Scisne?

Научные сказки

|1|2| >>>
# 18 Мая 2014 19:40:23
Louiza

50 сказок о науке


http://f6.s.qip.ru/5XIri7WV.jpg Астрофизик, докт. физ.-мат. наук, ведущий аналитик в группе спутника «Суоми» (NASA) Николай Горькавый прислал в редакцию ТрВ-Наука один из своих рассказов, вошедших в его новый сборник «Создатели времен» (Астрель-ACT). Мы бы хотели привлечь внимание читателей к этому необычному научно-популярному жанру — научной сказке.

Предисловие

Автор — астроном. Он свободно перемещается внутри Солнечной системы и знает каждый ее уголок, а также заглядывает в планетные системы и других звезд — Бета Пикторис, Эпсилон Эридана и голубой Веги.

Однажды автору захотелось заглянуть в будущее. Захотелось так остро, что стало понятно, что с этим надо что-то делать. Но машины времени еще не изобрели — и вряд ли изобретут, потому что будущее, в которое хочется слетать, еще не осуществилось. А если добраться до этого будущего медленным ходом — как все, кто не имеет машины времени,— то окажется, что возвращаться уже некуда — прошлого, в котором жил когда-то, уже нет.

Тогда автор решил написать книгу про наиболее вероятное будущее, чтобы, читая ее, можно было очутиться в этом будущем вместе с героями книги. Конечно, это только вероятное будущее — но оно ничем не хуже другого, потому что любое будущее, пока не реализовалось, балансирует на острие вероятности, подчиняясь воле людей, — и каким оно будет, зависит только от нас.

Автор написал такую книгу о будущем, и она вышла под названием «Астровитянка». В книге рассказывается о мире XXIII века, в котором люди летают на удобных и быстрых космических кораблях, беседуют по душам с умными компьютерами, создают города на Марсе и обсерватории на Обероне.

Дети XXIII века, которые хотят стать учеными, инженерами или писателями, мечтают попасть в знаменитую школу-интернат имени Эйнштейна на Луне. Они готовятся к экзамену в эту школу с самого раннего детства — нередко родители даже читают им на ночь не обычные волшебные, а совершенно необычные научные сказки.

Одна из героинь книги, принцесса Дзинтара, рассказывала своим детям истории из толстой книги «Сто научных сказок» — и читатели «Астрови-тянки» смогли прочитать одну из них.

Когда «Астровитянка» была напечатана, то посыпались вопросы читателей — а где можно купить книжку «Сто научных сказок»?

Ответ был простой — нигде, потому что такой книги еще не существует. Но такие простые ответы не приносят счастья.

Автор призадумался и пообещал читателям написать такую книгу, тем самым реализовать хотя бы малую часть описанного. Почему бы и не осуществить будущего, в котором хочется очутиться?

Первый сборник научных сказок «Звездный витамин» вышел в 2012 году, второй — «Небесные механики» — в 2013. Обе книги были приняты читателем очень хорошо — и вот перед вами уже третий сборник научных сказок, повествующий о создателях времен, о людях, которые создали наше будущее, несмотря на то, что часто жили они в далеком прошлом.

Эти три книги в сумме содержат 50 научных сказок — и автор полон решимости выполнить свое обещание и довести это количество до 100.


Сказка о камнях, летающих по небу

Гроздья янтарных ягод заставляли лозу сгибаться до земли. Крестьяне, работающие на полях вблизи французского городка Люсэ, спешили с уборкой урожая: сверкали в загорелых руках острые ножи, и корзины быстро наполнялись тугими виноградными кистями. Двое подростков относили поскрипывающие от веса плетенки на край поля. Сентябрьское солнце клонилось к западу, но времени до заката оставалось достаточно. Неожиданно в чистом голубом небе что-то ярко вспыхнуло и возникло странное облако. Многие крестьяне оставили работу и выпрямились, разглядывая зловещий дым. Неспешно переговариваясь, они смотрели на облачко, загораживаясь от солнца козырьками из мозолистых ладоней. Вдруг грянул неожиданный гром, заставивший многих испуганно вскрикнуть. Те, кто внимательно следил за облаком, успели увидеть темный предмет, промелькнувший на фоне синего неба и врезавшийся совсем недалеко от виноградника.

Подростки первыми бросились к месту падения небесного камня. Поколебавшись, за ними отправились и остальные.

В неглубокой яме лежал черный, словно обугленный, камень. Крестьяне осторожно подошли к пришельцу, окружили его кольцом. Нервы у всех были напряжены, многие крестились и шептали молитвы. Самый непоседливый паренек Жак протянул руку, коснулся камня — и вскрикнул! Этого уже крестьяне не выдержали — и дружно шарахнулись от страшного камня, прилетевшего с неба.

Только Жак остался на месте, воскликнув:

— Ничего страшного, он просто оказался холодным! Я думал — будет горячий, а он как лед!

Действительно, небесный камень был промороженным, словно прилетевшим из зимы.

Все крестьяне побросали работу и дружно отправились к мэру города Люсэ. Гордый Жак тащил небесный камень — никто больше не хотел иметь с ним дело.

Мэр выслушал взволнованных очевидцев падения камня — и сразу поверил им. Эти трудолюбивые люди не будут выдумывать нелепицы, чтобы морочить ему голову. Да вот и сам камень — всё еще странно прохладный, словно небеса сделаны изо льда. Мэр поблагодарил крестьян, забрал находку и отправил ее во Французскую академию наук вместе с сопроводительным письмом, рассказывающим о падении небесного камня ранним вечером 13 сентября 1768 года.

http://f6.s.qip.ru/5XIri7WW.jpg
Рис. 1. Коллекция метеоритов Смитсонианского музея натуральной истории (Вашингтон). Слева вверху: каменный марсианский метеорит со следами плавления в атмосфере. Слева внизу: палласит, железокаменный метеорит. Справа вверху: металлический метеорит, покрытый характерными вмятинами из-за частичного расплавления. Справа внизу: видманштеттеновы фигуры на срезе металлического метеорита. Фото автора

Никто не знал, откуда берутся такие камни. В те времена многие обыватели считали, что это «громовые камни», которые рождаются в небе громом. А большинство ученых считало истории о камнях с неба народными суевериями.
Французская академия наук назначила специальную комиссию по изучению громового камня, якобы упавшего возле города Люсэ. Туда входил знаменитый химик Лавуазье, открыватель кислорода в атмосфере Земли. Комиссия исследовала камень и признала его результатом удара молнии в песок. «Камни с неба падать не могут!» — твердо заявила комиссия. И Французская академия держалась этой позиции очень долго, высмеивая всех легковерных и суеверных обывателей.

В середине того же века, в 1749 году, в далекой тайге под Красноярском сибирский казак Яков Медведев наткнулся на странную глыбу — она была явно металлической, но включала множество желтых полупрозрачных камней. Металл был покрыт мхом, но ржавчиной не тронут. Казак Медведев был кузнецом и решил пристроить глыбу к делу. С большим трудом он перевез семисоткилограммовую глыбу в Красноярск. Но странный металл не поддавался молоту — ничего выковать из него кузнец не смог. Больше двадцати лет пролежала глыба, пока в 1772 году в Красноярск не приехал петербургский академик Паллас, который путешествовал по Сибири по заданию Академии наук. Найденная Медведевым железная глыба заинтересовала ученого и вскоре была доставлена в Петербург, где из нее напилили немало кусков, — и они отправились по многим странам Европы. Образцы «Палласова железа» попали и в Парижскую академию наук, а также к немецкому ученому Эрнсту Хладни, бывшему иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

Французские академики, узнав, что этот тяжеленный камень упал, по мнению сибирских казаков и охотников, с неба, только посмеялись диким суевериям жителей далекой Сибири. Академики не поверили и очередному сообщению о небесных камнях, которое пришло от мэра гасконского города Жюльяка. Хотя письмо было подписано тремя сотнями очевидцев падения метеорита, французские академики обозвали мэра города Жюльяка суеверным глупцом.

Но Эрнст Хладни не побоялся пойти против мнения французких академиков и издал в 1794 году книгу о «Палласовом железе». В своей книге Хладни доказывал, что такие «глыбы самородного железа», а также падающие с неба камни прилетели из космоса и являются, видимо, осколками крупных космических тел. Труд Хладни ознаменовал начало новой науки — метеоритики, которая изучает камни, падающие с неба.

Чтобы поддержать смелого Хладни, в том же году камни с неба просто посыпались. И ученые разных стран стали признавать правоту теории о небесных камнях.

Только французские академики держались стойко и не хотели отменять свое постановление о невозможности падения небесных камней. Лишь когда в 1803 году во Франции выпал настоящий метеоритный дождь, только тогда академики сдались, скрипя зубами.

Сейчас метеоритика — активно развивающаяся наука, которая исследует химический и физический состав прилетающих с неба камней.

Метеориты бывают каменными, железными и железокаменными. Следы оплавления видны на поверхности железных метеоритов в виде характерных вмятин — регмалиптов — или, на каменных метеоритах, в виде бороздок, отмечающих движение капель расплавленного камня, которые сдувались набегающим потоком воздуха. Но хотя поверхность небесного камня плавится при падении, внутри он хранит холод межпланетного пространства. Считанные секунды стремительного полета в атмосфере недостаточны для прогревания массивного камня, и нередко вокруг упавших крупных метеоритов образуется иней. Небольшим метеоритам легче нагреться и они, наоборот, могут быть на ощупь теплыми и даже растопить снег, в который они упали.

http://f5.s.qip.ru/5XIri7WX.jpg
Рис.2. Бзрыв болида над Челябинском 15 февраля 2013 года. Кадры из видео Сергея Жабина (Челябинск)

Каменные метеориты падают гораздо чаще железных, но найти их на земле труднее. Каменные метеориты состоят, в основном, из таких минералов, как оливины и пироксены. Среди каменных метеоритов выделяют хондриты — метеориты, включающие округлые зерна древнего космического вещества — хондры. Это явный признак космического происхождения камня.

Железокаменные метеориты представляют собой железную губку, в порах которой находятся камни (как у палласитов), или наоборот — каменистую губку с металлическими прожилками. На Земле такие породы не встречаются.

Железные метеориты состоят из никелистого железа или твердого раствора никеля в железе. Когда немецкий ученый Видманштеттен распилил железный метеорит и протравил поверхность распила кислотой, то обнаружил таинственные узоры, которые сейчас называют «видман-штеттеновыми фигурами». Ученые немало поломали голову над их образованием, пока наконец не доказали, что эти узоры образованы сложным взаимным проникновением железа и никеля, возможным только в условиях космоса.

К очень редким метеоритам относятся лунные и марсианские метеориты.

— Лунные и даже марсианские? Как же они попали на Землю? — удивился Андрей.

— И Луна, и Марс обстреливаются астероидами, которые при ударе образуют кратеры и тучу разлетающихся обломков. Благодаря разреженной атмосфере Марса и практически ее полному отсутствию на Луне, некоторые обломки выходят в космос и блуждают между планетами, пока не упадут на какое-нибудь другое космическое тело. Изредка такие космические скитальцы попадают и на Землю.

— Но как можно определить, что этот метеорит — с Марса? — заинтересованно спросила Галатея.

— Ученые определяют происхождение метеорита по его химическому составу. Космохимики — это настоящие кудесники, с помощью химических анализов и современных приборов они могут рассказать о метеоритах множество интереснейших историй.

Одна научная группа даже нашла признаки окаменелых бактерии в одном из марсианских метеоритов, подобранных в Антарктиде. Правда, другие ученые отнеслись скептично к этим «марсианским бактериям».

— В Антарктиде? — подняла брови Галатея. — Там же все метеориты сразу засыпает снегом!

Дзинтара пояснила:

— Антарктида оказалась удобным местом для поиска метеоритов. Они падают на ледник и, действительно, быстро покрываются снегом. Но ледник с застрявшими метеоритами течет к океану, как очень медленная река. И на более теплом побережье, где лед тает, постепенно скапливается большое количество метеоритов, вынесенных ледяной рекой из центра континента.

Постепенно учеными была осознана и опасность таких небесных пришельцев.

В 1908 году, в районе сибирской реки Подкаменная Тунгуска, взорвался каменный астероид размером в 60 м. Он повалил лес на площади в тысячу километров. Многочисленных жертв удалось избежать только благодаря малонаселенности этой глухой сибирской тайги.

http://f6.s.qip.ru/5XIri7WY.jpg
Рис.3. Вверху: облако пара и пыли, оставленное взрывом Челябинского суперболида. Фото Эльзы Кобелевой (село Петропавловка Кусинского района челябинской области), сделано спустя 4 минуты после взрыва. Внизу: американский спутник «суоми» обнаружил пылевое облако, оставленное болидом в стратосфере. Компьютерная анимация студии научной визуализации NASA (GSFC).

В Аризоне существует кратер с диаметром более километра. Он возник 50 тысяч лет назад из-за удара железоникелевого астероида 50 м в диаметре.

66 миллионов лет назад астероид 10 км в диаметре — «убийца динозавров», как его часто называют- оставил в Центральной Америке кратер Чиксилуб размером в 180 км. Удар суперметеорита вызвал суперцунами и мощную сейсмическую волну, породившую всплеск землетрясений и вулканических извержений. Из-за запыления атмосферы климат планеты поменялся, и динозавры вымерли.

Но даже небольшие астероиды опасны. 15 февраля 2013 года над Челябинском взорвался каменный астероид размером в 20 м и весом более 10 тыс. тонн. В миллионном городе были разбиты стекла в тысячах домах, а крыши некоторых зданий были серьезно повреждены. Полторы тысячи жителей обратились за медицинской помощью — лечить порезы от стекол и ушибы.

- А почему взорвался астероид? Разве камни могут взрываться? — спросила удивленно Галатея.

- Камень прекрасно взрывается, если летит со скоростью почти в 20 км/с. Кинетическая энергия килограмма такого небесного камня оказывается в 40 раз больше, чем энергия килограмма мощной взрывчатки. Если такой камень сталкивается с атмосферой, то разрушается- и его кинетическая энергия выделяется в виде светового излучения и ударной воздушной волны.

Мощность взрыва Челябинского болида достигала 500 тыс. тонн обычной взрывчатки или 30 хиросимских атомных бомб. Челябинский болид показал, что тело даже в десятки метров может оказаться смертоносным для целого города. Жителей уральского города спасла только пологая траектория болида, который вошел в атмосферу под углом меньше 20°, из-за чего его путь в атмосфере удлинился и он сгорел на высоте 30 км. Если бы траектория была круче, то болид взорвался бы ниже, — и город получил бы серьезные разрушения.

http://f6.s.qip.ru/5XIri7WZ.jpg
Рис.4. Пылевое кольцо вокруг земли, сформировавшееся через неделю после взрыва челябинского болида. Фото из статьи Горькавого и др. (Письма в геофизический журнал, сентябрь, 2013)

Мы живем на космическом корабле — планете Земля. Эта планета огромна для нас, но по масштабам космоса — это утлое суденышко. Она хорошо защищена от метеоритов и опасных излучений атмосферой и магнитным полем, но любая естественная защита имеет свои пределы — и если люди не хотят испытать на себе судьбу динозавров, они должны научиться защищаться от падающих из космоса тел, а также поставить перед собой задачу постепенного расселения по другим телам Солнечной системы. Если на Луне и Марсе возникнут города, то человечество станет космическим — и перестанет бояться угроз со стороны случайных пришельцев.

- На Луне людям понравиться жить! — авторитетно заявила Галатея. — На Луне человек может летать на крыльях, как птица!




Антуан Лавуазье (1743-1794) — знаменитый французский ученый, один из основателей современной химии. Казнен революционерами.

Эрнст Хладни (1756-1827) — видный немецкий физик. Заложил основы метеоритики.

Петр Симон Паллас (1741-1811) — знаменитый естествоиспытатель. Родился в Германии, переехал в Россию в 26 лет, где и прожил 43 года — практически всю жизнь, совершая путешествия по Сибири и издав много книг.

Палласово железо — железокаменный метеорит, который Паллас увидел в Сибири и привез в Петербург. Этот классжелезокаменных метеоритов называется сейчас «палласитами».

Алоиз Видманштеттен (1753-1849) — известный австрийский исследователь метеоритов.

Оливины — полупрозрачные минералы (силикаты) зеленоватого цвета. Встречаются в метеоритах и в вулканических породах на Земле.

