А. Б. Казанцева
Научные открытия для тех, кто любит краткость
© Казанцева, 2021
© Издательство АСТ, 2021
Дорогие читатели!
Перед вами необычная книга. Она составлена в форме календаря. День за днем в ней рассказывается – популярно, но серьезно – о событиях и людях, которые помогли нам понять мир, в котором мы живем. Поскольку автор книги – физик, преподаватель Института физики, технологии и информационных систем Московского педагогического государственного университета, то темы рассказов в основном связаны с физикой, а также астрономией, космонавтикой, экологией и современными технологиями. Впрочем, глазами физика можно взглянуть на самые разные события и явления: на войны и землетрясения, на археологические находки, НЛО и мыльные пузыри… Хочется увлечь вас, показать, как много интересного произошло и продолжает происходить в науке. А заинтересовавшись какой-то темой, вы всегда найдете в книгах или Интернете более подробную информацию.
Книгу можно читать с любого места, пять минут или целый день. Она как мозаика: тема каждого дня года определяется событиями, которым случилось произойти в этот день. Кусочек за кусочком, вырисовывается картина: как менялись представления людей о мире, как трагично и забавно складывались судьбы открытий и людей, как мы представляем мир сегодня, какие планы строим на завтра…
Автор выражает благодарность своим коллегам по кафедре: М.С. Каменецкой, Н.В. Соиной и С.В. Бирюкову.
Приятного вам чтения!
Январь
1 января
Сколько же планет в Солнечной системе?
1 января 1801 года открыт первый и самый крупный из астероидов – Церера. С 2006 года Церера считается не астероидом, а карликовой планетой.
Со времен древнего Вавилона на протяжении многих столетий состав нашей планетной семьи не подвергался пересмотру: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн. Кометы в конце XVII века также признали «родственниками». Революция началась с открытия Урана (1781), затем обнаружилась целая куча мелких родственников – астероидов («звездоподобных» тел – они, в отличие от планет, в телескопах XIX века выглядели точками). Орбиты большинства астероидов лежат в поясе между Марсом и Юпитером. Открытиями Нептуна (1846) и Плутона (1930) пересмотр системы завершился. Состав Солнечной семьи, казалось, окончательно определился.
«Гром среди ясного неба» раздался в 1998 году, когда за орбитой Нептуна был открыт еще один объект – Хаос. Правда, он оказался меньше самых крупных астероидов из пояса между Марсом и Юпитером. Ученые успокоились, но ненадолго. Начиная с 2000 года открытия таких объектов посыпались одно за другим. В 2003 году соперником Плутона стала Седна, вплотную приблизившись к нему по размерам. Последней каплей, «переполнившей чашу терпения», стала Эрида, которая оказалась даже немного крупнее Плутона. Так сколько же у нас планет? Астрономы решили навести порядок в этом вопросе и четко классифицировать все объекты нашего Солнечного семейства. 24 августа 2006 года на Ассамблее Международного астрономического союза был вынесен вердикт о составе Солнечной системы. Загляните на лист 24 августа!
2 января
Миссия «Звездная пыль»
2 января 2004 года космический аппарат «Стардаст» («Звездная пыль»), предназначенный для изучения ядра кометы, приблизился к цели на расстояние 240 километров.
«Стардаст» стартовал с Земли в феврале 1999 года и направился на встречу с ядром кометы Вилд-2. Это была третья в истории экспедиция к кометам. Через пять лет после старта зонд достиг своей цели. Пролетать вблизи ядра кометы опасно (так, в 1986 году европейский аппарат «Джотто» на расстоянии 1200 км от ядра кометы Галлея был разрушен ее осколком). Когда «Стардаст» вошел в пылевидное облако, окружающее ядро кометы, опять чуть не случилось несчастье. Три раза аппарат попадал под удары крупных частиц кометы размером с хорошую виноградину. Они пробили три слоя защиты и завязли в несущей конструкции аппарата. Однако он «пережил» эту встречу и сделал фотографии ядра, плотно закрытого от наземных телескопов пылью и газом. На снимках даже удалось рассмотреть 20 крошечных «вулканов», которые извергали в окружающее пространство кометную пыль и камни. Но главное, были собраны образцы вещества из хвоста кометы, а также образцы космической пыли.
