Scisne?

Поиск > Сообщения

Запрос:
Автор:
Номер темы:
Номер форума:
Сортировать:
Сообщения: 18
|1|2| >>>
Научные сказкиНаука, образование
3 Апр 2016 03:15:30
Louiza

Сказка о метеорологе Фридмане, выигравшем спор с великим Эйнштейном

Сверхновые вспыхивают так ярко, что могут затмить собой всю свою галактику. Они стали самыми дальними космическими маяками и позволили открыть ускоренное расширение Вселенной.
Сверхновые вспыхивают так ярко, что могут затмить собой всю свою галактику. Они стали самыми дальними космическими маяками и позволили открыть ускоренное расширение Вселенной.

— Я устал от этого кошмара... — пробормотал Александр, зябко кутаясь в громоздкий тулуп и поднимая голову.

Небосвод переполняли яркие летние звёзды, а на востоке разгоралось зарево — наступал новый жаркий день. Часть неба над головой загораживал огромный серый шар. Аэростат медленно плыл между сияющими звёздами и Землёй, и в его корзине было очень холодно.

— Как бы я хотел заниматься звёздами и Вселенной и никогда больше не смотреть вниз, на землю! — прошептал Александр, но не услышал самого себя — всё утонуло в страшном грохоте. Над зелёными рощами и полями с созревающей пшеницей поплыли клубы дыма. Началась артподготовка к наступлению, и нужно было корректировать огонь артиллерии. Александр глубоко вздохнул, поднёс к глазам бинокль и посмотрел вниз…

Образование Вселенной с точки зрения наиболее популярной космологической модели: взрыв, быстрый разлёт, а потом более медленное (но постепенно ускоряющееся) расширение. Иллюстрация НАСА
Образование Вселенной с точки зрения наиболее популярной космологической модели: взрыв, быстрый разлёт, а потом более медленное (но постепенно ускоряющееся) расширение. Иллюстрация НАСА.

Сегодня сказку детям читала принцесса Дзинтара. Она любила эту историю, потому что гордилась её героем.

— Почему люди настолько глупы, что воюют друг с другом? — удивилась Галатея…

— В начале двадцатого века мир охватила ужасная война, кровавая и бессмысленная, ставшая настоящим бедствием с огромными людскими потерями, эпидемиями, голодом и разрухой. Именно в это время человеческая мысль особенно рвалась в космос, в звёздные глубины Вселенной, где не было войн и смерти. Именно тогда Альберт Эйнштейн создал величайшую теорию пространства и времени — общую теорию относительности. Почти 300 лет назад Исаак Ньютон, открывший закон всемирного тяготения и законы механики, сумел понять, как Земля притягивает к себе Луну и другие тела, а Эйнштейн объяснил, почему Земля обладает этим удивительным свойством. Он доказал, что гравитационное притяжение есть проявление искривлённого пространства. Его теория гравитации объясняла аномальную прецессию Меркурия, а также «обещала» решить проблему строения Вселенной.

Александр Александрович Фридман (1888—1925)
Александр Александрович Фридман (1888—1925)

Мыслители разных веков предлагали свои космологические модели: мироздание взгромождали на спины черепах и слонов и заковывали в хрустальную сферу. Но ничего не получалось: слоны и черепахи разбегались, хрустальные небеса лопались.

— Никто же черепах не кормил! — развеселилась Галатея. — Вот они и расползлись!

— Но у Эйнштейна были уравнения, которые описывали Вселенную. Он, как и астрономы его времени, верил в вечную и неподвижную Вселенную и приступил к созданию математической модели прекрасного стабильного мира, но быстро понял, что у него ничего не получается. Неудачу Эйнштейна легко поймёт любой мальчишка, который любит бросать камни в воду. Ведь когда запускаешь камень, он может находиться только в двух состояниях — или лететь вверх, или падать вниз. Зависнуть неподвижно ни один камень не в состоянии.

— Абсолютно верно! — авторитетно заявил Андрей.

— А именно этого ожидал Эйнштейн от модели неподвижной Вселенной. Потерпев неудачу, учёный решил, что ему нужна подпорка для падающих камней, вернее, для Вселенной. Такой опорой, обеспечивающей неподвижность мира, могла служить какая-нибудь отталкивающая сила, противодействующая гравитационному притяжению и дающая Вселенной необходимый покой.

Георгий Антонович Гамов (1904—1968)
Георгий Антонович Гамов (1904—1968)

Эйнштейн ввёл в уравнения такую антигравитационную силу, отчего в них появилась новая «космологическая постоянная», а Вселенная стала круглой и конечной по размеру.

Когда шар Вселенной замер в неподвижности, Эйнштейн обрадовался и вытер пот со лба. Всё-таки далеко не каждый день удаётся построить модель целого мира, да ещё такую красивую: неподвижную и без черепах и слонов. Отдохнув, довольный Эйнштейн опубликовал работу по космологии Вселенной в физическом журнале. Но через некоторое время почтальон принёс ему журнал со статьёй героя нашей сказки — русского математика и метеоролога Александра Фридмана, который утверждал, что эйнштейновская модель Вселенной нестабильна, как карандаш, стоящий на острие. Да, все силы, действующие на него, уравновешены, но стоит только отпустить руку, удерживающую карандаш, как он упадёт. Так и мир Эйнштейна не может находиться в равновесии — он должен или сжиматься, или расширяться, или пульсировать. Наблюдения астронома Слайфера показывают, что галактики разбегаются (см. «Наука и жизнь» № 4, 2011 г.), значит, Вселенная расширяется и не вечна, а имеет вполне определённый возраст, прошедший с начала расширения. Фридман оценил возраст Вселенной в десять миллиардов лет.

Космолог Эйнштейн, прочитав статью метеоролога Фридмана, расстроился. Он понял, что его модель мира хотят разрушить. Но самое могучее оружие теоретиков — математика. И Эйнштейн, вооружившись ею, стал искать ошибку в расчётах русского учёного.

И он её нашёл!

В следующем же номере физического журнала Эйнштейн опубликовал заметку, где заявил, что результат Фридмана кажется ему основанным на ошибке.

Фридман, прочитав ответ Эйнштейна, тоже расстроился: а кому понравится, что его ловят на ошибке?! Он тоже достал своё главное оружие — ручку, лист бумаги (голова у теоретика и так всегда с собой) — и стал искать ошибку в расчётах Эйнштейна.

И он её нашёл!

— Если они оба нашли ошибку в расчётах друг друга, то кто из них оказался прав? — обеспокоилась Галатея.

— А вот сейчас узнаешь. Фридман был очень хорошим математиком. Свою первую научную статью он опубликовал в престижном немецком журнале «Математические анналы» сразу после школы. Когда в 1910 году Александр закончил математическое отделение Петербургского университета, его оставили на кафедре математики для подготовки к профессорскому званию. Фридман был прикладным математиком и активно «прикладывал» свои математические знания к метеорологии, атмосферным течениям и турбулентности. Он летал на дирижаблях и воздушных шарах, а во время войны участвовал в боевых вылетах русской авиации. После революции Фридман работал в Главной геофизической обсерватории и был редактором «Журнала геофизики и метеорологии».

Юная Вселенная выглядела как почти однородно светящееся небо. Иллюстрация НАСА.
Юная Вселенная выглядела как почти однородно светящееся небо. Иллюстрация НАСА.

Вскоре Эйнштейна посетил физик-теоретик из России Юрий Крутков, который привёз письмо Фридмана, где тот доказывал, что Эйнштейн ошибся в контррасчётах. Эйнштейн был настоящим учёным и не боялся признаться в своей неправоте. Убедившись, что Фридман прав, он опубликовал в журнале заметку, где признавал, что в его расчётах есть ошибка.

— Какой честный человек! Ради правды не побоялся разрушить свою такую красивую модель Вселенной! — восхитился Андрей.

— Да, но это означало, что прежняя стационарная космология неверна. И из уравнений Эйнштейна стараниями Фридмана на свет появляется новая, динамическая, модель Вселенной — молодой и нестабильной. Оценка Фридманом её возраста оказалась очень близка к современным данным! Более того, учёный показал, что в разлетающейся Вселенной чем дальше галактика от земного наблюдателя, тем быстрее она улетает. Именно этот факт позже доказал американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл. Это была подлинная революция в миростроении. Фридман доказал, что наблюдаемая Вселенная не вечна, беспокойна и находится в полёте. В 1925 году Александр Александрович Фридман заболел и умер. Ему было всего 37 лет, но он успел внести неоценимый вклад в мировую науку. У него остался выдающийся ученик — Георгий Антонович Гамов, автор теории Большого взрыва и ряда других известных концепций в физике, астрономии и биологии.

Признав работы Фридмана, учёные долгое время думали, что окончательная модель расширения Вселенной найдена и осталось только уточнить её возраст. Но звёзды, особенно сверхновые, «посмеялись» над людскими надеждами. Сверхновые — вспыхивающие маяки космоса — позволили расшифровать свои сигналы, и в 1998 году сразу две группы астрономов (под руководством австралийского астрофизика Брайана Шмидта и американского астрофизика Сола Перлмуттера) объявили, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Эта новость категорически противоречила общим теоретическим представлениям, по которым следовало, что расширение Вселенной замедляется (как движение камня, подкинутого вверх).

Кто из швыряющих камни в воду предполагает, что они будут ускоряться и улетать в космос?

— Таких фантазёров я ещё не встречал! — рассмеялся Андрей.

— Но именно такое неприличное поведение демонстрирует непокорная Вселенная.

Космологи забыли спокойные времена и углубились в новую проблему. Как происходит ускорение Вселенной? Уменьшается ли оно со временем или растёт? Будет ли Вселенная разлетаться вечно, или она в какой-то момент остановится?

Особенно измучил астрономов вопрос: что заставляет Вселенную ускоряться? Для объяснения этого эффекта одни вводят новые физические силы или пространственные размерности, другие предполагают, что сам вакуум, вернее, его странная отрицательная энергия вмешалась в жизнь Вселенной и изменила её.

— Что такое отрицательная энергия? Энергия, с помощью которой можно заморозить чайник? — спросила Галатея.

— Физического смысла отрицательной энергии никто не знает, но ею должно обладать гравитационное поле, если мы хотим спасти закон сохранения энергии. А может быть, трудности в понимании мироздания возникли из-за того, что физики отвергли смелую трактовку Эддингтона—Эйнштейна, в которой они решили отказаться от закона сохранения энергии?

Окончательного ответа на эти вопросы пока нет. Наблюдатели ловят в телескопы всё более далёкие сверхновые звёзды, которые должны прояснить вопрос об изменении ускорения далёких галактик. Теоретики ломают головы и компьютеры в поисках причины ускорения разлёта нашего мира.

Вселенная постарше — с множеством галактик, более близких друг к другу, чем сейчас. Фото Хаббл/НАСА.
Вселенная постарше — с множеством галактик, более близких друг к другу, чем сейчас. Фото Хаббл/НАСА.

Ну а кроме того, есть ещё одна загадка. Эйнштейн доказал, что гравитационное притяжение — это лишь проявление искривлённого пространства, но до сих пор нет ответа на вопрос следующего уровня: почему возле Земли и других гравитирующих тел пространство искривляется?

Многие загадки нашего мироздания ещё не разгаданы. Может, их найдут те, кто прочитает эту сказку.

— Я их первая найду! — заявила Галатея и погрозила кому-то крепким кулачком.

Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
2 Апр 2016 20:38:24
Louiza

Сказка об учёном Архимеде, который стоил целой армии

Доменико Фетти. Архимед размышляет. 1620 год. Картина из Галереи старых мастеров, Дрезден
Доменико Фетти. Архимед размышляет. 1620 год. Картина из Галереи старых мастеров, Дрезден

Величайший учёный античного мира древнегреческий математик, физик и инженер Архимед (287—212 годы до н.э.) был родом из Сиракуз — греческой колонии на самом большом острове Средиземноморья — Сицилии. Древние греки, создатели европейской культуры, поселились там почти три тысячи лет назад — в VIII веке до нашей эры, и к моменту рождения Архимеда Сиракузы были процветающим культурным городом, где жили свои философы и учёные, поэты и ораторы.

Каменные дома горожан обступали дворец царя Сиракуз Гиерона II, высокие стены защищали город от врагов. Жители любили собираться на стадионах, где состязались бегуны и метатели диска, и в банях, где не просто мылись, а отдыхали и обменивались новостями.

В тот день в банях на главной площади города было шумно — смех, крики, плеск воды. Молодёжь плавала в большом бассейне, а люди почтенного возраста, держа в руках серебряные кубки с вином, вели неспешную беседу на удобных ложах. Солнце заглядывало во внутренний дворик бань, освещая проём двери, ведущей в отдельную комнату. В ней, в небольшом бассейне, похожем на ванну, сидел в одиночестве человек, который вёл себя совсем не так, как другие. Архимед — а это был именно он — прикрыл глаза, но по каким-то неуловимым признакам было видно, что человек этот не спит, а напряжённо думает. В последние недели учёный настолько углубился в свои мысли, что часто забывал даже про еду и домашним приходилось следить, чтобы он не остался голодным.

Изображение Архимеда на золотой медали Филдса — высшей награде среди математиков. Надпись на латыни: «Transire suum pectus mundoque potiri» — «Превзойти свою человеческую ограниченность и покорить Вселенную»
Изображение Архимеда на золотой медали Филдса — высшей награде среди математиков. Надпись на латыни: «Transire suum pectus mundoque potiri» — «Превзойти свою человеческую ограниченность и покорить Вселенную»

Началось с того, что царь Гиерон II пригласил Архимеда к себе во дворец, налил ему лучшего вина, спросил про здоровье, а потом показал золотую корону, изготовленную для правителя придворным ювелиром.

— Я не разбираюсь в ювелирном деле, но разбираюсь в людях, — сказал Гиерон. — И думаю, что ювелир меня обманывает.

Царь взял со стола слиток золота.

— Я дал ему точно такой же слиток, и он сделал из него корону. Вес у короны и слитка одинаковый, мой слуга проверил это. Но меня не оставляют сомнения, не подмешано ли в корону серебро? Ты, Архимед, самый великий учёный Сиракуз, и я прошу тебя это проверить, ведь, если царь наденет фальшивую корону, над ним будут смеяться даже уличные мальчишки…

Гробница Архимеда в Сиракузах
Гробница Архимеда в Сиракузах

Правитель протянул корону и слиток Архимеду со словами:

— Если ты ответишь на мой вопрос, то оставишь золото себе, но я всё равно буду твоим должником.

Архимед взял корону и слиток золота, вышел из царского дворца и с тех пор потерял покой и сон. Уж если он не сможет решить эту задачу, то и никто не сможет. Действительно, Архимед был самым известным учёным Сиракуз, учился в Александрии, дружил с главой Александрийской библиотеки, математиком, астрономом и географом Эратосфеном и другими великими мыслителями Греции. Архимед прославился множеством открытий в математике и геометрии, заложил основы механики, на его счету несколько выдающихся изобретений.

Озадаченный учёный пришёл домой, положил корону и слиток на чаши весов, поднял их за середину и убедился, что вес у обоих предметов одинаковый: чаши покачивались на одном уровне. Плотность чистого золота была Архимеду известна, предстояло узнать плотность короны (вес, делённый на объём). Если в короне есть серебро, её плотность должна быть меньше плотности золота. А раз веса` короны и слитка совпадают, то объём фальшивой короны должен быть больше объёма золотого слитка. Объём слитка измерить можно, но как определить объём короны, в которой столько сложных по форме зубцов и лепестков? Вот эта проблема и мучила учёного. Он был прекрасным геометром, например, решил сложную задачу — определение площади и объёма шара и описанного вокруг него цилиндра, но как найти объём тела сложной формы? Нужно принципиально новое решение.

Остров Ортигия, исторический центр Сиракуз, родного города Архимеда. У этих берегов Архимед сжёг и потопил римские галеры.
Остров Ортигия, исторический центр Сиракуз, родного города Архимеда. У этих берегов Архимед сжёг и потопил римские галеры.

В баню Архимед пришёл, чтобы смыть с себя пыль жаркого дня и освежить уставшую от размышлений голову. Обычные люди, купаясь в бане, могли болтать и жевать инжир, а Архимеда мысли о нерешённой задаче не оставляли ни днём, ни ночью. Его мозг искал решение, цепляясь за любую подсказку.

Архимед снял хитон, положил его на лавку и подошёл к маленькому бассейну. Вода плескалась в нём на три пальца ниже края. Когда учёный погрузился в воду, её уровень заметно поднялся, и первая волна даже выплеснулась на мрамор пола. Учёный прикрыл глаза, наслаждаясь приятной прохладой. Мысли об объёме короны привычно кружились в голове.

Вдруг Архимед почувствовал, что случилось что-то важное, но не мог понять — что. Он с досадой открыл глаза. Со стороны большого бассейна доносились голоса и чей-то горячий спор — кажется, о последнем законе правителя Сиракуз. Архимед замер, пытаясь осознать, что же всё-таки произошло? Он осмотрелся вокруг: вода в бассейне не доставала до края всего на один палец, а ведь когда он входил в воду, уровень её был ниже.

Греческий театр в Сиракузах.
Греческий театр в Сиракузах.

Архимед встал и вышел из бассейна. Когда вода успокоилась, она вновь оказалась на три пальца ниже края. Учёный снова забрался в бассейн — вода послушно поднялась. Архимед быстро оценил размер бассейна, вычислил его площадь, потом умножил на изменение уровня воды. Получилось, что объём воды, вытесненной его телом, равен объёму тела, если принять, что плотности воды и человеческого тела почти одинаковы и каждый кубический дециметр, или кубик воды со стороной в десять сантиметров, можно приравнять к килограмму веса самого учёного. Но при погружении тело Архимеда потеряло в весе и плавало в воде. Каким-то таинственным образом вода, вытесненная телом, отобрала у него вес…

Архимед понял, что он на верном пути, — и вдохновение понесло его на своих могучих крыльях. Можно ли применить найденный закон об объёме вытесненной жидкости к короне? Конечно! Надо опустить корону в воду, измерить увеличение объёма жидкости, а потом сравнить с объёмом воды, вытесняемой золотым слитком. Задача решена!

