энергию отдачи каждой выпущенной пули для выброса использованного патрона и подачи следующего. Пулемет имел скорострельность 600 выстрелов в минуту и охлаждался кожухом водяного охлаждения вокруг ствола. Пулемет Максим стал важнейшим элементом британской, а затем австрийской, немецкой, итальянской, швейцарской и русской армий и активно участвовал в кровавом побоище Первой мировой войны. Кроме того, пулемет Максим дал европейским странам военное превосходство при колонизации Африки.

Револьвер Кольт Нэви 1851 г.

Паровая турбина

Эскиз парового устройства для измельчения горных пород (1629 г.)

Мысль о том, что можно заставить пар выполнять полезную работу, часто ассоциируется с паровыми двигателями времен промышленной революции. Но на самом деле идея паровой турбины появилась гораздо раньше.

В 1551 г. Таки ад-Дин, разносторонне одаренный человек из Дамаска, работавший по всей территории Османской империи, описал турбину, которая использовалась для вращения вертелов. Дым и пар от огня толкали веерообразные лопасти, крепившиеся к оси вертела, и создавали таким образом первый практичный (хоть и ограниченный) двигатель. Более поздние паровые двигатели чаще использовали пар для привода поршней при вращении колес. Лишь в 1884 г. в паровую турбину вдохнули новую жизнь благодаря Чарльзу Парсонсу. Горячий пар проходит вдоль веерообразных лопаток турбины, преобразуя линейный поток во вращательное движение. Даже в наши дни вращающиеся паровые турбины производят 75 % электроэнергии в мире.

Карты

Люди с давних времен осознали ценность карты. Полезно знать, где вы находитесь в мире и в каком направлении нужно двигаться, если захотите попасть куда-то еще.

В 2009 г. в пещере в Испании была найдена каменная табличка возрастом 14 000 лет. На ней нацарапано нечто похожее на карту местности вокруг пещеры и изображены такие характеристики, как река, гора и хорошие места для охоты на оленей. Вавилонская карта мира (или Imago Mundi), старейшая из известных карт мира – или, во всяком случае, того мира, о котором знали вавилоняне, – датируется примерно VI в. до н. э. На глиняной табличке изображен Вавилон в окружении других городов, гор и воды.

Во II в. н. э. астроном и астролог Клавдий Птолемей понял, что для составления точного гороскопа ему необходимо определить точное место рождения человека. Он разработал систему линий широты и долготы и нанес на свою карту мира около 10 000 мест от Британии до Европы, Азии и Северной Африки. Птолемей знал, что Земля круглая, и предлагал варианты изображения этого на плоской поверхности. Свои открытия он опубликовал в «Руководстве по географии» – труде, состоявшем из восьми книг с описанием методов картографирования известного в те времена мира.

В средневековой Европе точное картографирование практически исчезло. Знаменитые карты мира того времени, или Mappa Mundi, были, скорее, религиозными, а не научными представлениями о Земле. Это изменилось в XV в., когда исследователи и торговцы стали рассредотачиваться по миру и нуждались в прокладывании маршрута. А изобретение печатного станка в середине века также означало, что карты можно было сделать широко доступными.

Основная проблема при создании карты мира заключается в том, что мир круглый, а карта плоская. На плоской карте линии широты и долготы, обозначающие земную поверхность, искажаются. В 1569 г. фламандский географ Герард Меркатор создал карту, в которой попытался учесть это, сохранив прямые линии и постепенно расширяя массивы суши ближе к полюсам. Результатом стала эта проекция Меркатора, которая оказалась полезной для мореплавателей. Но она также искажает наше видение мира: страны на севере (Канада и Россия) выглядят огромными, тогда как экваториальная Африка кажется намного меньше, чем есть на самом деле.

Телескопы

Телескоп изменил то, как мы все видим. Но изобретение, приблизившее к нам самые отдаленные уголки Вселенной, не может пролить свет на свое собственное появление. Изобретатель телескопа до сих пор неизвестен.

