Ник. Горькавый

Космические сыщики

Научные сказки

Книга посвящается моему сыну Илье

Специально для читателей «Космических сыщиков» – напутственные слова ДЖОНА МАЗЕРА, лауреата Нобелевской премии и конструктора крупнейшего космического телескопа:

«Every problem you see in the world has a basis in science, math, and engineering. Would you like to see the future?

Would you like to see the secrets underneath everyday life? Then look in here, and your eyes will open».

«Любое явление нашего мира можно рассмотреть с точки зрения науки, математики, техники.

Хотите заглянуть в будущее?

Хотите увидеть, какие тайны скрывает повседневная жизнь? Откройте эту книгу – и она откроет вам глаза».

Автор искренне благодарит научных консультантов, чьё пристальное внимание и высокая квалификация значительно уменьшили число ошибок и неточностей в данной книге.

Научные консультанты:

Александр Павлович Васильков, кандидат физико-математических наук;

Александр Юрьевич Исупов, кандидат физико-математических наук;

Андрей Вилхович Каява, кандидат биологических наук;

Юрген Рюдигер, медицинский физик, кандидат физико-математических наук;

Владислав Вячеславович Сыщенко, доктор физико-математических наук;

Татьяна Александровна Тайдакова, астроном, кандидат физико-математических наук;

Евгений Леонидович Ченцов, астроном, доктор физико-математических наук.

Автор благодарит Юргена Рюдигера, специалиста в области приемников рентгеновского излучения, – за полезные дополнения в историю про Рентгена, Сергея Андреевича Бокова – за замечания к сказке про супругов Кюри и переводчика Александру Глебовскую – за перевод напутствия Джона Мазера.

Предисловие о космических сыщиках

– Почему книга называется «Космические сыщики»? – спросила девочка Галатея, указав на книжку в маминых руках. – Ведь сыщики расследуют преступления на Земле.

Дзинтара[1], которая днём работала принцессой и биологом, а вечером была просто мамой, ответила:

– Сыщики исследуют таинственные события, которые отделены от них временем, то есть случились в прошлом. Они собирают следы прошедших событий, всесторонне исследуют эти скудные следы и стараются воссоздать полную картину давнего преступления.

Работа учёных, исследующих космос, похожа на работу детективов, только интереснее: обычные сыщики ищут то, что кому-то уже известно, но скрываемо, а космические сыщики – то, чего ещё никто не знает.

Астрофизики исследуют таинственные явления, происходящие на колоссальных расстояниях от Земли, преодолеть которые человек пока не в силах. Из-за этого в руки учёных попадают лишь ничтожные следы далёких космических событий, например отпечаток слабого света на фотопластинке. Учёные анализируют такие следы всеми возможными способами и стараются понять, что же произошло в космической дали, уходящей гораздо дальше, чем земной горизонт. В этом смысле астрофизиков или физиков, исследующих Вселенную, можно назвать космическими сыщиками. Единственное отличие от земных коллег – они ищут не земных преступников, а ответы на космические загадки.

– Какие, например? – спросил Андрей, старший брат Галатеи, но не настолько старший, чтобы потерять интерес к научным сказкам, которые по вечерам рассказывала мама.

– Например, в XIX веке известный французский социолог и философ науки Огюст Конт считал, что звёзды навсегда останутся загадкой: «Мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе».

Дзинтара подняла книгу, которую держала в руках:

– Из этой книжки мы сейчас и узнаем, сумели ли космические сыщики раскрыть тайну химического состава звёзд и другие секреты далёкого космоса.

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

Дзинтара подождала, пока дети устроятся поудобнее, и сказала:

– Я хочу рассказать вам о человеке, который, с одной стороны, был просто домашним учителем, а с другой – был выдающимся космическим сыщиком, разгадывающим самые скрытые тайны Вселенной.

– Что значит «домашний учитель»? – спросила Галатея.

– Это учитель, который ходит по домам и учит детей из богатых семей разным наукам.

– Значит, сам такой учитель беден, раз ему приходится работать в домах богачей? – в свою очередь спросил старший Андрей.

– Верно. Наш герой, которого звали Иммануил Кант, был беден. Мать умерла, когда мальчику исполнилось тринадцать лет, а отец был ремесленником и изготавливал седла для лошадей. Но Иммануил вырос очень смышлёным: закончил хорошую гимназию и в шестнадцать лет поступил в Кёнигсбергский университет. Однако доучиться в университете юноше не удалось: когда ему исполнилось 22 года, умер отец, и пришлось оставить учебу, чтобы содержать семью – младшего брата и трёх сестёр. Ради заработка Кант десять лет работал домашним учителем, обучая детей помещиков, пасторов и графа Кайзерлинга. Из него вышел замечательный преподаватель: сам Иммануил никогда не путешествовал и прожил всю жизнь в родном Кёнигсберге, но на уроках географии так увлекательно рассказывал о горных хребтах, будто лично на них взбирался.

Однако Иммануил не только учил ленивых юнцов арифметике и физике. Поздним вечером он заканчивал урок с очередным учеником и выходил на ночную улицу: если на небе не было облаков, усталость от длинного дня и раздражение от непонятливости учеников улетучивались. При виде небосклона, мерцающего тысячами звезд, Канта охватывал восторг, острое желание проникнуть в тайны этого прекрасного и далёкого великолепия.

Иммануил записал в своих бумагах: «Звёздное небо… связывает меня сквозь необозримые дали с мирами и системами миров в безграничном времени их вращения, их начала и продолжительности».

Обдумав взаимодействие Земли с Луной и существование океанских приливов, вызванных последней, Кант пришёл к выводу, что Земля замедляет вращение – то есть Луна удлиняет земные сутки. Этот вывод он изложил в научной статье, которая получила премию Берлинской академии наук и сейчас является основополагающей работой в той области геодинамики, которая изучает изменение длины суток в зависимости от времени года, землетрясений и других факторов.

– Я тоже замечала, что день имеет разную длину! – с энтузиазмом заявила Галатея. – Во время летних каникул он так быстро кончается, а зимой, на школьных уроках, тянется так медленно…

– Напиши на эту тему научную работу, – сказал Андрей. – Станешь основоположником нового направления в науке.

Дзинтара улыбнулась и сказала:

– Молодой учитель смело размышлял о великих загадках неба: возникновении планет и Млечного Пути, строении колец Сатурна и природе зодиакального света – загадочной полосы вдоль созвездий зодиака, которую моряки видят тёмными экваториальными ночами. Он думал о быстро летающих кометах и таинственных неподвижных туманностях, открытых астрономами с помощью телескопов, и аккуратно записывал свои размышления. В 31 год Иммануил Кант опубликовал книгу по астрономии под названием «Всеобщая естественная история и теория неба», где выдвинул и развил удивительно смелые положения о возникновении и движении небесных тел и Вселенной в целом.

Книга была написана простым и ясным языком, не на латыни, известной лишь учёным, врачам и священникам, а на немецком, на котором говорили все жители Кёнигсберга. В начале книги Канта стоял эпиграф – высказывание философа Сенеки: «Идти не тем путем, по которому идут все, а тем, по которому должно идти». Книга вышла из печати весной 1755 года. К сожалению, издатель обанкротился, склад опечатали, и её не успели привезти на весеннюю ярмарку. Тем не менее это сочинение стало событием в истории науки. Скромный учитель из Кёнигсберга Иммануил Кант обогнал ведущих учёных Европы даже не на десятилетия, а на века.

Галатея поинтересовалась:

– Как ему это удалось? Ведь он сам не наблюдал небо в телескоп и не сделал никаких космических открытий.

– Нет, он просто внимательно читал труды других наблюдателей, сопоставлял их результаты, проводил математические вычисления и делал выводы. Усилиями ума ему удалось продвинуться в решении космических тайн так далеко, как никому из современников.

– И как он объяснил загадочное зодиакальное свечение? – не могла успокоиться Галатея.

– Кант пришёл к выводу, что светится «рассеянная материя», которая «расположена в одной плоскости с солнечным экватором». И этот вывод оказался совершенно правильным.

– А какие тайны он ещё раскрыл? – спросил Андрей.

– Например, Кант внимательно изучил природу колец Сатурна. К тому времени наблюдатели разглядели, что вокруг этой планеты располагается плоское широкое кольцо со щелью посередине. Кант сделал смелое предположение, что кольцо состоит из мелких частиц или спутников, которые вращаются вокруг планеты по круговым орбитам: «кольцо Сатурна представляет собой скопление частиц, которые… свободно совершают своё круговое движение». Кант понимал, что частицы движутся 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 Канта, частицы на внутреннем крае кольца совершали оборот вокруг Сатурна за 10 часов, на внешнем – за 15. Учёный не остановился на простых небесно-механических расчётах, он проанализировал даже такой тонкий и сложный эффект, как взаимные соударения частиц, и заключил, что они должны разрушить кольцо. Затем Кант пошёл дальше, сделав следующий 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 полагал, что расслоённые кольца более устойчивы, чем однородный диск.

– Этот вывод Канта может быть правильным, но почему ты называешь его гениальным? – спросил Андрей.

– Хороший вопрос. Гениальность человека определяется не только правильностью и важностью его выводов, но и тем, насколько они опережают своё время. Великий французский математик и физик Лаплас в 1787 году – на 32 года позже Канта – выдвинул другую модель колец Сатурна: он утверждал, что они состоят из огромного количества твёрдых колец, окружающих планету. Модель Лапласа была попросту неверна, хотя и была популярной многие десятилетия. В 1859 году шотландец Максвелл показал, что твердые лапласовские кольца вокруг Сатурна не могут быть стабильными – такие кольца будут смещаться с круговой орбиты и падать на планету. В конце XX века московский астроном А. М. Фридман с соавторами показал, что Максвелл тоже не совсем прав: твёрдое кольцо не упадёт на планету как единое целое. Даже созданное из сверхпрочной стали, оно ещё до падения будет разломано на орбите на отдельные куски – из-за неустойчивости в виде быстро растущего волнообразного изгиба.

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

– Нельзя, – подтвердила Дзинтара, – такое кольцо всё время будет норовить искривиться и разломаться. Набор отдельных спутников на одинаковой орбите будет гораздо устойчивее.

Итак, кантовская модель колец Сатурна, состоящих из отдельных частиц, опередила своё время на века. Сделав смелый вывод о расслоённости колец Сатурна на отдельные колечки, Иммануил Кант записал: «Я питаю надежду, и это дает мне немалое удовлетворение, что действительные наблюдения когда-нибудь подтвердят моё предположение».

Предсказание Канта, сделанное в середине XVIII века, прочно забыли на двести с лишним лет. Но гениальный учёный всё-таки оказался прав: в конце XX века американские космические аппараты «Пионер» и «Вояджер» сфотографировали кольца Сатурна вблизи, и оказалось, что они состоят из сотен более мелких колечек.

Так подтвердился вывод Канта, сделанный за 235 лет до пролёта космических станций. Именно поэтому его труд можно назвать гениальным: в середине XVIII века домашний учитель, основываясь лишь на логических умозаключениях, опередил науку до конца XX века, обставив теоретиков, вооруженных компьютерами, но не сумевших предсказать расслоённость колец Сатурна.

Лишь после получения снимков с межпланетных станций теоретики создали математическую модель, которая подтвердила правоту Канта: расчёты показали, что взаимные соударения частиц порождают своеобразную вязкость колец, то есть приводят к обмену моментом импульса между их частями, которые вращаются с разной скоростью. Такой обмен вроде бы должен подталкивать кольца к расползанию, но в реальности эта вязкость порождает неустойчивость, разделяющую широкое кольцо на множество узких.

Проза Канта звучит как стихи. Он так 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…»

– Мама, а разве на Солнце есть скалы? – спросила Галатея.

– Нет, здесь воображение Канта нарисовало не очень верную картину. На поверхности Солнца слишком жарко – там плавится любой камень или металл, превращаясь в плазму. Рассуждения Канта не были лишены ошибок, но во многом он оказывался прав и заложил основы современной теории образования планет из газопылевых околозвёздных дисков. Эту теорию называют теорией Канта-Лапласа, но на самом деле домашний учитель Кант был гораздо точнее в своих представлениях о формировании планет, чем знаменитый француз Лаплас. В качестве подтверждения проницательности немецкого учёного можно назвать следующий факт. Изучив расположение и эксцентриситеты орбит (то есть их эллиптичность), Кант ещё в 1755 году 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…»

Лишь в 1781 году Уильям Гершель открыл за орбитой Сатурна новую планету – Уран, что для астронома и мировой общественности стало полной неожиданностью.

– Но это открытие не удивило Канта! – развеселилась Галатея.

– Верно. В 1846 году при драматических обстоятельствах[2] была открыта ещё более удалённая планета-гигант Нептун, предсказанная в теоретических расчётах Адамса и Леверье. А в 1930-м, 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 после того как в конце XX века за Нептуном обнаружили транснептунные объекты – многочисленные крупные планетоиды, по размерам сравнимые с Плутоном, его понизили в звании и стали рассматривать как крупное кометное тело или транснептун – в полном соответствии с кантовским предсказанием.

Домашний учитель из Кёнигсберга был настолько смел, что не побоялся взяться даже за главную тайну космоса.

– Что это за тайна? – спросила Галатея.

– Кант размышлял над проблемой, как произошла наша Вселенная, изменяется ли она и что её ждет впереди. Опередив общее мнение на 170 лет, он не сомневался, что Млечный Путь – одна из многих галактик: «… разве не могут возникать… ещё иные млечные пути в безграничном мировом пространстве?» Кант указал, что эти галактики можно обнаружить с помощью телескопа: «Мы с изумлением увидели на небе фигуры, которые представляют собой не что иное, как именно подобные системы неподвижных звезд, ограниченные общей плоскостью, – млечные пути… в виде эллиптических образований, мерцающих слабым светом из-за бесконечной удаленности от нас…»

Философ не ограничивал границы Вселенной Млечным Путём, предположил, что Вселенная бесконечна, и ввёл понятие о центре Вселенной как месте наибольшей плотности вещества, хотя заметил: «Правда, в бесконечном пространстве ни одна точка, собственно говоря, не имеет больше права называться центром, чем любая другая…»

По мнению Канта, миры во Вселенной находятся в состоянии непрерывного образования и гибели. Волна образования миров идет 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».

Кант получал величайшее наслаждение от размышлений над тайной образования Вселенной. Он занимался вопросом, что будет, когда хаос разрушения поглотит весь мир? Гениальный мыслитель оптимистично утверждал: «Есть ли основание не верить, что природа, сумевшая перейти из хаоса к закономерному порядку и стройной системе, способна с такой же легкостью восстановить себя из нового хаоса, в который её ввергло уменьшение её движений, и возобновить первоначальную связь?»

Таким образом, для Канта Вселенная была бесконечной, заполненной множеством млечных путей или галактик, нестационарной и даже расширяющейся. Она характеризуется как самоорганизацией, так и ростом хаоса, обладает способностью к самовосстановлению после разрушения и потому бесконечна во 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».

Прозорливый Кант предвидел даже космическое будущее человечества. Он писал: «Кто знает, не для того ли вокруг Юпитера обращаются его спутники, чтобы когда-нибудь светить нам?»

Кант был невысокого роста – 157 см и слабого здоровья. Он никогда не отъезжал от Кёнигсберга более чем на сотню километров, не был женат и не имел детей. На первый и очень поверхностный взгляд его жизнь была скучна и размеренна. Он ел раз в день (правда, обильно и долго) и подчинял свой распорядок дня жёстким правилам, которые позволили ему прожить длинную творческую жизнь. А во Вселенной, где учёный путешествовал ежедневно, он был титаном, присматривающим за рождением и гибелью миров. «Дайте мне материю, и я построю из неё мир», – кто, кроме титана, мог такое сказать?

Кант был гением, опередившим своё время, и революционером самого трудного толка – совершившим революцию в умах людей. Это очень неподатливая материя. Он 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 космоса. Кантовские предсказания актуальны до сих пор. В своей первой книге Иммануил Кант писал: «А нельзя ли вообразить, что и Земля подобно Сатурну когда-то имела кольцо?»

Соглашаясь с учёным, современные модели образования Луны свидетельствуют: Земля в давние времена обладала массивным кольцом, из которого выросла Луна.

– И здесь Кант оказался прав! – удивился Андрей.

– Да, этот скромный человек, живший в провинциальном Кёнигсберге, своим могучим интеллектом проник в самые далёкие уголки космоса. Может, именно из-за своих мысленных космических странствий он не стал любителем обычных путешествий. Кант любил родной город и не уезжал из него, несмотря на самые лестные предложения других университетов. Из окна своего дома он видел церковь и так привык к этому, что, когда тополя, выросшие у соседа, загородили любимый вид, потерял покой и успокоился, только уговорив соседа подрезать деревья.

Кант сам был достопримечательностью Кёнигсберга. Учёный совершал ежедневные послеобеденные прогулки, по которым жители города сверяли часы; его обычный маршрут называли «философской тропой». Только однажды, увлёкшись чтением книги Жан-Жака Руссо «Эмиль», Кант не вышел на свою прогулку. Книга Руссо была сожжена палачами во Франции и Швейцарии – зато в далёком Кёнигсберге произвела огромное впечатление на Канта. Он говорил, что Руссо стал для него «вторым Ньютоном» – в области человеческой души, а не физики.

Кант писал, что его восхищают две вещи: «звёздное небо надо мной и моральный закон во мне». Неудивительно, что первую половину жизни мыслитель посвятил звёздам и естественным наукам, вторую – изучению человека и философии. Став профессором Кёнигсбергского университета в 46 лет, он посвятил себя созданию фундаментального философского труда «Критика чистого разума», которую опубликовал в 57 лет. Книга потребовала от Канта максимальной концентрации и умственного напряжения.

В разгар работы над книгой в жизнь философа вмешался горластый петух, живший у соседа. Его постоянное кукареканье досаждало учёному, который из-за шума не мог полноценно работать и нервничал. Кант предлагал любые деньги, лишь бы петуха зарезали, сосед не согласился.

– Он его любил! – уверенно сказала Галатея.

– Да, для соседа петух оказался важнее философских трудов. Канту пришлось сменить квартиру и дописывать книгу уже на новом, более спокойном месте. Толстый том «Критики чистого разума», вышедший 1781 году, начинался со строк: «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 не может ответить на них, так как они превосходят все его возможности».

Эта книга стала главным трудом философа Канта и одним из главных трудов мировой философии. Когда один из учеников Канта приехал в Гёттинген и заявил в кругу тамошних профессоров, что в письменном столе его учителя лежит труд, над которым господам философам «придётся попотеть», раздался смех: мол, от этого дилетант философии ждать нечего. Сегодня Кант по праву считается одним из величайших философов не только своего времени, но и всей истории человечества. А кто помнит смешливых профессоров Гёттингена конца XVIII века?

Иммануил Кант был гением, намного опередившим своё время. Его считают великим философом, но если бы он не занялся философией, то вошёл бы в историю как выдающийся астроном.

Примечания для любопытных

Иммануил Кант (1724–1804) – великий астроном и философ из Кёнигсберга (ныне – Калининград). Современная модель образования планет называется моделью Канта– Лапласа, но надо отметить, что от Канта в ней гораздо больше, чем от Лапласа.

Луций Сенека (4 год до н. э. – 65 год н. э.) – великий римский философ, воспитатель императора Нерона (37–68).

Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) – знаменитый 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 учёный, академик Российской академии наук. Занимался динамикой и устойчивостью планетных колец. Лауреат Государственной премии СССР (1989) и двух Государственных премий России (2003 и 2008).

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

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

Урбен Леверье (1811–1877) – выдающийся 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.

Млечный Путь (наша Галактика) – спиральная галактика, в которой находится Солнце и все звёзды, видимые невооруженным глазом. В ясную ночь Млечный Путь виден как светлая полоса, пересекающая всё небо.

Вселенная – вся существующая совокупность галактик, звёзд и межзвёздной материи.

Жан-Жак Руссо (1712–1778) – знаменитый французский философ и писатель. Родился в Женеве (Швейцария). Разработал систему прямой демократии, которая используется в современной Швейцарии.

Исаак Ньютон (1643–1727) – великий английский физик и математик. Основатель современного естествознания, построенного на использовании математических моделей.

Гёттинген – университетский город в Нижней Саксонии (Германия). Гёттингенский университет основан в 1734 году и в XVIII веке считался одним из крупнейших университетов Европы.

Сказка о стекловаре Фраунгофере и таинственных пожирателях солнечного света

В конце XVIII века в Баварии в семье бедного стекольщика родился мальчик Йозеф. Он был одиннадцатым ребенком и, хотя очень любил учиться, книг не имел. Да и времени на учёбу не оставалось: мальчик весь день трудился в мастерской отца. В те времена стекольное производство было очень вредным – работа возле раскалённой печи быстро сокращала жизнь стеклодувов. Отец умер, когда Йозефу исполнилось всего одиннадцать лет, и мальчик попал в подмастерья к суровому владельцу стекольной фабрики. Тот запрещал ему заниматься чем-либо, кроме полировки линз, и загружал работой с утра до ночи.

Галатея удивилась:

– Мама, разве можно детям в одиннадцать лет работать? Ведь они должны только учиться!

– В конце XVIII века таких прав у детей бедняков не было. Они работали с юных лет и в ужасных условиях – на фабриках и даже в угольных шахтах. Жизнь подростков часто подвергалась смертельной опасности.

На стекольной фабрике жар от расплавленного стекла смешивался с ядовитыми парами соединений свинца. При полировке линз в легких оседала стеклянная пыль. Но стекло было для мальчика делом всей жизни: он родился и вырос в мире стекла, знал его секреты и ловко управлялся с цветной раскалённой патокой, которая, попадая в формы, послушно застывала и становилась похожей на разноцветные леденцы, иногда достававшиеся Йозефу на ярмарке.

Однажды утром четырнадцатилетний Йозеф, как обычно, пришёл на фабрику и стал разжигать стекольную печь, делать тысячу ежедневных дел. Вдруг раздался скрип, грохот, и ветхие стены фабрики обрушились, завалив мальчика тяжёлыми камнями и деревянными балками.

– Ой! – в страхе воскликнула Галатея.

– Город взволновался. К обрушившемуся зданию прибежали горожане, прибыл даже баварский принц Максимилиан I Иосиф, который стал лично руководить разбором завалов, чтобы найти тело мальчика. Как обрадовались люди, когда из-под обломков извлекли чудом уцелевшего Йозефа!

Галатея облегчённо вздохнула, а потом проворчала:

– Какие добрые люди – спасли ребенка, чтобы он и дальше тяжело работал…

Дзинтара добавила:

– Этот случай принёс мальчику удачу: принц стал ему покровительствовать, дал денег на книги и велел мастеру разрешить Йозефу учиться в свободное от работы время.

– Разрешил учиться в свободное от работы время? – не поверила своим ушам Галатея.

– Богатый горожанин Утцшнейдер, который присутствовал при разборе завалов стекольной фабрики и спасении Йозефа, тоже принял участие в судьбе мальчика. Когда Йозефу исполнилось 19 лет, он помог ему устроиться в Оптический институт, созданный при монастыре бенедиктинцев. Благодаря таланту и трудолюбию бедный подмастерье превратился в известного мастера-оптика, изготовителя лучших в мире линз. Впоследствии Фраунгофер стал директором Оптического института и вместе со своим покровителем создал процветающую фирму «Утцшнейдер и Фраунгофер». Она, например, изготовила линзы для телескопа Берлинской обсерватории, с помощью которых была открыта планета Нептун. Йозеф Фраунгофер стал почётным доктором Эрлангенского университета и академиком Баварской академии наук, а король Баварии наградил его Орденом почёта и возвёл в дворянство.

Однако самым главным в жизни Фраунгофера оставалось стекло – властелин солнечного света. Оно заставляло свет приближать далёкие предметы, собирало звёздное сияние в стеклянные плошки и направляло, отцеживало его в окуляр, к которому приникал любопытный глаз астронома. Стекло раскладывало лучи солнца в яркую радугу, раскрывая его тайны. Благодаря высокому качеству созданных оптических приборов Фраунгофер, обладавший редким сочетанием таланта мастера-оптика и внимательности учёного, сделал ряд удивительных открытий. Самое важное из них относится к радуге.

Развитие науки знало периоды затишья и времена революционных прорывов. Последние были часто связаны с постепенным развитием приборов, в определённый момент приобретавших способность показывать нечто качественно новое. Микроскопы существовали и до Левенгука, но лишь он, создав более совершенный прибор, совершил прорыв и открыл мир микробов, ранее неизвестный людям. Такой же прорыв в науке посчастливилось сделать баварскому оптику Йозефу Фраунгоферу. Ещё древние римляне могли призмой разложить солнечный свет в радугу. Это занятие любил великий Ньютон, который назвал многоцветную полосу, выходящую из стеклянной треугольной призмы, спектром. Фраунгофер пошёл дальше всех и благодаря качеству своих призм создал совершенный спектрограф, позволивший открыть удивительную тайну солнечной радуги.

Когда Йозеф решил испытать новый прибор на солнечном свете, он не поверил своим глазам: на хорошо знакомой цветной радуге, полученной из солнечного света, появились странные тёмные полосы! Словно таинственные существа выгрызали в солнечном спектре тёмные щели, поедая свет с определённой длиной волн.

– Кем были эти таинственные существа? – заинтересованно спросила Галатея.

– Эти существа были атомами, которые обладали «аппетитом» к волнам определённой длины.

– А почему атомы интересовались только волнами конкретной длины?

– Об этом мы обязательно поговорим, но позднее, когда дойдём до изучения атомов, которое фактически началось с небольшого прибора, созданного Йозефом Фраунгофером. Обнаружив эти линии, учёный открыл дверь в мир атомов и одновременно – в мир звёзд.

Йозеф понимал, что полосы что-то говорят о химическом составе Солнца, но расшифровать световую тайнопись не мог. Зато он составил список из 574 линий, введя их классификацию. Фраунгофер показывал свой прибор другим оптикам и учёным, опубликовал статью о наблюдениях спектра – так его открытия стали достоянием науки.

– А почему Фраунгофер решил изучить спектр Солнца? Вряд ли такое желание возникало у других стекловаров! – сказал Андрей.

– Он был пытливым человеком. Всё началось с того, что с помощью своего прибора Фраунгофер изучил спектр свечи и заметил в нём яркую жёлтую линию натрия – вездесущего элемента, который спектроскописты в будущем назовут «проходимцем», потому что он встречался почти в каждом спектре.

– А почему он такой… распространённый? – удивилась Галатея.

– Двойная линия натрия очень сильная, а сам натрий входит в состав соли, которую можно найти везде. Даже солёный пот с рук исследователя вносит вклад в измеряемые спектры.

В работе 1815 года Фраунгофер написал: «Я решил выяснить, можно ли видеть подобную светящуюся линию в солнечном спектре. И с помощью телескопа я обнаружил не одну линию, а большое количество вертикальных линий, резких и слабых. Слабые оказались темнее остальной части спектра, а некоторые из них – почти совершенно чёрными…»

Одна из тёмных линий в спектре Солнца в точности совпала по длине волны с яркой жёлтой линией натрия в спектре свечи. Этот факт – что спектральная линия, в зависимости от условий, может быть и тёмной, и яркой – оказался очень важен. Работа Фраунгофера дала будущим исследователям возможность разгадать многие секреты звёздного света. Солнечный свет не только освещал и согревал – он был посланием, содержащим информацию о сокровенных тайнах Солнца и звёзд, и эта информация ждала своего расшифровщика.

Фраунгофер сумел выделить несколько сотен линий, а сейчас их известно несколько миллионов! Он снял спектр ярких звёзд и установил, что спектр Сириуса отличается от спектра Солнца. Тем самым Фраунгофер заложил основы звёздной спектроскопии.

С помощью своих волшебных стёкол Йозеф Фраунгофер заглянул в сердце звёзд, дал ключ к тайне, которую Огюст Конт считал неразрешимой, – к тайне химического состава звёзд. Через 45 лет учёные сумели соотнести основные линии Фраунгофера с конкретными химическими элементами. Эти линии стали основой измерения на расстоянии химического состава, температуры, массы и движения звёзд, наличия у них магнитного поля, планет и дисков.

Йозеф Фраунгофер умер в 39 лет из-за отравления парами тяжёлых металлов, унёся с собой в могилу самые ценные рецепты варки стекла. Но он навсегда остался в истории оптики и астрофизики: изучение линий Фраунгофера до сих пор является мощным инструментом изучения космоса.

Галатея спросила:

– Баварский принц дал Йозефу денег на книги. Но как же остальные мальчики-бедняки, жившие в то время? Кто им помог с учёбой?

– Обычно – никто. История хранит рассказы лишь о тех, кому повезло.

– Это несправедливо! – разгорячилась Галатея.

– Это не только несправедливо, но и глупо. Страна, в которой дети хотят учиться, но не могут из-за отсутствия денег, обкрадывает себя. Деньги, которые принц дал Йозефу, принесли Баварии мировое лидерство в оптике на несколько веков. Благодаря многочисленным изобретениям Фраунгофера, Бавария обогнала Англию по качеству оптических линз. Учёный прославил свою страну. Сейчас в Германии есть Общество Фраунгофера, объединяющее 67 научных институтов в области оптики и прикладной физики, где работают более 20 000 человек.

Фраунгофер основал новую науку – спектроскопию, которая изучает спектры разных объектов. Серьёзный вклад в эту науку внесли немецкие учёные Бунзен (все химики знают горелку Бунзена) и Кирхгоф. Последний сформулировал три правила – так называемые правила Кирхгофа, ставшие основой спектроскопии:

1. Раскалённые твёрдые тела, жидкости и газы при большом давлении испускают непрерывный спектр.

2. Раскалённый газ при низком давлении излучает яркие, так называемые эмиссионные, линии.

3. Холодный газ при низком давлении, размещённый между горячим телом и наблюдателем, вызывает тёмные линии поглощения в непрерывном спектре горячего тела. (Именно такие тёмные линии, вызванные существованием в горячей атмосфере Солнца более холодного слоя, и обнаружил Фраунгофер.)

Кирхгоф родился в Кёнигсберге через 20 лет после смерти Канта и, кроме трёх правил спектроскопии, открыл широко известные сейчас законы для расчёта электрических схем (законы Кирхгофа). Если вспомнить, что этот город дал миру ещё и гения астрономии Региомонтана, можно сказать, что на мировой карте науки Кёнигсберг (современный Калининград) выделен крупным шрифтом.

Правила Кирхгофа отражают принципиальную разницу между излучением твёрдого тела и газа.

– А почему они отличаются? – поинтересовалась Галатея.

Дзинтара пояснила:

– Каждый атом – как крошечный гном с набором колокольчиков, каждый из которых звенит своей нотой. В твёрдом теле атомам-гномам тесно, они толкают друг друга и мешают колокольчикам звенеть. В результате наружу из твёрдого тела выходит не музыка, а шум. В разреженном газе колокольчики звенят свободно, и снаружи слышна гармоничная музыка из нескольких нот – регистрируются узкие спектральные линии.

Из правил Кирхгофа следует удивительный факт: длины волны ярких эмиссионных линий и тёмных линий поглощения практически одинаковы для одного и того же газа.

– Значит, атомы-гномики не только звенят своими колокольчиками, но и ловят ими нужные ноты? – спросил Андрей.

