Физика: для детей среднего школьного возраста

Автор-составитель С. В. Каплун

Автор-составитель С. В. Каплун

Перевод с украинского Н. Е. Фоминой

Художник-иллюстратор А. В. Беззубова

Художник-оформитель Л. Д. Киркач-Осипова

I. Что такое физика

Чем занимается физика

Пожалуй, многим из вас уже известно это загадочное слово – «физика». Но знаете ли вы, что оно означает?

С древних времен люди начали интересоваться тем, из чего же состоят тела, почему они движутся так или иначе, да и вообще тем, как устроен мир. Из этих и многих подобных вопросов возникал интерес человека к окружающему миру, к определенному применению приобретенных знаний о мире для улучшения условий собственной жизни.

Именно тогда, когда возникло стремление человека к познанию мира, появились первые ростки научного подхода к наблюдениям и анализу действительности.

Древние греки хотели найти первооснову всего того, из чего состоит мир.

Великие древние мыслители Демокрит, Платон, Аристотель стояли у истоков того, что мы сейчас называем физической наукой. Кстати, именно Аристотель впервые применил это слово – физика (греч. – τά φυσικά) для определения науки о природе.

Успехи науки – дело времени и смелости ума.

Вольтер

Однако если мы говорим, что физика изучает природу, то сразу же возникает вопрос: а что же изучают биология, геология, химия и другие естественные науки? Дело в том, что физическая наука открывает наиболее общие законы природы, объясняя определенные конкретные явления действием этих общих законов.

Что это означает? Например, когда физик исследует различные свойства жидкости, он не интересуется, является ли эта жидкость водой в реке, питательным соком растения или кровью в сосуде. Уже потом обнаруженные физиком закономерности биолог или врач смогут применить для объяснения тех или иных явлений, связанных с конкретными направлениями их работы.

Исследование строения вещества – тоже прежде всего задача физики. Затем, когда физические свойства обнаружены, можно перенести их на исследование и объяснение явлений, которые изучают другие области естествознания – биология, геология и т. д.

Немного истории

Зарождение физики

Приобретать знания об окружающем мире человека побудила борьба за существование. Сначала это было лишь случайное и неосознанное применение каких-то орудий природного происхождения для защиты и охоты. Со временем человек начал обрабатывать такие орудия и изготавливать более усовершенствованные. Получение и применение огня было настоящим прорывом в новое существование человека на Земле.

Найти одно научное доказательство для меня более важно, чем завоевать все персидское царство.

Демокрит

Именно в те давние времена у человека начали накапливаться первые представления и знания о мире. Хотя те знания с точки зрения сегодняшнего дня нельзя назвать подлинно научными, однако они были первой попыткой понять и описать окружающую среду.

Наверное, одной из важнейших задач, которые пытались решать первые человеческие цивилизации, было определение времени, потому что это имело большое значение прежде всего для земледелия. Исторические свидетельства о календаре и астрономических наблюдениях можно найти в Древнем Египте и Вавилоне, а также в наследии великих цивилизаций Южной Америки.

Безусловно, грандиозные сооружения древних государств (храмы, пирамиды, крепости) требовали определенных навыков и представлений о строительной механике. Мы и сейчас восхищаемся гигантскими сооружениями тех времен и задаемся вопросом, как их могли построить. А египетская и вавилонская математика тоже поражают своими изобретениями числа, геометрией, измерением времени!

Однако прародиной естественных наук следует считать Древнюю Грецию, ученые которой (в отличие от многих древних мудрецов Востока!) пытались найти логические доказательства высказываемым ими идеям.

Начало развития греческой науки обычно относят к VII–VI вв. до н. э., считая ее основоположником Фалеса Милетского. Именно ему принадлежат слова о материальной первооснове всех вещей, о развитии вещей из этой первоосновы. И представьте себе, что родственник и ученик Фалеса Анаксимандр высказывал мысли даже о развитии всей Вселенной, что и сейчас вызывает удивление и восхищение!

До наших времен не дошли работы великого Демокрита (460–370 гг. до н. э.), но благодаря более поздним описаниям и преданиям, в частности поэтическим (например, поэма римского поэта Лукреция «О природе вещей»), нам стали известны его революционные по тем временам идеи.

Демокрит

Аристотель

Известно также, что Демокрит родился во фракийском городе Абдера, на берегу Эгейского моря. Он много путешествовал: бывал в Египте, Вавилоне, Персии, Индии, Эфиопии.

Из пересказов его работ следует, что в основных положениях о строении вещей он отстаивал идею о существовании огромного количества различных атомов, из которых состоят все тела.

Однако, пожалуй, одной из самых выдающихся личностей греческой науки был Аристотель (384–322 гг. до н. э.). Он родился в греческом городе Стагир, неподалеку от Македонии. Поскольку отец Аристотеля был врачом македонского царя Аминты, то и вся царская семья была знакома с семьей Аристотеля. Сын Аминты, Филипп, став царем, пригласил Аристотеля к своему сыну Александру в качестве учителя. Уже позже Александр, известный полководец и царь Александр Македонский, говорил: «Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, так как если отцу я обязан жизнью, то Аристотелю тем, что дает ей цену».

Работал Аристотель и в Афинах – вместе с выдающимся философом Платоном, которого считал своим учителем. В Афинах Аристотель основал собственную школу – Ликей. (Последователей Аристотеля называли перипатетиками. А слово «перипатос» означает место для прогулок и дискусий, т. к. Ликей был размещен в парке, и, по преданию, Аристотель преподавал философию во время прогулок.)

Аристотель написал много научных трудов и среди них – «Физику». Именно потому, что от названия его книги произошло название науки, великого грека называют крестным отцом физики!

Аристотелю принадлежат первые описания движений (он считал, что существуют круговые, естественные и неестественные движения), а также высказывания о причинах движений и изменения скорости. Несмотря на то, что выдающийся мыслитель признавал рассуждения, выявления логических противоречий и дискуссии главными научными методами (с позиций сегодняшнего дня этого слишком мало для науки!), он все же разошелся во взглядах на науку со своим учителем Платоном. Вы, вероятно, слышали крылатое выражение, которое приписывают Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Многое из того, что написал когда-то Аристотель, кем-то воспринимается со снисходительной улыбкой. Но не будем высокомерными и отдадим должное этому выдающемуся ученому и философу, который почти две с половиной тысячи лет назад выстроил первую научную картину мира!

Говоря о науке древнего мира, нельзя не упомянуть Архимеда (287–212 гг. до н. э.) – одну из вершин научной мысли того времени.

Архимед

Отец Архимеда, астроном и математик Фидий, был приближенным царя Сиракуз Гиерона, и это позволило ему дать сыну лучшее по тому времени образование. Архимед довольно долго пробыл в Александрии Египетской – большом научном и культурном центре тех лет. Вернулся он на родину уже достаточно зрелым математиком и механиком. Архимед разработал водоподъемный винт, всевозможную военную технику, машину для полива полей и т. п. Общеизвестным (и мы еще об этом поговорим!) является закон Архимеда гласивший, что на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости. С этого закона начинается гидростатика, которая продолжила свое развитие лишь в XVI–XVII вв.

Кроме математики и механики, Архимеда интересовали оптика и астрономия. Из рассказов других авторов следует, что Архимеду были известны действия плоских и вогнутых зеркал, он проводил опыты по преломлению света. Ему принадлежат исследования равновесия тел, в частности рычага.

Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!

Архимед

Об Архимеде существует много легенд, одна из которых повествует о том, как с помощью системы блоков был спущен на воду большой корабль, предназначенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею. Возможно, именно тогда родилось крылатое выражение о точке опоры?..

Распад Римской империи и многочисленные перестройки государств, возникших на ее основе, на долгое время затормозили развитие науки. Лишь в средневековой Европе вновь началось постепенное развитие и углубление научной мысли, и прежде всего лидера естественных наук – физики.

Начало классической физики

Леонардо да Винчи

Когда говорят о физике как о науке уже в современном понимании, имеют в виду именно ту науку, которая вышла из исследовательских работ Галилео Галилея, Роберта Гука, Христиана Гюйгенса и, конечно, Исаака Ньютона. Однако невозможно тут не вспомнить еще об одной великой личности – Леонардо да Винчи (1452–1519) – выдающемся художнике, мыслителе, математике, конструкторе, астрономе и механике.

Этот флорентийский гигант эпохи Возрождения, кроме того, что рисовал картины, занимался еще вопросами механики, геологии, палеонтологии, физиологии растений и человеческого организма. Много времени и энергии он отдал исследованию движений и работе различных механизмов. Ценя математику более всего, Леонардо да Винчи говорил: «Механика – рай для математических наук». Сейчас известны его работы по изучению падения тел, движения по наклонной плоскости, воздействия трения на движение тел, колебательного движения, определению центра тяжести тел и многие другие. Интересно то, что он уже в те времена критиковал тех, кто пытался создать вечный двигатель: «О, искатели вечного движения, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках! Идите прочь вместе с алхимиками – искателями золота!»

Проекты вертолета и парашюта Леонардо да Винчи

Леонардо много занимался вопросами полета. Его первые исследования, рисунки и чертежи летательных аппаратов относятся примерно к 1487 г.

Схема крыла летательного аппарата по проекту Леонардо да Винчи

Очень интересны его проекты парашюта и вертолета (заметим, что эти современные названия он не использовал).

Фрэнсис Бэкон

Великий Леонардо как ученый был открыт только в конце XVII в., поэтому очень трудно определить, повлияли ли его исследования на современников и на ученых последующего периода. Слава Леонардо да Винчи как художника оттеснила на задний план его заслуги перед человечеством как ученого. Его рукописи часто были написаны зеркальным письмом, в зашифрованном виде, и поэтому достаточно трудно было их расшифровать. Такую расшифровку начали проводить лишь в конце XVII – начале XIX в.

Интересно, что в этих рукописях нашли высказывания о том, как именно нужно заниматься наукой: «Мне кажется, что пусты и обманчивы те науки, которые не порождаются опытом – отцом всякой достоверности… Следует проводить опыты, изменяя обстоятельства, пока не получим из них общие правила». При этом он осознавал и роль научной теории: «Тот, кто увлекается практикой без науки, подобен капитану, поднимающемуся на корабль без штурвала и компаса: он никогда не уверен, куда плывет. Всегда практика должна основываться на хорошей теории. Наука – капитан, практика – солдаты».

В Европе XVI–XVII вв. активно начал развиваться новый подход к познанию окружающего мира, а именно: не просто наблюдать и осмысливать увиденное, а сначала экспериментировать, делать первые выводы, выстраивать теорию и проверять ее на практике. В этом контексте следует упомянуть выдающегося английского философа Френсиса Бэкона (1561–1626). Он не был физиком, но его философские работы о том, как можно получить знания об окружающем мире, стали фундаментом новой науки.

Бэкон считал, что торможение развития науки его времени связано с тем, что ученые… много говорят, но мало экспериментируют, не исследуют реальных явлений на практике, не продвигаются дальше того, что было открыто древними учеными. От опытов к построению теории – вот его девиз! Ему принадлежат также и высказывания об определяющей роли науки в развитии техники, общества.

Рене Декарт

И вот наступила эпоха великих Галилея, Декарта, Ньютона.

Имя Рене Декарта (1596–1650) – выдающегося французского философа и математика – связывают с обоснованием так называемого дедуктивного метода в естественных науках и математике. (Когда вы станете взрослыми, познакомитесь с этим более подробно, а сейчас только скажем, что речь идет о таком способе занятий наукой, когда от общих рассуждений через последовательность четких выводов переходят к отдельным, частным случаям…)

В своих работах (а тогда они назывались трактаты) «Начала философии», «Правила для руководства ума», «Рассуждение о методе» Декарт, кроме всего прочего, призвал к применению методов математики для описания изучаемых явлений.

Новая философия Декарта была достаточно популярной, ее называли картезианство – от латинизированного имени ученого: Картезиус (Cartesius). Когда вы в школе или дома будете делать опыт с картезианским водолазом, имейте в виду, что это название тоже происходит от Декарта!

Известно, что в то время официальная церковь не очень радовалась тому направлению, в русле которого развивалась мысль Декарта. Его трактат «Правила для руководства ума» был внесен Папой Римским в «Индекс запрещенных книг».

Хотя сегодня многие из идей Декарта считаются неверными, его вклад в развитие науки остается бесспорным.

Мы не будем останавливаться на таком важном этапе развития физики, как борьба за создание гелиоцентрической системы мира. Пусть эта история останется астрономам! Однако следует заметить, что как в те давние времена, так и сейчас в некоторых вопросах очень трудно разграничить физику и астрономию с ее проблемами создания и развития Вселенной, Солнечной системы, процессов, происходящих в недрах звезд и т. п.

Кроме того, многие из крупных ученых прошлого просто сочетали в одном лице физика, астронома, математика и философа! Например, у Аристотеля и Платона, Галилея и Лапласа, Декарта и Ньютона были такие направления научной деятельности, которые тесно связаны с попыткой описать строение Вселенной, найти в ней место нашей Земли, выявить законы, объясняющие движение планет. Размышления над этими проблемами, безусловно, заставляли ученых несколько по-иному взглянуть и на «земные проблемы».

Николай Коперник

Значительное влияние на развитие всего естествознания и в частности физики имели работы выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473–1543). Именно в его трактате «О вращениях небесных сфер» говорится о Земле не как о центре Вселенной, а как об одной из планет, вращающихся вокруг Солнца (поэтому предложенная ученым система была названа гелиоцентрической: от греческого hçlios – солнце). Он писал также, что Земля вращается и вокруг собственной оси. Для того чтобы описать видимое движение планет, Коперник использовал понятие об относительности движения (хотя оно не совсем совпадает с современными представлениями, для того времени это было шагом вперед).

Книга Коперника поставила перед наукой много важных проблем, среди которых важнейшими были вопросы, связанные с движением планет вокруг Солнца, выявлением причин, благодаря которым планеты удерживаются около Солнца, созданием новой математики, с помощью которой можно было бы описать эту новую систему мира.

Но не только с наукой были связаны те проблемы, которые возникли после появления труда Коперника. Католическая церковь отнеслась к новому учению как к ереси (так как оно противоречило господствующим религиозным взглядам). Несмотря на это, некоторые ученые и философы приняли и поддержали основные идеи учения Коперника, хотя им было нелегко противостоять официально признанным догмам[1]. Одним из таких ученых был Галилео Галилей (1564–1642).

Этот выдающийся итальянский физик и астроном справедливо считается одним из основателей современной физики и астрономии и первым ученым, наблюдавшим за небом при помощи построенных им «зрительных» трубок. Он обнаружил, что на поверхности Луны есть горы, равнины и впадины, увидел спутники у Юпитера, открыл, что Венеру так же, как и Луну, можно видеть с Земли по-разному (т. е., как говорят, в разных фазах).

Галилей сформировал закон о падении и движении тел. В своей знаменитой книге «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой», которая вышла в 1632 г. во Флоренции, Галилей привел собственные доводы в пользу учения Коперника. Эта книга произвела эффект взрыва в научном мире, а инквизиция начала против Галилея обвинительный процесс…

Чем все это закончилось, вы сможете узнать, обратившись к последнему разделу этой книги. Сейчас только скажем, что Галилео Галилей внес очень весомый вклад в развитие физики как науки, благодаря которому следующие поколения ученых могли идти дальше и развивать эту науку. Фигура Галилея – это одна из вершин классической физики. Он расчистил путь для новых создателей классической и современной физики. Его бессмертные научные произведения будут служить примером того, как гениально он «всю жизнь читал открытую для всех большую книгу природы» (это высказывание самого Галилея).

Имя человека, благодаря открытиям которого физика приобрела настоящий научный характер, – Исаак Ньютон (1643–1727).

Титульный лист книги Г. Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой»

Его важными научными достижениями были: открытие закона всемирного тяготения и связанная с ним теория движения планет; основные законы динамики, известные нам как «Три закона Ньютона»; открытия в области оптики. Для описания физических явлений Ньютон применил математический аппарат, который до него не существовал вообще. Этим математическим аппаратом ученые пользуются и теперь. По словам академика С. Вавилова, «ньютоновская механика – не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня».

Кто осмелится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?

Галилей

Эта выдающаяся личность интересна как своими конкретными научными результатами, так и теми методами, с помощью которых они были получены. Его знаменитое «Гипотез не измышляю…» свидетельствует о необходимости опираться на опыт, на практику, на сопоставление новой идеи, новой теории с реально происходящими явлениями.

Личный и научный авторитет Ньютона был так велик, что его поклонники и последователи довольно часто превозносили его научные предположения и гипотезы до абсолюта, считалось, что их даже обсуждать нельзя. Из-за этого Ньютону часто приписывали такие вещи, о которых он и не говорил, и не писал. Вот что могут натворить «научные фанаты»!..

Сделал все, что мог, пусть другие сделают лучше.

Ньютон

Биография и творческая судьба этого выдающегося человека настолько интересна, что некоторые ее фрагменты мы вынесли в отдельный раздел в конце книги.

Ньютон. Рис. У. Блейка. 1795 г.

Таким образом, можно считать, что именно с конца XVII – начала XVIII в. началась и физическая наука, которая сегодня является основой естествознания, техники и новых супертехнологий.

Европейский научный прорыв не обошел и Россию, где благодаря открытой в 1725 г. Петербургской академии наук тоже началось бурное развитие научных, в том числе физических, исследований. Развитие физики в Академии связано с именами М. В. Ломоносова (1711–1765) и приглашенных европейских ученых – Леонарда Эйлера, Даниила Бернулли, Георга Рихмана и других.

Михаил Ломоносов оставил не много завершенных и опубликованных научных работ по физике и химии: большая часть так и осталась в виде заметок, фрагментов. Сейчас трудно даже поверить, что долгое время он вообще был известен, прежде всего, как поэт и писатель. Только, пожалуй, начиная с Пушкина, потомки стали относиться к Ломоносову как к «первому русскому университету».

II. Движение и взаимодействие

Движение всегда и везде

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что такое движение? А, вообще, стоит ли над этим задумываться: может, этот вопрос не очень интересен и не достоин нашего внимания? Однако давайте поразмыслим немного над этим.

Жизнь ставит перед наукой цели; наука освещает пути жизни.

Н. Михайловский

Пожалуй, еще первобытным людям приходилось смотреть на небо, на все, что их окружает, и чувствовать (конечно, еще не понимать!), что происходят определенные изменения. Они интуитивно использовали накопленный опыт наблюдений за движением животных, птиц для собственных нужд, например для охоты.

Через десятки тысяч лет человеку уже было необходимо более сознательно учитывать особенности движений, осуществляемых им и всем, что находится вокруг. Глядя на небо, древние греки задавались вопросом, почему яркие «точки» на небе (звезды и планеты!) движутся именно так, а не иначе. А почему падает камень, выпущенный из рук? Как сделать полет стрелы или камня из пращи более точным? И еще много других «почему» заставляло людей задумываться над тем, что они наблюдали и что уже даже вошло в их обиход.

Оказалось, что абсолютно все объекты, которые находятся вокруг нас, движутся, причем даже тогда, когда они якобы находятся в состоянии покоя.

Чем различаются движение и состояние покоя?

Представьте себе, что после тяжелого трудового дня в школе вы, просмотрев любимую телевизионную передачу, уснули на диване. Вы, конечно, считаете, что в таком состоянии вы не двигаетесь?

А известно ли вам, что наша Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот примерно за двадцать четыре часа? Но тогда и вы, пусть и неподвижны относительно своего дивана, вращаетесь вместе с Землей! То есть вы движетесь!

Но и это еще не все. Оказывается, наша планета Земля движется вокруг Солнца, а в свою очередь Солнце со всей своей планетной семьей (следовательно, и с Землей) вращается вокруг центра нашей Галактики с огромной скоростью! А современные ученые-астрофизики говорят, что и галактики с огромной скоростью разбегаются в пространстве. Где же нам с вами найти покой?..

Каким образом можно определить, что такое движение и что такое покой?

Попробуем сначала определить, что движение – это процесс изменения положения в пространстве одного тела относительно какого-то другого (или других) тела.

Сказав так, мы отметили, что говорить о движении одного тела, не имея другого, в отношении которого мы это движение наблюдаем, просто бессмысленно. Однако, если мы такие умные, отчего же мы не заметили еще одного важного условия: изменение положения тела осуществляется со временем, так как именно каждый раз через какой-то промежуток времени (через час, минуту, секунду или долю секунды) мы замечаем изменение положения тела в пространстве. То есть, обобщая, следует сказать, что движение тела является процессом изменения его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Когда же говорят о состоянии покоя определенного объекта, то имеют в виду, что этот объект не движется именно в отношении какого-либо другого объекта, избранного в качестве тела отсчета, то есть в нашем примере вы находитесь в состоянии покоя относительно дивана.

Вот это и называют относительностью движения: по отношению к разным объектам движение одного и того же тела выглядит по-разному.

Однако наряду с относительностью у механического движения есть и определенные черты того, что не меняется даже тогда, когда на то же самое движение будет смотреть какой-нибудь другой наблюдатель. Например, если относительно земли расстояние между двумя определенными телами увеличивается, то относительно какого-либо другого тела отсчета расстояние между этими телами тоже будет увеличиваться, т. е. расстояние между телами является абсолютным, одинаковым с точки зрения разных наблюдателей.

Например, представьте себе, что на палубе теплохода, плывущего по реке, расходятся танцующие пары, а вы наблюдаете их движение, сидя на берегу. Что наблюдает в это же время ваша мама, которая стоит на той же палубе, – неужели, что пары сходятся?.. Пожалуй, нет. То есть, расстояние между танцорами и с вашей точки зрения, и с точки зрения вашей мамы будет одинаковым. И вы одинаково будете видеть его увеличение.

Ученым понадобилась не одна сотня лет, чтобы понять, что движение тел является неотъемлемым их свойством (как говорят философы, формой существования материальных объектов).

Одним из важнейших разделов физики является механика. Она изучает движение тел или их частей. В механике рассматривается движение больших (макроскопических) тел. Однако оказывается, что движутся и частицы, из которых состоят все тела. Движутся определенные частицы во время того процесса, который мы называем электрическим током. Движутся частицы воздуха (пока назовем их так), которым мы дышим. А когда возникает и распространяется звук, то это тоже связано с определенным движением – колебаниями. И так далее, и так далее…

Движение действительно есть везде и всегда!

Что необходимо делать для исследования движения

Наблюдать и экспериментировать!

Ранее мы уже говорили, что в далеком прошлом движение практически не исследовали. Античные философы только наблюдали его и высказывали определенные мысли относительно особенностей этого явления.

Когда спустя много сотен лет за дело взялся выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей, физика из «умозрительной» постепенно превратилась в действительно экспериментальную науку.

Кстати, в своих «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки – механики и местного движения» в 1638 г. Галилей писал: «Во-первых, я сомневаюсь, чтобы Аристотель видел на опыте справедливость того, что два камня, один из которых в десять раз тяжелее другого, начавшие одновременно падать с высоты, допустим, сотни локтей, двигались с такими разными скоростями, что когда более тяжелый дошел до земли, более легкий прошел всего 10 локтей…»

Когда сам Галилей захотел определить характер движения тела, падающего с определенной высоты, он бросал камень со знаменитой Пизанской башни, измеряя время по ударам собственного пульса (тогда удобных для этого опыта часов еще не было).

Пизанская башня

А когда Галилей пытался найти закономерности движения тела, скатывающегося с наклонной поверхности, он изготовил специальный желоб-«линейку», отполировал его, а затем пустил по нему бронзовый шарик.

Снова предоставим слово самому Галилею: «…Сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения ее половины, двух третей, трех четвертей или других ее частей и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно обнаруживали, что отношение пройденных Водяной указатель времени путей равно отношению квадратов времени их прохождения при любых наклонах плоскости, то есть канала, вдоль которого скатывался шарик…

Что касается способа измерения времени, то мы использовали большое ведро, которое было заполнено водой и подвешено сверху; дно ведра имело узкий канал, через который вода выливалась тонкой струей и собиралась в маленьком бокале в течение времени, пока шарик спускался по всему каналу или его части; собранное таким образом количество воды каждый раз взвешивалось с помощью самых точных весов…»

Итак, Галилей проводил тщательно продуманный физический эксперимент, на основании которого приходил к определенным выводам относительно особенностей движения тела.

Таким образом, важным этапом любого физического исследования, кроме наблюдения, должен быть и специальный опыт, эксперимент. Причем в таком специальном научном эксперименте часто удобнее применять не сам реальный объект, а его модель – упрощенный заменитель реального тела.

Сейчас у нас есть больше, чем у Галилея, возможностей и для измерения времени, и вообще для наблюдения движения. Можно, например, фотографировать объект в разные моменты времени при наблюдении его движения. Этим часто пользуются астрономы, которым приходится следить за различными космическими объектами – звездами, планетами, кометами, галактиками.

Можно снять движущееся тело на кинопленку. А еще интересно наблюдать за движущимся телом в стробоскопическом освещении.

Представьте себе, что вы находитесь в темном помещении. Если, например, где-то по столу будет катиться шарик, то в темноте вы его не увидите. Но если в помещении через маленькие интервалы времени будет загораться яркая лампочка, то шарик в эти моменты будет становиться видимым. (Это специальное устройство, которое управляет вспышками лампочки, называют стробоскопом.) Освещая таким способом различные движения различных тел, получаем интересную информацию о характере движений. Такое исследование можно сделать еще более удобным, если не просто наблюдать за телом, но и фотографировать его в стробоскопическом освещении.

На этой фотографии виден шарик, падающий вертикально. Надеемся, вы заметили, что через равные промежутки времени шарик проходит все большие и бо́льшие расстояния? Попробуйте подумать над этим и определить, какую еще информацию можно получить, анализируя эту фотографию.

Измерять!

При исследовании движения нужно найти способы сравнения различных движений, ведь недостаточно будет, например, просто сказать: этот автомобиль движется быстрее, чем другой. Необходимо выяснить, чем именно отличаются движения, как можно предвидеть дальнейшее движение любого тела, и так далее.

Для того чтобы это сделать, нужно использовать язык физических величин: путь, время, скорость.