Пироксены — силикаты темного цвета.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
# 27 Мая 2015 12:40:28
Louiza

Научные сказки

Автор этих книг Николай Николаевич Горькавый (Ник. Горькавый — это его псевдоним) — астрофизик, доктор физико-математических наук, писатель, соавтор двух детских энциклопедий: «Энциклопедия для детей. Том 8. Астрономия» и «Большая детская энциклопедия. Вселенная». Он убеждён, что мир принадлежит умным и образованным. Сейчас Ник. Горькавый заканчивает работу над сборником «Звёздный витамин». И мы предлагаем вам познакомиться с некоторыми «научными сказками» из этой книги.


Сказка о монахе Менделе, который нашёл великий закон на грядке с горохом


Жужжали пчёлы, деловито облетая цветы в поисках нектара. Цветы не возражали и даже, наоборот, старались привлечь крылатых тружеников сладким запахом и яркими красками. В ту пору летнее кипение белых, синих, красных, жёлтых цветов было настолько привычным зрелищем, что люди редко замечали это разноцветье. Тем более равнодушны к таким пустякам были крестьяне, которые работали с утра до вечера не меньше озабоченных пчёл.

Грегор Иоганн Мендель (1822—1884) — австрийский биолог и ботаник, основоположник учения о наследственности. Портрет 1884 года
Грегор Иоганн Мендель (1822—1884) — австрийский биолог и ботаник, основоположник учения о наследственности. Портрет 1884 года

Мальчик Иоганн Мендель тоже был из крестьян. Его семья уже 130 лет владела фермой в маленьком сельском городе Хейнцендорфе на территории нынешней Чехии. Здесь деды и прадеды Иоганна провели свою жизнь в неустанных трудах и заботах. Мальчик со своими сёстрами — младшей Терезой и старшей Вероникой — тоже работал целыми днями, ухаживая за садом и пчёлами. Но, в отличие от других, он не потерял способности удивляться окружающей его природе:

«Почему одни цветы — красные, а другие — белые? А васильки всегда синие? Откуда семечко знает, что оно должно дать синий, а не жёлтый цветок? А вот котята у кошки не всегда похожи на неё по цвету шерсти. Почему?»

— Действительно, почему? — спросила Галатея маму, читающую очередную сказку.

— Сейчас мы об этом поговорим, — ответила Дзинтара. — Но меня интересует вот что: почему рано или поздно среди тысяч обычных мальчиков и девочек появляется необычный подросток, который не только задаётся странными вопросами, но и готов потратить свою жизнь на поиски ответов на них? Именно такие люди открывают истины, которые никто до них не мог найти.

Франц Унгер (1800–1870) — австрийский ботаник, один из первых цитологов (исследователей живой клетки) в мире
Франц Унгер (1800–1870) — австрийский ботаник, один из первых цитологов (исследователей живой клетки) в мире

Иоганн закончил гимназию и стал мечтать об университете. Ферма семью кормила, но богатства не давала, поэтому денег на полный курс университета у Иоганна не было. В двадцать лет юноша ушёл в монахи, в католический монастырь города Брно. В монастыре были хорошая библиотека, сад и монастырская школа, которая нуждалась в преподавателях физики и биологии. Иоганн, принявший монашеское имя Грегор, впитывал знания как губка и хотел стать преподавателем. Талантливого юношу поддержал аббат Кирилл Напп (1792–1867) — он послал его на два года учиться в Венский университет за счёт монастыря. В университете учителями Менделя были известные учёные — ботаник-цитолог Франц Унгер и физик Кристиан Доплер.

Кристиан Доплер (1803–1853) — австрийский физик, открыватель эффекта, названного его именем
Кристиан Доплер (1803–1853) — австрийский физик, открыватель эффекта, названного его именем

После окончания университета Мендель пытался получить диплом преподавателя, но два раза подряд проваливался на экзамене по биологии.

— Почему? — изумилась Галатея. — Ведь он так любил и знал этот предмет!

— Детали этой истории неизвестны. Возможно, экзаменаторы были слишком консервативны или сказалось отсутствие у Менделя систематического образования. Так или иначе, Иоганн, которому к тому времени уже исполнилось 34 года, оказался в тупике: в преподаватели его не взяли, и официально заниматься наукой он не имел возможности.

И снова Менделю помог аббат Напп из монастыря в Брно. Пожилой аббат и молодой монах долго разговаривали, сидя на скамейке в монастырском саду, в окружении цветов и пчёл, — и этот разговор определил жизненный путь Менделя. Он вернулся в аббатство и приступил к самостоятельным занятиям наукой в монастырском саду. Этот сад площадью в два гектара и стал его главной исследовательской лабораторией. Мендель начал искать ответ на вопрос, который волновал его с детства: «Почему одни цветы — красные, а другие — белые?» Но сейчас его поставил перед собой не ребёнок, а зрелый исследователь, который понимал, что получить любой ответ от природы можно только с помощью тщательно подготовленного эксперимента.

Мендель выбрал для своих научных опытов горох — культуру, которая цветёт разными цветами. Важно было и то, что пчёлы, которые обычно переносят пыльцу с растения на растение, не мешали экспериментам: горох является самоопылителем. Иоганн посадил 34 сорта гороха и стал ждать результата. Он выделил семь признаков, которые хотел исследовать.

Цветок гороха. Рисунoк Есиюки Ибараки (Yoshiyuki Ibaraki)
Цветок гороха. Рисунoк Есиюки Ибараки (Yoshiyuki Ibaraki)

— Постой, мама, — перебила Галатея. — Что за признаки?

— Мендель хотел понять, как наследуются родительские признаки у потомства. Например, у человека можно выделить такой явный признак, как цвет глаз. Если у одного из родителей глаза голубые, а у другого — карие, какой цвет глаз будет у их ребёнка? Мендель хотел получить ответ на этот вопрос, только применительно не к людям, а к растениям.

—А разве у растений есть глаза? — спросила озадаченная Галатея.

— Нет, конечно. Но Мендель выделил семь явных признаков у гороха — красный или белый цветок, жёлтый или зелёный цвет горошины, гладкая или морщинистая кожура у семени и т. д.

Рассмотрим для примера один признак — красный или белый цветок. Мендель отобрал сорт гороха, который цветёт только красным цветом, и сорт гороха, дающий только белые цветы. Исследователь высаживал эти сорта на отдельных грядках, потом получал от взрослых растений семена и снова их высаживал. В течение трёх лет Мендель следил за своими грядками и убедился, что грядка с красными цветами всегда даёт горошины, которые снова прорастают только красными цветами. Грядка с белыми цветами также никогда не нарушала белизну своего цветения.

После этого Мендель приступил к гибридизации — скрещиванию растений с белыми и красными цветами.

— Как он это делал? — спросила любопытная Галатея.

— Он убирал пыльцу с красных цветков и переносил на них пыльцу с белых и, наоборот, убрав пыльцу с белых цветов, переносил на них пыльцу красных. Осенью исследователь собирал получившиеся горошины и высаживал их на следующий год. Мендель хотел посмотреть, каким цветом будет цвести получившийся гибрид — потомство двух чистокровных и отличающихся по цвету родителей. Каково же было его удивление, когда гибрид выпустил только красные цветки! Куда же делся белый цвет? Видимо, он проиграл по силе признака красному.

Это был важный результат. Мендель назвал красный цвет цветка гороха доминантным, то есть главенствующим признаком, а белый — рецессивным, то есть уступающим признаком. Мендель продолжил эксперимент: он скрещивал друг с другом уже гибриды — растения второго поколения, которые цвели только красным цветом, и снова высаживал получившиеся семена.

И снова сюрприз!

Третье поколение давало и красные и белые цветы. Мендель подсчитал число растений на грядке, цветущих красными и белыми цветами, — и их соотношение оказалось точно три к одному: количество растений с красными цветами составляло три четверти от общего количества гороховых стеблей на грядке, а растений с белыми цветами — одну четверть.

Мендель был поражён. Он долго анализировал результаты экспериментов, повторял их на других признаках, в том числе и на цвете и морщинистости горошины. Результат был всегда одинаков! Во втором поколении доминирующий признак всегда подавлял рецессивный, но в третьем поколении рецессивный признак снова проявлялся в каждом четвёртом цветке.

Почти тридцать тысяч растений гороха вырастил и изучил Мендель. Семь лет опытов и два года анализа результатов. Наконец, он получил отчётливую картину наследования признаков.

— Что за картина? — нетерпеливо спросила Галатея.

— Мендель понял, что в горохе должен быть парный элемент наследственности!

Чтобы разобраться, обозначим этот элемент для делянки, где из поколения в поколение растут только красные цветы, двумя буквами КК. Наследственный признак для грядки с белыми цветами обозначим буквами ББ. Когда скрещиваются растения с элементами КК и ББ, то каждый из них отдаёт половинку своего парного элемента наследственности, и они смешиваются в потомстве, которое приобретает гибридный элемент КБ. В этом случае доминирующий признак К подавляет признак Б, и в результате появляется красный цветок. Если скрестить два гибрида КБ второго поколения друг с другом, то они снова отдадут потомству половину своего гена. В третьем поколении при встрече многих элементов К и Б могут возникнуть следующие пары: КК, ББ и КБ и БК.

В результате многолетних опытов Мендель доказал, что от каждого из родителей зародышевая клетка наследует по одному «наследственному задатку» (позднее их назовут генами). Каждый из задатков определяет какой-то признак — например, красную окраску цветков. Если в клетку попадают одновременно задатки, определяющие красную и белую окраску, то проявляется только один из них. Второй же остаётся скрытым. Чтобы вновь проявился белый цвет, необходима «встреча» двух задатков белой окраски. Согласно теории вероятности, в следующем поколении это произойдёт один раз на каждые четыре сочетания. Отсюда и соотношение 3 к 1. И наконец, Мендель сделал вывод о том, что открытые им законы распространяются на всё живое, ибо «единство плана развития органической жизни стоит вне сомнения»
В результате многолетних опытов Мендель доказал, что от каждого из родителей зародышевая клетка наследует по одному «наследственному задатку» (позднее их назовут генами). Каждый из задатков определяет какой-то признак — например, красную окраску цветков. Если в клетку попадают одновременно задатки, определяющие красную и белую окраску, то проявляется только один из них. Второй же остаётся скрытым. Чтобы вновь проявился белый цвет, необходима «встреча» двух задатков белой окраски. Согласно теории вероятности, в следующем поколении это произойдёт один раз на каждые четыре сочетания. Отсюда и соотношение 3 к 1. И наконец, Мендель сделал вывод о том, что открытые им законы распространяются на всё живое, ибо «единство плана развития органической жизни стоит вне сомнения»

— Постой, мама, я не понимаю! — заявила Галатея.

— Давайте проверим это сами, — сказала Дзинтара.

— Как? — удивился Андрей. — Горох быстро вырастим?

— А вот как... — и Дзинтара объяснила суть опыта.

Дети быстро нашли среди своих игрушек шарики красного и белого цвета и сложили их в два мешка — в каждом шарики только одного цвета. Мешок с красными шариками взял Андрей, с белыми — Галатея. Дзинтара сказала Андрею:

— Каждый мешок иллюстрирует грядку с чистокровными растениями. Мешок Андрея — грядка с красными цветами. А твой, — обратилась Дзинтара к дочери, — соответствует сорту гороха с белыми цветами. Давайте сделаем гибрид.

Дети засунули руки в мешки и вытащили по шарику. Получилась пара из красного и белого шариков.

— Красный и белый шарики — это и есть наследственная информация, которую гибрид КБ получил от своих родителей. Теперь сделайте таким же способом штук сорок гибридов, только разделите их на две условные «грядки».

Вскоре перед Галатеей и Андреем лежало по двадцать пар разноцветных шариков.

— Это две грядки растений второго поколения. Какого цвета у них будут цветы?

Галатея замялась, зато Андрей быстро сказал:

— Красные, потому что в каждом растении есть красный шарик... то есть наследственный элемент, который доминирует и подавляет белый элемент.

— Верно, теперь создадим гибрид следующего поколения. Каждое из растений может отдать половину своей информации. Возьмите в руку два шарика одного растения — красный и белый, но не смотрите на них. Покатайте их в руках и, не глядя, положите сюда один, случайно выбранный, шарик.

Дзинтара показала на пустое место перед собой.

— А оставшийся шарик бросьте в мешок: он нам не нужен.

Дети вытащили по красному шару. Дзинтара прокомментировала:

— Вот и первый росток гороха с набором КК. Следующий!

Следующим Андрей выложил белый шар, а Галатея — красный.

— Получился гибрид КБ, — кивнула Дзинтара и отодвинула разноцветную пару в сторону от одноцветной красной пары. Затем дети вытащили по белому шару.

— А это нечто новенькое! — обрадовалась Дзинтара и положила белую пару отдельно от других. — Мы получили растение с двумя рецессивными элементами ББ.

Тут уже Галатея опередила брата и, указав на получившуюся пару, закричала:

— У него будут белые цветы! А у первых двух — красные!

— Молодец! — похвалила Дзинтара дочь. — Продолжайте выращивать новые гибриды.

Дети быстро «вырастили» сорок цветков третьего поколения.

— А теперь подсчитаем, сколько и каких гибридов получилось, — предложила Дзинтара.

Оказалось, что на «грядке» появилось 11 красных пар, 11 белых и 18 разноцветных.

— Сколько будет растений с красными цветами, а сколько — с белыми?

Тут первым оказался Андрей:

— 11 с белыми и 29 с красными!

— Верно. Примерно четверть белых цветов и три четверти красных. У нас приближённо получилась четверть, потому что мы «вырастили» всего сорок условных растений. А Мендель выращивал многие тысячи реальных растений, и у него получилось соотношение 1 к 3 с большой точностью.

Закон, открытый Менделем, позволял заранее предсказывать свойства будущего потомства. Но самое главное: закон Менделя свидетельствовал, что в растении есть некий дискретный (изменяющийся) элемент наследственности, который может расщепляться и передаваться потомкам. Это было открытие века! Кроме того, Мендель доказал, что наследование идёт через пыльцу, то есть через половые клетки растений. Это тоже было важнейшим достижением. Например, великий Чарлз Дарвин (1809–1892) считал, что генетическая информация от родителей к детям передаётся через кровь. Выражение, что в чьих-то жилах течёт «голубая кровь» благородных предков, как раз и отражало убеждение, что кровь служит передатчиком наследственной информации.

Учёный Фрэнсис Гальтон, двоюродный брат Чарлза Дарвина, доказал, что это не так. Он переливал кровь чёрных кроликов белым и наблюдал за потомством белых кроликов с «чёрной кровью». В трёх поколениях таких кроликов не нашлось никакого нарушения белого (снежного) окраса.

Фрэнсис Гальтон (1822–1911) — известный английский учёный, основоположник дактилоскопии (двоюродный брат основателя эволюционного учения Чарлза Дарвина)
Фрэнсис Гальтон (1822–1911) — известный английский учёный, основоположник дактилоскопии (двоюродный брат основателя эволюционного учения Чарлза Дарвина)

В 1865 году, завершив многолетний труд, Мендель сделал доклад на собрании общества естествоиспытателей Брно. Тезисы доклада опубликовали в сборнике трудов общества, сборник поступил в 120 библиотек мира. Кроме того, Мендель получил 40 оттисков и разослал их видным учёным Европы.

К сожалению, наука середины XIX века не была готова к таким открытиям, как законы наследственности Менделя. Его работу практически проигнорировали. За последующие 35 лет на неё было сделано всего несколько ссылок. В середине ХХ века один из учёных ботаников, разбирая библиотеку своего отца, тоже известного ботаника, нашёл оттиск, присланный Менделем. Его даже не разрезали. Практически никто из учёных не ответил и на личные письма Менделя.

Известный биолог Карл Негели прислал Менделю надменное письмо, в котором предложил проверить результаты на других растениях.

Карл Негели (1817–1891) — известный швейцарский и немецкий ботаник
Карл Негели (1817–1891) — известный швейцарский и немецкий ботаник

— Значит, десяти лет труда и тридцати тысяч растений было для этого биолога недостаточно? — поразился Андрей.

— Негели и другие учёные не поняли всей силы законов Менделя и не сумели оценить значимость открытия им элемента наследственности у организмов. Негели много сделал в биологии, но все его толстые книги не перевешивают одной статьи Менделя про горох.