– Да, эти колокольчики похожи на идеальные камертоны, звучащие в тон приходящему звуку и испускающие волны той же частоты. Фраунгофер открыл в солнечном спектре тёмные линии, вызванные поглощением света атомами, а в наземных спектрах позже были зарегистрированы аналогичные по длине волны яркие эмиссионные линии.

Шведский учёный Ангстрем в 1862 году показал, что в спектре Солнца есть водород, так что утверждение Огюста Конта о невозможности узнать состав звёзд оказалось неверным уже через двадцать лет. Линии водорода в спектре Солнца видны сквозь забор линий железа и других металлов. Итальянский астроном Секки выделил на небе класс белых звёзд, в спектре которых виден практически один водород. То, что это именно водород, стало известно из эмиссионного спектра, полученного в лаборатории: в нём светлые линии располагались там же, где тёмные прорези в звёздных спектрах. В 1868 году Ангстрем опубликовал свой атлас солнечного спектра, а Секки – первую спектральную классификацию звёзд, за что его назвали «отцом современной астрофизики».

Одним из первых спектроскопистов, изучившим спектры многих небесных объектов, стал английский астроном Уильям Хаггинс. Он наблюдал небо на своей частной обсерватории в Лондоне и обнаружил, что галактика Туманность Андромеды даёт сплошной радужный спектр, похожий на спектры звёзд. Когда в 1864 году Хаггинс навёл свой телескоп с присоединённым к нему спектроскопом на красивую туманность Кошачий Глаз в созвездии Дракона, к своему удивлению, получил на выходе не типичную светящуюся радугу, а тёмный фон с тремя яркими линиями. Это означало, что, в отличие от плотных звёзд, дающих сплошной спектр, туманности состоят из разреженного газа, который светится в отдельных линиях.

Позже Уильям Хаггинс женился на ирландской девушке Маргарет, которая с детства увлекалась звёздами и сама конструировала спектроскопы. Супруги Хаггинс выпустили каталог небесных спектров туманностей, звёзд и галактик, где показали отличие спектра галактики Туманность Андромеды от спектров отдельных звёзд.

Открытие спектров в видимой области света стало началом изучения космических спектров. Далее исследователи двинулись в области более длинных и более коротких волн. Загадки открываемых спектров множились. Как показали швейцарский математик Бальмер и шведский физик Ридберг, длины волн отдельных линий подчиняются простым числовым соотношениям. Эта загадка была решена, лишь когда физики построили правильную модель атома. Линии, открытые Фраунгофером, повели учёных и внутрь крошечных атомов, и вдаль, к огромным звёздам.

Примечания для любопытных

Йозеф Фраунгофер (1787–1826) – знаменитый баварский оптик и механик. Открыл линии Фраунгофера и дифракцию Фраунгофера.

Принц Максимилиан (1756–1825) – принц Баварии (1799–1805), первый король Баварии Максимилиан I Иосиф (1806–1825).

Спектр (излучения) – зависимость интенсивности свечения объекта от длины волны. Спектр может быть линейчатым (состоящим из отдельных линий), полосатым (многочисленные линии сливаются в полосы) или сплошным (зависимость яркости объекта от длины волны представляет собой плавную линию), а для сложных объектов из нескольких компонент – сплошным с дополнительными тёмными и светлыми линиями.

Антони ван Левенгук (1632–1723) – знаменитый нидерландский натуралист, конструктор микроскопов, открывший мир микроорганизмов.

Роберт Бунзен (1811–1899) – известный немецкий химик-экспериментатор, вместе с Кирхгофом разработавший в 1860 году основы нового экспериментального метода – спектрального анализа.

Густав Кирхгоф (1824–1887) – знаменитый немецкий физик, родившийся в Кёнигсберге и оставивший след во многих областях физики. Основатель спектрального анализа.

Региомонтан (Иоганн Мюллер) (1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, выходец из Кёнигсберга. Гений. Перевёл с греческого на латынь «Альмагест» Птолемея (100–170), заново рассчитал движения звёзд и планет, в 1474 году выпустил «Эфемериды» – первые напечатанные типографским способом астрономические таблицы, которые использовали Колумб, Васко да Гама и другие мореплаватели.

Огюст Конт (1798–1857) – выдающийся французский философ, основоположник социологии как самостоятельной науки.

Андерс Ангстрем (1814–1874) – известный шведский учёный-астрофизик, один из основателей спектрального анализа. Изучил 1000 спектральных линий. В 1862 году обнаружил водород на Солнце. Его именем названа единица «ангстрем» – одна десятимиллионная доля миллиметра.

Анджело Пьетро Секки (1818–1878) – выдающийся итальянский астроном, священник, директор обсерватории Папского Григорианского университета. Пионер звёздной спектроскопии.

Камертон – металлический инструмент в виде двузубой вилки для воспроизведения определённой частоты звука. Камертон изобрёл английский музыкант Джон Шор в 1711 году.

Уильям Хаггинс (1824–1910) – видный английский астроном, первым измеривший спектры многих космических объектов. Президент Королевского общества в 1900–1905 годах.

Маргарет Хаггинс (1848–1915) – ирландский астроном-спектроскопист, супруга Уильяма Хаггинса.

Кошачий Глаз – туманность в созвездии Дракона на расстоянии 3300 световых лет от Земли. Образована взрывом звезды 1000 лет назад (начало расширения для земного наблюдателя; в реальности взрыв произошёл 3300 + 1000 = 4300 лет назад).

Туманность Андромеды – ближайшая к нашей Галактике спиральная галактика. Движется к нам со скоростью 110 км в секунду и столкнётся с Млечным Путём через 4 миллиарда лет. Только не надо паниковать – время у нас ещё есть!

Сказка о первом радиоприёмнике и физике Герце

За семейным столом сидел новый гость – высокий мужчина со спокойным лицом. Галатея выждала удобную минуту и спросила его:

– Дядя Джерри, а вы знаете какую-нибудь сказку?

Джерри усмехнулся и сказал:

– Я наслышан про коварные обычаи этого дома: кто сюда войдёт, без сказки живым не выйдет. Причем сказки нужны не обычные волшебные, а особенные – научные.

Галатея, как истинная принцесса, уверенно воскликнула:

– Тогда вы наверняка приготовили какую-нибудь историю! Вы же хотите выйти отсюда живым!

Джерри кивнул:

– Я готов рассказать вам историю про первый радиоприёмник. Кто-нибудь знает, как он был устроен?

Галатея заерзала:

– Ой… радиотехника – это так сложно!

Дзинтара сказала одобрительно:

– Правильно, Джерри, заставь этих шалопаев шевелить мозгами!

Старший, Андрей, нахмурился и сказал:

– Первые приёмники были на специальных радиолампах. Их так и называли – ламповые приёмники.

Джерри покачал головой:

– Нет, первый радиоприёмник возник гораздо раньше радиоламп. Он выглядел… он выглядел как… чем объяснять, я его лучше соберу.

Мужчина порылся в карманах, достал кусок проволоки и пару металлических бусин. Он надел бусины на концы проволоки и согнул её кольцом – так, чтобы бусины располагались близко друг к другу, но не соприкасались.

– Вот таким был первый радиоприёмник в мире!

Галатея широко раскрыла глаза:

– И это всё? Ни транзисторов, ни этих конди… конденсаторов… ничего такого?

Андрей удивлённо спросил:

– И как же он работал без динамиков?

Галатея поддержала брата:

– Да, как этот приёмник пел и разговаривал?

Джерри усмехнулся:

– Этот радиоприёмник не пел, а искрил. Когда он ловил радиоволну, в контуре-кольце возникал электрический ток, и между этими близкими шариками проскакивала искра.

Галатея удивлённо протянула:

– Оказывается, радиотехника – это просто! Первым радиоприёмником был радиоискрильник…

Андрей спросил:

– А каким же тогда был первый радиопередатчик?

– Он был посложнее – в нём имелась батарея, пара катушек и конденсатор. При генерации радиоволны он тоже создавал искру между двумя более крупными шарами, включёнными в электрическую цепь. На радиоприёмнике, не связанном проводами с передатчиком, возникала искра в тот же момент, что и на передатчике. Это означало, что между ними возникла беспроводная связь, или радиосвязь.

– Всё-таки обычно радиоприёмники поют или говорят… – не унималась Галатея.

– Дальнейшие усовершенствования радиоприёмника были принципиально несложными: слабый ток в антенне усилили, сделав его регулятором движения сильного тока…

– Это как? – спросила Галатея.

– Слабый ток в антенне может включать и выключать сильный ток в другой цепи, тем самым радиосигнал будет управлять гораздо более мощным процессом, чем он сам. Ребёнок не может сам выкорчевать пень, зато может ключом зажигания завести трактор, который это сделает.

– Это понятно даже ребёнку! – заявила девочка.

– А сильный ток может делать сотни вещей, в том числе заставить мембрану динамика колебаться – вот усовершенствованный приёмник и зазвучал!

– В радиотехники, что ли, пойти, раз там всё так просто… – пробормотала Галатея.

– А кто сделал первый приёмник? – спросил Андрей.

Джерри откинулся на стуле и начал обо всём рассказывать по порядку:

– Великий шотландец Максвелл в 1865 году доказал с помощью математических уравнений, что должны существовать электромагнитные волны, вызываемые ускорением зарядов. Эти волны могут распространяться даже в пустоте и невидимы, но описываются теми же уравнениями, что и свет, являющийся колебанием электромагнитного поля более высокой частоты, а значит, электромагнитной волной с короткой длиной волны.

В 1879 году знаменитый физик Гельмгольц предложил своему ученику – двадцатидвухлетнему студенту Генриху Герцу – выбрать темой диссертации экспериментальное подтверждение теории Максвелла о существовании длинных электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света. После долгих раздумий Герц отказался от этой темы, выбрав задачу, которую он знал как решать.

– Как подтвердить теорию Максвелла, он не знал? – спросил Андрей.

– Да, Герц не понимал, какой прибор нужно сделать, чтобы поймать невидимые электромагнитные волны большой длины. Он полагал, что прибор будет сложным, это его пугало, и в итоге Герц защитил диссертацию по более понятной теме.

Прошло семь лет, Герц стал профессором в университете Карлсруэ. Однако настоящий учёный никогда не расстаётся с нерешённой проблемой. Как-то Герц заметил, что искры, вызываемые в контуре с источником энергии, неожиданно порождают слабые искры в соседнем контуре, который не связан с первым и не имеет источников энергии.

– Как этот приёмник из проволочного кольца? – указал Андрей на рамку.

– Да. Это наблюдение дало Герцу ключевую идею нового прибора, который мог доказать существование электромагнитных волн.

– Значит, его открытие было случайным? – протянула Галатея.

– Нет. Герц всегда помнил о проблеме, поставленной Гельмгольцем, и всегда, может и неосознанно, искал её решение. Возникновение искр во втором контуре было свидетельством электромагнитной связи между двумя контурами, но эту связь мог заметить лишь тот, кто её искал.

Герц создал простой генератор низкочастотных электромагнитных колебаний, излучавший электромагнитные волны с длиной волны в десятки сантиметров, и исключительно простой приёмник этих волн, который принимал сигнал на расстоянии трёх метров.

– Да уж, проще не бывает, – сказала Галатея, разглядывая проволочную рамку.

– С помощью этих простейших устройств Герц сделал целую серию фундаментальных открытий. Он измерил скорость распространения новой электромагнитной волны, которую впоследствии стали называть радиоволной, – она оказалась равной скорости света. Учёный показал, что радиоволна может отражаться металлическим отражателем, как свет – зеркалом. Пытаясь улучшить видимость слабой искры в приёмнике, Герц поместил его в тёмную коробку и обнаружил, что искра от этого ещё больше слабеет. Он поэкспериментировал с разными коробками и узнал, что некоторые материалы не пропускают новые волны, другие пропускают, но ослабленными, третьи – отражают. Тем самым Герц заложил основы радиолокации. Его передатчик использовал конденсаторы, и в процессе опытов Герц открыл, что облучение ультрафиолетовым светом способствует разрядке конденсаторов. Тем самым Герц открыл фотоэффект, который позднее был объяснён Эйнштейном, получившим за это Нобелевскую премию.

– И всё это было сделано с помощью вот такой рамки?! – восхитилась Галатея.

– Герц умер от болезни в 36 лет, но оставил ярчайший след в науке и технологии. Из его простого прибора выросли радио и телевидение, авиационные радары и мобильные телефоны, радиотелескопы и межпланетная связь.

Интересно, что сам Герц скептически относился к возможностям практического применения своих открытий – считал, что его открытия интересны лишь для развития теоретической науки, как и теория Максвелла: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». Когда Герца спросили: «И что же дальше?» – он пожал плечами и ответил: «Я предполагаю – ничего». На самом деле учёный совершил одно из важнейших открытий в истории человечества, которое вскоре изменило многие области технологии и науки, в том числе астрономию, где возникло новое направление – радиоастрономия.

Фраунгофер показал, что всем знакомый и хорошо видимый солнечный свет несёт информацию о химическом составе звёзд. Герц доказал существование гораздо более длинных электромагнитных волн – радиоволн и повёл наступление на загадки космоса с другой стороны, расширив электромагнитный спектр с видимого диапазона длин волн до более длинноволновой части спектра – радиодиапазона. Радиоволны тоже могут много рассказать о жизни звёзд и туманностей.

В конце короткой жизни Герц вместе со своим студентом Ленардом занялся катодными лучами.

– Это что за лучи? – поинтересовалась Галатея.

– В XIX веке учёные, исследовавшие прохождение электрического тока через воздух, столкнулись с загадкой: если включить в электрическую цепь стеклянную трубку или колбу с двумя электродами – отрицательно заряженным катодом и положительным анодом, – ток по цепи продолжает идти. Правда, для этого нужно откачать воздух из баллона, что требовало от исследователя немалой физической силы.

– Физической силы? – удивилась Галатея.

– В те времена, чтобы получить хороший вакуум, требовалось много раз поднять и опустить сосуд с несколькими килограммами ртути – так был устроен тогдашний вакуумный насос.

Во время эксперимента с вакуумной разрядной трубкой наблюдалось таинственное свечение её стеклянных стенок. Свободный исследователь, англичанин Крукс, провёл в своей частной лаборатории ряд замечательных опытов, которые показали: с катода вылетают потоки таинственной отрицательно заряженной материи, которые стали называть «катодными лучами».

– А как он понял, что материя катодных лучей заряжена отрицательно? – спросил Андрей.

– Он поднёс к трубке магнит, и катодные лучи искривились в том направлении, в каком должны были отклониться отрицательные частицы. Крукс поместил в трубку легкую вертушку, и она завертелась, показав, что катодные лучи обладают механическим действием. Потом разместил в потоке этих лучей металлический крест и увидел, как на флуоресцирующей стенке колбы появилось его изображение. Точнее говоря, тень, потому что металл поглотил катодные лучи.

– Что же это были за лучи? – взмолилась Галатея. – Открой тайну, дядя Джерри!

– Хорошо, не буду вас больше интриговать: катодные лучи были потоком электронов, которые вырывались с поверхности катода и летели к аноду под воздействием электрического поля. Фактически Крукс заложил основы современного телевидения, показав, что потоком электронов, вызывающих свечение экрана, можно рисовать разные картины, управляя движением электронов с помощью магнитного поля. Но тогда учёные ещё не открыли такую частицу, как электрон. Это позднее, в 1897 году, сделал Джозеф Джон Томсон – с помощью усовершенствованной трубки Крукса.

А пока на дворе был 1892 год, и в команду исследователей катодных лучей включились Герц с Ленардом. Герцу удалось показать, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкую алюминиевую фольгу. Ленард создал трубку, в которой часть стекла была заменена на алюминиевую пластинку, скорее алюминиевую фольгу толщиной в пять микрон или пять тысячных миллиметра. Из трубки с алюминиевым окошком катодные лучи могли выходить наружу, что было очень полезно в ряде исследований. Ленард заметил, что катодные лучи засвечивают фотопластинки, даже закрытые картоном. В 1894 году в берлинских «Анналах физики и химии» он написал: «Катодные лучи являются фотоактивными.

При достаточно долгой экспозиции можно вполне наблюдать их действие на фотографическую пластинку. На пластинке, помещённой под листом картона, видны чётко очерченные зоны почернения. Над картоном помещались различные металлические пластины, которые в зависимости от степени их проницаемости для катодных лучей казались на фотопластинке более или менее тёмными. Только там, где металлическая пластина имела достаточную толщину, фотопластинка оказывалась незасвеченной. Таким образом, установлено, что катодные лучи проходят сквозь картон и металл».

Ленард ошибался.

– Как можно ошибаться в эксперименте? Это же факт! – удивился Андрей.

Джерри пояснил:

– Ленард неправильно интерпретировал свои бесспорно верные наблюдения, тем самым лишив их истинной ценности. На самом деле, сталкиваясь с веществом разрядной трубки, поток электронов порождал другое излучение – очень короткие, гораздо более короткие, чем свет, электромагнитные волны, в будущем ставшие не менее ценным источником информации о Вселенной. Именно эти лучи засвечивали фотопластинки Ленарда, но он этого не понял, и невидимые лучи получили название «рентгеновских», по имени человека, который год спустя правильно расшифровал их природу.

– А вы расскажете про этого человека? – с просительной интонацией сказала Галатея. – Вы же остаётесь у нас до завтра?

– Договорились. Расскажу! – улыбнулся гость.

Примечания для любопытных

Генрих Герц (1857–1894) – великий немецкий физик, первооткрыватель радиоволн.

Катод – электрод, подсоединённый к отрицательному полюсу батареи.

Анод – электрод, подсоединённый к положительному полюсу батареи.

Герман Гельмгольц (1821–1894) – выдающийся немецкий физик и врач. Сформулировал закон сохранения энергии, открыл неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, развивающуюся на границе двух взаимно движущихся сред (типичный пример: волны, растущие на границе воды и воздуха под воздействием ветра).

Фотоэффект – эффект выбивания электронов с поверхности вещества при облучении его светом или любым другим электромагнитным излучением.

Альберт Эйнштейн (1879–1955) – великий физик-теоретик, создатель специальной и общей теории относительности. Объяснил явление фотоэффекта и получил за это Нобелевскую премию (1921).

Уильям Крукс (1832–1919) – видный физик-исследователь, создатель разрядных трубок Крукса. Был президентом Королевского общества.

Филипп Ленард (1862–1947) – немецкий физик, исследовал катодные лучи в разрядных трубках. Лауреат Нобелевской премии по физике (1905).

Джозеф Джон Томсон (1856–1940) – видный английский физик, открыл электрон и создал первую модель атома. Лауреат Нобелевской премии по физике (1906).

Сказка о Рентгене, невидимых лучах и видимых костях

На следующий вечер Галатея, едва дождавшись окончания ужина, сразу вцепилась в Джерри крепкой хваткой:

– Как же были открыты рентгеновские лучи? Меня недавно ими просвечивали!

Гость усмехнулся:

– Безусловно, каждый землянин знаком с рентгеновскими лучами. Они используются для диагностики многих заболеваний и спасли миллионы жизней. Эти лучи открыл очень скромный и честный человек – Вильгельм Конрад Рентген, который родился в Германии, в семье купца в 1845 году. Мать мальчика была родом из Амстердама, и когда Вильгельму исполнилось три года, семья переехала в Голландию. Мальчик любил бродить по лесам и мастерить мелкие механизмы. В 16 лет он поступил в Утрехтскую техническую школу, из которой его отчислили через два года – как раз за честность.

– Разве за это отчисляют? – удивилась Галатея.

– Кто-то нарисовал на преподавателя карикатуру. Этот учитель зашёл в класс, когда Вильгельм рассматривал рисунок. Преподаватель потребовал выдать автора, но Вильгельм отказался назвать имя – за это его и отчислили.

– Действительно пострадал из-за честности! – хмыкнула девочка.

– Из-за этого Вильгельм не мог, как остальные школьники, получить аттестат о среднем образовании и поступить в университет. В течение двух лет он учился самостоятельно, ему разрешили сдать экзамен экстерном. Однако невезение продолжилось: экзамен принимал тот самый обиженный учитель и он провалил Вильгельма, несмотря на его глубокие и обширные знания. В итоге юноша навсегда остался без аттестата зрелости и без права поступить в университет.

– Это несправедливо! – возмутилась Галатея.

– Став взрослым, Вильгельм Рентген написал:

«Школьные экзамены чаще всего не дают основания для оценки способности к определённому предмету: они – к сожалению – необходимое зло. Вообще экзамены! Они необходимы, чтобы уберечь некоторых людей от пожизненной профессии, для которой они были бы слишком ленивы или неумелы, да и то не всегда. В остальном экзамены являются мукой для обоих участников, которая позже часто вызывает страшные сны! Настоящую проверку способности к определённой профессии даёт только дальнейшая жизнь».

– Неужели Вильгельм так и не попал в университет? – спросил Андрей.

– Рентген год посещал лекции в университете Утрехта, не имея права сдавать экзамены. В это время он узнал, что без аттестата зрелости можно поступить в швейцарский Федеральный технологический университет города Цюриха. Для этого требовалось сдать строгий вступительный экзамен, что для Рентгена проблемой не являлось. Но от вступительных экзаменов юношу освободили – благодаря отличным отметкам в школьном табеле, посещению лекций в Утрехте и ввиду зрелого возраста.

Вильгельм получил университетское образование в Швейцарии и стал работать ассистентом профессора Кундта на кафедре физики в Цюрихе. У него была успешная научная карьера…

– Успешнее, чем у того мстительного учителя! – мстительно сказала Галатея.

– Вильгельм Рентген прославился как один из лучших экспериментаторов своего времени. Он преподавал в качестве профессора в Страсбургском, Гиссенском, Вюрцбургском и Мюнхенском университетах.

В 1894 году Рентген, работавший тогда в Вюрцбурге, заинтересовался опытами Ленарда и решил их повторить. Он написал два письма: Ленарду – с просьбой подсказать, где взять тонкую алюминиевую фольгу для встраивания в стенку газоразрядной трубки, и известному стеклодуву Мюллеру-Ункелю в город Брауншвейг – с заказом газоразрядного аппарата. Вскоре Рентген получил от Ленарда два кусочка алюминиевой фольги в подарок, а от стеклодува – новую «катодно-лучевую трубку по Ленарду».

Вильгельм сразу повторил опыты Ленарда и восхитился их красотой. Летом 1894 года его избрали ректором университета города Вюрцбурга, поэтому больше года у него не было времени заниматься научными экспериментами. В своей вступительной речи новый ректор процитировал своего предшественника – П. А. Кирхера, который занимал пост ректора Вюрцбургского университета в XVII веке: «Природа часто проявляет удивительные чудеса даже в самых обычных вещах, однако их замечают только те люди, которые с проницательностью и способной к исследованиям сообразительностью наводят справки у опыта – наставника всех дел».

Только осенью 1895 года Рентген смог вернуться к экспериментам с катодными лучами, где он стал использовать вакуумные трубки по Гитторфу и Круксу.

Ленард нашёл, что фотопластинки возле разрядной трубки засвечены. Внимательный исследователь, Рентген заметил, что катодные лучи в этом не виноваты: фотопластинки засвечивались, даже если бралась классическая стеклянная трубка без алюминиевого окошечка Ленарда, то есть катодные лучи не могли выходить за пределы трубки. Очевидно, речь шла о новом явлении.

Рентген был очень трудолюбив. Занимая пост ректора и являясь уже немолодым пятидесятилетним человеком, он оставался работать по вечерам, когда все лаборанты уходили домой. Поздним вечером пятницы 8 ноября 1895 года, работая в одиночестве, Рентген включил разрядную трубку Гитторфа, обернутую чёрным картоном, и вдруг заметил, что кристаллы платиноцианистого бария, лежавшие неподалёку, засветились зеленоватым светом. Стоило выключить трубку, гасли и кристаллы. Рентген снова включил трубку – и увидел тот же свет. Это был звёздный час учёного! Рентген понял, что натолкнулся на что-то необычное и важное. Он сказал своему близкому другу, биологу Бовери: «Я обнаружил что-то интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения».

Рентген заперся в лаборатории, попросив установить там кровать и приносить ему еду. Семь недель он всесторонне исследовал обнаруженное явление. Огромным плюсом являлось то, что для анализа таинственных лучей не требовалось проявлять фотопластинки: свечение кристаллов платиноцианистого бария служило надёжным и быстрым индикатором невидимого излучения.

Рентген разместил рядом с трубкой бумажный экран, с одной стороны смоченный раствором платиноцианистого бария. При каждом разряде трубки на экране наблюдалось флуоресцирующее свечение, причем независимо от того, какой стороной к трубке повернут экран – смоченной или нет.

– То есть лучи Рентгена проходили и сквозь чёрный картон, и сквозь бумажный экран? – спросила Галатея.

– Да. И если на их пути встречалось какое-то тело, то оно задерживало часть лучей. Прозрачность по отношению к новому излучению зависела от материала тела. Тогда Рентген поместил между трубкой и экраном свою руку. Результат он описал в научной статье: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны тёмные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это и было первое рентгеноскопическое исследование.

– Но Ленард делал практически то же самое, но брал не экран, а фотопластинку!

– Разница между опытами Ленарда и Рентгена заключалась в том, что Ленард не понимал происходящее и приписывал засвечивание фотопластинок катодным лучам, состоящим, как мы сегодня знаем, из электронов.

А электроны легко задерживаются самыми незначительными препятствиями. Рентген сразу понял, что имеет дело с новым типом хорошо проникающих лучей, которые он назвал Х-лучами, а мы называем рентгеновскими. Это электромагнитное излучение, только гораздо более короткое по длине волны, чем видимый свет.

Рентген попробовал воздействовать на поток Х-лучей магнитом, но они на него не среагировали, показав принципиальное отличие от катодных лучей. Х-лучи возникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом разрядной трубки. Можно было варьировать конструкции трубок, заменить стекло на алюминий – Х-лучи продолжали возникать.

Андрей задумался, потом сказал:

– Ленард не провёл контрольный эксперимент. Если он полагал, что фотопластинку засвечивают катодные лучи, вырывающиеся из разрядной трубки через алюминиевое окошко, то он должен был повторить опыт с обычной стеклянной трубкой – из которой катодные лучи не выходят – и убедиться, что эффект исчез. Если бы Ленард провёл такой эксперимент, то обнаружил бы, что эффект засветки пластинок сохраняется, а значит, за него отвечает новое излучение, хорошо проникающее через разные материалы.

Джерри одобрительно кивнул:

– Верно. У тебя мышление учёного.

– Упустил Ленард свой звёздный час! – сказала Галатея. – Если бы не упустил, вместо рентгеноскопии в медицине использовалась бы ленардоскопия.

– За рождественские праздники Рентген написал своё историческое «О новом виде излучения (предварительное сообщение)» и 28 декабря передал его секретарю Физико-медицинского общества города Вюрцбурга. Несмотря на то что в рождественские праздники заседания общества не проводились, статью включили в «Отчёты заседаний», и через несколько дней она вышла в свет в печатном виде.

Уже 5 января 1896 года сенсационная новость об открытии Рентгена появилась в австрийских газетах и была передана во все концы света по телеграфу. 13 января немецкий кайзер Вильгельм II пригласил Рентгена к себе, чтобы тот продемонстрировал ему новое явление. 16 января газета «Нью-Йорк Таймс» опубликовала статью о лучах Рентгена, которые сулят переворот в хирургии.

23 января Рентген сделал первый и единственный официальный доклад о своём открытии перед Физико-медицинским обществом города Вюрцбурга, во время которого была изготовлена знаменитая рентгеновская фотография кисти руки известного анатома фон Кёлликера.

Во всех развитых странах исследователи – профессионалы и любители – бросились изучать новое явление. Уже в феврале 1896 года врачи начали использовать рентгеновские лучи для диагностирования опухоли на кости, нахождения пуль в предплечьях солдат и хирургических операций. За один год этой теме было посвящено более 1000 научных статей, не считая огромного количества газетных и журнальных заметок. Открытие рентгеновских лучей оказалось полезным для медиков и, кроме того, стало возбуждающе новым и ясным для широкой публики.

Перед людьми словно внезапно открылась дверь в волшебное царство. Мир присутствовал при настоящей технической революции. Очень редко какое-либо открытие так быстро меняло жизнь человечества! В том же 1896 году учёные и медики освоили и применили на практике все современные виды использования Х-лучей; в дальнейшем, в основном, происходили технические улучшения и усовершенствования аппаратуры.

Открытие Х-лучей взволновало не только учёных, но и обычное население. Физические лаборатории осаждали врачи и больные. Проводились бесчисленные публичные опыты с демонстрацией изображений скелетов живых людей. Это производило очень сильное впечатление на публику, вплоть до истерик и обмороков.

Открытие Вильгельма Рентгена дало мощный толчок для развития естествознания. Так, в феврале 1896 года, воодушевленный открытием Рентгена, Анри Беккерель открыл естественную радиоактивность. Но это уже другая история.

Рентген активно и бескорыстно способствовал распространению своего открытия, отказавшись от любых возможностей извлечь из него прибыль. Хотя разные фирмы, почуяв огромный доход от аппарата, просвечивающего человека насквозь, делали учёному очень выгодные предложения. Широкий интерес публики вместе с усилиями самого Рентгена, создавшего удобную для генерации рентгеновских лучей трубку с катодом из вогнутого алюминиевого зеркала, способствовал быстрому прогрессу рентгенотехники, её применению в медицине и промышленности.

Слава Рентгена росла со скоростью снежной лавины, что ему, человеку скромному, очень не нравилось.

В 1901 году Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии в области физики. Премию ему вручили в Стокгольме, в большом зале Музыкальной академии, в присутствии наследного принца Швеции. После вручения награды скромный Рентген отказался от речи, а премиальные деньги передал Вюрцбургскому университету. Когда баварский принц наградил его высшей наградой Баварии, которая давала право на дворянство, Рентген не стал претендовать на титул и приставку «фон».

– Не думаю, что дворянство сделало бы Рентгена более уважаемым человеком, – сказал Андрей.

Джерри кивнул:

– Именем Рентгена назвали единицу дозы облучения – рентген, а рентгеновские лучи, которые используют миллиарды землян, являются лучшим памятником автору этого замечательного открытия. Рентген расширил электромагнитный спектр в коротковолновую сторону от видимого света – аналогично тому, что Герц сделал с длинноволновой частью спектра. Общеизвестный спектр электромагнитных колебаний, который тогда состоял из видимого света, обрамлённого по краям инфракрасным излучением и ультрафиолетом, распахнулся в обе стороны в тысячи раз, открыв для исследователей новые способы изучения и земных материалов, и космических объектов. Сейчас существуют спутники, которые видят небо в рентгеновских лучах, и вид «рентгеновского» неба поражает своей красотой и информативностью.

– Значит, даже когда исследователи таинственных излучений не думали о космических исследованиях, они всё равно являлись космическими сыщиками? – спросила Галатея.

– Конечно, без их работ современные космические исследования были бы просто невозможны.

Примечания для любопытных

Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) – немецко-голландский физик, открывший в конце 1895 года рентгеновские лучи. Первый лауреат Нобелевской премии по физике (1901). Научный руководитель Абрама Федоровича Иоффе (1880–1960), российского учёного, ставшего «отцом» советской физики.

Рентгеновские лучи – электромагнитное излучение с длиной волны от 0,005 до 10 нанометров – более короткой, чем у ультрафиолетового излучения (10-380 нанометров) и видимого света (380–780 нанометров). Нанометр – это 10^9 метра, или одна миллионная часть миллиметра.