В давние времена ученые пытались описывать явления обычным обыденным языком. Но потом оказалось, что обычные разговоры о телах и явлениях ни к чему не приводят: каждый подразумевает что-то свое, и понять, о чем именно идет речь, очень трудно. Кроме того, со временем выяснилось, что нужно количественно сравнивать определенные свойства изучаемых объектов. Так в физике появились физические величины.

Каждая из физических величин характеризует определенное свойство объекта или явления, при этом ее можно измерять, выражая с помощью определенных единиц.

Стробоскопическая фотография падающего шарика

Например, физическая величина время характеризует длительность событий. Время измеряют с помощью различных часов, а выражают чаще всего в секундах, минутах, часах, месяцах, годах. Мы говорим: продолжительность школьного урока – 45 минут (или 3/4 часа, или 2700 секунд).

Измеряй все, что доступно измерению, и делай недоступное измерению доступным.

Галилей

Когда тело движется, оно все время перемещается из одного места пространства в другое. Физическая величина путь характеризует длину того отрезка траектории, вдоль которой двигалось тело. Измерять путь можно линейками, рулетками (но чаще всего путь рассчитывают, измерив другие, связанные с ним, величины). Выражают путь с помощью различных единиц: метров, сантиметров, дюймов, футов и т. п. Вы, наверняка, видели надпись на дискете для компьютера 3,5", что значит три с половиной дюйма.

О том, как возникли некоторые единицы измерения величин и приборы, с помощью которых проводят измерения, – и пойдет речь ниже.

Измерение времени

История создания приборов для измерения различных физических величин очень интересна. С давних времен и до наших дней сохранились определенные выражения, которые демонстрируют старые представления и способы измерения определенных физических величин. Например, мы до сих пор иногда говорим, что время течет (или «с течением времени»). Дело в том, что когда-то время измеряли водяными часами – вспомните, например, приведенное выше описание опыта Галилея, в котором он использовал такие часы.

Но считают, что одними из первых были солнечные часы. Они были известны еще за 2500 лет до н. э. в Китае! Именно из Китая солнечные часы были завезены в Европу, где они получили очень широкое распространение. Солнечные часы состоят из шкалы-циферблата (как мы сказали бы сейчас), на которую нанесены штрихи, соответствующие целым часам. Промежутки между этими штрихами часто тоже делились на несколько (5 или 10) частей.

Солнечные часы

В большинстве солнечных часов были стержни, которые отбрасывали тень на циферблат. Иногда вместо стержня использовали щиток с отверстием, через которое проходил солнечный луч, и на циферблате образовывалось изображение Солнца. Отсчитывая соответствующий штрих циферблата, на который падала тень или на котором было изображение Солнца, можно было получить определенное значение времени.

Солнечные часы – обсерватория в Дели (Индия)

Некоторые крупные древние сооружения, например, обсерватория в Индии или известный Стоунхендж, выполняли еще и роль солнечных часов.

Точность измерения времени с помощью солнечных часов с современной точки зрения была недостаточно большой. Поэтому интересно будет узнать, что в древности существовали и другие приборы, в частности так называемая клепсидра – водяные часы.

Время летит стрелой, хотя минуты ползут…

Ф. Мендельсон

Клепсидры были двух видов: для отмеривания определенного интервала времени, в течение которого вода перетекает из одного сосуда в другой (подобно песочным часам), а также для определения времени солнечных _ суток – подобно современным часам. В конструкциях второго вида древние механики достигли очень высокого уровня мастерства. Существовали клепсидры, которые действовали безостановочно, причем вода поступала по водопроводу в верхний сосуд, откуда вытекала через насадку, сделанную из драгоценных камней или золота, в нижнюю емкость. Скорость вытекания регулировалась или учитывалась при нанесении делений на специальную шкалу.

Стоунхендж

У римлян сутки от восхода до захода Солнца разбивались на двенадцать часов, поэтому в разное время года продолжительность часа была разной (световой день был разным в разные времена года!). Позже стали применять часы, в которых ход был одинаковым в течение года.

Известная клепсидра Ктезибия (150 г. до н. э.) состояла из цилиндрической колонны, на поверхности которой для каждого из двенадцати месяцев года были нанесены снизу римскими цифрами деления для ночных часов, арабскими – для дневных. Рядом с колонной стояли фигурки двух мальчиков: одна из них была пустотелой и через нее могла поступать вода из водопровода, другая фигурка была прикреплена к специальному поплавку (см. рисунок).

Вода из водопровода поступала в пустотелую фигурку, а потом вытекала из нее каплями через глаза мальчика. Затем эти капли попадали через специальную трубочку в цилиндр, имеющий сверху поплавок со второй фигуркой мальчика, который палочкой указывал на шкалу-циферблат.

Клепсидра Ктезибия

По мере наполнения цилиндра мальчик с палочкой поднимался все выше и выше. В конце, когда палочка-указатель достигала цифры XII, вода из цилиндра с помощью трубки-сифона вытекала. В процессе вытекания вода приводила в действие механизм, вращающий всю колонну на определенный угол так, что за год колонна делала полный оборот.

Клепсидра

Таким образом, это устройство показывало не только время суток, но и месяц!

Согласитесь, эти замечательные часы достойны нашего удивления и восхищения! Заметим, что другие клепсидры были мало похожи на произведение искусства, однако работали по тому же принципу.

Не очень были распространены, однако все же применялись часы из свечей. На довольно большой толстой свече наносили на равных расстояниях черточки. По мере сгорания свечи судили о том, сколько времени прошло. Конечно, такие часы были очень неточными.

В XI веке (а по другим данным – еще в IX в.) появились первые механические часы, но они были такими неточными, что их приходилось сверять по солнечным часам. Лишь в середине XVII в., когда Галилей открыл закон колебания маятника, механические часы вышли на новый уровень точности.

Христиан Гюйгенс

Оказалось, что более точно измерять интервалы времени можно на основе периодических, т. е. повторяющихся процессов. Именно тогда можно обеспечить равномерность хода созданных часов. Свойство, на котором основывается принцип работы маятниковых часов, называется изохронностью (изо – равный, одинаковый; хронос – время).

Современный секундомер

Если вы подвесите к нитке небольшой шарик, винт или нечто подобное, а затем подтолкнете подвешенный предмет, вы сможете наблюдать колебательное движение подвешенного тела – маятника. С помощью маятника можно определять продолжительность определенных событий, приняв за единицу измерения, например, одно полное колебание подвешенного тела.

В свое время голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) изобрел механизм часов, основанный именно на колебательном движении гири-маятника. Интересно, что изначально он решал задачу создания устройства, с помощью которого можно было бы точно определять географическую долготу во время путешествий по океану (вспомним, то были времена великих морских походов европейцев в Индию и Новый Свет – Америку, и проблемы морской навигации были очень важными).

Занимаясь разработкой точных часов, Гюйгенс заинтересовался закономерностями колебательного движения вообще. Еще Галилею было известно, что время, которое требуется для одного колебания маятника вдоль дуги окружности, практически не зависит от размаха колебаний. (Между прочим, маятник как измеритель времени, но без часового механизма, применяли еще арабские астрономы в Х в.) Однако Гюйгенс пытался найти такую форму кривой, чтобы колебания маятника совсем не зависели от размаха. Такой кривой оказалась циклоида: при движении по малым дугам циклоиды колебания маятника были изохронными!

Механизм часов Гюйгенса

Позже были изобретены карманные часы, в которых качающийся маятник, был заменен маленьким колесом, удерживаемым спиральной пружиной (балансиром).

Очень удобными оказались специальные часы-секундомеры, которые можно запускать и останавливать нажатием кнопки.

Современные наука и техника применяют уже более точные (в тысячи раз!) часы. Сначала это были кварцевые часы, действие которых основывается на колебаниях кварцевых кристаллов. Еще более точными являются так называемые атомные часы, по ходу которых сегодня определяют продолжительность основной единицы времени – секунды.

Хотя атомные системы совсем не такие, как механические, все равно можно сказать, что там тоже происходят определенные колебания, свойства которых позволяют использовать их для определения малых (до триллионных долей секунды!) промежутков времени.

Измерение длины

Пожалуй, первыми в истории измерениями были измерения длины. Именно на их примере можно видеть, что провести измерение – это значит сравнить значение измеряемой величины с соответствующей эталонной мерой этой величины. (Напомним, что эталон – это образцовая мера, предназначенная для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения с максимальной точностью.)

Определение длины «в попугаях»

Иначе говоря, измерение – это определение того, сколько раз в измеряемой величине укладывается определенная единица измерения.

Например, в Древнем Египте измеряемую длину сравнивали с царским локтем (около 52,5 см) и малым локтем (около 45 см). А вот локоть в Вавилоне составлял примерно 54 см. (Конечно, для того, чтобы мы имели представление о древних единицах длины, сейчас мы их выразили с помощью единицы, которую применяем сегодня, – сантиметра.)

Ну как, вам нравятся такие «эталоны»? Попробуйте, использовать локоть каждого из членов вашей семьи (отца, матери, брата или сестры, бабушки и т. д.) для измерения, например, длины стола. Конечно, вы догадались, что значение результатов этих измерений будут отличаться и это крайне неудобно.

А сейчас вспомните знаменитый мультфильм про тридцать восемь попугаев, где друзья пытались определить длину удава разными мерками: обезьянками и попугаями.

В Древней Руси для измерения длины тоже использовали интересные единицы. В сравнении с современными единицами метрической системы значения этих единиц следующие:

1 вершок = 4,45 см,

1 аршин = 16 вершков = 71,120 см,

1 сажень = 3 аршина = 2,1336 м,

1 верста = 500 саженей = 1,0668 км.

В Соединенных Штатах Америки и Великобритании достаточно долго были распространены такие меры длины:

1 дюйм = 2,54 см,

1 фут = 12 дюймов = 30,48 см,

1 ярд = 3 фута = 36 дюймов = 0,9144 м.

Поскольку у нас применяется именно метрическая система (или, как ее сейчас называют, SI – Международная система единиц (СИ)), следует вспомнить, как она сама и, в частности, ее основные единицы появились.

Метод обмера скульптур. 1727 г.

Впервые слово «метр» как наименование единицы длины применил Тит Буратини в книге «Универсальная мера» в 1675 г. Тогда за единицу длины он предлагал принять длину нити маятника, который делает одно колебание за одну секунду (этот маятник так и называют – секундный). Но в те годы эта мера так и не получила распространения.

В конце XVIII в. в Европе было около сотни различных «футов», десятки различных «миль», различные «фунты», что очень мешало торговым делам. В 1789 г. торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой о введении одинаковых единиц измерения.

В 1791 г. Национальным собранием Франции была создана специальная комиссия по подготовке новой системы измерения. В состав комиссии вошли Пьер Симон Лаплас, Лагранж, Гаспар Монж и другие.

Комиссия предложила в качестве единицы длины принять длину, равную одной десятимиллионной части четверти длины Парижского меридиана (1/40000000 длины меридиана). Именно эту единицу и назвали метром.

Интересно, что в главном манифесте комиссии была провозглашена такая идея – необходимо создать новую систему измерения:

1) основанную на «неизменном прототипе, взятом из природы, чтобы ее могли принять все нации»;

2) построенную на десятичной системе, которая соответствует десятичной системе исчисления и поэтому упрощает расчеты.

(Кстати, именно этой комиссией было принято определение 1 секунды как 1/86400 доли солнечных суток, а также определение единицы массы, о чем речь пойдет ниже.)

Для измерения длины дуги меридиана собралась экспедиция, в которую вошли астрономы и геодезисты (специалисты по измерениям расстояний и углов на Земле). В течение нескольких лет (с 1792 по 1799 год) проводились измерения части меридиана между Дюнкерком и Барселоной (примерно 1000 км).

На основе измерений дуги меридиана был изготовлен эталон метра, так называемый «архивный метр» (практически одновременно был изготовлен и «архивный килограмм»). Эталон метра был сделан из платины, его отдали на хранение в Национальный архив Французской республики (откуда и происходит его название «архивный метр», или «метр архива»), а копии этого эталона были переданы в Бюро мер и весов.

Позже, в 1799 г., оказалось, что этот архивный метр короче на 0,08 мм более точно измеренной длины дуги земного меридиана! Но из-за того, что метрическая система мер уже широко распространилась, было решено отказаться от стремления к абсолютно идеальному метру и принять за метр расстояние между двумя штрихами того же архивного платинового метра.

На основе международных соглашений (1870, 1872 и 1875 гг.) в Париже было создано Международное бюро мер и весов, которое изготовило новый эталон метра и 31 его копию. Все эти копии были пронумерованы. Один из этих стандартов (эталон № 6), который более всех других был приближен к старому архивному метру, был принят в 1888 г. в качестве международного прототипа метра. Именно он хранится сейчас во Франции в Международном бюро мер и весов неподалеку от Парижа в г. Севр. Остальные 28 копий были распределены в 1889 г. по жребию между государствами, заказавшими их предварительно. России достались копии № 28 и 11.

С развитием науки и техники возникла потребность в более точном определении единицы длины. Для этого пытались найти способ, благодаря которому удалось бы максимально уменьшить зависимость эталона от каких-то внешних воздействий (изменений температуры и др.). Штриховой эталон не обеспечивал требуемой точности, потому что нужно было как-то учитывать и ширину штрихов, и погрешность, которая возникала при сличении эталонов с прототипом. Кроме того, такой искусственный эталон в случае потери не мог быть восстановлен.

И вот в 1960 г. вместо стержня из сплава платины и иридия был принят новый эталон метра. Он основан на электромагнитном излучении света газом криптоном и равен 1 650 763,73 длины волны в вакууме. Созданный таким образом эталон стали называть криптоновым эталоном метра.

Для уменьшения погрешностей при воспроизведении теперь уже криптонового эталона ученые пошли еще дальше. С целью повышения точности воспроизведения единицы длины было предложено заменить криптоновую лампу другим источником излучения. Таким источником стал лазер.

Усилиями многих ученых из разных стран на основе лазерной техники был создан единый эталон частоты-времени-длины, который позволяет определять эти величины с наибольшей точностью. В результате создания единого эталона было заявлено как точное следующее значение скорости света в вакууме: 299 792 458 м/с. Исходя из этого, сегодня определением единицы длины Международной системы единиц является следующее: метр – это длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды.

Сейчас Международная система единиц (СИ) применяется почти во всем мире. Одним из последних «бастионов», где до недавнего времени использовали другие единицы, была Великобритания. Однако и там недавно официально перешли к единицам СИ, хотя консерваторам-британцам очень трудно проститься с привычками представлять все в своих футах или фунтах…

Заканчивая эту краткую историю измерения длины и ее единиц, заметим, что не следует пугаться приведенных здесь пока еще не совсем ясных для вас физических понятий (электромагнитное излучение, длина волны, лазер и т. д.). Во-первых, видимо, интуитивно вы догадались, о чем идет речь, а во-вторых, у вас еще все впереди, и, продолжая знакомиться с миром физики, вы сможете лучше все это понять. Даже упоминание о современных определениях единиц и современных методах их получения может нацелить вас на восприятие физики уже XXI в., а не только ее истории.

Скорость движения, или Кто самый быстрый

Если какое-нибудь тело движется относительно другого (или других), то со временем его положение в пространстве меняется. Опыт наблюдения за движением тел показывает, что эти изменения различны: у кого-то они больше, у кого-то – меньше.

Для того чтобы описывать движение тел, чтобы определить, где будет находиться определенное тело в определенный момент времени, физики применяют физическую величину скорость.

Когда говорят о скорости какого-то тела, чаще всего указывают, какой путь оно проходит за определенный промежуток времени. Например, если автомобиль равномерно движется и за 1 час проезжает 70 километров, мы говорим, что его скорость 70 километров в час (сокращенно 70 км/ч). А если другой автомобиль проехал 140 км за два часа или 210 км за три часа, то его скорость… тоже 70 км/ч.

Надеемся, вы поняли, почему значение скорости оказалось прежним. Действительно, скорость – это физическая величина, которая показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Именно поэтому, чтобы получить значение скорости, нужно значение пути разделить на время: 210 км: 3 часа = 70 км/ч.

В Международной системе единиц (СИ) единицей скорости является метр в секунду (м/с), но на практике достаточно часто используют другие единицы, например, километр в час (км/ч). Поскольку 1 км = 1000 м, а 1 час = 3600 с, то скорость 1 км/ч = 1000 м/3600 с «0,28 м/с.

Так же, как и с измерением времени и длины, из истории измерения скорости сохранились еще и другие, так называемые внесистемные единицы. Например, моряки применяют такую меру скорости судов, как узел, равный 0,514444 м/с.

Если нам известно, с какой скоростью (V) прямолинейно равномерно движется тело, мы можем рассчитать путь (Б), который оно пройдет за определенное время (1):

S = v · t.

Физико-математическое «лирическое» отступление: векторные и скалярные величины

То, о чем было сказано выше, касается движения в одном направлении с постоянной скоростью. Но ведь мы знаем, что реальные объекты могут двигаться так, что направление их движения будет меняться. Для того чтобы учесть и значение, и направление, в физике применяют векторные величины. Следовательно, скорость движения – это векторная величина! Из этого следует, что, если какая-то физическая задача требует нахождения скорости, нужно найти не только числовое значение этой величины, но и указать ее направление.

В отличие от векторных, скалярные величины характеризуются только своим числовым значением. К скалярным величинам относятся, например, время, масса, температура, плотность и другие. С этими величинами можно выполнять обычные алгебраические действия.

Векторные физические величины нельзя просто прибавлять или вычитать, как скалярные, для действия с ними существуют особые математические правила. И это не выдумка физиков и математиков, а отражение того, что мы видим в природе.

Например, представьте себе, что вы поднимаетесь по ступенькам эскалатора метро со скоростью 1 м/с относительно ступенек. Но вы стали не на тот эскалатор: он едет вниз со скоростью 1,5 м/с! Куда и с какой скоростью вы движетесь относительно стен?

Наверное, вы уже догадались, что, просто сложив 1 м/с и 1,5 м/с, реальный результат мы не получим!

Если хорошо подумать, можно найти и другие физические величины, являющиеся векторными. Например, физическая величина перемещение является векторной величиной; в ее определение, кроме значения, входит еще и направление.

Пусть какое-то тело двигалось по дуге окружности и через некоторое время прошло расстояние l = 5 м. Перемещение тела за это время изображают направленным отрезком прямой; этот отрезок соединяет начальную и конечную точки движения тела. Если на рисунке изобразить путь и перемещение тела, то можно увидеть, что они не совпадают. Числовые значения пути и перемещения будут разными, а перемещение, кроме того, характеризуется направлением.

Путь и перемещение

Интересно, что можно найти и такие случаи, когда за определенное время тело прошло довольно значительный путь, а его перемещение оказалось нулевым. Надеемся, вы догадались, в каких случаях это бывает?

Если тело движется в одном направлении вдоль прямой, то числовые значения пути и перемещения будут совпадать. Однако и в этом случае нельзя считать, что это одинаковые величины, потому что перемещение имеет еще и направление.

Векторные и скалярные величины отличаются обозначениями: векторные величины имеют стрелку над символом величины. Например, скорость обозначается , а перемещение – .

С учетом векторного характера скорости и перемещения более точно и корректно формулу скорости прямолинейного равномерного движения следует писать так:

Вернемся к разговору о скорости.

Различные объекты живой и неживой природы движутся со скоростями, значения которых достаточно сильно различаются.

Приблизительные значения некоторых скоростей движения в живой природе и технике

В технике значение скорости движения тел или их частей различаются еще больше.

Поговорим немного о том, каким образом в разных случаях измеряют скорость движения.

Скорость автомобиля определяют с помощью спидометра (англ. speed – скорость и греч. metreo – измерять). Действие этого прибора основано на возникновении электрического тока в цельном алюминиевом диске при вращении перед ним магнита (в физике это явление называют электромагнитной индукцией). Магнит начинает вращаться благодаря специальному валу, связанному с валом автомобиля. Шкала такого прибора градуирована в единицах скорости.

Понятно, что таким способом определить скорость самолета в воздухе невозможно: нет тех колес и тех дорог в воздухе, позволяющих по принципу автомобильного спидометра определить скорость самолета. Поэтому применяют метод, связанный с определением так называемой «воздушной скорости», то есть скорости относительно воздуха, в котором перемещается самолет. Открытые физиками законы аэродинамики позволяют сопоставлять давление воздуха с его скоростью относительно определенного тела.

Идея этого метода заключается именно в применении связи между скоростью самолета и давлением со стороны встречного потока воздуха.

С помощью специального прибора для измерения давления – манометра – определяют давление воздуха, но шкала манометра проградуирована уже в единицах скорости.

Схема спидометра – прибора для измерения скорости автомобиля

Кроме прибора, находящегося непосредственно на самолете, применяют еще и другой метод определения скорости – радиолокацию.

С помощью специального мощного радиопередатчика излучают радиоволны, которые, достигнув самолета, отражаются от него. Теперь нужно «поймать» этот отраженный сигнал и, зная скорость его распространения в воздухе, рассчитать скорость самолета.

На метеорологических станциях скорость ветра определяют с помощью специального флюгера с ветромерной доской. Когда ветра нет, доска висит вертикально. Чем сильнее ветер, тем на больший угол отклоняется доска. По специальным указателям, расположенным у доски, определяют скорость ветра.

Анемометр

Понятно, что этот способ определения скорости не очень точный, поэтому лучшие результаты метеорологи получают с помощью другого устройства – анемометра. Этот прибор содержит легкую крыльчатку («крест Робинзона»), которая может вращаться под воздействием ветра. При вращении крыльчатка приводит в действие зубчатый механизм, который подсчитывает количество оборотов крыльчатки за определенное время.

К сожалению, если скорость ветра меньше 1 м/с, точность измерения резко снижается. Впрочем, существуют и более чувствительные анемометры, принципы действия которых отличаются от действия анемометра с «крестом Робинзона». В этих приборах используется измерение давления воздуха, охлаждение воздухом проволоки, которая нагревалась электрическим током, и другие.

В 1806 г. английский адмирал Ф. Бофорт разработал шкалу, с помощью которой можно оценивать скорость ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Эта балльная шкала принята Всемирной метеорологической организацией (см. таблицу на с. 45).

Надеемся, что штормы и ураганы мы с вами видим только в кино, а не наяву.

Для сравнения интересно посмотреть и на значение скорости падения парашютистов с соответствующей высоты. Здесь имеется в виду так называемая постоянная (максимальная) скорость падения до момента раскрытия парашюта.

Довольно часто скорость движения тел не остается неизменной – такое движение называют неравномерным. Для того чтобы охарактеризовать изменение скорости за определенное время, физики используют специальную физическую величину – ускорение. Можно записать:

Эта величина также является векторной; ее обозначают . Математически записать определение ускорения можно так:

Как физическая величина ускорение измеряется в определенных единицах. Если посмотреть, например, на словесное определение ускорения, можно увидеть, что при изменении скорости 1 м/с за время 1 с ускорение равно «1 м/с за 1 с», то есть 1 м/с^2.

Причины изменения скорости, или причины появления ускорения, волновали исследователей давно, но ответы на эти вопросы были найдены только Ньютоном.

Взаимодействие тел, или… «Сила есть!..»

Слово «сила» мы слышим и применяем довольно часто: и когда говорим о силе воли, и когда ссылаемся на силу привычки, и когда жалуемся на то, что потратили на какое-то дело много сил… А кто-то еще говорит, что у него «не хватает сил», а о ком-то скажут: «сила есть…», ну и так далее.

В таких случаях очень трудно определить и сравнить эти силы. Однако слово «сила» является еще и одним из важнейших понятий физики, поэтому именно как физическое понятие оно имеет достаточно четко определенный смысл, о чем мы сейчас и поговорим.

В свое время, когда Ньютон закладывал основы классической механики, важнейшим научным фактом стали представления о взаимодействии тел. Речь идет о том, что всегда причиной изменения состояния какого-то движущегося тела, является его взаимодействие с другим телом (телами). Для того чтобы количественно оценить степень такого взаимодействия, физики и применяют такую физическую величину, как сила (символ этой величины – В).

Эта физическая величина является векторной, т. е. такой, которая характеризуется и числом, и направлением. С этим легко согласиться, если подумать о результате действия сил, одинаковых по значению, но разных по направлению. Представьте себе, что было бы, если бы земля действовала на вас с силой, направленной не вниз, а вверх!..

А теперь оглядитесь вокруг. Возможно, вы сейчас видите яблоко, которое неподвижно лежит на тарелке, и вам кажется, что никакие тела на него не действуют? Но это не так! На него действуют тарелка и Земля, а само яблоко в свою очередь (в ответ!..) тоже действует на эти тела. То есть существует важная особенность, о которой физики так и говорят: действие одного тела на другое имеет характер взаимодействия – если одно тело действует на другое, то и другое тело обязательно действует на это первое.

Великий Ньютон открыл законы, с помощью которых можно объяснить много реальных механических явлений, происходящих в природе. Эти законы сформулированы именно для сил. Теперь в современных школьных учебниках знаменитые законы Ньютона формулируются несколько иначе, чем это делал сам ученый. А хотите ли вы узнать, как они были записаны в те давние времена?

Оказывается, они были записаны на латыни, которая в те времена была международным языком ученых и играла такую же роль, как сейчас, видимо, играет английский. (Кстати, в России в учебнике по физике 1915 г. формулировка великих законов Ньютона тоже приводилась на языке оригинала – латыни.)

Например, закон, который определял взаимодействие тел, – третий закон – в книге Ньютона выглядел так (возможно, кто-то из вас, изучая латынь, прочтет его в оригинале):

Lex III

Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actions in se mutuo semper esse aequales et in partes contraries dirigi.

В переводе:

Действие всегда равно и противоположно противодействию, иначе: взаимные действия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Физики часто не указывают на конкретное тело, которое действует на определенный объект: они говорят, например, что на мяч, который катится по наклонной плоскости, действуют силы тяжести и трения. За этими словами на самом деле стоят Земля и та самая плоскость, с которой скатывается мяч.

Таким образом, речь идет прежде всего о реальных телах, а то, что между ними происходит, физик опишет с помощью физических величин!

