Вадим Панин
Научные открытия, меняющие мир
Никола Тесла – забытый гений электричества
Конец XIX века подарил нам еще одного гениального ученого, опередившего свое время. Как и Леонардо да Винчи, он излагал революционные идеи. Как и да Винчи, он был забыт современниками и по достоинству оценен только потомками. И так же, как в случае с Леонардо, нам не по силам раскрыть все секреты этого изобретателя и повторить его опыты. Ученый открыто заявлял: «Я не работаю для настоящего, я тружусь для будущего. Будущее принадлежит мне!»
Речь идет о великом сербе по имени Никола Тесла (1856–1943), история которого приобрела новую популярность в последние годы.
После университета Тесла отправился работать на «электрического короля» Томаса Эдисона, который был не только выдающимся изобретателем, но и обладал редким для ученого даром – умел подороже продать свои открытия. Эдисон являлся убежденным сторонником теории, согласно которой будущее было за постоянным током. Молодой Тесла «стоял» за переменный ток (и, как мы сегодня знаем, оказался прав).
На этой почве у молодого и матерого изобретателей были постоянные конфликты. Заказчиков не интересовали проекты Теслы – в те времена все, что было спроектировано не «королем электричества», встречалось публикой и инвесторами с опаской. К тому же Эдисон терпеть не мог конкурентов ни в каком виде и досаждал молодому инженеру.
Когда Тесла наконец покинул компанию Эдисона и основал свою, «Тесла арк лайт компани», его конфликт с бывшим покровителем стал открытым. Журналисты называли это научное и экономическое противостояние «войной токов». Тесла строил агрегаты, работающие на переменном токе, которые были более надежны и экономичны, чем устройства постоянного тока, производимые компанией Эдисона.
Тогда же Тесла становится одержим идеей передачи энергии и информации на большие расстояния без помощи проводов. Для своих изысканий он переезжает в Колорадо-Спрингс, где, по мнению местных жителей, «ловит молнии». На самом деле, конечно, ученый занимается исследованием атмосферного электричества. Там же Тесла конструирует легендарный «усиливающий передатчик». Его устройство нам по сей день неизвестно, но, по свидетельствам заслуживающих доверия очевидцев, Тесла мог подать на этот «усилитель» несколько тысяч вольт и получить на другом конце прибора… несколько миллионов вольт!
Предание гласит, что судьба юного Теслы была решена чудесным образом. Мальчик хотел стать инженером, отец же прочил ему карьеру священника, каким был сам. Но Тесла настоял на своем и отправился учиться на инженера. Однажды, приехав на побывку в родительский дом, Никола неожиданно слег с сильным заболеванием, по всем симптомам напоминающим холеру. Девять месяцев юноша метался в бреду, почти не приходил в сознание и очень страдал. А в редкие часы просветления ума просил отца позволить ему и дальше учиться на инженера. Чтобы вернуть сыну волю к жизни, Тесла-старший согласился, и Никола так обрадовался, что с того же дня пошел на поправку. Иначе как знак божий семья не могла рассматривать это чудесное выздоровление. Так что Никола Тесла стал инженером, как того всегда и хотел.
Следующий невероятный эксперимент Тесла поставил на острове Лонг-Айленд близ Нью-Йорка в новой полевой лаборатории, названной «Ворденклиф». По приказу ученого и на деньги поддерживавших его промышленников была построена 47-метровая башня, увенчанная большим медным шаром. Предназначение башни Тесла описывал загадочно: «Для получения электроэнергии путем резонансной раскачки ионосферы».
Пишут, что в июле 1903 года над Нью-Йорком можно было видеть северное сияние, от которого ночью было светло, как днем. Нет, это не природное явление – это электрические генераторы Теслы били в небо молниями, и другие молнии возвращались к шару на башне «Ворденклифа». Согласно протоколам масштабного эксперимента, Тесла снова смог получить из атмосферы электричество в объемах, на несколько порядков превышающих затраченные на первоначальный разряд. Он производил электричество буквально из ничего!
Следующие за этим нашумевшим экспериментом два года Тесла безвылазно сидит в «Ворденклифе» и работает, работает, работает. Согласно его дневникам, развитие новой технологии позволяет ему теперь аккумулировать, передавать и разряжать любое количество электроэнергии в любую точку земного шара. Масштабы сенсации трудно было себе представить. Ведь такая мощность может использоваться как в созидательных, так и в разрушительных целях. С одной стороны, сама собой отпадает потребность в проводах – все приборы в «мире по Тесле» будут питаться за счет передаваемого на них атмосферного электричества, нацеливать которое будут региональные башни, наподобие той, что стоит в «Ворденклифе».