Август Кундт (1839–1894) – известный немецкий физик, научный руководитель Вильгельма Рентгена и выдающегося российского физика Петра Лебедева (1866–1912).

Страсбургский университет – французский университет, расположен в Страсбурге и основан в 1538 году.

Гиссенский университет – старейший университет города Гиссена немецкого княжества Гиссен-Дармштадт, основанный в 1607 году.

Вюрцбургский университет – один из старейших немецких университетов, расположен в Вюрцбурге. Основан в 1402 году (первое основание) и 1582-м (повторное основание).

Мюнхенский университет – один из старейших университетов Германии, основанный в 1472 году.

Иоганн Вильгельм Гитторф (1824–1914) – немецкий физик и химик. Для своих исследований разработал специальную разрядную трубку – трубку Гитторфа. Первым в 1868–1869 годах открыл катодные лучи и сравнил их с электрическим током, но его работы остались малоизвестными. Через 10 лет Крукс повторил открытие Гитторфа и более подробно изучил свойства катодных лучей.

Томас Бовери (1862–1915) – немецкий биолог, друг Вильгельма Рентгена. В 1904 году обосновал хромосомную теорию наследственности.

Альберт фон Кёлликер (1817–1905) – известный немецкий анатом и физиолог.

Сказка о таинственном излучении Сен-Виктора и Беккереля

Уран – распространённый химический элемент: в земной коре его в 40 раз больше, чем серебра, и в 500 раз – чем золота. Уран можно найти практически везде – в минералах и почве, в воде рек и океанов.

Золотистая окись урана, находимая в рудниках и по берегам рек, использовалась как краска для узоров на глиняных вазах ещё две тысячи лет назад. Впоследствии минералы, содержащие уран, стали добавлять в расплав при варке цветного стекла. Оказалось, что урановое стекло красиво светится при воздействии ультрафиолетового излучения, и с конца XIX века начался настоящий бум в производстве праздничной посуды из стекла с примесью урана. Забегая вперед, отметим, что, когда в 1940-х годах стало известно военное применение урана, власти США конфисковали все его запасы, в том числе тарелки и вазы из уранового стекла, хранившиеся на складах. В 1950-х годах производство светящейся урановой посуды возобновилось и было окончательно прекращено только в 1972 году, когда опасность радиоактивного облучения стала всем очевидна.

Впервые чистый уран – тяжёлый металл стального цвета – получил французский химик Пелиго в 1840 году. В XIX веке уран и его соединения привлекли внимание многих исследователей. В 1804-м немецкий химик Гелен заметил, что раствор хлорида урана на свету быстро меняет ярко-жёлтый цвет на зелёный. Этот факт решил использовать химик-экспериментатор Сен-Виктор, который в середине XIX века искал способ получить цветные фотографии с помощью светочувствительных солей металлов. В 1857 году он обнаружил, что его фотопластинки засвечиваются солями урана. Химик задумался: возможно, за этот эффект отвечает фосфоресценция или флуоресценция?

– Это что за зверьки? – не выдержала Галатея напора незнакомых терминов.

Дзинтара пояснила:

– Так называют нетепловое свечение вещества. Флуоресценцией называют свечение, например, кристаллов платиноцианистого бария, облучённых рентгеновскими лучами, или уранового стекла под воздействием ультрафиолета. Некоторые предметы, занесённые с яркого света в темноту, светятся довольно долго – этот эффект называется фосфоресценцией. При исчезновении внешнего фактора флуоресценция прекращается за долю секунды; в случае фосфоресценции свечение длится до нескольких часов или дней.

Андрей сказал:

– У меня где-то есть фосфоресцирующие кубики: если подержать их на ярком солнце, они в темноте светятся зелёным из угла моей комнаты. Постепенно свечение слабеет, и к утру их почти не видно.

Дзинтара согласилась:

– Да, эффект ослабления свечения типичен для фосфоресцирующих веществ. Но Сен-Виктор обнаружил, что его пластинки засвечиваются даже образцами солей урана, которые полгода провели в темноте, то есть они никак не могли фосфоресцировать. В 1861 году учёный решил, что соли урана дают «радиацию, невидимую нашему глазу». Мишель Шеврель, видный учёный и руководитель Сен-Виктора, высоко оценил его работу, назвав её «фундаментальным открытием». В 1868 году французский физик Эдмонд Беккерель опубликовал книгу «Свет», где описал опыты Сен-Виктора с солями урана и фотопластинками.

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

Дзинтара вздохнула:

– И да и нет. Открытие делает не только учёный, но и всё общество. Мало открыть дверь в неизвестное, нужно, чтобы кто-нибудь согласился туда войти. Если учёный открыл что-то непривычное, значительно опережающее существующий уровень знаний, его открытие может не получить отклика у других учёных, не станет работать на развитие науки. Такое открытие «молчит» – так было с гелиоцентрической системой Аристарха Самосского, генетической работой Менделя и космогоническими идеями Канта. Через десятки, сотни, а то и тысячи лет «молчащее» открытие повторно открывают другие учёные, и оно начинает влиять на прогресс общества, встраиваться в общее здание науки. Чтобы открытие «прозвучало», цивилизация должно быть к нему готова. В середине XIX века природа света оставалась непонятной и тем более ничего не было известно о строении атома и существовании невидимых излучений. В подобных условиях работа Сен-Виктора оказалась почти незамеченной.

– Невидимой! – подала голос Галатея.

– За вторую половину XIX века произошли серьёзные изменения: в 1865 году Максвелл доказал электромагнитную природу света, в 1886-м Герц обнаружил невидимое радиоизлучение, в эти же годы активно исследовались катодные лучи, а в конце 1895 года Рентген открыл невидимые Х-лучи. Всё это качественно изменило отношение учёных к возможности открытия новых невидимых излучений.

Эдмону Беккерелю в его опытах со светом активно помогал сын Антуан, которому на момент публикации книги «Свет» было 14 лет. Впоследствии он сам стал учёным, занимался вопросами фотографии и люминесценции солей урана.

Династия Беккерелей дала миру четыре поколения учёных. Антуан Беккерель стал в семье третьим главой кафедры физики в Национальном музее естественной истории Франции. Как только он узнал об открытии рентгеновских лучей, то подумал, что они могут испускаться при фосфоресценции тел, которой он сам занимался. Учёный полагал, что, полежав на ярком солнечном свете, вещество может испускать не только обычный свет, но и Х-лучи.

Антуан Беккерель был неправ, зато среди образцов фосфоресцирующих веществ у него были соли урана (сульфат уранила-дикалия). Однажды Антуан запланировал исследование на ярком солнечном свете, но из-за туч, закрывших небо, отложил эксперимент. Фотопластинки, завёрнутые в плотную чёрную бумагу, он положил в стол вместе с образцами солей урана.

На следующий день учёный обнаружил, что лежавшая в столе фотопластинка оказалась засвеченной, несмотря на то что была завёрнута в плотную чёрную бумагу. Существенной разницей по сравнению с опытами Сен-Виктора являлось то, что фотопластинки засвечивались сквозь плотную чёрную бумагу, которая задержала бы любое видимое излучение. Дальнейшие опыты Беккереля показали, что излучение не зависит от температуры и вызывает ионизацию воздуха, как и лучи Рентгена.

Антуан Беккерель правильно установил причину засветки – невидимое излучение от урана. В то время уже можно было достать металлический уран. Беккерель сравнил его радиоактивность с излучением от солей урана и выяснил, что чистый металл даёт в три с половиной раза более сильное излучение, нежели его соль, которая содержала и другие химические элементы. Значит, именно уран отвечает за засветку фотопластинок!

В своих статьях Антуан Беккерель сослался на работы Ленарда, ученика Герца, и Рентгена, в которых тоже исследовались невидимые излучения. Работа Беккереля считается классическим примером случайного открытия, которое было сделано хорошо подготовленным к этому учёным.

– Если он читал книгу своего отца, Эдмона Беккереля, то, конечно, он был хорошо подготовлен, – отметил Андрей.

Дзинтара продолжила:

– Общество восприняло открытие радиоактивности не только благодаря работам Герца, Ленарда и Рентгена, но и с помощью открытия Пьера и Марии Кюри, которые изучили радиоактивность тория и нашли новые радиоактивные химические элементы. О научных достижениях супругов Кюри мы поговорим в следующий раз.

Излучение, которое исследовал Беккерель, какое-то время называли «лучами Беккереля». За открытие радиоактивности в 1903 году Беккерель получил Нобелевскую премию по физике, разделив её с Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри. Он стал знаменит, его выбрали академиком Французской академии науки, а потом – даже её секретарём. Именем Беккереля названа единица радиоактивности – беккерель, лунный кратер и кратер на Марсе.

Примечания для любопытных

Уран – химический элемент с обозначением U и атомным номером 92 (равным числу протонов в ядре) в Периодической таблице Менделеева. Тяжёлый металл стального цвета. Радиоактивен.

Торий – химический элемент с обозначением Th и номером 90 в Периодической таблице Менделеева. Серый мягкий металл. Слабо радиоактивен.

Эжен Пелиго (1811–1890) – французский химик, получивший в 1840 году металлический уран.

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

Абель Ньепс Сен-Виктор (1805–1870) – французский исследователь, разрабатывавший метод цветной фотографии и открывший, что невидимое излучение солей урана засвечивает фотопластинку.

Мишель Шеврель (1786–1889) – французский естествоиспытатель, исследователь жирных кислот и процесса мыловарения. Прожил 102 года и в конце жизни изучал на себе процесс старения организма, внеся вклад в науку геронтологию.

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, но с гораздо более длительным периодом затухания свечения – от секунд и дольше.

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

Грегор Мендель (1822–1884) – великий ботаник, основоположник учения о наследственности. Жил и работал в австрийском городе Брюнне (ныне – чешский город Брно).

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

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

Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии

Философский камень – так в Средневековье называли гипотетическое вещество, которое превращало свинец в золото. Ему приписывали и многие другие волшебные свойства, но умение трансформировать дешёвые металлы в драгоценное золото было самым привлекательным. Поэтому аристократы того времени часто финансировали работы придворных алхимиков, обещавших изготовить философский камень и принести своему господину несметные богатства.

– Они их обманывали! – засмеялась Галатея.

– Это не исключено, но многие алхимики искренне верили в возможность создания такого вещества и тратили на его поиски всю жизнь. Нельзя сказать, что поиски были бесплодными: попутно алхимики сделали немало замечательных открытий, которые стали основой современной химии, но, увы, создать философский камень им не удалось. Способ преобразования химических элементов был открыт заметно позже и не оправдал надежд на получение дешёвого золота.

– Неужели всё-таки нашли способ превращать обычные металлы в золото? – удивилась Галатея.

– Да, но давайте я расскажу обо всём по порядку, – сказала Дзинтара. – Эта история началась, когда одна бедная польская гувернантка приехала в Париж, чтобы стать физиком.

– Мама! – воскликнула девочка. – Ты уверена, что рассказываешь по порядку? Я уже ничего не понимаю!

– Ага, – призадумалась Дзинтара. – Тогда начнём историю пораньше. В семье варшавского учителя гимназии росли сын и четверо дочерей. Девушки мечтали учиться в университете, но семья была небогата, и, кроме того, в Польше, которая в конце XIX века являлась провинцией Российской империи, возможностей для получения женщинами университетского образования практически не было.

– Ужасная несправедливость! – пробурчала Галатея, большая поборница справедливости и равенства.

Дзинтара отметила:

– Младшая сестра Мария закончила в Варшаве подпольные женские курсы, называвшиеся «Летучий университет».

– Подпольные? – переспросил Андрей. – То есть они учились, нарушая закон?

– Скорее, нарушая традиции. Дипломы таких курсов никто не признавал. Чтобы преодолеть нехватку средств на обучение, две сестры – Мария и Бронислава, которая была старше Марии на два года, заключили дружеское соглашение: получить образование по очереди, финансово поддерживая друг друга. Мария стала работать гувернанткой и помогала деньгами Брониславе, давая ей возможность получить среднее образование в Варшаве, а потом уехать в Париж, чтобы там учиться медицине. Получив профессию медика и выйдя в Париже замуж за польского врача-эмигранта, Бронислава, в свою очередь, пригласила сестру в столицу Франции, пообещав помочь деньгами.

В 1891 году Мария Склодовская, уже опытная гувернантка в возрасте 24 лет, приехала в Париж, чтобы поступить в знаменитый парижский университет – Сорбонну.

– Теперь стало гораздо понятнее! – облегчённо вздохнула Галатея.

– Паровоз, пыхтя белым паром, подкатил пассажирские вагоны к длинному перрону парижского вокзала. Мария вышла из вагона, и для неё началась совсем другая жизнь. Париж покорил молодую полячку – это был огромный город со знаменитыми театрами, дворцами и университетами. Она поступила в Сорбонну и поселилась неподалёку в маленькой холодной мансарде Латинского квартала – традиционном месте обитания столичных студентов. Из мансарды открывался прекрасный вид на крыши и заросли каминных труб квартала.

Мария всегда отличалась трудолюбием и прилежанием к учебе и в Сорбонне проявила эти качества во всей полноте. Пренебрегая едой и сном, она училась так интенсивно, что закончила Сорбонну одной из лучших, получив сразу два диплома – физика и математика. Успехи Марии были настолько впечатляющими, что её оставили в университете для самостоятельной научной работы. Мария Склодовская стала первой в истории Сорбонны женщиной-преподавателем.

– Раньше там преподавали только мужчины? – не поверила своим ушам Галатея.

– Да, в конце XIX века во Франции образованию женщин тоже уделялось мало внимания, – сказала Дзинтара. – В это время Мария познакомилась с Пьером Кюри, который заведовал лабораторией в Школе промышленной физики и химии. Они поженились и стали работать вместе.

Когда супруги Кюри узнали об опытах Беккереля, Мария выбрала радиоактивность темой для своей диссертации. Она решила проверить, насколько одинаковой радиоактивностью обладают образцы урана из разных месторождений. В то время уже было известно, что излучение урана вызывает ионизацию воздуха и увеличивает его проводимость, которую можно измерить с помощью простого электрического прибора – электроскопа, чей заряд убывал при радиоактивном облучении.

– Это проще, чем всё время проявлять фотопластинки! – отметил Андрей.

– Верно, это облегчало работу. Но её всё равно было очень много. Измерив ионизацию от разных образцов урановой руды, Мария Кюри убедилась, что руда, доставленная из чешского месторождения Йоахимсталь (ныне – Яхимов), в четыре раза активнее, чем образцы из других месторождений. Супруги Кюри предположили, что в этой руде, кроме урана, присутствует ещё какой-то активный элемент. В 1898 году они открыли его и назвали полонием в честь Польши – родины Марии. Через несколько месяцев супруги Кюри обнаружили в урановой руде ещё один радиоактивный элемент. Спектральные исследования показали, что это новый элемент, который назвали радием. С 1898 по 1902 год в плохо приспособленном сарае, расположенном на улице Ломон, супруги Кюри переработали восемь тонн урановой руды – и в итоге получили образец радия, который обладал такой радиоактивностью, что светился в темноте.

В это же время было открыто и биологическое воздействие радиации. Произошло это так: Анри Беккерель попросил у супругов Кюри образец радиоактивного вещества для своего публичного выступления. Пробирку с образцом он положил в кармашек жилета и вечером обнаружил, что на коже под карманом образовалось покраснение. Пьер Кюри решил повторить опыт на себе и привязал на несколько дней пробирку к предплечью. В результате на предплечье образовалась язва, которая не заживала два месяца. Супруги Кюри стали замечать, что в процессе работы с радиоактивными препаратами руки тоже покрывались язвочками. Их это не остановило, и они продолжили исследования.

Супруги Кюри не стали патентовать свои открытия, желая сделать их достоянием всего человечества. За свои открытия Мария и Пьер вместе с Беккерелем получили Нобелевскую премию в области физики 1903 года «за выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». На полученные деньги они купили необходимое оборудование для своей лаборатории и – наконец-то! – ванну для своей квартиры.

Когда Огюст Конт рассуждал о непостижимости химического состава звёзд, он, очевидно, полагал, что проблема изучения звёзд заключается в их невероятной удалённости. Работы Фраунгофера, Герца и Рентгена заложили основу для дистанционного химического анализа звёзд – по слабому свечению, улавливаемому на Земле. Но, как показали работы супругов Кюри, вещество звёзд можно потрогать и своими руками.

Известный физик Вайскопф так описал связь исследований супругов Кюри с космосом: «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 до нас из тех времен, когда земное вещество находилось в совсем иных условиях, внутри взрывающейся звезды. Естественные радиоактивные вещества являются последними свидетелями, последними ещё тлеющими угольками, оставшимися от тех полных событиями времён, когда образовывались химические элементы».

По мнению Вайскопфа, работы Марии Склодовской-Кюри открыли новый этап в развитии науки: «Она сама, её сотрудники и преемники исследовали космические процессы на Земле: они воспроизвели подобные процессы в земных условиях… 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 звезды элементарные частицы и ядра обычных, нерадиоактивных, элементов сталкивались с такой скоростью, что сливались, образуя все возможные тяжёлые химические элементы – включая уран, радий и другие химические элементы тяжелее железа. Эти элементы часто радиоактивны, потому что они отдают энергию, поглощённую в момент взрыва сверхновой.

– Значит, звёзды и оказались тем самым философским камнем, который искали алхимики? – спросил Андрей.

– По существу, ты прав: звёзды являются философским камнем, превращающим звёздное железо в земное золото, рассеянное в минералах и собранное в золотых жилах. Но я имела в виду нечто другое, то, о чём ещё не успела рассказать, – сказала Дзинтара.

– Так рассказывай же! – поторопила её Галатея.

– После получения Нобелевской премии Мария продолжила работу с радиоактивными элементами, к 1910 году выделив чистый металлический радий и доказав, что он является самостоятельным химическим элементом. В это время Марию Склодовскую-Кюри выдвинули кандидатом во Французскую академию наук. По этому поводу среди академиков разгорелись яростные споры.

– Почему? – удивилась Галатея. – Ведь она уже получила Нобелевскую премию!

– Французская академия наук была очень консервативной организацией, в неё никогда не избирались женщины.

– Ах, вот в чём дело, – протянула Галатея. – Но ведь когда-то надо начинать!

– К сожалению, кандидатура Марии Склодовской-Кюри была провалена на выборах в академию, не добрав всего пары голосов.

– Безобразие! – возмутилась Галатея. – Она была умнее многих этих академиков!

– Более того, в следующем, 1911, году Мария 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, дважды ставшей Нобелевским лауреатом.

– Тем самым она посадила в глубокую лужу своих противников, – с удовлетворением отметил Андрей.

– Академия сама себя посадила в лужу, не выбрав столь достойного учёного в свои ряды, – пожала плечами Дзинтара. – История супругов Кюри не заканчивается на Пьере и Марии. Старшая дочь Марии Кюри – Ирен – родилась за год до открытия радия и из-за активной научной работы матери выросла под присмотром дедушки-врача, Эжена Кюри. Ирен тоже закончила Сорбонну – с перерывом на несколько месяцев, когда помогала матери в работе над двадцатью фронтовыми рентгеновскими аппаратами, созданными Марией Склодовской-Кюри. Шла Первая мировая война, и эти мобильные установки оказывали хирургам огромную помощь в поиске шрапнели и осколков у раненых бойцов, спасли много жизней. Однако они были небезопасны: работая с рентгеновскими установками, а также изготавливая лечебные радиоактивные препараты, Мария и Ирен получили значительные дозы радиации, которые впоследствии вызвали у них лейкемию.

– Они были героинями, спасали раненых и сражались с врагами! – выпалила Галатея.

– Позже Ирен стала работать ассистентом в Радиевом институте. Здесь она познакомилась с другим ассистентом – Фредериком Жолио. Они поженились в 1926 году и начали работать вместе, выступая в науке и жизни как супруги Жолио-Кюри. Двойную фамилию носили оба.

– Полное равноправие! – удовлетворенно отметила Галатея. – Я тоже… – и она замолчала, решив не делиться своими планами на будущее.

– Супруги Жолио-Кюри сделали немало интересных открытий, но самая выдающаяся их работа стала современным вариантом философского камня.

– Наконец-то мы добрались до сути! – хлопнула в ладоши Галатея.

– К этому времени учёные 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 Вильсон заметил, что в перенасыщенном водяном паре вокруг ионов образуются капельки воды – проще говоря, туман, который видим обычному глазу. На основе этого эффекта учёный сконструировал прибор, названный «камерой Вильсона». Он был настолько ценен, что в 1927 году Вильсон (вместе с Комптоном) получил за него Нобелевскую премию по физике: камера позволяла видеть движение отдельных элементарных частиц!

– Ух ты! – воскликнула Галатея.

– Элементарная частица влетала в камеру Вильсона, наполненную перенасыщенным водяным паром, и вызывала ионизацию молекул вдоль траектории своего движения – до тех пор, пока не расходовала всю энергию и не останавливалась. Расположенные вдоль траектории ионы начинали собирать на себе капельки воды, и в результате в камере появлялась туманная линия. Если камеру Вильсона помещали в магнитное поле, траектория иона загибалась, а то и закручивалась в спираль. Направление изгиба говорило о знаке заряда частицы, а кривизна траектории – о скорости и отношении её заряда к массе.

Таким образом, камера Вильсона позволяла увидеть траектории движения отдельных элементарных частиц. И хотя сами они, конечно, оставались невидимыми, камеру Вильсона назвали «открытым окном в атомный мир».

– Хочу посмотреть в камеру Вильсона! – заявила Галатея.

– Фредерик Жолио-Кюри разработал усовершенствованную и очень чувствительную камеру Вильсона, что позволило провести тонкие опыты с использованием мощного источника излучения, сделанного из полония. В одном из опытов, когда супруги Жолио-Кюри облучали алюминиевую фольгу альфа-частицами или ядрами гелия, они обнаружили интересный эффект: после облучения обычный алюминий становился радиоактивным. Анализ показал, что, присоединив к себе альфа-частицу, алюминий превратился в радиоактивный фосфор. Так был открыт «философский камень», или способ превращения одних элементов в другие, то есть метод создания искусственных элементов.

– Так можно создавать и золото? – спросила Галатея.

– Да, но это слишком дорогой способ, чтобы с его помощью можно было набить карманы. Однако для науки, в том числе для медицины, метод превращения одних элементов в другие оказался бесценным. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри создали много искусственных изотопов – радиоактивных разновидностей стабильных химических элементов и в 1935 году получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов».

Ирен, будучи девочкой, присутствовала на вручении Нобелевской премии её матери, а потом и сама стала лауреатом.

– Значит, бедная гувернантка, приехав в Париж, через 12 лет получила одну премию, а через 20 лет – другую. А потом и её дочь получила Нобелевскую премию. Редкая удача! – сказал Андрей.

– Не удача, а трудолюбие и талант. Мария Склодовская-Кюри и её дочь Ирен Жолио-Кюри были пионерами атомного века, первыми открыли дверь в неизведанное и на себе испытали все сопряженные с этим опасности. Их работа принесла не только важные открытия, но и бесценный опыт работы с опасными веществами, позволивший следующим поколениям учёных-атомщиков работать, не подвергая своё здоровье смертельной опасности.

В честь супругов Кюри назвали радиоактивный химический элемент «кюрий» и единицу радиоактивности, Университет Пьера и Марии Кюри, научно-исследовательский Институт Кюри и станцию парижского метро (7-я (розовая) линия, «Pierre et Marie Curie»). Мария Склодовская-Кюри стала символом, вдохновляющим женщин всего мира на научную работу и борьбу за равноправие.

Примечания для любопытных

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

Философский камень – гипотетическое вещество, которое должно было превращать обычные металлы в золото.

Пьер Кюри (1859–1906) – известный физик, вместе с женой Марией Склодовской-Кюри получивший 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 (1903), вместе с мужем Пьером, и по химии (1911). Умерла от лейкемии.

Полоний – химический элемент с обозначением Po и номером 84 в Периодической таблице Менделеева. Мягкий металл серебристого цвета, активнее урана. Открыт супругами Кюри.

Радий – химический элемент с обозначением Ra и атомным номером 88. Блестящий серебристо-белый металл, активнее урана. Открыт супругами Кюри. В начале XX века радий был самым дорогим металлом: цена одного грамма радия равнялась стоимости 200 кг золота.

Виктор Вайскопф (1908–2002) – известный физик-теоретик. Родился в Австрии, работал с Бором в Дании, участвовал в американском «Проекте Манхэттен» по созданию атомной бомбы.

Ирен Жолио-Кюри (1897–1956) – известный физик, дочь Марии Склодовской-Кюри. Вместе с мужем Фредериком Жолио-Кюри получила Нобелевскую премию по физике (1935). Умерла от лейкемии.

Фредерик Жолио-Кюри (1900–1958) – известный физик. Лауреат Нобелевской премии по физике (1935), вместе с женой Ирен.

Изотопы – разновидности химического элемента, одинаковые по заряду ядра (количеству протонов в нём), но отличные по массе (количеству нейтронов в ядре). Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, близки по химическим свойствам и занимают одно и то же место в Периодической системе Менделеева. Термин предложен Ф. Содди в 1910 году: от греческого isos – одинаковый и topos – место. Изотопы кардинально отличаются по радиоактивности ядер: стабильный изотоп имеет определённое соотношение протонов и нейтронов в ядре, а нестабильный изотоп того же химического элемента имеет меньше или больше нейтронов.

Чарльз Вильсон (1869–1959) – известный шотландский физик, создавший камеру Вильсона для наблюдения траекторий движения элементарных частиц. Выходец из крестьянской семьи. Лауреат Нобелевской премии по физике (1927) «за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара».

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

Сказка о Планке, который в свете электролампы нашёл свою кривую и свою постоянную

Однажды в кабинет Филиппа фон Жолли, профессора Мюнхенского университета, аккуратно постучавшись, вошёл аккуратный молодой человек:

– Я недавно поступил в этот университет и хочу заниматься теоретической физикой.

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

Шёл 1874 год, и профессора можно было понять: теоретическая физика в то время достигла практически безукоризненного совершенства, прочно базируясь на механике Ньютона, электродинамике Максвелла, а также термодинамике.

Молодой человек скромно ответил:

– Я не собираюсь делать открытия, я просто хотел бы понять уже достигнутое в области теории.

– Ну что ж, я не буду вас больше отговаривать, можете посещать мои лекции. Как вас зовут?

– Макс Планк.

Молодой человек был выходцем из старинного дворянского рода, давшего Германии многих военных, юристов и учёных. Его семья жила в Мюнхене, а отец Планка занимал профессорскую должность в университете. В те времена в Германии лишь принцам да баронам оказывалось большее уважение, чем профессорам. Их семьи жили под сенью этого почёта. Стоило супруге профессора, которую уважительно называли «фрау профессор», зайти в магазин, как приказчик оставлял других посетителей и уделял ей всё своё внимание. Женщины из высшего общества Мюнхена часто встречались в кафе – посудачить и полакомиться сластями. Когда фрау профессор входила, дама во главе стола немедленно уступала ей место, даже если была гораздо старше её.

– Видимо, это объясняет, почему тогдашняя Германия обладала самой передовой наукой в мире, – мудро изрёк Андрей.

Дзинтара согласно кивнула.

– Ещё в школе Макс полюбил физику. Однажды учитель сказал: «Представьте себе рабочего, который поднимает тяжёлый кирпич на верх строящегося дома. Затраченная им энергия не пропадает. Возможно, однажды, спустя много лет, кирпич расшатается и упадёт вниз на голову случайного прохожего».

Макс Планк был потрясен такой иллюстрацией закона сохранения энергии. Это потрясение выросло в глубокую заинтересованность теоретической физикой.

В университете Планк подготовил диссертацию по термодинамике. После университета у него не было постоянной работы, но это не могло удержать его от занятий наукой. Он читал статьи видных физиков Гельмгольца и Кирхгофа, самостоятельно занимался наукой и писал статьи. Благодаря этому Гельмгольц заметил талантливого молодого учёного, и Планк стал быстро продвигаться по карьерной лестнице, в 30 с небольшим лет став профессором теоретической физики в Берлинском университете.

Молодой профессор Планк не был похож на обычных маститых профессоров с бакенбардами и бородами. Однажды, вскоре после приезда в Берлинский университет, он забыл, в какой аудитории должен читать лекцию. Планк зашёл в канцелярию и обратился к пожилому человеку, ведавшему канцелярией:

– Скажите, пожалуйста, в какой аудитории профессор Планк сегодня читает лекцию?

Старик похлопал его по плечу и сказал:

– Не ходите туда, юноша. Вы ещё слишком молоды, чтобы понимать лекции нашего мудрого профессора Планка.

В это время электрическая компания попросила профессора Планка выяснить, как при минимальных затратах энергии достичь максимальной светимости электрической лампочки. Планк откликнулся на просьбу и начал работу, из которой выросла новая эпоха в науке.

Давно было ясно, что от температуры тела (например, раскалённой проволочки в электролампе) зависит интенсивность его свечения, а также цвет излучения (или длина его волны).

– Верно! – закричала Галатея. – Свечка горит жёлтым, а пламя очень горячей электросварки – синее.

– Для массового производства электроламп важен точный ответ, который позволит миллионам лампочек, горящих по всему миру, быть максимально яркими. Профессор Планк взялся за проблему определения спектра свечения раскалённых тел и за изучение вопроса, как этот спектр зависит от температуры. К тому времени были известны два закона для свечения тел как функции длины волны. Один – эмпирический закон физика Вина – хорошо описывал зависимость длины волны, на которую приходится максимум свечения, от температуры тела, а также яркость свечения в области коротких волн. Однако в длинноволновой части закон Вина сильно отличался от экспериментальных данных. Другой закон – теоретический закон Рэлея-Джинса – наоборот, совпадал с экспериментальными данными для длинных волн, но в области коротких волн безнадёжно врал, утверждая, что основная энергия излучения будет содержаться в самых коротких волнах.

Для начала Планк решил получить формулу, которая хорошо соответствовала бы наблюдаемой зависимости свечения от длины волны, не заботясь о её теоретическом основании. Может, физик-теоретик Планк пошёл по пути получения эмпирической формулы именно потому, что свечение ламп было практическим вопросом: производителей лампочек не интересовала теория – им требовалась работающая в реальности формула.

Планку удалось вывести математический закон, который давал правильные, совпадающие с экспериментом выражения для излучения лампы, как в длинных, так и в коротких длинах волн. Он рассказал об этой формуле на заседании Германского физического общества 19 октября 1900 года. На докладе присутствовал физик Генрих Рубенс, который проводил опыты с чёрным телом. Когда лекция закончилась, Рубенс отправился в свою лабораторию и большую часть ночи провёл за сравнением формулы Планка и экспериментальных данных. Формула работала прекрасно, о чём Рубенс утром сообщил профессору.

Планк был очень доволен. Оставалось понять, является ли полученная формула математическим трюком, не имеющим глубокого обоснования, или её можно вывести из первых принципов физики. Планк начал искать обоснование своему закону, опираясь на работы знаменитого Больцмана, который глубже всех современников понял термодинамику. После долгих усилий учёный выяснил, что его формула не получается из обычных принципов, зато прекрасно выводится, если предположить, что элементарный осциллятор может испускать волны только порциями, пропорциональными частоте волны v.