Первым человеком, который подал заявку на патент на «очки с перспективой», был голландский производитель линз Ганс Липперши в 1608 г. Бытует мнение о том, что он украл идею у Захария Янсена, изготовителя линз – своего конкурента. О своих правах на изобретение заявлял также и Якоб Метиус, но правительство Нидерландов отказало обоим, заявив, что телескоп настолько прост в воспроизведении, что не заслуживает патента.

ПОВТОРНО СОЗДАННЫЙ

Прибор Липперши был весьма скромным – с увеличением примерно в три раза. Вскоре о голландском изобретении услышал Галилео Галилей и в 1609 г. приступил к разработке своей версии. Его прибор был значительно усовершенствован, позволяя увеличивать объекты в 20 раз. Галилей направил свой телескоп на небо и впервые открыл лунные горы и кратеры, четыре спутника Юпитера, а также фазы Венеры.

Легенда гласит, что Ганса Липперши вдохновило наблюдение за тем, как его дети играли с линзами.

В преломляющих телескопах (как в телескопе Галилея) вогнутая линза окуляра и выпуклая линза объектива использовались для искривления, то есть преломления, света. В 1611 г. Иоганн Кеплер предложил сконструировать телескоп с использованием только выпуклых линз. Преимуществами такого прибора были большее поле зрения и большее увеличение, хотя изображение оказывалось перевернутым. Первым схемой Кеплера воспользовался Кристоф Шайнер в 1620-х гг. для изучения солнечных пятен. Перевернутое изображение не было проблемой для астронома, и к середине XVII в. астрономический телескоп стал общепринятым. Настоящей проблемой для производителя телескопов был поиск стекла надлежащего качества. Зачастую изображение оказывалось размытым или окруженным цветными ореолами (это называется хроматической аберрацией).

В 1668 г. Исаак Ньютон заявил о своей уверенности в том, что преломляющие телескопы всегда будут недостоверными, и представил свою идею телескопа нового вида. Его отражающий телескоп (рефлектор) собирал свет с помощью изогнутого зеркала. Затем наклонное вторичное зеркало направляло этот свет в окуляр. Все крупнейшие из ныне действующих оптических телескопов считаются рефлекторами.

ОЧКИ

Кардинал дон Фернандо Ниньо де Гевара изображен в очках. Конец XVI в.

Линзы для коррекции зрения появились задолго до телескопов и микроскопов. Сальвино д’Армате часто приписывают изобретение очков в 1284 г., но Марко Поло сообщал, что видел, как китайцы носили очки в 1270 г., и они, в свою очередь, приписали эту разработку арабам XI в. Говорят, что еще раньше, в I в. н. э., римский философ Сенека пользовался стеклянным шаром, заполненным водой, для увеличения текста в материале для чтения.

Микроскопы

Помимо увеличения удаленных объектов с помощью телескопов, искусство изготовителей линз использовалось и для изучения крайне мелких объектов. Первые микроскописты начали открывать мир невидимых и малых вещей.

Изобретение микроскопа ассоциируется с теми же изобретателями, которые заявляли права на телескоп: Гансом Липперши и Захарием Янсеном. Первые микроскопы представляли собой составные устройства, в которых использовалось как минимум две линзы. Линза объектива выставлялась близко к объекту и создавала изображение, которое еще больше увеличивалось второй линзой под названием «окуляр». Для начала они могли увеличивать истинный размер в девять раз. Галилей усовершенствовал микроскоп, добавив в 1609 г. механизм фокусировки и назвав его occhiolino, или «маленький глаз».

МИКРОБИОЛОГИЯ

Даже с такими скромными увеличительными возможностями биологи выяснили подробности о строении насекомых и других ранее ускользавших от внимания существ. В 1665 г. английский ученый Роберт Гук опубликовал «Микрографию» с на удивление подробными иллюстрациями таких природных объектов, как насекомые. Порой у Гука возникали трудности с тем, чтобы заставить своих испытуемых лежать неподвижно, и он описывал, как усыпил беспокойного муравья бренди, который «вырубил его до мертвецки пьяного состояния, так что он был обездвижен». (Через час муравей «внезапно ожил и убежал».)

В 1683 г. Антони ван Левенгук использовал свою конструкцию микроскопа, чтобы сделать первые зарегистрированные наблюдения за микроорганизмами. Он называл их «животными».