Увы, в 1905 году все исследования на башне Тесла прекратил, а через несколько лет и вовсе взорвал ее. Причины этого до сих пор неясны. Наиболее компетентные исследователи и биографы ученого считают, что инвесторы отказались финансировать проекты Теслы, когда поняли, что изобретатель не собирается предлагать сиюминутных решений для развития электрического освещения и энергоснабжения городов, а занят «высокой наукой». Практического смысла в беспроводной передаче энергии по всему земному шару они не углядели, так что Никола через какое-то время был вынужден влезть в долги для продолжения своих работ, а потом, выбираясь из кредитной пропасти, распустить лабораторию и продать оборудование и земельный участок.
В дальнейшем ученый многие годы перебивался незначительными патентами и проектами, потому что ему все время не хватало финансирования на реализацию более амбициозных идей. Последний крупный эксперимент с участием Николы Теслы (а также других великих ученых, среди которых Эйнштейн и Оппенгеймер) – легендарный Филадельфийский эксперимент, о ходе и результатах которого имеется больше слухов, чем фактов. Вернее, сам Тесла при эксперименте не присутствовал – скончался незадолго до него. Но именно генераторы его конструкции играли главную роль в проекте.
В чем была суть опыта? С помощью магнитных полей, создаваемых установками Теслы, требовалось создать вокруг военного корабля поле, способное изменять направление проходящих через него световых волн и тем самым сделать эсминец «Элдридж» невидимым для военных локаторов. Оборонное будущее у проекта, понятное дело, было огромным.
Официально считается, что эксперимент провалился. Но в «утечках информации», появившихся сразу после событий, сообщается, что в Филадельфии произошло нечто невероятное. Когда генераторы включили на полную мощность, «Элдридж»… исчез. Катера спокойно пересекали водную гладь там, где он должен был находиться. Через несколько минут эсминец появился на том же месте. Члены экипажа корабля были обнаружены без сознания и не смогли внятно описать, что, с их точки зрения, произошло. Никаких разумных объяснений или комментариев этих событий нет и по сей день. Наверное, только Никола Тесла нашел бы, что сказать по этому поводу.
Напоследок приведу интересный список. Тесла составил его в 1900 году и озаглавил «Мировая система». Ученый изложил свое мнение о том, как в ближайшем будущем изменится наша жизнь. Можете сами увидеть, что уже сбылось, а что – еще нет. Список таков.
• Установление связи между телеграфными станциями или центрами всего мира.
• Установление связи между телефонными станциями Земли.
• Единое распространение газетных известий при помощи телеграфа и телефона.
• Создание службы для передачи сведений и информации с частной целью.
• Единая отметка времени с помощью часов, которые с астрономической точностью отмеряют секунды.
• Передача знаков, слов, звуковых сигналов, а также машинописных и рукописных текстов на любое расстояние.
• Создание общемировой службы для нужд торгового флота, помогающей в навигации, в безупречных бескомпасных рейсах, в определении местонахождения, скорости, в предотвращении столкновений и катастроф.
• Введение общемировой системы печатания.
• Репродуцирование фотографий и всех видов чертежей или текстов с возможностью их пересылки во все концы света.
Глава 3. Тот самый коллайдер
Словосочетание, с которым сегодня у многих ассоциируется научный прорыв и которое на слуху у каждого, кто смотрит новости, – «Большой адронный коллайдер» (БАК). Огромный прибор, созданный с туманными для простого человека целями, стал объектом бурных обсуждений всего ученого сообщества. Постепенно информация перекочевала на телевидение и в газеты, естественно, упростившись по дороге, – ведь обывателю нужны не научные подробности, а сенсации.
БАК – это прибор, который должен ни много ни мало пролить свет на то, как образовалась наша Вселенная.
Коллайдер – это устройство, в котором элементарные частицы разгоняют до больших скоростей, сталкивают вместе и следят за последствиями этих соударений. БАК разгоняет протоны и ионы до скорости, стремящейся к скорости света (которую, как известно, достичь нельзя). Два луча заряженных частиц будут наворачивать круги по 27-километровому туннелю под Женевой до тех пор, пока не столкнутся друг с другом. Энергию каждого луча можно упрощенно представить так: вообразите себе объект размером меньше вашего ногтя, при этом имеющий инерцию авианосца, идущего на предельной скорости.