В честь Исаака Ньютона единица силы в Международной системе единиц была названа ньютоном (обозначается Н). Если вы захотите почувствовать, что это за сила в 1 Н, то насыпьте в легкий одноразовый стакан примерно 100 г сахара (вместе со стаканом будет чуть больше 100 г). Сила, с которой «сахарный» стакан будет действовать на вашу ладонь, равна примерно 1 Н.

Для измерения силы применяют специальные приборы, которые называют динамометрами. Это название происходит от греческого слова йупатЬ – сила. (Заметим, что существуют еще и специальные медицинские динамометры для измерения силы мышц; эти приборы называют просто силомеры.)

Самый простой пружинный динамометр устроен так же, как и пружинные бытовые весы, только у динамометра шкала проградуирована в единицах силы. Существуют и другие виды динамометров, которые широко применяют в технике, например, для измерения тяговой силы различных машин.

Однако можно найти и другие способы измерения силы. Согласно второму закону Ньютона известно, что сила, действующая на определенное тело, изменяет скорость его движения на определенное значение; при этом чем больше сила – тем больше меняется скорость. Мы знаем, что физическую величину, которая характеризует изменение скорости за единицу времени, называют ускорением (). Таким образом, закон Ньютона гласит, что сила , действующая на определенное тело массой m, придает этому телу ускорение :

Отсюда следует динамический метод измерения силы: нужно взять тело, например массой 1 кг, подействовать на него с такой силой, чтобы ускорение тела стало 1 м/с^2. Эта сила и будет равна 1 Н! В результате действия какой-либо другой силы то же тело будет приобретать другое ускорение, по которому можно будет оценить и силу.

При взаимодействии различных объектов возникают различные по происхождению и значению силы (1 кН = 1000 Н):

Добавим, что в технике силу тяги довольно часто выражают не в ньютонах, а в килограмм-силах (кгс) или в тонна-силах (тс). Связь между этими единицами такая: 1 кгс = 9,8 Н. Тогда, например, силу тяги трактора можно записать как 588 10^3 кгс или 588 тс (1 тс = 1000 кгс = 10^3 кгс).

А еще интересно сравнить средние значения силы мышц рук людей разного возраста (силу мышц определяли сдавливанием пружинного динамометра):

Когда в механике исследуют движение какого-либо объекта и причины его изменения, прежде всего определяют, действие каких сил привело к этим изменениям (мы помним, что за словами «действие сил» будто бы скрыты те тела, которые действительно действуют на исследуемый объект). И здесь можно говорить о силе трения, силе тяжести, выталкивающей силе, силе реакции опоры, силе тяги, силе давления и других. И хотя по своему происхождению эти силы разные, и нам, возможно, очень интересно узнать, каким именно образом они возникли, эти вопросы придется адресовать другим «царствам» физики, например, электромагнетизму. Ведь в механике объясняют, что произойдет и как изменится движение, если действуют те или иные силы, но сама природа сил не изучается.

Динамометр

В природе, согласно современным данным, существуют только четыре типа взаимодействий и соответственно четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабое взаимодействие. С проявлениями всех четырех типов сил мы встречаемся при изучении того, что происходит в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом кусочке вещества и даже в атомах.

Одной из самых сложных и интересных проблем современной физики является попытка построить определенную Единую теорию, которая бы объединила все четыре взаимодействия. Эта проблема еще не решена, и, возможно, кто-то из вас в будущем решит эту великую загадку Природы!..

Всемирное тяготение

Еще в далекие времена люди задавались вопросом: на чем держится Земля? Сколько же ответов было на этот вопрос! Вы, наверное, слышали, что когда-то представляли себе Землю, которая стоит на трех китах или на трех черепахах (или на одной – какая разница?). Но на чем держатся эти киты?..

Грубая сила, не подкрепленная мудростью, погибает под собственной тяжестью.

Гораций

Конечно, подобные наивные представления сменились более похожими на научные, особенно тогда, когда стало известно о шарообразной форме планет и об их вращении вокруг определенного центра. Сторонники геоцентрического взгляда на Вселенную считали, что Солнце и все остальные планеты вращаются вокруг Земли, другие (сторонники гелиоцентрического подхода, основателем которого был Николай Коперник) были уверены, что именно Земля с другими планетами вращается вокруг Солнца. Однако в любом случае возникали вопросы: а что «держит» планеты, почему они не разлетаются от центра?

Представление древних о строении нашего мира

Интересно, что догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел, было высказано более двух тысяч лет назад греческим философом Анаксагором (ок. 500–428 гг. до н. э.). Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, то упала бы на Землю, как падает камень!.. К сожалению, эта гениальная догадка практического влияния на развитие науки, очевидно, не имела. Ей было суждено быть непонятой и забытой потомками. Даже великий Иоганн Кеплер считал, что причиной такого движения планет является вращение Солнца. Кстати, этому выдающемуся астроному человечество обязано открытием первых законов движения планет.

Кеплер родился в 1571 г. в Германии в небольшом городке близ Вейля. Будучи еще студентом Тюбингенской семинарии, он познакомился с учением Коперника и стал его пылким сторонником. Заметьте, Кеплер жил в то же время, что и Галилей – он даже переписывался с великим итальянцем! А еще он очень ценил выдающегося датского астронома Тихо Браге (1546–1601). Так случилось, что из-за бедности и сложностей пребывания сначала в Германии, а затем в Венгрии, Кеплер откликнулся на приглашение Тихо Браге и переехал к нему в Прагу.

Тихо Браге был великим астрономом, посвятившим свою жизнь и все свои силы астрономии. В Дании у него был остров, на котором он создал целый астрономический город, названный им Ураниенбургом. Не придя к согласию с датским королевским двором, Тихо покинул Данию и переехал в Прагу, куда перебрался и Кеплер. Но, к сожалению, долго поработать с Браге Кеплеру не судилось, потому что вскоре Тихо умер.

Журналы тридцатипятилетних наблюдений Тихо Браге попали в руки Кеплера, и он начал обработку этого гигантского материала. В 1609 г. в результате титанической работы Кеплера вышла его книга «Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями относительно движения планеты Марс, по наблюдениям Тихо Браге».

Тихо Браге

В отличие от Галилея, который считал, что планеты вращаются вокруг Солнца по окружностям, Кеплер показал, что орбиты планет имеют форму овала, а затем математически доказал, что эта форма – эллипс. При этом планеты движутся по своим эллипсам неравномерно: быстрее, когда они ближе к Солнцу, и медленнее, когда удаляются от него.

Великие открытия Кеплера не принесли ему материального благополучия. Чтобы свести концы с концами, ему приходилось составлять гороскопы для богачей, хотя сам он в астрологию не верил. Ему пришлось еще раз переезжать, но, несмотря на все жизненные проблемы и неурядицы,

Кеплер продолжал заниматься астрономией и физикой, в частности оптикой. (В своей книге 1611 г. он описывает конструкцию телескопа, который так и называют: труба Кеплера.)

Возможно, так возникла идея о всемирном тяготении

Последние годы ученого были очень трудными – он жил на случайные заработки. Во время одной из поездок, связанной с хлопотами о получении жалованья, он простудился, заболел и 15 ноября 1630 г. умер.

Открыв законы движения планет вокруг Солнца, Кеплер не дошел до выявления причин связи нашего светила с планетами. К решению именно этой проблемы приблизился Роберт Гук. У него даже вышла книга под названием «Попытка изучения движения Земли». Вот что он писал о теории, которую планировал разработать: «Теория эта основывается на трех допущениях: во-первых, это то, что все без исключения небесные тела имеют направленное к их центру притяжение… Согласно второму предположению, все тела, которые движутся прямолинейно и равномерно, будут двигаться вдоль прямой до тех пор, пока они не будут отклонены какой-либо силой и не станут описывать траекторию в виде круга, эллипса или какой-либо менее простой кривой. Согласно третьему предположению, действующие силы притяжения тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют».

Сейчас мы можем только удивляться, почему сам Гук не занимался развитием этих идей, ссылаясь на загруженность другими работами. Он так близко подошел к такому важному в истории науки открытию!

Таким образом, ни Галилею, ни Кеплеру, ни Гуку не удалось четко и полно сформулировать то, что по праву считается триумфом науки. Это сделал Ньютон! И дело вовсе не в том, что ему на голову упало яблоко и поэтому он открыл закон тяготения, а в том, что у Ньютона уже были открытые им законы, которые можно было применить для описания любых движений.

Нужен был гений Ньютона, чтобы удивиться тому, что яблоко упало на землю…

К. Д. Ушинский

Именно Ньютон понял, что основой, определяющей особенности движения, являются силы. Он был первым, кто увидел, что́ именно нужно искать для объяснения движения планет, – искать нужно силы!

Кстати, а было ли то легендарное яблоко на самом деле? Многие историки науки пытались установить, соответствует ли эта история действительности или нет. В изданных лишь в 1936 г. воспоминаниях Уильяма Стекли, друга Ньютона, упоминается о его разговоре с ученым, происходящем в саду, в тени яблони 15 апреля 1725 г. В этом разговоре якобы и прозвучало из уст Ньютона, что мысль о тяготении пришла к нему именно при таких обстоятельствах, то есть была вызвана падением яблока. Об этом пишет и Вольтер, ссылаясь на свидетельства родственницы Ньютона и ее мужа, который в своих мемуарах снова вспоминает об упавшем яблоке и о том, что именно оно и повлияло на ход мыслей ученого.

Конечно, эта история довольно интересна, но мы понимаем, что никакие яблоки, груши или… кокосы, которые падают, не приведут к научному открытию, если человек не занимается научным исследованием окружающего мира и процессов, в нем происходящих!

Движение планеты вокруг Солнца

Вернемся к Ньютону. На самом деле он задавался вопросом, как Луна движется вокруг Земли. Ученый рассчитал ускорение, с которым это движение происходит, и сопоставил его с расстоянием, на котором находится Луна. Кроме того, Ньютон понял, что, если бы прекратилось движение Луны по инерции вокруг Земли, она упала бы на Землю. А если бы прекратилось притяжение Земли, то Луна полетела бы в космическое пространство. Таким образом, Ньютон пришел к выводу, что Луна удерживается на своей орбите силами притяжения. То же происходит и с Землей и другими планетами, которые вращаются вокруг Солнца.

Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят свое значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления.

Альберт Эйнштейн

Ньютон назвал открытые им силы всемирными – они являются универсальными, относящимися ко всему, что имеет массу. Ньютон записал, что «тяготение существует для всех тел и пропорционально массе каждого из них».

Для этих сил нет препятствий, от них невозможно отгородиться. При этом чем больше расстояние между взаимодействующими телами, тем меньше по значению становится эта сила. (Такую зависимость называют законом обратных квадратов: при увеличении расстояния, например, в два раза, сила уменьшается в четыре раза, а при увеличении в три раза – сила уменьшается в девять раз и т. д.).

В современной физике эти силы называются гравитационными. Действие их простирается, непрерывно уменьшаясь, практически на бесконечные расстояния.

Именно в результате действия гравитационных сил из гигантского газопылевого облака образовались планеты, в том числе и наша Земля. Благодаря гравитационным силам самые крупные и массивные небесные тела сжимались, потом разогревались и становились горящими звездами. А также, благодаря, прежде всего, гравитационным силам развитие и жизнь каждой звезды может закончиться по-разному: либо вспышкой сверхновой звезды, либо превращением в черную дыру…

Эти силы имеют огромное влияние на все, что происходит на Земле. Мы уже привыкли к тому, что выпущенное из рук тело падает вниз, как падает вниз и вода в водопаде, и те же спелые яблоки с дерева… Однако следует подчеркнуть, что с точки зрения физики можно с полным правом сказать, что именно Земля падает на яблоко, потому что гравитационными силами притяжения действуют друг на друга оба тела: яблоко на Землю, Земля – на яблоко.

Благодаря гравитационным силам удерживаются на поверхности Земли океаны воды и у ее поверхности – воздушный океан, атмосфера. Гравитация не только удерживает около Земли людей, животных, воду и воздух, она еще и сжимает их. Сам земной шар сжат гравитационными силами до колоссального давления: возможно, в центре Земли давление превышает три миллиона атмосфер.

Существующие на планете приливы и отливы связаны с гравитационными воздействиями Солнца и Луны, причем из-за того, что небольшая Луна находится существенно ближе к нам, чем Солнце, ее влияние наиболее заметное.

Все мы также притягиваемся ко всем объектам вокруг нас, но из-за зависимости сил притяжения от массы существенным становится наше притяжение именно к Земле, а не, например, к именинному пирогу, стоящему на столе (конечно же, если не говорить о «негравитационном» желании отведать кусочек…).

Сравните: сила притяжения между девочкой массой 45 кг и Землей составляет около 441 Н, а сила притяжения между этой же девочкой и пирогом массой 1 кг, который находится на расстоянии одного метра от нее, – всего 300 10-11 Н!

Гравитационные силы, существующие между космическими объектами, являются огромными именно из-за того, что космические объекты – планеты, звезды, галактики – очень массивные. Например, сила притяжения между Землей и Луной составляет примерно 2 -10^20 Н, а сила притяжения между Землей и Солнцем – 3,5 -10^22 Н, и это при том, что Солнце находится гораздо дальше от Земли, чем Луна (среднее расстояние Луны от Земли равно примерно 384 тысячам километров, а среднее расстояние от Земли до Солнца – около 150 миллионов километров!).

Самые крупные планеты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Нептун – имеют наибольшее количество спутников, да еще и кольца. Все это тоже является проявлением гравитационного притяжения: наиболее массивные объекты оказывают наибольшее гравитационное воздействие. Однако малые планеты – астероиды – не в состоянии своим гравитационным притяжением удержать даже газовую оболочку – атмосферу.

Именно из-за наличия гравитационного притяжения телу, чтобы оно могло покинуть определенный космический объект (планету, звезду), нужно приобрести достаточно большую скорость. Например, чтобы тело взлетело над Землей и стало ее искусственным спутником, ему нужно придать первую космическую скорость – примерно 7,9 км/с. А для того, чтобы тело (например, космический корабль) смогло улететь к другой планете, то есть выйти за пределы земного притяжения, ему нужно придать скорость уже 11,2 км/с (вторая космическая скорость). Наконец, чтобы выйти за пределы Солнечной системы, телу нужно придать скорость 16,6 км/с (третья космическая скорость).

Заметим, что приведенные выше значения космических скоростей справедливы именно для полета с поверхности Земли, масса которой 5,98 10^24 кг. Для других тел Солнечной системы эти значения будут иными из-за других значений их массы, а следовательно, и другого гравитационного притяжения.

В свое время известный английский писатель Герберт Уэллс в романе «Первые люди на Луне» предложил интересную фантастическую идею, которая якобы позволит путешествовать с планеты на планету. Герой его книги изобрел особое вещество, которое обладает замечательным свойством: непроницаемость для сил тяготения. Если такое фантастическое вещество (его назвали кеворит) разместить под каким-нибудь телом, то это тело освободится от притяжения Земли и будет находиться под действием притяжения только других тел.

В романе герои сооружают специальный небесный корабль, на котором осуществляют полет на Луну. Этот корабль не имеет ни двигателя, ни горючего. Во время полета путешественники открывают или закрывают специальные заслонки, покрытые слоем кеворита, и таким образом осуществляют маневры в пространстве.

К сожалению, такие путешествия не могут осуществиться, потому что отгородиться от гравитации невозможно!..

Как оказаться в невесомости

Слово «невесомость» у многих из вас, наверное, вызывает какие-то космические картины: полет на межпланетной станции, плавание по отсекам космического корабля и т. д. Мы вас немного разочаруем, ведь в невесомости можно оказаться и на Земле, даже не обязательно лететь куда-то к далеким звездам или находиться на околоземной орбите.

Но что же такое вес тела и его отсутствие? Попробуем немного в этом разобраться. Через силу гравитационного притяжения мы притягиваемся к Земле и обычно обнаруживаем, что между нами и землей что-то есть. Это может быть стул или пол, кресло или что-то другое. Притягиваясь к Земле, мы с определенной силой действуем на то, что находится под нами. Эту силу в физике и называют весом.

Любое тело, на которое действует земное притяжение, в свою очередь действует на другие тела, сжимая или растягивая их. Сила, с которой определенное тело действует на опору или подвес, называется весом.

Когда говорят, что вес стола 200 Н, имеют в виду то, что этот вес – сила, с которой стол действует на пол.

Заметьте, что здесь между языком физики и нашим обычным языком есть разница! В быту, когда мы говорим о весе тела (например, покупая что-то в магазине), то чаще всего имеем в виду массу тела; то есть в быту масса и вес – синонимы. А вот в физике вес – это сила, и эта сила, в отличие от массы, измеряется в ньютонах!

Теперь, когда мы уже это знаем, придумаем ситуацию с отсутствием веса.

Например, чтобы развлечь своего любимого котенка вы подвесили на нить конфету. Играя, котенок разорвал нитку, и конфета полетела вниз. Действует конфета на разорванную нить во время своего падения? Практически нет. Вот это отсутствие воздействия на нить и означает отсутствие у конфеты веса! При этом на космическую орбиту нашу конфету вместе с котенком мы не выводили!

Так же можно избавить тело от веса, если оно будет падать на землю вместе со своей опорой: при падении тело не давит на опору, и, следовательно, не имеет веса.

В наших примерах мы применили одно важное физическое положение, касающееся особенностей падения тел. Еще Галилей открыл, что притяжение одинаково действует на любые тела. Бросая со знаменитой наклонной Пизанской башни различные предметы, он пришел к выводу, что Земля одинаково изменяет скорости падающих тел. В физике говорят, что тела падают на землю с одинаковым ускорением (ускорение – это величина, показывающая, как со временем меняется скорость). Но когда это открытие произошло?

До сих пор точная дата этого открытия оставалась неизвестной. Считалось, что это произошло после того, как Галилей поселился в Пизе, после 1590 г., но до того, как еретиком-ученым заинтересовалась инквизиция (из-за его утверждения о том, что Земля вращается вокруг Солнца), то есть до 1632 г. Вот в этом почти полувековом интервале времени и было сделано открытие!

Сохранилось довольно много рукописей Галилея, в которых он «предусмотрительно» не указывал даты. Но не подумайте, что точную дату открытия определили, измерив каким-то современным методом (например, радиоуглеродным) точный возраст чернил или бумаги (к сожалению, точность имеющихся у нас методов для этого недостаточна). Выход нашелся, и он оказался более интересным и даже детективным.

Исследовав имеющиеся рукописи Галилея с помощью методов спектрального анализа, ученые установили, что он в течение 42 лет пользовался 20 видами различных чернил. Кроме научных записей, ученый вел и расходные книги, в которых, естественно, проставлял даты. Оказалось, что чернила, которыми записано описание экспериментов на Пизанской башне, те же, какими он делал записи о доходах и расходах в домовой книге в 1604 г. Отсюда и сделали вывод, что и открытие было сделано в том же году.

Вернемся к невесомости. Теперь нужно ради физической точности признаться в одном важном предположении, о котором мы еще не сказали.

Дело в том, что не всякое падение тел можно считать состоянием невесомости. Невесомость соответствует состоянию так называемого свободного падения, когда на тела ничего, кроме силы тяжести, не действует. В таком случае падение в воздухе, когда действуют силы сопротивления воздуха, не является, откровенно говоря, свободным падением. Однако наша конфета, которую оторвал от нити котенок, находилась почти в невесомости, потому что в тех условиях силы сопротивления воздуха очень малы. Вот если бы конфета была… на парашюте, тогда ни о какой невесомости и говорить нечего.

«Ньютонова гора» – прогнозирование возможности создания искусственного спутника Земли

Из вышесказанного следует, что невесомость космического корабля, находящегося на орбите, связана с состоянием его падения на Землю или на другую планету, вокруг которой он движется. Когда-то еще Ньютон предложил способ, которым можно превратить тело в спутник Земли: нужно придать телу такую большую скорость, чтобы оно не упало на планету, а вышло на круговую орбиту вокруг нее.

Когда космический корабль (с выключенными двигателями!) находится на заданной орбите над Землей, то он и все тела внутри него находятся в состоянии падения, двигаясь с одинаковым ускорением. Таким образом, это и будет для всех этих объектов состоянием невесомости.

Чтобы будущих космонавтов подготовить к космическому полету, их тренируют на специальном самолете: «роняют» на несколько секунд вместе с самолетом с выключенными двигателями, чтобы люди ощутили то состояние, в котором им предстоит потом находиться достаточно долго.

Итак, невесомость действительно можно почувствовать на космической орбите. Однако приблизиться к такому состоянию можно и в земных условиях, если уменьшить воздействие на определенное тело всех других тел (в сравнении с действием Земли) и сделать так, чтобы тело и его опора (подвес) падали на Землю с одинаковым ускорением.

III. Гидро– и аэростатика

Как у физиков «появилось» атмосферное давление

Имя Эванджелисты Торричелли (1608–1647) навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и создавшего первый барометр.

До середины XVII в. считалось бесспорным утверждение древнегреческого ученого Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции обнаружилось, что всасываемая насосами вода не желает подниматься выше 34 футов. Удивленные строители обратились за помощью к Галилею, который пошутил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 34 футов, но все же предложил разобраться в этом своим ученикам.

Эванджелиста Торричелли

Трудно сказать, кто первым догадался, что высота поднятия жидкости за поршнем насоса должна быть тем меньше, чем больше ее плотность. Поскольку плотность ртути в 13 раз больше, чем у воды, высота ее поднятия за поршнем будет во столько же раз меньше.

Подобный опыт, проведенный Вивиани по инициативе Торричелли, предоставлял возможность «перейти» с уличной площадки в лабораторию, что и было сделано.

Осмысливая результаты эксперимента, Торричелли делает два вывода: пространство над ртутью в трубке является пустым (позже его назовут «торричеллиевой пустотой»), а ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в сосуде.

Из этого следовало, что воздух имеет вес! Это утверждение казалось настолько невероятным, что не сразу было принято учеными того времени.

Заметим, что о результатах своих опытов Торричелли сообщил своему другу М. Риччи, который жил в Риме. Хотя это письмо не было напечатано, оно разошлось в списках по всей Европе и вызвало появление работ других авторов (в том числе Б. Паскаля, О. Герике, Р. Бойля).

В своем письме Торричелли рассказывает: «…Я уже писал ранее, что занимаюсь разработкой определенного философского експеримента, имеющего отношение к пустоте, не для того, чтобы просто создать пустоту, а для того, чтобы сделать прибор, который показывал бы изменения в воздухе…»

Отсюда легко увидеть попытки создать то, что мы сейчас называем барометром – прибором для измерения атмосферного давления!

Дальше Торричелли пишет: «Мы живем, погруженные на дно океана воздушной стихии, о которой благодаря достоверным опытам известно, что воздух имеет вес, причем наибольшая его плотность – вблизи земной поверхности, где воздух имеет вес, составляющий примерно 1/400 веса воды». (Заметим, что значение, которое привел Торричелли, сейчас установлено с большей точностью.)

Таким образом, именно Торричелли дал нам понять, что воздух имеет определенную массу и действует с определенной силой – силой атмосферного давления, как говорят сейчас.

Открытие атмосферного давления и опыты с вакуумом способствовали разрушению одного из заблуждений – «страха пустоты». Устранение этой ошибки положительно сказалось на проведении дальнейших научных исследований.

В XVII–XVIII вв. опыты с пустотой вызывают большой интерес, наряду с учеными ими с увлечением занимаются и дилетанты. Появляются различные конструкции вакуумных поршневых насосов механического и ртутного типов.

Из опыта Торричелли позже родилась научная метеорология, однако окончательное признание его выводы получили лишь благодаря опытам замечательного французского математика и физика Блеза Паскаля.

Любознательный исследователь и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике тоже не остался в стороне от интересных свойств воздуха.

Он решил на опыте проверить возможность создания пустоты (вакуума), что привело его к изобретению воздушного насоса (1650 г.).

В 1654 г. Герике продемонстрировал с его помощью существование давления воздуха (знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями»), определил его плотность, показал, что звук не распространяется в пустоте, что животные в безвоздушном пространстве гибнут и т. д.

Из-за занятости Герике часто не успевал собственноручно описать свои опыты, поэтому это делал с его разрешения профессор математики К. Шотт. Именно из книг Шотта другие ученые узнали об опытах Герике. Только в 1672 г. вышла в свет книга самого О. Герике «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве». Этот труд стал одним из символов экспериментальной науки того времени.

Отто фон Герике

Книга знаменитого ученого содержала несколько разделов, представляющих интерес и сейчас. Один из них – «Первый опыт создания пустоты путем отбора воды». Герике описывал его так: пивная бочка сначала заполнялась водой и герметично закрывалась. К нижней части бочки была прикреплена металлическая трубка, с помощью которой можно было «отбирать» воду. Вода из-за своего веса должна опускаться и оставлять над собой в бочке пространство, свободное от воздуха.

Герике достаточно подробно рассказывает о первом неудачном опыте (лопнули железные болты и связи на бочке!) и о усовершенствованиях, которые пришлось сделать.

Опыт Герике

Далее Герике описывает устройство, предназначенное, по его словам, для создания пустоты. Исследователь объясняет, почему это сложно сделать:

«Поскольку воздух исключительно тонкое тело, он невероятно быстро проходит через все отверстия и заполняет промежутки, какими бы малыми они ни были, всегда определенное количество воздуха незаметно проходит мимо края поршней и через клапаны».

Подробно говорится в книге о воздушном подкачивающем насосе:

«Из описания этой машины четко следует, что с ее помощью создается пустота, и те трудности, которые обычно считались непреодолимыми, можно преодолеть».

Наиболее известными считаются опыты, которые Герике провел с «магдебургскими полушариями». Соответствующий раздел из его книги так и называется: «Опыт, показывающий, что из-за давления воздуха два полушария могут так крепко соединиться, что их не могут оторвать друг от друга шестнадцать лошадей».

Случайные открытия делают только подготовленные умы.