Архимед переворачивает Землю с помощью рычага. Старинная гравюра. 1824 год.
Архимед переворачивает Землю с помощью рычага. Старинная гравюра. 1824 год.

Согласно легенде, Архимед с победным криком «Эврика!», что значит по-гречески «Нашёл!», выскочил из бассейна и, забыв надеть хитон, помчался домой. Надо было срочно проверить своё решение! Он бежал по городу, а жители Сиракуз приветственно махали ему руками. Всё-таки не каждый день открывается важнейший закон гидростатики и не каждый день можно увидеть голого человека, бегущего по центральной площади Сиракуз.

На следующий день царю доложили о приходе Архимеда.

— Я решил задачу, — сказал учёный. — В короне действительно много серебра.

— Как ты это узнал? — поинтересовался правитель.

— Вчера, в банях, я догадался, что тело, которое погружается в бассейн с водой, вытесняет объём жидкости, равный объёму самого тела, и теряет при этом в весе. Вернувшись домой, я провёл множество опытов с чашами весов, погружёнными в воду, и доказал, что тело в воде теряет в весе ровно столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Поэтому человек может плавать, а золотой слиток — нет, но всё равно в воде он весит меньше.

— И как же это доказывает наличие серебра в моей короне? — спросил царь.

— Вели принести чан с водой, — попросил Архимед и достал весы. Пока слуги тащили чан в царские покои, Архимед положил на весы корону и слиток. Они уравновесили друг друга.

— Если в короне есть серебро, то объём короны больше, чем объём слитка. Значит, при погружении в воду корона потеряет в весе больше и весы изменят своё положение, — сказал Архимед и осторожно погрузил обе чаши весов в воду. Чаша с короной немедленно поднялась вверх.

— Ты поистине великий учёный! — воскликнул царь. — Теперь я смогу заказать себе новую корону и проверить — настоящая она или нет.

Архимед спрятал в бороде усмешку: он понимал, что закон, открытый им накануне, гораздо ценнее тысячи золотых корон.

Закон Архимеда остался в истории навсегда, им пользуются при проектировании любых кораблей. Сотни тысяч судов бороздят океаны, моря и реки, и каждое из них держится на поверхности воды благодаря силе, открытой Архимедом.

Когда Архимед состарился, его размеренные занятия наукой неожиданно закончились, впрочем как и спокойная жизнь горожан, — быстро растущая Римская империя решила завоевать плодородный остров Сицилию.

В 212 году до н.э. огромный флот галер, набитых римскими воинами, подошёл к острову. Преимущество в силе римлян было очевидным, и командующий флотом нисколько не сомневался, что Сиракузы будут захвачены очень быстро. Но не тут-то было: стоило галерам подойти к городу, как со стен ударили мощные катапульты. Они бросали тяжёлые камни так точно, что галеры захватчиков разлетались в щепки.

Римский полководец не растерялся и скомандовал капитанам своего флота:

— Подойдите к самым стенам города! На близком расстоянии катапульты будут нам не страшны, а лучники смогут прицельно стрелять.

Когда флот с потерями прорвался к городским стенам и приготовился его штурмовать, римлян ждал новый сюрприз: теперь уже лёгкие метательные машины забросали их градом ядер. Спускаемые крюки мощных подъёмных кранов цепляли римские галеры за носы и поднимали их в воздух. Галеры переворачивались, падали вниз и тонули.

Знаменитый историк древности Полибий писал о штурме Сиракуз: «Римляне могли бы быстро овладеть городом, если бы кто-либо изъял из среды сиракузцев одного старца». Этим старцем был Архимед, который сконструировал метательные машины и мощные подъёмные краны для защиты города.

Быстрый захват Сиракуз не получился, и римский полководец дал команду отступить. Сильно поредевший флот отошёл на безопасное расстояние. Город стойко держался благодаря инженерному гению Архимеда и мужеству горожан. Лазутчики донесли римскому полководцу имя учёного, который создал столь неприступную оборону. Полководец решил, что после победы нужно заполучить Архимеда как самый ценный военный трофей, ведь он один стоил целой армии!

День за днём, месяц за месяцем мужчины дежурили на стенах, стреляли из луков и заряжали катапульты тяжёлыми камнями, которые, увы, не достигали цели. Мальчишки подносили солдатам воду и еду, но воевать им не давали — малы ещё!

Архимед был стар, он, как и дети, не мог стрелять из лука так далеко, как молодые и сильные мужчины, но у него был могучий мозг. Архимед собрал мальчишек и спросил их, показывая на вражеские галеры:

— Хотите уничтожить римский флот?

— Мы готовы, говори, что делать!

Мудрый старец объяснил, что придётся серьёзно поработать. Он велел каждому мальчишке взять большой медный лист из уже приготовленной стопы и положить его на ровные каменные плиты.

— Каждый из вас должен отполировать лист так, чтобы он сиял на солнце, как золотой. И тогда завтра я покажу вам, как потопить римские галеры. Работайте, друзья! Чем лучше вы сегодня отполируете медь, тем легче нам будет завтра воевать.

— А мы сами будем воевать? — спросил маленький кудрявый мальчуган.

— Да, — твёрдо сказал Архимед, — завтра вы все будете на поле боя наравне с воинами. Каждый из вас сможет совершить подвиг, и тогда о вас будут складывать легенды и песни.

Трудно описать энтузиазм, который охватил мальчишек после речи Архимеда, и они энергично взялись надраивать свои медные листы.

Назавтра, в полдень, солнце обжигающе пылало в небе, а римский флот неподвижно стоял на якорях на внешнем рейде. Деревянные борта вражеских галер разогрелись на солнце и сочились смолой, которую использовали для защиты кораблей от протечек.

На крепостных стенах Сиракуз, там, куда не доставали вражеские стрелы, собрались десятки подростков. Перед каждым из них стоял деревянный щит с отполированным медным листом. Опоры щита были сделаны так, что лист меди можно было легко поворачивать и наклонять.

— Вот сейчас мы и проверим, как хорошо вы отполировали медь, — обратился к ним Архимед. — Надеюсь, все умеют пускать солнечные зайчики?

Архимед подошёл к маленькому кудрявому мальчику и сказал:

— Поймай своим зеркалом солнце и направь солнечный зайчик в середину борта большой чёрной галеры, как раз под мачтой.

Мальчишка бросился выполнять указание, а воины, столпившиеся на стенах, удивлённо переглянулись: что ещё затеял хитрец Архимед?

Учёный остался доволен результатом — на боку чёрной галеры появилось световое пятно. Тогда он обратился к остальным подросткам:

— Наведите свои зеркала в то же место!

Заскрипели деревянные опоры, загремели медные листы — стая солнечных зайчиков сбежалась к чёрной галере, и её бок стал наливаться ярким светом. На палубы галер высыпали римляне — что происходит? Вышел главнокомандующий и тоже уставился на сверкающие зеркала на стенах осаждённого города. Боги Олимпа, что ещё придумали эти упрямые сиракузцы?

Архимед инструктировал своё воинство:

— Не спускайте глаз с солнечных зайчиков — пусть они всё время будут направлены в одно место.

Не прошло и минуты, как от сияющего пятна на борту чёрной галеры повалил дым.

— Воды, воды! — закричали римляне. Кто-то бросился черпать забортную воду, но дым быстро сменился пламенем. Сухое просмолённое дерево прекрасно горело!

— Переведите зеркала на соседнюю галеру справа! — скомандовал Архимед.

Считаные минуты — и соседняя галера тоже занялась огнём. Римский флотоводец вышел из оцепенения и приказал сниматься с якоря, чтобы отойти подальше от стен проклятого города с его главным защитником Архимедом.

Сняться с якорей, посадить гребцов на вёсла, развернуть огромные корабли и отвести их в море на безопасное расстояние — дело не быстрое. Пока римляне суматошно бегали по палубам, задыхаясь от удушливого дыма, юные сиракузцы переводили зеркала на новые корабли. В суматохе галеры подходили друг к другу так близко, что огонь перекидывался с одного судна на другое. Спеша отплыть, некоторые корабли развернули паруса, которые, как оказалось, горели ничуть не хуже смоляных бортов.

Вскоре сражение было окончено. На рейде догорало множество римских кораблей, а остатки флота отступили от стен города. Среди юного воинства Архимеда потерь не было.

— Слава великому Архимеду! — кричали восхищённые жители Сиракуз и благодарили и обнимали своих детей. Могучий воин в блестящих доспехах крепко пожал руку кудрявому мальчику. Его маленькая ладонь была покрыта кровавыми мозолями и ссадинами от полировки медного листа, но он даже не поморщился при рукопожатии.

— Молодец! — уважительно сказал воин. — Этот день сиракузцы запомнят надолго.

Прошло два тысячелетия, а этот день остался в истории, и запомнили его не только сиракузцы. Жители разных стран знают удивительную историю о сожжении Архимедом римских галер, но он один ничего бы не сделал без своих юных помощников. Кстати, совсем недавно, уже в ХХ веке нашей эры, учёные провели эксперименты, которые подтвердили полную работоспособность древнего «сверхоружия», изобретённого Архимедом для защиты Сиракуз от захватчиков. Хотя есть историки, считающие это легендой…

— Эх, жаль, меня там не было! — воскликнула Галатея, внимательно слушавшая вместе с братом вечернюю сказку, которую рассказывала им мать — принцесса Дзинтара. Та продолжила читать книгу:

— Потеряв надежду захватить город с помощью оружия, римский полководец прибег к старому испытанному способу — подкупу. Он нашёл в городе предателей, и Сиракузы пали. Римляне ворвались в город.

— Найдите мне Архимеда! — приказал командующий. Но солдаты, опьянённые победой, плохо понимали, чего он от них хочет. Они врывались в дома, грабили и убивали. Один из воинов выбежал на площадь, где работал Архимед, рисуя на песке сложную геометрическую фигуру. Солдатские башмаки затоптали хрупкий рисунок.

— Не тронь моих чертежей! — грозно сказал Архимед.

Римлянин не узнал учёного и в гневе ударил его мечом. Так погиб этот великий человек.

Эдуард Вимон. Смерть Архимеда. 1820-е годы
Эдуард Вимон. Смерть Архимеда. 1820-е годы

Известность Архимеда была столь велика, что книги его часто переписывали, благодаря чему ряд трудов сохранился до нашего времени, несмотря на пожары и войны двух тысячелетий. История дошедших до нас книг Архимеда нередко была драматической. Известно, что в XIII веке какой-то невежественный монах взял книгу Архимеда, написанную на прочном пергаменте, и смыл формулы великого учёного, чтобы получить чистые страницы для записи молитв. Прошли века, и этот молитвенник попал в руки других учёных. Они с помощью сильной лупы исследовали его страницы и различили следы стёртого драгоценного текста Архимеда. Книга гениального учёного была восстановлена и напечатана большим тиражом. Теперь она уже никогда не исчезнет.

Архимед был настоящим гением, сделавшим множество открытий и изобретений. Он опередил своих со-временников даже не на века — на тысячелетия.

В книге «Псаммит, или Исчисление песчинок» Архимед пересказал смелую теорию Аристарха Самосского, согласно которой в центре мира расположено большое Солнце. Архимед писал: «Аристарх Самосский ... полагает, что неподвижные звёзды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности около Солнца, находящегося в его центре…» Архимед считал гелиоцентрическую теорию Самосского убедительной и использовал её, чтобы оценить размеры сферы неподвижных звёзд. Учёный даже построил планетарий, или «небесную сферу», где можно было наблюдать движение пяти планет, восход солнца и луны, её фазы и затмения.

Правило рычага, которое открыл Архимед, стало основой всей механики. И хотя рычаг был известен до Архимеда, он изложил его полную теорию и успешно применил её на практике. В Сиракузах он в одиночку спустил на воду новый многопалубный корабль царя Сиракуз, используя хитроумную систему блоков и рычагов. Именно тогда, оценив всю мощь своего изобретения, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир».

Неоценимы достижения Архимеда в области математики, которой, по словам Плутарха, он был просто одержим. Его главные математические открытия относятся к математическому анализу, где идеи учёного легли в основу интегрального и дифференциального исчисления. Огромное значение для развития математики имело вычисленное Архимедом отношение длины окружности к диаметру. Архимед дал приближение для числа $\pi$ (Архимедова числа):

$\pi\approx \frac{22}{7} = {\color{Blue}3{,}14}285714\dots$

Своим наивысшим достижением учёный считал работы в области геометрии и, прежде всего, расчёт шара, вписанного в цилиндр.

— Что за цилиндр и шар? — спросила Галатея. — Почему он так ими гордился?

— Архимед сумел показать, что площадь и объём сферы относятся к площади и объёму описанного цилиндра как 2:3.

Дзинтара поднялась и сняла с полки модель земного шара, который был впаян внутрь прозрачного цилиндра так, что соприкасался с ним на полюсах и на экваторе.

— Я с детства люблю эту геометрическую игрушку. Посмотрите, площадь шара равна площади четырёх кругов такого же радиуса или площади боковой стороны прозрачного цилиндра. Если добавить площади основания и верха цилиндра, то получится, что площадь цилиндра в полтора раза больше площади шара внутри него. То же самое соотношение выполняется для объёмов цилиндра и шара.

Шар, вписанный в цилиндр. Автор иллюстрации Андре Карвас.
Шар, вписанный в цилиндр. Автор иллюстрации Андре Карвас.

Архимед был восхищён полученным результатом. Он умел ценить красоту геометрических фигур и математических формул — именно поэтому не катапульта и не горящая галера украшают его могилу, а изображение шара, вписанного в цилиндр. Таково было желание великого учёного.

Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
20 Мар 2016 07:24:39
Louiza

Сказка про юную Джоселин Белл, пульсары и телеграмму от зелёных человечков

После ужина Дзинтара позвала детей:

— Сегодня я расскажу вам историю про юную девушку-астронома, которая оказалась опытнее седовласых учёных и думала быстрее самых умных компьютеров.

Эта история началась в 1965 году. Джоселин Белл только что закончила университет в шотландском городе Глазго и стала аспиранткой Энтони Хьюиша, профессора Кэмбриджского университета. Хьюиш спроектировал особый радиотелескоп для приёма и анализа сигналов космических квазаров — это загадочные объекты в центрах галактик, обладающие малыми размерами и огромной светимостью. Но спроектировать телескоп — это одно, а построить его — совсем другое.

Пульсар в Крабовидной туманности. Изображение составлено из оптического фото (красный цвет, NASA/HST/ASU/Дж. Хестер и др.) и рентгеновского снимка (синий цвет, NASA/CXC/ASU/Дж. Хестер и др.)
Пульсар в Крабовидной туманности. Изображение составлено из оптического фото (красный цвет, NASA/HST/ASU/Дж. Хестер и др.) и рентгеновского снимка (синий цвет, NASA/CXC/ASU/Дж. Хестер и др.)

Радиотелескоп должен был занимать участок площадью 4,5 акра. На нём планировалось смонтировать 200 километров проводов стоимостью 15 тысяч фунтов стерлингов. Всю работу выполняли Джоселин Белл, четверо сотрудников группы Хьюиша и несколько студентов, помогавших им во время каникул. Через два года объект построили. Он напоминал площадку, где прачки сушат бельё, только вместо верёвок между столбами были протянуты металлические провода.

Радиоаппаратура напрямую посылала сигнал на самописцы, которые каждый день выдавали 30 метров бумажной ленты. По всей длине ленты шла непрерывная зигзагообразная кривая. Просмотреть и проанализировать её было исключительно трудной задачей. Опыта обработки радиоволн, улавливаемых телескопом из проволоки, ни у кого не было. Никто не понимал в деталях, что за сигналы будет принимать новый телескоп. Компьютеры не использовали, потому что для них ещё не были созданы программы обработки данных и поиска нужных сигналов. Чтобы анализировать данные, требовался человек-компьютер, который каждый день просматривал бы кривые радиосигналов на бумажной ленте, пытаясь распознать, где сигналят космические источники, а где — земные помехи.

Таким человеком-компьютером и стала Джоселин Белл. За время работы на радиотелескопе она проанализировала 50 километров бумажной ленты и на глаз научилась различать сигналы квазаров и помехи от земных радиостанций и устройств.

Джоселин Белл (фото 1977 года). Фото: Robin Scagell/SPL.
Джоселин Белл (фото 1977 года). Фото: Robin Scagell/SPL.

Летом 1967 года Белл обнаружила в записях самописца «гребёнку» — регулярные пики, не похожие на привычные сигналы, регистрируемые радиотелескопом. Джоселин не стала спешить с сообщением профессору Хьюишу о загадочном пульсирующем сигнале. Он то исчезал, то появлялся, но когда он был, то пики радиоизлучения шли равномерно, с периодичностью 1,33 секунды между максимумами. Вскоре Джоселин установила связь периодических сигналов с кон-кретным участком неба, после чего сообщила об открытии пульсирующего источника Энтони Хьюишу.

Профессор недоверчиво предположил, что сигнал, скорее всего, имеет земное происхождение, но Белл была уверена, что он идёт из космоса. Что за звёзды могут посылать сигналы с такой строгой периодичностью? Никто из астрономов не знал природных космических объектов, которые могли бы равномерно сигналить с частотой один раз в секунду. Для огромной звезды, даже для такой плотной, как белый карлик, пульсации с частотой около секунды были слишком быстрыми. Обычные пульсирующие или переменные звёзды меняли светимость медленно, с периодом в дни или недели.