15 января 2006 года капсула с собранным кометным веществом была доставлена на Землю. После ее вскрытия стало ясно, что миссия выполнена успешно: захвачено множество крупных и мелких частиц. Анализ образцов кометной пыли показал наличие в них довольно интересных химических соединений, подтверждающих гипотезу о том, что жизнь на нашей планете зародилась благодаря столкновению с кометой (см. также 6 марта, 3 июля, 12 ноября).
3 января
Жан-Бернар-Леон Фуко
3 января 1851 года Жан-Бернар-Леон Фуко (1819–1868) с помощью маятника доказал вращение Земли вокруг своей оси.
С именем французского физика Жана Фуко вы встречались на уроках физики в школе по крайней мере трижды. Наиболее знаменит его опыт, демонстрирующий вращение плоскости качаний маятника. Если наблюдать за длинным качающимся маятником достаточно долгое время, то создается впечатление, что плоскость его качаний постепенно поворачивается. Но почему? Ведь нет никаких внешних сил, заставляющих маятник выходить из начальной плоскости качаний! Фуко объяснил этот эффект вращением Земли вокруг своей оси: сама Земля поворачивается, а плоскость качаний маятника сохраняет свое положение относительно неподвижных звезд.
Маятник Фуко длиной 67 метров демонстрировался в парижском Пантеоне и приводил публику в экстаз. Кстати, этот опыт, по итогам опроса среди физиков, входит в десятку самых красивых экспериментов за всю историю физики. До недавних пор подобный маятник можно было увидеть в Исаакиевском соборе в Петербурге и в Московском планетарии.
Фуко знаменит также измерениями скорости света в воздухе и воде при помощи вращающегося зеркала (1850). А в 1855 году он первый обратил внимание на нагревание металлических тел при быстром вращении их в магнитном поле. Причиной этого нагревания являются так называемые токи Фуко, вам рассказывали о них при изучении закона электромагнитной индукции.
На экзамене.
– Расскажите нам про токи Фуко.
– Ну… Токифуко – это знаменитый японский физик..
4 января
Немного о жизни Ньютона
4 января 1643 года родился Исаак Ньютон, английский физик, математик, астроном, философ, теолог (ум. 1727).
Родители его были фермеры, и подросшего сына мать пыталась пристроить к этому же делу. Ньютон же хотел учиться, но мать денег на учебу почти не выделяла, поэтому он учился в Кембриджском Трините-колледже на стипендию, как самые бедные студенты. За это он должен был прислуживать профессорам или богатым студентам. С этим колледжем связан огромный кусок жизни Ньютона.
Чтобы остаться членом Тринити-колледжа после окончания учебы, Ньютон должен был принять сан священника. Но, хотя он был искренне религиозен, всех догматов церкви принять не мог. Ньютон просил специального королевского разрешения остаться членом колледжа, не принимая сана, и такое разрешение получил. Так в 27 лет он стал профессором. В его обязанности входило чтение лекций. Однако, по воспоминаниям современников, «немногие приходили его послушать, а еще меньшие понимали его; так что часто в отсутствии слушателей ему приходилось читать стенам».
Ньютон любил уединение и очень дорожил своим временем. Не был женат, друзей и учеников почти не имел. К публикациям своих открытий не стремился, в результате чего многие из них так и остались неопубликованными при его жизни.
Почти все свои основные открытия он сделал в возрасте 23–25 лет во время вынужденных «чумных каникул», когда все учебные заведения закрылись из-за эпидемии, и Ньютон переехал в имение матери. Позже он вспоминал об этих годах творческого подъема как о лучшем времени своей жизни.
Были бы Ньютоны, а яблоки у нас найдутся!
5 января
Незаменимые парашюты
5 января 1913 года в Руане (Франция) состоялись первые испытания ранцевого парашюта Котельникова.