Блез Паскаль

Герике писал: «Я приказал изготовить два полушария (или чаши)… из меди. Они хорошо подогнаны друг к другу и имеют кран (скорее клапан), с помощью которого откачивается воздух, находящийся внутри, а доступ воздуха извне невозможен… Кроме того, чаши надо оснастить железными кольцами, чтобы цеплять к ним лошадей… Затем я приказал сшить кольцо из кожи и пропитать его воском и скипидаром, чтобы оно не пропускало воздуха.

После того как это кольцо было проложено между чашами, я прижал их друг к другу и быстро откачал воздух… Я убедился, с какой силой были соединены чаши, между которыми находилось такое кольцо. Прижатые окружающим воздухом, они соединились так крепко, что шестнадцать лошадей либо вовсе не в состоянии были их разорвать, либо могли это сделать с большим усилием. Когда, наконец, благодаря напряжению всех сил чаши удалось разъединить, то возник шум, похожий на звук ружейного выстрела».

Интересным и важным с точки зрения физики является то, что Герике на этом не остановился. Он показал, как можно измерить силы, прижавшие чаши (полушария) друг к другу! Вместо лошадей он использовал грузы, с их помощью можно разъединить чаши, между которыми нет воздуха. (При этом, конечно, вся эта система размещается вертикально.)

Измерение атмосферного давления

Одним из исторических опытов, доказавших существование атмосферного давления, был опыт Торричелли и Вивиани, о котором уже упоминалось. Этот опыт заключался в том, что заполненную ртутью и запаянную с одного конца трубку опускали в сосуд с ртутью. Часть ртути выливалась в сосуд, и так же, как в водяном насосе, над поверхностью ртути возникала пустота.

Опыт Торричелли

При этом заметили, что высота столбца ртути не зависит от формы трубки и объема пустоты над поверхностью ртути. Отношение высоты, на которую поднимается ртуть, к высоте, на которую в подобном опыте поднимается вода, равно отношению плотности воды к плотности ртути.

Результаты подобного эксперимента убедили не всех. Но постепенно, после многократного его воспроизведения, представление о возможности пустоты и существования атмосферного давления стали общепризнанными.

К делу подключился выдающийся философ, математик и физик Блез Паскаль (1623–1662).

Паскаль предположил, что высота подъема ртути в трубке Торричелли должна измениться на высокой горе, так как там давление атмосферы меньше.

Прибор для измерения атмосферного давления – барометр-анероид

По указаниям Паскаля его родственник Ф. Перье провел необходимый эксперимент 19 декабря 1648 г., поднявшись на гору Пюи-де-Дом. Он установил, что существует заметная разница между высотой столба ртути у подножия горы и на ее вершине – 84 мм.

Паскаль потом сам провел подобный эксперимент в Париже – в знаменитом соборе Нотр-Дам, а затем на башне Сен-Жак. Эти эксперименты подтвердили идеи Торричелли об атмосферном давлении и продемонстрировали возможность измерения этого давления.

Таким образом, можно утверждать, что из опытов Торричелли и Паскаля «вырос» прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр. Появилась затем и единица измерения давления – миллиметр ртутного столба, которую применяют и сейчас. В Международной системе единиц именно в честь Паскаля единица давления носит его имя – Паскаль (Па).

Кроме жидкостных приборов (ртутного, водяного), для измерения атмосферного давления используют и другие – например, барометр-анероид.

Анероид, имеющий шкалу, по которой можно определить высоту поднятия над Землей, называют альтиметром (высотомером). Надо подчеркнуть, что принцип его действия тот же, что и у обычного барометра – с разницей только в шкале, которую предварительно градуируют в метрах (километрах) от поверхности земли. Альтиметр широко используют в авиации, парашютном спорте, альпинизме и т. д.

Перед тем как привести таблицу данных об атмосферном давлении на разных высотах, отметим, что эти данные соответствуют так называемой стандартной атмосфере. В тропосфере и стратосфере воздушной оболочки Земли плотность, давление и температура колеблются в достаточно широких пределах в зависимости от географической широты местности, времени года и времени суток, метеорологических условий. Для больших высот физические свойства воздуха очень зависят от солнечной активности. Поэтому для общего представления характеристик атмосферы и практических расчетов принята стандартная атмосфера – условное распределение плотности, давления и температуры в сухом чистом воздухе в зависимости от высоты над уровнем моря. Стандартная атмосфера основывается на многолетних статистических данных и содержит средние значения физических параметров воздуха.

Изобретения людей продвигаются вперед из века в век. Доброта же и злость людская в общем остаются теми же.

Блез Паскаль

Стандартная атмосфера устанавливает средние значения этих параметров для широты 45,4°, соответствующих среднему уровню солнечной активности. Начальные значения воздуха на уровне моря: температура 15 °C, давление 101 325 Па (760,0 мм рт. ст.), плотность 1,225 кг/м^3.

Итак, давление атмосферы на разных высотах над поверхностью Земли:

Существует интересный исторический анекдот, определенным образом связанный с измерением давления на разных высотах. Кстати, эту историю рассказывал сам Эрнест Резерфорд – выдающийся физик, президент Лондонского Королевского общества, лауреат Нобелевской премии.

Как-то коллега обратился к Резерфорду за помощью. Он собирался поставить самую низкую оценку по физике одному из своих студентов, в то время как этот студент утверждал, что заслуживает высший балл. Оба, преподаватель и студент, согласились положиться на мнение третьего лица, незаинтересованного арбитра, выбор пал на Резерфорда.

Экзаменационный вопрос был таким: «Объяснить, каким образом можно измерить высоту здания с помощью барометра».

Студент ответил: «Нужно подняться с барометром на крышу здания, спустить барометр вниз на длинной веревке, а затем втянуть его обратно и измерить длину веревки, что и покажет точную высоту здания».

Случай был действительно сложный, поскольку ответ был полным и правильным! С другой стороны, экзамен был по физике, а в этом ответе было мало общего с применением знаний в этой области.

Студенту предложили попытаться ответить еще раз, при этом подчеркнули, что ответ должен демонстрировать знание физических законов.

Через пять минут он так и не написал ничего в экзаменационном листе, заявив, что у него есть несколько решений этой проблемы, и он просто выбирает лучшее.

Новый ответ на вопрос был таким. Надо подняться с барометром на крышу дома и… бросить его вниз, замеряя время падения. Затем, используя формулу h = (g · t^2): 2, вычислить высоту здания. (В этой формуле g = 9,8 м/с^2 – ускорение свободного падения.)

Затем студент привел еще несколько способов определения высоты здания. Например, если день солнечный, то нужно сначала измерить высоту барометра, высоту его тени, а также измерить длину тени здания. Затем, составив достаточно простую пропорцию, определить высоту самого здания.

Еще один способ был таков. Нужно взять барометр в руки и начать подниматься по лестнице, прикладывая барометр к стене и делая на ней метки. Посчитав количество этих меток и умножив ее на размер барометра, можно получить высоту здания.

После описания еще нескольких способов студент предложил следующее: надо взять барометр, найти управляющего домом и сказать ему, что у вас есть замечательный барометр, и он перейдет в его собственность, если тот… назовет высоту этого здания.

Когда Резерфорд спросил студента – неужели он действительно не знает, как решить эту задачу, тот признался, что знает, но сказал при этом, что ему надоело, когда преподаватели навязывают ученикам свой способ мышления.

Студентом этим был Нильс Бор (1885–1962), будущий выдающийся датский физик, лауреат Нобелевской премии 1922 г.

Вот такая история. Видимо, она и в самом деле не только о барометре…

Исследования Паскаля

Значительный вклад в развитие гидростатики – раздела физики, в котором изучаются свойства неподвижной жидкости, – внес французский ученый Блез Паскаль, о котором мы уже упоминали.

Опыт Паскаля

По указанию Паскаля, прочную дубовую бочку доверху наполнили водой и наглухо закрыли крышкой. В небольшое отверстие в крышке вставили и закрепили конец вертикальной стеклянной трубки такой длины, чтобы ее верхний конец был на уровне второго этажа дома.

Выйдя на балкон, Паскаль начал наполнять трубку водой. Не успел он вылить и десятка стаканов, как вдруг бочка с треском лопнула. Ее разорвала довольно значительная сила. Паскаль уверен: сила, разорвавшая бочку, совсем не зависит от количества воды в трубке. Все зависит от высоты, с которой трубка была заполнена.

Далее раскрывается удивительное свойство воды – «передавать давление», создаваемое на поверхности воды, по всему объему внутри жидкости.

Так Паскаль приходит к открытию закона распределения давления в жидкости, который позже назвали его именем.

Кроме этого достаточно известного эксперимента, Паскаль проводил и другие. Он брал сосуд с отверстиями с одинаковым сечением в стенках и дне. В отверстия вставлялись трубки с поршнями. Когда сосуд наполнялся водой, то вода давила на поршни, которые удерживались прочными нитями.

Изучая истину, можно иметь троякую цель: открыть истину, когда ищем ее; доказать ее, когда нашли; наконец, отличить от лжи, когда ее рассматриваем.

Блез Паскаль

Чтобы измерить силу давления на каждый поршень, Паскаль прикреплял к ним нити, которые соединялись с помощью блоков с чашкой весов. Гири на другой чашке весов, удерживающие поршень в равновесии, показывали силу давления, действующую на поршень.

Эти опыты подтвердили, что давление на дно сосуда пропорционально плотности жидкости и высоте ее уровня от дна. Формула гидростатического давления, которую мы применяем для решения различных интересных задач, выведена именно из этих опытов: p = ρ · g · h.

Паскаль доказал также, что давление внутри жидкости передается во всех направлениях, не исключая и направления вертикально вверх. Для этого сосуд с водой плотно закрывали крышкой, имевшей два отверстия.

Каждую книгу нужно уметь читать.

Блез Паскаль

В отверстия вставляли одинаковые (по площади поперечного сечения) трубки, закрытые одинаковыми поршнями. Когда на один поршень клали гирю, то наблюдали, что поршень в другой трубке поднимался. Чтобы удержать поршень в другой трубке в равновесии, нужно было положить на него такую же гирю.

Если диаметр одного поршня по сравнению с диаметром другого поршня, был больше, например, в два раза, то для удерживания первого поршня в равновесии необходимо было положить гирю в четыре раза тяжелее, чем на поршень в узкой трубке.

Описывая эти опыты в своем «Трактате о равновесии жидкостей» (1654 г.), Паскаль писал:

«Сосуд, заполненный водой, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил по мере необходимости, поскольку таким образом человек может поднять любой предложенный ему вес».

Вы, наверное, уже догадались, что речь идет о гидравлической машине, которая широко применяется и в научных исследованиях, и в технике.

Кричал ли Архимед «Эврика!..»

О жизни знаменитого философа Архимеда из Сиракуз известно очень мало, а то, что известно, больше похоже на легенды. Однако, вероятно, эти многочисленные легенды дают соответствующие представления об этом выдающемся человеке.

Архимеда можно назвать инженером – ему приписывают около сорока изобретений, в том числе винт и полиспаст. Его можно назвать и математиком – им разработаны интересные геометрические методы, приемы вычисления поверхностей и объемов сложных фигур на основе простых. Подход Архимеда к физическим проблемам тоже часто базируется на геометрических доказательствах, в чем можно убедиться, например, ознакомившись с его трактатом «О равновесии плоских фигур, или О центре тяжести плоских фигур».

Сочинение «О плавающих телах» исследователи относят к наиболее поздним (некоторые даже считают его последним произведением Архимеда). Оно состоит из двух книг. В первой книге Архимед рассматривает вопросы, связанные с погружением твердых тел в жидкость, и формулирует закон, который сейчас есть в школьном учебнике по физике. (Интересно, что здесь Архимед рассматривает свободную поверхность жидкости как сферу.)

Во второй книге Архимед, считая поверхность жидкости плоской, рассматривает принцип действия ареометра[2] и условия равновесия в жидкости тел, имеющих особую форму – параболоида. Выводы Архимеда представляли интерес для судостроения.

А знаете ли вы, как в первоисточнике записаны формулировки этого положения, которое мы называем законом Архимеда? Прочитайте их:

«Тело более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела…

Тела более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильно, будут выталкиваться вверх силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный с телом объем, будет тяжелее этого тела…

Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела…»

Нам с вами, пожалуй, очень нелегко сейчас читать эти трудные фразы – стиль речи тех времен значительно отличался от современного. Согласитесь, что в вашем учебнике написано проще!.. Однако, все равно интересно заглянуть туда, в глубь веков, чтобы узнать, как шел путь познания, как рождалось новое знание…

В этом же произведении описана идея прибора для определения плотности жидкости (как сказали бы мы сейчас). Однако первый настоящий ареометр был изготовлен лишь в V в. н. э. Синезием.

Вернемся к закону плавания тел. Суть его в том, что на тело, погруженное в жидкость, в результате гидростатического давления действует сила, направленная вертикально вверх и численно равная весу воды, которую это тело вытеснило.

Одна из многочисленных легенд об Архимеде (кстати, ее рассказал Плутарх) связана с открытием этого закона. Сиракузский царь Гиерон поручил Архимеду выяснить, из чистого ли золота его царская корона. И вот якобы после долгих размышлений по этому поводу Архимед решил отдохнуть в ванной, где к нему и пришло решение проблемы: он собственным телом почувствовал действие выталкивающей силы. Воскликнув «Эврика!..» (что означает «нашел»), Архимед выскочил из ванны и побежал за короной, чтобы немедленно определить потерю ее веса в воде.

Потеря веса тела в воде равна весу воды, вытесненной телом. Тогда, зная этот вес воды, можно определить ее объем, равный объему короны. А зная вес короны, можно найти плотность вещества, из которого она сделана.

Никто точно не знает, было ли так на самом деле, однако научное содержание открытого Архимедом закона дошло до нас благодаря его книгам.

И сегодня методом Архимеда можно определять чистоту материалов, определять наличие примесей и их процентную долю.

На поверхности и в глубине: проявление и применение архимедовой силы

Закон Архимеда позднее стали применять для осознанного определения размеров и формы кораблей – раньше это делали, скорее полагаясь на интуицию и опыт, а не на расчеты. Известно, как в 1666 г. английский корабельный инженер Антони Дин спускал на воду построенный им корабль «Рупперт». На эту церемонию прибыл король Англии со всеми адмиралами своего флота. Всех их интересовало, насколько точными окажутся расчеты, которые сделал Дин, и сбудутся ли его предсказания относительно глубины, на которую погрузится корабль при спуске. Большинство присутствующих считали, что вода устремится через пушечные отверстия и корабль утонет. Однако расчеты инженера оказались точными, и корабль погрузился в воду именно на предусмотренную глубину.

Между прочим, не все даже через семнадцать веков были знакомы с законом Архимеда и его применением в кораблестроении. В частности, немецкий император Вильгельм II, считая себя знатоком и специалистом в кораблестроении, разработал проекты боевых кораблей. Когда эти проекты были переданы на рассмотрение итальянскому адмиралу Брину, он сказал, что эти корабли чрезвычайно красивые, но они имеют только один недостаток – как только их спустят на воду, они сразу же пойдут ко дну…

Знание действия силы Архимеда помогает сейчас подводникам. Задумывались ли вы над тем, как подводная лодка может плавать на разных глубинах? Ведь объем лодки не меняется, плотность воды практически не изменяется (в обычных морях и океанах), т. е. архимедова сила, действующая на лодку, является постоянной, однако лодка может всплывать на поверхность и погружаться в глубины.

Дело в том, что лодка обязательно должна иметь балласт (балластные цистерны с водой), благодаря которому лодка меняет свой вес.

Считают, что первая подводная лодка появилась в Англии в 1620 г. Эту лодку построил голландский врач Корнелиус ван Дреббель. Корпус лодки, изготовленный из дерева, сверху был покрыт промасленной кожей. Перед погружением водяной балласт принимали в специальные меха, роль силовой установки выполняла дюжина гребцов.

В 1776 г. были предприняты попытки применить подводную лодку в военном деле – одноместная подводная лодка «Черепаха» инженера Д. Бушнелла вмещала также и мину с 65 кг пороха.

Более оснащенной была известная подлодка американца Роберта Фултона, который в 1801 г. в Париже построил лодку «Наутилус». Интересно, что корпус этой лодки снаружи был похож на современные лодки (имел форму сигары), а кроме того эта лодка имела гребной винт и горизонтальные рули, с помощью которых регулировали глубину погружения. Бочонки с порохом, с помощью которых планировали взрывать вражеские корабли, Фултон назвал торпедами.

В 1834 г. подводную лодку сконструировал русский военный инженер Карл Андреевич Шилдер. Его лодку можно назвать первым в мире ракетоносцем, потому что на ней имелись пороховые ракеты.

Впрочем, оставим в стороне военные подводные лодки, хотя, безусловно, сейчас они очень большие, мощные и хорошо вооруженные. В морских и океанских глубинах плавают еще научно-исследовательские аппараты, которые называют батисферами и батискафами.

В 1934 г. Уильям Бииб опустился в батисфере на глубину 923 м. Его батисфера имела форму шара диаметром 1,5 м при толщине стенок 4 см.

Батисферы обычно связаны с надводным кораблем, а батискафы – это уже глубоководные аппараты для автономной работы.

Глубоководные обитаемые аппараты «Мир» – это настоящие научные лаборатории под водой. Они имеют телевизионные видеокамеры, фотооборудование, мощные осветители. С помощью манипуляторов можно отобрать пробы грунта, растений. Есть также специальные батометры для забора проб воды на разных глубинах. Аппарат имеет буровую установку для исследования скального грунта.

С помощью подводных аппаратов «Мир» был обследован легендарный корабль «Титаник», затонувший на глубине 4000 м. Видеокадры, сделанные этими аппаратами, вошли в знаменитый фильм Дж. Кемерона.

Отдых на Мертвом море

Вернемся из океанских глубин на поверхность. Знаете ли вы о существовании такого моря, в котором невозможно утонуть? Да, это Мертвое море, которое находится на границе между Иорданией и Израилем. Там очень интересно было бы на собственном опыте ощутить архимедову силу!

Дело в том, что Мертвое море очень и очень соленое, плотность воды в нем достигает 1160 кг/м^3. Если человек купается в этом море, то он совсем ненамного погружается в воду. Это происходит именно благодаря огромной выталкивающей силе. Американский писатель Марк Твен, известный своим несравненным чувством юмора, так описывал купание в Мертвом море:

«Если поддерживать равновесие руками, можно преспокойно лежать на спине так, чтобы голова и ноги от колен до пят торчали над водой. Можно сесть, подтянув колени к самому подбородку и обхватив их руками, но быстро переворачиваешься, потому что здесь никак не удержать равновесия. Можно стать в воде и выше пояса остаться сухим, хотя глубина здесь больше человеческого роста. Но и так долго не простоишь – очень быстро вода вытолкнет на поверхность. Не пытайтесь плавать на спине, поскольку ступни вылезают на поверхность и отталкиваться можно разве что пятками. Пробуешь плавать на животе. Загребаешь воду, как колесный пароход, – и не двигаешься с места».

Следует отметить, что без всякого знания закона Архимеда спокойно плавают себе «несознательные» рыбы. Интересно, что средняя плотность их организмов очень мало отличается от плотности воды, поэтому сила тяжести, которая на них действует, уравновешена архимедовой силой. Вот потому водным животным не нужны такие массивные скелеты, как наземным.

Изменять свое положение и оказываться на другой глубине рыба может благодаря плавательному пузырю, который заметно сжимается грудными и брюшными мышцами. После этого у рыбы меняется объем тела (следовательно, и средняя плотность), из-за чего меняется архимедова сила. Это приводит к возможности регулирования в определенных пределах глубины погружения.

В природе нет ничего бесполезного.

М. Монтень

Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей. Этому способствуют воздушные пузырьки, которые находятся на концах разветвлений стеблей – они играют роль поплавков, стремящихся подняться вверх под действием силы Архимеда.

Интересно «применение» архимедовой силы морскими животными – сифонофорами. Они создают сложные колонии. На вершине колонии находится пузырь размером до 30 см, содержащий газ. С помощью этого пузыря вся колония держится в толще воды и движется. Газ вырабатывается особыми железами сифонофор.

Воздухоплавание

Полеты аэростатических аппаратов также основаны на законе Архимеда: если тело легче окружающей среды, оно движется вверх, а если тяжелее – вниз.

Начало воздухоплавания датируют 5 июня 1783 г. – в этот день братья Монгольфье – Жозеф Мишель и Жак Этьен – запустили в небо первый аэростат.

Наблюдая за облаками, изобретатели пытались разгадать природу их движения. Затем они пробовали создать «искусственное облако» – с помощью пара. Опыты с паром были неудачными, и тогда братья решили применить дым, образующийся при горении шерсти и сырой соломы.

Воздушный шар братьев Монгольфье (1782 г.)

Первый аэростат, запущенный в июне 1783 г., был сделан из холста, оклеенного бумагой и стянутого веревочной сеткой. Диаметр воздушного шара был примерно 11,5 м, а объем – 600 м^3.

После этого полета аэростаты, наполненные горячим воздухом, в честь их изобретателей стали называть монгольфьерами.

В августе того же года французский физик Жак Шарль запустил аэростат собственной конструкции. Оболочка его шара была сделана из шелка, пропитанного каучуком и наполнена водородом. С тех пор аэростаты, которые работают на легком газе (водороде, гелии или светильном газе), иногда называют шарльерами.

Первый научный проект управляемого аэростата – дирижабля – создал в те же времена французский инженер Менье. Изобрететель предложил использовать воздушный винт, а оболочку сделать удлиненной, неизменной. Предполагалось, что управлять этим аэростатом можно будет с помощью руля. Внутри оболочки планировали поместить мягкие емкости с воздухом. Когда дирижабль поднимется вверх, атмосферное давление уменьшится, а водород расширится. Тогда воздух из мягких емкостей предстоит выпустить и таким образом уравнять давление. Во время спуска воздух нужно будет накачать снова. Так предполагалось обеспечить неизменность формы оболочки и постоянное давление в ней.

Реализовать свои идеи Менье так и не удалось, но через много лет его предположения были использованы другими конструкторами.

Только 23 августа 1852 г. французский механик Анри Жиффар поднялся в воздух на управляемом аэростате – дирижабле.

Значительный вклад в историю воздухоплавания внес немецкий генерал Фердинанд фон Цеппелин (1838–1917), который предложил дирижабль особой конструкции. Этот дирижабль имел жесткий алюминиевый каркас, бензиновые двигатели, вертикальные и горизонтальный рули.

Над Цеппелином смеялись, называя его воздушный корабль чудовищем из-за его больших размеров. Упорный труд Ф. Цеппелина все же привел его к успеху. Его воздушные корабли жесткой конструкции сыграли ведущую роль в дирижаблестроении, войдя в историю под названием «цеппелины».

Не следует считать, что время аэростатов уже отошло. В последние годы можно наблюдать их возвращение, но уже на основе современных технологий.

Современные воздушные шары

Дирижабль с паровым двигателем А. Жиффара (1852 г.)

Современные дирижабли используют для проведения геофизической разведки, наблюдения за состоянием окружающей среды, патрулирования крупных городов, картографирования, фото-, кино– и телесъемки.

Главным недостатком старых дирижаблей была повышенная пожароопасность из-за применения водорода. Сейчас эта опасность уменьшена благодаря использованию вместо водорода инертного газа гелия.

Некоторые специалисты считают, что в наше время полезно было бы применять дирижабли для доставки различных грузов, мачт, буровых вышек и т. п. Существуют проекты дирижаблей-санаториев. Пассажирские и туристические дирижабли тоже могли бы быть полезными.

IV. В мире звуков

Звук и его происхождение

Звуки окружали человека всегда. В далекие доисторические времена они помогали ему так же, как и живые существа. Благодаря им человек общался, ориентировался в пространстве, охотился и просто выражал свои эмоции. Шелест листьев в лесу, пение птиц, шум морского прибоя – эти естественные звуки человек сначала просто имитировал, а со временем появилась музыка.

Люди, пытаясь поставить звуки себе на службу, стали их изучать, создав науку о звуках – акустику.

Источники звука

Звук – это механические волны, которые воспринимаются ухом и распространяются в газах, жидкостях и твердых телах.

Человеческое ухо воспринимает как звук механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц (20 кГц). Продольные волны с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, а с частотой большей 20 кГц – ультразвуком.

Напомним, что когда частота колебания какого-то тела (например, подвешенного на нити шарика) составляет 1 Гц (герц), это означает, что за одну секунду тело осуществило одно полное колебание. Если частота колебаний равна 1000 Гц (или 1 кГц), то за одну секунду тело совершает 1000 колебаний.

Источниками звука являются разные колеблющиеся тела, например, натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Источником чистого музыкального звука является камертон.

Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающей среде (если это осуществляется в воздухе – то прежде всего – воздуху). Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа, при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разряжается.

Камертоны – устройства для создания музыкальных звуков

При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разряжает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны и т. д. Сжатие и разряжение слоев воздуха, прилегающих к пластине, передаются соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая до полного прекращения колебаний.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку и вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое человеком как звук.

Если сравнить частоты колебаний различных источников звука – от человеческих голосов до звуков музыкальных инструментов, то получим такую картину:

Распространение звуковых волн

Скорость распространения в пространстве звуковых колебаний (волн), зависит от плотности среды, в которой они распространяются, а также от температуры. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры.

Рассмотрите приведенную ниже таблицу, в которой представлена средняя скорость звука в воздухе при различных температурах:

Если посмотреть на значение скорости звука в воздухе на различных высотах от поверхности Земли, то можно заметить, что с высотой скорость звука уменьшается. Это связано не только с изменением температуры, но, прежде всего, с изменением атмосферного давления.

Для так называемой стандартной атмосферы температура на высоте 11–20 км постоянна и равна -56,5 °C, скорость звука на этих высотах составляет 295,07 м/с.

Скорость звука в жидкостях и твердых телах существенно больше, чем в воздухе, однако здесь тоже существует определенная зависимость от температуры:

Когда-то известный популяризатор науки Я. Перельман предложил поразмышлять над такой ситуацией: что произошло бы, если бы звук распространялся в воздухе не со скоростью 340 м/с, а гораздо медленнее – например, со скоростью 340 мм/с?