Конечно, тут же возникла идея, что радиотелескоп поймал сигналы от инопланетян, которые в общественном сознании представлялись маленькими человечками с зелёной кожей. Может, «гребёнка», обнаруженная Белл на ленте самописца, — это телеграмма, которую посылает внеземная цивилизация, надеясь найти в космосе братьев по разуму? Первому пульсару даже присвоили обозначение LGM-1 — аббревиатура от английского выражения «little green men» — «маленькие зелёные человечки».

Джоселин Белл возле радиотелескопа, построенного своими руками. Внизу — «гребёнка» на бумажной ленте самописца — сигналы от пульсара. Из статьи Джоселин Белл (Annals New York Academy of Sciences, 1977).
Джоселин Белл возле радиотелескопа, построенного своими руками. Внизу — «гребёнка» на бумажной ленте самописца — сигналы от пульсара. Из статьи Джоселин Белл (Annals New York Academy of Sciences, 1977).

Гипотезу о телеграмме от братьев по разуму опровергла сама Джоселин Белл. Она открыла ещё несколько похожих пульсирующих источников, которые назвали пульсарами. Этот факт резко уменьшил число тех, кто верил в сигналы от зелёных человечков.

— Что, космос не может быть так плотно населён? — спросил Андрей.

Дзинтара кивнула:

— Да, открытие новых пульсаров подтвердило, что это не искусственные, а природные источники. Ещё один ученик Хьюиша — Фред Хойл предположил, что источником сигналов могут быть не белые карлики, а нейтронные звёзды. Время показало правильность его предположения.

— А что такое нейтронная звезда? — спросила Галатея.

Андрей укоризненно покачал головой:

— Мы же совсем недавно слушали сказку про Карла Шварцшильда и узнали, что нейтронная звезда — это то, что остаётся после взрыва Сверхновой, — маленькая звезда размером в несколько километров и плотностью больше плотности атомного ядра, что-то вроде шара из нейтронов.

— Ну забыла, — насупилась Галатея.

Дзинтара улыбнулась и продолжала:

— После статьи Хьюиша и Белл с соавторами все обсерватории мира бросились искать сигналы от пульсаров. Вскоре их обнаружили десятки, а спустя полсотни лет — тысячи. Среди них нашлись миллисекундные, рентгеновские и оптические.

Надо сказать, что периодические сигналы от пульсаров фиксировали ещё за несколько лет до того, как их обнаружила Белл, но наблюдатели посчитали их земными помехами. Только внимательность и большой опыт в распознавании сигналов разного вида позволили Белл выделить периодические сигналы пульсаров из общего шума.

Периодичность сигналов от пульсаров меняется только в исключительных случаях, например если возле них есть планеты. Эти планеты двигаются вокруг пульсара, заставляя его слегка качаться в такт своему движению. А движение источника периодических сигналов вызывает изменение частоты сигнала из-за эффекта Доплера.

Суть эффекта Доплера Джоселин Белл продемонстрировала в штаб-квартире ЮНЕСКО на лекции, посвящённой Году астрономии. Она принесла с собой таймер от кухонной плиты и, попросив нобелевских лауреатов, сидевших в первых рядах, слегка пригнуться, раскрутила его на верёвке. Все присутствующие смогли убедиться, что частота звука таймера, летящего по направлению к залу, выше частоты звука от удаляющегося таймера.

Энтони Хьюиш. Фото: www.nobelprize.org.
Энтони Хьюиш. Фото: www.nobelprize.org.

В 1994 году по изменению периодичности сигналов одного из пульсаров были открыты две вращающиеся вокруг него планеты массой около четырёх масс Земли каждая. Это была первая планетная система, открытая рядом с пульсаром.

— А на планетах вокруг пульсаров живут маленькие зелёные человечки? — оживилась Галатея.

— Вряд ли. Обычные планеты в такой системе уничтожены взрывом Сверхновой звезды, после которого остался лишь диск тугоплавких металлических частиц. Потом из них образовались планеты второго поколения, но на них нет жизни, потому что излучение пульсара убивает всё живое.

— А на первых планетах — до взрыва Сверхновой — могли возникнуть инопланетные цивилизации? — не отставала Галатея.

— Возможно, но судьба таких цивилизаций трагична, — выжить во взрыве Сверхновой они не могли.

— А вдруг они успели улететь на космических кораблях?

— Для такого способа спасения инопланетным цивилизациям нужно было развивать космические технологии, учиться строить огромные межпланетные корабли и жить в космосе, что потребовало бы уйму времени. Но даже самые разумные существа редко составляют планы на долгий период, хотя бы на тысячелетие.

— Представьте себе картину! — воскликнул Андрей. — Металлические планеты вращаются вокруг нейтронного шара, который служит маяком для всей галактики…

Дзинтара кивнула:

— Пульсары действительно можно использовать как маяки. Запущенные в 1977 году американские космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», покинувшие Солнечную систему, несли на борту звёздную карту, в которой галактическое положение Земли было указано относительно 14 пульсаров с известной частотой. Если инопланетяне за пределами нашей Солнечной системы получат эту картинку, а её легко расшифрует любое разумное существо, то смогут найти дорогу к нам.

Но вернёмся к пульсарам. В 1974 году, спустя всего семь лет после их открытия, Нобелевская премия по физике была поделена между Мартином Райлом — за пионерские работы в области астрофизических исследований в радиодиапазоне и Энтони Хьюишем — за его исключительную роль в открытии пульсаров.

В своей нобелевской лекции профессор Хьюиш много раз упомянул только одного своего сотрудника — Джоселин Белл, которая первой открыла космические сигналы пульсаров. Но, в отличие от Хьиюша, Нобелевской премии Джоселин Белл за это не получила. Известный британский астроном Фред Хойл и другие учёные были возмущены такой несправедливостью. Хойл публично заявил, что Белл должна была получить Нобелевскую премию вместе с Хьюишем, тем более что, согласно завещанию Нобеля, премия по физике может делиться между тремя учёными. То есть место для Белл было, но оно осталось незанятым.

Несколько лет спустя сама Белл так прокомментировала ситуацию вокруг пульсаров и премии: «Высказывались предложения, что я должна получить часть Нобелевской премии, которая была присуждена Тони Хьюишу за открытие пульсаров… Я полагаю, что Нобелевские премии потеряли бы свой авторитет, если бы они присуждались студентам-исследователям, за исключением особенных случаев, и я не думаю, что я попадаю в эту категорию».

Узконаправленное радиоизлучение пульсара в виде периодических сигналов с частотой его вращения. Фото: Wikimedia Commons.
Узконаправленное радиоизлучение пульсара в виде периодических сигналов с частотой его вращения. Фото: Wikimedia Commons.

Ещё одно открытие в области пульсаров сделали американские учёные Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Связано оно с миллисекундными пульсарами, которые астрономы используют как часы, потому что по точности они превосходят земные атомные. Любые отклонения в частоте говорят о каких-то важных процессах в пульсаре. Халс и Тейлор, исследуя двойной пульсар (пару пульсаров, вращающихся один вокруг другого), заметили, что они постепенно сближаются, словно их что-то тормозит. Это сближение, как оказалось, связано с тем, что двойной пульсар излучает гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном, но никем ещё не открытые. Кривая изменения скорости обращения пульсаров совпадала с теоретической кривой, полученной из теории гравитации Эйнштейна более чем на 99 процентов. Благодаря пульсарам теория Эйнштейна нашла ещё одно подтверждение, а существование загадочных гравитационных волн было практически доказано. За это открытие в 1993 году Халсу и Тейлору присуждена Нобелевская премия.

— Выходит, пульсары принесли Нобелевские премии нескольким мужчинам, но только не их первооткрывателю — женщине! — возмущённо воскликнула Галатея.

Дзинтара вздохнула:

— К сожалению, это так. Джоселин Белл вошла в историю науки как первооткрыватель пульсаров, но Нобелевская премия за их открытие присуждена не ей. Настоящие учёные понимают, что научное открытие такого уровня само по себе величайшая ценность и любые награды за него уже несущественны. Имя Джоселин Белл навсегда вписано в летопись мировой науки — это безоговорочное решение истории.



Квазары — самые яркие объекты во Вселенной, представляющие собой активные ядра галактик, компактные и очень мощные источники излучения.

Акр — земельная мера, равная 0,4 га. Применяется в ряде стран, использующих английскую систему мер, например в США, Канаде, Великобритании, Австралии.

Пульсар (от английского «pulsating star», сокращённо — «pulsar») — космический источник радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков.

Нейтронная звезда — один из конечных продуктов эволюции звёзд. Состоит из нейтронной сердцевины, покрытой слоем вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Средняя плотность вещества нейтронной звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра, которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8·1017 кг/м2.

Джоселин Белл Бернелл (род. 1943) — британский астрофизик. Будучи аспиранткой Энтони Хьюиша, она стала в 1967 году первооткрывателем пульсаров.

Энтони Хьюиш (род. 1924) — соавтор открытия пульсаров, получивший за это в 1974 году Нобелевскую премию по физике.

Мартин Райл (1918—1984) — британский астрофизик, получивший в 1974 году Нобелевскую премию по физике вместе с Энтони Хьюишем.

Рассел Халс (род. 1950) — американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике 1993 года.

Джозеф Тейлор (род. 1941) — американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике 1993 года.

Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемое приёмником, вызванное движением их источника или движения приёмника.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
11 Янв 2016 17:00:07
Louiza

Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную

— Однажды в кабинет Филиппа фон Жолли, профессора Мюнхенского университета, робко постучавшись, вошёл аккуратный молодой человек, — начала рассказывать очередную вечернюю сказку своим детям принцесса Дзинтара.

— Я недавно поступил в ваш университет, — сказал он, — и хочу заниматься теоретической физикой.

— Теоретической физикой? — удивился профессор. — Не советую. В этой науке все открытия уже сделаны, осталось подчистить пару дыр.

Макс Планк. Фото 1930 года.
Макс Планк. Фото 1930 года.

Профессора можно понять. Шёл 1874 год. К этому времени теоретическая физика практически достигла совершенства, прочно базируясь на механике Ньютона, термодинамике, а также на электродинамике Максвелла.

Молодой человек скромно ответил:

— Я не собираюсь делать открытия, я просто хотел бы разобраться в уже достигнутом в области теории.

— Ну что ж, не буду вас отговаривать, можете посещать мои лекции. Как ваше имя?

— Макс Планк.

Молодой человек по имени Макс Карл Эрнст Людвиг Планк был выходцем из старинного дворянского рода, который дал Германии военных, юристов и учёных. Он родился в городе Киле в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и Эммы Планк. В детстве учился игре на фортепиано и органе и делал большие успехи. В 1867 году семья переехала в Мюнхен, где Макс поступил в Королевскую Максимилиановскую гимназию. Там юноша увлёкся точными и естественными науками. С 1874 года в течение трёх лет Планк изучал физику и математику в Мюнхенском университете и ещё год в Берлинском.

Макс Планк во время учёбы в Берлинском университете. Фото 1878 года.
Макс Планк во время учёбы в Берлинском университете. Фото 1878 года.

После окончания учёбы у него не было постоянной работы, но он усердно занимался теоретической физикой, изучал статьи Германа Гельмгольца, Густава Кирхгофа и других видных физиков. Его надолго увлекла термодинамика (эта область физики изучает явления теплоты и превращения различных видов энергии друг в друга). В 1879 году Планк защитил в Мюнхенском университете диссертацию, посвящённую второму закону термодинамики. После этого молодой талантливый физик начал быстро продвигаться по карьерной лестнице и к 34 годам стал профессором теоретической физики в Берлинском университете и директором Института теоретической физики.

Формула, полученная Максом Планком, работает и для электролампочек, и для Вселенной. Распределение интенсивности излучения зависит от частоты и температуры, а также от фундаментальной константы h. Рисунок из энциклопедии Кольера, изданной в США.
Формула, полученная Максом Планком, работает и для электролампочек, и для Вселенной. Распределение интенсивности излучения зависит от частоты и температуры, а также от фундаментальной константы h. Рисунок из энциклопедии Кольера, изданной в США.

Однажды известная электрическая компания обратилась к профессору Планку с предложением провести исследования и выяснить, как при минимальных затратах энергии достичь максимальной светимости электрической лампочки? Планк откликнулся и начал работу, которая открыла новую эпоху в науке.

Европейский спутник «Планк», запущенный в 2009 году. Фото: ESA.
Европейский спутник «Планк», запущенный в 2009 году. Фото: ESA.

В чём же состоит заслуга Планка? Давно было известно, что от температуры тела (например, раскалённой проволочки в электролампе) зависит интенсивность его свечения, а также цвет излучения.

— Верно! — вскричала Галатея. — Свечка горит жёлтым цветом, а пламя электросварки — синее!

— Для массового производства электроламп важно точно знать, при каких условиях их свет будет максимально ярким. Профессор Планк поставил перед собой задачу определить спектр свечения раскалённых тел и выяснить, как этот спектр зависит от температуры. К этому времени были выведены два закона, определяющих свечение тел как функции длины волны. Один из них — закон Вина — хорошо описывал яркость свечения в области коротких волн, но не соответствовал экспериментальным данным в длинноволновой части спектра. Другой — закон Рэлея—Джинса, — наоборот, отлично совпадал с экспериментом для длинных волн, но в области коротких волн безнадёжно врал: согласно ему, основная энергия излучения содержится в самых коротких волнах.

По результатам космических миссий трёх спутников — СОВЕ, WMAP и «Планк» — были созданы карты анизотропии реликтового излучения. Вот так выглядят эти карты для участка неба в 10 квадратных градусов. Фото: NASA/JPL-Caltech/ESA.
По результатам космических миссий трёх спутников — СОВЕ, WMAP и «Планк» — были созданы карты анизотропии реликтового излучения. Вот так выглядят эти карты для участка неба в 10 квадратных градусов. Фото: NASA/JPL-Caltech/ESA.

Взявшись за дело, Планк решил вывести формулу, которая хорошо соответствовала бы наблюдаемой зависимости свечения от длины волны, не заботясь об её теоретическом обосновании. Как физик-теоретик, он пошёл по пути получения эмпирической формулы*, потому что свечение ламп было практически важным вопросом и производителям нужна была работающая формула, а о теориях они не думали.

Планку удалось вывести математический закон, который давал правильные, совпадающие с экспериментом данные для излучения как в длинных, так и в коротких волнах. Осталось понять, является ли эта формула лишь математическим трюком, не имеющим глубокого обоснования, или её можно получить на основе существующих научных принципов.

Участники первого Сольвеевского конгресса. (Макс Планк стоит второй слева.) 1911 год.
Участники первого Сольвеевского конгресса. (Макс Планк стоит второй слева.) 1911 год.

В поисках научного обоснования выдвинутого закона Планк опирался на работы австрийского физика Людвига Больцмана, который глубже своих современников понял статистическую природу термодинамических соотношений и основал статистическую механику. После долгих усилий Планк выяснил, что его формула никак не исходит из известных принципов. Зато она прекрасно выводится, если предположить, что элементарный осциллятор (заряд, совершающий колебания) может испускать волны только порциями, пропорциональными частоте волны. Планк записал энергию такой порции в виде

E = h?,

где h — постоянная, которую впоследствии стали называть в его честь постоянной Планка;

? — частота волны.

Это было очень странное выражение, которое никак не следовало из обычных законов физики.

Пять нобелевских лауреатов (слева направо): Вальтер Нернст, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Роберт Милликен и Макс фон Лауэ. Фото 1931 года.
Пять нобелевских лауреатов (слева направо): Вальтер Нернст, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Роберт Милликен и Макс фон Лауэ. Фото 1931 года.

— А в чём его странность? — спросил Андрей.

— Попробую объяснить. Герц открыл, что контур, в котором движется туда и обратно поток электронов, излучает радиоволны. Если упростить контур Герца до предела, то мы получим элементарный осциллятор — просто электрический заряд, колеблющийся под воздействием какой-то внешней силы. Неплохой пример такого осциллятора — электрически заряженный и качающийся маятник часов. Качающиеся или осциллирующие заряженные тела либо частицы всегда испускают электромагнитные волны. Теория Максвелла не накладывала никаких ограничений на такое излучение, а условие, которое Планк был вынужден положить в основу своей формулы, состояло в том, что осциллятор не может испускать волны как ему вздумается: он должен выпускать энергию только отдельными порциями (квантами). Какие бы осцилляторы ни рассматривались, это условие не менялось, они словно по приказу испускали энергию так, а не иначе.

Планк опубликовал свою теорию в 1900 году, но ни он сам, ни другие учёные не спешили признавать существование выдвинутой им квантовой теории. Лишь усилиями Эйнштейна и других физиков теория световых квантов стала постепенно завоёвывать своё место в физической науке.

Монета ФРГ достоинством в две марки с профилем Макса Планка.
Монета ФРГ достоинством в две марки с профилем Макса Планка.

Всё кардинально изменилось в 1913 году, когда молодой датчанин по имени Нильс Бор приехал в английский город Манчестер поработать в лаборатории выдающегося британского физика Эрнеста Резерфорда. Бор доказал, что кванты — это фундамент строения материи, и тем самым открыл новую страницу в истории науки. А Макс Планк открыл то, что полностью изменило здание мировой теоретической физики, которое было таким красивым и казалось практически завершённым.

В 1918 году Планк получил за свои работы Нобелевскую премию. Десятки научных учреждений Германии, которые занимались фундаментальной наукой, объединились в Общество имени Макса Планка. Высшей наградой страны за достижения в области теоретической физики стала медаль имени Макса Планка. Ну и самым впечатляющим свидетельством вклада Планка в мировую науку стало то, что среди пяти мировых фундаментальных констант: скорости света, заряда и массы электрона, гравитационной постоянной и постоянной Планка — только одна носит имя своего открывателя.