В 1910 году Глеб Евгеньевич Котельников (1872–1944) стал свидетелем крушения самолета и гибели пилота. Это событие подтолкнуло его к изобретению ранцевого авиационного парашюта. Правда, автору пришлось многие годы убеждать правительственные инстанции царской России в необходимости его использования. В итоге изобретение Котельникова впервые было оценено в Париже. Парашюты системы Котельникова спасли немало жизней летчиков в Первой мировой войне.
Обычно парашютист не сразу открывает парашют. Падая в воздухе с нераскрытым парашютом, он достигает скорости 180–200 км/час. В дальнейшем заметного увеличения скорости не происходит, так как при столь быстром движении вес тела человека уравновешивается силой аэродинамического сопротивления. После раскрытия парашюта аэродинамическое сопротивления купола резко возрастает, и падение парашютиста тормозится до постоянной скорости спуска, равной 5–6 м/c. Для повышения устойчивости парашюта в центре его купола делают отверстие. Выходящий через него воздух создает вихри, которые стабилизируют парашют.
Парашюты используются и для торможения самолетов при посадке, и для спасения аппаратуры при полетах метеорологических ракет, и при посадке космонавтов в спускаемых аппаратах во время возвращения из космического полета.
Парашютист-новичок инструктору: «Если y меня не раскроется основной парашют и запасной тоже, то сколько я бyдy лететь до земли?» – «Всю оставшуюся жизнь».
6 января
Электрон – и частица, и волна
6 января 1927 года американские физики Дэвиссон и Джермер получили картину дифракции электронов, подтвердив предсказание де Бройля о волновой природе микрочастиц.
20-е годы ХХ столетия – наиболее волнующий период развития физики. Не успели ученые примириться с идеей о двойственной природе света (см. 17 марта), как де Бройль выдвигает идею о столь же необычной природе «обычных» частиц – электронов, протонов, атомов (см. 15 августа). Но, пока теоретики голову ломают, экспериментаторы делают свое дело и, как это не раз случалось, неожиданно наталкиваются на открытие. Американские физики Дэвиссон и Джермер не слышали о «безумной» идее де Бройля, но в своих опытах по отражению электронного пучка от поверхности монокристалла получили типичную дифракционную картину. Так физики вынуждены были признать: да, частицам присущи свойства волн. Они измерили длину волны электрона в зависимости от его импульса и подтвердили предсказание де Бройля.
Вскоре дифракцию электронов другим методом наблюдал английский физик Джордж Паджет Томсон, сын знаменитого Дж. Дж. Томсона, открывшего электрон. Томсон-сын ставил опыт уже специально с целью проверки идеи де Бройля.
В 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах все «виновники» получили Нобелевскую премию.
Томсон-старший, открывший электрон в 1897 году, неодобрительно относился к идее о волновых свойствах электрона. Он считал все это «модой» и «фокусами» и надеялся, что заблуждение будет разоблачено и развеяно, после чего классическая физика воссияет в еще большей славе.
7 января
Начало эры телескопов
7 января 1610 года Галилео Галилей начал первые в мире телескопические наблюдения неба и открыл четыре спутника Юпитера.
Зрительная труба была изобретена в Голландии человеком, далеким от науки. В мае 1609 слухи об этой зрительной трубе дошли до Галилея, и буквально сразу он сделал из двух очковых линз свою первую зрительную трубу с трехкратным увеличением. Вскоре он понял, что качество очковых линз для зрительных труб неудовлетворительно. Усовершенствовав технологию изготовления линз, Галилей изготовил трубу с тридцатикратным увеличением. С этой трубой он сделал все свои знаменитые астрономические открытия.
Хотя Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он был первым, кто превратил ее в мощный инструмент для астрономических исследований. Направить трубу на небо до Галилея никому и в голову не приходило: казалось, что там смотреть? Когда Галилей начал обзор неба при помощи телескопа, Млечный путь распался на отдельные звезды, а у Юпитера обнаружились собственные луны-спутники. Галилей увидел, что Луна изрыта кратерами и покрыта горами (по длине теней высоту этих гор он оценил в 7 км), и составил первую карту видимого полушария Луны. Он открыл также фазы Венеры, солнечные пятна и вращение Солнца. Эти научные открытия произвели настоящий фурор!