Он предлагает рассмотреть такую ситуацию. Сидя в кресле, вы слушаете рассказ вашего знакомого, который имеет привычку говорить, расхаживая туда-сюда по комнате. При обычных, существующих скоростях звука это нисколько не помешало бы вам слушать. Но при уменьшенной скорости звука вы ничего не поймете из речи вашего гостя: звуки, созданные ранее, будут догонять новые и «перемешиваться» с ними, – получится путаница звуков, лишенная всякого смысла!

Образование звуков

Голосовой аппарат человека и животных

Голосом называют совокупность различных по высоте, силе и тембру звуков, создаваемых человеком с помощью голосового аппарата. (Можно также говорить и о голосе животных, если они дышат легкими.)

Кто много говорит, тот говорит много глупостей.

П. Корнель

Голосом сопровождаются также рефлекторные движения мышц гортани (чихание, кашель и т. д.). Человек выражает голосом ощущения, чувства, мысли (крик, смех, плач, разговорная и вокальная речь). В создании звука участвуют дыхательные пути и полости (легкие, бронхи, трахея); система резонаторов усиливает звук.

Различная частота звуковых колебаний зависит от длины и напряжения голосовых связок, что, в свою очередь, обусловливается состоянием мышц гортани. Считают, что количество колебаний голосовых связок в секунду совпадает с количеством импульсов, поступающих от центральной нервной системы.

Высота голоса зависит от частоты колебаний голосовых связок, что, в свою очередь, обусловлено их длиной, толщиной и напряжением.

Сила голоса зависит от размаха колебаний голосовых связок, определяется силой напора выдыхаемого воздуха.

Голосовой аппарат человека

Механика создания звука у всех позвоночных, имеющих голос, практически одинакова. Во время дыхания воздух из дыхательных путей под действием выдыхательный мускулатуры, что создает в них повышенное давление, плавно и непрерывно проходит через широко открытую голосовую щель. При создании звука голосовая щель замкнута и голосовые связки напряжены. Щель открывается под давлением воздуха на короткое время. Через нее из дыхательных путей выходит лишь часть воздуха. После этого голосовые связки снова смыкаются и начинают колебаться. Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов – они усиливают звук.

На рисунках показан общий вид голосового аппарата человека (1), общий вид связок (2), а также связки в спокойном (3) и напряженном (4) состояниях.

У бесхвостых земноводных, которые квакают, по внутренним краям черпаловидных хрящей расположены толстые складки, окружающие голосовую щель слизистой оболочки, в нижней половине которой расположены голосовые связки.

Среди пресмыкающихся, в основном неспособных издавать громкие звуки, настоящие голосовые связки имеют лишь гекконы и хамелеоны, у крокодилов они представлены мощными складками слизистой оболочки.

Чем отличается «ля» в исполнении Натальи Могилевской от «ля» в исполнении Русланы

Характерное свойство почти каждого источника звука – он не только создает простые периодические колебания (их называют чистый тон), но создает и сложные колебательные движения, дающие несколько тонов одновременно (их называют обертоны). Например, объект, который колеблется с основной частотой 500 Гц, может также образовывать обертоны с частотой 1000, 1500, 2000 Гц и т. д.

Когда такие сложные звуки воспринимает ухо, то возникает субъективное ощущение качества звука, которое называют тембром.

Тембр голоса обусловливается присоединением к основному тону добавочных тонов (обертонов), возникающих главным образом в резонаторной части голосового аппарата; индивидуальная тембровая окраска голоса позволяет нередко по голосу различать людей.

Запись колебаний фортепиано, соответствующих ноте «ля»

Одни звуки кажутся богатыми и полными, другие – таковыми не кажутся. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на аккордеоне или ином инструменте. Если, однако, суметь отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить!

Так же отличаются по тембру и голоса. Даже когда разные певцы будут петь одну ноту, наше ухо сможет различить их пение по тембру голоса и выяснить – это Наталья Могилевская или Руслана.

Вспомните, каким богатством тембров характеризуется звучание симфонического оркестра!

Большие художники прошлого – знаменитые скрипичные мастера Страдивари и Амати – тонко чувствовали голос и душу каждой созданной ими скрипки. Во многом это зависело именно от тембра звуков, рождаемых их превосходными инструментами.

Восприятие звука человеком

Приемник звука – ухо

Существует специальный раздел науки о звуке, посвященный закономерностям процесса восприятия звуков и строения языка, – физиологическая акустика. Основы физиологической акустики были заложены немецким физиком и врачом Г. Гельмгольцем.

Специалисты, работающие в этой области, изучают физику и биофизику восприятия человеком простых и сложных звуковых сигналов, исследуют формирование ощущений громкости и высоты звука, изучают причины проблем со слухом.

Слух зависит прежде всего от уха, воспринимающего звуковые колебания, от слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы, и от определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание выходных звуковых сигналов.

Рассмотрим подробно строение нашего уха. Ухо состоит из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего.

Наружное ухо представлено ушной раковиной и наружным слуховым проходом, на конце которого находится барабанная перепонка. Входное отверстие перепончато-хрящевого отдела наружного слухового прохода имеет индивидуальные особенности строения.

Строение уха

Среднее ухо состоит из барабанной пустоты, слуховой трубы, с помощью которой первая связана с носоглоткой; воздухонесущих клеток; барабанной перепонки и прикрепленнои к ней цепи слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремени, связанных двумя мышцами. Соединенные все вместе, они с барабанной перепонкой образуют подвижную механическую систему восприятия звуковых колебаний.

В состав внутреннего уха (лабиринт) входят улитка и полукруговые каналы. К слуховому анализатору непосредственное отношение имеет улитка, а другие части внутреннего уха относятся к вестибулярному анализатору, который регулирует равновесие, перемещение тела в пространстве, координацию движений и т. д.

Большой вклад в акустические исследования внес талантливый венгерский физик и инженер Дьердь (Георг) Бекеши (1899–1972), который занимался в двадцатые годы прошлого века проблемой плохого качества связи по телефонным линиям.

С чересчур громким голосом в глотке почти невозможно иметь тонкие мысли.

Ф. Ницше

В результате, пройдя по всей цепочке передачи сигналов, ученый подошел к его концу, а именно к

приемнику – нашему уху. Выяснилось, что для того, чтобы наладить телефонные переговоры, необходимо прежде всего рассмотреть работу уха с технической точки зрения.

Ученый исследовал ухо, внимательно изучая работу каждой «детали». С этой целью он создал уникальные приборы и динамические модели внутреннего уха и, наконец, выстроил четкую систему того, как мы слышим звуки.

Это выглядит так. Звуки, которые улавливает, как рупор, наша ушная раковина, проникают по слуховому каналу к барабанной перепонке. Она посредством косточек среднего уха транслирует звуковые волны к мембране внутреннего уха. Там, в так называемой улитке, и передаются к нервным окончаниям уже разделенные на частоты внешние звуки. Причем нижняя ее часть улавливает звуки высоких частот, а верхняя – низких.

Длина улитки определяет диапазон частот, которые мы можем воспринимать, – как уже отмечалось, – от 16–20 до 20 000 Гц, а спиралевидная форма обеспечивает компактность в ее расположении.

Исследования, проведенные Бекеши и его преемниками, необходимы были еще и для того, чтобы помочь людям, лишенным слуха, и тем, кто имеет те или иные дефекты слуха.

За открытия, связанные с объяснением механизма слуха, Бекеши в 1961 г. был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине.

Границы звукового восприятия

Ранее уже неоднократно упоминалось, что существуют минимальная и максимальная частоты колебаний, которые может воспринять человеческое ухо как звук, – их называют пределами звукового восприятия.

Когда колебания происходят очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждую звуковую волну слышно отдельно и она не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук низкой басовой трубы органа.

От дальнейшего роста частоты воспринимаемый тон становится все выше. Когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает воспринимать звук.

Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). В этом диапазоне чувствительность так велика, что любое существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха.

По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям диапазона воспринимаемых частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается сначала физически, а потом уже становится слышным.

Есть люди, которые не слышат таких резких звуков, как пение сверчка или писк летучей мыши. Люди эти не глухи, – их органы слуха нормальные, и все же они не слышат очень высоких тонов. Джон Тиндаль (1820–1893) – знаменитый английский физик, который занимался акустикой, – утверждал, что некоторые люди не слышат даже чириканья воробья!

Многие насекомые (например, комар, сверчок) издают звуки, тон которых соответствует 20 тысячам колебаний в секунду, для одних людей эти тона существуют, для других – нет. Такие нечувствительные к высоким тонам люди наслаждаются полной тишиной там, где другие слышат целый хаос пронзительных звуков!

Высокие и громкие звуки

Звуки, имеющие большую частоту, воспринимаются человеком как высокие. Говорят, что высота звука – это его субъективная характеристика, поскольку она связана именно с восприятием каждым человеком.

Мы легко можем сказать, какое из насекомых чаще машет крыльями, если различить созданные этими колебаниями звуки: более писклявый, высокий звук соответствует большей частоте взмахов.

Также можно сказать, что громкость, которую мы воспринимаем, зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Существует определенная связь между громкостью и амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем больше сила (интенсивность) звука, следовательно, и громкость.

Если вы, например, отведете гитарную струну на максимальное расстояние от положения равновесия, то вы заставите ее колебаться с большей амплитудой; звук, который при этом возникнет, будет наиболее громким. А когда вы отведете струну на маленькое расстояние, создаваемый ею звук будет восприниматься как тихий.

Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считают. На восприятие высоты звука в определенной мере влияет его сила, а на восприятие громкости – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения восприятия высоты, соответствующим образом варьируя его силу.

Особенности связи объективных характеристик звука (частоты и интенсивности) с субъективными (высотой и громкостью) очень важно знать всем тем, кто занимается звукозаписью, звукорежиссурой, разработкой оборудования и звукоусилительной аппаратуры для концертов и т. п.

А еще полезно будет узнать, что когда вы, например, увеличиваете громкость своего плейера в два, как вам кажется, раза, то реальная интенсивность звука увеличивается гораздо больше, и это может быть очень вредным для вашего здоровья!

Влияние шума на здоровье

Шум – это комплекс звуков, вызывающий неприятное ощущение или болезненные реакции. Степень воздействия шума на организм человека зависит от его возраста, слуховой чувствительности, а также от продолжительности действия и характера шума.

Шум мешает нормальному отдыху, вызывает заболевания органов слуха, способствует увеличению количеств других заболеваний, подавляет психику человека. Шум – такой же медленный убийца, как и химическое отравление.

Первые жалобы на шум, дошедшие до нас, можно найти у римского сатирика Ювенала (60—127). А в Англии еще в давние времена был издан королевский указ, запрещавший бить жен… в ночное время. В России во времена Екатерины II были отменены в столице сигналы – механические свистки, установленные на некоторых экипажах.

Современный шумовой дискомфорт во много раз больше, чем 100 лет назад, и он вызывает в живых организмах болезненные реакции. Например, шум от летящего реактивного самолета подавляет пчелу, и она теряет способность ориентироваться. Тот же шум убивает личинки пчел, разбивает яйца птиц, лежащие открыто в гнезде.

Транспортный или производственный шум действует и на человека – утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум исчезает, человек чувствует облегчение и спокойствие.

Уровень шума характеризуют звуковым давлением, выражают в белах, а чаще в децибелах (обозначается дБ).

Шум в 20–30 дБ практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для «громких звуков» допустимый предел примерно 80 дБ. Звук в 130 дБ уже вызывает у человека болевое ощущение, а в 150 дБ – становится для него невыносимым.

В Средневековье существовала казнь «под колоколом»: звук колоколов медленно убивал человека.

Посмотрите на таблицу, содержащую данные об уровне звукового давления в различных условиях, и сделайте выводы для себя!

Любой шум достаточно большой интенсивности и длительности может привести к различной степени снижения слуховой активности. Кроме частоты и уровня громкости шума, на развитие тугоухости влияют возраст, слуховая чувствительность, продолжительность и характер действия шума, целый ряд других причин. Болезнь развивается постепенно, поэтому особенно важно заранее принять соответствующие меры для защиты от шума.

Под влиянием сильного шума, особенно высокочастотного, в органе слуха происходят необратимые изменения. При высоких уровнях шума понижение слуховой чувствительности наступает уже через 1–2 года работы в таких условиях, при средних уровнях оно проявляется гораздо позже, через 5—10 лет.

Последовательность, с которой происходит потеря слуха, сейчас хорошо изучена. Сначала интенсивный шум вызывает временную потерю слуха. При нормальных условиях через день или два слух восстанавливается. Но если воздействие шума продолжается месяцами или, как это бывает в промышленности, годами, восстановление не происходит, и временное нарушение порога слышимости превращается в постоянное.

Сначала повреждение нервов сказывается на восприятии высокочастотного диапазона звуковых колебаний (4000 Гц или выше), постепенно распространяясь на более низкие частоты. Высокие звуки «ф» и «з» становятся неслышными. Нервные клетки внутреннего уха оказываются настолько поврежденными, что атрофируются, гибнут, не восстанавливаются.

Громкая музыка также притупляет слух. Группа специалистов обследовала молодежь, которая часто слушает громкую современную музыку. У двадцати процентов юношей и девушек слух оказался притупленным до такой степени, как и у восьмидесятипятилетних стариков!

Шум мешает нормальному отдыху и восстановлению сил, нарушает сон. Шум также влияет на зрительный и вестибулярный анализаторы, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторной деятельности.

«…Никакого шума я буквально переносить не могу; вчера во Флоренции и здесь сегодня каждый проезжающий экипаж, раздражает меня и доводит до бешенства. Каждый крик, каждый звук раздражает мои нервы…» – писал в ноябре 1877 г. П. И. Чайковский.

А сын Л. Н. Толстого писал в воспоминаниях об отце: «Когда он работал, к нему никто не смел входить, даже моя мать! Ему нужна была полная тишина и уверенность в том, что никто не прервет его занятий».

Для борьбы с шумом нужны, прежде всего, наличие соответствующих знаний и достаточный уровень культуры людей. Потому что именно это, а не только применение новых технологических материалов, может спонегативного влияния шума на здоровье! Надо понимать, что громкие звуки, которые вы лично считаете нормальными и приятными, для других людей являются чрезмерными раздражителями.

Впрочем, и о своем здоровье следует позаботиться: возможно, и для вас обычная громкость не является полезной!..

В настоящее время ведутся специальные исследования по изучению свойств веществ с точки зрения поглощения ими звука, разрабатываются и применяются специальные звукопоглощающие материалы.

Различные материалы можно характеризовать коэффициентом звукопоглощения, который показывает отношение поглощенной энергии звуковой волны к энергии падающей волны. Обнаружено, что этот коэффициент зависит от частоты звуковых колебаний. Например, ковер на стене характеризуется коэффициентом поглощения 0,08 для частоты 250 Гц и 0,21 для частоты 500 Гц.

Хорошими звукопоглощающими свойствами характеризуется вата: ее коэффициент поглощения от 0,35 (при частоте 125 Гц) до 0,55 (при частоте 1000 Гц).

Однако заметим, что сделать более тихой свою комнату или дом в целом можно достаточно простым способом: надо хорошо герметизировать щели в дверях и окнах, потому что именно через такие щели звуковые волны хорошо проходят извне внутрь.

Исследования показали, что и неслышимые звуки также опасны. Ультразвук, занимающий заметное место среди производственных шумов, неблагоприятно влияет на организм, хотя ухо его не воспринимает.

Пассажиры самолета часто испытывают состояние недомогания и беспокойства, одной из причин которого является инфразвук. Инфразвуки вызывают у некоторых людей приступы морской болезни. Даже слабые инфразвуки могут существенно влиять на человека, если их действие продолжительно. Некоторые нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызваны именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены.

Звук и слух в живой природе

Животные воспринимают звук не так, как человек. Каждый из видов имеет свой средний диапазон частот звуковых волн, на которые животное может реагировать.

Мы расскажем о тех животных, которых обычно выделяют из всего ряда тех, кто поет, и тех, кто слушает. Это, прежде всего, самые певучие создания – птицы; немые создания, по нашему восприятию, – рыбы. Невозможно не упомянуть и о домашней любимице – кошке.

Виртуозные музыканты

Птицы действительно самые виртуозные музыканты из всех животных. Дело в том, что они обладают достаточно оригинально устроенным «музыкальным инструментом». Как и у человека, голосовой аппарат птиц относится к духовому «музыкальному инструменту», потому что звук в нем создается благодаря движению воздуха, выдыхаемого из легких. При этом воздушная струя вызывает колебания упругих перепонок, что и порождает звуковые волны. (У человека такими перепонками являются голосовые связки, расположенные в гортани.)

Любой музыкальный инструмент, кроме источника звука, должен иметь один или несколько резонаторов для усиления этого звука. У человека такими резонаторами является глотка, ротовая и носовая полости, а также трахея.

Очень долго считали, что голосовой аппарат у птиц устроен таким же образом. Однако оказалось, что у пернатых певцов не одна гортань, а целых две: верхняя (как у млекопитающих) и нижняя, не характерная для других животных. Причем нижняя играет главную роль в создании звуков у птиц. Нижняя гортань устроена достаточно сложно и так заметно отличается у птиц разных видов, что ученые до сих пор бьются над выявлением механизма ее работы.

Птичья гортань имеет не один, как у млекопитающих, а два или даже четыре вибратора, работающих независимо друг от друга. Располагается эта система в нижней части трахеи, там, где трахея разветвляется на два бронха. Вот такой сложный голосовой аппарат у птиц, благодаря которому они исполняют свои виртуозные песни. Образование у птиц второй гортани в нижнем отделе трахеи дало возможность использовать трахею как мощный резонатор.

У многих птиц трахея сильно разрастается, увеличиваясь в длину и в диаметре. Увеличиваются в объеме и бронхи птиц. Движениями тела и натяжением специальных мышц птица может довольно сильно изменять форму всей этой сложной системы резонатора и таким образом управлять высотой звука и тембровыми свойствами своего голоса.

Ритмические характеристики звука зависят от работы верхней гортани, выполняющей роль своеобразного стоп-крана на пути звукового потока и работающей в рефлекторном содружестве с нижней гортанью.

Голосовой аппарат птиц (гортань вместе с резонаторами) по своим размерам занимает значительную часть тела, и особенно это характерно для небольших птиц. Поэтому до процесса пения вовлекается весь организм. Все тельце птички дрожит от напряжения, шейка вытянута, маленький клювик широко открыт, давая простор звукам, переполняющим птичью грудь. Пение целиком захватывает птицу!

В начале 1960-х годов в голосе птиц были обнаружены ультразвуковые обертоны, которые не воспринимает ухо человека. Они есть, например, в пении просянок, зеленушек и ряда других птиц.

Подобно истинным музыкантам, птицы для образования звуков не удовлетворяются только голосовым аппаратом, а используют и другие свои возможности: клюв, лапы, крылья и даже хвост. Всем известный дятел – отличный барабанщик. Для своих весенних зазывных концертов самец дятла использует как барабан всевозможные предметы: от сухого дерева до пустых консервных банок и кусочков железа.

Щелканьем клюва исполняют свою любовную серенаду аисты. Это же щелканье клювом на разный манер заменило у этих птиц и голосовое общение. Также общаются и различные хищные птицы (орлы, совы). Они издают этот звук как сигнал угрозы.

Достаточно интересен способ «пения хвостом», встречающийся у бекасов во время брачного полета. Звук образуется за счет вибрации рулевых перьев от встречного потока воздуха. Интересно, что звук, образуемый таким образом, удивительно напоминает блеяние барашка, из-за чего в народе эту птицу и назвали «лесным барашком». Многие птицы издают звуки с помощью крыльев, например, тетерева и глухари во время токования обязательно издают подобное хлопанье.

Однако основным источником звука у птиц все же является нижняя гортань. Возможности голосового аппарата птиц просто фантастические. Вспомним хотя бы прекрасных певцов – соловьев, канареек, жаворонков. В их пении заложена сигнализация для себе подобных. Но не только. В тонком рисунке песни, в ее силе закодирована информация, дающая самке представление о жизнеспособности возможного избранника, которого она ночью да еще и среди веток видеть не может.

Звуки птичьего пения нас очаровывают. Однако они предназначены вовсе не для человеческого уха. Их основная функция – помочь найти птице спутника жизни. Так почему же не подумать, что песня и у нее вызывает чувство, подобное человеческому, – чувство радости.

«Нем как рыба»

Рыбы издают множество звуков, так что вряд ли уместно называть подводное царство «миром безмолвия». Звуки возникают во время движения стай рыб; эти звуки обусловлены гидродинамическими шумами и трением движущихся сочленений скелета рыбы.

Звуки могут быть связаны с газовым обменом. Рыбы регулируют давление внутри плавательного пузыря и кишечника, проталкивая воздух и создавая процессы, подобные тем, что возникают в свистке. Возникают звуки и при захвате и перетирании пищи.

Ставрида, например, издает звуки, напоминающие собачий лай; морской налим урчит и хрюкает, рыба-барабанщик издает нечто напоминающее барабанный бой; звуки карпа похожи на треск, а речного окуня – на дробь.

Частотный диапазон звуков, создаваемых различными рыбами, лежит в пределах от 20–50 Гц до 10 000—12 000 кГц.

Звуки, которые издают колонии креветок, бывают такими сильными, что вызывают замешательство у экипажей подводных лодок, – на них даже объявляли боевую тревогу, решив, что наткнулись на противника. А косяки еще более мелких рачков – криля – благодаря обмену между ними звуковыми сигналами сохраняют удобный для плавания упорядоченный «шахматный» строй. Звуками различной частоты регулируется скорость движения и дистанция между соседями.

Почему мы не слышим голос рыб? Основная причина в том, что звуковые волны на границе вода – воздух почти полностью отражаются от нее и только один процент энергии звука пересекает границу. Но есть свидетельства, что голос рыб можно услышать. В частности, немало «поющих» рыб, а также «говорящих», в бассейне Амазонки. Среди них можно указать на крупного сома пирару – он издает звуки, напоминающие рев слона. Их можно услышать на расстоянии до 100 м!

Внешне мало примечательная рыба хараки во время нереста издает громкие звуки, похожие на звук мотоцикла. Пение китов-горбачей напоминает собой то кларнет, то волынку, то гобой. Причем киты поют не только в одиночку, но и «хором».

Рыбы, как и морские животные, способны, хотя и не в такой степени, к эхолокации, реагируют на инфраструктуры и ультразвуки. Для приема различных сигналов их организмы обладают тремя системами (гидрофонами), одна из которых – плавательный пузырь, используется как резонатор – усилитель звуков.

Интересен факт реакции, например, акул на звуки, которые создаются не рыбами. Подводный «грохот» или чириканье – это звуки достаточно высокой частоты. Когда под воду опустили излучатель, работающий на частоте 25 Гц, возле него неожиданно всего лишь за две минуты собралась целая стая акул. Что же их заинтересовало? С этой частотой, как оказалось, излучаются звуки, создаваемые при сокращении мышц, в том числе и рыбами.

Слух кошек

Наши домашние друзья кошки имеют много интересных особенностей. Поговорим только о тех из них, которые связаны со слухом.

Прямые ушные раковины, так же как и огромное количество нервных окончаний в слуховых нервах, наделили кошку превосходным слухом, необходимым ей для охоты. Уши кошек имеют 27 мышц и могут поворачиваться на 90°, что дает им возможность точно определить источник звука. Такие уши могут выполнять функции эхолокатора, что позволяет усиливать интенсивность звука.

Звуковой анализатор у человека может воспринимать звуки, частота которых лежит примерно в пределах от 20 до 20 000 Гц. У собаки он воспринимает звуки частотой до 40 000 Гц, а у кошки – до 55–65 000 Гц. Теоретически звуковой анализатор у кошки может воспринимать звуки частотой до 100 000 Гц. Среди всех наземных млекопитающих это доступно только летучим мышам.

Определенные звуки высокой частоты, то есть ультразвуки, прекрасно воспринимаются кошкой. Так, мыши «общаются» между собой с помощью ультразвуковых сигналов. Кошка способна расшифровывать «язык мышей», легко улавливать мышиные «переговоры», поэтому она всегда точно знает, когда мышь собирается покинуть свою норку.

Обладая таким диапазоном звуковой восприимчивости, кошки способны различать звук в 1/10 тона. Возможно, то, что кошки могут слышать более десяти музыкальных октав, и объясняет тот факт, что многие из них любят слушать музыку.

Кошки, даже когда спят, способны различать огромное количество посторонних шумов и выделять среди них определенный звук: их миски, стука или звонка в дверь. Благодаря тонкому слуху кошки могут отличить звук мотора одного автомобиля от другого. В большинстве случаев кошка способна различить два разных звука, источники которых расположены в метре от нее, на расстоянии 8 см друг от друга под углом 5°.

Для кошек очень характерны звуковые симпатии и антипатии. Каждый из нас может обнаружить, что кошка очень восприимчива к тону нашего голоса. Это может помочь нам контролировать поведение нашего питомца, хотя и не настолько, как скажем, собаки.

Кошка не любит крика, поэтому громко произнесенная команда может заставить ее прекратить свои занятия. Она мгновенно реагирует, когда ее зовут по имени, или на известный призыв «кис-кис», и, как правило, сразу появляется. Но если вознаграждения не будет, маловероятно, что она откликнется на ваш следующий призыв…

Ультразвук

Ультразвук – это продольные волны высокой частоты, начиная от 20 000 Гц. (Конечно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц.)

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно.

Человеческое ухо не улавливает ультразвук, однако некоторые животные, например летучие мыши, могут воспринимать и излучать ультразвук. Частично воспринимают ультразвук грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Звуковые радары животных называют сонарами (от английского sound – звук). С их помощью животные могут ориентироваться в пространстве.

Природные сонары

То, что у дельфина очень развит слух, известно уже десятки лет. Объемы тех отделов мозга, которые «заведуют» слуховыми функциями, у него в десятки (!) раз больше, чем у человека (при том, что общий объем мозга примерно одинаков).