– Что такое осциллятор и почему он такой непонятный, хотя и элементарный? – озадаченно спросила Галатея.

– Герц открыл, что контур, в котором туда и обратно двигается поток электронов, излучает радиоволны. Если упростить контур Герца до предела, мы получим элементарный, то есть самый простой из всех возможных, осциллятор – электрический заряд или электрон, колеблющийся под воздействием какой-то внешней силы. Термин «осциллятор» произошёл от латинского слова oscillo – «качаюсь» и означает любую систему, которая совершает колебания, периодически повторяя во времени своё положение. Например, электрически заряженный и качающийся маятник часов будет неплохим примером такого осциллятора. Условие, которое Планк был вынужден положить в основу своей формулы, утверждало, что осциллятор не может испускать волны как захочет, а должен испускать энергию лишь отдельными порциями, квантами. Планк записал энергию такой порции в виде:

E = hv,

где h – постоянная, которую впоследствии стали называть постоянной Планка.

Это было очень странное условие, которое не следовало из обычных законов.

– В чём его странность? – заёрзала Галатея.

– Качающиеся или осциллирующие заряженные тела или частицы всегда испускают электромагнитные волны. Теория Максвелла не накладывала ограничений на такое излучение, а Планку пришлось «приказать» осцилляторам испускать энергию только порциями, и никак иначе.

Планк опубликовал свою теорию в 1900 году, но ни он сам, ни его коллеги не спешили признавать реальность странного условия. Усилиями Эйнштейна и других учёных теория световых квантов стала завоёвывать своё место в физике, но этот процесс был очень неспешным.

Всё изменилось в 1913 году, вскоре после того как молодой датчанин приехал в английский город Манчестер, чтобы поработать в лаборатории новозеландца Резерфорда. Он доказал, что кванты являются главным фундаментом строения материи, и с этого момента началась новая эпоха в науке. Об этом я расскажу в следующей сказке…

Главное, что аккуратный Макс Планк, который не собирался делать никаких открытий в физике, совершил открытие, полностью изменившее современную физику.

– Профессор Жолли был бы в ужасе! – засмеялся Андрей.

– Да, он не мог ожидать, что молодой человек, однажды постучавший в дверь его кабинета, полностью изменит здание мировой теоретической физики, которое было таким красивым и казалось профессору Жолли почти завершённым.

В 1918 году Планк получил за свои работы Нобелевскую премию. В настоящее время десятки научных учреждений Германии, которые занимаются фундаментальной наукой, объединены в Общество имени Макса Планка – как научные институты Германии, специализирующиеся на оптике и прикладных исследованиях, объединились в Общество Фраунгофера. Высшей наградой Германии за занятия теоретической физикой является медаль Макса Планка. Самое впечатляющее свидетельство его вклада в мировую науку – то, что среди пяти мировых фундаментальных констант: скорости света, заряда и массы электрона, гравитационной постоянной и постоянной Планка – лишь одна носит имя своего открывателя. Такая честь несопоставима даже с Нобелевской премией.

– Мама, – осторожно спросила Галатея, – а есть ещё какая-нибудь неизвестная и… неназванная мировая константа?

Дзинтара улыбнулась:

– Думаю, что есть. Но о существовании такой константы первым узнает тот, кто её откроет.

Галатея облегчённо вздохнула и заулыбалась.

Примечания для любопытных

Филипп фон Жолли (1809–1884) – физик-теоретик, профессор Мюнхенского университета. Его лекции слушал Макс Планк.

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

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

Генрих Рубенс (1865–1922) – известный немецкий физик-экспериментатор, активно исследовавший тепловое излучение.

Лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) (1842–1919) – знаменитый британский физик. Открыл рассеяние Рэлея, ответственное за голубой цвет неба. Лауреат Нобелевской премии по физике (1904).

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

Людвиг Больцман (1844–1906) – знаменитый австрийский физик, математик и философ, собиравший на свои лекции толпы народа. Развил статистическую механику атомов и молекул, которая легла в основу современной термодинамики и кинетической теории. Уравнение Больцмана – одно из самых известных уравнений статистической механики.

Сказка о Резерфорде, придумавшем космическую модель атома

Дзинтара открыла книгу и прочитала:

– «История атомной физики сложилась бы иначе, не будь в Шотландии так мало пахотных земель».

– Ты уверена, что в этой фразе нет ошибки? – осторожно спросила Галатея. – Может, здесь случайно склеились две фразы из разных историй?

– Сейчас увидим, – сказала озадаченно Дзинтара и продолжила чтение:

– «Из-за нехватки сельскохозяйственной земли в Шотландии британское правительство стало раздавать безземельным фермерам бесплатные билеты на пароходы, плывущие в отдалённые и малонаселённые английские колонии, где бедняки могли получить собственный участок земли. Шотландскому семейству Резерфордов достался бесплатный билет не в Канаду, как многим другим, более удачливым фермерам, а в более далёкую Новую Зеландию, где глава семейства стал выращивать лён. В семье было 12 детей, из которых четвёртый – Эрнст Резерфорд обладал прекрасной памятью, богатырской силой и здоровьем. Ещё он отличался от своей фермерской семьи, жившей на окраине мира, тем, что увлёкся наукой и захотел вернуться в Англию, где фермерам приходилось туго из-за тесноты, а учёным было полное раздолье.

Сильное желание – главный источник успехов человека. Эрнст прекрасно закончил школу и получил стипендию для обучения в лучшем колледже Новой Зеландии. В те времена там учились всего 150 студентов и преподавали семь профессоров, а сейчас этот колледж стал Новозеландским университетом.

В 21 год Эрнст закончил колледж, защитив магистерскую работу по радиоволнам, несколькими годами ранее открытым Герцем. Для их регистрации новозеландский магистр придумал радиоприёмник нового типа, основанный на намагничивании железа при высокочастотном разряде. Однако мечта об Англии по-прежнему оставалась мечтой. Что делать дальше?»

– Да, что дальше? – нетерпеливо спросила Галатея.

– Эрнст подал заявку на стипендию, позволявшую учиться в Англии. Но такая стипендия была всего одна на Новую Зеландию и выдавалась раз в два года. Резерфорд работал учителем в средней школе и с нетерпением ждал решения по своей заявке. К сожалению, стипендию выиграл другой человек.

– Эх! – расстроилась Галатея, болевшая за новозеландского фермера, увлечённого наукой.

– Но случилось неожиданное – выигравший отказался от стипендии и остался в Новой Зеландии. Вместо него в Англию поехал счастливый Резерфорд.

– Мечта сбылась! – засмеялась Галатея.

– Резерфорд прибыл в Кембриджский университет и приступил к работе в Кавендишской лаборатории, став аспирантом знаменитого Дж. Дж. Томсона.

– Чем же он был знаменит? – поинтересовался Андрей.

– Томсон был директором прославленной Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и активно исследовал катодные лучи. Учёный доказал, что независимо от материала катода они состоят из одинаковых частиц с одним и тем же соотношением заряда к массе. Это отношение Томсон измерил по отклонению траекторий частиц в электрическом и магнитном полях и стал открывателем электронов – мелких заряженных частиц материи. В 1906 году он получит за это открытие Нобелевскую премию. Ленард, который тоже исследовал катодные лучи и был близок к доказательству того, что они состоят из частиц, упустил право называться открывателем электронов – и очень обиделся.

– Он и с рентгеновскими лучами опоздал! – удивился Андрей.

– Да, Ленарду хронически не везло. Хотя за исследование катодных лучей он получил Нобелевскую премию 1905 года, самые яркие открытия, связанные с этими лучами, уплыли из его рук.

Томсон не только открыл электроны, но и предположил, что они входят в состав вещества, то есть являются частичками атома. Раньше учёные рассматривали атомы как нечто целое и неделимое – Томсон первый попытался создать более детальную модель атома, которая должна была включать отдельные частицы – электроны. Но электроны, заряженные отрицательно, отталкиваются друг от друга. Значит, их взаимное отталкивание должно компенсироваться присутствием материи с положительным зарядом, чтобы атом в целом получился нейтральным. И Томсон выдвинул следующую гипотезу: атом – это массивное облако положительно заряженной материи, в котором, как изюм в пудинге, находятся лёгкие отрицательные электроны. Эту модель так и стали называть: «пудинговая модель атома».

– Звучит аппетитно! – одобрила Галатея.

– Таково было состояние дел в атомной физике и в Англии, когда туда прибыл крепкий новозеландский парень, сын фермера Эрнст Резерфорд. Приборов в лаборатории Томсона не хватало, учёные шутили: «В Кавендише, готовя эксперимент, надо было левой рукой собирать прибор, а правой держать обнажённый меч».

Уже в своих первых работах Резерфорд сделал важное открытие – обнаружил новый тип лучей. В 1898 году, используя естественный источник радиоактивного излучения, он показал, что в нём присутствует два вида частиц: положительно заряженные массивные альфа-частицы и отрицательно заряженные лёгкие бета-частицы, которые по-разному реагировали на магнитное поле, отклоняясь в разных направлениях.

– Что это за частицы? – спросила Галатея.

– Бета-частицы оказались электронами, которые открыл Томсон. Альфа-частицы были ядрами гелия, которые в тысячи раз тяжелее электрона. Через год физик Поль Виллар показал, что есть ещё и нейтрально заряженные частицы, которые не отклоняются в магнитном поле, – их назвали гамма-лучами. Эти гамма-лучи были электромагнитным излучением, только ещё более коротковолновым, чем рентгеновские лучи.

Работа молодого Резерфорда была очень успешной, но попасть в круг английских профессоров ему не удалось: осенью 1898 года ему предложили занять место профессора в канадском университете в Монреале.

– Он был вынужден снова уехать из Англии? – расстроилась Галатея.

– Да. Но Резерфорд доказал, что работать на мировом уровне можно даже в провинциальном университете. В Канаде он познакомился с младшим лаборантом Содди.

– Младший лаборант – это на одну ступеньку выше дворника? – спросил Андрей.

Дзинтара улыбнулась:

– За пять лет совместной работы, к 1903 году, Резерфорд и Содди создали теорию радиоактивного распада – так называемое правило Резерфорда-Содди. Тогда царило мнение о неделимости и неизменности атомов. Молодые исследователи опровергли это мнение, утверждая: «В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества».

Одно из открытий Резерфорда началось с того, что сквозняк менял показания прибора. Один из сотрудников измерял радиоактивность тория с помощью электроскопа. Оказалось, что результаты эксперимента зависят от того, открыта или закрыта дверь в лабораторию.

– Какая-то мистика! – воскликнул Андрей. – Радиоактивность – явление на уровне атомного ядра, повлиять на него можно только с помощью… ну, например, атомного реактора. Сквозняк и радиоактивность никак не связаны!

– Не совсем так. Резерфорд начал исследовать «явление сквозняка» и догадался, что радиоактивный торий испускает газ – торон, тоже радиоактивный. Сдувая этот газ, сквозняк менял показания прибора! В науке не бывает мелочей, учитывать надо всё, вплоть до случайного ветерка. Позже выяснилось, что торон является одним из изотопов радиоактивного инертного газа радона.

После этих открытий, уже через несколько лет, в 1910 году, младший лаборант Содди стал академиком, или членом Королевского общества, а потом – нобелевским лауреатом.

– Вот как помогла ему дружба с сыном новозеландского фермера! – засмеялась Галатея.

– Эрнст Резерфорд тоже приобрел широкую известность и был выбран академиком в 1903 году. После восьми с лишним лет работы учёный покинул Канаду и триумфально вернулся в Англию. Весной 1907 года он начал работать профессором в Манчестерском университете, получая в два с половиной раза больше, чем в канадском университете. В следующем, 1908, году ему присудили Нобелевскую премию «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Узнав о премии, которую присудили почему-то по химии, а не по физике, Резерфорд произнёс ехидную крылатую фразу: «Вся наука – или физика, или коллекционирование марок».

В Манчестерском университете Резерфорд создал новую лабораторию, которая затмила своими результатами Кавендишскую. Кто-то сказал профессору:

– Вы – счастливый человек… Всегда на гребне волны!

– Да, но я сам и поднимаю эту волну, не так ли? – откликнулся самоуверенный Резерфорд.

Учёный из России, Пётр Капица, который работал в лаборатории Резерфорда, дал ему прозвище Крокодил. Капица так объяснял придуманное им прозвище: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперёд».

Свой главный научный результат Резерфорд получил уже после присуждения Нобелевской премии. По его предложению в 1908 году физики Гейгер и Марсден стали изучать процессы рассеяния альфа-частиц на тонкой золотой фольге и получили загадочный результат: примерно 10 000 альфа-частиц пролетали сквозь фольгу, слегка отклоняясь от своего пути, но одна из них отклонялась сильно – вплоть до того, что летела назад.

– А что здесь загадочного? – спросила Галатея.

– Согласно Томсону, атом представлял собой рыхлое, положительно заряженное облако с вкраплениями электронов. Облако должно быть размером с атом. Электроны, которые весили в семь тысяч раз меньше, чем альфа-частицы, никак не могли отклонить их назад. Ещё с меньшим успехом это могло сделать рыхлое облако с положительным зарядом. Эрнст Резерфорд писал про отражение назад альфа-частиц: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар».

– Что такое 15-дюймовый снаряд? – влезла Галатея с посторонним вопросом.

Андрей поднял глаза к потолку, вздохнул и сообщил:

– Это снаряд из пушки с диаметром дула почти в 40 сантиметров.

– Ого… – испуганно притихла Галатея.

Дзинтара невозмутимо продолжила:

– Томсона итоги эксперимента не обескуражили: он полагал, что большое количество мелких отклонений может, суммируясь, развернуть некоторые альфа-частицы. Но его мнение не было подкреплено расчётом и не удовлетворяло цепкого и упрямого Резерфорда-Крокодила.

В 1904 году японский физик Нагаока предложил другую планетарную модель атома: в её центре находилось массивное положительное ядро, а вокруг, как кольца Сатурна вокруг планеты, вращались электроны. Резерфорд долго размышлял над результатами Гейгера и Марсдена и в 1911 году предложил свою планетарную модель атома, в которой крошечное положительное ядро было в десять тысяч раз меньше самого атома, но, благодаря своей массе и сильному электрическому полю, оно могло развернуть быстро летящие альфа-частицы.

– Верно! – просиял Андрей. – Ведь чем меньше радиус, тем сильнее поле. Это правило действует и для чёрных дыр, и для атомных ядер! Только поля у них разные – гравитационное и электрическое.

– Молодец, Андрей! – в свою очередь просияла Дзинтара. – Ты быстро соображаешь!

Галатея недовольно покосилась на брата.

– Не перебивай!

– Ничего, – успокоила её Дзинтара, – интересно же по ходу сказки обсуждать самые важные моменты. Итак, Резерфорд предложил свою модель атома. С одной стороны, он был ею очень доволен: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» С другой – учёный рассматривал её как… рабочую модель, которая помогает объяснить интересные эксперименты, но которой далеко до настоящей теории. Однако среди учеников Резерфорда был человек, принявший всерьёз модель атома, созданную учителем.

– Кто это? – заинтересовалась Галатея.

– Это уже новая история, которую вы услышите завтра. А сегодня пора спать.

Дзинтара закрыла книжку, несмотря на протестующие голоса детей, и улыбнулась:

– Не надо спешить! Терпение нужно не только учёным.

Примечания для любопытных

Хантаро Нагаока (1865–1950) – известный японский физик. В 1904 году предложил первую планетарную модель атома с массивным положительным ядром и вращающимися вокруг него, как кольца Сатурна, отрицательными электронами.

Эрнст Резерфорд (1871–1937) – знаменитый британский физик из Новой Зеландии. Лауреат Нобелевской премии по химии (1908). Экспериментально доказал наличие крошечного плотного и тяжёлого ядра внутри сравнительно большого и почти пустого (в остальных областях) атома. Создатель известной школы физики: 12 учеников Резерфорда стали нобелевскими лауреатами.

Фредерик Содди (1877–1956) – известный британский радиохимик, лауреат Нобелевской премии по химии (1921).

Пётр Капица (1894–1984) – знаменитый советский физик. Работал вместе с Резерфордом в 1921–1934 годах. Лауреат Нобелевской премии по физике (1978).

Ганс Гейгер (1882–1945) – известный немецкий физик, работавший с Резерфордом. Создатель счетчика Гейгера (или Гейгера-Мюллера).

Эрнст Марсден (1889–1970) – известный английский физик, работавший с Резерфордом.

Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, который отыскал связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка

Тёмные полоски в солнечном спектре, открытые Фраунгофером, оказались супертайной. Всё было неизвестно: откуда они берутся; почему тёмные, а не светлые; чем обусловлена степень их темноты и что определяет их расположение в радуге спектра, то есть – что задаёт длину волны этих линий.

Длина волны стала практически единственной точной величиной, характеризующей спектральную линию. Сначала казалось, что тёмные полоски в солнечном спектре расположены случайно. Но постепенно выяснилось, что это не так. Длины волн линий, связанных с водородом, подчинялись простым закономерностям и могли быть описаны несложной математической формулой, которая позволяла вычислить длины волн целой серии спектральных линий. Различные серии спектральных линий были открыты швейцарским математиком Бальмером, американским физиком Лайманом, немецким учёным Пашеном. Все известные серии водородных линий обобщил шведский исследователь Ридберг в красивой формуле:

1/Длина волны = R (1/N^2 – 1/K^2).

Длина волны зависела от целых чисел N и K. Если положить N = 1, то изменение K от 2 до ∞ (в математике этот значок означает бесконечность) давало серию линий Лаймана. Для N = 2 и K от 3 до ∞ получалась серия Бальмера. А N = 3 и K от 4 до ∞ соответствовали линиям Пашена. R была константой, которая вычислялась при сравнении формулы Ридберга с реальным спектром.

Почему линии спектра водорода строго следуют простым числовым соотношениям? Это было загадкой. Её решением занялись физики-атомщики.

– Почему они? – удивился Андрей. – Какая связь между линиями Фраунгофера и радиоактивными веществами?

Дзинтара усмехнулась:

– Действительно, линии Фраунгофера – это солнечный свет и стеклянные призмы. Атомная физика Резерфорда – это высокое напряжение, гудящие вакуумные насосы и опасные радиоактивные вещества, от которых приходится отгораживаться свинцовыми пластинами, – ничего похожего на солнечные исследования Фраунгофера! Тем не менее между ними существовала тесная и таинственная связь, но, чтобы её раскрыть, понадобился не просто сыщик, а суперсыщик!

– Космический суперсыщик!

– Верно. Такой суперсыщик родился в семье академика Датской королевской академии. Его звали Нильс, и у него был брат Харальд. В доме отца Нильса собирались друзья-учёные и вели длинные беседы. Не многим детям посчастливилось слушать споры четырех академиков: философа, биолога, лингвиста и физика. Может, именно благодаря этим беседам умных и разносторонних людей Нильс приобрел удивительную широту взглядов и смелость мышления.

Нильс так хорошо учился по физике и математике, что уже в школе критиковал учебник физики – за то, что тот неправильно трактовал отдельные вопросы. Зато сочинения вызывали у него настоящую проблему. Бор был немногословен и иногда сдавал сочинение, состоящее из пары фраз.

В университете Нильс был «тяжёлым» студентом. Если по лаборатории прокатывался гулкий взрыв, преподаватель химии Бьеррум, даже не поворачивая головы в сторону виновника, сокрушенно говорил: «Это Бор».

Нильс Бор стал физиком и приехал в знаменитую Кавендишскую лабораторию к Томсону. Юноша был вдохновлён тем, что попал в легендарный Кембридж, где работали Ньютон и Дарвин, Максвелл и Рэлей. Но Бор не понравился Томсону: молодой датчанин начал с того, что дал своему новому руководителю оттиск статьи самого Томсона, где Бор тщательно отметил все ошибки корифея физики.

– Плохой старт! – засмеялся Андрей.

– Через год Бор переехал в Манчестер – к Резерфорду, создателю планетарной модели атома. Там ему было гораздо интереснее, чем у Томсона. Бор отнесся к качественной, ещё не получившей математического описания модели атома Резерфорда серьёзнее, чем сам Резерфорд. Бор считал, что на её основе можно создать детальную теорию атома. Сам же Резерфорд, чистый экспериментатор, полагал, что нужно ещё поднакопить экспериментальных данных.

В разгар этих споров и размышлений Бор должен был уехать из Манчестера, потому что в Копенгагене на 1 августа 1912 года была назначена его свадьба с прекрасной девушкой Маргарет. После свадьбы молодожены планировали отправиться в путешествие по Норвегии. Бор решил совместить научные интересы с личными и уговорил Маргарет поехать в свадебное путешествие в Шотландию, по дороге навестив Резерфорда. В результате молодые сначала остановились в Кембридже, где Нильс неделю доделывал статью, а Маргарет писала под диктовку и правила его английский. Затем они отправились в Манчестер, к Резерфорду, и вручили ему плод своего совместного труда. Сотрудники Резерфорда были потрясены тем, что их старый приятель, «простак-датчанин», отхватил такую красавицу. Лишь после этого молодожены отправились в двухнедельное свадебное путешествие по Шотландии.

– Все учёные такие… странные? – озадаченно спросила Галатея.

Дзинтара тяжело вздохнула, подняла глаза к потолку, что-то прикинула в уме и коротко ответила:

– Многие.

Она снова уткнулась в книжку.

– Осенью 1912 года Бор начал работать внештатным преподавателем в Копенгагенском университете. В течение года он написал и опубликовал три статьи, которые стали основой атомной физики и вехой в истории естествознания. Бор соединил не только строение атома и линии Фраунгофера, но и добавил в свою теорию, на первый взгляд совсем далёкую от них, плавную кривую Планка, которая описывала непрерывный спектр звёзд и электролампочек.

– Как он смог? – поразилась Галатея. – Объединить атом Резерфорда, линии Фраунгофера и электроламповую кривую Планка?

– Вообще говоря, этого никто не знает – как учёному приходит в голову гениальная идея, объединяющая столько разнородных физических фактов. Но Бору это удалось: он взял модель атома Резерфорда для водорода, где был всего один электрон, и ввел два существенных отличия планетарной модели атома от реальной Солнечной системы. Одно предположение накладывало запрет на свободное расположение орбит: если в Солнечной системе планеты могут вращаться по любым орбитам, в атоме их набор стал жёстко заданным. Зато второе предположение давало электронам невиданную ранее свободу: если реальные планеты, выбрав в момент рождения какую-то орбиту, оставались прикованы к ней навечно, то в атоме Бора электроны могли прыгать с орбиты на орбиту, словно птички по жёрдочкам.

– Птички на жёрдочках! – развеселилась Галатея.

– Да, трудно представить, что Юпитер скачет сначала на орбиту Марса, а потом прыгает в гости к Нептуну! – усмехнулся Андрей.

– Верно, способность к перемене орбит стала кардинальным отличием электрона в атоме от реальной планетной системы. Кроме того, Бор предположил, что в случае прыжка с верхней орбиты на нижнюю электрон выпускает порцию энергии в виде света или электромагнитного излучения. Перейти с нижней орбиты на верхнюю электрон может, только поглотив аналогичную порцию внешнего излучения. Частоту этого излучения Бор умножил на постоянную Планка и получил величину, которую счёл разницей в энергии между орбитами. Тем самым он неожиданно для самого себя объяснил существование серий спектральных линий Бальмера и Лаймана и даже вывел формулу Ридберга, выразив константу Ридберга через фундаментальные физические постоянные.

– Ой, для меня это тоже неожиданно! Как же он объяснил существование этих линий? – всполошилась Галатея.

– Представьте себе десяток жёрдочек. Нижняя имеет первый номер, верхняя – десятый. Пусть по этим жёрдочкам прыгают весёлые птички – синички. Каждый прыжок птички вниз дает излучение определённой длины волны – спектральную линию. Чем больше расстояние между жёрдочками, тем больше энергия излучения – и, по формуле Планка, меньше его длина волны. Пусть на жёрдочках с номерами от двух до десяти сидит по птичке. И пусть каждая из них спрыгнет на пустую нижнюю орбиту-жёрдочку с номером один. Это породит серию ультрафиолетовых линий – серию Лаймана. Если же птички, сидящие на орбитах с третьей по десятую, перескочат не на первую, а на вторую орбиту, энергия излучения будет поменьше – это серия Бальмера из видимого диапазона. А если заставить птичек с орбит четыре-десять перепрыгнуть на орбиту три, мы получим инфракрасную серию линий Пашена.

– Вот оно что! Это не планетарная, а синичная модель атома! – прошептала поражённая Галатея.

– Если мимо наших жёрдочек будет пролетать световой квант подходящей энергии, синичка сможет поймать его и перепорхнуть на более высокую жёрдочку. Такие пойманные в атоме кванты света приведут к появлению тёмных линий Фраунгофера на фоне сплошного спектра. Если посмотреть на формулу Ридберга в свете модели атома Бора, то станет понятно, что число N – это номер орбиты, на которую перепрыгивают синички-электроны, а K – номер орбиты, на которой они сидели раньше. Конечно, число электронных орбит не ограничивается десятью – их бесконечно много, поэтому число К может увеличиваться до бесконечности, но формула Ридберга и правила Бора по-прежнему будут выполняться.

Интересно, что ещё в начале 1913 года Бор писал Резерфорду и своему другу Хевеши, который был пионером в использовании радиоактивных изотопов в биологических исследованиях, что не занимается вычислением частот наблюдаемых спектральных линий. Но ранней весной 1913 года на глаза Бору попалась книжка, где популярно объяснялись законы спектральных линий и приводилась формула Бальмера. Бора озарило – он понял, что закономерности расположения спектральных линий являются ключом к пониманию атома. Впоследствии он вспоминал, что, как только увидел формулу Бальмера, ему всё стало ясно.

– Вот так просто – увидел и понял? – недоверчиво спросила Галатея.

– Конечно, нет! Нужно долго и упорно думать над проблемой, чтобы она могла быстро решиться внезапным озарением. Новая теория Нильса Бора противоречила классической физике, потому что гласила: на стабильных орбитах электроны не излучают. А теория Максвелла утверждала, что заряженные частицы, двигающиеся по кругу, должны излучать. Бор утверждал: электроны могут испускать и поглощать только определённые порции энергии – световые кванты. Это тоже было странно и необычно для классических физиков, привыкших к непрерывным и ничем не ограниченным процессам. Но Бор знал о квантах Планка и показал, что атом и электронные структуры в нём построены на квантовании энергии. Теория Планка, созданная для свечения электролампочек, отвечала и за самые тонкие внутриатомные процессы.

Резерфорд отнесся к модели Бора с интересом, хотя заметил, что она не лишена противоречий, базируясь одновременно и на квантовой идее Планка, и на классической механике. Профессор написал Бору: «Ваши мысли относительно причин возникновения спектра водорода очень остроумны и представляются хорошо продуманными, однако сочетание идей Планка со старой механикой создает значительные трудности для понимания того, что же всё-таки является основой такого рассмотрения. Я обнаружил серьёзное затруднение в связи с Вашей гипотезой, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчёт; оно состоит в следующем: как может знать электрон, с какой частотой он должен колебаться, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться».

Корифеи науки Томсон и Рэлей не приняли новые идеи Бора. Лорд Рэлей высказал такое мнение о работе молодого датчанина: «Я её просмотрел, но не вижу, чем бы она могла быть мне полезна. Не берусь утверждать, что открытия так не делаются. Может быть, и делаются. Но меня это не устраивает». Эйнштейн заявил: «Если всё это правильно, то здесь – конец физики». Тем не менее много позже тот же Эйнштейн напишет, отдавая должное модели Бора: «Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору – человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем – найти главнейшие законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это – наивысшая музыкальность в области мысли».

Многие видные учёные, такие как Джинс и Лоренц, сразу заинтересовались новой теорией – уж очень изящно она объяснила спектральные линии водорода и водородоподобных атомов.

– Да, синички на жёрдочках – это красиво! – подтвердила Галатея.

– В середине сентября 1913 года в Англии проходила научная конференция, на которой присутствовали такие корифеи науки, как Томсон, Рэлей, Мария Кюри, Джинс и Лоренц. Дискуссия велась, в основном, вокруг только что опубликованных статей Бора.

Джинс во вступительном докладе отметил: «Доктор Бор пришёл к чрезвычайно остроумному, оригинальному и, можно сказать, убедительному толкованию законов спектральных линий».

В ответ на скепсис аудитории он решительно заявил:

«…важным подтверждением правильности этих предположений является тот факт, что они действуют на практике».

Интерес к теории Бора ничего не изменил в положении молодого преподавателя. В марте 1914 года Бор с горечью написал своему шведскому другу: «Занимаемая мною должность не предусматривает предоставления мне какой-либо лаборатории… Мои обязанности сводятся к преподаванию физики студентам-медикам и не имеют ничего общего с научными исследованиями; у меня нет никакой возможности получить учеников или ассистентов». Бор сообщил, что добивается открытия вакансии преподавателя по теоретической физике, но «факультет постоянно противится учреждению этой должности».

Бор оказался не только гениальным учёным, но и прекрасным организатором. За несколько лет он преодолел консерватизм датских научных кругов, стал профессором физики и добился выделения средств на создание современной лаборатории.

К 1920 году Нильс Бор сумел построить в Копенгагене Институт теоретической физики, который на многие десятилетия стал центром притяжения физиков-теоретиков и сейчас носит имя учёного. В 1922 году ему дали Нобелевскую премию по физике, а химический элемент номер 107, полученный в 1976 году в Дубне, назвали борием.

У Бора были свои представления о смелости научных теорий. Однажды он сказал знаменитому Паули про его новую теорию, которую тот изложил на семинаре: «Мы все считаем, что ваша теория безумна. Единственно, что нас беспокоит, – достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной».

Ландау сказал про Бора: «У него была абсолютная безбоязненность нового, пусть самого невероятного и фантастического на первый взгляд… У него был вечно молодой мозг».

Бор вошел в историю как человек, сумевший проникнуть в главную тайну природы, связать строение крошечного атома и излучение огромных звёзд, перебросить мост между берегом старой классической физики и новой неизвестной землёй – квантовой физикой. По этому мосту устремилась армия молодых учёных, которые за несколько лет создали новую физику. Бурное время создания квантовой картины мира сейчас называют научной революцией.

Хотите узнать, что открыли учёные на новом берегу квантовой механики?

– Да! – воскликнула Галатея.

– Тогда поговорим об этом завтра.

Примечания для любопытных

Нильс Бор (1885–1962) – гениальный датский физик, один из основателей современной науки. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922).

Иоганн Бальмер (1825–1898) – швейцарский математик и физик. В 1885 году вывел формулу, описывающую расположение спектральных линий водорода в видимом диапазоне (серия Бальмера).

Теодор Лайман (1874–1954) – американский физик, вместе с Виктором Шуманом (1841–1913) открывший в 1906 году серию ультрафиолетовых линий водорода (серию Лаймана).

Фридрих Пашен (1865–1947) – немецкий физик, в 1908 году открывший инфракрасную серию линий водорода (серию Пашена).

Иоганн Ридберг (1854–1919) – шведский физик, который вывел общую формулу, описывающую длины волн для всех серий спектральных линий водорода и водородоподобных атомов.

Дьёрдь де Хевеши (1885–1966) – известный венгерский химик, один из открывателей химического элемента гафния. Лауреат Нобелевской премии по химии (1943).