Сначала микроскопия заинтересовала голландского торговца Антони ван Левенгука как способ проверки продаваемых им тканей. Разочаровавшись в доступных ему инструментах, ван Левенгук самостоятельно обучился искусству изготовления линз и стал проектировать свои микроскопы. Известно, что он изготовил более 500 микроскопов, из которых сохранились только 10. По сути, это были очень мощные увеличительные стекла с единственной линзой, способной давать увеличение более чем в 200 раз. Вскоре ван Левенгук со своими коллегами – любителями микроскопов – навел линзы на мир природы. Он изучал дрожжи, свой зубной налет, кровь и сперматозоиды, а также организмы, обнаруженные им в каплях воды.

ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ

В электронном микроскопе, который изобрел в 1931 г. Эрнст Руска, используются магниты для фокусировки электронных пучков с длиной волны в 100 000 раз меньше, чем у видимого света. В электронном микроскопе можно достичь разрешения объектов в миллионы раз меньших, чем получится увидеть в световой микроскоп. Первые коммерчески доступные электронные микроскопы появились в 1939 г.

Калькуляторы

Невозможно представить цивилизацию без чисел. Чем сложнее цивилизация, тем больше чисел обрабатывается для поддержания ее порядка, и тем острее необходимость в поиске правильного способа для этого.

Самое раннее зарегистрированное счетное устройство – это счеты, которые появились, скорее всего, 5000 лет назад в Вавилоне. Больше похожие на счетную машинку, а не на привычный калькулятор, их можно по-прежнему встретить в обиходе Восточной Азии. В 1614 г. эксцентричный шотландец Джон Непер придумал логарифмы – таблицу чисел, которая позволяла выполнять хитрое умножение, как сложение логарифмов. Кроме того, Непер изобрел «палочки Непера», в которых значения логарифмов вырезались на палочках из слоновой кости и использовались для вычислений. Немецкий академик Вильгельм Шиккард изобрел «считающие часы», состоявшие из вращающихся стержней со столбцами чисел и набора шестеренок для перемещения стержней и отображения результатов. Машина, спроектированная в 1623 г., выполняла сложение и вычитание на шестизначных числах. А с добавлением палочек Непера в конструкцию машины ее могли использовать для умножения и деления. К сожалению, после смерти Шиккарда от чумы в 1635 г. информация об его изобретении была утеряна.

Несмотря на то, что Блез Паскаль сконструировал свыше 50 счетных машин, его изобретение оказалось провальным с коммерческой точки зрения, поскольку данные устройства не получалось построить с достаточной точностью для получения достоверных результатов. Еще один недостаток – Паскалина умела складывать, но не умела вычитать.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИКА

В 1642 г. французский математик Блез Паскаль изобрел механическую счетную машину для помощи своему отцу в работе сборщика налогов. «Паскалина» была цифровым калькулятором, в котором ряд зубчатых шестеренок соединялся так, что при движении колесиков числа можно было складывать или вычитать. Немецкий математик Готфрид фон Лейбниц усовершенствовал чертежи Паскаля для создания машины, умеющей умножать. Машина фон Лейбница, названная арифмометром Лейбница, состояла из двигательного механизма для ввода цифр умножаемого числа, ручки для вращения каждой цифры множителя, системы шестеренок и фиксатора результатов.

КАРМАННЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ

Первый портативный электронный калькулятор был создан компанией Texas Instruments в 1967 г. Калькулятор, который умел выполнять арифметические операции с шестизначными числами, был размером с большую книгу, так что вряд ли его можно было назвать карманным. Первый действительно карманный калькулятор выпустила компания Busicom в Японии в 1970 г. В нем впервые использовались светодиодный дисплей и интегральная схема, разработанная специально для калькулятора.

Барометр

Изобретение барометра (прибора для измерения атмосферного давления) дало ученым устройство для предсказания погоды и измерения высоты. Обычно эта заслуга приписывается итальянскому физику Эванджелисте Торричелли.