Дельфин способен воспринимать частоты звуковых колебаний в 10 раз выше (до 150 кГц), чем человек (до 15–18 кГц), и слышит звуки, мощность которых в 10–30 раз ниже, чем у звуков, доступных слуху человека.

Каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную эхолокацию: слушает эхо, которое создается при отражении звуков, издающихся им, от окружающих предметов. Эхо дает ему точную информацию не только о том, где находятся предметы, но и об их размерах, форме, материале. Другими словами, с помощью слуха дельфин воспринимает окружающий мир не хуже, или даже лучше, чем с помощью зрения.

Слух человека позволяет различать интервалы времени примерно от одной сотой секунды (10 мс). Дельфины же различают интервалы в десятитысячные доли секунды (0,1–0,3 мс).

Два коротких звуковых импульса отличаются друг от друга, если интервал между ними составляет лишь 0,2–0,3 мс (у человека – около 1 мс). Пульсации громкости звука вызывают ответы, когда их частота приближается к 2 кГц (у человека – 50–70 Гц).

Существуют и другие мощные природные сонары – это летучие мыши. Природа наградила их способностью издавать звуки с частотой колебаний выше 20 000 Гц, то есть ультразвуки, недоступные слуху человека. Локатор летучих мышей высокоточный, надежный и ультраминиатюрний. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз более эффективен, чем локационные системы, созданные человеком. С помощью такого ультразвукового «видения» летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволоку диаметром 0,12—0,50 мм, улавливают эхо в 2000 раз слабее посылаемого сигнала. На фоне множества звуковых помех они могут выделять звук в необходимом им диапазоне.

Летучие мыши издают и воспринимают звуки с частотой 50 000—60 000 Гц. Этим и объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при отсутствии зрения.

У летучих мышей ультразвуки обычно возникают в гортани, по строению напоминающей обычный свисток. Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее и с такой силой вырывается наружу, словно он выброшен взрывом.

Давление воздуха, проносящегося через гортань, вдвое больше, чем в паровом котле! Более того, образуемые звуки очень громкие: если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рев двигателя реактивного истребителя на близком расстоянии!

Не глохнут летучие мыши потому, что у них есть мышцы, которые закрывают уши в момент посылания разведывательных ультразвуков. Безопасность ушей гарантируется совершенством их конструкции: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов – 250 в секунду – заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду.

Поскольку скорость звука значительно превышает скорость движения даже быстрокрылых птиц, эхолокацией можно пользоваться и во время полета. Самым совершенным локатором обладают летучие мыши, развивающие во время охоты большую скорость, постоянно выполняя в воздухе фигуры высшего пилотажа. О качестве «локаторного» слуха свидетельствуют результаты охоты: эти маленькие хищники уже за 15 минут охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают свой вес на 10 процентов. «Навигационный прибор» настолько точен, что в состоянии запеленговать микроскопически маленький предмет диаметром всего 0,1 миллиметра.

Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов летучих мышей (кстати, именно он дал это название), считает, что если бы не эхолот, летучая мышь, даже всю ночь летая с открытым ртом, поймала бы по закону вероятности одного-единственного комара…

Сонары есть и у других видов животных. Например, кашалоты, используют ультразвук для поиска скоплений глубоководных кальмаров. Сонар кашалота – это своеобразная «дальнобойная пушка», имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного.

Эхолокация обнаружена у птиц гуахаро, живущих в Америке. Их сонары менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. В пещерах, где живут гуахаро, очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные крики, напоминающие плач и стоны, которые почти невыносимы для непривычного уха.

Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы, живущие в Индонезии и на островах Тихого океана. У разных видов саланганов сонары работают на разных частотах: от 2000 до 7000 Гц. Интересно, что, когда птица сидит, ее эхолокационный аппарат не работает; локационные импульсы посылаются только в полете (при взмахивании крыльями). Не работает сонар саланганов и при свете.

Применение ультразвука в технике и медицине

Впервые идея практического использования ультразвука возникла в первой половине ХХ в. в связи с разработкой методов и приборов для обнаружения в глубине моря различных объектов: подводных лодок, рифов, подводных частей айсбергов и т. д. Это было вызвано прежде всего гибелью в 1912 г. суперлайнера «Титаник» и участием подводных лодок в военных операциях во время Первой мировой войны.

На практике для получения ультразвука применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на свойстве некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного или электрического поля, создавая при этом звуки высокой частоты.

Благодаря большой частоте ультразвук обладает особыми свойствами. Он сильно поглощается газами и слабо – жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мелких пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют ход процессов диффузии (взаимопроникновения двух сред друг в друга), существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций.

Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское применение. Сфера использования ультразвука очень обширна.

Так, широко известен метод гидролокации с помощью ультразвука. Без этого невозможно даже представить себе современное мореплавание. Пучок ультразвукового излучения можно сделать точнонаправленным и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. Подобной эхолокацией пользуются не только для измерения глубины океана и исследования рельефа морского дна, но и для поиска там посторонних предметов.

Современные эхолоты устроены так, что на специальной шкале загорается неоновая лампочка в соответствующей глубине моря под кораблем точке. Эхолот не только предупреждает о наличии скал и мелей, но и позволяет определить местонахождение корабля.

Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную структуру из мелких кристаллов. Это способствует также удалению из них газов, что повышает качество материалов. Ультразвук используют при закаливании сплавов, пайке и сверлении.

С помощью ультразвука можно дробить примеси и неоднородности в веществах. Он помогает также изготовить однородные жидкости в тех случаях, когда простым смешиванием это сделать невозможно (изготовление эмульсий и суспензий).

Важной областью применения ультразвука является так называемый неразрушающий контроль или ультразвуковая дефектоскопия. С помощью ультразвука определяют дефекты (трещины, пустоты, шлаковые примеси и т. д.) в глубине деталей и установок. Дефектоскопы обнаруживают внутренние расслоения и полости размерами в доли миллиметра.

С помощью ультразвука врачи и диагностики проводят обследование больных органов человека. Ультразвуковое излучение (в небольших дозах!) применяется в акушерской практике, когда обследуют женщину – будущую мать и ее еще не родившегося ребенка.

Обнаружено, что ультразвук оказывает разрушающее действие на определенные виды бактерий, что тоже нашло свое применение в медицине и бактериологии.

Инфразвуковые волны

Особенности инфразвука

Инфразвуком (от латинского infra – ниже, под) называют продольные волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже воспринимающих человеком частот.

За верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают частоты 16–25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона является неопределенной. Практический интерес могут иметь колебания от десятых и даже сотых долей герц.

Инфразвук присутствует в шуме воздуха, леса и моря. Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и пушечные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разных источников: взрывов, обвалов и транспортных средств.

Медуза – приемник инфразвуков

Для инфразвука характерно небольшое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или расположения стреляющего устройства.

Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность прогнозирования стихийных бедствий – цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, используют для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды.

Инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате образования вихрей за гребнями волн, называют «голосом моря». Вследствие того, что для инфразвука характерно небольшое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения зоны шторма, то «голос моря» может служить для того, чтобы заранее предупредить о приближении шторма.

Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. Оказывается, что медуза задолго до приближения шторма пытается укрыться на большей глубине. Причиной этого является то, что медуза способна уловить инфразвуковые волны частотой 8—13 Гц, которые появляются в воде за 10–15 часов до шторма.

У медузы есть специальные органы равновесия – статоцисты. Статоцист представляет собой пузырек, в котором находятся сферические известковые камешки (статолиты). Изменение положения тела медузы в воде сопровождается перемещением этих камешков, ощущаемых чувствительными клетками, которые размещены на стенке пузырька.

Основные источники инфразвуковых волн

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и росту интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека

Достаточно сильно влияют на человека продольные колебания с частотами ниже 16 Гц – т. е. инфразвук. Опасным считается промежуток от 6 до 9 Гц.

Действие инфразвука может вызвать у человека головную боль, снижение внимания и работоспособности и даже иногда нарушение функции вестибулярного аппарата, а также чувство тревоги и беспокойства. Инфразвук с частотой 7 Гц является смертельным для человека.

Значительные психотронные эффекты сильнее проявляются именно при частоте 7 Гц, которая соответствует так называемому «альфа-ритму» природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае становится невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот разорвется на мелкие кусочки.

Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, вызывая паралич, общую слабость, а иногда слепоту. Продольный мощный инфразвук способен повредить и даже полностью остановить сердце.

Инфрачастоты около 12 Гц при силе звука в 85—110 дБ вызывают приступы морской болезни и головокружение, а колебания частотой 15–18 Гц той же интенсивности вызывают чувство беспокойства, неуверенности и, наконец, панического страха.

Существуют описания исследований, которые в свое время проводил известный физик Р. Вуд. Он включал в театре во время представления инфразвуковой генератор, а затем наблюдал за реакцией людей. (По другой версии генератор «Неслышимая нота» включали на репетиции в театре с целью усиления сценического эффекта. Но этот эффект оказался настолько значительным, что режиссер не согласился на продолжение эксперимента!)

V. Строение вещества и тепловые явления

Физическое открытие ботаника Броуна

…Началась эта история в 1827 г. Почтенный хранитель ботанического отделения Британского музея мистер Роберт Броун поднял глаза от окуляра микроскопа и то ли с досадой, то ли с удовлетворением констатировал: «Опять те же самые!» В ярко освещенном поле зрения прибора взад и вперед сновали темные точки. Те, что были больше, двигались медленнее, не спеша меняли направление. Более мелкие – скакали хаотично, беспорядочно, бросаясь из стороны в сторону.

Ученый ботаник задумался: «Почему?» Только час назад он собрал в последний раз пыльцу со своих цветов, размешал ее в воде и капнул капельку на предметное стекло микроскопа. Час – это вполне достаточное время, чтобы частицы успокоились. А они продолжали быстро двигаться.

Обычно невозмутимый шотландец в волнении вышел из-за стола и принялся ходить по просторному кабинету. Куда подевалась неподвижность?.. И тут у него возникла идея – простая, как все гениальное. Почтенный ученый выскочил из кабинета…

Зажав в руке комочек глины, Броун заторопился обратно. Всю дорогу повторял он про себя условия эксперимента: «Глина – мертвая. Мертвая! В этом не усомнится никто! Значит, ее частицы, размешанные в воде, тоже будут мертвыми частичками. И если они останутся неподвижными под микроскопом…»

…В ярко освещенном поле зрения прибора хаотично сновали темные точки! Те, что были больше, двигались медленнее, мелкие – скакали беспорядочно, бросаясь из стороны в сторону. Неживые, – они хаотично двигались будто бы под влиянием чего-то невидимого.

Броун был настоящим ученым и, столкнувшись с непонятным явлением, добросовестно начал исследовать его. Он обнаружил, что в горячей воде частицы движутся быстрее, чем в холодной. Убедился в том, что их путь совсем случайный… Он сделал все, что мог, и вскоре с чистой совестью снова принялся за исследования растительных клеток. Ботаника – это было для него гораздо интереснее.

Кто же он, ботаник Броун, который своим открытием изменил представление о строении вещества?

Роберт Броун

Роберт Броун родился в 1773 г. в семье священника. Он изучал медицину в университетах Абердина и Эдинбурга, пять лет прослужил в английской армии офицером медицинской службы.

В 1798 г. президент Лондонского Королевского научного общества сэр Джозеф Бэнкс рекомендовал его на должность натуралиста на борту корабля «Investigator», отправлявшегося с исследовательскими целями к берегам Австралии. Во время этой экспедиции Броун собрал огромную коллекцию растений.

Ученый – это не тот, кто дает необходимые ответы, а тот, кто задает необходимые вопросы.

К. Леви-Стросс

По возвращении в 1805 г. в Англию Броун несколько лет посвятил классификации собранных в экспедиции растений, большинство из которых ранее не были известны науке.

В 1810 г. Дж. Бэнкс взял ботаника к себе библиотекарем. В 1820 г. Броун получил от него в наследство библиотеку и коллекции, которые в 1827 г. передал в Британский музей, где стал хранителем вновь созданного ботанического отделения.

В 1828 г. Броун опубликовал «Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп…», в котором описал открытое им движение частиц. Именно он описал ядро растительной клетки.

В 1827 г. Броун был избран почетным членом Петербургской академии наук. Умер Броун в 1858 г.

Роберт Броун был уверен, что он оставит след в истории ботаники, а получилось так, что его имя вошло в историю физики. Поэтому в физических справочниках можно прочитать:

«Роберт Броун (1773–1858), шотландский ботаник, открывший беспорядочное движение мельчайших частиц в жидкости или газе под влиянием ударов молекул окружающей среды, получившее название ”броуновское движение”».

Интересно, что на протяжении почти сорока лет не было правильного объяснения причин броуновского движения. Теория этого явления была создана благодаря работам А. Эйнштейна и М. Смолуховского только в 1905–1906 годах.

Вещество в различных состояниях

Мы знаем, что практически все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. (Четвертым состоянием вещества считают плазму.)

Все в природе является причиной, что вызывает определенный результат.

Спиноза

Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование вещества в нескольких агрегатных состояниях обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

Газ – это такое агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения частиц (молекул, атомов) газа значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.

Жидкость – это такое агрегатное состояние вещества, которое является промежуточным между твердым и газообразным. Для жидкости характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и приобретают форму сосуда. В то же время жидкость имеет только ей присущие особенности, одна из которых – текучесть.

Молекулы жидкости размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости намного больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости во всех направлениях одинаковы (говорят, что жидкость является изотропной), за исключением жидких кристаллов.

Тепловое движение молекул жидкости «состоит» из коллективных колебательных движений и скачков молекул из одних положений равновесия в другие. При наличии внешней силы, сохраняющей свое направление более длительное время, чем интервалы между скачками, молекулы перемещаются в направлении этой силы, что и приводит к текучести жидкости.

Твердые тела – это тела, находящиеся в таком агрегатном состоянии, которое характеризуется стабильностью формы и определенным характером теплового движения атомов. Это движение вызывает малые колебания атомов (или ионов)[3], из которых состоит твердое тело.

Структура твердых тел многообразна, но их можно разделять на кристаллы и аморфные тела.

В кристаллах атомы (или ионы) расположены в узлах так называемых кристаллических решеток и колеблются около них. Периодичность в расположении атомов приводит к сохранению такого порядка на больших расстояниях.

В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Аморфные тела изотропные, не имеют постоянной температуры плавления, текут.

Кристаллическая структура твердых тел зависит от сил, действующих между атомами и частицами. Одни и те же атомы могут образовывать различные структуры – например, серое и белое олово, графит и алмаз.

Известно, что некоторые вещества существуют в состояниях с разной атомной кристаллической структурой. Такая особенность называется полиморфизмом («поли» – много, «морф» – форма).

Одиночные кристаллы называют монокристаллами. У монокристаллов некоторые свойства являются анизотропными, то есть они зависят от направления в веществе. Естественная анизотропия – характерная черта кристаллов. Например, пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки вдоль определенной плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие).

Кристаллы горного хрусталя

Твердое тело, состоящее из большого количества маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Поликристаллические материалы являются изотропными.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором количество отрицательных и положительных зарядов практически одинаковы.

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и дальше, молекулы газа начнут распадаться на атомы, которые затем превращаются в ионы.

Еще недавно считали, что в состоянии плазмы находится основная масса вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Но сейчас в астрономии происходит настоящая научная революция: обнаружено, что большая часть вещества Вселенной – это так называемая темная материя, физические свойства которой еще предстоит исследовать.

У Земли плазма существует в виде солнечного ветра (потока заряженных частиц) и ионосферы. На поверхности Земли в природных условиях плазма появляется при вспышках молний. В лабораторных условиях плазма впервые появилась в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д.

Переходы вещества из одного состояния в другое сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств – механических, электрических, оптических, тепловых (плотности, теплопроводности и др.).

Так, вода, превращаясь из жидкости в лед, снижает плотность примерно с 1 до 0,9 г/см^3 и удельную теплоемкость с 4200 Дж до 2100 Дж / (кг °С). (Удельная теплоемкость – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать телу массой 1 кг, чтобы изменить его температуру на один градус.)

Опыт показывает, что изменение агрегатных состояний вещества происходит при определенных температурах, причем с поглощением или выделением тепловой энергии. Например, чтобы расплавить кусок свинца при атмосферном давлении, нужно нагреть его до температуры плавления 327 °C

Человек познает сам себя только в той мере, в какой он познает мир.

И. Гете

и продолжать нагревание, пока свинец не расплавится. Только когда весь свинец перейдет в жидкое состояние, дальнейшее нагревание приведет к повышению его температуры.

Другой пример. Эфир интенсивно превращается из жидкости в пар (кипит) при температуре кипения 35 °C (атмосферное давление 760 мм рт. ст.). В процессе кипения его температура остается неизменной. Потребляемая веществом при плавлении или парообразовании тепловая энергия в основном расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами или атомами вещества. В случае обратных переходов из пара в жидкость или из жидкости в твердое состояние тепловая энергия выделяется.

Эти замечательные кристаллы

Мы встречаемся с кристаллическими телами повсюду. Кроме природных кристаллов, человек научился выращивать кристаллы с заданными свойствами, без чего невозможно представить себе современные технологии. Что же представляют собой кристаллы, каковы их особые свойства и чем они различаются между собой?

Иногда считают, что характерным свойством кристаллов является их внешняя правильная форма – естественная огранка. Но это не так, потому что формы различных кристаллов могут быть похожими между собой. Кроме того, большие кристаллические тела часто состоят из очень маленьких кристалликов, и о внешней форме всего тела (его называют поликристаллическим) говорить не приходится. Оказывается, что характерной особенностью кристалла является его атомная структура, правильное, симметричное, закономерное размещение атомов.

Довольно долго представления о внутренней структуре кристаллов были научной гипотезой. Теория строения кристаллов до конца XIX в. была уже разработана, но существование кристаллической решетки – правильного размещения атомов – еще предстояло доказать.

Айсберг

И когда в физике появились новые методы исследования строения вещества, связанные с открытием рентгеновского излучения, наконец-то стало возможным заглянуть внутрь кристалла. Немецкий физик МаксЛауэ (1879–1960) в 1912 г. предложил пропускать рентгеновские волны через кристаллы. Полученные картины (так называемые дифракционные спектры) предоставили возможность выявить закономерную, периодическую структуру кристаллов.

Кристаллы в природе

Кристаллы замерзшей воды – лед и снег – известны всем. Эти кристаллы почти полгода (а в полярных областях и на высоких вершинах гор – круглый год) покрывают необозримый простор, сползают ледниками, плавают айсбергами в океанах.

Ледяной покров реки, айсберг – это, конечно, не один большой кристалл, а поликристаллическая масса. Иногда отдельные кристаллики, из которых состоит довольно большая льдина, можно хорошо рассмотреть, потому что они имеют большие «иглы». Эти «иглы» могут достигать в длину 1–2 см.

А если всмотреться в утренний иней, также можно увидеть шестигранные иголочки – кристаллики льда. Есть исследователи, посвятившие жизнь изучению снежинок! Например, американец Бентлей более пятидесяти лет занимался фотографированием снежинок под микроскопом. Он составил атлас нескольких тысяч фотографий снежинок! Все они разные, но общим является наличие именно шести «лучей» в каждой из них, что связано с внутренним строением этих кристаллов.

К кристаллам относят и драгоценные камни: алмаз, рубин, сапфир, изумруд, горный хрусталь, гранат и другие. Наиболее ценными считают камни, найденные в природе. Крупнейшие алмазы имеют собственные имена: «Орлов», «Шах», «Африканская звезда», «Регент». Каждый из них имеет свою особую историю.

Огромный алмаз «Регент» был найден невольником, работающим на алмазных рудниках Южной Африки. Невольник захотел скрыть свою находку от надзирателей и, разрезав свою ногу, спрятал алмаз в ране. Матрос, который помогал невольнику сбежать, забрал у него алмаз и столкнул беглеца в море. Затем матрос продал камень за бесценок и вскоре умер. Алмаз переходил из рук в руки, пока не попал в казну королей Франции. Позже Наполеон носил его на рукоятке своей шпаги, как талисман.

Известный алмаз «Шах» содержит на поверхности имена своих владельцев с 1591 г. Этот алмаз был направлен персидским шахом русскому царю Николаю I как выкуп за убийство российского посла Александра Грибоедова – автора гениальной комедии «Горе от ума».

Алмаз «Шах»

Все окружающие нас кристаллы, не возникли мгновенно – они вырастали постепенно: будь то в природе или в лаборатории.

Твердая земная кора охватывает зону магмы – расплавленной каменной массы, насыщенной различными газами и перегретым водяным паром. Температура и давление в магме очень высоки. Во время ее охлаждения зарождаются все минералы и горные породы. В процессе такого охлаждения магмы – природного расплава – происходит процесс кристаллизации.

Естественную историю невозможно изучить в кабинете… – нужно самому в разных рудниках побывать.

М. В. Ломоносов

Внутри расплава начавшей охлаждаться магмы образуется много кристаллических зародышей, которые одновременно вырастают в маленькие кристаллики. Пока эти кристаллики совсем маленькие, они растут свободно, каждый вырастает в правильный многогранник. Увеличиваясь, они начинают мешать друг другу. Поэтому в процессе «борьбы» иногда «выживают» отдельные кристаллики или кристалл растет в одну сторону больше, чем в другую.

Растут кристаллы не только из расплавов, но и из растворов. Еще более пятисот лет назад древнерусские солевары научились добывать соль из солевых источников.

Вода в солевых озерах горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под воздействием солнца вода начинает интенсивно испаряться, из нее выпадают кристаллы солей. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро.

Грунтовые воды, насыщенные солями, испаряются под палящими лучами солнца, и поверхность земли покрывается соляной коркой. Бывает так, что солевые пласты, расширяясь, выдавливаются из земли и становятся на ребро.

Интересной природной лабораторией является Кара-Богаз-Гол – залив Каспийского моря, в котором концентрация солей в 15–20 раз больше, чем в самом море. В каждом литре воды залива растворено около 200 г солей, содержащих бром, калий, натрий и магний. Главной среди этих солей является мирабилит или глауберова соль, – ценнейшее сырье для стекольного производства и получения многих веществ, необходимых различным видам промышленности.

Находят залежи соли и под землей, поскольку в свое время они оказались под другими породами. Крупным центром залежей каменной соли является Артемовск на Донбассе – уже более ста лет там добывают соль.

Сталактиты и сталагмиты

Результатом кристаллизации подземных вод являются замечательные творения природы – сталактиты и сталагмиты.

Природная вода – это раствор многих солей, она растворяет породы, встречающиеся на ее пути. Когда капли воды просачиваются через породы и падают с потолка пещеры вниз, вода частично испаряется, оставляя на потолке вещество, которое было растворено в ней. Так постепенно образуется на потолке «сосулька» – сталактит. Эта сосулька состоит из кристалликов.

Так же образуется и встречная сосулька – сталагмит. В пещерах возникают замечательные колонны, витые гирлянды, арки, не оставляющие равнодушным никого из тех, кто их увидел.

Некоторые кристаллы могут создавать и живые организмы. Это, прежде всего, жемчужины, возникающие благодаря «работе» особых моллюсков. Когда в раковину такого моллюска попадает песчинка или другое инородное тело, моллюск начинает откладывать вокруг «пришельца» перламутр. Сейчас в Китае и Японии есть даже плантации, где специально разводят таких моллюсков, закладывая в их раковины зародыши будущих жемчужин. Это долгий труд – жемчужина необходимого размера создается в течение 7—10 лет!

К сожалению, кристаллы могут расти и в человеческом организме. Вы, наверное, слышали о камнях в почках и печени? Да, это тоже результат процесса кристаллизации!

Обнаружено, что кристаллы есть не только на нашей планете, но и на других небесных телах. Метеориты, которые упали на Землю и были исследованы учеными, тоже состоят из кристаллов.

Космические аппараты доставили на Землю образцы лунного грунта – в них тоже найдены кристаллические минералы и породы, похожие на земные.

Производство кристаллов

Современная наука и технология невозможны без исследования и создания материалов с заданными свойствами. Это прежде всего касается кристаллов. Дело в том, что природные кристаллы не могут в полной мере удовлетворить современное производство: они не всегда имеют необходимые размеры, содержат нежелательные примеси, часто неоднородны.

Фианиты – синтетические монокристаллы, известные как имитация бриллиантов

Есть кристаллы, которые в природе достаточно редки, а в технике пользуются большим спросом. Поэтому разработаны специальные лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда, рубина и др. Эти кристаллы применяются в точных приборах, в лазерах и многих других научных и технических устройствах. Много заказов на выращивание кристаллов дает и производство, связанное с компьютерной техникой.

Гигантскими фабриками искусственных кристаллов можно считать химические заводы, где производят различные соли, соду, химические удобрения и др.; на фармацевтических заводах синтезируют кристаллические лекарственные вещества; металлургические заводы выплавляют металлы.

Существуют и научно-технические комплексы, где выращивают и исследуют крупные кристаллы, каждый из которых стоит и ценится очень дорого. Одним из признанных лидеров этого направления является, например, научно-производственное объединение «Монокристалл» (Харьков), известное не только в Украине, но и далеко за ее пределами.

Эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся сейчас не только в земных условиях, но и на космических орбитах. Невесомость сделала возможным получение таких чистых веществ, которые до сих пор не удалось создать в земных лабораториях. Например, выращенные в космосе нитевидные кристаллы сапфира характеризуются высокой прочностью: они выдерживают давление, в десятки раз превышающее прочность таких же «земных кристаллов».

Биография термометра

Что такое термометр, мы знаем с детства. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерениях температуры – составляет целый раздел физики и уходит своими корнями в глубину веков?

Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал снижение или повышение температуры. Первые термоскопы (греч. «терме» – тепло, жар и «скопео» – смотрю) были построены еще до нашей эры в Древней Греции и в Древнем Египте. Работали они просто: при потеплении воздух внутри некоего шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры.

Чаще открытием называют ознакомление с новым фактом. Но я считаю, что в открытии главную роль играет идея, связанная с этим фактом. Любое экспериментальное начинание заключается в идее.