Хендрик Лоренц (1853–1928) – нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902), вместе с Питером Зееманом.

Вольфганг Паули (1900–1958) – знаменитый немецкий физик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1945).

Лев Ландау (1908–1968) – знаменитый советский физик-теоретик. Считал себя учеником Бора, с которым работал в Копенгагене. Лауреат Нобелевской премии по физике (1962).

Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире

Дзинтара открыла книгу и прочитала:

– «Что вы думаете, принц, об этих странных квантах господина Планка?

– Я решил посвятить все свои силы выяснению истинной природы этих таинственных квантов, глубокий смысл которых ещё мало кто понимает.

– Это смелый шаг, принц!»

Галатея вытаращила глаза:

– Ты что читаешь? Здесь сказки слишком перепутались с наукой! Разве принцы обсуждали квантовые проблемы?

– Да, по крайней мере один из них – Луи де Бройль, рожденный в династии французских герцогов и носивший титул князя, или принца Священной Римской империи. Семья герцогов де Бройль была богата и влиятельна, и Луи, младшему из пятерых детей, прочили большое политическое будущее. Но юного принца не привлекала военная и дипломатическая карьера, привычная для представителей его рода. Вместо этого, прочитав записи дискуссии Сольвеевского конгресса 1911 года, где обсуждались кванты Планка, девятнадцатилетний принц решил посвятить себя теоретической квантовой физике.

– Видимо, он счёл это достаточно аристократическим занятием, – решила Галатея.

– Сестра Луи де Бройля, графиня де Панж, писала в своих мемуарах про превращение принца в учёного:

«Дружелюбный и очаровательный маленький князь, которого я знала на протяжении всего детства, навсегда исчез. С решимостью и поразительной смелостью он постепенно, с каждым месяцем, превращал себя в строгого учёного, ведущего монашескую жизнь».

Луи закончил университет в 1913 году, но вскоре началась Первая мировая война, которая прервала его научные занятия. Луи отслужил шесть лет в армии и лишь после этого вернулся к любимой физике. В 1924 году он написал диссертацию «Исследование теории квантов», где высказал поразительную по смелости идею. Известно, что свет обладает не только характеристиками волны, но и свойствами частиц, или квантовыми свойствами. Де Бройль предположил, что и материальные частицы – например, электроны – тоже обладают как свойствами частиц, так и волн.

– Частицы обладают свойствами волн? – не поверила услышанному Галатея.

– Да, причём любые. Учёный приравнял энергию частицы к известному планковскому выражению hv и получил, что чем больше энергия частицы, тем больше частота её волны, а значит, длина волны меньше. Только волна эта не обычная, не похожая на электромагнитную. Её нередко называют «волной вероятности»: она описывает вероятность нахождения частицы или любого тела в той или иной точке пространства.

– Я тоже обладаю волновыми свойствами? – удивился Андрей.

– Да, и ты тоже. Но волна, соответствующая такому большому телу, как твоё, очень короткая и не может быть измерена обычными методами, зато волновые свойства электрона засечь возможно.

– Я полагаю, что моя волна гораздо больше, чем волна Андрея, – заявила Галатея.

– Конечно, ведь твоя масса меньше, – согласился брат.

– Не только поэтому! – хитро улыбнулась сестра. – Ты ещё очень твёрдый и неподатливый. А я… а я… вся воздушная и волнистая!

Дзинтара продолжила:

– Ученик и сотрудник де Бройля Жорж Лошак писал о стиле работы своего учителя: «Для Луи де Бройля характерно интуитивное мышление посредством простых, конкретных и реалистических образов, присущих трёхмерному физическому пространству… отдавая себе отчёт в силе и строгости абстрактных рассуждений, он вместе с тем убеждён в том, что вся суть всё-таки в конкретных образах, всегда неясных и неустойчивых, без конца пересматриваемых и чаще всего отвергаемых как более или менее ложные… Для де Бройля понимать – значит наглядно представлять».

В 1920-х годах диссертация де Бройля действительно выглядела необычной – в ней был минимум математики и гениальное понимание сути процесса вместе с его наглядным представлением. В это время в теоретической физике царили сложные математические теории вроде общей теории относительности. В середине 1920-х годов за развитие квантовой механики взялись такие люди, как Шрёдингер, который воспользовался идеей де Бройля для развития волновой теории электрона; Дирак, Гейзенберг и многие другие, применявшие в своих исследованиях самые разнообразные и очень сложные математические методы. Работа де Бройля оказалась, наверное, последней в теоретической физике, где важные выводы были достигнуты сочетанием скромной математики и смелого мышления.

Эйнштейн рекомендовал Максу Борну диссертацию де Бройля в таких выражениях: «Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно». Сам де Бройль писал в своей книге «Революция в физике»: «Но если осторожность – мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным».

Научная смелость де Бройля была в какой-то степени связана с его финансовой независимостью. Один из учёных начала XXI века, пожелавший остаться анонимным, сказал: «Жил бы де Бройль на гранты, чёрта с два он сказал бы, что „частица – это волна“!»

Де Бройль предположил, что раз электрон имеет свойства волны, то он должен быть подвержен явлению дифракции, типичной для световых волн. Верность вывода учёного о волновых свойствах частиц подтвердили эксперименты американских физиков Дэвиссона и Джермера в 1926 году. Они показали, что тонкий пучок электронов, падая на кристаллическую решетку никеля, отражается от неё точно так же, как рентгеновское излучение с той же длиной волн.

– То есть длина волны у электрона такая же заметная, как и у рентгеновского излучения? – уточнил Андрей.

– Да. Независимо от Девиссона и Джермера дифракционные свойства электрона продемонстрировал англичанин Джордж Томсон, сын знаменитого открывателя электрона Джозефа Томсона. К настоящему времени открыто немало примеров проявления волновых свойств электронов и других частиц. Сейчас волны де Бройля интерпретируются как волны вероятности, описывающие распределение частицы, например электрона, в пространстве. Положение электрона принципиально непредсказуемо, «размазано» по пространству. Такова современная интерпретация, но пока никто в мире не может утверждать, что это последнее слово в квантовой механике. Часть учёных продолжают думать вслед за Эйнштейном, что должна существовать детерминистическая теория движения электрона, избавленная от принципиальной случайности.

– Что такое детерни… детерминистическая теория? – спросила Галатея.

– Это такая теория, которая может точно вычислить будущее положение и скорость тел: например, небесная механика – детерминистическая: она способна с огромной точностью рассчитать, где будут располагаться планеты Солнечной системы через сто или тысячу лет. Эйнштейн полагал, что случайность и непредсказуемость присутствует в квантовой механике только из-за непонимания глубинных механизмов динамики квантовых систем.

Трудно сказать, кто окажется прав в данном споре. Вероятно, квантовые случайности сохранятся и на следующем витке понимания в теоретической физике. Зато мы лучше поймём, что такое волна вероятности, в каком виде в ней существует частица, и почему она с такой легкостью и скоростью может выныривать в любой точке волны де Бройля – словно дельфин из настоящей морской волны. Может, для того, чтобы ответить на эти вопросы, нужен новый де Бройль – учёный, который будет способен не только на математические выкладки, но и на глубокое и наглядное проникновение в суть физического процесса.

– Может быть… – загадочно ответила Галатея с горящими глазами, в которых совсем не было сна.

Примечания для любопытных

Луи-Виктор-Пьер-Раймон де Бройль (1892–1987) – знаменитый французский физик, принц и седьмой герцог де Бройль, выдвинувший концепцию волн материи, которая стала одной из основ квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1929).

Сольвеевские конгрессы – конгрессы по физике и химии, каждые три года проводимые в Брюсселе. Первый Сольвеевский конгресс состоялся в 1911 году по личной инициативе и на средства бельгийского учёного и промышленника Эрнста Сольве (1838–1922). Первый конгресс был посвящен теме квантов Планка: «Действительно ли нужно прибегать к квантовому описанию мира?» и стал поворотным пунктом в развитии физики XX века.

Жорж Лошак (1930) – французский физик, сотрудник де Бройля. Глава Фонда де Бройля.

Дифракция – огибание препятствия волнами. Благодаря дифракции свет проникает в зоны тени, куда идеальный прямой луч проникнуть не может.

Клинтон Дэвиссон (1881–1958) – известный американский физик, открывший дифракцию электронов на кристаллической решетке (опыт Дэвиссона-Джермера), что подтвердило существование волн де Бройля. Лауреат Нобелевской премии по физике (1937), вместе с Джорджем Томпсоном.

Лестер Джермер (1896–1971) – американский физик, соавтор Дэвиссона по открытию дифракции электронов, что доказало концепцию корпускулярно-волнового дуализма, предложенную де Бройлем.

Джордж Томпсон (1892–1975) – известный британский физик, подтвердивший на опыте волновые свойства электрона. Лауреат Нобелевской премии по физике (1937), вместе с Клинтоном Дэвиссоном.

Сказка об очень умном физике Гейзенберге, который ничего не знал наверняка

Вечерние горы подергивались прохладным туманом, по зелёным пологим пастбищам бродили коровы, позвякивая шейными колокольчиками и похрустывая свежей травой. На лугу высились стога сена, заготовленные на зиму. В одном из стогов лежал светловолосый подросток и читал книгу философа Канта. Где-то вдали стреляли пушки и рвались снаряды, а мальчик лежал и читал про законы звёзд и про этические постулаты. Он не знал, что ждёт впереди его самого, его страну и весь мир. Но мы знаем, что скоро кончится эта война, но она будет далеко не последней; мы знаем, что в ближайшие десятилетия мир изменится до неузнаваемости – благодаря и тому, что мальчик по имени Вернер лежит и читает Канта для собственного удовольствия…

В конце XIX века жил-был в Германии учёный Август Гейзенберг, который занимался самым тихим и несовременным занятием в мире – изучал старые византийские рукописи, написанные на древнегреческом языке.

Он ездил в Италию и Грецию для их исследования и преподавал историю студентам в университете. У него было два сына – Эрвин, который стал химиком, и Вернер, увлёкшийся математикой и физикой. И надо же было такому случиться, что в семье человека, больше всего ценившего невозмутимость исторических событий, вырос бунтарь, который изменил ход истории в совсем юном возрасте.

Возможно, разгадка кроется в том, что юность Вернера Гейзенберга пришлась на бурный революционный период в истории Германии. Весной 1918 года Вернера с другими 16-летними школьниками отправили на ферму работать, помогая воюющей Германии. Вернер был не похож на других мальчиков и успевал после работы на ферме читать философов – Платона и Канта, очень трудных для понимания среднего человека. После Первой мировой войны в Германии наступил период политической нестабильности, общественного брожения и страстных митингов. В 1919 году Вернер посещал собрания молодежного движения, где он выслушал немало горячих выступлений против общественных традиций и предрассудков. Но и сейчас он оказался не похож на остальных подростков – и в это революционное время увлекся больше всего физикой и математикой.

Во время долгой болезни, ещё будучи школьником, Вернер Гейзенберг прочёл сложную книгу Германа Вейля «Пространство, время и материя» и впечатлился мощью описанных математических методов. Его выдающиеся знания были отмечены на выпускном экзамене гимназии.

В 1920 году Вернер поступил в Мюнхенский университет, став учеником профессора Зоммерфельда и окунувшись в мир современной теоретической физики. В 1923 году он подготовил диссертацию по теоретической гидродинамике, но не учёл, что для получения степени необходимо сдать экзамен и по экспериментальной физике. В результате он не смог ответить ни на один вопрос старого и дотошного профессора Вина – ни о разрешающей способности микроскопа, ни о принципах работы свинцового аккумулятора.

– Да, свинцовые аккумуляторы могут утопить любого теоретика! – хихикнул Андрей.

– Только заступничество профессора Зоммерфельда спасло диссертанта от полного провала. Получив степень, Вернер с головой погрузился в новую квантовую физику и стал ассистентом Макса Борна в Гёттингене – вместе с другим ассистентом, Паули. Борн вспоминал Гейзенберга: «Он был похож на простого крестьянского парня, с короткими светлыми волосами, ясными живыми глазами и чарующим выражением лица. Он выполнял свои обязанности ассистента более серьёзно, чем Паули, и оказывал мне большую помощь. Его непостижимая быстрота и острота понимания всегда позволяли ему проделывать колоссальное количество работы без особых усилий».

Гейзенберг поработал и у Нильса Бора в Копенгагене. Но скромный парень быстро перерос роль ассистента. В 1925 году в возрасте 23 лет Вернер создал новую квантовую механику на основе математических матриц. Она была уже совсем независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.

– В 23 года! – поразилась Галатея. – А что такое матрицы?

– Матрицами называют прямоугольные таблицы из чисел. Гейзенберг предположил, что любой физической величине, которую можно наблюдать в эксперименте, соответствует своя матрица. Молодой учёный сумел описать квантовые скачки в атоме Бора и любые изменения в состоянии квантомеханических систем с помощью математических операций над матрицами.

Через полтора года, в начале 1927-го, Гейзенберг вывел квантовое соотношение неопределённости, которое стало знаковым для современной науки. Соотношение гласило, что наш мир принципиально не точен: мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любого объекта, например электрона. Если мы точно измерим его импульс, то утратим информацию о его положении. Если точно измерим координаты электрона, то потеряем возможность определить его импульс или скорость.

– То есть учёные ничего не могут знать наверняка? – поразилась Галатея. – Как бы они ни старались, в их измерениях всегда будут ошибки?!

– Да. Неопределённость в координатах электрона, умноженная на ошибку в его импульсе, равна постоянной Планка – и это соотношение неопределённостей Гейзенберга прекрасно дополнило концепцию де Бройля о частицах как о волнах. Если мы попробуем захватить частицу в хитрую ловушку-прибор, то есть точно зафиксировать её местоположение, ошибка в определении её импульса станет бесконечно большой.

– Информация уходит сквозь пальцы, как волна! – хихикнула Галатея.

Андрей заявил:

– Очень похоже, что Галатея тоже подчиняется этому соотношению, – Дзинтара улыбнулась, глядя на возмущенную дочь:

– Соотношение неопределённостей Гейзенберга трактуют и так: для измерения параметров квантовой системы требуется вмешательство прибора в систему, и это вмешательство так искажает характеристики квантовой системы, что она забывает своё первоначальное состояние – и мы утрачиваем возможность его узнать.

Галатея, подчеркнуто игнорируя брата, обратилась к матери:

– Мама, судя по этим историям, учёные-теоретики делают свои работы в очень молодом возрасте. Но ведь с годами опыт и знания растут, и открытий должно становиться больше.

– Давно замечено, что самый плодотворный возраст теоретика – первые несколько лет после окончания университета. Для теоретических открытий важен не только опыт и знания, но и смелость молодости, свежий взгляд. Пожилой человек с трудом идёт на изменение истин, с которыми он долго жил.

Успехи Вернера Гейзенберга не остались незамеченными: университеты наперебой приглашали его занять профессорскую должность. В октябре 1927 года в возрасте 25 лет Вернер стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.

– Теперь к нему никто не мог пристать со свинцовыми аккумуляторами! – удовлетворенно отметила Галатея.

– Гейзенберг был демократичным и весёлым человеком, после научных занятий с азартом играл в настольный теннис. Его первый ученик – Феликс Блох, впоследствии ставший лауреатом Нобелевской премии по физике за 1952 год, вспоминал: «Если я должен выбрать единственное из его великих качеств как учителя, то это было бы его необычайно позитивное отношение к любому прогрессу и его поощрение в этой связи… одной из наиболее удивительных особенностей Гейзенберга была почти безошибочная интуиция, которую он проявлял в своём подходе к физической проблеме, и феноменальный способ, с помощью которого решения как будто падали с неба».

Биографы Гейзенберга – Мотт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1977 год, и Пайерлс, ещё один его ученик, – в книге, посвященной великому учёному, писали о периоде, когда он создал квантовую механику и стал молодым профессором: «Никто не осудил бы его, если бы он начал воспринимать себя серьёзно и стал слегка напыщенным, после того как предпринял по крайней мере два решающих шага, изменивших лицо физики, и после получения в столь юном возрасте статуса профессора, что заставляло и многих более старых и менее значительных людей чувствовать себя важными, но он остался таким, каким и был, – неофициальным и весёлым в обращении, почти мальчишеским и обладающим скромностью, граничащей с застенчивостью».

В 1933 году, в возрасте 32 лет, Гейзенберг получил Нобелевскую премию по физике «за создание квантовой механики». Он, безусловно, обрадовался, но, будучи скромным и справедливым человеком, выразил удивление тем, что его коллеги по созданию квантовой механики – Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак – получили одну Нобелевскую премию на двоих, а Макс Борн вообще ею обойдён.

– Вернер так много работал, но была ли у него девушка или семья? – спросила Галатея. – Заниматься одной наукой, наверное, довольно скучно!

– В 35 лет Вернер женился на молодой девушке Элизабет Шумахер, дочери берлинского профессора-экономиста. Они жили долго и счастливо, и у них было семеро детей.

– Вот это настоящая сказка! – обрадовалась Галатея.

– Дочери Гейзенберга, Анна-Мария и Верена, стали учёными-физиологами, сын Мартин – генетиком, а Йохен пошёл по стопам отца и стал физиком-ядерщиком.

Гейзенберг умер в 1976 году. На его смерть Юджин Вигнер, лауреат Нобелевской премии по физике за 1963 год, написал: «Нет такого живущего физика-теоретика, который сделал больший вклад в нашу науку, чем он. В то же время он был доброжелателен со всеми, лишён высокомерия и составлял приятную компанию».

Примечания для любопытных

Византия (Византийская империя, или Восточная Римская империя) (395-1453) – государство, сформировавшееся после раздела Римской империи на западную и восточную части. Через 80 лет после этого Западная Римская империя распалась на более мелкие и быстро деградировавшие страны, а Византия на тысячу лет осталась единственной наследницей древнегреческой и римской культуры.

Вернер Гейзенберг (1901–1976) – знаменитый немецкий физик-теоретик, один из основателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1932).

Платон (428 или 427–348 или 347 гг. до н. э.) – великий древнегреческий философ, ученик Сократа, учитель Аристотеля.

Герман Вейль (1885–1955) – известный немецкий математик и физик-теоретик. Автор знаменитой книги «Пространство, время и материя» (1918) – одного из первых изложений общей теории относительности Эйнштейна.

Арнольд Зоммерфельд (1868–1951) – известный немецкий физик-теоретик и математик. Учитель Гейзенберга.

Макс Борн (1882–1970) – известный немецкий и британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1954).

Феликс Блох (1905–1983) – известный физик, ученик Гейзенберга. Лауреат Нобелевской премии по физике (1952).

Невилл Мотт (1905–1996) – известный английский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике (1977), вместе с Филипом Андерсоном и Джоном ванн Флеком.

Рудольф Пайерлс (1907–1995) – известный английский физик немецкого происхождения. Ученик Гейзенберга.

Юджин Вигнер (1902–1995) – известный американский физик и математик венгерского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по физике (1963) «за вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц».

Сказка о молчаливом Дираке, удвоившем мир и погрузившем нас в море Дирака

Человеческий характер – будет ли человек молчаливым или разговорчивым, во многом зависит от детства. Так произошло и с Полем Дираком. Он родился в Англии, его отец, швейцарец, преподавал в Бристоле французский язык и требовал, чтобы дома все разговаривали только по-французски. Для англоязычных детей это было непросто, поэтому Дирак вырос молчаливым мальчиком, склонным к уединённым размышлениям.

В 16 лет Поль Дирак поступил на инженерный факультет Бристольского университета, хотя его любимым предметом была математика. В будущем он стал физиком-теоретиком, но всегда высоко ценил своё инженерное образование. Дирак писал:

«Раньше я видел смысл лишь в точных уравнениях. Мне казалось, что если пользоваться приближёнными методами, то работа становится невыносимо уродливой, в то время как мне страстно хотелось сохранить математическую красоту. Инженерное образование, которое я получил, как раз научило меня смиряться с приближёнными методами, и я обнаружил, что даже в теориях, основанных на приближениях, можно увидеть достаточно много красоты… Я оказался вполне подготовленным к тому, что все наши уравнения надо рассматривать как приближения, отражающие существующий уровень знаний, и воспринимать их как призыв к попыткам их усовершенствования. Если бы не инженерное образование, я, наверное, никогда не добился бы успеха в своей последующей деятельности…»

В конце университетского обучения Поль прошёл практику в одной из инженерных фирм, но там не были впечатлены талантами инженера Дирака и не предложили ему работу.

– Я так понимаю, что это стало огромным благом для науки? – спросил Андрей.

– Полагаю, да. Если бы Дирак ушёл в инженерную деятельность, он мог быть потерян для фундаментальной науки.

Оставшись без работы, Дирак вольнослушателем изучал математику в Бристольском университете и в конце концов получил стипендию для продолжения учёбы в Кембридже.

Дирак увлекся общей теорией относительности. Он внимательно изучил знаменитую книгу по теории относительности, написанную Артуром Эддингтоном, – и даже беседовал с автором, признанным экспертом в данной области. Но, когда Дирак приехал в Кембриджский университет, его научным руководителем по аспирантуре стал профессор Фаулер – специалист по статистической механике. Сначала Дирак был разочарован, но это быстро прошло. Фаулер познакомил молодого человека с идеями Бора и концепциями зарождающейся атомной физики. Дирак увлёкся новой темой. Впоследствии он вспоминал: «Помню, какое огромное впечатление произвела на меня теория Бора. Я считаю, что появление идей Бора было самым грандиозным шагом в истории развития квантовой механики. Самое неожиданное, самое удивительное заключалось в том, что столь радикальное отступление от законов Ньютона дало такие замечательные плоды».

Свою диссертацию Дирак так и назвал: «Квантовая механика». Сильное впечатление на него произвела лекция Гейзенберга, которую тот прочёл в Кембридже. Дирак переписывался с Гейзенбергом, изучал его работы и позднее написал: «У меня есть наиболее веские причины быть почитателем Вернера Гейзенберга. Мы учились в одно время, были почти ровесниками и работали над одной и той же проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг нашел правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому веку теоретической физики…»

За несколько лет молодой Дирак опубликовал ряд статей, которые вместе с работами Гейзенберга и Шрёдингера стали основой новой квантовой механики. Один из результатов Дирака оказался особенно впечатляющим. Он пытался получить релятивистское уравнение для электрона…

– Что такое релятивистское уравнение? – спросила Галатея.

– Это уравнение, которое описывает движение тел при самых больших скоростях, хотя и меньших, чем скорость света. Ведь ни одному материальному телу, в том числе электрону, теория относительности не разрешает обгонять свет. Нерелятивистскими уравнениями являются уравнения, например, динамики Ньютона, которые описывают движение тел со скоростями, гораздо меньшими, чем скорость света.

В то время релятивистского уравнения для электрона не существовало. Дирак вспоминал: «… при согласовании квантовой механики с теорией относительности возникли трудности. Я был очень озабочен ими в то время, но других физиков по какой-то непонятной мне причине эти проблемы совершенно не волновали».

Дирак долго не мог получить нужную формулу. Он писал: «В течение нескольких месяцев эта задача оставалась нерешённой, и ответ возник совершенно неожиданно, явив собой один из примеров незаслуженного успеха».

– Как это «неожиданно»? И почему этот успех Дирак называет незаслуженным? – спросила Галатея.

– Дирак скромничает. Неожиданный успех приходит лишь к тому, кто много знает и долго думает над задачей. Неожиданным бывает только конкретное решение, вдруг озаряющее проблему, когда все кусочки головоломки встают на свои места, приводя к совершенно новой картине мира. Незаслуженным такой успех может назвать только скромный человек, который испытывает глубокое благоговение перед красотой мира. А Дирак был именно таким. Когда природа открывает скромным учёным свои великолепные секреты, то они могут считать это счастье незаслуженным.

Дирак часто повторял, что уравнения должны быть красивыми и что красивая теория имеет гораздо больше шансов быть правильной. В итоге своих размышлений Дирак получил уравнение, которое сейчас называется уравнением Дирака. Это уравнение описывало электрон и его спин…

– Что такое спин? – перебила Галатея.

– Это одновременно и простой, и сложный вопрос. Если рассмотреть электрон как обычный вращающийся шарик, то его вращение и называется спином.

– Это просто! – согласилась Галатея.

– Да, но если мы припишем шарику-электрону обычный радиус электрона, то получится, что его экваториальные области вращаются быстрее скорости света.

– Что теория относительности запрещает! – вспомнил Андрей.

– Верно. Значит, представлять электрон как простой вращающийся шарик нельзя. Поэтому физики до сих пор плохо понимают, что и как в нём вращается.

– Это всё усложняет, – сказала Галатея и прищурилась, вглядываясь в глубины таинственно вращающегося электрона.

– Вернёмся к уравнению Дирака. Оно прекрасно описывало электрон со спином, но неожиданно дало дополнительное решение – с формально отрицательной энергией электрона. Можно было объявить такое решение нефизическим, но уравнение Дирака указывало на определённую вероятность перехода между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. И тут перед Дираком, как перед любым учёным в таком положении, встала дилемма…

– Что такое дилемма? – не утерпела Галатея.

– Развилка дорог или необходимость выбора одного из двух вариантов. Одним из вариантов, который обдумывал Дирак, было отбрасывание уравнения, противоречащего традиционным взглядам, как неправильного – и поиск другого уравнения. Второй вариант предполагал, что уравнение правильно, а традиционные взгляды неверны. Такой подход требует от учёного смелости, и, как оказалось, Дирак ею обладал. Его кредо: «Посвящая себя исследовательской работе, нужно стремиться сохранять свободу суждений и ни во что не следует слишком сильно верить; всегда надо быть готовым к тому, что убеждения, которых придерживался в течение долгого времени, могут оказаться ошибочными».

Дирак смело решил, что его уравнение правильно и что существует новая частица – антипод электрона. Он интерпретировал своё решение так: в вакууме есть море частиц с отрицательной энергией – его впоследствии стали называть морем Дирака. Эти частицы невидимы и почти не влияют на второй мир частиц с положительной энергией. Если невидимому электрону из моря Дирака сообщить значительную энергию, то он перейдёт в видимое состояние с положительной энергией и станет обычным электроном. А на его месте в возмущенном море невидимых частиц появится «дырка», которая будет точной копией электрона, рождённого из моря Дирака, но, в отличие от него, заряженной положительно. Если электрон столкнётся с «дыркой», они «аннигилируют» – уничтожатся, сбросив свою энергию в виде пары квантов света и оставив море Дирака невозмущённым.

Учёные отнеслись к концепции Дирака скептически.

– Их можно понять! – заявила Галатея.

– Но их мнение резко изменилось, когда американец Карл Андерсон экспериментально обнаружил новую частицу – позитрон, во всём похожую на электрон, но заряженную положительно. Когда позитрон сталкивался с электроном, обе частицы исчезали, оставляя после себя два кванта света с энергией, которая была точно равна энергии аннигилировавшей пары частиц.

– То есть Дирак открыл новую частицу, посмотрев не в микроскоп, а на уравнение? – удивилась Галатея.

– Да. Более того, уравнение Дирака привело к новой картине мире, в котором каждая элементарная частица имеет свою античастицу, с которой она при соприкосновении аннигилирует, то есть уничтожается с выделением энергии. Обратное тоже верно: если приложить достаточное количество энергии, то из моря Дирака родится пара из обычной частицы и её античастицы. То есть Дирак удвоил число частиц в нашем мире, фактически открыл мир-двойник из античастиц.

– Значит, во Вселенной есть античастицы, антиатомы и антипланеты, на которых живёт анти-Галатея? – с восторгом спросила Галатея, которая уже стала прикидывать, как ей написать электронное – вернее, позитронное – письмо своему антиподу.

– Античастицы есть, антиатомы тоже. А вот с антимирами и антидевочками – проблема. Астрономы не нашли миры из антивещества! Редкий случай, когда законы микромира вроде бы диктуют симметричность рождения частиц и античастиц, а в космосе наблюдается резкая асимметрия в пользу обычного вещества. Теоретики пришли к выводу, что античастицы рождаются с немного меньшей вероятностью, чем частицы. Поэтому в процессе эволюции Вселенной появился избыток обычного вещества и именно из него сформировались звёзды, планеты и девочки.

В картине мира по Дираку утратила своё значение концепция элементарности частиц. Поиск самых маленьких и неделимых частичек материи стал бессмысленным. Гейзенберг писал: «Единственными процессами, в которых можно было бы ожидать расщепления элементарных частиц, являлись их столкновения при очень высоких энергиях… эксперименты показали, что при соударении двух частиц высокой энергии действительно может появиться множество других частиц; однако они совсем не обязательно являются более мелкими, чем частицы сталкивающиеся. Наоборот, оказывается, что независимо от природы последних рождаются частицы всегда одних и тех же типов. Более точно это явление можно описать следующими словами: большая кинетическая энергия соударяющихся частиц превращается в вещество, в появляющиеся частицы („множественное рождение частиц“)».

Вернер Гейзенберг писал: «Парадоксальная ситуация, с которой мы столкнулись, очень хорошо описывается широко известной формулой: „Каждая элементарная частица состоит из всех других частиц“». Гейзенберг отмечает роль Дирака в создании новой парадигмы элементарных частиц: «Одной из главных причин, благодаря которой в физике элементарных частиц возникла эта новая ситуация, является возможность порождения пар, т. е. существование античастиц и антиматерии».

– А мы сами тоже родились из моря Дирака? – восторженно спросила Галатея.

– Полагаю, что да. Через год после открытия позитрона Дирак получил Нобелевскую премию, стал знаменитым, и у него появились ученики, хотя он занимался с ними без энтузиазма. Даже став преподавателем, Дирак остался молчаливым. Виктор Вайскопф вспоминал: «П. Дирак был великим человеком, но малополезным для любого студента. Беседовать с ним было нельзя, а если вы и разговаривали с ним, он только слушал и говорил: „Да“. С точки зрения студента, разговоры с П. Дираком были потерянным временем».

Учёные Кембриджа в шутку ввели новую единицу измерения – «дирак»: один дирак равнялся одному слову в час.

Дирак любил точность. Однажды после лекции он обратился к аудитории: «Вопросы есть?» «Я не понимаю, как вы получили это выражение…» – сказал один из присутствовавших. «Это утверждение, а не вопрос, – ответил Дирак. – Вопросы есть?»

Дирак любил путешествовать по разным странам и читать лекции. На их основе он опубликовал немало выдающихся в педагогическом отношении книг: по теории относительности, квантовой механике и квантовой теории поля. Книга Дирака «Принципы квантовой механики» стала учебником для нескольких поколений физиков. В этом смысле он оказался великим педагогом. В конце жизни Дирак обосновался во Флоридском университете в Таллахасси, где прожил пятнадцать лет, читая лекции и публикуя книги.

Лауреат Нобелевской премии Абдус Салам так написал об этом учёном: «Поль Адриен Морис Дирак – без сомнения, один из величайших физиков этого, да и любого другого столетия. В течение трёх решающих лет – 1925, 1926 и 1927 – своими тремя работами он заложил основы, во-первых, квантовой физики в целом, во-вторых, квантовой теории поля и, в-третьих, теории элементарных частиц… Ни один человек, за исключением Эйнштейна, не оказал столь определяющего влияния за столь короткий период времени на развитие физики в этом столетии».

Примечания для любопытных

Поль Дирак (1902–1984) – выдающийся английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933).