После смерти наставника Наппа, который всегда поддерживал его, Иоганн Мендель оставил биологию и стал аббатом. Однажды мощный торнадо уничтожил теплицы монастыря. Мендель заинтересовался этим природным явлением и занялся метеорологией. Он стал основателем Австрийского метеорологического общества и в дальнейшем основную часть научных работ посвятил этой области науки.

Аббатский герб Грегора Менделя. На верхнем левом поле щита изображён цветок гороха
Аббатский герб Грегора Менделя. На верхнем левом поле щита изображён цветок гороха

На надгробии Менделя написано: «Моё время ещё придёт!» Так оно и случилось. Законы Менделя повторил спустя 35 лет Карл Корренс — ученик того самого профессора Негели. Он написал статью о законах Менделя и подтвердил их.

Карл Корренс (1864–1933) — немецкий ботаник и генетик, вновь открывший и проверивший законы наследственности Менделя
Карл Корренс (1864–1933) — немецкий ботаник и генетик, вновь открывший и проверивший законы наследственности Менделя

Законы Менделя стали основой новой науки — генетики. Она произвела настоящую революцию в умах учёных.

В России даже спустя сто лет после опытов Менделя с горохом кипели нешуточные споры вокруг его открытия. Биологи шли в тюрьму и даже на смерть за свои убеждения. Они отстаивали научную истину: родители передают свои гены детям, чем заметно определяют их физический облик и интеллектуальные качества. Но, согласно идеологии того времени, считалось, что можно перевоспитать любого человека, а генетическая заданность многих его качеств ей противоречила. Власти пытались бороться с законами Менделя даже с помощью насилия.

В конце концов неоспоримая ценность генетики и её законов стала всем понятна. Австрийский монах Мендель оказался в одном ряду с польским каноником Коперником — как по масштабу сделанных открытий, так и по непризнанию современниками их трудов. Это редкий случай, когда научное открытие второй половины XIX века было сделано в монастырских стенах. Наступивший вскоре ХХ век потребовал от учёных серьёзной профессиональной подготовки и современных научных приборов. Но во все времена наблюдательность, аккуратность в подготовке эксперимента и глубина анализа его результатов останутся главными инструментами учёного.

— Мама, а у нас в саду есть грядка с горохом? — вдруг спросила Галатея.

Ник. Горькавый,
«Наука и жизнь» №2, 2014
# 2 Июн 2015 20:24:06
Louiza

«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и опубликованным в 2010—2014 гг. и в № 1, 2015 г. научным сказкам.


Сказка о космическом путешественнике Иммануиле Канте, которого все считали философом-домоседом

— Почему книга называется «Космические сыщики»? — спросила Галатея. Принцесса Дзинтара как раз собиралась почитать её детям перед сном. — Ведь сыщики расследуют преступления на Земле.

— Потому что их работа сродни тому, чем занимаются исследователи космоса. Разница в том, что астрономы ищут не земных преступников, а ответы на космические загадки. Космические сыщики сумели, например, раскрыть тайну химического состава звёзд, хотя ещё в XIX веке французский социолог и философ Огюст Конт утверждал, что это абсолютно неразрешимая проблема.

Сегодня я расскажу вам о человеке, который был простым домашним учителем и одновременно выдающимся космическим сыщиком, разгадывавшим самые скрытые тайны Вселенной.

— Кто такой домашний учитель? — поинтересовалась Галатея.

— Тот, кто даёт платные уроки детям на дому, — ответила Дзинтара. — Нашему герою, которого звали Иммануил Кант, приходилось работать с юных лет не от хорошей жизни — семья его была небогата. Кант родился в 1724 году в Кёнигсберге (4 июля 1946 года переименован в Калининград. — Прим. ред.). Мать умерла, когда ему исполнилось тринадцать лет. Отец был ремесленником — мастерил сёдла для лошадей. Несмотря на трудности, смышлёный мальчик сумел закончить гимназию и в шестнадцать лет поступил в Кёнигсбергский университет. Но доучиться ему не удалось — отец тоже умер, и 22-летнему Иммануилу пришлось оставить учёбу и содержать семью. На попечении молодого человека оказались младший брат и три сестры. Чтобы заработать денег, он десять лет обучал детей помещиков, пасторов и даже отпрысков известного курляндского дипломата на русской службе графа Кайзерлинга.

Иммануил Кант (1724—1804)
Иммануил Кант (1724—1804)

Когда поздним вечером Иммануил заканчивал очередной урок, он выходил на ночную улицу и всматривался в небосвод, который, если не было облаков, мерцал тысячами звёзд. И каждый раз Канта охватывали восторг и острое желание проникнуть в тайны прекрасного и далёкого неба: «Звёздное небо, — писал он, — связывает меня сквозь необозримые дали с мирами и системами миров в безграничном времени их вращения, их начала и продолжительности».

В своей первой серьёзной научной работе Кант размышлял о взаимодействии Луны и Земли и существовании океанских приливов, вызванных нашим спутником. Он пришёл к выводу, что планета замедляет вращение, то есть Луна вызывает удлинение продолжительности земного дня. Этот труд получил премию Берлинской академии наук и сейчас считается основополагающим в области геодинамики — науки, которая занимается изучением изменения длины земного дня в зависимости от времени года, землетрясений и других факторов.

— Я тоже замечала, что дни бывают разной длины! — с энтузиазмом заявила Галатея. — Во время летних каникул они так быстро кончаются, а зимой, на школьных уроках, тянутся очень медленно…

Дзинтара улыбнулась и продолжила свой рассказ:

— Молодой учитель Иммануил Кант размышлял о великих загадках неба: о возникновении планет и Млечного Пути, о строении колец Сатурна и природе зодиакального света, который видят моряки тёмными экваториальными ночами. Он думал о быстро летающих кометах и о таинственных неподвижных туманностях, открытых астрономами благодаря телескопу, и записывал свои размышления. В 31 год Кант опубликовал книгу по астрономии «Всеобщая естественная история и теория неба», в которой выдвинул и развил на редкость смелые положения о возникновении и движении небесных тел и самой Вселенной. Эпиграфом Кант выбрал изречение философа Луция Сенеки: «Идти не тем путём, по которому идут все, а тем, по которому должно идти». Издатель, напечатавший книгу весной 1755 года, к сожалению, обанкротился, его склад опечатали, и книга не успела выйти в свет к весенней ярмарке. Тем не менее она стала событием в истории науки. В своих изысканиях скромный учитель из Кёнигсберга обогнал ведущих учёных Европы даже не на десятилетия, а на века.

Дом Иммануила Канта в Кёнигсберге («Die Albertina», D?sseldorf, 1994)
Дом Иммануила Канта в Кёнигсберге («Die Albertina», Düsseldorf, 1994)

— Как же ему это удалось? — поинтересовался старший брат Галатеи Андрей. — Ведь он сам не наблюдал небо в телескоп и не делал каких-нибудь космических открытий?

— Он просто вдумчиво читал труды других наблюдателей, сопоставлял их результаты, проводил математические вычисления и делал выводы. Ему удалось продвинуться в решении космических тайн так далеко, как никому из его современников.

— А какие ещё тайны он открыл? — спросила Галатея.

— Например, Кант размышлял о природе колец Сатурна. К тому времени наблюдатели, изучающие планету с помощью телескопа, уже знали, что вокруг неё располагается плоское широкое кольцо с щелью посередине. Кант сделал смелый вывод о том, что кольцо состоит из мелких частиц или спутников, которые обращаются вокруг планеты по круговым орбитам: «…кольцо Сатурна представляет собой скопление частиц, которые… свободно совершают своё круговое движение». Он доказывал, что частицы колец движутся вокруг центра планеты согласно закону Кеплера: «На различных расстояниях от центра данные частицы имеют разные периоды обращения; эти периоды относятся между собой, как квадратные корни из кубов их расстояний…». По расчётам учёного, частицы на внутреннем крае кольца совершали оборот вокруг планеты за 10 часов, а на внешнем — за 15.

Кант не остановился на одних небесно-механических расчётах. Он рассмотрел даже такой тонкий и сложный эффект, как взаимные соударения частиц, и заключил, что они должны разрушить кольцо. Далее он сделал гениальный вывод: столкновения, которые должны разваливать кольцо, на самом деле его спасают, приводя «в устойчивое состояние — это достигается тем, что кольцо разделяется на несколько концентрических круговых полос, которые из-за разделяющих их промежутков теряют связь друг с другом». Кант предположил, что расслоённые кольца более устойчивы, чем однородный диск.

— Почему ты называешь этот вывод Канта гениальным? — спросил Андрей.

— Потому что гениальность человека, на мой взгляд, определяется не только правильностью и важностью сделанных им выводов, а ещё и тем, насколько они опережают своё время. В 1787 году — на 32 года позже Канта — другую модель колец Сатурна выдвинул великий французский математик и физик Пьер-Симон Лаплас. Он утверждал, что они состоят из огромного количества тонких твёрдых колец, нанизанных на планету. Модель Лапласа была попросту неверна, хотя и сохраняла популярность многие десятилетия. В 1859 году шотландец Джеймс Максвелл в статье «Об устойчивости колец Сатурна» доказал, что твёрдые лапласовские кольца вокруг планеты не могут быть стабильными, — они будут смещаться с круговой орбиты и падать на планету. В конце ХХ века московский астроном Алексей Максимович Фридман с соавторами показал, что и Максвелл не совсем прав: твёрдое кольцо не может падать на планету как единое целое. Даже сверхпрочное кольцо разломается на орбите на отдельные куски под натиском быстро развивающегося волнообразного изгиба.

— Значит, нельзя создать орбитальную станцию в виде металлического кольца вокруг Земли? — огорчённо спросил Андрей.

— Нельзя, — подтвердила Дзинтара, — такое кольцо всё время будет норовить искривиться и разломиться. Набор отдельных спутников, размещённых вдоль орбиты, гораздо устойчивее.

Кантовская модель колец Сатурна, состоящих из отдельных частиц, опередила своё время на века. Сделав смелый вывод о расслоённости колец, учёный писал: «Я питаю надежду, и это даёт мне немалое удовлетворение, — что действительные наблюдения когда-нибудь подтвердят моё предположение».

Расслоённые кольца Сатурна — вид из тени планеты. Фото НАСА
Расслоённые кольца Сатурна — вид из тени планеты. Фото НАСА

Предсказание Канта забыли на двести с лишним лет. Но учёный всё-таки оказался прав: в конце ХХ века американские космические аппараты «Пионер» и «Вояджер» сфотографировали кольца Сатурна вблизи и обнаружили, что они состоят из сотен более мелких колец. Лишь после этого была создана математическая модель, которая подтвердила правоту Канта: расчёты показали, что взаимные соударения частиц порождают своеобразную вязкость колец, то есть приводят к обмену моментами импульса между частями колец, которые вращаются с разными скоростями. Такой обмен моментами импульса вроде бы должен подталкивать кольца к расползанию, но в реальности эта же самая вязкость порождает неустойчивость, которая и разделяет кольца на множество узких.

Научные трактаты Канта написаны так вдохновенно, что звучат как стихи. Вот, например, как он описывает поверхность Солнца, на которую предлагает перенестись читателю: «Мы увидим обширные огненные моря, возносящие своё пламя к небу; неистовые бури, своей яростью удваивающие силу пламени, заставляя его, то выходить из своих берегов и затоплять возвышенные местности, то вновь возвращаться в свои границы; выжженные скалы, которые вздымают свои страшные вершины из пылающих бездн и то затопляются волнами огненной стихии, то избавляются от них, благодаря чему солнечные пятна то появляются, то исчезают…»

— А разве на Солнце есть скалы? — удивилась Галатея.

— Нет, конечно, здесь воображение Канта нарисовало не совсем верную картину. На поверхности Солнца слишком жарко: там плавится любой камень или металл, превращаясь в плазму. Его рассуждения не были свободны от ошибок, но он оказался прав очень во многом. Кант заложил основы современной теории образования планет из газопылевых околозвёздных дисков. Эту теорию называют теорией Канта — Лапласа, но на самом деле учитель из Кёнигсберга был гораздо точнее в своих представлениях о формировании планет, чем знаменитый француз. В подтверждение того, что Кант обладал даром предвидения, можно привести следующий факт: рассмотрев эксцентриситеты планет, — то есть отклонения их орбит от кругового движения, — он предположил, что «…будут открыты новые планеты за Сатурном, более эксцентрические, чем Сатурн, и, следовательно, более близкие по свойствам к кометам... Последней планетой и первой кометой можно было бы... назвать ту, у которой эксцентриситет был бы настолько велик, что она в своём перигелии пересекала бы орбиту ближайшей к ней планеты...».

Новую планету Уран за орбитой Сатурна открыл в 1781 году английский астроном Уильям Гершель, что для него самого и для мировой общественности стало полной неожиданностью.

— Но Кант-то знал, что это произойдёт! — воскликнула Галатея.

— Верно! А в 1846 году при драматических обстоятельствах* открыли ещё более удалённую планету-гигант — Нептун. Её существование, опираясь исключительно на теоретические расчёты, предсказывали Джон Адамс и Урбен Леверье. В 1930 году, благодаря систематическому поиску, открыли крошечный Плутон, который из-за сильной эллиптичности своей траектории пересекает орбиту ближайшей к нему планеты — Нептуна. Так подтвердилась ещё одна гипотеза Канта: нашлась планета, похожая на комету по эллиптичности орбиты. Действительно, сначала Плутон считали планетой, но в конце ХХ века, после открытия за Нептуном многочисленных крупных кометных тел, сравнимых по размерам с Плутоном, его понизили в звании и стали рассматривать лишь как крупное кометное тело или транснептуниан, что полностью соответствовало предсказаниям Канта.

Кратер Кант (в нижней части фото) — крупный ударный кратер на юго-западной границе Залива Суровости на видимой стороне Луны: диаметр — 31 км, глубина — 3,7 км. Высота вала над поверхностью Луны — 950 м.
Кратер Кант (в нижней части фото) — крупный ударный кратер на юго-западной границе Залива Суровости на видимой стороне Луны: диаметр — 31 км, глубина — 3,7 км. Высота вала над поверхностью Луны — 950 м.

Он был настолько смел, что не побоялся взяться за главную тайну космоса: откуда произошла наша Вселенная, изменяется ли она и что её ждёт в будущем? Опередив существующие представления на 170 лет, Кант не сомневался, что Млечный Путь — всего лишь одна из многих галактик: «...разве не могут возникать... ещё иные млечные пути в безграничном мировом пространстве?» — писал он и отмечал при этом, что эти галактики уже обнаруживают с помощью телескопа: «Мы с изумлением увидели на небе фигуры, которые представляют собой не что иное, как именно подобные системы неподвижных звёзд, ограниченные общей плоскостью, — млечные пути... в виде эллиптических образований, мерцающих слабым светом из-за бесконечной удалённости от нас...»

Кант не ограничивал границы Вселенной Млечным Путём и предполагал, что Вселенная бесконечна. Он ввёл понятие центра Вселенной — места наибольшей плотности вещества, хотя сделал замечание: «Правда, в бесконечном пространстве ни одна точка, собственно говоря, не имеет больше права называться центром, чем любая другая...»

По мнению учёного, миры во Вселенной находятся в состоянии непрерывного образования и гибели. Волна образования миров идёт от центра Вселенной к её периферии. «Таким образом, сформировавшийся мир находится между развалинами уже разрушенной и хаосом ещё не сформировавшейся природы; ...несмотря на все опустошения, беспрестанно производимые бренностью, размер Вселенной в общем-то будет увеличиваться».

Млечный Путь (или Галактика) — спиральная галактика, в которой находятся Солнечная система и все звёзды, видимые невооружённым глазом (снимок сделан в инфракрасном диапазоне)
Млечный Путь (или Галактика) — спиральная галактика, в которой находятся Солнечная система и все звёзды, видимые невооружённым глазом (снимок сделан в инфракрасном диапазоне)

Его занимал вопрос, что будет, когда весь мир поглотит хаос разрушения? Гениальный мыслитель утверждал: «Природа, сумевшая перейти из хаоса к закономерному порядку и стройной системе, способна с такой же лёгкостью восстановить себя из нового хаоса».

Таким образом, Вселенная Канта была бесконечной, заполненной множеством млечных путей, или галактик, нестационарной и даже расширяющейся. Она обладала такими свойствами, как способностью к самоорганизации, к росту хаоса и в то же время к самовосстановлению после разрушения — и тем самым была бесконечна по времени. «Через всю бесконечность времён и пространств мы следим за этим фениксом природы, который лишь затем сжигает себя, чтобы вновь возродиться юным из своего пепла». Кант даже предвидел космическое будущее человечества: «Кто знает, не для того ли вокруг Юпитера обращаются его спутники, чтобы когда-нибудь светить нам?»