Задач, которые коллайдер может решить описанным выше способом, множество. Но, напомню, ключевая из них такова – столкновение пучков заряженных частиц должно повторить в миниатюре так называемый Большой взрыв, с которого началось существование Вселенной. Эксперимент даст физикам много новой информации об устройстве нашего мира на уровне элементарных частиц, меньших по размеру, чем атомы.
В теоретической физике существует система уравнений, называемая Стандартной моделью. Она призвана описать все возможности взаимоотношения элементарных частиц – то есть, попросту говоря, все законы физики. Построена она была, когда далеко не все элементарные частицы были открыты, и предсказала существование «незнакомцев». Теперь в Стандартной модели есть всего одна «темная лошадка» – бозон Хиггса, неуловимая элементарная частица, ответственная за гравитацию. Грубо говоря, мы до сих пор не знаем, почему предметы обладают разной массой, и обнаружение бозона позволит ответить на этот фундаментальный физический вопрос. Эксперименты меньшего масштаба, чем БАК, здесь, увы, не годятся. Мировой научной элите потребовалось много лет, чтобы наконец спроектировать и возвести это грандиозное сооружение.
Чтобы вы представили себе сложность задачи, приведу метафору. Авторами ее являются создатели одного из учебников по ядерной физике Ю. М. Широков и Н. П. Юдин.
«Посредине темной сферической полости размером с земной шар размещено очень большое количество одинаковых предметов, например радиоприемников одной и той же марки. В условиях невесомости и отсутствия сопротивления воздуха вы стреляете по ним из пулемета, а на поверхности полости регистрируете скорость и место падения осколков. Подумайте, как по этим данным восстановить конструкцию приемника, и вы получите представление о том, как изучают элементарные частицы».
С коллайдером связано и множество страшных историй, ни одна из которых до сих пор не стала реальностью, но сбрасывать которые со счетов все же не стоит. Метко окрещенные газетчиками как «большие адронные кошмары», они находятся где-то в очень далеком и пыльном углу теории вероятностей, но, если о них забыть, потом может оказаться поздно.
В чем же опасности коллайдера? Моделируя космические процессы, БАК может «случайно» воспроизвести и космические катаклизмы. Не Большой взрыв, но тоже весьма немаленькую катастрофу. Объясню подробнее.
Первая опасность – теоретическая возможность образования в коллайдере черной дыры. Эти редкие космические объекты неплохо изучены, и описать, что же произойдет с Землей в этом случае, не представляет труда. В центре черной дыры гравитационные силы так велики, что за ее пределы не могут выбраться даже объекты, движущиеся со скоростью света. Поэтому, кстати, космическое тело и называется черной дырой – оно поглощает весь свет, до которого может добраться.
Все элементарные частицы, окружающие «свежеиспеченную» аномалию, устремятся к ней, и Земля буквально исчезнет! Если бы мы могли очень сильно замедлить процесс поглощения материи черной дырой и наблюдали бы за этим из космоса, то увидели бы, как в районе Швейцарии образуется гигантский кратер, в который начинают сползаться все материки и океаны. В этой точке Земля будет как бы выворачиваться наизнанку. Наконец кратер достигнет размеров планеты и на ее месте останется только черный сгусток. И все это – за доли секунды!
Вторая опасность – монополи. Это теоретически существующие объекты, своего рода магниты, имеющие только один полюс. Их образование на уровне элементарных частиц не доказано, но не обоснована и невозможность этого явления. Появившийся в Большом адронном коллайдере монополь вызовет распад ближайших атомов. Процесс этот будет неконтролируемо продолжаться, пока вся планета и окружающие ее космические объекты не будут распылены «вровень» с окружающим Землю вакуумом. Есть, конечно, вероятность, что монополь пулей покинет нашу планету и улетит в далекий космос, но она еще ниже, чем сама вероятность появления этого «магнита».
Ученые предлагают не волноваться по таким ничтожным поводам – и они правы. Вероятность того, что наша планета сию секунду взорвется сама по себе, в миллиарды раз выше возможности «большого адронного кошмара», однако мы не паникуем – просто потому, что это все еще очень маленькая вероятность.
Паникуют в основном газетчики – им удобно стращать общественность сценариями адронного апокалипсиса, не приводя никаких цифр, ведь это повышает продажи.
Глава 4. Энергия: вчера, сегодня, завтра
Оставим на время разговор о том, что могло произойти и все-таки не случилось до настоящего времени. Подумаем о дне завтрашнем. И рисовать картины светлого, а может, и очень даже мрачного будущего начнем с вопроса о том, откуда в этом будущем будет браться энергия. Но сначала поговорим о первых ее источниках.