Артур Эддингтон (1882–1944) – выдающийся английский физик-теоретик и астроном. Экспериментально подтвердил теорию гравитации Эйнштейна, измерив отклонение света звезды возле диска Солнца во время полного солнечного затмения в Западной Африке. Автор знаменитой монографии «Теория относительности».

Ральф Фаулер (1889–1944) – английский физик-теоретик, профессор Кембриджского университета. Учитель нобелевских лауреатов Дирака, Мотта, Чандрасекара и других выдающихся физиков. Близкий друг Резерфорда, был женат на его единственной дочери Эйлин Мэри.

Карл Андерсон (1905–1991) – известный американский физик, открыватель новой элементарной частицы – позитрона, античастицы электрона. Получил за это открытие Нобелевскую премию по физике (1936).

Нейтрон – тяжёлая элементарная частица, не имеющая заряда. Нейтроны вместе с протонами являются главными компонентами атомных ядер.

Абдус Салам (1926–1996) – известный пакистанский физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии (1979) «за вклад в единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий».

Сказка о всеволновом астрономе Шкловском и об инопланетных цивилизациях

– Мы ждем от вас новой сказки! – выпалила Галатея, увидев за обедом королеву Никки, давнюю подругу принцессы Дзинтары.

Дзинтара вздохнула и возвела глаза к небу. Гостья не удивилась:

– Есть один учёный, над проблемой которого я часто думаю, – и я с удовольствием вам о нём расскажу.

– И о его проблеме расскажете? – уточнила Галатея.

– Конечно. Учёный неотделим от своих проблем.

Вечером, когда шум в доме затих и наступило зыбкое время между бурным днём и тихой ночью, дети уселись слушать новую историю от королевы Никки.

– Астрономы тысячелетиями исследовали небо с помощью астролябий или телескопов, но всегда в световом, видимом, диапазоне – с помощью глаз. Когда в конце XIX века Герц открыл невидимое радиоизлучение, а Рентген – невидимые рентгеновские лучи, стало понятно, что невооружённым глазом человек может видеть очень незначительную часть звёздного излучения, с длиной волны от 0,4 до 0,8 микрона (одной тысячной миллиметра). К середине XX века астрономические приборы стали совершеннее, появились космические телескопы, и астрономия стала «всеволновой»: астрономы стали изучать небо в гигантском интервале длин волн – от низкочастотных радиоволн (с длиной волны до 100 тыс. км) до гамма-лучей (с длиной волны меньше миллионной доли миллиметра).

Важную роль в создании всеволновой астрономии сыграл советский учёный Иосиф Шкловский. Он построил теорию радиоизлучения Солнца и даже лично участвовал в подтверждении своей теории. Учёный вспоминает в книге «Эшелон»: «Почти тридцать пять лет тому назад ослепительно-белый красавец теплоход „Грибоедов“ пересекал по диагонали Атлантический океан… Цель экспедиции – наблюдение полного солнечного затмения 20 мая 1947 года. Полоса затмения проходила через всю Бразилию…»

Шкловский сам плыл на этом теплоходе и с гордостью отмечал: «…плавание „Грибоедова“ было „вешкой“ в истории науки, в данном случае только начинавшей своё триумфальное шествие радиоастрономии… наблюдениями, выполненными во время солнечного затмения с борта нашего славного корабля, было убедительно доказано, что источником радиоизлучения Солнца на метровых волнах является корона, как и было предсказано за год до этого тогда ещё начинающими молодыми теоретиками…»

Этими молодыми теоретиками были Виталий Гинзбург, будущий нобелевский лауреат, и сам Шкловский.

Андрей внимательно слушал Никки и быстро сообразил:

– Они дождались времени затмения, когда Луна загородила диск Солнца, но не загородила его корону, которая больше диска, – и измерили солнечное радиоизлучение. Если радиолучами светит сам солнечный диск, затмение Луной полностью прекратило бы этот поток, а если радиосигнал испускает корона, то затмение просто уменьшает его. Видимо, это и обнаружили астрономы!

– Согласна с тобой! – кивнула Никки. – Шкловский занимался и знаменитыми линиями Фраунгофера, которые в видимом диапазоне волн являются тёмными, то есть в них свет поглощается. Шкловский показал, что на длинах волн меньше 0,15 микрона линии Фраунгофера в спектре Солнца становятся эмиссионными, то есть ярко светящимися, а не тёмными.

Всеволновая астрономия развивалась, и учёные всё больше разбирались в механизмах генерации разных излучений.

– Они разбирали эти механизмы по винтикам! – прокомментировала Галатея.

– Важное открытие Шкловский сделал в 1953 году. Он вспоминает в книге «Эшелон»: «Я был молод и был готов в самом буквальном смысле штурмовать небо. Уже больше двух лет я мучительно раздумывал о природе ныне такой знаменитой Крабовидной туманности. Эта туманность оказалась к тому же ярчайшим источником радиоизлучения. Я пытался объяснить это радиоизлучение как „продолжение“ её оптического излучения. Никто тогда не сомневался, что последнее сводится к давно уже известному тепловому излучению образующих туманность горячих газов. Именно таким способом излучали все известные тогда астрономам газовые туманности. Увы, мои попытки потерпели фиаско – слишком интенсивным было радиоизлучение Крабовидной туманности, чтобы быть продолжением её оптического излучения».

Шкловский вспоминает и момент разгадки: «…я накануне нового… 1953 года понял природу радиоизлучения этой туманности. Всё дело – в космических лучах, которыми буквально „начинена“ Крабовидная туманность! Вернее, в электронах сверхвысоких энергий, которые, двигаясь в магнитных полях туманности, должны излучать электромагнитные волны».

Никки усмехнулась:

– Мозг учёного работает в любой обстановке. Окончательное решение природы излучения Крабовидной туманности пришло к Шкловскому в переполненном трамвае: «Тут подошёл набитый до отказа мой трамвай, куда я, что называется, „ввинтился“. Я висел на поручне в этой немыслимой тесноте… И вдруг молнией пронзила мысль… „Ведь если нельзя было объяснить радиоизлучение „Краба“ продолжением его оптического теплового излучения, то почему бы не объяснить оптическое излучение этой туманности продолжением её радиоизлучения, имеющего заведомо нетепловую природу? Значит, оптическое излучение „Краба“ тоже нетепловое, оно порождается „релятивистскими“ электронами, но с энергией ещё в сотни раз большей, чем у тех, которые вызывают радиоизлучение!“

Трамвай тащился до Останкино минут 45. Я был в каком-то сомнамбулическом состоянии. За эти 45 минут я в уме выполнил весь теоретический расчёт этого излучения. Приехав домой, я тут же без единой помарки написал статью в „Доклады Академии наук“. Думаю, что это лучшая моя работа. Она вызвала настоящий взрыв дальнейших исследований во многих странах. Круги от этого взрыва расходятся до сих пор».

– Вот так, в трамвае, можно написать научную работу? – удивилась Галатея.

Дзинтара, которая тоже слушала историю Никки, улыбнулась:

– Сделать научное открытие можно очень быстро, но только при условии, что ты думал над проблемой долгие годы.

– Даже в переполненном трамвае! – добавил Андрей. – Но мне непонятно, что такое нетепловое оптическое излучение?

Никки ответила:

– Тепловое излучение – это излучение нагретого тела. Его спектр описывается формулой Планка, по которой можно вычислить, в каком соотношении находится видимое свечение и радиоизлучение космического объекта. Наблюдаемое излучение Крабовидной туманности никак не вписывалась в формулу Планка. Шкловский предположил, что радиоизлучение и оптическое свечение этой туманности связано с электронами, которые вращаются вокруг линий магнитного поля и излучают не как нагретое тело Планка, а скорее как контур Герца. На них не распространяется формула Планка, поэтому Шкловскому удалось согласовать наблюдения со своей новой теорией.

Гостья продолжила:

– Шкловский исследовал самые разные излучения космических объектов: от радиоволн до рентгена. Например, он заинтересовался рентгеновским излучением космического объекта Скорпион X-1. В апреле 1967 года Шкловский опубликовал статью, в которой доказывал, что это излучение рождается при падении газа на нейтронную звезду.

Никки откинулась на спинку кресла и задумчиво, даже с некоторой мечтательностью заговорила:

– Нейтронная звезда – последняя ступенька перед чёрной дырой. Стоит звезде в несколько раз увеличить свою массу, и она сколлапсирует, сожмётся до радиуса чёрной дыры, который вычислил немецкий астроном Карл Шварцшильд. Уровень искривления пространства вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр сопоставим, но нейтронные звёзды с их излучениями гораздо легче исследовать, чем невидимые чёрные дыры.

Нейтронная звезда – изумительно красивый объект. Его раскалённая поверхность состоит из полимерного железа, которое в миллион раз прочнее земной стали. Под этой корой простираются слои сверхтекучей нейтронной жидкости и сверхтяжёлых радиоактивных ядер, которые нестабильны в земных условиях. Ещё глубже нейтронная звезда представляет собой многокилометровый шар из ядерной материи или гигантское атомное ядро, которое не укладывается в обычную таблицу Менделеева.

Нейтронные звёзды относятся к чёрным дырам, как девушка с красивой прической к лысой женщине. Физики так и говорят: «Чёрные дыры не имеют волос». В отличие от нейтронных звёзд, чёрные дыры – предельно вырожденные объекты, у которых для внешнего наблюдателя доступны лишь несколько параметров: масса, скорость вращения и электрический заряд.

Поэтому нейтронные звёзды, которые наблюдаются на небе как пульсары, надолго останутся главной природной лабораторией для изучения искривлённого пространства. Если в каждый момент мы наблюдаем только половину Солнца, пульсар посылает нам лучи с поверхности раза в полтора большей, чем передняя полусфера, – из-за искривления пространства мы видим не только переднюю половину пульсара, но и часть задней.

Тут Никки спохватилась:

– Вернёмся к Шкловскому. Когда он опубликовал свою статью о Скорпионе X-1, пульсары ещё не были открыты – только через несколько месяцев, в июне 1967 года, английская аспирантка Джоселин Белл поймала первый сигнал от пульсара. Сейчас изучение пульсаров является одним из самых интересных направлений в астрономии, и все исследователи согласны со Шкловским в том, что рентгеновские пульсары получают свою энергию из падения вещества на поверхность нейтронной звезды.

Но Иосиф Самуилович был не просто астрономом-исследователем. Он был человеком космической эры, который всерьёз размышлял об обитаемости Вселенной и инопланетных цивилизациях. Он вспоминал октябрь 1961 года: «За четыре года до этого был запущен первый советский спутник, и энтузиазм, вызванный этим памятным событием, не остывал. Тогда наши космические дела были на подъёме. Только что мир стал свидетелем феерического полёта Гагарина. Позади был восторг, вызванный зрелищем обратной стороны Луны. Неизгладимое впечатление произвёл наш первый успешный полёт к Венере. Постоянно во мне жило ощущение, что я участник грандиозных по своей значимости исторических событий. Гордость и восторг переполняли меня».

Шкловский активно участвовал в развитии космонавтики. Для наблюдения ракет, летящих к Луне, он предложил идею «искусственной кометы». Лунник в полете должен был выпускать небольшие порции атомов натрия, светившиеся в лучах Солнца ярким жёлтым светом и показывавшие траекторию космического аппарата. Шкловский так описал испытание «искусственной кометы», которое он наблюдал с космодрома Капустин Яр после старта ракеты: «Светящаяся точка – ракета – перестала быть видимой. Неужели катастрофическая неудача? И вдруг прямо в зените блеснула яркая искра.

А потом по небу, как чернила по скатерти, стало расползаться ослепительно-красивое, ярчайшее пятно апельсинового цвета. Оно расплывалось медленно, и через полчаса его протяженность достигла 20 градусов. И только потом оно стало постепенно гаснуть…»

– Наверное, это светилась знаменитая двойная линия натрия, так называемый «проходимец»! – блеснул эрудицией Андрей.

Никки кивнула, ничуть не удивившись:

– За проект «искусственной кометы» Шкловский получил Ленинскую премию – высшую научную награду Советского Союза.

В 1962 году, к пятилетию запуска первого спутника Земли, Иосиф Шкловский опубликовал книгу «Вселенная. Жизнь. Разум», в которой обсуждал возможность существования инопланетных цивилизаций и проблемы связи с ними. Книга быстро стала широко известной, выдержала несколько переизданий и была переведена на английский язык. В ней учёный пришёл к выводу, что высокоразвитых цивилизаций, подобных земной, в нашей Галактике может и не быть.

– Как так не быть?! – опешила Галатея.

– Логика Шкловского была убедительна. Он отмечал: «Отличительная особенность разума – необычайно короткая временная шкала его развития. У вида Homo sapiens эта шкала исчислялась вначале сотнями и десятками тысяч лет. Однако с наступлением технологической эры темп развития катастрофически ускорился. Вид, наделённый разумом, выходит из равновесия с биосферой и вступает в фазу взрывной экспансии. На этой фазе развития разум перестает быть одним из средств, обеспечивающих выживание вида. Он становится могучим самостоятельным фактором».

– Что это значит? – спросила озадаченная Галатея.

– Например, что разумный человек должен выйти в космос и начать неограниченное завоевание Галактики, – ответила Никки.

– Это же очевидно, – удивилась Галатея. – Мы так и поступим!

– Шкловский продолжал: «Но в таком случае мы наблюдали бы космические проявления разумной жизни, т. е. своего рода „космические чудеса“. И здесь мы подходим к основному пункту: несмотря на неимоверно возросшую эффективность наших телескопов и приёмников радиации во всем диапазоне электромагнитных волн, никаких „космических чудес“ обнаружить не удалось. А ведь современная астрономия стала всеволновой! Не видно на небе никаких „сфер Дайсона“, не слышно позывных наших предполагаемых „братьев по разуму“, не наблюдаются следы космической строительной деятельности, никто никогда не посещал нашу старушку Землю…»

– Что такое сфера Дайсона? – спросил Андрей.

– Сейчас Земля перехватывает только ничтожную долю солнечного излучения, остальная световая энергия бесполезно улетает в космос. Сфера Дайсона названа по имени американского учёного Фримана Дайсона, который предложил данный астроинженерный проект. Это искусственная сфера вокруг звезды, которая перехватывает и использует всё её излучение. Сферы Дайсона должны светиться в инфракрасном диапазоне с нетипичным спектром, но таких объектов не было обнаружено.

– А если сверхцивилизациям вовсе не нужны сферы Дайсона? – спросил Андрей.

– Может быть. Нам трудно представить технологию и мышление цивилизации, которая опередила нас на тысячи или даже миллионы лет. Она может использовать другие источники энергии и совсем иначе, чем мы себе представляем. Кроме того, сфера Дайсона – весьма неустойчивый объект, строительство которого сопряжено с массой проблем.

Из отсутствия признаков деятельности сверхцивилизаций в космосе Иосиф Шкловский сделал вывод, что в обозримой Вселенной мы являемся практически единственной разумной расой с высоким уровнем технологического развития.

– Я не согласна! – воскликнула Галатея. – Не может быть, что мы одиноки во Вселенной! Такое космическое одиночество было бы странным… и даже ужасным…

– С Иосифом Шкловским многие не согласились, а известный польский фантаст Станислав Лем вступил с ним в публичную полемику. Лем и другие оппоненты Шкловского обоснованно считали, что нам трудно предсказать, какого рода астроинженерная деятельность будет присуща высокоразвитой цивилизации. Мы просто не знаем, что нам искать в космосе в качестве признаков инопланетян!

Шкловский настаивал: «„Молчание“ космоса представляет собой важнейший научный факт. Он требует объяснения, так как находится в очевидном противоречии с концепцией неограниченно развивающихся могучих сверхцивилизаций».

– Как сам Шкловский объяснял отсутствие других цивилизаций? – спросил Андрей. – Что произошло с другими живыми существами в нашей Галактике? Неужели никто из них не стал разумным видом?

– Шкловский предполагал, что разум в космосе может сам себя уничтожить – разрушая природу вокруг и создав ядерное оружие, способное уничтожить цивилизацию на планете. Он полагал, что разум из полезного изобретения природы, из признака, способствующего выживанию вида, превращается в фактор гибели разумных существ как вида. Он писал: «…не все „изобретения“ в конечном счете являются полезными для данного вида. Природа слепа, она действует „ощупью“, методом „проб и ошибок“. И вот оказывается, что огромная часть „изобретений“ не нужна и даже вредна для процветания вида. Так возникают „тупиковые ветви“ на стволе дерева эволюции. Количество таких ветвей неимоверно велико. По существу, история эволюции жизни на Земле – это кладбище видов. Характерным признаком эволюционного тупика у некоторого вида служит гипертрофия какой-нибудь функции, приводящая к прогрессивно растущему нарушению гармонии. Вспомним чудовищно гипертрофированные средства защиты и нападения (рога, панцири и пр.) у рептилий мезозоя. Или, например, неправдоподобно развитые клыки саблезубого тигра. И невольно напрашивается аналогия: а не являются ли современные гипертрофированные в высшей степени противоречивые „применения“ разума у вида Homo sapiens указанием на грядущий эволюционный тупик этого вида? Другими словами, не является ли самоубийственная деятельность человечества (чудовищное накопление ядерного оружия, уничтожение окружающей среды) такой же гипертрофией его развития, как рога и панцирь какого-нибудь трицератопса или клыки саблезубого тигра? Наконец, не является ли тупик возможным финалом эволюции разумных видов во Вселенной, что естественно объяснило бы её молчание?»

– Очень мрачный взгляд! – сказал Андрей.

– Лучше знать мрачный прогноз заранее – это даёт шанс его избежать. Ведь Шкловский считал проблему «молчания» космоса актуальной не только для астрономии, но и для предсказания будущего земного человечества: «Речь идет о реальном анализе перспектив развития человечества на достаточно долгий срок. Отсюда следует, что проблема внеземных цивилизаций – проблема не только астрономическая, техническая и биологическая, но и социологическая, вернее футурологическая».

– Если мы узнаем, почему космос «молчит», то поймём, какие опасности грозят разумному виду на пути его быстрого развития? – спросил Андрей.

– Да, это наш шанс избежать таких опасностей, – согласилась Никки.

– Шкловский жил давно. Неужели мы до сих пор не знаем, почему космос «молчит»? – удивилась Галатея.

– Нет, не знаем. Это сверхзагадка, которая за последние десятилетия стала ещё загадочнее. Астрономы установили, что только в нашей Галактике существует 100 миллиардов планет и, как минимум, миллиард из них расположен в «обитаемой зоне» – на таком расстоянии от звезды, где есть комфортная температура и вероятно наличие жидкой воды. Поэтому в Млечном Пути существуют сотни миллионов планет, на которых может возникнуть жизнь. Отсюда следует, что в Галактике должны возникнуть тысячи, а то и миллионы разумных рас. Почему же они молчат? Я часто думаю над проблемой «молчащего» космоса, которую называю проблемой Шкловского. Может, лишь немногим дано выйти в космос и овладеть космической радиосвязью? Или биологические смертные организмы на определённой стадии становятся кибернетическими бессмертными конструкциями и теряют присущие живым существам любопытство, стремление завоёвывать новые пространства? Или разум быстро переселяется в компьютеры и окукливается в виртуальном пространстве игровой жизни, где легко достичь воображаемого прогресса, и утрачивает интерес к реальному развитию? Полагаю, что проблема Шкловского исключительно важна – от её решения может зависеть судьба человечества.

– Мы тоже хотим думать над молчанием космоса! – заявила Галатея. – А ещё лучше – найти возле других звёзд братьев по разуму и подружиться с ними!

Никки вздохнула и сказала:

– Прежде чем искать дружбы с инопланетянами, хорошо бы научиться жить в мире с соседями по своей планете.

Примечания для любопытных

Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1985) – известный советский астрофизик, исследователь космических радио– и рентгеновских излучений, популяризатор науки. Лауреат Ленинской премии и член-корреспондент Академии наук СССР.

Крабовидная туманность – туманность, возникшая на месте взрыва сверхновой звезды. Этот взрыв в 1054 году наблюдали арабские и китайские астрономы. Туманность расположена на расстоянии в 6500 световых лет от Земли и расширяется со скоростью 1500 км/сек.

Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009) – выдающийся советский и российский физик-теоретик. Академик АН СССР и лауреат Нобелевской премии по физике (2003).

Таблица Менделеева – таблица химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 году. В ней химические элементы рассортированы по заряду атомных ядер (по числу протонов в них).

Скорпион Х-1 – самый сильный источник рентгеновского излучения на нашем небе (не считая Солнца). Находится в созвездии Скорпиона, на расстоянии в 9000 световых лет от Земли.

Радиус Шварцшильда – радиус чёрной дыры, полученный при решении уравнений Эйнштейна выдающимся немецким астрофизиком Карлом Шварцшильдом (1873–1916). На этом радиусе сила гравитации так велика, что свет с поверхности чёрной дыры не может улетать в космос.

Джоселин Белл (р. 1943) – знаменитая английская исследовательница, открывшая пульсары. Она не получила за это Нобелевскую премию, хотя её соавтор и научный руководитель – получил.

Фримен Дайсон (р. 1923) – известный американский физик-теоретик английского происхождения, профессор Принстонского университета. Кроме работ в области квантовой электродинамики, известен проектом «Сфера Дайсона».

Станислав Лем (1921–2006) – знаменитый польский писатель-фантаст, философ и футуролог. В книге «Сумма технологии» он полемизировал со Шкловским о возможности существования инопланетных цивилизаций.

Футуролог – специалист, пытающийся на научной основе предсказать будущее цивилизации.

Сказка о весёлом физике Гамове и о холодном дыхании горячей Вселенной

На следующий день Никки продолжила свои истории:

– Эта история началась в Одессе под артиллерийскую канонаду.

– Сегодня ты не пойдешь в школу – опять стреляют. Как бы десант не высадили… – озабоченно сказал отец сыну.

Георгий Гамов, родившийся в Одессе в 1904 в семье учителя гимназии, выросший во время Первой мировой войны и российской революции, впоследствии вспоминал: «Моё обучение носило спорадический характер, поскольку занятия часто отменялись, когда Одессу обстреливали вражеские корабли или когда греческие, французские, английские экспедиционные войска шли в штыковые атаки по главным улицам города на белые, красные и даже зелёные русские военные силы или когда русские войска различных мастей сражались между собой…»

Георгий увлекался физикой, астрономией и биологией; закончил школу в 1921 году. Одесский университет в те неспокойные годы не мог похвастать высоким уровнем обучения. Гамов решил поступать в Петроградский университет, где, как он слышал, возрождалась физика после застоя в революционные годы. Его отец продал фамильное серебро, чтобы дать сыну деньги на дорогу.

Худой, длинный – ростом выше двух метров – и никогда не унывающий, как истинный одессит, Гамов добрался до хмурого Петрограда и в 1926 году закончил физико-математический факультет университета. Юноша проявил себя талантливым теоретиком, и его приняли в аспирантуру, а в 1928 году отправили на полугодовую стажировку в Германию к Максу Борну. За эти шесть месяцев Гамов сделал своё первое серьёзное открытие, построив на квантовом принципе неопределённости теорию альфа-распада атомных ядер.

– Ничего не поняла! – воскликнула Галатея.

Никки объяснила:

– Атомные ядра состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Протоны отталкиваются друг от друга из-за одинакового электрического заряда, поэтому вроде бы ядро должно распадаться. Но этому препятствуют мощные ядерные силы, которые притягивают ядерные частицы друг к другу. Фактически вокруг ядра атома построена стена, которая не даёт его обитателям «разбежаться». Тем не менее экспериментаторы установили, что тяжёлые атомные ядра могут претерпевать альфа-распад, то есть выпускать альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов и являющуюся ядром атома гелия. Теоретики не могли понять, как альфа-частица преодолевает барьер из притягивающих ядерных сил, пробивают эту, на первый взгляд, непреодолимую стену.

– Это так же странно, как если бы спутник на поверхности Земли преодолел земное тяготение и вышел в космос без ракеты-носителя! – сказал Андрей и вопросительно посмотрел на Никки.

– Очень точное сравнение. Для решения проблемы альфа-распада Гамов учёл недавнюю работу де Бройля, согласно которой каждая частица является волной. Он показал: так как альфа-частица одновременно является и волной де Бройля, то она может оказаться снаружи потенциального барьера.

– То есть волна де Бройля может перехлестывать через стену? – уточнил Андрей.

– Верно. Эта работа принесла Гамову известность. Возвращаясь из успешной стажировки в Ленинград, Гамов на один день заехал в Копенгаген – повидаться с легендарным Нильсом Бором. После разговора с молодым учёным Бор предложил ему стипендию на годичное пребывание в своём институте. В результате Гамов пробыл в Европе до весны 1931 года, посетив Лейден, Кембридж и познакомившись со многими выдающимися учёными.

В Советский Союз Гамов вернулся в сиянии славы: о нём писали советские газеты, ему посвящали стихи. В марте 1932 года учёный, которому на тот момент исполнилось всего 28 лет, был избран членом-корреспондентом АН СССР. Он навсегда остался в истории самым молодым членом Академии наук.

Гамов стал инициатором создания первого в стране циклотрона – ускорителя элементарных частиц.

В 1931 году он женился на Любе Вохминцевой, выпускнице физмата МГУ.

Одновременно Гамова перестали пускать за границу: европейцы пригласили его на международную конференцию в Рим, но советские власти не разрешили ему выезд.

Уже привыкшему к европейской вольности учёному запрет категорически не понравился, и он стал искать возможность нелегального выезда вместе с женой. Перебрав разные варианты, летом 1932 года супруги Гамовы решили переплыть на лёгкой байдарке Чёрное море – из Крыма в Турцию. Однако сильные волны и встречный ветер помешали этому отчаянно смелому мероприятию. Через два дня шторм пригнал байдарку с измученными путешественниками к крымскому берегу возле Балаклавской бухты.

В 1933 году знаменитые учёные Нильс Бор и Поль Ланжевен пригласили Гамова стать делегатом от СССР на Сольвеевском конгрессе, ему чудом удалось выехать за границу вместе с женой – и он больше не вернулся в Советский Союз, за что в 1938 году был исключён из членов Академии наук. Есть мнение, что именно невозвращение Гамова стало причиной запрета на выезд за границу другим советским учёным, включая Петра Капицу, который в это время работал в Англии под руководством Резерфорда: Капица 13 лет жил в Кембридже вместе с женой Анной и двумя сыновьями, в 1934-м на какое-то время вернулся в СССР, и назад его не отпустили.

Впоследствии Пётр Капица стал основателем Института физических проблем и Московского физико-технического института (МФТИ) – одного из сильнейших университетов мира. В 1937 году он открыл явление сверхтекучести гелия, за что в 1978 году получил Нобелевскую премию по физике. Его сын Сергей тоже стал физиком и профессором МФТИ, а кроме того, в течение 39 лет был телеведущим великолепной научно-популярной программы «Очевидное – невероятное».

В 1934 году Гамов переехал в столицу США, где возглавил кафедру теоретической физики в Университете Джорджа Вашингтона. Там он подготовил ряд важных научных работ и совершил два дальновидных дела: в 1935 году взял на работу Эдварда Теллера, с которым познакомился в институте Бора, и организовал ежегодную конференцию по теоретической физике, на которую приглашали 20–30 известных физиков.

Выдающийся физик Эдвард Теллер, переехавший в Америку по приглашению Гамова и впоследствии сыгравший ключевую роль в создании атомной и термоядерной бомбы в США, так вспоминал свои годы в Вашингтоне: «Я ценил Гамова. Он генерировал по новой теории каждый день, что делало его подобием какой-то природной стихии. Но, если теория была бессмыслицей, как в большинстве случаев и оказывалось, можно было сказать об этом Гамову прямо, без околичностей. В отличие от многих гениев, Джо отбрасывал свои теории так же легко, как и создавал. В редких случаях, когда я не мог опровергнуть его идею, мы писали совместную статью. Обычно она была хорошей, потому что Гамов имел отличный вкус в выборе тем».

На конференции Гамова приезжали такие звёзды физики, как Бор, Ферми, Чандрасекар и Бете. В конференции 1938 года, посвящённой астрофизике и ядерным реакциям на Солнце, участвовали Критчфилд – студент Гамова – и уже видный физик Бете. Теллер вспоминал:

«В результате конференции Критчфилд сделал верное предположение о реакции между протонами как источнике солнечной энергии… Вскоре после конференции он (Ганс Бете) опубликовал важную работу по обсуждавшимся темам, описывающим роль, которую играет углерод в цикле звёздных термоядерных реакций. Эта работа сыграла существенную роль в Нобелевской премии Ганса».

Гамов был знаком с Эйнштейном. Он с юности интересовался общей теорией относительности и даже был учеником А. А. Фридмана до его трагической смерти. Беседы с Эйнштейном способствовали росту интереса Гамова к космологии. Его самым выдающимся научным достижением является горячая модель Вселенной, над которой он начал работать в 1946 году. В 1948 году Гамов ввел понятие Большого взрыва как начала расширения Вселенной в виде горячего облака «улема» – так учёный назвал гипотетическое протовещество из смеси нейтронов, протонов, электронов и квантов света. Он разработал реалистичную схему образования химических элементов во время Большого взрыва.

Гамов придерживался простой и элегантной схемы динамики Вселенной, включающей предыдущий цикл сжатия. В своей книге «Создание Вселенной» он писал:

«Мы можем задать себе два важных вопроса: почему наша Вселенная была в таком сильно сжатом состоянии и почему она стала расширяться? Простейший и математически наиболее корректный ответ состоит в том, что Большое сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в ещё более раннюю эру, и что нынешнее расширение есть просто „упругий“ отскок, который начался, как только максимально возможная плотность была достигнута».

Концепция Вселенной, расширяющейся после сильного сжатия, безупречно красива, но механизм «упругого отскока» во времена Гамова был совершенно непонятен. Высказать соображение о таком отскоке до нахождения его реального механизма мог лишь такой смелый человек, каким был Гамов.

Роль яркой личности Гамова в космологии лучше всего характеризует знаменитый физик, нобелевский лауреат Альвен, известный противник теории Большого взрыва. С заметной досадой он отметил в своей книге «Космическая плазма»: «Эта „космология большого взрыва“ стала к настоящему времени общепринятой в основном благодаря энергичному характеру самого Гамова».

Некоторые учёные отвергали идею взрывного образования Вселенной, считая, что наблюдательный факт расширения Вселенной вовсе не означает того, что Вселенная раньше была маленьким и плотным объектом, впоследствии взорвавшимся. В том же 1948 году американские учёные Бонди и Голд выдвинули космологическую теорию, которая предполагала стационарное расширение Вселенной при постоянном равномерном возникновении материи без каких-либо взрывов (причина такого творения материи не указывалась).

Активным соавтором и пропагандистом этой теории был англичанин Фред Хойл, написавший в 1950 году, что наблюдаемое расширение Вселенной можно обеспечить, предполагая постоянное создание каким-то образом одного атома водорода в год в объеме «небоскрёба средних размеров». Интересно, что именно Хойлу принадлежит честь введения термина «Большой взрыв», хотя он использовал его с иронией и в отрицательном смысле: «Эта идея большого взрыва выглядит для меня неприемлемой…»

Теория Бонди-Голда потеряла своих сторонников после накопления новых наблюдательных данных, свидетельствовавших в пользу взрывного образования Вселенной, а броский термин «Большой взрыв» потерял ироничный оттенок.