…Вновь вернёмся к портрету Канта. Он был невысокого роста и слабого здоровья. Он никогда не отъезжал от Кёнигсберга более чем на сотню километров, невзирая на самые лестные предложения из других университетов. Он не был женат и не имел детей. Ел раз в день и подчинял свой распорядок дня жёстким правилам, которые позволили ему прожить долгую и очень продуктивную жизнь. На первый и очень поверхностный взгляд его жизнь протекала размеренно и скучно. Из окна своего дома учёный видел церковь и так привык к этому пейзажу, что, когда тополя, выросшие у соседа, загородили привычный вид, он потерял покой, пока не уговорил соседа подрезать деревья. В конце концов, Кант сам стал достопримечательностью Кёнигсберга. Он совершал ежедневные послеобеденные прогулки, по которым жители города сверяли часы, а обычный его маршрут называли «философской тропой». Только однажды, увлёкшись чтением книги знаменитого французского философа Жан-Жака Руссо «Эмиль», Кант не вышел на прогулку. Он говорил, что Руссо стал для него «вторым Ньютоном» — только не в области физики, а в области человеческой души.

Кант опередил своё время. Он совершил революцию в умах людей, а это очень неподатливая материя, и доказал, что не важно, где ты живёшь и кем работаешь, — гораздо важнее, насколько ты образован и смел. И тогда у тебя есть шанс открыть самые важные тайны Вселенной.

Кантовские предсказания сбываются до сих пор. В своей первой книге он писал: «А нельзя ли вообразить, что и Земля, подобно Сатурну, когда-то имела кольцо?» Современные модели образования Луны свидетельствуют: Земля в давние времена обладала массивным кольцом, из которого выросла Луна. Философ писал, что его восхищают две вещи: «звёздное небо надо мной и нравственный закон во мне».

Могила Иммануила Канта в Калининграде. Он стал последним человеком, похороненным у стен Кёнигсбергского кафедрального собора. К 200-летию философа в 1924 году на месте старой часовни был возведён открытый колонный зал.
Могила Иммануила Канта в Калининграде. Он стал последним человеком, похороненным у стен Кёнигсбергского кафедрального собора. К 200-летию философа в 1924 году на месте старой часовни был возведён открытый колонный зал.

Первую половину жизни мыслитель отдал звёздам и естественным наукам, а вторую — изучению человека и философии. Став профессором Кёнигсбергского университета в 46 лет, он посвятил себя созданию фундаментального философского труда «Критика чистого разума», который опубликовал в 57 лет. Толстый трактат начинался такими строками: «На долю человеческого разума… выпала странная судьба: его осаждают вопросы, от которых он не может уклониться, так как они навязаны ему его собственной природой; но в то же время он не может ответить на них, так как они превосходят все его возможности». Эта книга стала одним из главных трудов в мировой философии. Но если бы Кант не занялся ею, то вошёл бы в историю как выдающийся астроном.

Серебряная монета в пять марок, выпущенная в Федеративной Республике Германия в 1974 году в честь 250-летия философа.
Серебряная монета в пять марок, выпущенная в Федеративной Республике Германия в 1974 году в честь 250-летия философа.



Пьер-Симон Лаплас (1749—1827) — французский математик, физик и астроном, один из создателей небесной механики.

Джеймс Максвелл (1831—1879) — великий британский физик и математик, создатель электродинамики. Занимался задачей устойчивости колец Сатурна.

Алексей Максимович Фридман (1940—2010) — известный советский и российский физик, академик Российской академии наук.

Уильям Гершель (1738—1822) — выдающийся английский астроном немецкого происхождения. Открыл планету Уран, два спутника Урана — Титанию и Оберон, а также инфракрасное излучение.

Джон Адамс (1819—1892) — британский математик и астроном. Предсказал положение неизвестной планеты Нептун на основании анализа движения планеты Уран.

Урбен Леверье (1811—1877) — французский математик и астроном. Независимо от Адамса вычислил положение невидимого Нептуна и 23 сентября 1846 года сообщил его координаты в Берлинскую обсерваторию, немецкому астроному Иоганну Галле (1812—1910), который вместе с Генрихом Д’Арре (1822—1875) в тот же день открыл новую планету.

Ник. Горькавый,
«Наука и жизнь» №4, 2015
# 3 Июн 2015 06:25:38
Louiza

Сказка о музыканте Уильяме Гершеле, который расширил космос вдвое

Салон композитора Йозефа Гайдна.
Салон композитора Йозефа Гайдна. Свою знаменитую ораторию «Сотворение мира» он написал, побывав в гостях у Гершеля и посмотрев на звёзды в его телескоп. Иллюстрация из книги Х. Купер и Н. Хенбеста «История астрономии».

– Сегодня я прочитаю вам сказку о человеке, который соединил в себе два выдающихся таланта — астронома и музыканта, — начала принцесса Дзинтара, глядя на Галатею и Андрея.

Великий астроном и музыкант Уильям (Вильгельм) Гершель (1738—1822). Художник Л. Ф. Эббот (1760—1802).
Великий астроном и музыкант Уильям (Вильгельм) Гершель (1738—1822). Художник Л. Ф. Эббот (1760—1802).

В 1738 году в немецком городе Ганновере у бедного музыканта Исаака Гершеля, который нередко проводил время за телескопом, разглядывая звёздное небо, родился сын Вильгельм. Мальчик оказался музыкально одарённым и уже к четырнадцати годам профессионально играл на скрипке и гобое. Вильгельм служил в военном оркестре. Ему было всего девятнадцать, когда полк командировали в Англию. Младшая сестра Гершеля, Каролина Лукреция, очень любила брата и, когда тот уезжал за море, в далёкую страну, безутешно плакала. Вильгельм поклялся, что обязательно вернётся и заберёт её с собой.

Верная помощница Гершеля — его сестра Каролина Лукреция (1750—1848)
Верная помощница Гершеля — его сестра Каролина Лукреция (1750—1848), которая сама стала известным астрономом и первой женщиной — открывательницей комет. Художник Мартин Франсуа Тилманс.

Вот так, вдвоём, наблюдали за звёздами Уильям Гершель и его сестра Каролина. Старинная гравюра.
Вот так, вдвоём, наблюдали за звёздами Уильям Гершель и его сестра Каролина. Старинная гравюра.

Клятвы, данные детям, мало кто из взрослых держит: чего не скажешь второпях, чтобы ребёнок не плакал!

— Это неправда! Ты всегда выполняешь свои обещания! — возмутилась Галатея.

— Стараюсь, но так написано в сказке, которую я читаю, — улыбнулась Дзинтара и продолжила: — Война, сотрясавшая Европу, разбросала по разным странам всех братьев Каролины. Отец семейства умер, и его повзрослевшую дочь ждало безрадостное
будущее. В восемнадцатом веке девушкам из бедных семей не полагалось думать о серьёзной профессии, их обычный удел — мечты о замужестве, кухня и шитьё.

— Р-р-р! — зарычала Галатея. Она не хотела прерывать маму, но не высказаться не могла.

С помощью этого приспособления Гершель полировал металлические зеркала для своих телескопов. Экспонат лондонского Музея науки. Фото Майкла Пила.
С помощью этого приспособления Гершель полировал металлические зеркала для своих телескопов. Экспонат лондонского Музея науки. Фото Майкла Пила.

— Такая судьба была не по сердцу Каролине, и девушка, которой уже исполнилось двадцать два, впала в отчаяние. И вот однажды в ненастный, холодный день Каролина получила из далёкой Англии письмо от любимого брата. Девушка открыла конверт и не поверила своим глазам: брат писал, что зовёт её к себе! К тому времени Вильгельм стал известным музыкантом. В Англии его звали Уильямом, под этим именем он известен всему миру. В городе Бате брат купил трёхэтажный дом. Он предлагал сестре переехать к нему и начать карьеру певицы! Никогда ещё Каролина не была так счастлива: брат не забыл своего обещания, данного совсем маленькой девочке!

[Планета Уран с кольцами и спутниками. Фото НАСА.
Планета Уран с кольцами и спутниками. Фото НАСА.

Уран — единственная планета в Солнечной системе, которая вращается, «лёжа на боку», поэтому её спутники образуют что-то вроде колеса обозрения. Фото ESO/VLT.
Уран — единственная планета в Солнечной системе, которая вращается, «лёжа на боку», поэтому её спутники образуют что-то вроде колеса обозрения. Фото ESO/VLT.

Очень скоро девушка оказалась на палубе парусного корабля, плывущего в Англию. Плеск волн и хлопанье парусов наполняли её душу музыкой. На пристани Каролину ждал брат. Только увидев заплаканное и сияющее лицо сестры, Уильям осознал до конца, какое правильное письмо он ей послал.

— Молодец! — одобрил Гершеля Андрей.

— Каролина стала вести хозяйство в доме холостого брата и с успехом выступать с его оркестром. Её начали приглашать оркестры других городов. А Уильям стал не только известным музыкантом, но и композитором, написавшим за свою жизнь двадцать четыре симфонии.

Дом в Бате, где жил Уильям Гершель.
Дом в Бате, где жил Уильям Гершель. Именно отсюда с помощью собственноручно изготовленного телескопа он наблюдал звёздное небо и открыл новую планету Уран. Фото: Hencoup.

Но звёзды имели другие виды на музыканта Уильяма Гершеля и певицу Каролину Гершель.

Ещё в детстве Уильям кроме музыки увлёкся сначала математикой, потом оптикой, а затем без памяти влюбился в астрономию! День он отдавал музыке, вечером отливал и шлифовал бронзовые зеркала для телескопов системы Ньютона, а ночью наблюдал за звёздами.

Самый большой (12-метровый в длину) телескоп, построенный Гершелем.
Самый большой (12-метровый в длину) телескоп, построенный Гершелем. Сотрудники, помогавшие астроному, называли наблюдения на этом телескопе «бритьём с помощью гильотины». Старинная гравюра.

— Когда же он спал? — спросила Галатея.

— Лучше не спрашивай, — покачала головой Дзинтара.

Часть дома Гершель превратил в литейную мастерскую. Каролина ужасалась, глядя на усталого брата, задыхавшегося от едких испарений и жары: плавить медь и олово в домашних условиях, чтобы получить бронзу, — дело не только грязное и трудное, но и опасное. Был случай, когда плавильная печь лопнула и расплавленная бронза хлынула на каменные плиты пола, которые стали трескаться с ужасным шумом. Но Каролина оказалась верным ассистентом: она помогала брату наблюдать за звёздами и даже кормила с ложечки, когда он не мог отвлечься от шлифовки бронзовых зеркал. Однажды Уильям шестнадцать часов подряд, не отрывая рук, полировал огромное зеркало!

Глядя в такой телескоп длиной более двух метров, Гершель открыл планету Уран. Экспонат Музея астрономии им. У. Гершеля в Бате. Фото Майкла Юнга.
Глядя в такой телескоп длиной более двух метров, Гершель открыл планету Уран. Экспонат Музея астрономии им. У. Гершеля в Бате. Фото Майкла Юнга.

— Никогда не думала, что астрономы могут быть такими героями! — сказал Андрей.

— Тридцатишестилетний Уильям Гершель построил телескоп с 500-кратным увеличением и начал систематические наблюдения. Денег ему за это не платили, но он следовал велениям души, которая не могла жить без звёзд. Сестра ассистировала ему и вела записи.

Так прошло семь лет. Ночью 13 марта 1781 года Гершель заметил среди ярких точечных звёзд смутное пятнышко. «Какая необычная звезда!» — удивлённо подумал он и записал координаты нового светила в журнале наблюдений, отметив, что обнаружил «или любопытную туманную звезду, или, возможно, комету». Взволнованный Гершель оторвался от телескопа лишь тогда, когда небо посветлело и новый объект стал невидим.

Галактика NGC 2683, открытая Уильямом Гершелем в 1788 году. Фото НАСА/ECA.
Галактика NGC 2683, открытая Уильямом Гершелем в 1788 году. Фото НАСА/ECA.

Следующая ночь выдалась облачной, и, к досаде Уильяма, увидеть странную звезду не удалось. Пятнадцатого марта развиднелось. Гершель поспешил к телескопу и с удивлением обнаружил, что новый объект за два дня сместился относительно звёзд.

«Значит, это комета!» — решил астроном и сообщил о своём открытии в Гринвичскую обсерваторию. Круг наблюдателей нового объекта значительно расширился. Королевский астроном Невил Маскелайн (1732—1811) высказал предположение, что, возможно, это новая планета.

К лету накопилось значительное количество наблюдений. Петербургский академик А. И. Лексель (1740—1784) провёл расчёты и сообщил, что обнаруженный объект находится на почти круговой орбите радиусом в девятнадцать раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, и в два раза больше, чем орбита Сатурна. Период обращения нового тела вокруг Солнца — 84 года. Значит, Гершель действительно обнаружил не комету, а новую планету. И назвали её Уран, в честь греческого бога неба Урана. Сенсация облетела весь мир!

Тысячелетиями люди видели пять планет, движущихся по небу. Птолемей считал, что они вращаются вокруг Земли. Коперник доказал, что планеты обращаются вокруг Солнца и наша Земля тоже, — она оказалась самой обычной планетой в Солнечной системе — одной из шести. До этого времени Сатурн, расположенный от нашего светила в девять с половиной раз дальше, чем Земля, считался самой дальней планетой, краем Солнечной системы. В этом были уверены Аристотель и Платон, Птолемей и Коперник, Кеплер и Ньютон, и не только астрономы, но и епископы. Все знали, что за Сатурном есть лишь звёзды! Весть об открытии седьмой планеты, в четыре раза большей, чем Земля, и почти в пятнадцать раз массивнее её, потрясла умы людей и изменила привычную картину мира. Каролина гордилась братом и радовалась, что в его открытиях есть часть её труда.

Действительно, открытие Урана выглядело неожиданным, но на самом деле было закономерным итогом по-стоянных кропотливых наблюдений.

В том же, 1781 году Гершеля избрали членом Лондонского королевского общества, а годом позже английский король назначил признанного музыканта своим личным астрономом. Уильям вместе с Каролиной переехал поближе к королю. Бывший музыкант, а ныне знаменитый астроном строил более крупные телескопы, самый большой из них — с диаметром зеркала один метр двадцать сантиметров.

— Вот так музыкант! — восхитилась Галатея.

— Благодаря таким мощным телескопам открытия следовали одно за другим. За несколько лет Гершель обнаружил два спутника Урана: Титанию и Оберон, а потом и два новых спутника Сатурна: Энцелад и Мимас. Он измерил период обращения Сатурна, определил направление движения Солнца среди соседних звёзд, заметил сезонные изменения полярных шапок Марса, открыл двойные звёзды и выпустил первый каталог таких звёзд с исследованием их орбит.

— Его открытий хватило бы на несколько человек! — воскликнул Андрей.

— Верно. Но это ещё не всё! Измеряя блеск звёзд, Гершель открыл невидимое инфракрасное излучение. С помощью своего телескопа ему удалось обнаружить тысячи звёздных туманностей и галактик. Он первый понял, что наша Галактика — Млечный Путь — остров из звёзд, окружённый сравнительной пустотой, и оценил его размер в семь тысяч световых лет*. Оценка, которую дал Гершель, на самом деле занижена. Реальные размеры нашей Галактики — 100 тысяч световых лет, в 14 с лишним раз больше. И всё равно цифра, названная Гершелем, потрясла его современников: Млечный Путь оказался, по их представлениям, чудовищно огромным.

Открытия астронома и музыканта Уильяма Гершеля никак нельзя назвать случайными. Он вёл наблюдения за звёздным небом каждую ясную ночь более тридцати лет! Лишь тяжёлая болезнь заставила семидесятилетнего астронома отступить от этого правила и наблюдать звёзды реже.

Таблица

Главное достижение Гершеля — это, конечно, обнаружение новой планеты. Благодаря ему все поняли, что эпоха великих открытий в Солнечной системе ещё не закончилась. Вдохновлённые открытием Урана, астрономы бросились искать в ней новые планеты. В первую очередь они обратили свой взор на область между Юпитером и Марсом, опираясь на правило Тициуса — Боде**, получившее известность в 1772 году. Согласно правилу, радиус орбиты каждой планеты в два раза больше, чем у её внутренней соседки. Новичок Уран подтвердил это — его орбита находится от Солнца ровно в два раза дальше, чем орбита Сатурна.