В эксперименте, проведенном около 1644 г., Торричелли наполнил ртутью стеклянную трубку, запечатал ее с одного конца и перевернул в небольшую чашу, также заполненную ртутью. Он заметил, что вместо того, чтобы вытекать в чашу, столбик ртути в трубке оставался на том же уровне (около 76 см), образуя пустую полость вверху. Уровень ртутного столба поднимался и опускался, часто совпадая с изменениями погодных условий. Научное сообщество не понимало, из-за чего ртуть сохраняла свое положение. Неужели это пустота выталкивала ртуть вверх, или же ее сжимал воздух снаружи? Француз Блез Паскаль показал, что разгадка крылась в последнем – в массе воздуха, более известной как атмосферное давление. Он поднял барометр на вершину горы – там из-за снижения атмосферного давления уровень ртути упал. Это открытие помогло разгадать тайны газов.

Всю тяжелую работу по открытию атмосферного давления в 1648 г. проделал зять Паскаля, в то время как сам ученый находился в Париже.

Изобретения фон Герике

С помощью трения руки фон Герике создавал электрический заряд в серном шаре электростатического генератора.

Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга и магистрат Бранденбурга, изобрел вакуумный насос и электрический генератор. Оба эти устройства использовались следующим поколением ученых и инженеров для изменения мира.

Увидев разрушенный огнем Магдебург в 1631 г., фон Герике стал искать способы совершенствования водяных насосов. В 1650 г. он заметил, что с помощью насоса можно было удалять воздух из герметичной металлической или стеклянной емкости, и таким образом изобрел первый в мире вакуумный насос. Фон Герике продемонстрировал, как его насос позволял определять массу воздуха в сосуде, сравнив его в заполненном и «пустом» состоянии. Кроме того, он открыл, что свет может проходить сквозь вакуум, а звук – нет.

МАГДЕБУРГСКИЕ ПОЛУШАРИЯ

В 1654 г. фон Герике провел более известный эксперимент. Он создал два полых бронзовых полушария, которые можно было соединить друг с другом, образуя сферу диаметром около 36 см. Затем он воспользовался своим вакуумным насосом для откачки воздуха через клапан в одном из полушарий. В качестве наглядной демонстрации всей силы атмосферного давления группа из восьми лошадей, привязанных к каждой половине сферы, не смогла разомкнуть эти полушария. Как только открылся клапан, и в сферу попал воздух, обе половины попросту развалились. Фон Герике пришел к выводу, что лошади не смогли разъединить полушария потому, что их смыкал «вес неба». Он считал, что раз небо имеет конечный вес, то и Земля окружена конечным объемом воздуха, и что на определенной высоте этот воздух исчезнет.

ИСКРА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фон Герике не только проводил эксперименты с вакуумом, но и искренне верил в то, что сила притяжения имеет электрическую природу. Фон Герике не относил изучаемые им явления к электрическим – он называл их «бестелесными потенциалами». В 1663 г. он создал модель «электрической земли»: шар из серы размером с голову с деревянной осью посередине, которая размещалась на опорах и позволяла сфере вращаться. От трения и вращения сфера наэлектризовывалась, из-за чего притягивала солому, перья и разные мелкие предметы. Помимо этого, фон Герике наблюдал явление электропроводности, отмечая, что прикрепленная к шару нить обладала электрическим притяжением на своем самом дальнем конце. Ученый заметил, что иногда серный шар светился при вращении. Это происходило за счет явления электролюминесценции – преобразования электрической энергии в свет. И тогда ее увидели впервые. Вращающаяся сфера фон Герике была первой электрической машиной. Вскоре его электрическая машина стала обычным способом «добывания» электроэнергии и оставалась таковым еще более века.

ГЕНЕРАТОР ХОКСБИ

В 1706 г. Фрэнсис Хоксби свел воедино изобретения фон Герике и с помощью вакуумного насоса создал полую стеклянную сферу, которую использовал вместо серного шарика для сбора электрического заряда. Как известно, позже Стивен Грей подвесил восьмилетнего мальчика к потолку на шелковых нитях, выступающих в роли изолятора, и наэлектризовал его с помощью генератора Хоксби. Затем Грей поведал восхищенной публике кое-что о действии электричества. Например, удивил зрителей ударом электрического тока, когда искра перескочила с руки мальчика на руку добровольца.

Впечатляющий эксперимент с полусферами наблюдал не кто иной, как император Священной Римской империи Фердинанд III.