— Мама, — осторожно спросила Галатея, — а есть ещё какая-нибудь неизвестная мировая константа?

Дзинтара улыбнулась:

— Думаю, что есть. Но о существовании такой константы первым узнает её открыватель.



Филипп фон Жолли (1809—1884) — физик-теоретик, профессор Мюнхенского университета.

Макс Планк (1858—1947) — немецкий физик, открывший квантование энергии. В его честь названа фундаментальная постоянная — постоянная Планка. Лауреат Нобелевской премии по физике 1918 года.

Вильгельм Вин (1864—1928) — немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1911 года.

Лорд Рэлей — Джон Уильям Стретт (1842—1919) — британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1904 года.

Джеймс Хопвуд Джинс (1877—1946) — британский физик и астроном. Открыл гравитационную неустойчивость среды (неустойчивость Джинса).

Людвиг Больцман (1844—1906) — австрийский физик, математик и философ. Развил статистическую механику атомов и молекул, которая легла в основу современной термодинамики и кинетической теории. Уравнение Больцмана — одно из самых известных уравнений статистической механики.



Примечание:

* Эмпирические формулы не выводятся из какой-либо теории. Они подбираются или конструируются из математических функций так, чтобы наилучшим образом описывать экспериментальные данные.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
10 Янв 2016 14:51:05
Louiza

Сказка о том, как астрономы и часовщики спасали моряков

Каждый вечер перед сном принцесса читала или рассказывала детям сказки, из которых те узнавали много новых, интересных вещей: как мухи чуть не съели Австралию, как люди учились летать, как появились первые печатные книжки…

Сегодня сказку детям Дзинтары рассказывает Майкл, сын королевы Николь. Гость — увы! — сказок не помнил. Зато Майкл хорошо знал историю мореплавания, которая интереснее всяких сказок.

Андрей и Галатея решили, что история будет про пиратов, сундуки с пиастрами и, может быть, про остров сокровищ или забытых кораблей. Но они ошиблись. Майкл начал рассказ про эскадру британского адмирала Клаудели Шовелла (1650—1707).

Крушение флагмана эскадры адмирала Шовелла в проливе Ла-Манш 22 октября 1707 года. Иллюстрация из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».
Крушение флагмана эскадры адмирала Шовелла в проливе Ла-Манш 22 октября 1707 года. Иллюстрация из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».

Осенью 1707 года, после тяжёлых сражений с французским флотом в Средиземном море, эскадра из восемнадцати кораблей возвращалась на зимовку в Англию. Все двенадцать дней пути от Гибралтара британских моряков сопровождали штормы и туманы. Берегов не было видно, но по навигационным расчётам выходило, что флот держит курс в безопасную зону — середину пролива Ла-Манш. Однако расчёты сэра Шовелла оказались неточны.

Тёмной ночью 22 октября 1707 года адмиральский флагман и ещё три корабля напоролись на рифы возле южной оконечности Англии. Увидев буруны на скалах перед самым носом флагмана, адмирал приказал выстрелить из пушки, чтобы предупредить другие суда об опасности. Но всё равно четыре корабля разбились о камни и затонули, унеся с собой жизни самого адмирала и двух тысяч матросов. Вот какой трагедией обернулась ошибка в расчётах координат корабля.

Ошибка в навигационных вычислениях завела эскадру адмирала Шовелла на рифы острова Силли у южной оконечности Англии (сплошная линия), хотя корабли должны были пройти пролив Ла-Манш посередине (пунктирная линия).
Ошибка в навигационных вычислениях завела эскадру адмирала Шовелла на рифы острова Силли у южной оконечности Англии (сплошная линия), хотя корабли должны были пройти пролив Ла-Манш посередине (пунктирная линия).

Галатея не выдержала:

— Неужели адмиралу было так сложно понять, где находится его корабль?

В ответ Майкл вздохнул и сказал:

— Очень сложно. На воде меток не оставишь, течения и ветер непредсказуемо сбивают корабль с курса. А как определить координаты корабля в открытом море?

С широтой, которая указывает положение судна относительно экватора или полюса, дело обстоит довольно просто — её можно вычислить достаточно точно, зная календарную дату и измерив высоту звёзд или Солнца над горизонтом. Определить долготу гораздо труднее. Так называемая проблема долготы настолько сильно осложняла мореплавание, что испанский король Филипп II, правивший ещё в XVI веке, назначил огромную награду тому, кто сумеет её одолеть. Вознаграждение обещали также Голландия и Португалия, Венеция и Россия. Учёные, изобретатели, моряки и купцы — все пытались найти решение, но безуспешно. В глазах общества «проблема долготы» стала синонимом неразрешимой проблемы. Герой «Путешествия Гулливера» Джонатана Свифта, например, высмеивал изобретателей методов определения долготы, считая это таким же нереальным делом, как создание вечного двигателя.

Для определения местоположения корабля средневековым штурманам приходилось прибегать к сложным наблюдениям и вычислениям. Иллюстрация из книги «Краткая история науки и изобретений».
Для определения местоположения корабля средневековым штурманам приходилось прибегать к сложным наблюдениям и вычислениям. Иллюстрация из книги «Краткая история науки и изобретений».

В Англии тоже занимались поиском простого и надёжного способа определения долготы. Даже Луиза де Керуаль, фаворитка британского монарха Карла II, принимала в этом участие. Она посоветовала королю привлечь астрономов.

— Какая умная Луиза! — восхитился Андрей.

— Под давлением мадам де Керуаль и других советчиков в 1674 году Карл II учредил Гринвичскую обсерваторию, которая должна была найти решение сложнейшей задачи определения долготы в открытом море.

Гринвичская обсерватория, учреждённая Карлом II для решения «проблемы долготы». На переднем плане — статуя капитана Кука. Фото автора.
Гринвичская обсерватория, учреждённая Карлом II для решения «проблемы долготы». На переднем плане — статуя капитана Кука. Фото автора.

Первым королевским астрономом Гринвичской обсерватории стал Джон Флемстид (1646—1719). Он только-только приступил к наблюдениям за движением звёзд и Луны, как случилась трагедия с эскадрой адмирала Шовелла. Это событие потрясло англичан и привлекло всеобщее внимание к задаче точного определения координат кораблей в открытом море. Британский парламент назначил слушание по «проблеме долготы» и пригласил на него известных учёных Исаака Ньютона (1642—1727) и Эдмунда Галлея (1656—1742).

Ньютон в своём выступлении описал три наиболее реальных метода определения долготы.

Один из них придуман великим Галилео Галилеем (1564—1642). Наблюдая в небольшой телескоп за движением открытых им спутников Юпитера, он решил использовать их как небесные часы, с помощью которых можно определять долготу места, откуда ведётся наблюдение. За разработку этого метода правительство Голландии наградило Галилея золотой цепью, но инквизиторы, державшие астронома под домашним арестом, не позволили учёному принять награду. Способ Галилея французские учёные успешно применили к сухопутным наблюдениям и получили в конце XVII века гораздо более точную, чем раньше, карту Франции. Король Людовик XIV был недоволен новой картой, так как площадь страны на ней значительно уменьшилась. Король воскликнул: «Эти учёные отняли у меня земли больше, чем завоевала моя армия!»

Время наикратчайшей тени от зонта даёт возможность определить координаты места, но только если у вас есть точные часы. Фото автора.
Время наикратчайшей тени от зонта даёт возможность определить координаты места, но только если у вас есть точные часы. Фото автора.

Второй способ основан на движении Луны. Наблюдать спутник Земли гораздо удобнее, потому что, в отличие от Юпитера, если небо не затянуто тучами, Луна видна в любой день года. Но это — очень капризный объект с точки зрения динамики. Ньютон, который занимался теорией движения Луны, понял, что использовать наше ночное светило в качестве ориентира для моряков можно только при очень сложных вычислениях на основе очень точных наблюдений Луны в течение десятков лет, а таких наблюдений в начале XVIII века ещё не было.

Третий способ был прост сам по себе. Он заключался в сравнении времени местного полдня со временем на часах, показывающих полдень в точке с известной долготой, например в Гринвичской обсерватории. Однако такой способ требовал, чтобы на корабле были очень точные часы, «хранящие» гринвичское время долгие месяцы: ошибка в одну секунду во времени давала ошибку на четыреста метров в координатах плывущего судна.

— Я не понимаю, как с помощью часов можно измерить долготу, — сказал хмуро Андрей. Галатея согласно закивала головой.

В комнату зашла Дзинтара и позвала всех обедать.

— Где накрыт стол? — поинтересовался Майкл.

— На веранде, — ответила принцесса.

— Отлично! — обрадовался чему-то Майкл и выглянул в окно. Солнце пыталось добраться до зенита.

Когда все уселись за круглый стол, в центре которого торчал длинный нераскрытый зонт, Майкл сказал:

— Сейчас я покажу вам, как с помощью часов можно измерить широту и долготу. Мы это сделаем с помощью зонта, часов и... — Майкл осмотрел стол, — винограда!

Глаза детей немедленно загорелись. А Майкл оторвал виноградинку от фиолетово-дымчатой кисти и положил её на конец тени, которую отбрасывал зонт на белую скатерть. Потом он посмотрел на часы и сказал:

— Пока мы обедаем, Солнце пройдёт высшую точку на своём пути. В этот момент тень будет самой короткой, и мы должны засечь это время. Будем измерять длину тени каждые четыре минуты.

Они принялись обедать, не забывая выкладывать на скатерти длинный ряд виноградин. Кое-где чашкам и тарелкам пришлось потесниться, но все, включая Дзинтару, энергично расчищали путь «астрономическим» ягодам, которые образовали плавную дугу, огибающую зонт.

Часовщик Джон Харрисон (1693—1776), создавший первый морской хронометр. Иллюстрация из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».
Часовщик Джон Харрисон (1693—1776), создавший первый морской хронометр. Иллюстрация из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».

Майкл прищурил один глаз, потом поколдовал с ниткой, привязанной к основанию зонта, используя её как циркуль, — и указал на одну из виноградин:

— Вот эта ближе всех к зонту.

Она оказалась одиннадцатой с момента начала наблюдений. Поразмыслив, Майкл заключил:

— Солнце достигло максимальной высоты в час и восемнадцать минут.

— И что дальше? — спросила Галатея, доедая жаркóе с картофельным пюре.

— А вот что, — сказал Майкл и взялся за телефон. — Я позвоню своему сыну, Роберту. Он сейчас в Лондоне и, думаю, не откажется нам помочь.

Роберт откликнулся почти сразу:

— Добрый день. Я гуляю с друзьями по Кембриджу.

— А не мог бы ты съездить в Гринвичскую обсерваторию и засечь время самой короткой тени от какой-нибудь заострённой длинной палки, а также измерить угол тени — вернее, отклонение Солнца от вертикали в этот момент. У нас время самой короткой тени было в 13 часов 18 минут.

Галатея едва дождалась конца разговора и нетерпеливо воскликнула:

— Но ведь они опоздали! Время короткой тени уже прошло!

Майкл отрицательно покачал головой:

— Оно прошло на нашей долготе. А на долготе Лондона Солнце ещё не забралось на вершину своей траектории. Давайте измерим угол тени, — сказал Майкл. Он вынул из кармана ключи с брелком и вытянул из брелка рулетку.

— Вначале определяем высоту зонта над поверхностью стола, потом — длину кратчайшей тени. Если длину тени поделить на высоту зонта, то получим тангенс верхнего угла в треугольнике, образованного зонтом и тенью. С помощью калькулятора легко вычислим, что угол отклонения тени — или солнечного луча от вертикали — равен 29,5 градуса.

— Я не знаю, что такое тангенс! — насупилась Галатея.

— Это очень простая штука, сейчас объясню, — сказал Майкл. — Предположим, что длина тени равна длине зонта, значит, их отношение равно единице. Чему равен верхний угол в таком треугольнике?

— Это я знаю, — облегчённо сказала Галатея. — Треугольник стал половиной квадрата, значит, верхний угол равен половине прямого угла, или 45 градусам.

— Верно! — просиял Майкл и быстро написал на листке бумаги слева «45 градусов», а справа единицу.

— А если длина тени стремится к нулю, то и угол равен нулю! — и Майкл добавил два нуля в таблицу — только в самый низ страницы.

— Теперь будем задавать другие значения отношения длин тени и зонта — от нуля до единицы, а потом измерим получившиеся углы. Так мы заполним все строчки в таблице. Например, для отношения длины тени и зонта, равного 0,5, мы можем измерить верхний угол, и он окажется равным 26,6 градуса. Можешь ли ты, Галатея, заполнить такую таблицу сама, если я дам тебе линейку для черчения треугольников и угломер для измерения углов?

— Конечно, могу, — заявила Галатея.

— Прекрасно! — улыбнулся Майкл. — Теперь представь, что какой-то древний математик сделал это впервые, посмотрел в таблицу и сказал: «Отношение горизонтальной и вертикальной сторон в таком прямоугольном треугольнике есть функция верхнего угла. Отныне пусть эта функция называется тангенсом!»

— Вот так просто? — не поверила ушам Галатея. — Составить таблицу примитивных измерений и объявить это тангенсом?

— Да, только надо сделать это первым. А потом надо ввести таблицу во все калькуляторы, чтобы я мог задать калькулятору любую длину тени, а он, сверившись с таблицей тангенсов, сразу выдал бы мне величину верхнего угла в выбранном мной треугольнике.

— Если я возьму и составлю таблицу отношений длины горизонтальной тени не к длине зонта, а к длине наклонной линии в этом треугольнике и буду потом измерять верхний угол, это ведь будет другая функция? — спросила недоумевающая Галатея.

— Конечно! — воскликнул Майкл. — Это будет функция, которая называется синусом!

Галатея напряжённо впилась взглядом в таблицу.

Первый хронометр Джона Харрисона работал хорошо, но был очень громоздким. Иллюстрация из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».
Первый хронометр Джона Харрисона работал хорошо, но был очень громоздким. Иллюстрация из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».

Дети спорили про синусы и тангенсы, пока не принесли вкуснейшие пирожные и душистый чёрный чай с мятой. Пока то да сё, время пролетело, и позвонил Роберт.

— У нас Солнце достигло максимальной высоты в 13 часов и 22 минуты!

Майкл уточнил:

— По гринвичскому времени, которое отстаёт от нашего на целый час, так как располагается в другом часовом поясе. Итак, гринвичский полдень настал позже нашего на 1 час и 4 минуты. Земля делает оборот в 360 градусов за 24 часа, следовательно, запаздывание Солнца на 4 минуты соответствует смещению долготы на один градус. Значит, между нами и Гринвичским меридианом примерно 16 градусов. Долгота Гринвичского меридиана — ноль, это означает, что наше местоположение соответствует 16 градусам восточной долготы. Роберт, а какой угол отбрасывала ваша тень в этот момент?

— 41,5 градуса от вертикали.

— Значит, разница в широтах между нами и Гринвичем — 12 градусов. Каждый моряк знает, что широта Гринвича — 51,5 градуса, значит, он легко найдёт нашу широту — 39,5 градуса северной широты.

— Здорово! — восхищённо сказал Андрей, а Галатея недоверчиво покачала головой и попросила принести географическую карту. Принесли карту Европы, и Галатея поползла — или поплыла? — по ней, пыхтя, как старый паровой буксир. Потом она спросила:

— А если бы мы находились не в Бельведере-Мариттимо, а в испанской Валенсии? Она расположена возле нулевой долготы, значит, Солнце в Лондоне и в Валенсии достигает максимальной высоты в одно время?

— Да, между этими городами существует лишь разница в широтах. Кстати, ты можешь определить по карте расстояние между Валенсией и Лондоном?

Галатея с помощью Андрея и линейки измерила расстояние между городами.

— 1335 километров!

— Отлично! — обрадовался Майкл. — А вот теперь догадайтесь, как можно определить длину окружности Земли, зная, что между широтами Лондона и Валенсии разница в 12 градусов, а расстояние между этими городами 1335 километров? Такую задачку в своё время решил древнегреческий математик и астроном Эратосфен (276 г. до н.э. — 194 г. до н.э.) для двух египетских городов, расположенных примерно на одной долготе.

Дети задумались. Первым сообразил Андрей:

— 12 градусов — одна тридцатая окружности в 360 градусов! Значит, длина земной окружности в 30 раз больше, чем расстояние между Лондоном и Валенсией. Это будет... это будет 40 тысяч километров и ещё... ещё 50 километров!

Майкл восхитился:

— Прекрасный, очень точный ответ!

Галатея немедленно надулась на Андрея.

Майкл спросил:

— Ну, теперь понятно, как точные часы, которые ходят одинаково в разных точках мира, могут помочь определить широту и долготу? Если бы у меня были таблицы времени достижения максимальной высоты Солнца в Гринвиче каждый день, то я смог бы определить наши координаты без помощи Роберта. Таблицами, указывающими положение Солнца на год вперёд, пользовались моряки прошлых веков. Они замеряли время максимальной высоты Солнца в разных концах света, куда их заносила судьба. Но во времена Ньютона самые точные часы были снабжены механическим маятником. В условиях качки такие хронометры могли отставать на десять минут в сутки, и за долгие месяцы плавания ошибка в ходе часов накапливалась огромная.

Таким образом, чтобы определять долготу третьим способом, нужно было создать часы, которые выдерживали бы качку, перепад температур и точно работали и в жарких океанских тропиках, и в морях, покрытых льдами…

Морской хронометр, умещающийся на ладони. На его создание Джон Харрисон потратил 30 лет жизни. Иллюстрация из книги «Краткая история науки и изобретений».
Морской хронометр, умещающийся на ладони. На его создание Джон Харрисон потратил 30 лет жизни. Иллюстрация из книги «Краткая история науки и изобретений».