Развивая теорию Большого взрыва, в 1948 году Гамов вместе со своим студентом Альфером и молодым учёным Херманом предсказал существование теплового излучения, оставшегося после остывания молодой и горячей Вселенной.

– А почему оно должно существовать? – спросила недоверчивая Галатея.

– Взрыв, породивший Вселенную, сопровождался вспышкой мощного электромагнитного излучения самых коротких длин волн. Это было очень горячее облако излучения – или облако излучения очень горячего тела – самой Вселенной. По мере своего расширения это облако остывало, а Вселенная превращалась в практически пустое тёмное место с островами из звёзд. Спустя миллиарды лет после Большого взрыва его тепловое эхо очень сильно остыло, и его стали называть «реликтовым», то есть «оставшимся от прошлых времён». Согласно оценкам Гамова, Альфера и Хермана, оно должно быть аналогично излучению чёрного тела с температурой всего в несколько градусов Кельвина.

Галатея задала уточняющий вопрос:

– То есть сейчас Вселенная светится как лампочка Планка, но очень холодная?

– Да. В 1950 году в популярной статье в «Физика сегодня» («Physics Today») Гамов назвал цифру в 3 градуса Кельвина, сделав тем самым необычайно точное предсказание.

Известный физик Стивен Вайнберг написал в своей знаменитой книге «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной»: «Гамов, Альфер и Херман заслуживают колоссального уважения, помимо всего прочего, за то, что они серьёзно захотели воспринять раннюю Вселенную и исследовали то, что должны сказать известные физические законы о первых трёх минутах».

Джон Мазер, нобелевский лауреат 2006 года, получивший премию за исследования реликтового излучения, подробно обсуждает труды группы Гамова в книге «Самый первый свет», написанной вместе с Бослоу.

Во-первых, он отмечает его популярные книги:

«В 40-х годах Гамов, живя в Соединенных Штатах, стал хорошо известным за его популярные книги по физике и астрономии, такие как „Мистер Томпкинс в Стране Чудес“, „Раз, два, три… бесконечность“ – книги, которые вдохновили многих юных, включая меня, стать астрономами и физиками».

Во-вторых, он говорит о том, что Гамов, Альфер и Херман были реальными кандидатами на Нобелевскую премию за предсказание реликтового излучения и оценку его температуры, и детально обсуждает, почему этого не произошло.

Никки отметила:

– Я специально изучала историю открытия реликтовых излучений, потому что меня очень интересует реликтовое гравитационное излучение, таящее немало загадок. Жаль, что группа Гамова не получила заслуженного признания за вклад в изучение древнейшего света Вселенной. Одной из причин этого была репутация Гамова, неутомимого шутника и любителя розыгрышей, далеко не всегда безобидных. Так, написав со своим студентом Альфером статью, он ради шутки вставил соавтором и физика Бете, чтобы первые буквы фамилий дали последовательность первых букв греческого алфавита: Альфер, Бете, Гамов. Более того, он уговаривал Хермана сменить фамилию на Дельтер и стать четвертым в статье, но тот почему-то наотрез отказался…

Когда Гамова избрали членом Американской академии наук, он прислал в журнал академии научную статью по биологии, соавтором которой указал мистера Томпкинса – юмористического персонажа своих научно-популярных книг. Академия под благовидным предлогом отклонила статью – кстати весьма интересную, вполне нобелевского уровня. Тогда Гамов убрал из соавторов вымышленного Томпкинса и опубликовал статью в докладах Датской академии наук, членом которой он тоже являлся.

В этой статье учёный обнародовал ещё одно яркое открытие: идею генетического кода, выдвинутую им в 1954 году. В то время было известно, что белки состоят из двадцати типов аминокислотных остатков, последовательность которых в длинной белковой цепи определяется ДНК или молекулой дезоксирибонуклеиновой кислоты – носителем генетической информации, тоже представляющей длинную цепь, но лишь из четырёх типов нуклеотидных остатков. Гамов предположил, что клетка использует генетический код, переводящий четырёхбуквенный текст ДНК в двадцатибуквенный текст белка. Согласно его гипотезе, этот код должен быть триплетным – набор из трёх разных соседних нуклеотидов на цепи ДНК определит какую-то аминокислоту белка.

– Караул! – закричала Галатея. – Я тону в нуклеотидах и аминокислотах!

Вмешалась биолог Дзинтара:

– Сейчас объясню. Все живые организмы сконструированы из множества белков различной структуры и назначения. Но все белки состоят из 20 типов аминокислотных остатков.

– Аналогия: толстые книги написаны при использовании всего тридцати трёх букв! – Андрей захотел помочь сестре в понимании генетики.

– Верно. В 1953 году Уотсон и Крик показали, что наследственная информация содержится в ДНК – молекуле, которая, несмотря на свою колоссальную длину, состоит всего из четырёх типов кирпичиков-нуклеотидов.

– Это была зашифрованная книга, в которой использовали всего четыре буквы! – снова помог Андрей.

– Гамов быстро понял, что должен существовать некий код, способ задания 20-ти аминокислотных остатков с помощью 4-х нуклеотидов.

– Он понял, что нужен словарик для перевода слов с одного, четырёхбуквенного, языка на другой, двадцатибуквенный!

– Не совсем. Мне нравится твоя книжная аналогия, но во времена Гамова никто не мог прочесть эти генетические книги, и вопрос о переводе ещё не стоял. Пока сопоставлялись два алфавита. Представим, что нам в руки попали две шифрованные книги, написанные с помощью разного алфавита, и мы знаем, что из четырёхбуквенного текста как-то можно получить двадцатибуквенный. Но как именно? Если бы один аминокислотный остаток в белке соответствовал одному типу нуклеотида в ДНК, тогда ДНК со своей четвёркой нуклеотидов могла бы программировать всего четыре аминокислотных остатка, а не два десятка. Если предположить, что каждый аминокислотный остаток кодируется парой из двух нуклеотидов, то получилось бы 16 возможных вариантов. Гамов предположил, что каждый аминокислотный остаток определяется триплетом из трёх нуклеотидов. Значит, получаем 64 комбинации нуклеотидных троек – их с лихвой хватит на 20 аминокислотных остатков. Таким образом, Гамов предложил «словарик» для перевода букв одного неизвестного языка в буквы другого неизвестного языка. Четвёрку нуклеотидов ДНК обозначают буквами А, Г, Ц, Т. Тройке нуклеотидов ЦАГ соответствует аминокислота глутамин, а триплету ААГ – аминокислота лизин. Именно так четырёхбуквенная ДНК программирует размещение двадцати аминокислот в белковой цепи.

– Сейчас понятно! – кивнула Галатея матери.

Никки продолжила:

– Важной макромолекулой – посредником между ДНК и белками является РНК, или рибонуклеиновая кислота. Гамов создал полушутливый «РНК-клуб» из двадцати (по числу известных тогда аминокислот) видных биологов и физиков, которые работали в генетике. Отличительным признаком члена РНК-клуба был специально изготовленный галстук с рисунком РНК и булавкой. Впоследствии гипотеза Гамова подтвердилась – в октябре 1968 года учёные Холли, Корана и Ниренберг получили Нобелевскую премию за установление генетического кода.

– То есть они установили, каким комбинациям из трёх нуклеотидов соответствуют двадцать аминокислотных остатков? – спросил Андрей.

– Верно. К сожалению, Гамов умер в августе 1968 года, за два месяца до присуждения Нобелевской премии за расшифровку кода. Один из открывателей спиральной структуры ДНК, нобелевский лауреат Дж. Уотсон, написал в 2001 году книгу о событиях тех лет под названием «Гены, девушки и Гамов. После двойной спирали». В ней он отметил роль Гамова в расшифровке механизма наследственности и привёл фотокопии писем учёного, написанные Крику и ему самому в 1960-х годах.

Известный астрофизик Иосиф Шкловский заявил:

«Я считаю Г. А. Гамова одним из крупнейших русских физиков XX века. В конце концов, от учёного остаются только конкретные результаты его труда. Применяя футбольную аналогию, имеют реальное значение не изящные финты и дриблинг, а забитые голы. В этом сказывается жестокость науки. Гамов обессмертил своё имя тремя выдающимися „голами“: 1) Теория альфа-распада, более обще – „подбарьерных процессов“ (1928 г.), 2) Теория „горячей Вселенной“ и как следствие её – предсказание реликтового излучения (1948 г.), обнаружение которого в 1965 году ознаменовало собой новый этап в космологии, и 3) Открытие феномена генетического кода (1953 г.) – фундамента современной биологии».

Гамов не получил Нобелевскую премию ни за одно из своих великих открытий, и многие учёные считают это несправедливым.

В перечень «нобелевских» достижений Гамова можно добавить и гипотезу о том, что Большой взрыв – результат предыдущего Большого коллапса, а нынешнее расширение Вселенной является своеобразным упругим отскоком после достижения максимального сжатия.

Эта гипотеза не получила достаточного теоретического и наблюдательного подтверждения, но, возможно, именно в этом направлении будет разгадана главная тайна образования нашего мира.

Гамов доказал, что астрофизики могут определить не только химический состав звёзд, но и химический состав самой Вселенной, а также заглянуть в первые минуты существования нашего мира. Никто раньше так смело не брался за решение этих сложных вопросов.

Если не считать премию Калинги за популяризацию науки, выдающийся учёный Гамов не получил никаких премий и наград за свои научные работы. Но о ком ещё писали книги нобелевские лауреаты?

Людмила Карачкина, астроном Крымской астрофизической обсерватории и знаменитый открыватель астероидов, назвала в честь учёного астероид номер 8816 (Гамов), который она обнаружила 17 декабря 1984 года.

Это название было официально принято Международным астрономическим союзом. Обоснование было следующее: «Назван в память об учёном Георгии Гамове (1904–1968). Его главные научные достижения включают создание теории альфа– и бета-распада и теорию взрывающейся Вселенной. Гамов был также первым в расшифровке генетического кода. Он работал в институтах по всему миру: в Одессе, Ленинграде, Геттингене, Копенгагене, Кембридже и в США. С помощью своих популярных лекций, статей и книг он способствовал подъёму общественного интереса к науке. В 1956 году он получил от ЮНЕСКО премию Калинги за популяризацию науки. Имя было предложено С. П. Капицей и поддержано открывателем».

Людмила Карачкина уточнила впоследствии, что предложение назвать астероид в честь Гамова было выдвинуто всей семьёй Сергея Капицы, включая Анну Алексеевну, супругу Петра Леонидовича Капицы.

Гамов стал легендой. Писатель Александр Иличевский, выпускник Московского физико-технического института, вспоминает на станицах журнала «Новый мир»:

«В юности для нас, студентов МФТИ, фигура Гамова была овеяна ореолом дерзновенной смелости: как и положено для того, кто рискнул жизнью не столько ради свободы, сколько ради добычи заветного руна. Мы знали, что Ландау сидел в тюрьме и из лап Берии его вытаскивал Капица. Мы знали, что Сахаров штудировал монографию Гейтлера на нарах в теплушке, по дороге в эвакуацию. Но прорыв Гамова на байдарке с любимой девушкой за горизонт, а потом и в будущее науки – был вне конкуренции. И остаётся таковым и сейчас».

Примечания для любопытных

Георгий Антонович Гамов (1904–1968) – выдающийся физик-теоретик, работавший в России, Европе и США. Стал самым молодым в истории членом-корреспондентом АН СССР и России: избран в Академию наук в возрасте 28 лет. Автор ярких работ в области квантовой теории, космологии и биологии. Известный популяризатор науки.

Эдвард Теллер (1908–2003) – знаменитый американский физик венгерского происхождения. Один из создателей ядерного оружия в США.

Ганс Бете (1906–2005) – известный американский физик германского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по физике (1967) за работы по термоядерным реакциям на звёздах.

Поль Ланжевен (1872–1946) – выдающийся французский физик, ученик Пьера Кюри.

Энрико Ферми (1901–1954) – выдающийся итальянский физик, один из создателей первого атомного реактора в США. Лауреат Нобелевской премии по физике (1938).

Субраманьян Чандрасекар (1910–1995) – известный американский астрофизик и физик-теоретик тамильского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по физике (1983).

Ханнес Альвен (1908–1995) – известный шведский физик и астрофизик. Лауреат Нобелевской премии (1970) за работы в области магнитогидродинамики.

Александр Александрович Фридман (1888–1925) – выдающийся физик, основатель современной космологии. Решил уравнение Эйнштейна и показал, что наша Вселенная не стационарна и расширяется.

Герман Бонди (1919–2005) – известный американский астроном, соавтор теории стационарной Вселенной, согласно которой Вселенная расширяется без начального взрыва, а вещество в ней всё время рождается по неизвестной пока причине.

Томас Голд (1920–2004) – известный американский астроном, соавтор теории стационарной Вселенной.

Фред Хойл (1915–2001) – известный британский физик-теоретик, автор нескольких научно-фантастических романов. Автор термина «Большой взрыв» и соавтор теории стационарной Вселенной, которой в середине XX века придерживалась половина космологов.

Ральф Альфер (1921–2007) – известный американский физик-теоретик, ученик Гамова. Соавтор предсказания реликтового излучения и его температуры.

Роберт Херман (1914–1997) – известный американский физик-теоретик. Соавтор Гамова и Альфера по статьям, предсказывающим существование реликтового излучения с температурой в несколько градусов Кельвина.

Стивен Вайнберг (р. 1933) – известный американский физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии по физике (1979), вместе с Шелдоном Ли Глэшоу и Абдусом Саламом.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – макромолекулы, обеспечивающие хранение, передачу и реализацию генетической информации в живых организмах.

РНК (рибонуклеиновая кислота) – макромолекулы, которые участвуют в кодировании генетической информации и программировании синтеза белков и являются посредниками в передаче информации от ДНК к белкам.

Джеймс Уотсон (р. 1928) – знаменитый биолог, вместе с Фрэнсисом Криком (1916–2004) соавтор открытия в 1953 году структуры ДНК и лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1962).

Пётр Леонидович Капица (1894–1984) – знаменитый учёный, работавший в России и Англии. Лауреат Нобелевской премии по физике (1978).

Сергей Петрович Капица (1928–2012) – известный советский физик, профессор МФТИ, ведущий знаменитой научно-популярной телепередачи «Очевидное – невероятное». Лауреат Государственной премии СССР (1980). Сын П. Л. Капицы.

Роберт Холли (1922–1993) – известный американский биохимик. Вместе с Харом Корана и Маршаллом Ниренбергом лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1968) «за расшифровку генетического кода».

Хар Корана (1922–2011) – известный американский и индийский биолог. Вместе с Робертом Холли и Маршаллом Ниренбергом лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1968) «за расшифровку генетического кода».

Маршалл Ниренберг (1927–2010) – известный американский биохимик и генетик. Вместе с Харом Корана и Робертом Холли лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1968) «за расшифровку генетического кода».

Людмила Георгиевна Карачкина (р. 1948) – известный крымский астроном, открыватель 130 новых астероидов. Назвала три астероида в честь Георгия Гамова, Петра Капицы и Сергея Капицы.

Сказка о телефонистах Пензиасе и Вильсоне, расслышавших шёпот космоса

– Как хорошо, что вы долго у нас гостите! – воскликнула Галатея сразу после ужина.

– Намёк поняла, – кивнула Никки. – Завтра я уезжаю, но сегодня успею рассказать об очень интересном событии в истории науки. И начну свою историю с вокзала.

Когда группа детей отправляется в заграничное путешествие, то обычно на перроне царят весёлый шум, напутствия от многочисленных взволнованных родителей и общая атмосфера ветра странствий. Однако в этот раз на железнодорожном вокзале собрались дети без сопровождающих взрослых. У каждого в руках был чемоданчик с вещами и одной фотографией, а в кармане – скромная сумма денег в десять немецких марок. Ни игрушек, ни книжек, ни родителей. Запрещено!

Среди детей и подростков стоял шестилетний мальчик, который без мамы и папы чувствовал себя совершенно потерянным. Его звали Арно, и он не понимал, почему в такую дальнюю поездку на поезде – а потом ещё на пароходе! – он должен ехать один, среди незнакомых детей, растерянных не меньше его.

Дело в том, что в 1933 году – год рождения Арно – к власти в Германии пришли нацисты, которые не отличались человеколюбием, – и особенно они не любили евреев. Мальчик Арно, родившийся в еврейской семье в немецком городе Мюнхене, рос – и с ним с каждым годом рос антисемитизм нацистов. Когда мальчику исполнилось два года, его вместе с другими евреями лишили права на гражданство Германии. Мальчику исполнилось пять лет, когда ночь с 9 на 10 ноября 1938 года стала «Хрустальной ночью» – в Германии начались еврейские погромы, после чего на следующий день городские тротуары были усыпаны осколками стекла от разбитых витрин магазинов.

В эти трагические дни и началась уникальная международная операция по спасению еврейских детей из Германии, Австрии, Польши и Чехословакии. Была создана «Организация детей-беженцев», которая добилась от Великобритании разрешения на пересечение британской границы детьми без виз и родителей. Нацисты согласились выпустить детей из Германии, но запретили использовать немецкие порты. Поэтому дети выезжали поездами в нейтральную Голландию, а затем на паромах отправлялись в Англию. Нацисты составили список немногочисленных вещей, которые могли взять с собой маленькие беженцы, и, кроме того, запретили родителям провожать их на вокзальных перронах.

Первый пароход с детьми-беженцами прибыл в английский порт Харвич 2 декабря 1938 года. За девять месяцев, оставшихся до начала Второй мировой войны (1 сентября 1939 года), в Британию было вывезено около 10 000 детей. Именно таким ребенком-беженцем был Арно Пензиас, которого в шестилетнем возрасте вывезли из Германии в рамках операции «Киндертранспорт» («Детский транспорт»).

Обычно спасённые дети попадали в новые семьи, к опекунам. Немногие смогли увидеть своих родителей после войны, потому что огромное количество еврейских семей в Европе было уничтожено нацистами, озверевшими в ходе катастрофической для них войны. Арно повезло – его разлука с мамой и папой оказалась недолгой: спустя несколько недель после отъезда мальчика в Британию родители сумели сами бежать из Германии, и семья воссоединилась. Надо ли объяснять, какой радостной была эта встреча, особенно на фоне трагических событий тех лет.

Арно с родителями поселился в США, где вырос и закончил Колумбийский университет. В 1961 году, за год до защиты диссертации, молодой человек стал работать научным сотрудником в лаборатории компании «Белл» (Bell Telephone Laboratories). В те годы компания «Белл» специализировалась в области телефонной и радиосвязи, активно работала с NASA над проектом «Эхо» – запуском в космос двух спутников, которые представляли собой надутые шары из металлизированной плёнки: один – диаметром в 30,5 метров, другой – в 41 метр. Эти огромные шары использовались для космической связи как пассивные отражатели радиоволн. Передающая станция с Земли посылала в направлении спутника-баллона радиоволну; она отражалась от него и улавливалась чувствительной приёмной антенной, сделанной в виде огромного рупора и установленной в другой точке Земли. Хотя возможность передачи радиосигнала этим способом была подтверждена, более перспективными оказались активные спутники-ретрансляторы, которые улавливали сигнал с Земли, значительно его усиливали и снова отправляли вниз. Спутник-ретранслятор «Телстар» был создан в лаборатории «Белл». Для приёма сигнала с него использовалась антенна-рупор, напоминавшая лежащий на земле огромный рог. После успешного завершения экспериментов с «Телстаром» антенна больше не использовалась.

Пензиас предложил руководству лаборатории «Белл» модифицировать антенну для радиоастрономических наблюдений. Руководство согласилось.

Весной 1963 года к Пензиасу присоединился американский физик Роберт Вильсон, выходец из Техаса.

Вместе они стали превращать антенну-рупор в сверхчувствительный инструмент для радиоастрономических наблюдений.

С самого начала Пензиас и Вильсон знали, что в антенне есть заметный дефект – она «шумела», то есть ловила непонятный радиошум. Инженеры, которые прежде работали на ней и регистрировали сигналы спутников, пытались избавиться от помех, но у них ничего не получалось.

Пензиасу и Вильсону тоже мешал этот постоянный шум в антенне, не связанный с каким-либо известным фактором. Сначала они рассмотрели все возможные причины шума – например, воздействие радиоизлучения огромного города Нью-Йорка, расположенного неподалёку. Однако все известные источники радиошума располагались в определённых направлениях, а таинственный шум шёл отовсюду.

За 1964 год учёные безуспешно испробовали самые разные варианты избавления от шума, включая очистку антенны от голубиного помёта, который авторы научной статьи деликатно назвали «белым диэлектрическим веществом», а также изгнание самих голубей.

Ничего не помогало! Антенна упорно регистрировала шум, который соответствовал радиоизлучению чёрного тела с температурой в 3,5 градуса Кельвина.

– Что это значит? – спросила Галатея.

– Как мы уже узнали из другой сказки, Планк вывел универсальную формулу излучения тела в зависимости от его температуры. Во-первых, эта формула задавала вид спектра тела – то есть зависимость интенсивности его свечения от длины волны. Планковский спектр описывался плавной кривой с одним «горбом», или максимумом, на определённой длине волны. Во-вторых, из этой формулы следовало, что при нагреве тела интенсивность свечения росла и одновременно максимум спектра смещался в сторону коротких волн. Умеренно нагретый кусок металла или холодная звезда слабо светятся красным, нагретые сильнее – жёлтым, а самые горячие звёзды оказываются самыми яркими и голубыми. Верно и обратное: если тело остужать, его спектр смещается в длинные волны: сначала до инфракрасного излучения, а потом до радиодиапазона. Радиоизлучение с температурой в 3,5 градуса по Кельвину означает, что такие радиоволны может излучать тело, имеющее температуру минус 270 градусов по Цельсию.

– Это температура ужасного мороза! – удивилась Галатея.

– Верно. Пензиас и Вильсон получили странный результат – их антенна шумела так, словно Вселенная была заполнена очень холодным веществом. Ещё страннее то, что интенсивность этого излучения не зависела от направления. Все известные обычные радиоисточники были локальными: отворачивая от них антенну, можно убрать и сигнал. Но странный шум шёл отовсюду, из любой точки на небе.

В начале 1965 года Пензиас узнал от знакомого физика, что в Принстонском университете, который находился всего в полусотне километров от их радиоантенны, группа знаменитого учёного Дикке работает над поиском остаточного излучения от взорвавшейся Вселенной – и они могут знать, что происходит с антенной-рупором, с которой возились Пензиас и Вильсон.

Пензиас набрался смелости и позвонил Дикке.

Роберт Дикке был известным профессором легендарного Принстонского университета. Кроме Гамова, другие учёные тоже приходили к мысли об осциллирующей Вселенной. Идею об её расширении как о фазе, следующей за предшествовавшим сжатием, разрабатывал и Роберт Дикке. Он отмечал: «…я боюсь говорить о „рождении“ Вселенной, ибо полагаю, что Вселенная не была „рождена“, а скорее эволюционировала из прежней коллапсированной фазы… Можно полагать, что во время коллапса Вселенной энергия электромагнитного поля и нейтринного излучения чрезвычайно возрастает аналогично излучению при… сжатии, пока, наконец, не достигается тепловое равновесие при температуре свыше десяти миллиардов градусов Кельвина. Неизвестным в настоящее время образом этот коллапс может быть обратим, т. е. Вселенная расширяется от этого очень горячего состояния».

Дикке понимал, что излучение горячей вначале Вселенной может до сих пор существовать в космосе. Летом 1964 года он пришёл к выводу, что это остаточное излучение можно зарегистрировать приборами.

Советские астрофизики А. П. Дорошкевич и И. Д. Новиков в этом же 1964 году рассчитали, насколько интенсивность гипотетического реликтового излучения должна превышать в сантиметровом диапазоне интенсивность излучения обычных радиоисточников. Этот расчёт показал возможность экспериментального обнаружения реликтового излучения.

Роберт Дикке привлёк своих сотрудников к проекту. Джим Пибблс занялся теоретическими расчётами интенсивности излучения. Питер Ролл и Дэвид Вилкинсон стали готовить эксперимент для обнаружения этого первичного космологического излучения.

В начале 1965 года Пибблс оценил, что температура остаточного излучения Вселенной не может быть больше 10 градусов Кельвина. Он послал эти результаты в научный журнал и включил их в свой доклад в Лаборатории прикладной физики в Мериленде. Слухи о планируемом эксперименте начали распространяться и достигли Пензиаса с Вильсоном. Когда Пензиас позвонил Дикке, тот обедал с Пибблсом, Роллом и Вилкинсоном. Дикке поднял трубку, и молодой человек, представившись, стал рассказывать о странном шуме, который они с другом регистрировали в своей антенне. Профессор задал несколько вопросов и назначил встречу. Положив трубку, он повернулся к коллегам и сказал полушутливо:

– Ребята, нас опередили!

Через несколько дней, в конце марта 1965 года, Дикке, Ролл и Вилкинсон приехали к Пензиасу и Вильсону. Пензиас рассказал об их с Вильсоном результатах, а потом гости осмотрели антенну. Пензиас вспоминал, что учёные из Принстона сначала решили, что приехали к паре «телефонистов», но, когда Дикке узнал, что измеренная температура радиошума равна 3 градусам Кельвина, он повернулся к своей команде и сказал: «Они получили то, что надо!»

Учёные из лаборатории «Белл» и астрономы из Принстона сумели договориться, и в американском журнале «Письма в астрофизический журнал» было опубликовано сразу две работы. Одна, статья Пензиаса и Вильсона, рассказывала об открытии постоянного радиошума в космосе, а другая – Дикке, Пибблса, Ролла и Вилкинсона – излагала теоретическую интерпретацию реликтового шума как холодного эха древнего горячего взрыва, а также сообщала о готовящемся эксперименте в группе Дикке. Пятистраничную статью группы Дикке в журнале почему-то разместили первой, а после неё поставили одностраничную заметку Пензиаса и Вильсона. Однако Нобелевский комитет расставил эти работы в ином порядке.

История с открытием остаточного излучения получила драматическое продолжение. Ранняя статья Пибблса была отвергнута журналом на основании того, что 90 % результатов были получены ранее – в группе Гамова, Альфера и Хермана. Рецензенты даже прислали Пибблсу список работ этой группы.

Тем не менее в статье Дикке-Пибблса-Ролла-Вилкинсона, которая была написана позже и опубликована вместе с заметкой Пензиаса и Вильсона, работы группы Гамова упоминались одной строкой как пример исследований в области нуклеосинтеза – без пояснений, что именно эта группа ещё 17 лет назад получила правильные теоретические оценки реликтового излучения. Впоследствии Пибблс клялся, что ни он, ни Дикке не знали работ группы Гамова.

Зная, что рецензенты заранее указали Пибблсу на работы гамовской группы, Альфер сказал: «Джим Пибблс знал о наших работах, если он не беспробудно туп!»

Никки нахмурилась:

– Учёные, которые сознательно не ссылаются на работы предшественников, подобны торгашам, которые изо всех сил стараются продать свой несвежий товар. Любой учёный должен заботиться о безошибочности обзора работ предшественников так же, как о безошибочности своих математических вычислений. Пожалуй, сделать математическую ошибку предпочтительнее, чем не сослаться на коллегу, который сделал что-то раньше тебя или которому твоя работа чем-то обязана.

Десяток статей, опубликованных в 1948 году Гамовым, Альфером и Херманом, а также диссертацию Альфера, защищенную тогда же, сейчас тщательно изучают историки науки и учёные. Ведь с них началась современная космология горячей расширяющейся Вселенной, которая победила две другие теории: модель стационарной Вселенной Бонди-Голда-Хойла и модель холодной Вселенной советского физика Якова Борисовича Зельдовича.

Одним из самых старательных исследователей работ группы Гамова стал Джим Пибблс, который до глубокой старости публиковал науковедческие материалы о легендарных статьях 1948 года.

В 1978 году Пензиас и Вильсон поделили половину Нобелевской премии по физике за случайное открытие реликтового излучения. Из теоретиков, предсказавших холодное эхо горячей Вселенной, премию никто не получил.

Никки добавила:

– Я не согласна с тем, что Пензиас и Вильсон сделали открытие случайно. Если учёные сконструировали очень чувствительную астрономическую радиоантенну, то совершенно закономерно, что их ждут «случайные» открытия!

Другую половину Нобелевской премии по физике за 1978 год получил советский учёный Пётр Капица – за работы в области низких температур и открытие сверхтекучести гелия.

Перед поездкой в Стокгольм за премией Пензиас пригласил к себе домой Альфера – чтобы тот помог ему с нобелевской речью. Альфер с горечью вспоминал, что Пензиас воспринимал его и Хермана как часть научного фольклора и не отдавал должного их вкладу в проблему реликтового излучения. После этого визита расстроенный Альфер слёг с сердечным приступом.

История открытия реликтового излучения полна упущенными возможностями.

В 1941 году канадский астроном Эндрю Мак-Келлар заметил, что межзвёздные линии молекулы CN (циана) возбуждены, будто космос имеет температуру 2,3 градуса Кельвина. Но правильная интерпретация его наблюдений была дана гораздо позже, после открытия Пензиаса-Вильсона.

Сам Дикке, работая в 1946 году в Массачусетском технологическом институте, зарегистрировал радиоизлучение из космоса с температурой меньше 20 градусов, но не придал ему особого значения. Он полагал, что на существующем оборудовании нельзя поймать сигнал из прошлого Вселенной. Выдающийся астроном Джон Мазер, специалист в области регистрации реликтового излучения, писал: «Я не согласен. Хотя такое измерение было трудно сделать с технологиями 1940-х и 1950-х годов, но это было возможно. Группа Дикке уже пыталась сделать это в военных 1940-х годах, но без сильной мотивации они сдались. Все необходимые части были доступны. Просто никто не пробовал».

Интересно, что в 1955 году аспирант-астроном Тигран Шмаонов в Пулковской обсерватории измерил фон неба в длине волны 32 см. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 + 3 К». Шмаонов отметил, что интенсивность излучения не зависит от направления на небе и со временем не меняется. Он опубликовал свою работу в неастрономическом журнале, и она не привлекла внимания.

– А если бы он опубликовал свою работу в астрономическом журнале, то получил бы Нобелевскую премию? – спросила Галатея.

– Возможно, но не обязательно. Шмаонов работал под руководством известных радиоастрономов Хайкина и Кайдановского, но они тоже не поняли значимость открытия своего аспиранта. Вот если бы это измерение было правильно интерпретировано – в свете уже опубликованных статей группы Гамова, то да – Нобелевская премия за открытие могла достаться совсем другим людям. Но лишь в 1965 году открытие реликтового излучения – следствия Большого взрыва – прозвучало, получило правильное истолкование и широкий отклик. После этого, революционного по значимости, открытия космология выдвинулась в число популярных направлений астрономии, а Большой взрыв перестал быть гипотетической концепцией и перешёл в ряд экспериментально подтверждённых фактов.