Лишь Юпитер бессовестно нарушил правило: его орбита находится в три с лишним раза дальше орбиты Марса. Поэтому астрономы давно подозревали, что в промежутке между Марсом и Юпитером что-то прячется. Действительно, в 1801 году итальянский астроном Джузеппе Пиацци (1746—1826) открыл в этой зоне небольшую планету Цереру. За шесть лет другие астрономы обнаружили ещё три маленькие планеты с похожими орбитами. Их стали называть астероидами, так как они оказались «звёздоподобными», то есть не имели диска, типичного для больших планет при наблюдении их в телескоп. За двести лет в этой области, названной поясом астероидов, удалось обнаружить сотни тысяч небесных тел.

Открыв Уран, Уильям Гершель расширил размер Солнечной системы вдвое. На могиле астронома и музыканта написано: «Он разбил преграды неба». Его сестра, певица Каролина Гершель, постепенно сама превратилась в опытного астронома: открыла четырнадцать туманностей, а также восемь новых комет, став первой в мире женщиной — открывательницей комет.

После смерти брата Каролина завершила работу по составлению каталога из двух с половиной тысяч звёздных туманностей, которые наблюдал Уильям. За это Королевское астрономическое общество наградило её золотой медалью. В честь Каролины её вторым именем — Лукреция — назвали 281-й астероид.

— Молодчина! Я так рада за неё! — не утерпела Галатея.

— Жизненный путь Каролины оказался долгим и полным событий. Она вошла в историю как одна из самых знаменитых женщин-астрономов. Каролина прожила девяносто семь лет и стала свидетелем не только открытия Урана, но и того, как эта планета указала дальнейшую дорогу к неведомым окраинам Солнечной системы.

Но это совсем другая история.



Примечание:

* Световой год — расстояние, которое свет проходит за год в вакууме без учёта гравитационного поля. Расстояние от Солнца до Земли, равное 149,6 млн км, свет проходит всего за 500 секунд.

** Иоганн Тициус (1729—1796) — немецкий физик и математик. В 1766 году установил правило Тициуса — Боде.

*** Иоганн Боде (1747—1826) — немецкий астроном. Опубликовал правило Тициуса — Боде в 1772 году.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
# 3 Июн 2015 09:55:40
Louiza

Сказка о Джоне Адамсе и Урбене Леверье, поймавших Нептун на математический крючок

Принцесса пришла в комнату, когда дети уже лежали в своих постелях в ожидании очередной истории. Дзинтара уселась в кресло и открыла книгу. Кресло было просторным, и принцесса уютно устроилась в нём с ногами.

— Молодой студент Кембриджа Джон Адамс, — начала она, — очень любил рыться на полках книжных магазинов, где каждый том хранит в себе и тайну, и знание, а книжная обложка — дверь в другой мир: открываешь её и окунаешься в новое захватывающее приключение...

На одной из полок студент наткнулся на брошюру, написанную главным — королевским — астрономом Англии Джорджем Эйри. Адамс пролистал её и узнал об интригующей космической загадке планеты Уран. Её открыл астроном Гершель с помощью своего телескопа. (См. «Наука и жизнь» № 7, 2012 г.) Уран оказался строптивой планетой: она плохо подчинялась ньютоновскому закону гравитации. По сравнению с вычисленным положением, Уран то забегал вперёд, то резко отставал. Мнения учёных разделились. Одни заявили, что Ньютон вывел неточный закон. Другие сочли, что в орбите Урана «неправильно» учтена гравитация Юпитера и Сатурна.

Джон Адамс, Джордж Эйри

Адамс доверял доказательствам Ньютона и знал, что крупнейшие математики и механики — Эйлер, Даламбер, Лагранж, Лаплас и Гаусс — развили ньютоновскую теорию движения планет до очень высокого уровня, и она прекрасно работала для всех планет, за исключением Урана. Молодой человек снова уткнулся в книгу...

Французский астроном Алексис Бувар, исследовавший странное поведение Урана, выдвинул гипотезу, что на его движение оказывает влияние неизвестная внешняя планета. Но где её искать? Учёные обсуждали возможность теоретического вычисления положения невидимой планеты. Джордж Эйри, который возглавлял Гринвичскую обсерваторию, скептически относился к подобным идеям и рассматривал эту гипотезу как совершенно нереальную. Его мнение охладило многие горячие головы.

Алексис Бувар, Урбен Леверье

Конечно, Адамс купил книгу Эйри. И хотя он был загружен учёбой до предела, часто думал о неведомой планете. Она так захватила воображение молодого человека, что он твёрдо решил сам определить координаты планеты, которая возмущает движение Урана. По мнению Адамса, планета-невидимка должна была располагаться дальше Урана и двигаться по орбите медленнее, чем он. Когда Уран догоняет невидимку, он испытывает сильное притяжение к ней. Для земного наблюдателя в это время Уран движется быстрее обычного. Потом он обгоняет более медленную соседку, и она начинает тянуть его назад. Тут Уран «тормозится», нарушая кеплеровские законы движения космических тел по орбите.

Блестяще окончив летом 1843 года Кембриджский университет, 24-летний Адамс уехал на каникулы к родителям и получил, наконец, возможность приступить к расчётам координат невидимой планеты. К октябрю он уже нашёл первое решение, в котором основные проблемы теории движения Урана объяснялись наличием внешней планеты, располагавшейся в два раза дальше него (это значение орбиты невидимой планеты Адамс выбрал, следуя правилу Тициуса—Боде. См. «Наука и жизнь» № 7, 2012 г.).

Адамс был скромным и робким молодым человеком. Он никому не сообщил о полученных результатах, считая их предварительными, и принялся уточнять данные — в частности, уменьшать радиус орбиты планеты-невидимки, чтобы достичь лучшего совпадения с наблюдениями. Два года Адамс упорно работал и к сентябрю 1845 года получил пятое по счёту, наиболее точное решение для параметров невидимой планеты, включая её небесные координаты. Его-то молодой человек и показал двум знаменитым астрономам — директору Гринвичской обсерватории Джорджу Эйри и директору Кембриджской обсерватории Джеймсу Чэллису (1803–1882).

Ну и какой, по вашему мнению, была реакция пожилых маститых учёных на столь сенсационное сообщение никому не известного выпускника колледжа?

— Пф! — фыркнула Галатея.

Дзинтара кивнула:

— Верно — предельно скептическая. Чэллис позже признался, что постановка вопроса о проведении наблюдений только на основании теоретических выводов представлялась новой и необычной. Короче говоря, директор Кембриджской обсерватории, получив письмо от Адамса, вовсе не бросился к своему прекрасному телескопу с диаметром зеркала в тридцать сантиметров и не навёл его на указанный молодым человеком участок неба. Директор Гринвичской обсерватории поступил точно так же.

Адамс глубоко уважал Эйри и поэтому поехал к нему лично, чтобы рассказать о результатах, но не застал учёного дома и передал через слугу визитку, а также письмо с кратким изложением своей работы. Когда через некоторое время Адамс вернулся к резиденции Эйри, величественный дворецкий не впустил молодого человека в дом, заявив, что королевский астроном обедает и тревожить его нельзя.

Надо ли говорить, что после долгого обеда Эйри, получивший от Адамса письмо с координатами новой планеты, тоже не бросился к телескопу, чтобы проверить идеи какого-то молокососа? Да этот парень мог наделать кучу ошибок в своих вычислениях!

Консерватизм и скептицизм Эйри были просто выдающимися. Он относился к числу тех немногих астрономов, которые всё ещё сомневались в теории Ньютона!

— Почти двести лет прошло после опубликования теории Ньютона, а Эйри сомневался?! — не поверил своим ушам Андрей.

— Не найдя понимания у ведущих астрономов, молодой учёный не стал публиковать своё решение в научном журнале и начал работать над очередным, более точным, уже шестым по счёту расчётом координат планеты-невидимки.

Великие астрономы Эйри и Чэллис и думать забыли о молодом учёном. Но ненадолго — потому что вскоре началось второе действие этой драматичной истории.

В июне 1846 года во Франции вышла подробная статья французского математика, занимавшегося небесной механикой, — Урбена Леверье, который, независимо от Адамса, провёл математические расчёты и тоже определил координаты невидимой планеты, влияющей на движение Урана!

Прочитав статью Леверье, английский королевский астроном Эйри понял, что сел в глубокую лужу. Он тут же встретился с Чэллисом, чей кембриджский телескоп был гораздо лучше гринвичского, и предложил ему начать поиски новой планеты; ведь если планету откроют французы, то лужа станет просто громадной!

Чэллису не хотелось начинать новую программу наблюдений. Эйри настаивал и написал ему ещё два письма, предлагая план действий. В конце месяца поиск новой заурановой планеты всё же начался.

План наблюдений, который составили Эйри и Чэллис, ясно показывал: хотя статья Леверье и подтвердила принципиальную правоту молодого Адамса, в его конкретные цифры они верили очень мало, несмотря на то что тот дал наиболее вероятное положение планеты на небе. Вместо того чтобы начать наблюдение вокруг этой точки, Эйри и Чэллис выделили на звёздном небе участок вдоль эклиптики и собрались дважды перебрать тысячи звёзд, чтобы найти планету по её смещению среди неподвижных звёзд.

Джон Адамс, первым рассчитавший траекторию невидимой планеты, оценил также её размер и яркость и отметил, что в отличие от звезды она должна иметь заметный диск. Эйри и Чэллис не поверили и этому. Чэллис не искал объекты с диском, а захватывал при наблюдении гораздо более слабые и точечные звёзды, увеличивая список просматриваемых объектов во много раз.

За два месяца директор Кембриджской обсерватории «перебрал» три тысячи звёзд — и все они оказались на месте! Учёный уже готов был заявить, что планеты, предсказанной юнцом, не существует, но в конце сентября он прочитал очередную статью теоретика Леверье. Тот прямо советовал тугодумам-наблюдателям искать новую планету по диску. Ворча, Чэллис начал поиск новым способом — просто высматривая диск среди звёзд. И вскоре — всего лишь после трёх часов наблюдений — заметил объект с небольшим диском и сообщил об увиденном своему ассистенту. Чтобы проверить, планета ли это, нужно было всего лишь надеть на телескоп окуляр с бóльшим разрешением. Но в эту ночь Чэллис не стал монтировать новый окуляр, а в следующую решил вообще не ходить на наблюдения, так как Луна переместилась и стала, по его мнению, засвечивать нужный участок неба. А вдруг планета была ещё видна? Может, стоило проверить? Но Чэллис предпочёл лечь спать.

Утром первого октября он встал, с аппетитом позавтракал, читая свежую лондонскую газету «Таймс». И тут его аппетит напрочь пропал: он увидел сообщение о том, что новую планету уже открыли в Европе! В Европе — но не во Франции. Франция, как оказалось, стóит Англии. Когда француз Леверье опубликовал работу с предсказанием координат новой планеты, сколько французских наблюдателей бросились проверять указанный участок неба?

— Ни одного, — догадалась Галатея.

— Правильно! Справедливости ради нужно сказать, что молодые астрономы Парижской и Вашингтонской обсерваторий рвались к телескопам, но их почтенные руководители, проявив интернациональное единодушие, быстро указали молодым их место — каждый сверчок знай свой шесток.

В отличие от робкого и неопытного Адамса, Леверье был матёр, горяч и нетерпелив. Не найдя отклика у французских наблюдателей, он обратился к зарубежным астрономам, предлагая им заняться поисками новой планеты. Он даже написал письмо с этим предложением королевскому астроному Эйри в Англию.

— Неправильный ход! — заметил Андрей.

— Верно. Ввиду «близкого отъезда в Европу» Эйри отклонил предложение Леверье, который готов был прислать детальные данные для наблюдений. Королевский астроном попросту искал способ отделаться от него. На самом деле, хотя до поездки оставалось всего полтора месяца, он уже начал поиски планеты по данным Адамса, но из патриотических убеждений не хотел принять помощь от француза.

Иоганн Галле, Генрих д'Арре

Леверье понял, что со стариками, сидящими во главе обсерваторий, никакой каши не сваришь. И сделал умный ход. Он вспомнил, что в Берлинской обсерватории работает молодой астроном Иоганн Галле, приславший ему год назад свою диссертацию. Леверье написал Галле письмо, где сначала похвалил его труд, а потом изложил главное — просьбу о поиске новой планеты. Леверье привёл в письме её координаты и оценку размера диска.

Иоганн Галле получил письмо днём 23 сентября и тут же загорелся этой идеей.

— Наконец-то! — облегчённо перевёл дух Андрей.

— Если бы Леверье написал директору Берлинской обсерватории — пожилому и заслуженному Иоганну Энке (1791–1865), то из этого снова ничего бы не вышло. Энке был против новых наблюдений вне утверждённого плана.

В ту же ночь Галле сел за 23-сантиметровый телескоп. Ему вызвался помогать молодой студент Генрих д´Арре, который тоже увлёкся поиском новой планеты. Галле стал просматривать звёзды в указанной Леверье области, но диска нигде не обнаружил — увеличивающей силы окуляра телескопа не хватало.

Что было делать? Студенту пришла в голову замечательная мысль — воспользоваться только что напечатанным очень детальным берлинским атласом звёзд. Он предложил сравнить картину неба с каталогом, чтобы проверить, не затесалась ли среди неподвижных звёзд лишняя, подвижная, то есть планета. Сказано — сделано. Галле смотрел в телескоп и называл координаты видимых светил, а д´Арре искал их в каталоге. Уже в полночь Галле назвал координаты довольно яркой звезды, но д´Арре не нашёл её в каталоге!

Эврика!

Всего за несколько часов Галле и д´Арре нашли предсказанную Леверье планету! Её наблюдаемое положение не совпадало с вычисленным всего на один градус! Случилось это 23 сентября 1846 года.

Генрих немедленно побежал будить директора. Неслыханная дерзость! Но даже старые лошадки вскидываются, когда слышат такие новости. Энке поспешил к телескопу, и уже втроём они наблюдали новое светило до утра. Чтобы исключить ошибку, они продолжили наблюдение в следующую ночь. Более сильный окуляр показал, что у планеты есть заметный диск и что сместилась она за ночь как раз на предсказанную Леверье величину. Какое же исключительное наслаждение испытали за эти две ночи наблюдений три астронома, став участниками и свидетелями изменения картины мира!

Утром 25 сентября Галле написал письмо Леверье с победным известием. Почтовые лошади, подгоняемые запылённым курьером, быстро доставили сообщение из Берлина в Париж. Получив его, Леверье, без сомнения, испытал самый звёздный момент жизни.

Узнав об открытии новой планеты, английские и французские наблюдатели сильно расстроились. В обеих странах разразился политический скандал из-за упущенного национального престижа. Чэллис просмотрел свои записи и с ужасом обнаружил, что за два последних месяца он наблюдал новую планету уже трижды, но не понял этого!

— Почему?! — удивилась Галатея.

— Из-за невнимательности. Он не слишком скрупулёзно сравнивал данные наблюдений разных дней. Злые языки говорили, что жена не вовремя позвала астронома к чаю, из-за чего он не смог открыть новую планету. Кстати, если бы Чэллис 30 сентября исследовал замеченный накануне диск (было доказано, что небо это позволяло), то стал бы, по крайней мере, независимым открывателем новой планеты.

Планета Нептун, открытая 23 сентября 1846 года благодаря двум теоретикам — Урбену Леверье и Джону Адамсу и двум наблюдателям — Иоганну Галле и Генриху д’Арре. Фото NASA. 1989 год с сайта solarsystem.nasa.gov
Планета Нептун, открытая 23 сентября 1846 года благодаря двум теоретикам — Урбену Леверье и Джону Адамсу и двум наблюдателям — Иоганну Галле и Генриху д’Арре. Фото NASA. 1989 год с сайта solarsystem.nasa.gov

Английские газеты яростно напали на королевского астронома Эйри и на директора Кембриджской обсерватории Чэллиса. Журналисты требовали от них ответа, почему не они открыли новую планету, зная её координаты целый год? Французская пресса тоже не церемонилась с наблюдателями из Парижской обсерватории и задавалась тем же вопросом: почему планету француза Леверье открыли в Германии?!