Парламент выслушал доклад Ньютона и постановил объявить награду в двадцать тысяч фунтов стерлингов за решение проблемы определения долготы в море с точностью до половины градуса. По тем временам это были огромные деньги — примерно пять миллионов нынешних долларов. За дело взялись и астрономы, и часовщики. Первые накапливали наблюдения за Луной и усовершенствовали теорию её движения, чтобы любой штурман, измерив положение Луны относительно звёзд и сверившись с лунными таблицами, смог определять положение корабля в открытом океане.

Над «проблемой долготы» трудился и Джон Флемстид, но он умер, не закончив дела. На посту королевского астронома его сменил Галлей. Новый наблюдатель Гринвичской обсерватории знал, что для усовершенствования теории движения Луны наш спутник нужно наблюдать как минимум восемнадцать лет. Галлею было тогда больше шестидесяти, и он понимал, что шансов закончить работу у него немного, но взялся за дело с энтузиазмом. Звёзды были благосклонны к астроному: Галлей наблюдал Луну до самой смерти, больше двадцати лет.

Леонард Эйлер (1707—1783) в России, Джеймс Брэдли (1693—1762) в Англии, Алекси Клеро (1713—1765) во Франции, Тобиас Майер (1723—1762) в Германии, другие математики и астрономы подхватили эстафету и создали таблицы положения Луны и Солнца. Самые точные из них составил Майер на основе теории Эйлера. Жена Майера отправила его рукопись в Англию, в Совет по долготе. Астроном Невил Маскелайн (1732—1811) успешно испытал таблицы Майера в путешествии к острову Барбадос в Карибском море, после чего британский парламент премировал Эйлера и вдову Майера за астрономическое решение «проблемы долготы».

Маскелайн, который стал королевским астрономом в тридцать три года, сумел донести астрономическое решение «проблемы долготы» до каждого штурмана. Основываясь на трудах Майера, молодой астроном задумал и издал в 1766 году «Морской альманах и астрономические эфемериды на 1767 г.» — книгу таблиц, в которых предсказывалось положение планет и Луны на год вперёд с периодом три часа. С их помощью штурманы всего за полчаса наблюдений за Луной и расчётов определяли точное положение корабля в море. Девяносто тысяч астрономических наблюдений сделал за свою жизнь Маскелайн. Почти полвека, до самой своей смерти, он выпускал ежегодный «Морской альманах», который верно служил морякам, спасая их от рифов и мелей, и издаётся до сих пор.

Параллельно с астрономами над «проблемой долготы» бились и часовщики. Узнав про огромную награду, обещанную британским парламентом, Джон Харрисон, йоркширский плотник и часовщик, решил построить точные морские часы. Семь лет он конструировал свой хронометр без обычного маятника. Первый его экземпляр испытали в путешествии в Лиссабон в 1736 году. Часы показали себя отлично, но весили они 35 кг и были высотой полтора метра. Парламентская комиссия дала часовщику деньги на изготовление более компактного хронометра. Тридцать лет совершенствовал Харрисон свои часы, пока те не стали умещаться на ладони. Первые морские хронометры были очень дороги — примерно треть цены постройки военного корабля. На новый хронометр Харрисона было получено подтверждение, что его можно копировать и выпускать серийно. Только после этого, в 1773 году, английский парламент выдал часовщику заслуженную награду.

Итак, «проблему долготы» удалось решить и астрономам, и часовщикам. От этого соревнования выиграли все моряки мира. Отправляясь в 1768 году в своё первое кругосветное путешествие, капитан Кук взял с собой копию хронометра Харрисона и астрономические таблицы положения Луны. Он успешно использовал оба способа определения координат. Плавание кораблей в океане стало гораздо безопаснее.

— Майкл! — воскликнул Андрей. — Как ты можешь говорить о безопасности, если капитана Кука в его третьем путешествии съели туземцы Гавайских островов?

— Ну, — сказал Майкл, — это была не научная, а... э-э... дипломатическая проблема. Астрономы и часовщики сделали так, чтобы моряки всегда знали, где они находятся, а что и как делать, они должны решать сами.

— Астрономы за людоедов не отвечают! — согласилась Галатея. Честно признаться, она не очень поняла про Луну и долготу. Да и морской хронометр размером с ладонь взрослого человека показался ей великоватым.

«Трудно жилось этим древним людям!» — вздохнула девочка, покосившись на свои крохотные и очень точные электронные часики.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
28 Дек 2015 06:52:22
Louiza

Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах

Альберт Эйнштейн (1879—1955), физик-теоретик, не побоявшийся искривить пространство. Фото Фердинанда Шмутцера.
Альберт Эйнштейн (1879—1955), физик-теоретик, не побоявшийся искривить пространство. Фото Фердинанда Шмутцера.

Королева Никки пришла навестить принцессу Дзинтару. Дети Дзинтары — Андрей и Галатея — обрадовались и после ужина сразу потребовали:

— Расскажи сказку!

Королева давно знает — идёшь в гости, неси сказку в зубах, а то принцессовы, то есть принцессины, дети живой не выпустят.

— Ох и хитрую сказку вам сейчас поведаю, сразу извилины в узелок завяжутся.

— Не завяжутся! — смело воскликнул Андрей.

— А мы маму попросим, она развяжет, — осторожно заметила Галатея. — Она даже мои шнурки ухитряется развязывать.

Искривлённое пространство вокруг Земли. Иллюстрация Джонстоуна.
Искривлённое пространство вокруг Земли. Иллюстрация Джонстоуна.

И Никки начала сказку:

— Жил-был мудрый учёный Эйнштейн. Любил он ставить мысленные эксперименты. Они очень удобны — ведь для них никакого оборудования не надо, кроме самого важного прибора — головы. И придумал Эйнштейн такой эксперимент: «Найдём огромный гладкий пустырь. Поставим на пустыре пушку, которая стреляет круглыми ядрами параллельно земле, то есть горизонтально. Посадим рядом с пушкой невысокую яблоню с большими яблоками. Когда пушка выстрелит, одновременно с яблони сорвётся яблоко. И полетят с одной высоты два предмета: ядро — над землёй по пологой кривой, а яблоко — вниз по прямой. Кто быстрее достигнет земли — ядро или яблоко?»

Артур Эддингтон (1882—1944), британский астрофизик, измеривший искривление пространства вокруг Солнца.
Артур Эддингтон (1882—1944), британский астрофизик, измеривший искривление пространства вокруг Солнца.

Провёл он мысленный эксперимент и получил удивительный результат: ядро и яблоко ударятся о землю одновременно, только очень далеко друг от друга.

Много «выстрелов» сделал Эйнштейн в своей голове — его соседи даже забеспокоились и стали жаловаться в полицию на странные вибрации дома. Какое бы тело он ни брал — свинцовое ядро, деревянное яблоко, лебединое пёрышко, — все они падали на землю одинаково. Конечно, без влияния воздуха — в его эксперименте весь воздух «откачали» с планеты одним движением мысли.

Во время полного солнечного затмения «чёрное» Солнце позволяет увидеть звёзды средь бела дня. Фото А. Эддингтона, сделанное в Африке в 1919 году.
Во время полного солнечного затмения «чёрное» Солнце позволяет увидеть звёзды средь бела дня. Фото А. Эддингтона, сделанное в Африке в 1919 году.

«Почему все тела так одинаково себя ведут?» — задумался Эйнштейн. Думал он десять лет, десять месяцев и десять дней. И наконец понял! Объяснить поразительно одинаковое поведение разных предметов в гравитационном поле можно, только предположив, что каждое тело во время падения катится по невидимой искривлённой поверхности, как по рельсам. А рельсы — они прочные, им всё равно, что по ним катится — тяжёлый поезд или лёгкая дрезина.

Так Эйнштейн открыл новый закон: тяготение — это движение в искривлённом пространстве вокруг массивных тел. Как санки с горы катятся вниз, так и все тела падают в искривлённом пространстве Земли или Солнца.

Согласно Кеплеру, в простейшем случае (в задаче двух тел) эллиптическая орбита планеты должна быть неподвижной (красная линия).
Согласно Кеплеру, в простейшем случае (в задаче двух тел) эллиптическая орбита планеты должна быть неподвижной (красная линия). Согласно Эйнштейну, такая орбита должна смещаться или прецессировать (синие линии) из-за того, что тяготение Эйнштейна не совпадает с тяготением Ньютона.

Галилей открыл закон, по которому тела двигаются по самым прямым линиям без всякого ускорения. Эйнштейн подтвердил — именно так и происходит даже в искривлённом пространстве возле Земли. Да вот только самая прямая линия в кривом пространстве тоже кривая и называется геодезической. Попробуйте нарисовать прямую линию на поверхности глобуса — у вас ничего не получится прямее кривого меридиана.

На геодезической линии жизнь и движение кажутся прямыми и равномерными, но пространство искривлено, поэтому никому из его обитателей верить нельзя, только мистеру Тензорному анализу*. Сами жители Кривландии не замечают, как они ускоряются возле Земли. При падении они испытывают невесомость — летят, нежатся, а потом — хлоп! — прибыли, вылезай: рельсы закончились на земной поверхности. Кто ушибся — Эйнштейн не виноват.

— Готово дело, у меня ни одной незапутанной извилины не осталось! — воскликнула Галатея.

— Не мешай, — нетерпеливо махнул рукой Андрей. — Потом я сам тебе всё распутаю.

Королева улыбнулась и продолжила:

— За десять лет упорных трудов Эйнштейн сумел вывести математические уравнения, которые описывают движение в искривлённом пространстве самых разных тел: и огромных планет, и пушечных ядер, и обычных яблок. Впрочем, Ньютон тоже неплохо с яблоками справлялся.

«Надо бы проверить мою теорию применительно к случаю, который Ньютон не смог объяснить», — подумал Эйнштейн. Планета Меркурий, которая движется ближе всех к Солнцу, давно доставляла хлопоты астрономам, двигаясь немного быстрее, чем нужно по законам Ньютона. Эйнштейн мысленно поймал Меркурий, засунул его в мясорубку своих уравнений, прокрутил, посчитал и доказал, что орбита этой горячей планеты не ладит с законом Ньютона, зато охотно подчиняется его, Эйнштейна, уравнениям. Значит, они правильны! Учёный обрадовался и опубликовал свои уравнения и закон, по которому гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства.

Что тут началось! Шум, гам, обиды, крики: «Как пространство может быть кривым?! Сомнительное дело!» Уж больно хитрый закон открыл Эйнштейн. Кто не верит, те бурчат, а кто верит, те молчат. Доказательства нужны, да такие прямые, чтобы никто не посчитал их извилистыми.

Тогда Эйнштейн сказал: «Искрив-ление пространства можно увидеть своими глазами возле Солнца. Наше светило движется и искривляет пространство — будто линза по небу плывёт. И звёзды вокруг Солнца начинают раздвигаться. Понаблюдайте за звёздами возле Солнца, тогда и увидите искривлённость пространства!»

Крест Эйнштейна. В центре — галактика, которая превращает одно изображение более далёкого квазара в четыре миража вокруг себя. Фото НАСА, ЕСА и Института телескопа Хаббла.
Крест Эйнштейна. В центре — галактика, которая превращает одно изображение более далёкого квазара в четыре миража вокруг себя. Фото НАСА, ЕСА и Института телескопа Хаббла.

Королева Никки развела руками:

— Непростое условие поставил мудрый Эйнштейн. Как же увидеть звёзды возле самого Солнца, если днём светло и звёзд не видно? Долго ломали голову учёные, но всё-таки придумали. Ну-ка, кто из вас догадается, какой есть способ увидеть звёзды днём, да ещё возле самого Солнца?

— Из колодца звёзды видны днём! — воскликнул Андрей.

— Нет, это миф: не научная, а простая сказка.

— А если в телескоп посмотреть? — спросила Галатея.

— Тоже не получится. Голубое небо светит ярче звёзд, поэтому они не видны днём. Есть только один способ: дождаться времени, когда солнце днём не светит.

— А что, солнце днём может не светить? — удивился Андрей.

Чёрная дыра в десять солнечных масс на фоне Млечного Пути (так она могла бы выглядеть с расстояния 600 км). Картина Юте Крауса. Автор фоновой картины Аксель Меллингер.
Чёрная дыра в десять солнечных масс на фоне Млечного Пути (так она могла бы выглядеть с расстояния 600 км). Картина Юте Крауса. Автор фоновой картины Аксель Меллингер.

Никки ответила зловещим голосом:

— Есть такое страшное время, когда солнце днём становится чёрным-чёрным, оно висит над головой, но не светит... И небо тоже превращается из голубого в чёрное-чёрное... даже в полдень на таком чёрном небе видны все звёзды. И называется...

Голос королевы стал завывающим, страшным, как у привидения.

— ...такое жуткое время называется... полное солнечное затмение!

— Ой! — взвизгнула Галатея.

— А-а... — разочарованно сказал Андрей, ожидавший какого-нибудь дракона или волшебника. — Это когда Луна загораживает от нас Солнце.

— Да, и на Земле наступает тьма среди дня. Солнечное затмение длится несколько минут. За такое короткое время трудно успеть замерить положения звёзд возле Солнца. Вызвался решить непростую задачу знаменитый астроном и математик английский лорд Эддингтон. Он по-плыл на корабле в далёкую Западную Африку, где ожидалось полное затмение Солнца. Много приключений пережила экспедиция Эддингтона в южных морях, но сумела сфотографировать «чёрное» Солнце и звёзды возле него.

Жёлтая галактика искривляет пространство и превращает изображение более далёкой голубой галактики в подкову. Фото ЕСА, Института телескопа Хаббла и НАСА.
Жёлтая галактика искривляет пространство и превращает изображение более далёкой голубой галактики в подкову. Фото ЕСА, Института телескопа Хаббла и НАСА.

— И как? Удалось лорду Эддингтону увидеть искривлённое пространство? — нетерпеливо спросил Андрей.

— Да, учёные обнаружили, что известный рисунок звёздного неба вокруг чёрного Солнца действительно изменился — словно к Солнцу при-клеили большую прозрачную линзу.

— Вот здорово! — сказала Галатея. — Значит, мы все — жители Королевства Кривых Пространств!

— А есть какой-нибудь более простой способ увидеть искривлённое пространство? — поинтересовался Андрей. Не дожидаясь солнечного затмения?

— Сейчас уже есть такой способ. Когда появились крупные космические телескопы, выяснилось, что вид далёких галактик искажается в искривлённом пространстве возле более близких галактик. Изображение далёких звёздных скоплений может двоиться, троиться и даже размазываться в кольцо. Но в начале двадцатого века можно было увидеть только смещение звёзд возле Солнца.

Скромный дом Эйнштейна в Принстоне. Ни музея, ни мемориальной доски, но память о великом учёном в этих традиционных атрибутах не нуждается.
Скромный дом Эйнштейна в Принстоне. Ни музея, ни мемориальной доски, но память о великом учёном в этих традиционных атрибутах не нуждается.

Эддингтон послал из Африки телеграмму о том, что Эйнштейн оказался прав. И все мировые газеты опубликовали текст телеграммы. В мире как раз только что закончилась — а кое-где она ещё продолжалась — большая война. Люди очень устали от неё, устали каждый день открывать газеты и читать про смерти и ужасы. И вот, в один прекрасный день они открыли утренние газеты и узнали, что учёные нашли искривлённое пространство вокруг Солнца. Все обрадовались, что встречаются такие чудеса на этом свете.

Альберт Эйнштейн сразу стал самым знаменитым учёным в мире, хотя многие всё равно не понимали, что такое кривое пространство, которое на вид такое прямое, и как оно заставляет Землю притягивать к себе все предметы.

«Неужели после сытного ужина нам трудно встать из-за искривлённого пространства? — думали люди, почёсывая затылки. — Вот если штанами зацепиться за искривлённый гвоздь в стуле — это как-то понятнее...»

Даже став самым знаменитым в мире учёным, Эйнштейн продолжал жить в скромном домике на тихой улице в университетском городке Принстоне. Как-то раз у его дома собралась большая толпа. «Ты очень умный! Стань нашим президентом!» — закричали жители мудрому Эйнштейну, который выглянул в окошко.

«Извините, не могу, — ответил учёный. — Я сейчас обдумываю удивительную идею. Оказывается, если взять искривлённое пространство из пяти измерений, то можно вывести уравнения, которые будут описывать не только гравитацию возле ветки, но и электричество в розетке...»

Послушали, послушали люди, ничего не поняли и подумали: «Ох уж этот Эйнштейн, часы всем перепутал, пространство искривил, энергию с массой перемешал, а всё никак не успокаивается...» — и разбрелись по своим домикам, улеглись в мягкие кроватки и забылись мирным сном.

Может, и вам, дети, спать пора?



* Тензорный анализ — раздел математики, широко применяемый в физике и в общей теории относительности при изучении искривлённых пространств. Тензоры используют в описании инвариантных (не зависящих от геометрических координат и движения наблюдателей) свойств объектов.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
17 Дек 2015 22:50:27
Louiza

Сказка об астрономе Слайфере, который открыл разбегание Вселенной

Жил-был в фермерском штате Индиана мальчик Весто Мелвин Слайфер. В конце XIX века в американской сельскохозяйственной глубинке было довольно скучно. Электричество и телефон уже изобрели, но до Индианы они ещё не дошли. Автомобили с их шумом, вонью и яркими фарами тоже оставались редкостью. Дороги и улицы тихих городков и ферм после заката солнца погружались в бархатную душистую тьму, лишь огоньки свечей и керосиновых ламп мерцали за занавесками окон.

Главным зрелищем ночи американских прерий становились звёзды, которыми Весто без устали любовался. Они тысячами полыхали над бескрайними полями кукурузы и пшеницы. Млечный Путь, неразличимый в небе современных городов, простирался от горизонта до горизонта — ясный и великолепный. А уж когда всходила луна, то дыхание мальчика просто замирало от восторга.