Астрофизик И. Шкловский вспоминает эти годы в книге «Эшелон»: «В январе 1967 года в Нью-Йорке собрался второй Техасский симпозиум по релятивистской астрофизике – пожалуй, наиболее бурно развивающейся области астрономии. За 4 года до этого были открыты квазары, и границы наблюдаемой Метагалактики невероятно расширились. Всего только немногим более года прошло после открытия фантастического реликтового излучения Вселенной, сразу же перенёсшего нас в ту отдалённую эпоху, когда ни звёзды, ни галактики в мире ещё не возникли, а была только огненно-горячая водородно-гелиевая плазма. Тогда расширяющаяся Вселенная имела размеры в тысячу раз меньшие, чем сейчас. Кроме того, она была в десятки тысяч раз моложе. Я очень гордился, что сразу же получивший повсеместное признание термин „реликтовое излучение“ был придуман мною. Трудно передать ту атмосферу подъёма и даже энтузиазма, в которой проходил Техасский симпозиум».

Помолчав, Никки отметила:

– История реликтовых излучений не закончилась на обнаружении древних радиоволн. Существует ещё одно эхо Большого взрыва – остаточное гравитационное излучение, которым многие учёные пренебрегают, но ряд специалистов, включая Джона Уилера, считает его важной частью нашей Вселенной. Реликтовое гравитационное излучение обещает немало новых сенсаций.

Примечания для любопытных

Арно Пензиас (р. 1933) – известный американский астроном. Вместе с Робертом Вильсоном лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие реликтового излучения.

Роберт Вильсон (р. 1936) – известный американский астроном. Вместе с Арно Пензиасом лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие реликтового излучения.

Метагалактика – часть расширяющейся Вселенной, принципиально доступная для наблюдений.

Андрей Георгиевич Дорошкевич – доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией ИКИ (Института космических исследований РАН).

Игорь Дмитриевич Новиков (р. 1935) – известный астрофизик-теоретик, соавтор Я. Б. Зельдовича. Член-корреспондент АН СССР.

Яков Борисович Зельдович (1914–1987) – знаменитый советский физик и астрофизик, один из создателей ядерного оружия. Академик АН СССР, трижды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской премии и четырёх Сталинских.

Роберт Дикке (1916–1997) – известный американский астроном, разработчик ряда важных астрономических приборов. Член Национальной академии наук США.

Джим Пибблс (р. 1935) – известный канадско-американский космолог, профессор Принстонского университета.

Дэвид Вилкинсон (1935–2002) – американский астроном, известный своими работами в области космических телескопов и космологии. В его честь назван спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Эндрю Мак-Келлар (1910–1960) – известный канадский астроном, член Королевского общества и президент Канадского астрономического общества.

Семён Эммануилович Хайкин (1901–1968) – известный советский физик и радиоастроном, доктор физико-математических наук, профессор.

Наум Львович Кайдановский (1907–2010) – известный советский радиоастроном, доктор физико-математических наук, разработчик антенн для радиотелескопов.

Джон Уилер (1911–2008) – выдающийся американский теоретик, автор работ в области квантовой теории и теории относительности. Ввел в обращение термин «чёрная дыра». Вместе с Чарльзом Мизнером (р. 1932) и Кипом Торном (р. 1940) написал знаменитый учебник «Гравитация» (1977).

Джон Мазер (р. 1946) – выдающийся астроном-наблюдатель, создатель крупнейшего космического телескопа Уэбба. Лауреат Нобелевской премии по физике (2006).

Сказка о Джоне Мазере, который измерил сияние самого чёрного в мире тела

Дзинтара вошла в комнату и сказала детям:

– Сегодняшнюю историю расскажет вам сам автор, которого вы уже знаете.

– Знаем! – воскликнула Галатея, приветствуя вошедшего человека.

Рассказчик поудобнее устроился на мягком диване, а Дзинтара поставила перед ним на столик большую кружку с душистым чаем.

– Я хочу рассказать вам об астрономе, который является для меня символом учёного. Его зовут Джон Мазер, он опытный наблюдатель и талантливый конструктор космических телескопов. Двадцать с лишним лет назад я был молодым учёным, работал в отдалённой Крымской обсерватории и не был знаком с Джоном. Но однажды со мной связался его сотрудник, который был моим соавтором по паре статей, и рассказал об одной сложной проблеме, с которой столкнулась группа Мазера при проектировании нового космического телескопа. Речь шла о зодиакальном свете – светлой полосе вдоль плоскости Солнечной системы. Это свечение вызвано рассеянием солнечных лучей на межпланетных частицах, его изучал ещё Иммануил Кант. Оно мешает астрономам исследовать как реликтовое излучение, так и излучение нашей Галактики.

Зодиакальное свечение было измерено спутником COBE, который вращался вокруг Земли, но какой эта засветка будет в поясе астероидов, где, по одному из вариантов, мог быть размещён новый телескоп? Ответа на этот вопрос никто не знал, поэтому стали искать теоретика, готового взяться за моделирование зодиакального света в разных точках Солнечной системы. Для этого надо было определить происхождение зодиакального света, что само по себе является интереснейшей задачей. Я взялся за эту задачу – и Джон Мазер стал моим научным руководителем. После продолжительных математических и компьютерных расчётов трёхмерная модель распределения межпланетной пыли была создана и карты зодиакального света в разных точках Солнечной системы были рассчитаны и опубликованы. Это стало началом моего длительного знакомства с Джоном Мазером – и я до сих пор с восхищением наблюдаю за этим учёным.

Меня всегда интересовало, как современные подростки влюбляются в науку, космос? Как увлекаются разгадыванием тайн природы? Детство Джона Мазера даёт ответ на эти вопросы. Он вырос на тихой ферме-лаборатории в штате Нью-Джерси, где его отец-генетик, выходец из Южной Африки, занимался выведением пород коров с хорошим удоем. Мать Джона была учительницей начальных классов.

Мазер пишет в своей книге: «Насколько я себя помню, всегда думал, что наука – самое интересное в мире занятие. Мои родители решили, что я стану учёным, когда в возрасте трёх лет я открутил в доме дверные ручки. Когда мне было пять, отец садился возле моей кровати и объяснял, что живые организмы сконструированы из мельчайших клеток с ядрами и хромосомами, которые загадочным образом контролируют нашу наследственность и таким образом – наше будущее».

– Значит, всё дело в дверных ручках! – воскликнула, улыбаясь, Галатея.

Гость кивнул:

– Не забудем и про научные истории на ночь! Так что у родителей, которые хотят видеть своих детей учёными, есть два способа достичь желаемого: первый – разрешить откручивать в доме всё, что прикручено, и второй – читать на ночь эти научные сказки. Они для того и написаны.

Гость усмехнулся, отпил чаю и продолжил:

– Конечно, в детстве Джона были и научно-популярные книги, и походы в научные музеи, и конструирование первого телескопа из старых военных линз. В результате, он твёрдо решил стать физиком либо астрономом. Джон закончил школу с отличными оценками, имея в своём активе победы на математических и физических олимпиадах. Но родители мудро говорили ему:

– Ты пока – большая рыба в маленьком пруду. Мир огромен, и добиться успеха в нём гораздо сложнее.

Джон четыре года проучился в колледже, расположенном недалеко от родительского дома.

– Значит, он не сразу решился на дальнее плавание, – сказал Андрей.

– Зато после колледжа Джон смело отправился на другой конец Америки – в Калифорнийский университет в Беркли. Там он вошёл в группу известного физика Чарльза Таунса, которая работала над актуальной темой – изучением реликтового излучения, открытого тремя годами ранее. Джон занялся созданием прибора для регистрации этого древнего эха Большого взрыва.

Вертолёт забрасывал на самый верх калифорнийской горы Джона и сконструированный им прибор; на этой вершине, продуваемой всеми ветрами, молодой учёный и делал свои измерения. Со временем он стал проводить эксперименты на стратосферных воздушных шарах, к которым прикреплялась разработанная им аппаратура.

В 1968 году лабораторию в Беркли посетила комиссия из NASA – молодой организации, образованной всего за 10 лет до этого. На семинаре Джон Мазер доложил результаты наблюдений реликтового излучения, полученные с помощью стратосферных воздушных шаров. И произошёл диалог, который во многом повлиял на судьбу Джона. Один из членов комиссии спросил:

– А можно провести измерения реликтового излучения с помощью космического спутника?

– Этому ничто не мешает, – ответил Джон Мазер.

– Тогда почему это не было сделано и почему вы этим не занимаетесь? – напористо спросил член комиссии.

– Кто – я? – растерялся Джон.

Молодой учёный защитил свою диссертацию и получил работу в Нью-Йорке в лаборатории NASA. И он запомнил этот разговор на семинаре.

В июле 1974 года NASA объявила конкурс новых космических проектов: собирали предложения по проведению экспериментов с помощью небольшого спутника и с использованием ракеты-носителя средней мощности «Дельта».

Джон, которому на тот момент было всего 28 лет, сформировал команду учёных и подготовил проект измерения реликтового излучения с помощью прибора, который был в тысячи раз чувствительнее его инструмента на воздушных шарах. Его проект победил 120 других предложений конкурирующих научных групп.

Проект стал развиваться в Центре космических полётов имени Годдарда (NASA), расположенном в штате Мэриленд, куда переехал Джон. Проект был долгим и непростым. Сначала прибор хотели присоединить к спутнику «ИРАС», но не получилось – на этом спутнике было слишком мало места. Тогда группа стала разрабатывать собственный спутник. Он получился довольно тяжёлым – и был запланирован к запуску на космическом челноке в 1988 году. Однако катастрофа космического шаттла «Челленджер» в 1986 году сорвала эти планы. Спутник был переориентирован на более легкую ракету «Дельта», но для этого аппаратуру пришлось перепроектировать, уменьшив её вес в два раза. Спутник назвали COBE (Cosmic Background Explorer Satellite). Имя группа выбирала долго – ведь при продвижении проекта играет роль даже звучность и меткость его названия.

Прошло 15 лет после начала проекта, и спутник наконец запустили. На нём было установлено три прибора. Джон Мазер стал руководителем прибора FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer), которому предстояло измерить чернотельность излучения Большого взрыва.

– То есть насколько излучение Большого взрыва соответствует кривой Планка? – прищурился Андрей.

– Верно, – слегка растерянно сказал гость и внимательно посмотрел на сообразительного мальчика.

– В вашей же книжке есть история про Планка и его кривую. Про Большой взрыв тоже, – пояснил тот.

– Да, конечно… – всё ещё удивлённо протянул гость, снова взглянул на мальчика и только после этого продолжил:

– В чернотельности, или черноте, Вселенной была масса сомнений: если длинные – в несколько сантиметров и десятков сантиметров – волны неплохо укладывались в планковскую кривую излучения чёрного тела, то в области коротких – субмиллиметровых, то есть в доли миллиметра – волн, где кривая Планка должна загибаться вниз после максимума, царил сумбур. Запущенный суборбитальной ракетой в 1968 году сенсор сообщил о 50-кратном превышении измеренного субмиллиметрового излучения над теоретическим чернотельным. Это стало одной из причин создания проекта COBE. Даже перед самым стартом спутника, в 1987 году, появилась наблюдательная работа, где говорилось о значительном превышении субмиллиметрового излучения над чернотельным спектром. Если эти наблюдения отклонения свечения Вселенной от кривой Планка были верны, теория Большого взрыва оказывалась под вопросом или требовала существенных изменений.

Спутник COBE стартовал 18 ноября 1989 года на ракете «Дельта». Теоретиков Альфера и Хермана пригласили на запуск спутника, который должен был точно измерить излучение, предсказанное ими пятьдесят лет назад. Они с радостью приехали и участвовали в пресс-конференции вместе с членами группы COBE, рассказывали о своей работе полувековой давности. Всего в проекте участвовало свыше полутора тысяч учёных, инженеров и техников. Каждый космический проект выгоден втройне: он даёт важные научные результаты, позволяет развить новейшие технологии и готовит огромное число квалифицированных специалистов. Спутниковый проект заканчивается, а его научные результаты живут: технологические решения и классные специалисты переходят в другие научные и промышленные проекты, вызывая расширяющиеся круги положительного воздействия.

Спутник COBE быстро передал важные данные, которые позволили определить степень чернотельности Вселенной. Группа COBE, храня первые результаты в тайне, заявила доклад на ежегодную конференцию Американского астрономического общества, которая проходила недалеко от Вашингтона, в городе Кристал-Сити. Впрочем, в одном случае тайна была нарушена: участник группы Вилкинсон, работавший в Принстонском университете вместе с Пибблсом и Дикке, распечатал главный график, полученный с помощью нового спутника, и положил его перед Джимом Пибблсом. Тот онемел от изумления.

Доклад Джона Мазера поставили на 13 января 1990 года, на последний день конференции, поэтому Джон был уверен, что аудитория будет почти пуста – делегаты успеют разъехаться. Перед самым выступлением он сделал копию статьи, подготовленной группой COBE, запечатал её в конверт и, сопровождаемый Джорджем Смутом, перешёл улицу и бросил конверт в почтовый ящик: статья ушла в редакцию журнала.

Наступило время доклада. По иронии судьбы, председателем сессии был Джефри Бербидж, который вместе с Фредом Хойлом являлся противником теории Большого взрыва.

Вопреки ожиданиям Джона, в аудиторию набилось две тысячи человек. Джон продемонстрировал теоретическую планковскую кривую с нанесёнными данными, которые были получены с помощью инструмента FRAS на спутнике COBE. Планковская кривая совпала с экспериментальными точками на всем диапазоне длин волн с фантастической точностью! Зал замер в молчании, осмысливая увиденный график, а потом разразился овацией, чего Джон Мазер никак не ожидал.

Так подтвердилась модель Большого взрыва и чернотельность реликтового излучения. Значит, результаты других экспериментов, фиксировавшие сильные отклонения от чернотельности, были ошибочны. Вселенная оказалась превосходным чёрным телом!

На следующий день научная сенсация обсуждалась во многих газетах и журналах. Если Пензиас и Вильсон измерили фон неба как 3,5 градуса плюс-минус 1 градус, прибор FIRAS дал гораздо более точное значение – 2,735 с неопределенностью в 0,06 градуса. Следующие спутники уточнили эту фундаментальную величину – 2,7255 градусов Kельвина.

Группа Джона Мазера первая доказала, что самым чёрным телом в нашей Вселенной является сама Вселенная, а её холодное сияние – эхо давнего горячего взрыва – практически идеально совпадает с кривой, которую почти сто лет назад вывел педантичный учёный Планк для свечения электролампочек.

– То есть Вселенная светится как лампочка Планка, только очень холодная? – спросила Галатея. – Как это странно и красиво – «сияние черноты»!

– Не будем путать черноту с темнотой. Темнота безнадёжна, а чернота загадочна. Физическая чернота может ослепительно сиять.

– Или шептать в телефон! – отметил Андрей.

– Верно! Чернота имеет спектр, это её главная характеристика. Прибор DMR (Differential Microwave Radiometer) – другой инструмент COBE – предназначался для исследования анизотропии реликтового излучения.

– Что значит «анизотропия»? – спросила Галатея.

– Открыв реликтовое излучение, Пензиас и Вильсон отметили, что оно изотропно, то есть приходит с одинаковой интенсивностью со всех участков неба. Другие наблюдатели подтвердили удивительную однородность реликтового излучения. Но теоретические работы говорили о том, что должна существовать анизотропия, то есть вариации свечения по небу. Эти вариации возникли вместе с первыми структурами Вселенной – галактиками и их скоплениями.

Спутник COBE, созданный Мазером и его коллегами, осуществил точнейшее сканирование всего неба. 23 апреля 1992 года подробная карта с анизотропией реликтового излучения, которая составляла всего одну стотысячную от фонового изотропного излучения, была показана на научной конференции Джорджем Смутом, руководителем прибора DMR. После выступления членов группы COBE ждала сотня репортёров с камерами. Смут сказал журналистам: «Мы словно увидели лицо Бога!» – и стал звездой газетных репортажей. А Стивен Хокинг сказал о карте анизотропии реликтового излучения так: «Научное открытие века, если не всех времён!»

За свою работу Джон Мазер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию по физике 2006 года. В решении Нобелевского комитета отмечалась, что проект COBE стал «стартовой точкой для космологии как точной науки».

Но вернёмся во времена, когда двадцатилетний проект COBE едва завершился. В декабре 1994 года Джон Мазер выступил на семинаре в Годдардском центре NASA с идеей складного телескопа с двухметровым зеркалом, который можно было бы запустить на недорогой ракете; на орбите он раскрывался бы как зонтик. Джон вспоминает: «Мои коллеги громко рассмеялись. Боссы NASA никогда не согласятся запускать подобную абсурдно сложную конструкцию».

Рассказчик передохнул, снова отпил чаю и задумчиво продолжил:

– Джон Мазер – интеллигентнейший и мягкий человек. Но в нём есть стальное упорство исследователя, который ради нового научного достижения может свернуть горы. Идея раскладывающегося телескопа сулила невероятные перспективы и полностью захватила Джона. В это время он услышал о концепции «Миссии Эдисона». Обычный космический телескоп типа COBE использовал для охлаждения своих приёмников излучения сотни литров жидкого гелия, который постепенно испарялся – и это ограничивало срок жизни телескопа несколькими месяцами. Авторы «Миссии Эдисона» предложили вариант, по которому глубокое охлаждение приборов достигалось с помощью особого многослойного экрана, защищавшего инструменты от прямого солнечного света и эффективно излучавшего в космос тепло, вырабатываемое приборами. NASA уже отвергла эту идею как слабо проработанную. Но усилиями Джона Мазера и других учёных идеи складного телескопа и многослойного экрана слились в грандиозный проект, который впоследствии был назван JWST (James Webb Space Telescope) – в честь Джеймса Уэбба, легендарного руководителя NASA в 1961–1968 годах.

Обладая складным зеркалом с максимальным диаметром в 6,5 метров, этот телескоп во много раз превосходил бы возможности телескопа «Хаббл»: только по площади золотого зеркала он перекрывал предшественника в пять раз, мог бы исследовать далёкие галактики и открывать планеты возле других звёзд. Многослойный экран, который тоже должен разворачиваться на орбите, мог охладить телескоп до 50 градусов Кельвина (минус 223 градусов Цельсия), что позволило бы проводить тончайшие наблюдения. Благодаря такому экрану, продолжительность работы телескопа не ограничивалась объёмом жидкого гелия на борту, который позволял охлаждать приборы считаные месяцы, а могла продолжаться пять или даже десять лет.

Для создания телескопа Уэбба пришлось решить множество задач. В проекте были задействованы учёные разных специальностей. В том числе я выполнил работу по созданию модели зодиакального света, которая помогла определить оптимальную точку расположения будущего телескопа.

Телескоп Уэбба планировалось запустить в L2, точку Лагранжа Земли, в 2018 году.

– Что такое точка Лагранжа? – спросила Галатея.

– Между Солнцем и Землей есть точка, где силы притяжения Земли и Солнца уравновешиваются. Туда можно отправить спутник, и он будет висеть там неподвижно относительно Земли. Аналогичная равновесная точка есть и за Землей: в ней суммарная гравитация Земли и Солнца уравновешивается центробежной силой. Именно туда, на расстояние полутора миллионов километров от нашей планеты, и планировалось отправить телескоп Уэбба.

– Понятно! – кивнула Галатея.

– В случае телескопа Уэбба от идеи до запуска прошло не 15 лет, как у небольшого спутника COBE, а 24 года. В 2003 году создание телескопа Уэбба оказалось под угрозой: его бюджет выходил за рамки запланированного, проект отставал от графика, и конгресс США проголосовал за его закрытие. Важную роль в спасении проекта сыграла реакция широких масс учёных и простых американцев, которые стали бомбить конгрессменов и сенаторов письмами в поддержку будущего космического сверхтелескопа. Джон Мазер находился в эпицентре борьбы за новый телескоп. В сенате США энергичным сторонником телескопа Уэбба стала сенатор от штата Мэриленд Барбара Микульски. Именно она поддерживала NASA в таких начинаниях, как международная космическая станция и создание двух телескопов – имени Хаббла и имени Уэбба. Благодарные учёные назвали в честь этого выдающегося политика глобальный архив данных космических телескопов: Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST). 25 января 2012 года группа астрономов под руководством нобелевского лауреата Адама Райса открыла в данных телескопа «Хаббл» сверхновую звезду, вспыхнувшую на расстоянии в семь с половиной миллиардов световых лет. Учёные назвали её «сверхновой Микульски».

Строительство спасённого общественностью космического телескопа благополучно продолжили. Это стало важным уроком для научных сообществ многих стран: процветание науки в современном мире и способность к реализации крупных проектов требуют активной популяризации научных результатов, приобретения поддержки политиков, журналистов и широких масс. Иначе есть риск остаться один на один с кровожадными бюрократами!

– Они ужасны! – согласилась Дзинтара, вздрогнув.

– Не успел телескоп Уэбба выйти на орбиту, как Джон Мазер стал мечтать о новом сверхтелескопе – с диаметром зеркала 16 метров. Если сравнить телескоп Хаббла, телескоп Уэбба и будущий телескоп Мазера, окажется, что вес крупнейших космических телескопов сохраняется на уровне нескольких тонн, их стоимость примерно одинаковая, а вот способности к наблюдениям, благодаря новым технологиям, резко возрастают. Новый телескоп Мазера будет способен обнаруживать и изучать даже внеземную жизнь на планетах возле других звёзд.

Рассказчик поставил пустую кружку на стол и сказал:

– Я благодарен судьбе за своё знакомство и сотрудничество с Джоном Мазером. Он для меня – символ честного и беззаветного служения науке. Несмотря на все заслуги и награды, он живёт в скромном доме возле Годдардского центра NASA, а на деньги от своих премий – Нобелевской, Груберовской и других – создал Фонд поддержки талантливой молодёжи. На таких людях держится земная наука и цивилизация.

Андрей категорично заявил:

– Я тоже буду строить космические телескопы!

Обнаружив, что у неё из-под носа стащили самую интересную в мире профессию, Галатея растерялась, но быстро нашлась:

– А я с их помощью буду открывать жизнь на других планетах!

Примечания для любопытных

Чарльз Таунс (1915–2015) – знаменитый американский физик, который изобрёл мазер (радиоаналог лазера) и вместе с советскими учёными, создателями лазера А. М. Прохоровым (1916–2002) и Н. Г. Басовым (1922–2001), получил за это Нобелевскую премию по физике (1964).

NASA – организация, созданная в 1958 году как американский ответ на запуск первых советских спутников. Организует космические исследования в США.

Роберт Годдард (1882–1945) – выдающийся учёный и инженер. Пионер американского ракетостроения.

Джордж Смут (р. 1945) – известный американский астроном, участник проекта COBE. Вместе с Джоном Мазером получил Нобелевскую премию по физике (2006).

Джефри Бербидж (1925–2010) – известный англо-американский физик-теоретик, разработавший схемы синтеза тяжёлых химических элементов в звёздах. Сторонник теории стационарной Вселенной.

Стивен Хокинг (р. 1942) – знаменитый британский физик-теоретик, открывший квантовое испарение чёрных дыр.

Джеймс Уэбб (1902–1992) – директор NASA в 1961–1968 годах, сыгравший важную роль в осуществлении лунной программы «Аполлон» по высадке человека на Луну.

Точки Лагранжа – пять точек в небесно-механической системе из двух гравитирующих тел (например, Солнце и Земля), в которых третье, легкое, тело может находиться в равновесии. Точки Лагранжа 4 и 5 расположены вдоль орбиты планеты – именно в таких точках Юпитер держит две группы астероидов-«троянцев». Точки Лагранжа 1, 2 и 3 расположены на линии, проходящей через Солнце и планету. Тела в данных точках обладают неустойчивым равновесием и со временем покидают их. Космические обсерватории, размещённые в точке Лагранжа 2, удерживаются в равновесии с помощью небольших затрат топлива.

Барбара Микульски (р. 1936) – сенатор от штата Мэриленд. Женщина-сенатор с самым долгим сроком пребывания в конгрессе и сенате (около сорока лет). Отличается маленьким ростом и огромным политическим влиянием. Активно поддерживает NASA.

Адам Райс (р. 1969) – известный американский астроном, один из открывателей ускоренного расширения Вселенной. Лауреат Нобелевской премии по физике (2011).

Груберовская премия – научная премия в 500 000 долларов по пяти направлениям, основанная Фондом Питера и Патрисии Грубер в 2000 году.

Иллюстрации

Слева: памятник Иммануилу Канту в Калининграде (бывший Кёнигсберг). Оригинал статуи, созданный Христианом Раухом, утрачен в 1945 году. Копию сделал Харальд Хааке

Фото Андреаса Тоерля

Справа: крупный лунный кратер Кант (внизу), диаметр – 31 км, глубина –3,7 км.

Фото экспедиции «Аполлон-16»/NASA

Вверху: Кант первым догадался, что широкое кольцо Сатурна расслаивается на узкие колечки. Фото сделано зондом «Кассини» (NASA/JPL–Caltech) из тени Сатурна

Внизу: Собрание сочинений Канта на русском языке и отдельное издание основного философского труда Канта «Критика чистого разума»

Фото автора

Фраунгофер демонстрирует свой спектрометр, держа в руке стеклянную призму

Иллюстрация: Общество Фраунгофера

Вверху: спектр солнечного света с тёмными линиями поглощения (линиями Фраунгофера). Рисунок Фраунгофера. Верхняя колоколообразная кривая показывает распределение интенсивности свечения в солнечном спектре

Фото: Общество Фраунгофера

Внизу: спектр азота с яркими эмиссионными линями

Фото из Википедии

Почтовая марка, выпущенная в Германии в честь Генриха Герца

Фото из Википедии

Радиоастрономическая обсерватория в Сокорро (США), состоящая из 27 радиоантенн с диаметром 25 м каждая

Фото из Википедии

Трубка Крукса светится из-за потока электронов. Мальтийский крест отбрасывает тень, показывая направление полёта электронов из катода, расположенного слева

Фото: Д. Куру, из Википедии

Слева: Один из первых рентгеновских снимков, сделанных в феврале 1896 года в Колумбийском университете Нью-Йорка. Снимок показывает, что в кисти человека застряла охотничья дробь

Справа: Вильгельм Рентген, открыватель рентгеновских лучей

Фото из Википедии

Отенит – ураносодержащий минерал, водный уранил-ванадат кальция Слева: отенит при дневном свете, справа: он флуоресцирует при облучении ультрафиолетом

Фото: Д. Дискунс, из Википедии

Ваза из уранового стекла светится при облучении ультрафиолетом

Фото из Википедии

Мансарды Латинского квартала. В одной из таких мансард жила бедная студентка Мария Склодовская

Фото автора

Блестящее собрание великих учёных на Сольвеевском конгрессе 1927 года. Среди них много Нобелевских лауреатов и единственная женщина – Мария Склодовская-Кюри

Фото из Википедии

Пять нобелевских лауреатов: слева направо: Вальтер Нернст, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Роберт Милликен и Макс фон Лауэ

Фото 1931 года

Три космические миссии: COBE, WMAP, «Планк» и карты анизотропии реликтового излучения, которые они получили для участка неба в 10 квадратных градусов

Фото NASA/JPL–Caltech/ESA

Статуя юного Резерфорда, установленная в Мемориале Резерфорда в его родном городе Брайтуотер (Новая Зеландия)

Эрнст Резерфорд в лаборатории канадского Университета Мак-Гилла в 1905 году

Нильс Бор со своей невестой Маргарет во время помолвки (обручения), 1910 год

Фото архива института Нильса Бора

Здание института Нильса Бора в Копенгагене

Фото из Википедии

Герцог де Бройль, физик

Фото из Википедии

Естественный ускоритель элементарных частиц и плазмы: выброшенное из Солнца 31 августа 2012 года вещество движется со скоростью полторы тысячи километров в секунду. В этом феномене теснейшим образом переплетаются квантовые и классические эффекты, космическая и атомная физика

Фото: Обсерватория солнечной динамики (NASA/GSFC)

Слева: Гейзенберг в молодости (1927 год) и (справа) на марке ФРГ, вместе со своим знаменитым «Соотношением неопределенности»

Большой адронный коллайдер для ускорения протонов и ионов, построенный на границе Швейцарии и Франции. Самая большая экспериментальная установка в мире: длина основного кольца – 26,7 км

Фото: Википедия/ЦЕРН

На врезке: моделирование взаимодействия сталкивающихся протонов, которые рождают множество других частиц

Фото: Лукас Тейлор/ЦЕРН

Поль Дирак у доски.

Фото из Википедии

Неполная коллекция книг Дирака, переведённых на русский язык

Фото автора

Слева: одна из первых книг в мире по радиоастрономии, автор И. Шкловский

Справа: знаменитая книга мемуаров И. Шкловского «Эшелон»

Шкловский был одним из пионеров всеволновой астрономии, а также изучения Крабовидной туманности. На фото: изображение этой туманности в шести диапазонах электромагнитного излучения.

Радио: NRAO/AUI, М. Битенхольц, Дж. Усон, Т. Корнвелл; инфракрасный: NASA/JPL–Caltech/К. Герц; видимый свет: NASA, ESA, Дж. Гестер и А. Лолл; ультрафиолет: NASA/Swift/Е. Ховерстен; рентген: NASA/CXC/SAO/Ф. Севард и др.; гамма-лучи: NASA/DOE/Fermi LAT/Р. Бюхлер

Популярная книга Гамова о горячей модели образования Вселенной, которая сейчас общепринята

Фото автора

На врезке: Георгий Гамов.

Фото из Википедии

Пензиас и Вильсон возле антенны-рога, с помощью которой они открыли реликтовое излучение, 1962 год

Фото NASA

На лекции 10 ноября 2013 года Джон Мазер показывает знаменитый слайд с данными спутника COBE, которые доказывают чернотельность излучения Вселенной.

Фото автора

На врезке: Джон Мазер в период подготовки запуска спутника COBE, 1980-е годы.

Фото NASA

Слева: статья 2000 года, посвященная моделированию зодиакального света.

Справа: соавторы статьи Николай Горькавый (слева) и Джон Мазер, ноябрь 2013 года.

Фото Алёны Проворниковой

Сегмент золотого зеркала площадью 1,4 кв. м для телескопа Уэбба. Зеркало телескопа состоит из 18 таких сегментов.

Фото NASA

Макет телескопа Уэбба в Остине (штат Техас), март 2013 года

Фото NASA/Крис Гунн

Примечания

1

Прочесть о приключениях принцессы Дзинтары и её друзей можно в трилогии «Астровитянка».

2

Об истории этого открытия можно прочесть в книге научных сказок «Небесные механики».

Content

Ник. Горькавый
Космические сыщики
Научные сказки

Предисловие о космических сыщиках

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

Сказка о стекловаре Фраунгофере и таинственных пожирателях солнечного света

Сказка о первом радиоприёмнике и физике Герце

Сказка о Рентгене, невидимых лучах и видимых костях

Сказка о таинственном излучении Сен-Виктора и Беккереля

Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии

Сказка о Планке, который в свете электролампы нашёл свою кривую и свою постоянную

Сказка о Резерфорде, придумавшем космическую модель атома

Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, который отыскал связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка

Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире

Сказка об очень умном физике Гейзенберге, который ничего не знал наверняка

Сказка о молчаливом Дираке, удвоившем мир и погрузившем нас в море Дирака

Сказка о всеволновом астрономе Шкловском и об инопланетных цивилизациях

Сказка о весёлом физике Гамове и о холодном дыхании горячей Вселенной

Сказка о телефонистах Пензиасе и Вильсоне, расслышавших шёпот космоса

Сказка о Джоне Мазере, который измерил сияние самого чёрного в мире тела

Иллюстрации

Примечания