К. Бернар

Прибор Филона из Византии (примерно II в. до н. э.) представлял собой пустотелый шар со свинцовой трубкой, доходящей до его дна. Второй конец трубки был опущен в открытую емкость. В свинцовый шар наливали воду (до половины) и выставляли на солнце. Воздух расширялся, вытеснял воду из шара, и эта вода через трубку перетекала в открытую емкость. Когда прибор переносили в тень, воздух сжимался, и вода из сосуда снова переходила в шар.

Понятно, что физическое объяснение процессов, происходящих в этом приборе, не соответствовало нашим современным представлениям.

Термоскоп Галилея

Особого внимания заслуживает опыт Галилея с термоскопом, который он провел примерно в 1597 г. (некоторые историки считают, что это произошло раньше, примерно в 1592 г.).

Термоскоп Галилея был значительно проще по конструкции: это стеклянный шарик с припаянной узкой стеклянной трубочкой.

Термоскоп Галилея

Опыт был таков. Руками согревали колбу и опускали конец трубки в воду, налитую в открытую емкость. Затем, когда убирали руки с колбы, вода из чаши по мере остывания сосуда начинала подниматься в трубочку. К трубочке прикрепляли шкалу из бусинок, которые размещали произвольно.

Этот термоскоп позволял отслеживать повышение или понижение температуры на качественном уровне. Но так мы говорим сейчас.

Бенедетто Кастелли, который был учеником Галилея, писал в 1638 г.: «Этот эффект вышеупомянутый сеньор Галилей использовал при изготовлении инструмента для определения степени жары и холода».

Ранее никому и в голову не приходила мысль о возможности измерения степени тепла и холода, потому что считали: холод и тепло – это различные свойства, перемешанные в материи.

Кстати, не знакомый с работой Галилея врач Санкториус из Падуанского университета, который в то же время начал измерять температуру человеческого тела, создал термоскоп, очень похожий на термоскоп Галилея.

Флорентийские термометры

Для того чтобы превратить термоскоп в термометр, необходимо было продвинуться дальше в изучении тепловых явлений. Выдающийся ученый Р. Бойль (1627–1691) писал о термоскопах: «Эти термоскопы, подверженные влиянию атмосферы, а также тепла и холода, легко могут сбить нас с толку, если мы не будем определять другим прибором вес атмосферы».

Флорентийские термометры

Под весом атмосферы здесь подразумевалось атмосферное давление, а «другой прибор» – это барометр, который в 1644 г. изобрел Э. Торричелли (1608–1647). А сам Бойль открыл в 1661 г. зависимость между объемом газа и давлением при постоянной температуре. Таким образом, барометр и закон Бойля позволяли учитывать, как именно изменения давления воздуха влияют на показания термоскопа. (Кстати, во времена Галилея сама идея о том, что воздух может давить на землю, казалась просто дикой!)

Надо было создать термоскоп, которому не нужны поправки, связанные с атмосферным давлением. И он был создан!

Примитивный воздушный термоскоп Галилея ученик Галилея Э. Торричелли преобразовал в жидкостный (спиртовой) термометр. Его конструкция была существенно улучшена Торричелли и членами Флорентийской академии исследований (ее еще называют «Академия экспериментальных исследований») и оказалась настолько удобной для различных применений, что в XVII в. «флорентийские термометры» приобрели известность.

Они представляли собой герметично запаянную трубку, заполненную ртутью или спиртом. Об изменениях температуры свидетельствовало изменение в их уровне.

Эти термометры ввел в практику в Англии Р. Бойль, во Франции они распространились благодаря астроному Бульо (1605–1694), получившему в подарок такой термометр от польского дипломата.

С этих пор показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали общим увлечением; ими даже украшали комнаты, потому что они были очень красивыми. Но после флорентийских академиков так искусно изготавливать термометры уже никто не умел.

От термоскопа до термометра

Чтобы термоскоп стал термометром, следовало научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу.

Исследователь Отто фон Герике – магдебургский бургомистр, известный своим интересом к научным исследованиям, – создал собственный термоскоп, который можно считать предшественником термометра.

Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта в открытом колене плавал поплавок, а от него шла нить, перекинутая через блок. На конце нити была подвешена фигурка ангела, держащего в руке палочку, которой он показывал на деления шкалы, нарисованной на стене дома. Шар был окрашен в голубой цвет, на нем были нарисованы звезды и выведена гордая надпись «Perpetuum mobile» («вечный двигатель»).

За ноль Герике выбрал температуру… того осеннего дня 1660 г., когда были первые заморозки в городе Магдебурге!

Термометр Герике имел тот же недостаток, что и термометр Галилея, и назовем его термоскопом, потому что показания на нем зависели от атмосферного давления. Но попытка создать шкалу достойна внимания потомков!

Известно, что в 1701 г. И. Ньютон опубликовал работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой была описана двенадцатиградусная шкала. Ноль он поместил там, где находится точка замерзания воды, а 12 градусов соответствовали температуре здорового человека. Важно, что Ньютон достаточно четко говорил о температурной шкале.

Усовершенствовал конструкцию термометра немец Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686–1736), использовавший идею Олафа Ремера. Фаренгейт изготовлял ртутные и спиртовые термометры такой формы, какие применяются и сейчас. Успех его термометров объясняется тем, что он ввел новый метод очистки ртути, кроме того, перед запайкой он кипятил жидкость в трубке.

Современники Фаренгейта всегда удивлялись тому, что различные его термометры давали одинаковые показания. «Секрет» Фаренгейта заключался в том, что он очень аккуратно наносил деления шкалы, используя для этого всегда одни и те же «опорные» точки.

Его термометрическая шкала (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имела три фиксированные точки: нулевая точка соответствовала температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Точка кипения воды приходилась на 212 °Б (именно так обозначают температуру по шкале Фаренгейта).

Во Франции популярной стала другая термометрическая шкала, которую в 1740 г. предложил Рене Реомюр (1683–1757). Реомюр обнаружил, что применяемый в термометре спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды. На этом основывается предложенная им шкала – от 0 до 80 °Л..

Современная шкала Цельсия была создана в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андрисом Цельсием (1701–1744).

Цельсий предложил стоградусную шкалу термометра, в которой за ноль градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы.

Когда начали использовать термометры, оказалось удобнее поменять на шкале местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал ботаник Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий преподавал астрономию), предложивший еще в 1738 г. за ноль температуры принять температуру плавления льда, но похоже, что он не додумался до второй реперной («опорной») точки.

Вообще существовало более десятка различных термометрических шкал. В России XVIII в. была распространена шкала Делиля, которую затем заменили шкалой Реомюра. Только в тридцатые годы ХХ в. в СССР шкала Цельсия вытеснила другие термометрические шкалы.

Приведем формулу, с помощью которой вы сможете переводить значение температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия:

где t – значение температуры по шкале Цельсия, а F – значение температуры по шкале Фаренгейта.

Позже, когда физики поняли, что температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул, стало очевидным, что температуру можно измерить даже в джоулях! Кроме того, пришли к выводу, что существует состояние, при котором температура вещества является самой низкой и уже ниже быть не может. Если выразить эту наиболее низкую температуру по шкале Цельсия, то ее значение будет -273,16 °C.

Из этого следует, что можно создать такую температурную шкалу, в которой это значение принимается за ноль, а все остальные находятся выше. Такая шкала называется абсолютной шкалой температур, или шкалой Кельвина (она названа так в честь выдающегося английского ученого Уильяма Томсона – лорда Кельвина).

Один градус по этой шкале равен одному градусу по шкале Цельсия. Таким образом, связь между значением температуры по шкале Цельсия и температуры по шкале Кельвина имеет следующий вид:

T = t + 273,

где Т – значение температуры по шкале Кельвина, а t – значение температуры по шкале Цельсия.

В заключение этого краткого обзора сделаем важное замечание. Температура – это такая физическая величина, которую невозможно измерять так же, как, например, длину, объем, массу. Поясним это следующим образом.

Длина ряда из нескольких палок равна сумме длин каждой из них. Измерение длины – это сравнение ее с определенным эталоном.

К температуре это применить невозможно. Например, если мысленно разделить нагретый стержень на несколько частей, то это не означает, что его температура равна сумме температур каждого куска! Недаром задача измерения температуры как физической величины решалась несколько веков!

Сейчас существуют десятки новых методов измерения температуры и в обычных, и в экстремальных условиях. Все они основываются на современных научных идеях и технологических достижениях.

Холодно и жарко

Температурные условия в разных уголках Земли, в околоземном пространстве, на звездах существенно различаются.

Взгляните на средние значения температуры земной атмосферы на разных высотах от поверхности Земли:

Температура вещества внутри Земли определена недостаточно точно, поэтому приведенные ниже данные являются ориентировочными (для того чтобы вы привыкли к шкале Кельвина, которой пользуются в Международной системе единиц, эта температура приведена именно в кельвинах):

А теперь сравните между собой некоторые значения температуры, которые встречаются в природе и технике:

температура горения соломы – 800 °C, дров – 1000 °C, антрацита – 1300 °C;

температура пламени газовой горелки 1600–1850 °C;

температура вольфрамовой нити лампочки накаливания – 2530 °C и выше;

температура газов в камере сгорания ракетного двигателя – 2200–3700 °C;

наиболее высокая температура, зарегистрированная на Земле в 1922 г. в Северной Африке – 58 °C; самая низкая температура, зарегистрированная на Земле (Антарктида, научная станция «Восток», 1960 г.), – 88,3 °C.

Жаркая пустыня

Холодная Антарктида

Тепловые машины

Прообраз двигателя

Как известно, тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Первым устройством для преобразования тепла в механическую работу могла быть паровая пушка «Архитронито» (в переводе – сильный гром). Описание этого прибора найдено в записях Леонардо да Винчи, который приписывает это изобретение Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не об известном всем Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду. Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем.

Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил. Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар имел две выступающие, расположенные диаметрально противоположно друг к другу, изогнутые трубки. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала. Выделявшийся пар, поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее посредством изогнутых трубок, вызывая вращение шара. Отметим, что это устройство было сделано только для развлечения: его назначение – быть просто интересной игрушкой.

Первая паровая машина – эолипил

Промежуток времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, был огромен.

Первые тепловые двигатели

Потребность в создании механизмов для откачки воды из шахт возникла в связи с интенсификацией добычи угля и минералов, вызванной резким ростом производства в ходе первой промышленной революции. На некоторых шахтах Великобритании количество лошадей, используемых для привода водоотливных колес, достигало 500 голов, а расходы на их содержание были огромными. Поэтому и появились первые двигатели.

Прототип паровой турбины (1629 г.)

Двигатель Христиана Гюйгенса (1629–1695) представлял собой цилиндр с поршнем, соединенным с механической тягой. На нижнюю полость цилиндра насыпали порох, сжигание которого приводило к падению давления воздуха и обеспечивало разность давлений на поверхности движущегося поршня.

Эта модель не нашла практического применения, хотя изобретение было действующим и имело признаки, присущие всем газовым двигателям. Именно начиная с двигателя Гюйгенса в энергетике появляются понятия цилиндр и поршень.

Первый двигатель Дени (Дениса) Папена (1647–1714) создавали как замену двигателю Гюйгенса, ассистентом которого Папен был в период с 1671 по 1674 год.

Дени (Денис) Папен

Папен установил, что после взрыва пороха в цилиндре остается до двадцати процентов исходного объема воздуха, и предложил заменить порох на воду, которая, испаряясь при нагревании, приобретает «эластичность (давление), подобную воздушной», а после охлаждения цилиндров создает «более совершенный вакуум», чем при применении пороха.

Паровой двигатель Папена

В двигателе Папена пар служит для получения разряжения под поршнем, а полезная работа осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Чтобы заставить поршень поднять груз, необходимо манипулировать стержнем, клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Однако сложность управления механизмом Папена привела к тому, что первым большое распространение получил паровой насос английского инженера Томаса Севери (1650–1715), предложившего использовать насос для откачки воды из шахт.

Принцип работы насоса был разработан с учетом опыта работы паровых устройств английского маркиза Эдварда Сомерсета.

Эдвард Сомерсет II, маркиз Уорчестерский, первым в Европе спроектировал и установил в своем имении «промышленную» водонапорную систему для фонтана (1664) и систему подачи воды в башни замка (1665).

Томас Севери

Насос Севери

Технологическую основу системы составляли два сообщающихся сосуда, в одном из которых образовывался нагретый пар, вытесняющий воду из второго сосуда до заданного уровня. Подпитывание водой парового и водяного сосудов осуществлялось вручную.

Насос Томаса Севери работал следующим образом.

На первом этапе рабочая емкость целиком заполняется паром. После отсоединения емкости от источника пара последний конденсируется, создавая разрежение, обеспечивающее всасывание воды в рабочую емкость после открытия приемного клапана. Затем приемный клапан закрывается и открывается напорный клапан, соединяющий емкость с источником пара. Давление пара котла вытесняет воду из емкости через отливной клапан вверх. В последних версиях насоса использовались две емкости, что обеспечивало непрерывность процесса откачки воды.

Английский механик Томас Ньюкомен (1663–1729), применив идеи Папена и Севери, создал в 1705 г. паровую машину для откачивания воды. Его устройство стало очень популярным на производствах, связанных с откачиванием воды из шахт.

Паровая машина конструкции Томаса Ньюкомена (1817 г.)

Принцип действия машины Ньюкомена был таков. Пар из котла поступал в цилиндр с поршнем и поднимал этот поршень. (Поршень через коромысло был связан с грузом, который уравновешивал его.) После впрыскивания в цилиндр холодной воды из специального резервуара пар конденсировался и поршень опускался. При этом с помощью коромысла груз поднимался, что давало возможность воде из шахты подниматься по трубе.

Универсальный двигатель Джеймса Уатта

В 1765 г. англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) создает первую действующую модель двигателя, рабочий ход которого обеспечивался не созданием вакуума, а избыточным давлением.

В период с 1765 по 1769 год Уатт создает последовательный ряд все более и более мощных моделей и в 1769 г. получает патент на свое изобретение. Несмотря на то, что первые двигатели Уатта были одностороннего действия (для шахтных подъемников не было необходимости обеспечивать полезную нагрузку обратного хода), преимущество перед двигателем Ньюкомена было очевидным – мощность двигателя определялась уже не только габаритами цилиндра, но и давлением пара.

С 1774 г. на заводе М. Болтона близ Бирмингема начинается выпуск насосов Дж. Уатта, представляющих модернизированный вариант насоса Ньюкомена.

Начало эпохи транспортного машиностроения относят к 1781 г., когда Уатт создает двигатель с вращающим моментом на валу, на котором впервые применяются механизм преобразования поступательного движения, регулятор частоты вращения и водомерное стекло на котле.

В 1784 г. Уатт создает первый двигатель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом, который на долгие годы стал основной энергетической установкой морских паровых судов. Таким образом машины Уатта могли не только откачивать воду, но и приводить в движение станки и корабли!

Кто же он такой – создатель двигателя Джеймс Уатт?

Джеймс Уатт

Детство и отрочество Джеймса проходили в тихом патриархальном шотландском городке Гринвок, находящемся в тридцати километрах от Глазго. Любовь к ремеслу ребенок унаследовал от отца, который работал на строительстве кораблей, а тягу к знаниям – от деда, преподавателя математики. В восемнадцать лет юноша отправился приобрести специальность в Глазго. Став учеником в мастерских, Уатт за первые два года получил квалификации чеканщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди – профессора Мюирхеда, молодой изобретатель поступает в университет Глазго, где он получает должность механика. Именно здесь он начал изучать, улучшать модели паровых машин. С тех пор тепловой двигатель стал главным содержанием его исследований.

Схема паровой машины Уатта (1775 г.)

О точной дате появления универсального двигателя историки спорят до сих пор. Однако на этот вопрос, наверное, и нельзя дать однозначного ответа, поскольку сам процесс создания изобретателем своего детища имеет большую продолжительность. Формальными ориентирами могут быть 1769 г., когда Уатт запатентовал первый вариант двигателя, и 1782 г., когда был внедрен в практику усовершенствованный образец.

Уатт легко сходился с людьми и как никто другой умел располагать их к себе. За короткий срок он приобрел в университете немало друзей и знакомых.

Но жизнь диктовала свои условия. Приходилось поддерживать отношения не только с учеными, но и с промышленниками, банкирами, членами парламента. Реальные владельцы капитала были необходимы Уатту. Безмерно устав от материальной нужды, уже широко известный изобретатель однажды с горечью признался: «Я предпочел бы стоять перед заряженной пушкой, чем иметь дело со счетами и сделками».

Финансовые трудности заставили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические исследования, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически невыгодный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, которого вскоре постиг полный финансовый крах.

Материальное положение Уатта улучшилось после того, как он вступил в деловые отношения с уже упомянутым бирмингемским промышленником Метью Болтоном. Но этому предшествовал один весьма интересный эпизод.

Российский царский двор и Академия наук знали, во что вкладывать деньги, и не жалели их, чтобы привлечь к себе талантливых европейских ученых. В золотой для науки век ученые ехали в Россию, а не из нее. И вполне естественно, что одним из тех, кто попал в поле зрения радетелей о благе российской науки и техники, был Джеймс Уатт. Предложенная ему оплата была и большой, и крайне ему необходимой.

Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет.

Б. Паскаль

Намерение Уатта уехать в Россию вызвало неслыханный переполох у него на родине. «Боже, – писал поэт Дарвин, дед известного натуралиста, – как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

Не высокие патриотические чувства, а экономический интерес и четкий расчет заставили англичанина Болтона сделать все возможное, чтобы Уатт подписал договор, подготовленный моторным заводчиком. Еще бы! Ведь согласно документу, две трети доходов от использования уаттовских машин на предприятиях промышленника шли последнему.

Существует мнение, что Уатт – инженер, изобретатель, конструктор, но не более того. Это совсем не так. Он был талантливым и эрудированным ученым, внесшим большой вклад в теоретические основы теплотехники. Он следил за тем, что уже сделано и что происходит в исследуемой им области. Уатт специально овладел немецким и французским языками – для чтения необходимых научных трудов. Из большого теоретического наследия Уатта можно выделить три главных направления его поисков: исследование свойств воды и водяного пара, изучение теплоты парообразования, определение взаимосвязи между давлением и температурой водяного пара.

В личности Уатта впервые гармонично проявился симбиоз ученого-исследователя и инженера-конструктора, что позже переросло в норму для представителей прикладной науки.

Научно-исследовательская и конструкторская активность Уатта в преклонные годы заметно снизилась. Силы таяли, возраст брал свое. «Будем в дальнейшем изготовлять те вещи, – писал в 1785 г. ученый Болтону, – которые мы уже умеем делать, а все остальное предоставим молодым людям, которым не грозит потеря денег или имени». А чтобы обеспечить стабильные и гарантированные доходы от паровой машины, Уатт по подсказке Болтона получил патент, который юридически обезопасил вплоть до 1800 г. ее создателя и его компаньона-промышленника от энергичных и ловких конкурентов, дышащих в затылок.

Уатт прожил удивительную и долгую жизнь. Умер он в возрасте восьмидесяти трех лет и был похоронен в приходской церкви в Хэндс-Уорти рядом с прахом его многолетнего сподвижника Болтона. Вскоре в Вестминстерском аббатстве в благодарность соотечественники возвели славному сыну Англии замечательный памятник, где есть надпись:

Не для того, чтобы увековечить имя, которое будет жить, пока процветают мирные искусства, но чтобы показать, что человечество отдает почести тем, кому оно обязано, с благодарностью король, его слуги, а также многочисленные дворяне и граждане королевства возвели этот памятник Джеймсу Уатту.

Его гений путем опыта усовершенствовал паровую машину. Благодаря этому он приумножил богатства своей родины, мощь людей и поднялся до высоких ступеней среди великих деятелей науки, этих истинных благодетелей человечества.

От универсального двигателя к железной дороге

Роберт Фултон

Со временем тепловые двигатели «научили двигаться» и тележки, и корабли. Американец Роберт Фултон (1765–1815) применил такой двигатель в построенном им пароходе.

Этот пароход «Клермонт» в 1807 г. совершил свое первое плавание по реке Гудзон.

А 25 июля 1814 г. локомотив Джорджа Стефенсона (1781–1848) совершил первую поездку по узкоколейке со скоростью 6,4 км/ч. Затем в 1823 г.

Схема паровой тележки Мердока (1786 г.)

Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. Так началась эра железных дорог в Европе и во всем мире. В сентябре 1825 г. лучший из паровозов, сконструированных Стефенсоном, совершил поездку по линии длиной 21 км Стоктон – Дарлингтон со скоростью уже 12 км/ч.

Первый паровоз Р.Тревитика (1803 г.)

В России первую железную дорогу с паровой тягой построили отец и сын Черепановы (Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович). Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на заводе семьи Демидовых. Там по железной дороге длиной около 1 км перевозили грузы массой до 3,5 т со скоростью 13–16 км/ч.

Джордж Стефенсон

В 1836–1838 гг. была построена Царскосельская железная дорога (27 км) общего пользования.

Сейчас общая протяженность железных дорог во всем мире достигает уже 1,3 млн км; они есть почти в каждой стране.

Можно ли построить вечный двигатель?.

Проблема Perpetuum mobile

Человеку всегда хотелось построить машину, работа которой превышала бы ту энергию, которая к ней подводится. Если бы это было сделано, проблема вечного движения была бы решена. Машина, которая осуществляла бы такое движение – Perpetuum mobile («перпетуум-мобиле»), – была несбыточной мечтой многих изобретателей. Даже сейчас находятся люди, которые вопреки законам природы пытаются создать такое устройство.

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен производить достаточное ее количество, не имея никакого внешнего источника поступления энергии.

Представьте, что нужно рассчитать количество энергии, необходимое для осуществления того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае без учета потерь количество затраченной энергии всегда должно равняться количеству выработанной энергии или той, что выделилась в результате совершения работы.

Энергия, которую не совсем точно называют потерянной, на самом деле не исчезает. Просто она переходит в другую форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так происходит потому, что в результате вызванного трением нагрева часть энергии выделяется в виде тепла. И это справедливо для потерь любого вида энергии, потому что она почти всегда превращается именно в тепло.

Эту же мысль можно выразить и другими словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную.

Например, тепло, которое выделяется в двигателе внутреннего сгорания, – является ненужным, но неизбежным продуктом превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но воспользуемся мы этим теплом или нет – все равно часть работы, осуществленной двигателем, тратиться на тепловые потери.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Сенека

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы – закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Если повториться, то вечный двигатель должен выполнять полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии. Проще говоря, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не нужно прилагать механических усилий. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализованной машины заложили фундамент механики как науки.

Бесполезность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных «машин вечного движения». Тщательный анализ очередного проекта всегда выявлял какие-либо ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались бессильны.

Хитрости «изобретателей» вечного двигателя

В прошлом людям казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Наверное, такая мысль возникла из-за того, что вода, окружающая людей, казалась им бесплатной. Это обстоятельство и вводило в заблуждение, например, мельника. Однако владельцы мельниц, на которых в период засух уменьшался напор воды, не рассматривали воду как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить воду подниматься вверх и снова совершать работу.

Позже умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая плотины со шлюзовыми воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прерывалась в засушливые периоды, когда естественный поток воды прекращался.

Инженерам Позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один достаточно надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученный наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращаться. Это странное, однако идеально работающее изобретение вошло в историю техники под названием архимедового винта. Теперь мы понимаем, что трубка архимедового винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы.

Этого, однако, не знали люди Средневековья, с удивлением задававшие вопрос: «Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!»

Мельница замкнутого цикла была предложена Робертом Флуддом в 1618 г. Для ее работы не нужен непрерывный поток воды. Только через два столетия после смерти Роберта Флудда стало понятно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства!

Вера в винт Архимеда как в средство для решения проблемы вечного движения была разрушена Уилкинсом, епископом Честерским. Решив заняться разработкой и описанием машины вечного движения, он выполнил свое намерение очень тщательно. В разделе его книги, посвященной «водяным вечным двигателям», Уилкинс подробно говорит о преимуществах архимедового винта перед водяным насосом, а затем продолжает:

«Если рассматривать эти механизмы совместно, то может показаться, что построить вечный двигатель не так уж и сложно. Для этого достаточно иметь водяное колесо, по которому бы опускался, приводя его в действие, ранее поднятый вверх поток воды. Это колесо вращало бы винт, поднимавший такое количество воды, которое было необходимо для движения всей машины в целом. Движение это было бы непрерывным, поскольку количество воды, выносимое вверх вращающимся винтом, равняется количеству воды, падающему по колесу вниз. Если же окажется, что действия воды на колесо недостаточно для приведения в движение архимедового винта, то почему бы не использовать несколько колес: два, три – словом, столько, сколько позволяет размер всей машины…»

Уилкинс дает описание действия такого устройства и результаты собственных размышлений:

«Однако после целого ряда попыток я пришел к выводу о полной невозможности своего замысла. Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая поднимается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющегося затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт…»

Таким образом, епископ Уилкинс не только задумал весьма оригинальный «вечный механизм», но и взял на себя обязанность построить модель устройства и испытать ее. В результате этого исследования Уилкинс убедился в полной непригодности механизма и четко уяснил для себя причины несостоятельности проекта.

История, как известно, повторяется, и то же самое происходит, вероятно, и с изобретениями. В 1648 г. епископ Уилкинс отверг идею «колесно-насосного» вечного двигателя, а более чем через двести лет модифицированный проект того же устройства с искренним энтузиазмом первооткрывателя был вновь предложен, на этот раз каким-то читателем журнала «English mechanics».

Тем же, кто убежден, что нет вещей более неосуществимых, чем просто неосуществимых, Артур Орд-Хьюм напоминает поговорку времен Второй мировой войны: «Невозможное мы делаем мгновенно, а на чудо нужно больше времени…»

«Вечный двигатель» времен Петра I

Сохранилась переписка, которую вел в 1715–1722 гг. русский царь Петр I по поводу приобретения в Германии вечного двигателя, изобретенного неким доктором Орфиреусом. Изобретатель, прославившийся на всю Германию своим «самодвижущимся колесом», соглашался продать царю эту машину лишь за огромную сумму.