Инквизиция ставила в вину Галилею умаление авторитета Священного Писания. Галилею угрожали пыткой в случае, если он не отречется от своего «еретического» мнения, что Земля движется вокруг Солнца. Официально Ватикан признал преследование Галилея ошибкой лишь в 1992 году.
8 января
Триумф духа
8 января 1942 года родился Стивен Хокинг, один из самых знаменитых физиков второй половины ХХ века (ум. 2018).
Этого человека сравнивают с Ньютоном и Эйнштейном. Хокинг изучал фундаментальные законы Вселенной. Среди его открытий – испарение черных дыр и несколько фундаментальных идей о возникновении Вселенной. Кроме научных трудов, его перу принадлежат бестселлеры «Краткая история времени» и «Черные дыры, молодая Вселенная и другие очерки», а также увлекательная серия книг для школьников «Джордж и тайны Вселенной» (в соавторстве с дочерью Люси Хокинг). Профессор Хокинг – обладатель двенадцати почетных ученых званий и множества различных премий, медалей и призов.
Всего этого уже достаточно для восхищения. Но оно сменяется изумлением, когда узнаешь, что последние 50 лет жизни этот человек был прикован к инвалидному креслу из-за неизлечимого заболевания центральной нервной системы. Он даже не мог говорить. Кроме мозга, ему подчинялись лишь два пальца левой руки, которыми он управлял специально сконструированным компьютером. Впоследствии инвалидное кресло Хокинга оборудовали еще синтезатором речи. Не вставая со своего кресла, Хокинг сделал больше многих своих здоровых коллег-ученых. Он исколесил с лекциями и экскурсиями весь мир. Как рассказывают те, кто его знал, через несколько минут полностью забываешь, что находишься рядом с тяжело больным человеком. Его жизнь – украшение истории человеческого духа.
Хокинг планировал полететь в космос в 2019 году, в возрасте 77 лет, на коммерческом космолете SpaceShipTwo (см. 21 июня). Он скончался в возрасте 76 лет.
9 января
Что находится между звездами?
Можно сказать, что пустота. В кубометре этой пустоты содержится не более 100 частиц (не считая загадочной «темной материи» – см. 22 мая) – это в тысячи раз меньше, чем удается получить в лаборатории при самой современной вакуумной технике. Кое-где межзвездный газ сгущается, образуя гигантские туманности. Но даже в них плотность газа невообразимо мала: масса ста кубических километров туманности не больше миллиграмма! Если бы мы оказались внутри туманности, она казалась бы нам совершенно прозрачной. Однако размеры туманностей столь велики, что их массы хватило бы на тысячи солнц.
Газовые туманности – это смесь молекул и атомов (в основном, водорода), ионов и электронов. Температура межзвездного газа может достигать десятков тысяч градусов. Значит ли это, что космический корабль, залетевший в такую туманность, расплавится от жары? Вовсе нет. Наоборот, в отсутствие подогрева изнутри его температура упала бы почти до абсолютного нуля. Парадокс? Дело в том, что высокая температура туманностей говорит о больших скоростях движения частиц, но концентрация их столь мала, что их редкие столкновения с кораблем почти не будут увеличивать его внутреннюю энергию, то есть нагревать его.
Есть в космосе и гигантские облака космической пыли, которые на звездном небе выглядят черными пятнами – такова, например, темная туманность Угольный Мешок в созвездии Южного Креста. Пылевые туманности еще более разреженные, чем газовые. Если бы в земной атмосфере концентрация пыли была такой же, как в Угольном Мешке, мы бы считали воздух идеально чистым!