Главная башня Лоуэлловской обсерватории (штат Аризона). Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии»
Главная башня Лоуэлловской обсерватории (штат Аризона). Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии»

Незамутнённое первозданное небо прерий Среднего Запада подарило миру много выдающихся астрономов. Среди них — Весто Слайфер, решивший посвятить свою жизнь звёздам ещё в детстве. В 1901 году он с отличием окончил университет Индианы сразу по двум специальностям — астрономии и математике.

Слайферу повезло — университетский профессор, высоко ценивший успехи молодого человека, порекомендовал его Персивалю Лоуэллу — выходцу из богатой бостонской династии, известной с XVII века. Лоуэлл был легендарной и колоритной личностью. Бизнесмен, дипломат и востоковед, он, приблизившись к сорокалетнему возрасту, резко изменил свою жизнь и решил заняться астрономией, которой интересовался с детства. В 1894 году Лоуэлл выстроил свою обсерваторию в штате Аризона, на горе высотой более двух километров, стал её директором, а также активным наблюдателем Марса. Он считал, что на Марсе существует высокоразвитая цивилизация. И даже сделал 15 тысяч зарисовок геометрически правильных марсианских каналов, которые якобы видел в телескоп с зеркалом диаметром 24дюйма (61 см). Другие астрономы ему не верили, отчего Лоуэлл очень переживал.

Персиваль Лоуэлл (1855—1916) — дипломат, востоковед, бизнесмен и астроном, основавший Лоуэлловскую обсерваторию.
Персиваль Лоуэлл (1855—1916) — дипломат, востоковед, бизнесмен и астроном, основавший Лоуэлловскую обсерваторию.

Симпатичного фермерского паренька Слайфера Лоуэлл взял на работу временно, поддавшись на уговоры знакомого профессора. Забегая вперёд, скажу, что Весто задержался на этой «временной» работе больше чем на пятьдесят лет!

Лоуэлл поручил Слайферу изучать спектры планет, а заодно выращивать кабачки и прочие овощи на огороде при обсерватории. Лоуэлл часто бывал в отъезде, поэтому слал помощнику телеграммы с указаниями, а также с просьбами прислать свежих кабачков экспресс-почтой.

Весто Мелвин Слайфер (1875—1969) — астроном Лоуэлловской обсерватории (с 1916 по 1952 год её директор), открывший разбегание галактик.
Весто Мелвин Слайфер (1875—1969) — астроном Лоуэлловской обсерватории (с 1916 по 1952 год её директор), открывший разбегание галактик.

Сын фермера никаких проблем с выращиванием кабачков не испытывал, но вот незнакомое искусство спектрографии доставило ему немало мучений. Однако Слайфер оказался упорным и в конце концов овладел секретами получения спектров планет, а также измерил скорости вращения Марса, Юпитера, Сатурна и Урана и доказал, что Венера вращается очень медленно, а у Марса в атмосфере есть слабые следы водяного пара. Лоуэлла обрадовала эта новость — значит, решил он, вода в марсианских каналах ещё не вся пересохла!

В 1909 году Лоуэлл написал Слайферу письмо, в котором предлагал получить спектры светлых спиральных туманностей, видимых среди звёзд нашей Галактики. Спирали в них заметил ещё в середине XIX века ирландский астроном-любитель лорд Росс (1800—1867), но природа «облачков» оставалась до конца неясной. Некоторые учёные полагали, что облачка — это далёкие внегалактические объекты, другие считали их внутригалактическими туманностями, закрученными спиралями вокруг отдельных звёзд.

Эффект Доплера заключается в том, что длина волны света зависит от направления движения источника света: звёзды, двигающиеся к нам, синеют, а от нас они убегают, краснея.
Эффект Доплера заключается в том, что длина волны света зависит от направления движения источника света: звёзды, двигающиеся к нам, синеют, а от нас они убегают, краснея.

Лоуэлл поставил перед Слайфером очень сложную задачу. Свет таких туманностей слишком слаб, чтобы его можно было поймать и разложить обычным спектрографом, запечатлев на фотопластинке. Для получения изображения туманности на фотопластинке с низкой светочувствительностью требовалась тридцатичасовая выдержка. А спектрограф с его многочисленными призмами отбирал столько света, что получить спектры таких слабых объектов становилось просто нереально.

Лоуэлл считал, что видит в свой телескоп огромные каналы Марса. На основании наблюдений он сделал пятнадцать тысяч вот таких рисунков.
Лоуэлл считал, что видит в свой телескоп огромные каналы Марса. На основании наблюдений он сделал пятнадцать тысяч вот таких рисунков.

Директор Ликской обсерватории доктор Уильям Кэмпбелл (1862—1938) — специалист в области измерения радиальных скоростей космических объектов — даже на своём крупном телескопе ещё не мог измерить спектры спиральных туманностей и всюду говорил, что хорошо бы научиться определять скорости движения туманностей. Ликская обсерватория была давним соперником Лоуэлловской обсерватории, и Весто Слайферу захотелось утереть нос Кэмпбеллу.

Невозможное часто становится возможным, но только если хорошенько подумать. Начать охоту Слайфер решил с туманности Андромеды — самой яркой из туманностей. Но и её свет очень слаб, и накопить его не просто. Для того чтобы «поймать» Андромеду, Слайфер модернизировал спектро-граф: выбросил все призмы, кроме одной. Это увеличило количество света, падающего на пластинку, но спектральные полоски стали такими узкими, что изучать их удавалось только с помощью микроскопа. Зато в итоге получился спектрограф, который работал в 200 раз быстрее прежнего инструмента.

Сравнение спектра Солнца с тёмными линиями поглощения со спектром движущейся звезды. Смещение спектральных линий позволяет вычислить скорость звезды и направление её движения.
Сравнение спектра Солнца с тёмными линиями поглощения со спектром движущейся звезды. Смещение спектральных линий позволяет вычислить скорость звезды и направление её движения.

Первый спектр туманности Андро-меды Слайфер снял 17 сентября 1912года. Экспозиция заняла почти семь часов. Появившаяся вскоре комета отняла у наблюдателя весь октябрь, но в середине ноября Слайфер вернулся к Андромеде и получил ещё один её спектр, накапливая свет в течение двух ночей: в первую — восемь часов, во вторую — шесть, потом вмешивалась Луна, засвечивающая небо.

В начале декабря Слайфер снял ещё одну фотопластинку со спектром Андромеды с экспозицией 13,5 часа. В середине декабря в обсерваторию привезли микроскоп, и Слайфер приступил к изучению полученных спектров. Оказалось, что они значительно смещены в фиолетовую зону. Значит, Андромеда быстро движется в сторону Земли?! Слайфер был удивлён и взволнован: не вкралась ли в измерения какая-нибудь ошибка?

Учёный решил провести ещё один сеанс наблюдений и приступил к нему 29 декабря. Из-за плохой погоды в первую ночь удалось поработать лишь часа четыре. Слайфер плотно закрыл пластинку в спектрографе и продолжил наблюдения в следующую ночь. Семь часов он собирал свет Андромеды, но остался недоволен общим временем экспозиции и вернулся к телескопу в новогоднюю ночь. К полуночи погода испортилась. Слайфер с досадой закрыл телескоп и «спустился на землю», к людям — пить шампанское и делать всё, что полагается на Новый год.

В январе 1913 года Слайфер начал детально исследовать все четыре полученных спектра туманности Андромеды. Результат потряс астронома. Учёный ожидал получить обычные скорости звёзд относительно Земли — 10—15 километров в секунду. Такие же скорости должны иметь спиральные туманности. Если же туманность Андромеды — большое внегалактическое скопление звёзд, то такому космическому объекту полагалось, по общему мнению, ещё медленнее «плавать» в пространстве — как крупным китам. А по спектрам Слайфера выходило, что туманность Андромеды летит к Солнцу с сумасшедшей скоростью — 300 километров в секунду, или больше миллиона километров в час!

Что за космическое чудо поймал Слайфер своей стеклянной пластинкой? Если такая скорость реальна, то туманность Андромеды не может принадлежать нашей Галактике, потому что гравитационное поле Млечного Пути не способно удержать в своих пределах такие быстрые объекты. Но если туманность Андромеды — внегалактический объект, его огромная скорость переворачивает все традиционные представления о космосе!

Понимая, что ошибка тут недопустима, Слайфер отправил копию полученных спектров в Ликскую обсерваторию, астроному Эдварду Фэту (в английском написании — Fath, годы жизни 1881—1959), который тоже занимался изучением космических спектров.

Когда Фэт получил данные Слайфера с просьбой независимой их проверки, то испытал горчайшее разочарование — ведь ещё в 1908 году он снял на крупнейшем 36-дюймовом Ликском телескопе спектр Андромеды и обнаружил в нём сильное синее смещение линий! Но Фэт даже не мог вообразить, что Андромеде присущи такие скорости движения, и без колебаний отнёс результат к неисправности спектро-графа. И вот он смотрит на аналогичный, но гораздо более убедительный результат, полученный Слайфером на меньшем телескопе, и понимает, что упустил свой звёздный час!

Туманность Андромеды (М31 по каталогу Мессье) — спиральная галактика, ближайшая к Млечному Пути. Расположена в созвездии Андромеды на расстоянии от Земли 2,5 миллиона световых лет. Фото НАСА.
Туманность Андромеды (М31 по каталогу Мессье) — спиральная галактика, ближайшая к Млечному Пути. Расположена в созвездии Андромеды на расстоянии от Земли 2,5 миллиона световых лет. Фото НАСА.

Пришёл февраль, и вместе с ним пришла уверенность Слайфера в правильности полученных результатов. Он публикует в бюллетене Лоуэлловской обсерватории краткую заметку всего из девяти абзацев. Новость об измерении скорости движения Андромеды производит в астрономическом обществе эффект разорвавшейся бомбы. Отклики приходят в основном положительные, но находятся и скептики вроде директора Ликской обсерватории Уильяма Кэмпбелла, который считает, что столь экстремальная скорость Андромеды подозрительна. Вскоре скорость движения Андромеды, измеренную Слайфером, подтвердили и данные сотрудников Ликской обсерватории.

Слайфер раскопал «золотую жилу» и не думал останавливаться: он взялся за получение спектров других туманностей. Но задача оказалась ещё труднее, потому что эти спиральные облачка светились гораздо слабее туманности Андромеды.

Слайфер измерил спектр туманности Сомбреро и нашёл, что она движется со скоростью 1000 километров в секунду — в три раза быстрее туманности Андромеды и в противоположном направлении — от Солнца!

К лету 1914 года Слайфер измерил спектры 15 туманностей. Это был настоящий научный подвиг. Каждая пластинка требовала экспозиции 12—14 часов, что означало наблюдение в течение нескольких ночей. Но если не менять положение телескопа, то выбранная звезда или туманность быстро покидают поле его зрения. У современных телескопов есть точные электрические моторы, которые медленно поворачивают инструмент вслед за наблюдаемым объектом, компенсируя вращение Земли. Старые телескопы, включая тот, что был в Лоуэлловской обсерватории, имели только ручное управление. Слайфер не мог отойти от телескопа и спектрографа ни на шаг, всё время вручную подкручивая колесики и рукоятки и меняя направление инструмента.

— Как вы смогли так долго стоять у телескопа? — поражённо спрашивали Слайфера другие астрономы. Он сухо отвечал:

— Я прислонялся к нему.

Суммарный результат наблюдений 15 туманностей получился ещё более впечатляющим, чем наблюдение Андромеды и Сомбреро в отдельности. Слайфер не любил публичности, но в августе 1914 года он выступил на собрании американского Астрономического общества с докладом о своих исследованиях скоростей туманностей. Результат потряс всех: только три туманности, включая Андромеду, приближаются к Млечному Пути; двенадцать остальных отдаляются от Солнца, то есть разбегаются в разные стороны!

После окончания доклада весь зал встал и устроил Слайферу овацию. Вместе с другими астрономами аплодировал и будущий знаменитый астроном Эдвин Хаббл (1889—1953), которого тогда только что приняли в Астрономическое общество.

Известный датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873—1967) и другие учёные, включая Кэмпбелла, поздравляли Слайфера с важным открытием и привыкали к новому видению мира. Стало понятно, что туманности — такие же галактики, как и наш Млечный Путь. Но оставалось непонятным, что заставляет их разбегаться в разные стороны.

В апреле 1917 года Слайфер выступил на конференции в Филадельфии. К тому времени он измерил скорости 25 галактик, и только четыре из них двигались к Солнцу, остальные разбегались. Слайфер сказал, что это выглядит так, словно галактики отчего-то рассеиваются в пространстве.

В это время в Европе происходили важные события: в 1915 году немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) вывел уравнения гравитации — общую теорию относительности. В ноябре 1917 года нидерландский астроном Виллем де Ситтер (1872—1934) показал, что при некоторых условиях уравнения Эйнштейна имеют решение, согласно которому Вселенная нестационарна и галактики в ней могут разлетаться в разные стороны. Де Ситтер первый употребил термин «разбегающаяся Вселенная».

Английский астрофизик Артур Эддингтон (1882—1944) в 1923 году связал теорию де Ситтера с наблюдениями Слайфера (к тому времени тот уже измерил скорости 41 галактики, и только пять из них двигались к Солнцу) и пришёл к заключению, что скорость движения галактик должна возрастать с увеличением расстояния до них.

Расстояния до других галактик были известны очень плохо. И директор Гарвардской обсерватории Эдуард Пикеринг (1846—1919) пошёл против существовавших обычаев, пригласив для обработки многочисленных фотографий звёзд группу женщин-астрономов. С одной стороны, Пикеринг открыл женщинам дорогу в профессию, с другой — оказался экономным директором, потому что в конце XIXвека зарплата женщин была в два раза меньше зарплаты мужчин, делавших ту же работу.

Гарвардская группа женщин-астрономов ввела современную классификацию звёзд: O, B, A, F, G, K, M («Oh Be A
Fine Girl, Kiss Me!» Русская фраза для запоминания не так интересна: «Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь»). Генриетта Ливитт (1868—1921), работавшая в группе с 1893 года до конца жизни, сделала фундаментальное открытие, которое позволило определить расстояния до других галактик.

Группа первых в мире женщин-астрономов, работавших в Гарвардской обсерватории. Эти трудолюбивые дамы ввели всемирно известную классификацию звёзд: O, B, A, F, G, K, M. Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».
Группа первых в мире женщин-астрономов, работавших в Гарвардской обсерватории. Эти трудолюбивые дамы ввели всемирно известную классификацию звёзд: O, B, A, F, G, K, M. Фотография из книги Х. Купера и Н. Хенбеста «История астрономии».


На фотопластинках, полученных в Перу, Ливитт нашла две с половиной тысячи переменных звёзд. Особенно яркие из них — цефеиды*. Предшественник Генриетты Ливитт двадцатилетний любитель астрономии Джон Гудрайк (1764—1786) ещё в 1784 году открыл переменность звезды дельта Цефея, яркость которой колебалась с периодом 5 дней и 9 часов.

Так уж получилось, что в детстве Генриетта Ливитт, как и Джон Гудрайк, потеряла слух из-за болезни, но биение звёзд и музыку космических сфер они слышали превосходно. Ливитт нашла замечательный способ измерять межгалактические расстояния. Она заметила, что средняя яркость цефеид Малого Магелланового Облака растёт с длительностью периода их пульсаций. Значит, измеряя периодичность цефеид, можно найти их истинную яркость. Учитывая, что с увеличением расстояния наблюдаемый блеск объектов падает, определить расстояние до цефеид достаточно легко.

Цефеиды стали для астрономов настоящими межгалактическими маяками, хотя, конечно, обнаружить и исследовать эти жёлтые гиганты, расположенные в других галактиках, очень непросто. Лишь в 1929 году Эдвин Хаббл на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вильсон сумел найти достаточное количество внегалактических цефеид и измерить расстояния до ближайших галактик. Он сравнил скорости разбегания галактик, найденные Слайфером, с расстояниями до них и доказал, что Эддингтон был прав — между скоростью и расстоянием существует линейная зависимость, известная сейчас как закон Хаббла.

История склонна к упрощению — во многих популярных книгах и даже в учебниках астрономии можно прочитать о том, что разбегание галактик открыл Хаббл. Это неверно: фундаментальный факт разбегания галактик открыл и исследовал Весто Мелвин Слайфер — скромный и упорный труженик науки. Со временем он стал директором Лоуэлловской обсерватории, руководил поиском планеты Плутон и умер в возрасте 94 лет.

Туманность Андромеды, первая изученная Слайфером, расположена к нам ближе всех и вследствие гравитационной связи с нашей Галактикой не подчиняется закону расширения. Через пять миллиардов лет туманность Андромеды даже может столкнуться с нашей Галактикой. В это время в небе Земли будет виден перекрёсток двух млечных путей.

Столкнётся туманность Андромеды с нашей Галактикой или пролетит мимо? На этот вопрос ответа ещё нет. Чтобы его найти, нужен упорный человек, влюблённый в звёзды, способный расспросить их о космических тайнах и расслышать ответ.



* Цефеиды — класс пульсирующих переменных звёзд, названный в честь звезды дельта Цефея, эти жёлтые гиганты в 103—105 раз ярче Солнца.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
10 Сен 2015 08:18:59
Louiza

Сказка о русском лингвисте Кнорозове, расшифровавшем письменность индейцев майя

Юрий Валентинович Кнорозов (1922—1999). Основатель советской школы майянистики, расшифровавший письменность индейцев майя, доктор исторических наук, кавалер ордена Ацтекского орла (Мексика) и Большой золотой медали (Гватемала).
Юрий Валентинович Кнорозов (1922—1999). Основатель советской школы майянистики, расшифровавший письменность индейцев майя, доктор исторических наук, кавалер ордена Ацтекского орла (Мексика) и Большой золотой медали (Гватемала).
В самой середине ХХ века жил в Петербурге молодой человек по имени Юрий Кнорозов. Был он лингвистом, специалистом по древним языкам. А домом ему служила маленькая комнатка, заполненная книгами до самого потолка, в знаменитом петербургском музее — Кунсткамере. Кнорозов разбирал музейные экспонаты, пострадавшие от недавней страшной войны, а в свободное время изучал странные рисунки древних индейцев майя.