Природа спешит на помощь
Первым источником энергии на планете была, разумеется, мускульная тяга. Животные тянули повозки, рабы на галерах гребли огромными веслами, рабочие на строительстве пирамид без помощи всяких животных и сложных механизмов передвигали тяжелые блоки. Многие тысячи лет никто не задумывался об альтернативной энергии – хватало и этого. Только в редких случаях люди прошедших эпох прибегали к энергии ветра и воды – на мельницах и в парусном флоте, то есть там, где без этого было не обойтись. Но и тот и другой варианты были ненадежными, ведь приходилось зависеть от природы, а запасать энергию люди не умели. Есть ветер – мельница крутится, нет ветра – все стоит. С водой несколько надежнее – река не прекращает течь, разве что зимой. Правда, там, где текучей воды нет, водяную мельницу не построишь.
В мореплавании тоже приходилось полагаться на стихию. В крайнем случае – помогать ей мускульной силой. Есть ветер – хорошо, фрегаты и бригантины быстро и красиво несутся по волнам, влекомые парусом. Нет – что поделаешь, придется всей команде садиться на весла и грести, чтобы не болтаться на одном месте посреди океана.
Огонь, вернее, тепло не использовалось нашими предками как источник энергии для приведения в движение механизмов. Братья Монгольфье, наполнившие первый воздушный шар горячим воздухом, были едва ли не первыми.
Паровая эпоха
Использовать пламя как источник энергии люди догадались только в XVIII веке. Так появились первые паровые машины. Но и тогда, когда удалось за счет угольных топок «отвязаться» от природы и больше не зависеть от погодных условий и расположения рек, мускульная тяга не потеряла своего значения. И тогда, когда на все про все стало хватать дров и угля, уличные экипажи еще приводились в движение не паровой машиной Стефенсона, а парой или четверкой лошадей. Точно так же многие сложные механизмы в XIX веке все еще зависели от водяных мельниц: вода вращала колесо, оно передавало движение на маховики, а те заставляли работать первые сборочные линии и огромные сложные агрегаты.
Паровым машинам в скором времени доверили «все и сразу». Энергии горячего воздуха, создаваемого сжиганием горючего, казалось, хватит на что угодно. На угле и мазуте работали заводы, ездили поезда и ходили пароходы. Даже в проектах первых летательных аппаратов можно найти варианты «паролета» с узнаваемой паровозной трубой. Черный дым из труб наполнил небо над всеми цивилизованными странами.
Неслучившееся будущее: мир паровых машин
Когда-то люди думали, что сила пара может все. Писатели Герберт Уэллс и Жюль Верн рисовали картины будущего, совсем не похожего на наше с вами настоящее. Их работами вдохновлялись ученые. И поэтому нельзя забывать, что 100 лет назад развитие науки и технологий могло пойти совсем по другому пути.
Электричество? Забудьте. Наиболее перспективным способом освещения и обогрева зданий в начале XX века считался природный газ, и полностью от этой мысли мы не отказались до сих пор – вспомните хотя бы, сколько домов не перешло с газовых плит на электрические. В «мире паровых машин» к домам и квартирам вели бы не собранные в пучки провода, а металлические трубы, по которым голубое топливо попадало бы к людям. В каждой комнате располагались бы газовые рожки – осветительные приборы, похожие на привычные для нас газовые горелки. Другие элементы инфраструктуры показались бы вам знакомыми: бойлер для нагревания водопроводной воды, печь для центрального отопления, газовая плита на кухне.
Поскольку большое количество тонких труб очень сложно спрятать под землю, их использовали бы в декоративных целях – окружали дома ажурными решетками из газовых труб. Конечно, вся эта система – и внутри дома, и снаружи – была бы очень взрывоопасной, но к риску относились бы так же, как мы сейчас относимся к автокатастрофам – страшно, печально, но это цена прогресса.
Вообразить себе архитектуру, какой она стала бы в таком варианте будущего, нетрудно – посмотрите на Эйфелеву башню. Вот такие вычурные металлические конструкции, начиненные механизмами, наполнили бы города.
Транспорт паровой эпохи тоже сильно отличался бы от современного. Небом правили бы дирижабли, а по дорогам разъезжали бы паровые телеги, способные «заправляться» буквально в чистом поле – набрал хвороста да поехал.