10 января
Оловянная чума
В январе 1912 года экспедиция англичанина Роберта Скотта достигла южного полюса, но обнаружила, что их опередила норвежская экспедиция Руаля Амундсена. На обратном пути Скотт и его товарищи погибли. Что же случилось? Продвигаясь к полюсу, путешественники оставляли на своем пути склады с продуктами и керосином – запасы на обратную дорогу. Но на возвратном пути обнаружилось, что керосиновые жестянки пусты. Люди не могли согреться и приготовить горячую еду. Как назло, разразился страшный буран. Роберт Скотт и его друзья погибли от холода и голода. Но почему исчез керосин? Жестяные банки были запаяны оловом. Путешественники не знали, что на морозе олово «заболевает»: рассыпается в порошок. Это явление, называемое «оловянной чумой», было известно еще в средние века. Причину «оловянной чумы» ученые установили лишь в ХХ веке. Оказалось, что кристаллическая решетка олова (как и других металлов) может иметь различные формы. При обычной температуре самой устойчивой формой является белое олово – вязкий, пластичный металл. При температуре ниже минус 13 °C более устойчивой становится другая форма решетки – это серое олово. Скорость перехода максимальна при минус 33 °C. Внутренние напряжения, которые возникают в местах контакта разных кристаллических решеток, приводят к разрушению материала. Вот почему сильные морозы так быстро «расправляются» с оловянными изделиями.
Чтобы избежать порчи металла, столь необходимого для пайки проводов и электронной аппаратуры, ученые научились делать олову «прививки»: при добавлении висмута олово становится устойчивым.
11 января
Как «Вояджер-2» потерялся
11 января 1787 года Уильям Гершель (открывший Уран в 1781 году) обнаружил два спутника Урана.
Долгое время об Уране и его спутниках, кроме самого факта их существования, не было известно практически ничего. Второе открытие этой планетной системы состоялось в 1986 году, когда ее ближайшие окрестности посетил автоматический межпланетный зонд «Вояджер-2» (см. 24 января). Он стал первым и пока единственным космическим аппаратом, совершившим огромный тур по внешней части Солнечной системы с посещением всех четырех планет-гигантов.
Но этот грандиозный проект был на грани срыва. И началось с элементарной оплошности: после очередного сеанса радиосвязи операторы забыли послать на борт специальную команду, что привело к выходу приемника из строя. Конечно, на борту был и резервный приемник. Но вот беда – и тот оглох. Дело шло к фактической потере аппарата! После длинной серии экспериментов удалось установить, что аппарат все-таки что-то слышит, но только на одной-единственной частоте, т. к. не работает автоматическая подстройка частоты. Дело в том, что частота сигнала, принимаемого аппаратом с Земли, постоянно меняется из-за изменения скорости аппарата (так называемый эффект Доплера). К тому же на настройку приемника сильно влияет температура самого аппарата. Оставался один выход – каждый раз подстраивать наземный передатчик так, чтобы после всех сдвигов сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это делалось все 12 лет полета. Время от времени аппарат все же терял сигнал на несколько дней. Но миссию свою выполнил полностью!
12 января
«Отец» не только атомной бомбы
12 января 1903 года родился Игорь Васильевич Курчатов, физик, создатель советской атомной бомбы (ум. 1960).
Молодость Курчатова, совпавшая с революцией, была трудной, голодной. Кем только ни приходилось работать – все ради одной цели: получить образование, стать ученым. И вот в 1930-х годах молодой, талантливый и уже опытный физик занялся исследованиями в области физики атомного ядра – самой передовой области физики.
Расцвет ядерной физики в нашей стране во многом связан с Курчатовым. Под его руководством созданы: первый советский циклотрон (1944), первый в Европе атомный реактор (1946), первая советская атомная бомба (1949), первая в мире термоядерная бомба (1953), первая в мире атомная электростанция (1954), первый в мире атомный реактор для подводных лодок (1958) и атомных ледоколов (1959). Он стал отцом школы советских физиков-атомщиков, среди которых – немало всемирно известных.
Игорь Васильевич умер, когда ему было всего 57 лет. Поехал навестить в санаторий коллегу. Гуляли по саду, Курчатов излагал новые идеи. Сели на скамейку, и вдруг Игорь Васильевич замолчал – навсегда… Академия наук присуждает золотую медаль им. Курчатова за выдающиеся работы в области ядерной физики.
Занятия на военной кафедре:
– Представьте себе: летит нейтрон, попадает в ядро, ядро – вдребезги, и из него вылетают еще 2 нейтрона! Каждый из них попадает в другое ядро и т. д. И вот пошла-поехала цепная реакция…
– Товарищ майор, а откуда берется первый нейтрон?
– Эээ… Ааа… А вот это и есть государственная тайна!