Юрий заинтересовался их разгадкой, прочитав работу авторитетного немецкого исследователя Пауля Шелльхаса, заявившего, что письменность индейцев майя, создавших в экваториальных джунглях Америки поразительную тысячелетнюю цивилизацию, навсегда останется нерасшифрованной. Кнорозов не согласился с немецким учёным. Молодой лингвист воспринял проблему расшифровки письменности майя как личный вызов: каждая загадка должна иметь отгадку!

Конечно, капитулировать перед секретом индейских иероглифов нельзя, но как разгадать смысл этих странных округлых рисунков?

Судьба улыбнулась молодому учёному. В один прекрасный день Юрий нашёл среди старых книг, уцелевших от огня войны, два редчайших тома: «Кодексы майя», изданные в Гватемале, и «Сообщение о делах в Юкатане» Диего де Ланды.

История этих книг уходила корнями в далёкое и драматическое прошлое.

В 1498 году Христофор Колумб открыл Америку — новый континент, богатый золотом, землёй, людьми и разными диковинами. В Новый Свет хлынули испанские конкистадоры (см. «Наука и жизнь» № 9, 2009 г., c. 86). Огромные государства инков и ацтеков рухнули под ударами дерзких пришельцев, закованных в металлические латы и скачущих на удивительных животных, называемых лошадьми. Ружья испанцев, которые рождали гром и убивали на расстоянии, казались индейцам орудием богов. Вместе с солдатами в Америку прибыли католические монахи — обращать новые языческие народы в христианскую веру. Эти священники стали фактическими правителями новых земель.

Страницы из Дрезденского кодекса майя. Если вы думаете, что это древний комикс или сказочная история, значит, неправильно расшифровали книгу майя. Перед вами трактат по астрономии, в котором приведены очень точные наблюдения планеты Венеры.
Страницы из Дрезденского кодекса майя. Если вы думаете, что это древний комикс или сказочная история, значит, неправильно расшифровали книгу майя. Перед вами трактат по астрономии, в котором приведены очень точные наблюдения планеты Венеры.

На полуостров Юкатан, населённый индейцами майя — интеллектуалами доколумбовой американской цивилизации, испанцы высадились в 1517 году, но, в отличие от инков и ацтеков, майя упорно сопротивлялись завоевателям. Лишь тридцать лет спустя испанцы овладели Юкатаном, правда, сражения с непокорными индейцами в дальних провинциях продолжались ещё почти двести лет.

В 1549 году на Юкатан прибыл монах-францисканец Диего де Ланда. Он рьяно взялся искоренять язычество и ересь среди индейцев. Монаха возмущали принятые среди индейцев приношения в жертву богам живых людей. Он решительно насаждал христианскую религию, используя пытки и костры, на которых сжигали непокорных.

Страница рукописи епископа де Ланды с записью «алфавита» майя.
Страница рукописи епископа де Ланды с записью «алфавита» майя.

Цивилизация майя насчитывала четыре тысячелетия. У индейцев были своя письменность и даже библиотеки рукописных бумажных книг, называемых кодексами. Кодексы не имели переплёта и складывались гармошкой.

Де Ланда писал про индейцев майя:

«Эти люди употребляли также определённые знаки или буквы, которыми они записывали в своих книгах свои древние дела и свои науки. По ним, по фигурам и некоторым знакам в фигурах, они узнавали свои дела, сообщали их и обучали. Мы нашли у них большое количество книг с этими буквами, и, так как в них не было ничего, в чем не имелось бы суеверия и лжи демона, мы их все сожгли; это их удивительно огорчило и причинило им страдание».

Епископ Диего де Ланда, сжигая книги майя, которые рассказывали не только об истории и астрономии, но и об языческих богах, поступал в согласии со средневековыми обычаями церкви. Архиепископ Мехико дон Хуан де Сумаррага складывал костры из рукописных книг ацтеков, испанский кардинал Хименеса велел сжечь 280 тысяч томов из библиотеки Кордовы, собранной арабами. Но история жестоко наказывает людей, сжигающих книги. Века инквизиции закончились утратой влияния церкви.

Диего де Ланда практически уничтожил всю литературу индейцев майя. Сегодня в мире осталось всего три кодекса. Эти рукописные книги хранятся в мадридском, дрезденском и парижском музеях как бесценные реликвии.

Индейцы прятали от инквизиторов свои кодексы в гробницах и пещерах, но там их губил влажный экваториальный климат. Слипшиеся в известковые комки древние кодексы из индейских гробниц ещё ждут своих исследователей. Технологии будущего должны помочь раскрыть и прочитать хрупкие страницы. Эти непрочитанные книги смогут многое рассказать об интереснейшей древней культуре индейцев.

Иероглифы майя, вырезанные в камне. Найдены в руинах Паленке. Выставлены в музее Паленке (Мексика).
Иероглифы майя, вырезанные в камне. Найдены в руинах Паленке. Выставлены в музее Паленке (Мексика).

Диего де Ланду поразила цивилизация майя. Он вёл записи о нравах и обычаях майя и даже попробовал с помощью грамотных индейцев установить соответствие между испанским алфавитом и иероглифами майя, которые он принимал за буквы индейского алфавита. Записи Ланды нашёл в испанских архивах и опубликовал триста лет спустя французский исследователь Брассёр де Бурбур.

Изображение царя Паленке, который правил в VIII веке нашей эры. Барельеф выставлен в музее Паленке (Мексика)
Изображение царя Паленке, который правил в VIII веке нашей эры. Барельеф выставлен в музее Паленке (Мексика)
Книга, написанная епископом Ландой, и кодексы майя, избежавшие сожжения на кострах, разведённых по его же воле, вызвали ожесточённые споры среди современных лингвистов. Ланда записал три десятка иероглифов майя в качестве букв алфавита, но исследователи вскоре поняли, что индейские иероглифы не могли быть буквами — их слишком много. И хотя индейцев майя к ХХ веку уцелело немало, среди них не осталось никого, кто знал бы древнюю письменность и мог бы помочь учёным.

Главным специалистом в мире по расшифровке письменности майя считался Эрик Томпсон — американский учёный британ-ского происхождения. Он много сделал для раскрытия тайн цивилизации майя. Даже в свадебное путешествие они с женой отправились в американ-ские джунгли, верхом на мулах, выбрав маршрут так, чтобы попутно исследовать развалины древнего города майя.

Томпсон отвергал мысль о том, что иероглифы майя представляют собой буквы или слова. Он считал их символами, картинками, которые выражают идеи, а не звуки. Например, красный свет светофора — символ, который не соотносится со звуком. Его нельзя произнести, но, подобно иероглифам майя, он сообщает идею: идти через дорогу нельзя.

Символическая теория Томпсона превращала расшифровку иероглифов майя в практически невыполнимое дело — попробуйте достоверно догадаться, какой символический смысл вкладывали индейцы в каждый из многих сотен своих рисунков! Томпсон с большим пренебрежением относился к книге епископа Ланды: «Знаки, которые приводит де Ланда, — недоразумение, путаница, глупости... Можно растолковывать отдельные рисунки. Но вообще письменность майя никто и никогда не сможет прочитать!..»

Мало того, что теория Томпсона была ошибочна, она мешала расшифровке иероглифов майя ещё и тем, что учёный, будучи мировым авторитетом, не терпел в майянистике инакомыслящих. Случалось, выступит какой-нибудь лингвист против теории Томпсона — и вскоре оказывается безработным.

Но судьба Кнорозова от мнения Томпсона не зависела. Юрия не устраивала американская символическая теория, и он несколько лет ломал голову над разгадкой тайны рисунков майя.

Кнорозов засыпал в своей маленькой комнатке утомлённый дневной работой и размышлениями, и ему снился берег Карибского моря. Индейцы сидят у костров, что-то рассказывают друг другу, смеются. Юрий напряжённо вслушивается в их речь, пытаясь различить знакомые слова, — и не может. Как ему хотелось попасть в страну майя и побродить среди развалин индейских храмов! Казалось, сама древняя земля индейцев подскажет всё время ускользающий ключ к расшифровке индейских иероглифов. Но мечта о поездке в Центральную Америку была в те времена совершенно несбыточной. Молодому учёному приходилось пользоваться тем, что было в его распоряжении.

Кнорозов внимательно изучил книгу Ланды. Монах старательно записывал факты, но почему же он так напутал с алфавитом майя? Да потому, что был малообразованным человеком и вряд ли имел представление о других видах письменностей. К тому же, пробуя соотнести иероглифы майя с хорошо знакомым латинским алфавитом, де Ланда привлёк в помощники индейцев.

Молодой исследователь представил себе, как это было. Он словно услышал разговор двух людей: одного — смуглого и полуголого, другого — бледного, в тёмной глухой одежде.

— Вот испанский алфавит... — епископ произносит вслух названия первых букв латинского алфавита. — Теперь напиши мне знаки вашего языка, соответствующие этим буквам!

Индеец майя угрюмо слушает монаха. Он ненавидит епископа-пришельца, который беспощадно уничтожает книги и культуру его народа. Индеец понимает, что епископ требует невыполнимого — у майя нет трёх десятков букв, из которых можно составлять слова, как это делают европейцы.

Усмехнувшись, индеец выполняет требование епископа на свой лад. Он прислушивается к названиям латинских букв и записывает тот иероглиф майя, который звучит примерно так же, как звуки, вылетающие изо рта епископа, — каждая буква любого алфавита при назывании превращается в слог: буква К — в «ка», а буква Л — в «эль». Вот индеец и привёл наиболее близкие к звучанию этих слогов иероглифы.

— Хорошо! — хвалит епископ своего помощника, который мысленно над ним потешается. — Теперь напиши какую-нибудь фразу.

Помощник выводит: «Я не могу».

Мы никогда не узнаем, что имел в виду индеец майя — невозможность выполнить требования епископа либо объяснить ему принципы языка майя, или эти слова выражали просто крайнюю усталость...

Кнорозов словно очнулся ото сна. Он понял, что индеец передал иероглифами звучание названий латинских букв! Тем самым он послал сообщение через века — вот так произносятся некоторые иероглифы майя. Звуки речи или фонетика — вот ключ к разгадке письменности майя, и он хитро скрыт в книге недалёкого варвара Ланды. Тем самым книга хоть частично восполняет тот урон, который неистовый монах нанёс мировой культуре, сжигая бесценные книги древней цивилизации.

Барельеф из древнего города майя Яшчилана, соперничавшего и даже воевавшего с городом Паленке. Экспонат Британского музея. Справа — изображение леди Вак Тун, одной из жён короля Птицы-Ягуара IV.
Барельеф из древнего города майя Яшчилана, соперничавшего и даже воевавшего с городом Паленке. Экспонат Британского музея. Справа — изображение леди Вак Тун, одной из жён короля Птицы-Ягуара IV.

Кнорозов опубликовал статью, в которой предложил новый принцип расшифровки иероглифов майя. Молодой учёный обосновал идею, что иероглифы майя можно читать вслух. Каждый из них соответствует не предмету или букве, а отдельному слову или слогу, а из слогов можно составить множество слов, обозначающих оленя, собаку, дом или имя друга. Эти слова можно произнести, можно спеть, выкрикнуть или шепнуть. Звучание их можно сопоставить с тем языком, на котором говорят современные майя. Помогло расшифровке и то, что Юрий знал слово «какао»: на фреске майя индеец
держал чашку с какао и она была подписана иероглифами.

Теория русского лингвиста вызвала бурю негодования у Томпсона. Работа Юрия Кнорозова обесценивала труд всей жизни американского исследователя — только что выпущенный каталог с полным собранием иероглифов майя и их интерпретацией как символических рисунков. Между двумя учёными разгорелась ожесточённая полемика на страницах научных журналов. За ней пристально следили другие исследователи, ломавшие голову над индейскими иероглифами, найденными не только в бумажных кодексах, но и на каменных руинах сотен городов майя в джунглях Юкатана.

Томпсон спорил не только с Кноро-зовым — в среде американских исследователей он, будучи авторитетом номер один, тоже старательно выпалывал ростки инакомыслия. Но истина всегда побеждает.

Кнорозов подготовил кандидатскую диссертацию о расшифровке письменности майя. Работа была настолько впечатляюща, что молодому учёному присвоили звание не кандидата, а сразу доктора наук. Его теория давала способ прочтения любых текстов майя, превращала расшифровку индейской письменности в реальность.

Постепенно даже американские сотрудники Томпсона признали справедливость трактовки русского учёного. Исследователь индейских городов Татьяна Проскурякова с помощью метода Кнорозова сумела прочитать иероглифы, найденные на каменной стене в древнем городе Паленке. Они оказались жизнеописанием правителей майя.

К Юрию Валентиновичу Кнорозову пришло мировое признание: в России он получил Государственную премию, президент Гватемалы пригласил его посетить земли древних индейцев и вручил Большую золотую медаль, а президент Мексики наградил русского учёного серебряным орденом Ацтекского орла — высшей наградой для иностранцев. Но важнее всего было то, что сбылась мечта Кнорозова — он своими глазами увидел страну древних майя. Сидя на берегу тёплого моря под шелестящими пальмами, учёный смотрел на южные звёзды и был счастлив.

Томпсон, не соглашавшийся с теорией Кнорозова, написал коллегам гневное письмо, в котором предрёк, что к 2000 году его символическая трактовка иероглифов майя полностью победит фонетическую теорию Кнорозова. Письмо было опубликовано в 2000 году, уже после смерти Томпсона и Кнорозова, но к этому времени все учёные мира признали правоту русского лингвиста, который вернул язык онемевшей цивилизации майя — грандиозной и уникальной.

Благодаря труду Кнорозова мы узнали имена реальных людей, живших тысячелетия назад: художников и скульпторов, императоров и жрецов. Древние индейцы выращивали урожай, разгадывали тайны небосвода, защищали родные города от врагов. Они заслужили своё право остаться в истории мира, и помог им в этом тысячелетие спустя один молодой человек, живший в тихой музейной комнатке в Санкт-Петербурге.



Индейцы майя — жители Центральной Америки. Высокоразвитая цивилизация майя, зародившаяся за две тысячи лет до нашей эры, достигла значительных высот в архитектуре, математике, астрономии и литературе. Просуществовала до прихода испанских и португальских завоевателей Нового Света — конкистадоров (конец XV — начало XVI века).

Инки — индейцы Южной Америки. Крупнейшая Инкская империя (XI—XVI века) располагалась на западном побережье Южной Америки и насчитывала 20 миллионов подданных. В 1572 году государство инков уничтожили испанские конкистадоры.

Ацтеки — народ Центральной Америки численностью 1,5 миллиона человек. Они образовали мощную Ацтекскую империю, достигшую расцвета в XIV—XVI веках. Называли себя «мешика» — откуда произошло современное «мексиканец». На месте древней столицы ацтеков Теночтитлана сейчас располагается Мехико — столица Мексики.

Пауль Шелльхас (1859—1945) — известный немецкий лингвист и исследователь цивилизации майя.

Диего де Ланда (1524—1579) — второй епископ Юкатана. Автор рукописной книги «Сообщение о делах в Юкатане» (1566), которая содержит много важных сведений о цивилизации майя. Сжёг практически все рукописные книги майя.

Брассёр де Бурбур (1814—1874) — французский историк и лингвист, в 1862 году обнаруживший в архивах Мадрида рукопись книги де Ланды и опубликовавший её.

Эрик Томпсон (1898—1975) — англо-американский археолог и лингвист. Известный исследователь индейских цивилизаций Центральной Америки и основатель американской школы майянистики.

Татьяна Проскурякова (1909—1985) — американский археолог и лингвист, исследователь культуры майя. Родилась в России, в Томске. Специально приезжала в Россию, чтобы встретиться с Юрием Кнорозовым.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
10 Сен 2015 07:50:33
Louiza

Сказка о велосипедных механиках братьях Райт, которые построили летающую этажерку

Свистит налетающий с Атланти-ческого океана ветер. Он плотен и упруг, толкает в грудь, слезит глаза, а если отвернуться, то чувствительно давит в спину. Воздух пропитан солью и шумом прибоя, кипящего на краю пляжа.

Пляж — настоящее песчаное поле. В наклонной его части уложены рельсы, на которых стоит странная конструкция. Возле неё — шестеро взрослых и мальчик. Двое мужчин подбрасывают монетку, и один из них счастливо улыбается.

— Повезло тебе, Орвилл! — с завистью говорит другой — его брат Уилбер.

Орвилл забирается внутрь конструкции из еловых планок, ткани и тросов, похожей на большую этажерку. Раздаётся громкое тарахтение мотора — и, скользнув по рельсам навстречу океанскому ветру, странный аппарат взлетает в воздух.

Немногочисленные зрители разражаются радостными криками:

— Летит! Летит!

Полёт на высоте три метра продолжался 12 секунд, аппарат пролетел 39 м и… вписал в историю авиастроения имена братьев Райт — Уилбера и Орвилла, которые разыграли в орлянку, кому лететь первым. Они осуществили самую дерзкую и самую возвышенную мечту человечества о полёте. Случилось это 17 декабря 1903 года.