Эйри и Чэллис написали много статей и мемуаров, объясняя, почему они не обращали внимания на работу Адамса. Эйри даже заявил в свою защиту, что открытие новой планеты не входит в обязанности королевского астронома. Впрочем, математик и астроном Эйри за свою долгую жизнь, продолжавшуюся почти всё девятнадцатое столетие, не раз проявлял удивительный консерватизм и терпел неудачи. В 30-х годах он не поверил инженеру Расселу, открывшему солитон. В 40-х — не поверил Адамсу, предсказавшему существование Нептуна. В 70-х, выступая консультантом при строительстве железнодорожного моста, Эйри недооценил уровень ветрового давления. Штормовым вечером 28 декабря 1879 года мост рухнул вместе с проходившим по нему поездом. Все пассажиры — семьдесят пять человек — погибли, а Эйри вызвали в суд для дачи показаний. В 80-х он предложил новую теорию движения Луны, но уже после публикации обнаружил, что в сложные вычисления в самом начале вкралась ошибка, обесценившая всю теорию. Директор Кембриджской обсерватории Чэллис тоже вошёл в историю, в основном, благодаря своим неудачным поискам планеты-невидимки.

Открытие Нептуна — так назвали планету в честь римского бога морей — стало уроком для многих астрономов-консерваторов и триумфом для ньютоновской механики, которая оказалась исключительно точным и полезным инструментом науки. Адамс получил свою порцию славы — его роль в открытии Нептуна отметили, а работу опубликовали. Он провёл свои вычисления орбиты невидимой планеты раньше Леверье, но независимые расчёты француза оказались точнее — именно они привели к открытию. Леверье мгновенно прославился на весь мир.

Ещё одно важное научное достижение французского учёного — теория движения Меркурия. В 1859 году, будучи уже маститым директором Парижской обсерватории, Леверье открыл аномальную прецессию орбиты Меркурия — её кеплеровский эллипс смещается (дрейфует, как по-моряцки говорят небесные механики) чуть быстрее, чем следует из ньютоновской теории.

Тритон — крупнейший спутник планеты Нептун. Открыт Ласселем в 1846 году, спустя 17 дней после открытия Нептуна.
Тритон — крупнейший спутник планеты Нептун. Открыт Ласселем в 1846 году, спустя 17 дней после открытия Нептуна. Полярный ледник состоит из твёрдого азота, чёрные дымы — следы активных гейзеров из жидкого азота. Фото NASA. 1989 год. Image Credit: NASA/JPL/USGS. Фото с сайта www.nasa.gov

Леверье глубоко верил в эту теорию и предположил, как и в случае с Ураном, что существует невидимая планета Вулкан, движущаяся вокруг Солнца и влияющая на Меркурий. Но здесь Леверье оказался неправ — никакого Вулкана возле Солнца не нашли, просто астроном обнаружил пределы применимости теории Ньютона.

— Ну, прямо наваждение какое-то! — удивился Андрей, которого, в отличие от младшей сестры, так и не удалось усыпить длинной историей.

Дзинтара улыбнулась и негромко сказала:

— Через шестьдесят лет из этой аномальной прецессии Меркурия родилась теория гравитации Эйнштейна, которая сменила теорию гравитации Ньютона на посту управителя небес. Эпоха небесной механики уступила дорогу эпохе небесной физики, а новое время всегда рождает новые сказки.



Эклиптика — большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое движение Солнце, или круг, образованный сечением небесной сферы плоскостью орбиты Земли.

Аномальная прецессия Меркурия — аномальное смещение эллипса, по которому движется Меркурий. Теория Ньютона предсказывает определённую скорость поворота эллипса вокруг Солнца — из-за воздействия других планет, но в реальности орбита Меркурия смещается быстрее. Аномальная скорость прецессии получила объяснение лишь в теории Эйнштейна, которая установила искривление пространства возле Солнца.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
# 3 Июн 2015 18:18:25
Louiza

Сказка о Джеймсе Максвелле и его ручном демоне

Полярное сияние возникает в северных широтах, когда космические токи взаимодействуют с земной атмосферой.
Полярное сияние возникает в северных широтах, когда космические токи взаимодействуют с земной атмосферой.

— Никки, расскажи про электричество, — попросила Галатея. — А то Андрей мне плохо объяснил, что такое ток.

— Я хорошо объяснил, это ты плохо поняла, — возразил старший брат.

— Электрический ток — не простая штука, — усмехнулась королева Никки, которая приехала в гости к принцессе Дзинтаре и по традиции рассказывала новую историю её детям. — Двадцатый век часто называют эпохой электричества, потому что появившиеся тогда бесчисленные электрические устройства сыграли в развитии человечества более значительную роль, чем даже компьютеры, космические ракеты и атомная энергия, которых без электричества, впрочем, не было бы.

Портрет великого Джеймса Максвелла и страница из его трактата по электродинамике. Фото из двухтомного сочинения Максвелла. Издательство «Наука», 1989 год.
Портрет великого Джеймса Максвелла и страница из его трактата по электродинамике. Фото из двухтомного сочинения Максвелла. Издательство «Наука», 1989 год.

В двадцатом веке электричество превратилось из диковинки в движущую силу цивилизации. Важнейшую роль в достижении этой цели сыграл один человек, о котором я сейчас вам расскажу.

Природные электрические явления были хорошо известны даже первобытным людям. Например, молния и гром: молния — это световая вспышка из-за разряда атмосферного электричества, а гром — его акустическое сопровождение.

— А какие ещё природные явления связаны с электричеством? — полюбопытствовала Галатея.

— Ну, например, полярные сияния. Они генерируются потоками электронов и протонов, летящих от Солнца и попадающих в ловушку магнитосферы Земли. Свечение рождается в воздухе, когда облака заряженных солнечных частиц, накопленных в радиационных поясах Земли, переполняют их и врезаются в атмосферу Земли.

Эдинбургская академия — первое учебное заведение, в котором получал образование Джеймс Максвелл. Фото: Original uploder Was Macunba / Wikimedia Commons.
Эдинбургская академия — первое учебное заведение, в котором получал образование Джеймс Максвелл. Фото: Original uploder Was Macunba / Wikimedia Commons.

А вы сами можете вспомнить какой-нибудь природный электрический феномен?

Дети задумались.

— Компас! — воскликнул Андрей. — Его стрелка всегда «смотрит» на северный магнитный полюс.

— Верно, — согласилась Никки. — Магнитные свойства металлической стрелки связаны с движением электронов в её атомах, а магнитное поле нашей планеты вызвано электрическими токами в потоках расплавленного металла в центре Земли. И когда маленькая стрелка в прозрачной коробочке поворачивается на север, её движение соединяет в себе эффекты микромира и планетарные процессы.

Андрей победно посмотрел на Галатею:

— Вот какой прекрасный пример я нашёл!

Та покраснела и сердито выпалила:

— А меня часто «жалят» электрические разряды, когда я надеваю шерстяной свитер или берусь за металлическую ручку.

— Отлично! — Никки похвалила Галатею. — Это происходит разряд статического электричества, накапливающегося при трении одних предметов о другие. Электризацию вызывает, например, трение янтаря о шерсть, из-за чего к янтарю притягиваются мелкие бумажки. На основе этого явления в девятнадцатом веке создали электрофорные машины, которые накапливали заряд в особых банках-конденсаторах и на больших металлических шарах. Эти машины использовали для исследования электрических явлений и как источники постоянного тока.

— Я видела молнии между такими шарами! — воскликнула Галатея с сияющими глазами. Никки одобрительно кивнула.

Электрические разряды, или молнии, в облаках вулканического пепла. Извержение вулкана Ринджани на острове Ломбок в Индонезии в 1995 году. Фото: Оливер Спальт.
Электрические разряды, или молнии, в облаках вулканического пепла. Извержение вулкана Ринджани на острове Ломбок в Индонезии в 1995 году. Фото: Оливер Спальт.

— К началу девятнадцатого века изучением явлений электричества и магнетизма занимались многие учёные. Одни исследовали статические заряды на шарах, другие — электрические токи в проводах и то, как они взаимодействуют с намагниченной стрелкой компаса. А как связаны многочисленные электромагнитные явления друг с другом, долгое время оставалось загадкой.

Но вернёмся к нашему герою. В 1831 году в Шотландии, в семье владельца большого фамильного поместья под Эдинбургом Джона Клерка Максвелла, родился сын Джеймс. Мальчик рос любознательным в окружении книг и диковинных механических игрушек. До десяти лет он получал домашнее образование под началом специально нанятого учителя. В 1841 году отец отправил Джеймса в школу, которая называлась «Эдинбургская академия». Позже, с 1847 по 1850 год, талантливый юноша учился в Эдинбургском университете, а затем перешёл в Кембриджский, который закончил в 1854 году.

О том, в каком напряжённом режиме он учился, свидетельствует следующий факт. Когда Максвелл получил сообщение об обязательном посещении утреннего богослужения в университете, он сказал: «Я в это время только ложусь спать».

Максвелл проявил себя настоящим гением в науке: он занимался астрономией и устойчивостью колец Сатурна, созданием основ цветной фотографии и теорией движения молекул в газах, — все физики мира знают «распределение Максвелла», которому подчиняется, например, распределение молекул газа по скоростям.

— А я слышал про «демона Максвелла»! — выпалил Андрей.

— Да, это воображаемое разумное существо микроскопического размера придумал Максвелл для одного из своих мысленных экспериментов. Возьмём сосуд с газом, — рассуждал он. — Разделим его пополам стенкой, в которой будет всего лишь одна крохотная дверца. Поставим возле этой дверцы швейцара-демона. Пусть он молниеносно открывает дверцу перед быстрыми молекулами, которые прилетают только из левой части сосуда в правую, и перед медленными молекулами, которые движутся только из правой части в левую, и захлопывает её перед «носом» остальных частиц. Постепенно, благодаря неустанной работе демона, в правой части накопится горячий газ с быстрыми молекулами, а в левой — холодный газ с медленными молекулами. Если сделать дверцу очень лёгкой, то работать демону будет не так уж трудно, зато сколько пользы он может принести! Правда, при этом нарушаются важные законы физики, что делает работу демона парадоксальной.

Демон Максвелла сортирует молекулы по их скорости (рисунок слева), и в результате в сосуде левая камера становится холодной, а правая — горячей (рисунок справа). Рис. Htkym /Wikimedia Commons/CC-BY-SA.
Демон Максвелла сортирует молекулы по их скорости (рисунок слева), и в результате в сосуде левая камера становится холодной, а правая — горячей (рисунок справа). Рис. Htkym /Wikimedia Commons/CC-BY-SA.

— Заставив работать демона Максвелла, можно сделать холодильник, которому не нужно электричество! — засмеялась Галатея.

— И чайник! — поддержал её Андрей.

— Учёные немало сил потратили на осмысление хитроумного демона Максвелла, пока не поняли, что ни один демон даром работать не будет — он всё равно потребует плату.

Но вернёмся к электричеству. Максвелл увлёкся математической задачей описания электромагнитных явлений, но никак не мог связать покоящиеся заряды и токи в проводах. Он вообще любил создавать математические теории, описывающие природные явления. Максвелл говорил: «Если вы окажетесь где-то не правы, природа сама сразу же скажет вам об этом». Он потратил много усилий на создание уравнений, которые описывали бы все известные магнитные и электрические явления. В конце концов ему это удалось!

— Все-все? — недоверчиво спросила Галатея.

— Все-все, причём не только известные, но и ещё неоткрытые явления! Труды Максвелла, Герца и других физиков доказали, что электричество присутствует в природе повсеместно и участвует в самых разных явлениях: оно накапливается в атмосферных тучах и разряжается молниями во время грозы, течёт в подземной расплавленной магме, заставляя стрелки компаса смотреть на север, и возникает в кипящей звёздной материи. Тучи пепла электризуются не хуже дождевых облаков, поэтому извержения вулканов тоже сопровождаются мощными молниями. Одним словом, электричество — это удивительный природный феномен, который человек сумел приручить и превратить в самую распространённую технологию современной цивилизации.

— Так что же такое электрический ток? — спросила Галатея.

— Это одновременно и очень простой, и очень сложный вопрос. В некоторых учебниках написано, что электрический ток — это направленное движение электронов по проводам. Многие так и думают. Но если щёлкнуть выключателем на стене, то электроны из этого выключателя дойдут до люстры (предположим, что мы используем постоянный, то есть не меняющий своего направления, ток) часов за десять.

— Как же так? — опешила Галатея. — Лампочка-то зажигается сразу!

— Верно! Но факт остаётся фактом, — электроны движутся со скоростью примерно миллиметр в секунду. А если учесть, что в обычной бытовой сети электрический ток переменный (со сменой направления пятьдесят раз в секунду), то электроны из выключателя вообще никуда не денутся, — они будут перемещаться туда-сюда на ничтожно малом (с нашей точки зрения) участке провода.

— Но как же лампочка узнаёт, что ей пора зажигаться? — недоумевала Галатея.

— Чтобы лучше понять, что такое электрический ток, давайте проведём мысленный эксперимент: расставим десять солдат на десятикилометровом отрезке дороги на расстоянии километра друг от друга. Все они смотрят в одну сторону, как и полагается в строю, и внимательно прислушиваются друг к другу. Вот последний в строю солдат кричит «Марш!» и начинает двигаться вперёд. Следующий солдат, уловив его еле слышную команду, долетевшую сзади, немедленно громко повторяет её: «Марш!» — и тоже начинает шагать вперёд, и так до тех пор, пока первый в строю солдат не начнёт маршировать, услышав команду предыдущего. Звук проходит километровую дистанцию за три секунды, значит, команда «Марш!» промчит расстояние в десять километров за полминуты. За эти полминуты первый солдат прошагает всего метров сорок. Если приравнять медлительных солдат к электронам, а быструю команду, которую они передают друг другу, — к электромагнитному полю, то мы поймём, почему электроны, двигаясь медленно, перемещаются по всему проводу одновременно. И лампочка, не дожидаясь медлительных электронов из розетки, загорается сразу — вернее, электроны, получив команду электромагнитного поля, которое распространяется по проводу со скоростью триста тысяч километров в секунду, начинают двигаться по всему металлическому проводу и по спирали, называемой телом накала, практически одновременно.

— Значит, скорость электромагнитного поля равна скорости света в вакууме? — спросил Андрей. — Это случайное совпадение?

— Конечно, нет! — воскликнула Никки. — Главная заслуга Максвелла состоит не только в том, что он привёл в порядок известные законы электродинамики. Записывая свою систему уравнений, Максвелл заметил, что ей не хватает красоты. И он добавил в одно из уравнений слагаемое, приводившее к симметрии между электрическим и магнитным полями! Ни один из выполненных к тому времени экспериментов не вынуждал его к такому шагу. Но математически красивая теория имеет больше шансов оказаться правильной. Красота и симметрия постепенно стали путеводными звёздами физиков-теоретиков, указывающими дорогу в мир неизведанного.

После такого дополнения Максвеллу открылось чудо: оказалось, что для существования электрических и магнитных полей вовсе не обязательно наличие зарядов и токов! Электрические и магнитные поля, не привязанные к зарядам и токам, могут перемещаться в пустом пространстве, даже в чистейшем вакууме. Такие поля имеют вид бегущих волн, где электрическое и магнитное поля не существуют одно без другого, — они тесно сплетаются, перетекают одно в другое в пространстве. Уравнения Максвелла доказывали, что скорость распространения таких волн равна скорости света в вакууме. Поняв это, учёный решился на удивительное утверждение: Максвелл заявил, что эти электромагнитные волны и есть свет, который рождается Солнцем и свечой, молнией и светляком.

— Ух ты! — выдохнула взволнованная Галатея. — Значит, светлячок тоже электрическое явление!

— Но ведь это всего лишь предположение Максвелла, — Андрей был настроен скептически. — Откуда мы знаем, что Максвелл прав и что его уравнения верно описывают солнечный свет?

— Вопрос по существу! — похвалила Андрея Никки. — Хорошая теория должна не только описывать уже известные явления, но и предсказывать новые, причём предсказание должно быть достаточно конкретным, чтобы дать посыл экспериментаторам: ищите! И если результат эксперимента согласуется с предсказанием теории, значит, теоретик прав.