«А как же компьютеры?» – скажете вы. О, без них не обошлось бы. Знаете ли вы, что первый компьютер в современном понимании слова – аппарат для произведения сложных математических вычислений – был сконструирован Чарльзом Бэббиджем еще в XIX веке? Он назывался «дифференцирующая машина». По размерам дифференцирующая машина была такой, как первые послевоенные компьютеры, и умела, между прочим, гораздо больше. Просто из-за стоимости ее производства в тогдашних технологических условиях Бэббидж был вынужден бросить исследования. А случись иначе (если бы нашлись инвесторы или не было мировых войн) – мы с вами, возможно, жили бы в мире механических компьютеров. Домашние аппараты – сконструированные из миллионов мелких деталей и работающие буквально как часы – приводились бы в действие заводом пружины. Промышленные агрегаты-суперкомпьютеры работали бы на паровой тяге.
Тепловая электростанция: за и против
До наших дней положение не слишком изменилось. Разве что механическую энергию, получаемую от паровых турбин, стали преобразовывать в электрическую – ее, в отличие от «механики», можно хранить, передавать на огромные расстояния, наконец, она универсальна.
Основу современной энергетики составляют тепловые электростанции, совмещающие выполнение двух задач – центральное отопление и выработку электроэнергии. В ТЭС используются нефть, природный газ, торф и уголь, и с помощью турбин нагретый газ или водяной пар преобразуется в энергию генератора. А заодно горячие воздух и вода идут в радиаторы отопления наших квартир.
Совмещение централизованного теплоснабжения и производства электроэнергии – не новая идея. Не будь электрификации, и до теплопровода никто не додумался бы. Самые первые электростанции работали на тепле от сгорания угля и торфа. Сначала горячий пар просто «вылетал в трубу», предварительно раскрутив турбину генератора, а потом его стали использовать для обогрева помещений.
Теплоэлектростанция – широко опробованный и распространенный метод, этакий «дедушкин вариант», который, может, и не способен угнаться за нуждами дня нынешнего, но дело свое знает и делает его как следует. Только в последнее время люди стали задумываться о том, что вообще-то у ТЭС есть весьма существенные минусы. Вполне возможно, что уже в ближайшем будущем человечеству нужно будет отказаться от такого метода получения энергии.
Во-первых, недра не вечны. Торф, нефть и каменный уголь в земной коре постепенно заканчиваются – мы их выгребаем оттуда уже больше ста лет, и все это время нам казалось, что так будет продолжаться до конца света. Планы, через сколько лет закончится нефть и что надо будет тогда делать, строят министерства энергетики всех развитых стран. Войны последних лет идут главным образом за новые месторождения углеводородов. Так уж устроен человек – если про завтрашний день он еще способен подумать, то день послезавтрашний его обычно не интересует.
Во-вторых, теплоэлектростанции вредны для окружающей среды. Из труб ТЭС в атмосферу выбрасывается огромное количество дыма и копоти. Мы дышим этим грязным воздухом, и эта же грязь с дождями оседает на растения и почву. Кроме того, для экологии вредны процессы, с помощью которых топливо добывается и транспортируется, – бурение, прокладка трубопроводов, создание хранилищ. Помимо прочего, ТЭС сжигают атмосферный кислород, так что они частично виновны в «душном» воздухе современных городов.
Что же выбрасывается из труб ТЭС? Легче сказать, что НЕ выбрасывается. В дыме электростанций содержатся оксиды азота и серы, радиоактивные элементы, тяжелые металлы… И все это ради того, чтобы дома у нас горели лампочки и работали телевизоры. Вероятно, 100 лет назад можно было не обращать на это внимания – и заводов было меньше, и урон от них не так заметен, – но сейчас мириться с устаревшими методами добычи энергии просто нельзя. Уже много лет на крупных зарубежных заводах ставятся фильтры, очищающие дым, идущий из труб. Это не панацея, но лучше, чем ничего. Впрочем, «уловленные» токсины все равно нужно куда-то девать. И вместо свалок в атмосфере делают свалки на земле.
Там, где полезных ископаемых поменьше, а бурных рек побольше, делают ставку на гидравлические электростанции. Громадные плотины на горных реках тоже не проходят для природы незамеченными, но вреда от них все-таки поменьше. Тем не менее экологи говорят о необратимых изменениях флоры и фауны в районах электростанций, о локальных изменениях климата (связанных с влажностью воздуха), а также о загрязнении воды и огромном вреде для рыбы.
Здесь, конечно, главное – знать меру. В Швейцарии количество ГЭС не меньше, чем в бывшем Советском Союзе, однако вреда природе они почти не наносят. Почему? Потому что построены с умом и постоянно модернизируются.