Братья Райт — американские конструкторы, пионеры авиастроения, создавшие управляемый самолёт: слева — Орвилл (1871—1948), справа — Уилбер (1867—1912)
Братья Райт — американские конструкторы, пионеры авиастроения, создавшие управляемый самолёт: слева — Орвилл (1871—1948), справа — Уилбер (1867—1912)



Монета в 25 центов, выпущенная в США в честь первого полёта братьев Райт.
Монета в 25 центов, выпущенная в США в честь первого полёта братьев Райт.
Конечно, у братьев было немало предшественников. Среди них французы братья Монгольфье. Они изобрели воздушный шар, на котором в 1783 году человек впервые оторвался от Земли. Считается, что с этого времени началась эра воздухоплавания. Но мечта о быстром — подобном птичьему — полёте не оставляла людей. В середине XIX века англичанин Джордж Кейли создал планер, который летел, подхваченный воздушными течениями. Немецкий инженер Отто Лилиенталь тоже построил серию планеров и совершил на них более двух тысяч полётов. Но все эти конструкции имели примитивную систему управления и не были оснащены двигателем.

В 1896 году беспилотный самолёт с паровым двигателем американ-ского астрофизика Семюэля Лэнгли пролетел 800 м над рекой Потомак. Несколько позже инженер Октав Шанют, тоже американец, со своими молодыми сотрудниками создал планер-биплан и приступил к его испытаниям.

Братья Райт интересовались авиацией с детства, с того момента, когда отец купил им игрушку — летающий самолёт с пропеллером на резиномоторе. Этот простейший двигатель представляет собой скрученный эластичный жгут из одной или нескольких резиновых нитей. Один конец жгута закрепляется неподвижно на модели, другой прицепляется к пропеллеру. Пропеллер закручивают пальцем (или дрелью) и затем отпускают. Когда игрушка сломалась, одиннадцатилетний Уилбер и семилетний Орвилл сами построили такую же модель. Вот так вовремя подаренные детям умные игрушки или книжки могут изменить ход истории.

Один из первых демонстрационных полётов самолёта братьев Райт в сентябре 1908 года в Форт-Мейере (штат Вирджиния).
Один из первых демонстрационных полётов самолёта братьев Райт в сентябре 1908 года в Форт-Мейере (штат Вирджиния)

Повзрослев, братья стали собирать литературу об авиации и размышлять о создании послушного, хорошо управляемого самолёта. За основу они взяли опубликованные чертежи биплана Октава Шанюта и принялись разрабатывать систему управления. В поисках наилучшей конструкции Уилбер и Орвилл использовали в расчётах формулы аэродинамики и данные испытаний планеров Отто Лилиенталя. Но самое главное — они построили собственную аэродинамическую трубу, в которой испытывали разные кон-струкции крыльев.

В 1900 году братья Райт вывели из ангара управляемый планер и начали его испытывать. Они совершили множество полётов и добились самого главного. Их аппарат успешно управлялся по трём осям: перекосом крыла достигался крен относительно продольной оси; носовым элеватором — поднятие и опускание носа самолёта относительно поперечной оси (тангаж) и хвостовым рулём — повороты вокруг вертикальной оси (рыскание). Этот способ управления до сих пор остаётся главным для всех типов самолётов.

Создав систему управления, кон-структоры приступили к поиску двигателя. Согласно расчётам, мотор будущего самолёта должен быть лёгким и обладать мощностью в восемь лошадиных сил. Но никто из производителей не мог выполнить такую задачу. Братья предложили построить двигатель Чарли Тейлору — механику, чинившему велосипеды и моторы в их магазине. За полтора месяца Тейлор, руководствуясь грубым эскизом братьев, создал лёгкий двигатель мощностью в двенадцать лошадиных сил!

Удивительно, но братья Райт практически сразу нашли талантливого механика, который сумел изготовить спроектированный ими мотор. Кажется, вот повезло! Но дело тут не в везении, а в упорстве и правильном подходе к работе.

В истории XIX века немало примеров неудачных попыток построить самолёт. То к хорошему планеру никак не находился лёгкий и мощный двигатель, то хороший двигатель пристраивали к непрочному и нестабильному самолёту. Братья Райт оказались первыми, у кого управляемый планер «подружился» с мотором. 17 декабря 1903 года аппарат, пилотируемый Орвиллом, совершил исторический полёт на песчаном атлантическом побережье Северной Каролины.

Избегая внимания журналистов и возможных конкурентов, братья совершенствовали свой самолёт ещё два года. Чарли Тейлор, который стал первым в мире авиамехаником, обеспечивал изготовление и работу двигателей. Но он и сам хотел научиться летать, а братья отказались его учить. Они убеждали Тейлора, что авиация — дело опасное, а Чарли — незаменимый человек в магазине, где он обслуживал машины и велосипеды. Братья боялись, что если Чарли станет пилотом, то они потеряют ценного работника.

Третий самолёт братьев Райт оказался самым удачным. В 1905 году они послали письма в американское военное министерство и в частную французскую фирму с предложением купить патент на их детище. Американские военные отнеслись к сообщению владельцев велосипедного магазина с большим недоверием. Военное министерство только что потратило огромные деньги — 50 тысяч долларов — на создание пилотируемого самолёта кон-струкции профессора Лэнгли. Попытка надводного взлёта с баржи с помощью катапульты привела к тому, что самолёт просто развалился. Пилот чуть не погиб. Неужели два велосипедных механика умнее одного профессора?!

С ещё большей опаской к сообщениям о самолёте братьев Райт отнеслись в Европе. Французские газеты сочли эту информацию блефом, а братьев Райт называли не «flyers» — «летуны», а созвучным английским словом «liars», то есть «лжецы».

В 1906 году Альберто Сантос-Дюмон, известный бразильский авиатор, конструктор управляемых воздушных шаров, создал удачный самолёт-моноплан. 23 октября при большом скоплении парижан Альберто пролетел на нём 60 м на высоте два-три метра. В отличие от аппарата братьев Райт, самолёт Сантос-Дюмона взлетал без рельсов и встречного ветра. Многие, особенно бразильцы, считают именно его создателем первого самолёта.

Известен интересный случай из биографии Сантос-Дюмона. Однажды он пожаловался своему другу, известному часовому мастеру и ювелиру Луи Картье, что во время полётов ему трудно пользоваться традиционными мужскими часами на цепочке, хранящимися в кармане жилета. Картье разработал для Сантос-Дюмона наручные часы на кожаном ремешке. Теперь пилот мог узнавать время, не отрывая руки от штурвала. С тех пор мужские наручные часы стали столь же популярны, как и женские. (Женщины стали носить часы на руке гораздо раньше, в основном как украшение.) Сантос-Дюмон охотно разрешал желающим копировать свой самолёт и даже публиковал его чертежи в популярных журналах. Он наивно верил, что авиастроение станет мирным и всеобщим занятием.

После двух лет безуспешных попыток привлечь внимание к своему самолёту, Уилбер и Орвилл Райты поняли, что исправить положение может только его публичная демонстрация. Уилбер отправился с самолётом во Францию, а Орвилл начал готовить другой аппарат для полётов в Вирджинии.

Крушение самолёта, управляемого Орвиллом Райтом, в Форт-Мейере 17 сентября 1908 года.
Крушение самолёта, управляемого Орвиллом Райтом, в Форт-Мейере 17 сентября 1908 года.

Восьмого августа 1908 года при большом скоплении заинтересованной, но скептически настроенной публики Уилбер совершил полёт недалеко от Парижа. Европейцы были потрясены. Пилот продемонстрировал отличную управляемость самолёта в полётах по кругу и по «восьмёрке». Скептики были посрамлены и принесли извинения. На следующий день братья Райт проснулись знаменитыми.

Демонстрационные полёты Орвилла Райта в Америке начались 3 сентября 1908 года в штате Вирджиния. Один из них продолжался более часа, и это произвело сильное впечатление на американских военных. По условиям контракта самолёт должен был перевезти пассажира. 17 сентября Орвилл взял на борт лейтенанта американской армии Томаса Селфриджа (хотя создатель мотора Чарли Тейлор очень хотел, чтобы пассажиром был он). На высоте 30 м пропеллер самолёта раскололся, и аппарат рухнул на землю. Чарли первый прибежал на место трагедии и вытащил из-под обломков Орвилла и его пассажира. Томас Селфридж погиб, став первой жертвой авиакатас-трофы. Пострадавшего Орвилла увезли в больницу, а потрясённый Чарли рыдал как ребёнок и успокоился лишь тогда, когда доктор заверил его, что жизнь Орвилла вне опасности.

После выздоровления Орвилл Райт с сестрой Кэтрин присоединились к Уилберу, и все вместе отправились в турне по южной Франции и Италии. Уилбер совершал многочисленные демонстрационные полёты и в качестве пассажиров брал на борт журналистов, политиков, кинооператоров. На выступлениях братьев Райт побывали короли Испании, Англии и Италии. Это был триумф талантливых кон-структоров.

Возвратившихся в Америку братьев Райт и их сестру пригласили в Белый дом. Президент США Уильям Говард Тафт вручил им награды. Летом 1909 года Орвилл закончил демонстрацию аппарата военным, и они купили самолёт за 30 тысяч долларов — огромные по тем временам деньги. В начале октября Уилбер на глазах миллиона ньюйоркцев совершил получасовой полёт над Манхэттеном, облетев вокруг статуи Свободы. Стать более знаменитыми было просто невозможно. Братья Райт превратились в национальных героев, в их честь воздвигали памятники и создавали музеи.

Разбогатев, Уилбер и Орвилл Райты в ноябре 1909 года создали свою авиационную компанию «Write Company». К сожалению, у братьев начались патентные споры с их основным конкурентом — Гленном Кёртиссом, выпустившим в годы Первой мировой войны 10 тысяч самолётов. В 1917 году правительство волевым решением выкупило патенты у спорщиков, передав их в общее распоряжение Ассоциации производителей самолётов. По иронии судьбы в 1929 году компания, основанная братьями Райт, объединилась с авиакомпанией их основного конкурента Кёртисса, образовав «Curtiss-Write Corporation», существующую до сих пор.

Уилбер Райт умер в 1912 году от брюшного тифа в возрасте 45 лет. Его брат Орвилл пережил старшего брата на 36 лет. В 1944 году на аэродроме братьев Райт приземлился огромный новейший самолёт «Super Constellation» с размахом крыльев 38,5 м, который мог перевозить больше ста человек со скоростью свыше 600 км/ч. На этой летающей громадине Орвилл Райт взлетел последний раз в жизни. Умер он 30 января 1948 года.

Самолёт братьев Райт в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне.
Самолёт братьев Райт в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне.

Изобретатель первого в истории авиационного двигателя авиамеханик Чарли Тейлор пережил обоих братьев и умер в 1956 году в доме для престарелых, нищий и забытый. Правда, после его смерти в США учредили премию имени Чарльза Тейлора, которой награждают механиков с большим стажем работы в авиации. 24 мая, в день рождения Чарли Тейлора, Америка празднует День авиамеханика.

Сейчас любой человек за несколько часов может преодолеть океаны и континенты, сидя в комфортабельном кресле реактивного лайнера, летящего на высоте 10 000 м со скоростью 900 км/ч. Мы должны быть благодарны за это братьям Райт и авиамеханику Чарльзу Тейлору. Ведь первый управляемый полёт был совершён на созданной ими летающей «этажерке», преодолевшей когда-то первые 39 воздушных метров…



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
Научные сказкиНаука, образование
10 Сен 2015 07:24:42
Louiza

Сказка об энтомологе Борнемиссе, или Как мухи чуть не съели Австралию

Вместе с героями книги «Звёздный витамин» — принцессой Дзинтарой и её детьми Галатеей и Андреем — вы снова отправляетесь в путешествие за знаниями. Автор вошедших в книгу занимательных научных сказок Николай Николаевич Горькавый по профессии астрофизик. Наверное, поэтому ему хочется, чтобы вы поняли, насколько наука — увлекательное и важное дело.

зинтара раскрыла книжку «Сто научных сказок» и стала выбирать – какую историю прочитать детям сегодня.

Младшая Галатея сразу запросила:

– Мама, расскажи про жучиного доктора!

У старшего Андрея глаза тоже засветились. Дети очень любили эту историю – уже сто раз Дзинтара её им рассказывала, а они снова просят. Принцессе не нужно было даже открывать книжку «Сто научных сказок», потому что историю про доктора Борнемиссу она знала уже наизусть.

Дзинтара посмотрела на часы и согласилась:

– Хорошо, расскажу про доктора, победителя мух и повелителя жуков, но потом – немедленно спать.

Галатея оживлённо заворочалась в кровати, устраиваясь поудобнее, и положила ладонь под румяную щёку.

– Жил‑был в одной маленькой европейской стране доктор Борнемисса. Он был энтомологом и изучал разных насекомых. Кто думает, что насекомых изучать – смешное занятие, тот просто мало думает. И случилось так, что правители этой страны обидели доктора, и он уехал далеко‑далеко – в Австралию.

– Я бы тоже не стала жить с людьми, которые меня обижают, – сказала Галатея.

– После долгого плавания по бурному морю высадился доктор Борнемисса на берег далёкого континента и поразился: вся Австралия была покрыта тёмными тучами. Но это были не дождевые тучи и не дым от пожаров. Тучи громко жужжали и жалились! Потому что они состояли из…

– Мух! – громко крикнула счастливая Галатея.

– Верно! Злые кусачие мухи летали везде и всюду так густо, что выйти на улицу без сетки возле лица было нельзя. Дети не могли играть на лужайках и сидели по домам. Даже уличных кафе в Австралии не было, потому что обедать на открытом воздухе было невозможно – мухи быстрее людей съедали содержимое тарелок.

Галатея помрачнела, и Андрей тоже нахмурился.

– Власти даже запретили кафе под открытым небом, чтобы они не приманивали в города новые тучи мух…

Жизнь диктует привычки: пилоты истребителей всё время оборачиваются – не заходит ли противник им в хвост, а жители Австралии привыкли всё время махать руками возле лица, отгоняя крылатых кусачих тварей.

Решил доктор Борнемисса спасти континент от этой напасти. И стал распутывать ужасную детективную историю по захвату Австралии мухами.

Оказывается, этих летающих «монстров» раньше было гораздо меньше. В их размножении оказались виноваты сами люди, которые, переезжая в Австралию из Англии и других стран, привезли с собой множество скота, особенно коров, которые дают полезное молоко и сыр… ну, мясо и шкуры тоже, хотя тут слово «дают» не очень подходит. Мясо и шкуры у коров попросту отбирают.

– Лучше не отбирать, а дружить! – невпопад сказала Галатея, а Андрей покосился на неё и фыркнул.

– Коровам Австралия очень понравилась, особенно огромные пастбища с травой, без волков и прочих хищников. И коров развелось видимо‑невидимо. А каждая корова в день поедает много килограммов травы и даёт не только молоко и мясо, но и…

– Навоз! – Галатея просто зашлась от смеха. В определённом возрасте шутки про какашки очень популярны.

– Правильно. Каждая корова даёт в день много килограммов навоза. Именно на этом навозе и развелись те сонмища мух, которые покрыли Австралию чёрной тучей.

Удивился доктор Борнемисса такому обороту событий, ведь в его маленькой стране коров тоже много, но такого мушиного безобразия нет. Доктор провёл исследование и выяснил, что австралийские навозные жуки не справляются с таким обилием непривычного для них коровьего навоза. Поэтому сухие коровьи лепёшки валяются по пастбищам годами, служа роддомом для мух. И решил доктор Борнемисса найти таких жуков, которые смогли бы жить в жарком австралийском климате и питаться коровьим навозом.

– Питаться навозом! – взвизгнула от восторга Галатея, и Андрей тоже ухмыльнулся.

– Тридцать лет воевал доктор Борнемисса с мухами. Он ездил по всему миру в поисках подходящих навозных жуков. В Африке он прожил девять лет и всё‑таки нашёл крупных синих насекомых, которым был по плечу и по зубам австралийский навоз. Доктор Борнемисса привёз африканских жуков в Австралию и выпустил на волю. Быстро размножились эти жуки и очистили пастбища от навоза, а заодно и почву взрыхлили и удобрили. И исчезли тучи мух, которые кружили над Австралией.

Жуки-навозники скатывают навоз в шарики и откладывают в них яички. Из яичек вылупляются личинки, которые, так же как и сами жуки, поедают навоз.
Жуки-навозники скатывают навоз в шарики и откладывают в них яички. Из яичек вылупляются личинки, которые, так же как и сами жуки, поедают навоз.

Выбежали дети и собаки на лужайки, стали играть и смеяться, купаться в прудах и речках.

Галатея заулыбалась. Это место ей больше всего нравилось.

– В Австралии появились машины с открытым верхом и уличные кафе. Люди стали сидеть на свежем воздухе, пить кофе и читать газеты, есть булочки и целоваться без вмешательства мух. Так доктор Гергей Борнемисса сделал счастливыми жителей целого континента! И они, благодарные, ещё при жизни поставили ему несколько памятников, а королева наградила его самой большой наградой Австралии.

Экологи объявили работу доктора Борнемиссы самым успешным экспериментом по биоконтролю в двадцатом веке.

Каждый австралиец теперь знает, что нет ненужных наук, и человек, который изучает навозных жуков, ничуть не менее важен, чем человек, который исследует звёзды!

Андрей проворчал:

– Глупые были правители той страны, где Борнемисса раньше жил. Если бы они его не обидели, он бы тоже для них что‑нибудь хорошее сделал.

Дзинтара согласилась:

– Да, обижать учёных – это очень большая глупость. А теперь вам обоим надо спать.



Примечания для любопытных:

Гергей Борнемисса (род. 1924) – энтомолог и эколог. Родился в Венгрии, в 1951 году переехал в Австралию. Задумал и реализовал успешный проект по сокращению числа австралийских мух. 20 новых разновидностей жуков и других насекомых были названы в его честь.

Австралия – континент, который стал заселяться англичанами с конца XVIII века. Вместе с англичанами Австралию заселили и коровы.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
|1|2| >>>