Галатея укоризненно взглянула на Андрея. Она не сомневалась, что предсказание такого умного физика, как Максвелл, повелевающий даже демонами, выдержит самую суровую экспериментальную проверку. А Никки меж тем продолжала:

— Для подтверждения гениальной догадки Максвелла осталось сделать всего один шаг: породить электромагнитные волны экспериментально, управляя зарядами и токами с помощью проводов, магнитов и батареек. Эту задачу решил другой гениальный физик — Генрих Герц. Он сумел создать и зарегистрировать электромагнитные волны более низкой частоты, чем световые. Теперь мы называем их радиоволнами, а частоту различных колебаний стали измерять в «герцах»: Герц (Гц) — количество колебаний в секунду. Например, в герцах измеряется частота переменного тока в обычной бытовой электросети, — он меняет своё направление с частотой 50 Гц.

Никки посмотрела на внимательно слушающую девочку:

— Вернёмся к твоему вопросу о природе электрического тока, Галатея. Хотя электромагнитное поле мчится вдоль провода очень быстро, а электроны ползут по металлическому проводу со скоростью улитки, они тесно связаны. Электрический ток, распространяющийся по проводам, — это проявление совместного движения медленных электронов и быстрого электромагнитного поля. Таков самый простой ответ. Но если копнуть поглубже — а это очень увлекательное занятие в любой деятельности, — то окажется, что даже электрический ток в обычной бытовой сети представляет собой очень сложное атомное явление.

Зададимся вопросом: как работает электрический ток в наших домах? Оставим в стороне сложные устройства, рассмотрим обычную спираль конфорки электрической плиты или спираль утюга, которая разогревается, когда по ней проходит электрический ток. Что при этом происходит между электронами и металлической спиралью? Отчего она становится так горяча?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте пофантазируем. Вы никогда не играли в футбол в густом лесу, где растут мачтовые сосны? Попробуйте сильными ударами по мячу отфутболить его на расстояние в сотню метров. Эта задача, простая для обычного футбольного поля, в густом лесу превращается в трудновыполнимое дело. При каждом ударе мяч попадает в дерево и отскакивает от него назад или в сторону. Ваши ноги дают ему нужное направление, а деревья сбивают его с пути. Когда вы наконец добьётесь выполнения задачи, вытрите пот со лба и задумайтесь. Мяч играл роль электрона, вы — электромагнитного поля, ускоряющего его в нужном направлении, а стволы сосен изображали атомы металла, которые рассеивают электроны, мешая им двигаться. Энергия, которую вы, вернее, электромагнитное поле затратило на проталкивание электронов сквозь «заросли» атомов, идёт на нагревание провода.

— Значит, когда от попадания мяча сосны начинают покачиваться — это и есть аналог выделяющегося на атомах тепла? — спросил Андрей, улыбаясь.

— Верно. Закон немецкого физика Георга Ома связывает сопротивление материала, напряжение и силу электрического тока. Он сформулирован на основе многочисленных опытов, но без понимания внутренних процессов. Описать точно электрическое сопротивление можно только в рамках квантовой механики, которой не было во времена Ома. На самом деле мы жарим яичницу и гладим брюки на квантовом тепле, которое появляется в результате сложных взаимодействий электронов, атомов и электромагнитного поля.

Каждый организм жив, пока получает энергию извне. В этом наши дома похожи на живые организмы, — им для функционирования тоже нужна энергия, и они получают её по проводам, вернее, по металлической проволоке. По ней движется электрический ток, который зажигает лампочки, заставляет работать холодильник, телевизор, телефон, пылесос, электроплиту и множество других приборов, питающихся электричеством.

Радио, телевидение, компьютеры, мобильные телефоны — всё это возникло благодаря Максвеллу и его уравнениям, которым подчиняются электромагнитные поля звёзд и полярных сияний, электрических розеток и компьютерных процессоров.

Памятник Джеймсу Максвеллу в Эдинбурге. Скульптор А. Стоддарт. Фото: Kim Traynor/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0
Памятник Джеймсу Максвеллу в Эдинбурге. Скульптор А. Стоддарт. Фото: Kim Traynor/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0



Джеймс Максвелл (1831—1879) — великий британский физик, шотландец по происхождению. Заложил основы классической электродинамики.

Генрих Герц (1857—1894) — выдающийся немецкий физик. Опираясь на предсказания теории Максвелла, сумел сгенерировать электромагнитные волны электротехническими методами. Этим он не только подтвердил справедливость уравнений Максвелла, но и заложил основы радиосвязи.

Георг Ом (1789—1854) — знаменитый немецкий физик. Открыл закон, связывающий напряжение и силу тока с электрическим сопротивлением проводника.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
# 17 Июн 2015 10:57:33
Louiza

Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии

— Знаете ли вы, что такое философский камень? — спросила принцесса Дзинтара Галатею и Андрея, перед тем как рассказать им очередную вечернюю сказку. — Нет? Так в Средневековье называли вещество, которое якобы могло превратить свинец и другие металлы в золото. Например, считалось, что с его помощью можно создать эликсир жизни. Средневековые аристократы часто давали деньги придворным алхимикам, чтобы те изготовили философский камень, который сулил господину несметное богатство.

— Алхимики их обманывали! — засмеялась Галатея.

— Этого исключить нельзя, но многие из них искренне верили в возможность создания такого вещества и тратили на его поиски всю жизнь. Нельзя сказать, чтобы их труды оставались бесплодными: алхимики попутно сделали немало замечательных открытий, которые легли в основу современной химии. Но создать философский камень им так и не удалось. Способ преобразования химических элементов открыли позже, и надежд алхимиков он не оправдал. Я расскажу вам всё по порядку, — улыбнулась Дзинтара. — Эта история началась, когда одна бедная польская гувернантка приехала в Париж, чтобы стать физиком.

Мария Склодовская-Кюри. Фото: Generalstabens Litografiska Anstalt Stockholm/ Wikimedia Commons.
Мария Склодовская-Кюри. Фото: Generalstabens Litografiska Anstalt Stockholm/ Wikimedia Commons.

— Мама! — воскликнула Галатея. — Ты уверена, что рассказываешь по порядку? Давай сначала.

— Ну хорошо, — согласилась Дзинтара. — В семье варшавского учителя гимназии Владислава Склодовского росли три дочери. Они мечтали учиться в университете, но семья жила небогато, к тому же в Польше, которая в конце XIX века была провинцией Российской империи, у девушек практически не было возможностей для получения университетского образования. Младшая сестра, Мария, закончила в Варшаве подпольные женские курсы, которые назывались «Летучий университет».

— Знаете ли вы, что такое философский камень? — спросила принцесса Дзинтара Галатею и Андрея, перед тем как рассказать им очередную вечернюю сказку. — Нет? Так в Средневековье называли вещество, которое якобы могло превратить свинец и другие металлы в золото. Например, считалось, что с его помощью можно создать эликсир жизни. Средневековые аристократы часто давали деньги придворным алхимикам, чтобы те изготовили философский камень, который сулил господину несметное богатство.

— Алхимики их обманывали! — засмеялась Галатея.

— Этого исключить нельзя, но многие из них искренне верили в возможность создания такого вещества и тратили на его поиски всю жизнь. Нельзя сказать, чтобы их труды оставались бесплодными: алхимики попутно сделали немало замечательных открытий, которые легли в основу современной химии. Но создать философский камень им так и не удалось. Способ преобразования химических элементов открыли позже, и надежд алхимиков он не оправдал. Я расскажу вам всё по порядку, — улыбнулась Дзинтара. — Эта история началась, когда одна бедная польская гувернантка приехала в Париж, чтобы стать физиком.

— Мама! — воскликнула Галатея. — Ты уверена, что рассказываешь по порядку? Давай сначала.

— Ну хорошо, — согласилась Дзинтара. — В семье варшавского учителя гимназии Владислава Склодовского росли три дочери. Они мечтали учиться в университете, но семья жила небогато, к тому же в Польше, которая в конце XIX века была провинцией Российской империи, у девушек практически не было возможностей для получения университетского образования. Младшая сестра, Мария, закончила в Варшаве подпольные женские курсы, которые назывались «Летучий университет».

— Подпольные? — удивился Андрей. — То есть они учились, нарушая закон?

— Скорее — нарушая традиции. Диплом таких курсов никто не признавал. Чтобы иметь возможность учиться дальше, две сестры — Мария и Бронислава (она была старше Марии на два года) — заключили соглашение: получать образование по очереди, помогая друг другу. Мария стала работать гувернанткой и отдавать заработанные деньги Брониславе, чтобы та могла получить среднее образование в Варшаве, а потом уехать в Париж учиться медицине. Во Франции Бронислава стала врачом, вышла замуж за польского врача-эмигранта. Теперь уже она пригласила сестру в Париж и помогла ей оплачивать учёбу.

Дом в Варшаве, где родилась Мария Склодовская. Сейчас — музей Марии Склодовской-Кюри. Фото: Дар Ветер/ Wikimedia Commons. ia Commons.
Дом в Варшаве, где родилась Мария Склодовская. Сейчас — музей Марии Склодовской-Кюри. Фото: Дар Ветер/ Wikimedia Commons. ia Commons.

В 1891 году двадцатичетырёхлетняя Мария Склодовская приехала к сестре. Паровоз, выпуская белый пар, подкатил пассажирские вагоны к длинному перрону парижского вокзала, Мария вышла из поезда, и с этого момента у неё началась совсем другая жизнь. Париж — огромный город со знаменитыми театрами, дворцами и университетом — покорил молодую полячку. Она поступила в Сорбонну и поселилась недалеко от университета в маленькой холодной мансарде в Латинском квартале — традиционном месте обитания парижских студентов.

Пренебрегая едой и сном, Мария прилежно училась и закончила университет одной из лучших, получив сразу два диплома — физика и математика. Её успехи настолько впечатлили педагогов, что девушку оставили в университете для самостоятельной научной работы. Мария Склодовская стала первой в истории Сорбонны женщиной-преподавателем.

— А до этого там преподавали только мужчины? — не поверила своим ушам Галатея.

— Да, в конце XIX века во Франции высшее образование получали почти исключительно мужчины, а образованию женщин уделялось мало внимания, — сказала Дзинтара. — Мария познакомилась с Пьером Кюри, который заведовал лабораторией в Школе промышленной физики и химии. Они поженились и стали работать вместе. Мария при заключении брака взяла двойную фамилию — Склодовская-Кюри.

Когда супруги Кюри узнали об опытах Антуана Беккереля, Мария выбрала радиоактивность темой своей диссертации. Она решила проверить, какой радиоактивностью обладают образцы урана из разных месторождений. В то время уже было известно, что излучение урана вызывает ионизацию воздуха и увеличение его проводимости, которую можно измерить с помощью простого электрического прибора.

— Проще, чем всё время проявлять фотопластинки! — добавил Андрей.

— Верно, это несколько облегчало работу, но всё равно её было очень много. Измерив ионизацию от разных образцов, Мария убедилась, что урановая руда из чешского месторождения Иоахимсталь в четыре раза активнее, чем образцы из других месторождений. Супруги Кюри предположили, что в этой руде кроме урана присутствует ещё какой-то активный элемент. С 1898-го по 1902 год в плохо приспособленном сарае на улице Ломон они переработали восемь тонн урановой руды! Результатом этого титанического труда стало получение образца вещества с такой высокой радиоактивностью, что он светился в темноте! Исследования показали, что это новый элемент. Супруги назвали его радием.

Примерно в то же время обнаружилось и биологическое воздействие радиации. Антуан Беккерель попросил у Кюри образец нового радиоактивного вещества для своего публичного выступления. Пробирку с радием он положил в кармашек жилета и вечером обнаружил, что на коже под кармашком образовалось покраснение. Пьер Кюри решил повторить опыт и тоже поставил его на себе. Он привязал на несколько дней пробирку к предплечью, и вскоре на коже образовалась язва, которая не заживала два месяца. Супруги стали замечать, что в процессе работы над радиоактивными препаратами их руки тоже покрываются язвочками. Это их не остановило — Пьер и Мария продолжили исследования и открыли ещё один радиоактивный элемент, названный в честь Польши, родины Марии, полонием.

Супруги Кюри не стали патентовать свои открытия, чтобы те оставались достоянием всего человечества. В 1903 году они вместе с Антуаном Беккерелем получили Нобелевскую премию «За выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». На эти деньги они купили очень нужное оборудование для лаборатории и — наконец-то! — ванну для своей квартиры.

Когда французский философ и социолог первой половины XIX века Огюст Конт рассуждал о непостижимости химического состава звёзд, он полагал, что проблему невозможно решить из-за невероятной удалённости светил. Однако работы Йозефа Фраунгофера, Генриха Герца и Вильгельма Рентгена опровергли воззрения Конта и заложили основу для дистанционного химического анализа звёзд по их слабому свечению.

Супруги Кюри пошли ещё дальше. Их исследования показали, что вещество звёзд можно потрогать руками. Известный физик Виктор Вайскопф писал об этом так: «Когда Мария и Пьер Кюри выделили радий в знаменитом сарае в Школе промышленной физики и химии, когда их охватил трепет при виде сверхъестественного свечения этого вещества в темноте, они оказались созерцателями явления, выходящего за пределы обычного атомного мира окружающей нас среды. Теперь мы знаем, что супруги Кюри увидели нечто, дошедшее из тех времён, когда земное вещество находилось в совсем иных условиях, внутри взрывающейся звезды. Естественные радиоактивные вещества — последние свидетели, последние ещё тлеющие угольки, оставшиеся от тех полных событиями времён, когда образовывались химические элементы». По мнению Вайскопфа, благодаря работам Марии Склодовской-Кюри «физика вышла на новый рубеж, и это можно назвать прыжком в космос».

— То есть уран и радий тоже образовались в космосе? — спросила Галатея.

— Да, в момент взрыва сверхновой элементарные частицы и ядра обычных, нерадиоактивных элементов сталкивались с такой скоростью, что сливались, образуя всевозможные тяжёлые химические элементы, включая уран, радий и другие элементы тяжелее железа. Многие из них радиоактивны, потому что отдают ядерную энергию, поглощённую в момент взрыва сверхновой.

Владислав Склодовский и его дочери: Мария, Бронислава и Хелена. 1890 год. Фото: Unknown photographer/ Wikimedia Commons.
Владислав Склодовский и его дочери: Мария, Бронислава и Хелена. 1890 год. Фото: Unknown photographer/ Wikimedia Commons.

— Значит, звёзды оказались тем самым философским камнем, который искали алхимики? — обрадовался своей догадке Андрей.

— По существу, ты прав: звёзды и есть философский камень, превративший звёздное железо в земное золото, рассеянное в минералах и собранное в золотых жилах, но я имела в виду нечто другое, о чём ещё не успела рассказать, — ответила Дзинтара.

— Так расскажи! — поторопила её Галатея.

Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в своей лаборатории. 1900 год. Фото: Vitold Muratov/ Wikimedia Commons.
Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в своей лаборатории. 1900 год. Фото: Vitold Muratov/ Wikimedia Commons.

— После получения Нобелевской премии Мария продолжала изучать радиоактивные элементы. В 1910 году ей удалось выделить чистый металлический радий и доказать, что это самостоятельный химический элемент. Её выдвинули кандидатом во Французскую академию наук, из-за чего среди академиков разгорелись яростные дебаты.

Уранинит из месторождения Иоахимсталь в Чехии, с которым работали супруги Кюри.
Уранинит из месторождения Иоахимсталь в Чехии, с которым работали супруги Кюри.

— Почему? — удивилась Галатея. — Ведь Мария получила Нобелевскую премию!

— Французская академия наук оставалась очень консервативной и в неё никогда не избирали женщин.

— Но ведь когда-то надо начинать! — решительно заявила Галатея.

— К сожалению, кандидатуру Марии Склодовской-Кюри провалили на выборах. Для победы ей не хватило всего двух голосов. А в следующем, 1911 году она получила вторую Нобелевскую премию, уже по химии, «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Мария Склодовская-Кюри стала первой и до сих пор единственной женщиной в мире, отмеченной двумя Нобелевскими премиями.

— Тем самым она «посадила в лужу» своих противников! — с удовлетворением отметил Андрей.

— История семьи Кюри, — продолжала Дзинтара, — не заканчивается на Пьере и Марии. Их старшая дочь Ирен родилась за год до открытия радия. Её мать всю себя отдавала науке, и девочка выросла под присмотром дедушки — врача Эжена Кюри. Ирен тоже закончила Сорбонну, правда с перерывом на несколько месяцев, когда помогала матери организовать работу двадцати фронтовых радиологических аппаратов, созданных на основе её открытий. Шла Первая мировая война, и эти мобильные установки помогли спасти много жизней— они обнаруживали в теле раненых бойцов шрапнель и осколки. Однако работа Марии и Ирен была небезопасной. Они получили значительные дозы радиации, которые впоследствии вызвали у них лейкемию.

Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри экспериментируют с радием. Гравюра Андре Кастейна/ Wikimedia Commons.
Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри экспериментируют с радием. Гравюра Андре Кастейна/ Wikimedia Commons.

Поработав с матерью, Ирен стала ассистентом в Радиевом институте. Здесь она познакомилась с Фредериком Жолио. Они поженились, оба взяли фамилию Жолио-Кюри и начали работать вместе.

— Полное равноправие! — удовлетворённо отметила Галатея.

— Супруги Жолио-Кюри сделали немало важных открытий, но самое выдающееся из них как раз и стало современным вариантом философского камня.

— Наконец-то мы добрались до него! — хлопнула в ладоши Галатея.

— К этому времени физики научились видеть отдельные элементарные частицы…

— Мама, ты шутишь?! — засмеялась Галатея. — Даже мне ясно, что это невозможно. Элементарные частицы такие маленькие! Никто не может увидеть электрон!

— Не совсем так. В 1897 году шотландский физик Чарльз Вильсон заметил, что в перенасыщенном водяном паре вокруг ионов образуются капельки воды и тогда их можно увидеть невооружённым глазом. На основе этого эффекта Чарльз сконструировал прибор, который стали называть камерой Вильсона. Прибор оказался настолько ценным, что за его создание автор получил в 1927 году Нобелевскую премию по физике.

Мария Склодовская-Кюри с дочерью Ирен.
Мария Склодовская-Кюри с дочерью Ирен.

Камера Вильсона позволяла видеть движение отдельных элементарных частиц! Элементарная частица влетала в камеру, наполненную перенасыщенным водяным паром, и вызывала ионизацию молекул вдоль своей траектории до тех пор, пока не расходовала всю энергию и не останавливалась. Ионы, расположенные вдоль траектории частицы, начинали конденсировать на себе капельки воды и в результате в камере появлялась туманная полоска. Если камеру Вильсона помещали в магнитное поле, траектория элементарной частицы загибалась, а то и закручивалась в спираль. Направление изгиба говорило о знаке заряда частицы, а кривизна траектории — о соотношении заряда частицы и массы. Таким образом, появилась возможность увидеть путь отдельных элементарных частиц. И хотя, конечно, сами частицы оставались невидимыми, камеру назвали «открытым окном в атомный мир».

Сольвеевский конгресс 1927 года собрал великих учёных. На фото в первом ряду (слева направо) — Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Склодовская-Кюри, Хенрик Лоренц, Альберт Эйнштейн и другие.
Сольвеевский конгресс 1927 года собрал великих учёных. На фото в первом ряду (слева направо) — Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Склодовская-Кюри, Хенрик Лоренц, Альберт Эйнштейн и другие.

Фредерик Жолио-Кюри усовершенствовал камеру Вильсона. В его варианте она стала очень чувствительной, что позволило провести тончайшие опыты с использованием мощного источника излучения, сделанного из полония. В одном из опытов, когда Фредерик и Ирен облучали алюминиевую фольгу альфа-частицами (ядрами гелия), супруги обнаружили интересный эффект: после облучения алюминий сам становился радиоактивным. Анализ показал, что обычный алюминий, присоединив к себе альфа-частицу, превратился в радиоактивный фосфор. Так был открыт философский камень — способ превращения одних элементов в другие, иными словами, метод создания искусственных элементов.

— Так же можно создавать и золото? — спросила Галатея.

— Да, однако это слишком дорогой способ, чтобы с его помощью набить золотом карманы. Но для науки, в том числе для медицины, метод превращения одних элементов в другие оказался бесценным. Использовав его, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили много различных искусственных изотопов. В 1935 году им вручили Нобелевскую премию по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Ирен, ещё девочкой, присутствовала на церемонии вручения Нобелевской премии её матери, а теперь и сама удостоилась этой чести.

— Значит, бедная гувернантка, приехав в Париж, получила через 12 лет одну Нобелевскую премию, а через 20 лет — другую! А потом и её дочери вручили такую же выдающуюся награду! Редкая удача! — подвёл итог Андрей.

— Не удача, а трудолюбие и талант. Мария Склодовская-Кюри и её дочь Ирен Жолио-Кюри стали пионерами атомного века, они первыми открыли дверь в неизведанное и на себе испытали все сопряжённые с этим опасности. Их исследования принесли не только важные открытия, но и бесценный опыт работы с радиоактивными веществами, который позволил следующим поколениям учёных-атомщиков не подвергать смертельному риску своё здоровье.

В честь супругов Кюри были названы радиоактивный химический элемент кюрий, Университет Пьера и Марии Кюри и Научно-исследовательский институт Кюри в Париже, а также станция парижского метро. Мария Склодовская-Кюри была удостоена десяти научных премий и 16 медалей и избрана почётным членом 106 научных учреждений, обществ и академий. Её имя вдохновило многих женщин посвятить свою жизнь науке.



Алхимик — средневековый естествоиспытатель, который пытался создать философский камень или открыть средство для бессмертия.

Философский камень — вещество, которое, как считалось в Средневековье, должно было превращать обычные металлы в золото и входить в состав эликсира молодости.

Полоний — химический элемент с обозначением Po и атомным номером 84 в периодической таблице Менделеева. Мягкий металл серебрис- того цвета, активнее урана. Открыт супругами Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри.

Радий — химический элемент с обозначением Ra и атомным номером 88. Блестящий, серебристо-белый металл. Активнее урана. Открыт супругами Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри. В начале XX века радий был самым дорогим металлом: стоимость одного грамма радия равнялась стоимости 200 килограммов золота.

Альфа-частицы — вид радиоактивного излучения, состоящего из положительно заряженных ядер гелия.

Пьер Кюри (1859—1906) — французский физик, получивший вместе с женой Марией Склодовской-Кюри Нобелевскую премию по физике (1903).

Мария Склодовская-Кюри (1867—1934) — великий физик и химик. За работы по радиоактивным элементам получила две Нобелевские премии: по физике вместе с мужем Пьером Кюри (1903) и по химии (1911).

Ирен Жолио-Кюри (1897—1956) — известный физик, дочь Марии Склодовской-Кюри. В 1935 году получила Нобелевскую премию по химии вместе с мужем Фредериком Жолио-Кюри.

Фредерик Жолио-Кюри (1900—1958) — французский физик. В 1935 году получил Нобелевскую премию вместе с женой Ирен Жолио-Кюри.

Виктор Вайскопф (1908—2002) — американский физик-теоретик. Родился в Австрии, работал с Нильсом Бором в Дании, участвовал в американском «проекте Манхэттен» по созданию атомной бомбы.

Чарльз Вильсон (1869—1959) — шотландский физик, создавший камеру Вильсона для наблюдения траекторий элементарных частиц. В 1927 году получил Нобелевскую премию по физике «за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара».



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
# 17 Июн 2015 12:12:57
Louiza

Сказка о Сен-Викторе и Беккереле, открывших таинственное излучение

— Золотистую окись урана находили в рудниках и по берегам рек ещё две тысячи лет назад, — неторопливо листая книгу, начала очередную вечернюю историю принцесса Дзинтара. — Её использовали как краску для узоров на глиняных вазах, а позже стали добавлять в расплав при варке цветного стекла. Только через много столетий, в 1841 году, французский химик Эжен Мелькьор Пелиго смог получить чистый уран — тяжёлый серо-стальной металл. Уран и его соединения привлекли внимание многих исследователей. Так, в 1804 году немецкий химик Адольф Гелен заметил, что раствор хлорида урана на свету быстро меняет ярко-жёлтый цвет на зелёный. Этот факт попробовал использовать французский исследователь Абель Ньепс де Сен-Виктор, который разработал способ получения цветных фотографий с помощью светочувствительных солей металлов. В 1857 году он обнаружил, что фотопластинки засвечиваются солями урана. Химик предположил, что, возможно, за столь неожиданный эффект отвечает фосфоресценция или флуоресценция.

Абель Ньепс де Сен-Виктор — французский исследователь, открывший, что соли урана засвечивают фотопластинку.
Абель Ньепс де Сен-Виктор — французский исследователь, открывший, что соли урана засвечивают фотопластинку.

— Это ещё что за звери? — не выдержала Галатея напора незнакомых терминов.

— Так называют нетепловое свечение вещества, — пояснила Дзинтара. —В случае флуоресценции свечение после воздействия внешнего фактора прекращается за доли секунды, в случае фосфоресценции свечение длится до нескольких часов или дней.

— У меня где-то есть фосфоресцирующие кубики, — вспомнил Андрей. — Если подержать их на солнце, они потом в темноте светятся зелёным светом, но постепенно их свечение слабеет.

Дзинтара кивнула:

— Да, такой эффект ослабления свечения типичен для фосфоресцирующих веществ. Но Сен-Виктор обнаружил, что фотопластинки засвечиваются солями урана, образцы которых полгода провели в темноте. А это значит, что они никак не могли фосфоресцировать. В 1861 году Сен-Виктор пришёл к выводу, что соли урана дают «радиацию, невидимую нашему глазу», и это наблюдение признали «фундаментальным открытием». Через 7 лет, в 1868 году, другой физик, Александр Эдмон Беккерель, опубликовал книгу «Свет», в которой описал опыты Сен-Виктора с солями урана и фотопластинками.

— Значит, радиоактивное излучение открыл Сен-Виктор?! — воскликнул Андрей.

Антуан Анри Беккерель. Фото Пауля Надара из коллекции Дибнеровской библиотеки истории науки и техники.
Антуан Анри Беккерель. Фото Пауля Надара из коллекции Дибнеровской библиотеки истории науки и техники.

Дзинтара задумчиво ответила:

— И да и нет. Если исследователь открыл что-то, значительно опережающее существующий уровень знаний, его открытие, скорее всего, не получит отклика и не будет работать на развитие науки. Это «что-то» будет долгое время «молчать» — как произошло с гелиоцентрической системой Аристарха Самосского, генетическими исследованиями Грегора Иоганна Менделя и космогоническими идеями Иммануила Канта. Через десятки, сотни, а иногда и тысячи лет «молчащее» открытие открывают заново, и оно начинает влиять на ход прогресса, встраиваться в общее здание науки. Чтобы открытие прозвучало, цивилизация должна быть готова принять новое. В середине XIX века ещё ничего не знали о природе света и тем более о строении атома и о существовании невидимых излучений. Потому-то работу Сен-Виктора не поняли, и она осталась практически незамеченной.

Урансодержащий минерал отенит (водный уранил-ванадат кальция): вверху — при дневном свете; внизу — флуоресцирует при облучении ультрафиолетом.
Урансодержащий минерал отенит (водный уранил-ванадат кальция): вверху — при дневном свете; внизу — флуоресцирует при облучении ультрафиолетом.
Урансодержащий минерал отенит (водный уранил-ванадат кальция): вверху — при дневном свете; внизу — флуоресцирует при облучении ультрафиолетом.

— Невидимой! — пошутила Галатея.

— Но во второй половине XIX века уровень научных знаний поднялся на новую высоту: Джеймс Максвелл открыл электромагнитную природу света, Генрих Герц обнаружил невидимое радиоизлучение. Появились исследования Филиппа Ленарда о катодных лучах, а к концу века Вильгельм Рентген «увидел» невидимые Х-лучи. Эти новейшие для того времени открытия в корне изменили отношение учёных к работам, описывающим невидимое излучение.

Эдмону Беккерелю в опытах со светом помогал его сын Антуан, которому к моменту окончания книги «Свет» было четырнадцать лет. Впоследствии он сам стал учёным, посвятив себя вопросам фотографии и люминесценции солей урана. Антуан Анри Беккерель продолжил династию и вслед за дедом и отцом возглавил кафедру физики в Национальном музее естественной истории. Прочитав об открытии рентгеновских лучей, Антуан сразу решил, что они как-то связаны с фосфоресценцией. Он полагал, что вещество, полежавшее на ярком солнечном свете, может испускать не только обычный свет, но и Х-лучи.

Фотопластинка Беккереля, засвеченная солями урана. Светлая тень в нижней части фото — от мальтийского креста, расположенного между солью урана и фотопластинкой.
Фотопластинка Беккереля, засвеченная солями урана. Светлая тень в нижней части фото — от мальтийского креста, расположенного между солью урана и фотопластинкой.

В этом младший Беккерель ошибался, но его главное открытие уже лежало на поверхности. Однажды Антуан запланировал исследование, которое нужно было проводить на ярком солнечном свете, но из-за туч, набежавших на небо, отложил эксперимент. Фотопластинку, завёрнутую в плотную чёрную бумагу, он положил в стол вместе с образцами солей урана. На следующий день учёный обнаружил, что убранная в стол фотопластинка оказалась засвеченной, хотя он завернул её в плотную чёрную бумагу. Существенное отличие этого случайного опыта от опытов Сен-Виктора заключалось в том, что чёрная бумага преграждала путь к пластинке любого видимого излучения. Опыты Беккереля показали, что замеченное им излучение не зависит от температуры и вызывает ионизацию воздуха, так же как лучи Рентгена.

Антуан Беккерель установил: причиной засветки стало невидимое излучение солей урана. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что чистый уран излучает в три с половиной раза сильнее, чем его соль, значит, именно он отвечает за засветку фотопластинок.

В конце XIX века возник настоящий бум производства праздничной посуды из стекла с примесью урана, которая светилась в ультрафиолетовом свете.
В конце XIX века возник настоящий бум производства праздничной посуды из стекла с примесью урана, которая светилась в ультрафиолетовом свете.

Обнаружение радиоактивности урана — классический пример случайного открытия, которое сделано благодаря тому, что Антуан Беккерель был хорошо к этому подготовлен.

— Если Антуан читал книгу своего отца Эдмона Беккереля, то, конечно, хорошо подготовился, — отметил Андрей.

— Общество, — продолжила Дзинтара, — смогло оценить открытие радиоактивности не только благодаря работам Герца, Ленарда и Рентгена. Очень много успели сделать в этом направлении супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Излучение, которое исследовал Беккерель, какое-то время называли «лучами Беккереля». За открытие радиоактивности он получил в 1903 году Нобелевскую премию по физике, разделив её с Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри. Он стал знаменит, его выбрали академиком Французской академии наук, и он даже занял почётный пост её пожизненного секретаря. Его именем названы единица радиоактивности — беккерель (Бк), кратеры на Луне и на Марсе.

Вот что значит постоянно находиться в поиске, — закончила Дзинтара.



Уран (U) — химический элемент с атомным номером 92 (равным числу протонов в ядре) в периодической таблице Менделеева. Тяжёлый серебристо-серый глянцеватый металл. Радиоактивен. В земной коре его содержится в 40 раз больше, чем серебра, и в 500 раз больше, чем золота. Уран встречается практически везде — в минералах, почве, в воде рек и океанов.

Люминесценция — эффект нетеплового свечения вещества под действием различных факторов: света, химических реакций, ионизирующих излучений, электрического тока, звука, трения и т. д.

Флуоресценция — частный случай люминесценции, связанный с облучением светом, ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Флуоресценция практически мгновенно прекращается, когда внешнее облучение исчезает.

Фосфоресценция — эффект, аналогичный флуоресценции, только с более длительным периодом затухания свечения.



Александр Эдмон Беккерель (1820—1891) — французский физик, исследовавший эффекты флуоресценции. Отец Антуана Беккереля.

Антуан Анри Беккерель (1852—1908) — французский физик, открывший радиоактивность урана. Один из первых лауреатов Нобелевской премии (1903).

Абель Ньепс де Сен-Виктор (1805—1870) — французский исследователь, разработавший метод цветной фотографии и открывший засвечивание фотопластинки солями урана.

Эжен Мелькьор Пелиго (1811—1890) — французский химик, получивший в 1841 году металлический уран.

Адольф Гелен (1775—1815) — немецкий химик, открывший светочувствительность солей урана.

Аристарх Самосский (310—230 гг. до н. э.) — древнегреческий астроном и математик, создавший первую гелиоцентрическую модель мира. В честь его названы лунный кратер, астероид и аэропорт на его родине — острове Самос.

Грегор Иоганн Мендель (1822—1884) — австрийский ботаник, основоположник учения о наследственности.



Николай Николаевич Горькавый,
доктор физико-математических наук
# 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
# 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
# 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
# 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
# 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
# 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
# 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
|1|2| >>>
Только зарегистрированные пользователи могут создавать сообщения.
Вход, Регистрация.