В январе 1725 г. Петр I собирался в Германию, чтобы лично осмотреть «вечный двигатель», о котором так много говорили, но смерть помешала царю осуществить его намерение.

Кто же был этот таинственный доктор Орфиреус и что представляла собой его машина?

Настоящая фамилия Орфиреуса была Беслер. Он родился в Германии в 1680 г., изучал богословие, медицину, живопись и, в конце концов, занялся изобретением «вечного» двигателя. Из многих тысяч таких изобретателей Орфиреус – самый знаменитый и, наверное, самый счастливый. До конца своих дней (умер в 1745 г.) он жил в достатке на доходы, которые получал, демонстрируя свою машину.

Изначально наблюдения были достаточно убедительными только для тех, кто умеет думать и хочет знать истину.

Г. Галилей

Слава о чудесном изобретении, которое «ученый доктор» показывал поначалу на ярмарках, быстро покатилась по всей Германии, и Орфиреус вскоре приобрел могущественных покровителей. Им заинтересовался польский король, потом ландграф Гессен-Кассельский. Ландграф предоставил изобретателю свой замок и всячески испытывал машину.

Так, 12 ноября 1717 г., двигатель, находившийся в отдельной комнате, был приведен в действие, затем комната была заперта на замок, опечатана и оставлена под надежной охраной двух гренадеров. Четырнадцать дней никто не смел даже приближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Только 26 ноября печати были сняты; ландграф вошел в помещение. Колесо все еще вращалось «с неослабевающей скоростью»!.. Машину остановили, тщательно осмотрели, затем опять запустили. В течение сорока дней помещение снова оставалось опечатанным; сорок суток караулили у дверей гренадеры. И когда 4 января 1718 г. печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо в движении!

Ландграф и на этом не успокоился: провели третий опыт – двигатель запечатали на целых два месяца. И все же по истечении этого срока обнаружили, что он работает!

Изобретатель получил от восхищенного ландграфа официальное удостоверение в том, что его «вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1,5 м, а также может приводить в действие кузнечный и точильный станки. С этим удостоверением Орфиреус и путешествовал по Европе. Наверное, он получал большой доход, если соглашался отдать свою машину Петру I не менее чем за 100 000 рублей.

Слух о таком чрезвычайно удивительном изобретении доктора Орфиреуса быстро разнесся по Европе, выйдя далеко за границы Германии. Дошел он и до Петра I, чрезвычайно заинтересовав царя.

Иллюзия – первая из всех утех…

Вольтер

Петр I обратил внимание на колесо Орфиреуса еще в 1715 г., во время своего пребывания за границей, и тогда же поручил А. И. Остерману, известному дипломату, познакомиться с этим изобретением поближе. Остерман не замедлил прислать подробный доклад о двигателе, хотя самой машины не видел. Петр I намеревался даже пригласить Орфиреуса как выдающегося изобретателя к себе на службу и уже поручил узнать у Христиана Вольфа, известного философа того времени (учителя Ломоносова), какого он о нем мнения.

Знаменитый изобретатель отовсюду получал выгодные предложения. Великие мира сего осыпали его высокими милостями; поэты слагали оды и гимны в честь его чудесного колеса. Но были и недоброжелатели, подозревавшие обман. Находились смельчаки, открыто обвиняющие Орфиреуса в мошенничестве; предлагалась премия в 1000 марок тому, кто разоблачит этот обман.

Тонкое плутовство было раскрыто случайно только потому, что ученый доктор… поссорился со своей женой и служанкой, которые знали его тайну. Выяснилось, что «вечный двигатель» действительно приводили в движение люди из тайника, незаметно дергая за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка!..

Разоблаченный изобретатель не хотел признаваться в своем поражении. Он упорно утверждал до самой смерти, что жена и прислуга донесли на него по злобе. Но доверие к нему было подорвано. Недаром он много раз говорил посланцу Петр I, Шумахеру, о людском злонравии и о том, что «весь мир наполнен злыми людьми, которым верить нельзя».

В те времена в Германии ходила слава об еще одном «вечном двигателе» некоего Гертнера. Шумахер писал Петру I об этой машине следующее: «Господина Гертнера Perpetuum mobile, которую я в Дрездене видел, состоит из холста, песком засыпанного, и в образе точильного камня сделанной машины, которая назад и вперед сама от себя движется, но, по словам господина инвертора (изобретателя), не может весьма большой сделаться».

Без сомнения, и этот двигатель не достигал своей цели и в лучшем случае представлял собой замысловатый механизм с искусно спрятанным, отнюдь не «вечным», живым двигателем.

Прав был Шумахер, когда писал Петру I, что французские и английские ученые «ни во что ставят все оные перпетуум мобилес и сказывают, что оное против принципов математических».

Трагедия открывателя великого закона

Как отмечалось ранее, научное объяснение невозможности создания вечного двигателя появилось после открытия закона сохранения и превращения энергии – первого закона термодинамики. Это открытие связывают с именем отнюдь не физика, а врача, проводившего физические исследования ради собственного интереса. Это Юлиус Роберт Майер (1814–1878) – немецкий врач и естествоиспытатель.

Родился Майер в 1814 г. в Хейльбронне, в Баварии. Рано проявив интерес к научным исследованиям, он решил посвятить себя медицине. В 1832 г. Майер поступил в Тюбингенский университет, где только один семестр изучал физику. На протяжении всей жизни Майер путал массу и вес, не понимал, что такое вектор, и испытывал ужас от любого математического вычисления. И тем не менее, именно ему мы обязаны первой формулировкой закона сохранения энергии.

Юлиус Роберт Майер

В 1838 г. Майер получил степень доктора медицины. В этом же году он отплыл в качестве корабельного врача на торговом судне, направлявшемся на Яву. Во время путешествия Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

Работая судовым врачом, Майер многократно делал матросам кровопускание (один из распространенных тогда способов лечения).

Все люди имеют глаза, но лишь немногие имеют проницательность.

М. Макиавелли

Он заметил, что венозная кровь матросов была намного ярче, чем кровь тех пациентов, которых он лечил в Германии. Майер предположил, что такой цвет крови связан с меньшим окислением поглощенной пищи, в результате чего вырабатывается меньше теплоты, ибо в тропиках потребность в ней меньше, чем в северных странах.

Это заставило его задуматься над тем, как человеческое тело получает тепло от пищи и как в этом процессе происходит трансформация энергии.

С 1841 г. и до самой смерти Майер практиковал в Хейльбронне, став главным хирургом города. В свободное время он занимался экспериментами и «боролся» с трудными теоретическими понятиями, чтобы сформулировать замеченные закономерности. Он так плохо знал физику, что его статьи были отвергнуты научными журналами как некомпетентные, и ему пришлось публиковать их за собственные деньги.

В 1841 г. Майер послал издателю журнала «Annalen der Physik» И. К. Поггендорфу свою первую статью «О количественном и качественном определение сил», содержавшую положение, близкое по смыслу к закону сохранения энергии (эта статья не была напечатана).

В статье, опубликованной в 1842 г. («Замечания о силах неживой природы»), Майер утверждает, что существует определеная количественная связь между высотой, с которой падает тело массой m, и количеством теплоты, выделившейся при ударе о землю. В современной терминологии это звучит так: потенциальная энергия mgh превращается в кинетическую энергию удара, а так как энергия сохраняется, эта кинетическая энергия переходит в теплоту. Майер также попытался вычислить механический эквивалент теплоты и получил значение 3,59 Дж/кал.

Конечно, это очень отличается от принятого сейчас значения 4,19 Дж/кал, но ошибка Майера была связана с неточностью данных, которые он использовал.

По представлениям Майера, движение, теплота, электричество и т. д. – качественно различные формы «сил» (так Майер называл энергию), которые превращаются друг в друга в одинаковых количественных соотношениях. Он рассмотрел также применение этого закона к процессам, происходящим в живых организмах, утверждая, что аккумулятором солнечной энергии на Земле являются растения; в других же организмах происходят лишь превращения веществ и «сил», но не их создание.

Годы с 1846 по 1850-й были очень трудными для Майера. В течение двух лет скончались двое из его троих детей. Местные ученые обвинили его в том, что он скорее сумасшедший философ, чем компетентный специалист. Наконец, его втянули в спор с выдающимся английским физиком Джеймсом Джоулем относительно приоритета на открытие в области взаимопревращений энергии. Кончилось все тем, что в 1850 г. он тяжело психически заболел.

Герман Гельмгольц

После выхода из больницы Майер уже прославился. Физики всего мира постоянно ссылались на его научные открытия, однако даже не были уверены, жив этот ученый или умер.

В последние годы жизни Майер все же приобрел какую-то славу. В 1871 г. он получил медаль Лондонского Королевского научного общества, позже его наградила Французская академия наук.

Он стал и почетным доктором своего родного университета в Тюбингене.

Юлиус Роберт Майер умер в 1878 г. от воспаления легких.

Открытие закона сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах (первый закон термодинамики) связывают с именами Ю. Г. Майера, Дж. Пр. Джоуля и Г. Гельмгольца. Сам Гельмгольц дал высокую оценку деятельности Майера: «Хотя никто не будет отрицать, что Джоуль сделал гораздо больше, чем Майер, и что в первых работах Майера много непонятного, я все-таки считаю, что на Майера следует смотреть как на человека, независимо и самостоятельно пришедшего к мысли, которая обусловила наибольший современный прогресс естественных наук. Заслуга его не становится меньше от того, что одновременно с ним другой ученый, в другой стране и на другом поприще сделал то же открытие и впоследствии развил его даже лучше».

Вечное движение и вечный двигатель с точки зрения термодинамики

С самого начала становления физики как науки ученые пытались описать все явления с механической точки зрения. Но впоследствии выяснилось, что такой подход ко многим явлениям просто невозможен.

Еще издавна было замечено, что нагреть тело можно путем осуществления механической работы или придания телу некоего количества теплоты, например при сгорании определенного топлива. Взаимосвязями этих процессов, выяснением общих особенностей поведения макроскопических (т. е. больших по сравнению с молекулами) тел занимается термодинамика.

Когда Дж. Джоуль исследовал изменения температуры воды, он пропускал ее через узкие трубки, помещал в сосуд с водой вращающиеся лопасти, нагревал ее с помощью электрического тока и др. Во всех экспериментах он получил примерно одно и то же значение механического эквивалента теплоты.

Умение задавать разумные вопросы есть важным и необходимым признаком ума и проницательности.

И. Кант

По Джоулю, все это является следствием принципа эквивалентности теплоты и механической работы, который он сформулировал в 1843 г. в книге «О тепловом эффекте магнитоэлектрики и механическом эффекте теплоты».

Позже стараниями немецких ученых Г. Гельмгольца и Г. Клаузиуса была получена та форма закона сохранения энергии, которая включала и механическую работу, и внутреннюю энергию. Именно на этот закон нужно опираться, рассматривая тот или иной «проект» очередного вечного двигателя.

Из этого закона следует, что работа, которую может осуществить тело, производится за счет внутренней энергии и подведенного к нему определенного количества теплоты. Если считать, что «вечный двигатель» извне никакого количества теплоты не получает, то работать он должен только за счет внутренней энергии. А это продолжаться вечно не может, потому что эта энергия все-таки когда-то иссякнет!..

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер начал с медицинских наблюдений и перешел к рассмотрению цепи энергетических преобразований – от космоса до живого организма. Джоуль экспериментально определял количественные соотношения теплоты и механической работы. Гельмгольц связал этот закон с исследованиями крупных механиков прошлого.

Борьба за признание этого закона была нелегкой, но она закончилась победой.

VI. Электромагнитные явления

История развития представлений об электромагнитных явлениях

Когда-то известный изобретатель и электротехник Н. Тесла написал:

«Кто действительно хочет понять все величие нашего времени, тот должен ознакомиться с историей науки об электричестве. И тогда он узнает сказку, какой нет и среди сказок ”Тысячи и одной ночи”».

Первые исследования: от Гилберта и Мушенбрука до Франклина и Кулона

Впервые явления, которые сейчас называют электрическими, были замечены в Древнем Китае, Индии, а позже и в Древней Греции. Сохранившиеся предания говорят о том, что древнегреческому философу Фалесу Милетскому было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление позже получило название электризации.

О янтаре в «Сказке об электричестве» Теслы можно найти такие поэтические строки: «Рассказ начинается задолго до начала нашей эры, в те времена, когда Фалес, Теофраст и Плиний говорили о чудесных свойствах «электрона» (янтаря), – этого удивительного вещества, возникшего из слез Гелиад, сестер несчастного юноши Фаэтона, который пытался овладеть колесницей Феба и едва не сжег всю Землю».

Фалес Милетский

Однако, создав поэтические легенды о янтаре, греки не продолжили изучение его свойств. Пушинки ничего не добавили к знаниям древних греков, а в средние века было забыто и то, что знали о янтаре в древности.

Только в конце XVI в. придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт (1544–1603) изучил все, что было известно о свойствах янтаря древним народам, и сам провел немало опытов с янтарем и магнитами. В 1600 г. он издал большой труд «О магните, магнитных телах и о самом большом магните – Земле» – настоящий свод знаний того времени об электричестве и магнетизме.

Гилберт первым обнаружил, что электризация присуща не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кости, не электризуются. Гилберт распределил все тела, встречающиеся в природе, на те, что электризуются, и те, которые не электризуются. Обратив особое внимание на первые, он проводил много опытов по изучению их свойств.

В середине XVII в. известный немецкий ученый, о котором мы уже упоминали, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса и других приборов Отто фон Герике (1602–1686) построил специальную «электрическую машину», представлявшую собой шар из серы, насаженный на ось. Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал способность притягивать и отталкивать легкие тела.

Машину Герике впоследствии значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к важным открытиям: в 1707 г. французский физик Шарль Дюфе (1698–1739) нашел разницу между электричеством, полученном от трения стеклянного шара, и электричеством, получаемым от трения диска из древесной смолы. Он даже название дал им «смоляное электричество» и «стеклянное электричество». Дюфе установил два вида электрического взаимодействия: притяжение и отталкивание.

В 1729 г. англичанин Стефан Грей (1670–1736) заметил способность некоторых тел проводить электричество и впервые указал на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.

В опытах Грей брал стеклянную трубку и закрывал ее пробкой, в которую втыкал металлический стержень с шариком из слоновой кости. Затем, когда трубку натирали сукном (сейчас мы называем это электризацией), оказывалось, что шарик становился заряженным.

При испытании различных веществ Грей открыл существование электропроводности, которая была присуща металлическим проводам, угольным стержням, веревке из пеньки. Хорошими проводниками являются ткани тела человека и животных. В то же время электричество не передавалось через каучук, шелк, фарфор.

В своих опытах Грей, чтобы обеспечить изоляцию от земли, электризовал тела, сидя на качелях, подвешенных на волосяных веревках.

Опыт Герике с электрической машиной

Но гораздо более важное открытие было описано в 1745 г. Питером ван Мушенбруком (1692–1761) – голландским профессором математики и философии в городе Лейдене. Он определил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электрический заряд. Хорошо заряженное, это устройство могло быть затем разряженным со значительным эффектом – большой искрой, сопровождающейся сильным треском, подобным разряду молнии.

Питер ван Мушенбрук

Кстати, поговаривают, что это изобретение было сделано ученым в какой-то степени случайно. Мушенбрук проводил опыты, в которых пытался «задержать» полученное им электричество, заряженные им тела другими – которые состоят из веществ, не проводящих электричество. Однажды он опустил провод от электрической машины в графин с водой. Держа графин в руках, он прикоснулся к проводу и получил сильный электрический удар – электрический разряд, как мы говорим сейчас.

От названия города, где проводились эти опыты, прибор, созданный Мушенбруком, был назван лейденской банкой. Это был первый конденсатор – устройство, без которого сегодня трудно представить современную технику!

Лейденская банка

Исследования свойств лейденской банки проводились в разных странах и вызвали появление большого количества гипотез, пытавшихся объяснить обнаруженное явление накопления заряда банкой. Одна из теорий этого явления была предложена выдающимся американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином (1706–1790), который указал на существование положительного и отрицательного электричества. Исходя из своей теории, Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки.

Б. Франклин был не только выдающимся ученым-исследователем, но и общественным деятелем, много сделавшим для развития просвещения в США: организовал Филадельфийскую библиотеку, основал Пенсильванский университет, Филадельфийское философское общество.

Бенджамин Франклин

Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний в 1775–1783 гг. Он участвовал в работе континентального конгресса и созданного им комитета по подготовке Декларации независимости, а также в подготовке Конституции Соединенных Штатов; боролся за демократические принципы управления государством. Таким образом,

Франклин был одним из основателей США, основателем науки этого государства и его первого научного общества. Он внес большой вклад в американскую и мировую науку.

Среди его научных трудов ведущее место занимают исследования именно по электричеству. Эти исследования составляют содержание знаменитых «Опытов и наблюдений за электричеством», составленных из писем члену Лондонского Королевского общества П. Коллинсону. Именно там Франклин ввел понятие о положительном и отрицательном электричестве (то, что мы сейчас называем двумя видами электрических зарядов). Предвестниками современного закона сохранения электрического заряда были идеи, которые также сформулировал Франклин.

Б. Франклин, так же как и русские ученые М. В. Ломоносов и Г. Рихман, большое внимание уделил и изучению атмосферного электричества, грозового разряда (молнии). Он провел знаменитые опыты с воздушным змеем, запуская его при приближении грозы. К верхнему концу крестовины змея он прикреплял заостренный провод, а к веревке, на которую привязывали змея – ключ и шелковую ленту. В письме Коллинсону в октябре 1752 г. Франклин писал: «Когда грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока будет добывать из нее электрический огонь, и змей наэлектризуется… А когда дождь смочит змея вместе с веревкой, предоставив им возможности свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца».

Легко заметить, что здесь действительно была предложена идея первого «громоотвода» (сейчас мы знаем, что точнее его следует называть молниеотводом, потому что грома не следует бояться).

Опыты Франклина и его громоотвод вызвали большой интерес, многие ученые стали проводить аналогичные исследования. К сожалению, не все эти эксперименты закончились счастливо: как известно, коллега М. В. Ломоносова Г. Рихман погиб, ставя во время грозы 26 июля 1753 г. опыт по изучению молнии.

Кстати, «электрические воздушные наблюдения» проводил и сам Михаил Ломоносов. Он смог с помощью электрического указателя определить электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. Ломоносов разрабатывал собственную теорию электрических явлений, которые он объяснял движением эфира.

Работы русских академиков Ф. Эпинуса, Г. Крафта и других выявили целый ряд весьма важных свойств электрического заряда, но все они изучали электричество «неподвижных зарядов». Об электрическом токе им ничего не было известно.

Электрическая машина

Существенным шагом вперед оказались опыты, проведенные англичанином Генри Кавендишем (1731–1810), результаты которых всем известны как закон… Кулона! Дело в том, что Кавендиш был богатым английским лордом, который физику и химию считал своим хобби, как сказали бы мы сейчас. С помощью специального прибора – крутильных весов – он определил, что сила взаимодействия между электрически заряженными шариками уменьшается при увеличении расстояния между ними в определенной математической зависимости. Кавендиш неохотно публиковал свои работы, и в частности свои исследования по электричеству. Поэтому они оставались неизвестными почти до 1879 г., когда их – через 100 лет! – опубликовал другой выдающийся английский ученый Максвелл.

«Громовая машина». Рисунок М. В. Ломоносова (1753 г.)

Шарль Кулон

В 1777 г. открытие Кавендиша «переоткрыл» французский военный инженер и исследователь Шарль Кулон (1736–1806).

Практическое значение накопленных за два столетия знаний об электричестве было сравнительно невелико. Это объясняется тем, что запросы практики, промышленности пока не выдвигали перед наукой требований познания электричества и изучения возможности его исполь

Открытие Луиджи Гальвани

Большим открытием XVIII в. было обнаружение итальянским физиком и анатомом Луиджи Гальвани (1737–1798) появления элекричества при столкновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушки.

Во второй половине XVIII в. была открыта возможность создания электрического тока. Это явление интересовало не только физиков, но и физиологов и врачей. Обнаружение электрических свойств ската заставляло их искать пути применения электричества и магнетизма во врачебной практике. Тот факт, что у врача Л. Гальвани была электрическая машина, вполне соответствовал духу времени.

Как преподаватель медицины, Гальвани проводил исследования препарированной лягушки. Он (а точнее сначала его помощники и жена!) заметил, что мышцы лягушки сокращаются, то есть начинают дергаться, когда к ним прикасаются скальпелем вблизи электрической машины. После этого он провел много серий опытов и наблюдений.

В 1791 г. вышла книга, которую Гальвани назвал «Трактат о силе электричества при мышечном движении». В ней он описал сделанное открытие. Гальвани ошибочно считал, что это явление вызвано наличием особого «животного электричества». Хотя позже это было объяснено иначе, опыты Гальвани вошли в сокровищницу очень важных физических экспериментов, давших толчок дальнейшему развитию науки.

Родился Гальвани в Болонье в сентябре 1737 г. Изучал богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

Когда войска Бонапарта захватили Италию, в частности Болонью, была создана Цизальпинская республика. Все служащие должны были принести присягу на верность республике. Гальвани отказался это делать, из-за чего в 1797 г. его отправили в отставку. Хотя впоследствии правительство республики за заслуги восстановило его в должности, да было уже поздно: Гальвани, тяжело переживая потерю жены и брата, 4 декабря 1798 г. ушел из жизни.

Проведенные Гальвани исследования сохранили его имя в памяти людей. Термин «гальванический» до сих пор используют в названиях некоторых процессов и приборов.

Отец батарейки

Еще один итальянский ученый, Алессандро Вольта (1745–1827), дал научно обоснованоое объяснение опытам Гальвани. Он экспериментально доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, следует объяснять тем, что два разнородных металла, разделенные слоем специальной жидкости, являются источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи.

Между Гальвани и Вольта развернулась острая полемика относительно того, что же наблюдалось в опытах с лягушкой. Гальвани пытался полностью исключить физические причины явления, а Вольта, наоборот, исключал физиологические объекты: он даже заменил в своих опытах лапку лягушки физическим прибором – электрометром.

Вольта объяснил происходящее так: есть замкнутая электрическая цепь, через которую течет ток. Лапка лягушки – просто соединительное звено такой цепи.

Кроме того, Вольта заметил, что наличие электрического тока можно просто почувствовать… на вкус, если языком коснуться контактов.

Элемент Вольта – «вольтов столб»

Разработанная Вольта теория позволила ему создать в 1794 г. первый в мире источник электрического тока в виде так называемого вольтового столба. Этот столб представлял собой набор дисков из двух металлов (меди и цинка), разделенных прокладками из войлока, смоченного в солевом растворе или щелочи.

Демонстрация опытов А. Вольты

Описание этого прибора, изготовленного в конце 1799 г., находим в письме А. Вольта президенту Лондонского Королевского общества Банксу от 20 марта 1800 г. Благодаря этому он обрел всемирную славу! Вольта был избран членом Парижской и других академий мира, а Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. (Но заметим, что после этого открытия он уже ничего выдающегося в науке не сделал…)

Отметим также, что и Гальвани был в известной степени недалек от истины: как это доказали позже, в любом организме жизненные процессы сопровождаются возникновением электричества (что не имеет, однако, ничего общего с электричеством, открытым самим Гальвани, и его пояснениями!..)

Электрический ток: начало

После открытия вольтового столба многие ученые пытались создать более мощные источники тока. Английские химики Никольсон и Карлейль построили вольтов столб из 17 элементов и осуществили электролиз воды. Так было открыто химическое действие электрического тока.

Одним из первых свойства электрического тока вплотную изучил в 1801–1802 гг. петербургский академик В. В. Петров (1761–1834). Работы этого выдающегося ученого, построившего крупнейшую по тем временам в мире батарею из 4200 медных и цинковых кружков, сделали возможным практическое использование электрического тока для нагрева проводников. Свою батарею Петров в честь Гальвани и Вольта назвал гальванивольтовым столбом. Это была самая мощная батарея того времени.

В отличие от вертикальных столбов предшественников, В. Петров предлагал размещать элементы батареи горизонтально, чтобы кружки стояли ребрами вертикально в деревянных ящиках. Когда все эти ящики выстроили в один ряд, его длина превысила 12 м!

Он также нашел способы изоляции элементов батареи от дерева, предложив делать это с помощью сургуча, а тела, с которыми проводят опыты, помещать на подставку на стеклянных ножках.

Кроме того, в 1802 г., на восемь лет раньше англичанина Г. Дэви, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных угольных стержней как в воздухе, так и в газах и вакууме, получившее название электрической дуги.

В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов, и таким образом впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С того времени следует вести отсчет истории электротехники как самостоятельной отрасли техники.

Электричество + магнетизм =…

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 г. итальянский ученый Романьози заметил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, который протекал по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 г. это явление было вновь замечено датским физиком Г. К. Эрстедом (1777–1851), который в марте 1820 г. опубликовал на латыни брошюру под названием «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В этом сочинении «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в г. Рудкебинг на острове Лангеланн в семье аптекаря. Учился он в Копенгагенском университете, где в 1797 г. получил диплом фармацевта, позже – степень доктора философии и в двадцать девять лет стал профессором университета.

Научные интересы Эрстеда были разнообразны: он увлекался физикой, химией, философией. Идеи о единстве сил природы и возможной связи между электричеством и магнетизмом он высказывал еще в 1812–1813 гг. Однако экспериментально он обнаружил это именно в 1820 г.

Ганс Кристиан Эрстед

Суть сделанного Эрстедом открытия заключается в том, что проводник, по которому проходит электрический ток, действует на магнитную стрелку, находящуюся рядом. Ток заставляет стрелку вращаться и определенным образом ориентироваться у проводника. Хотя объяснения самого Эрстеда относительно открытого им явления были не совсем правильными, это открытие увековечило его имя.

Небольшая, всего на пять страниц, книга Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Его опыты повторил осенью 1820 г. швейцарский натуралист де ля Рив на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской Академии наук Доминик Франсуа Араго (1786–1853), который после возвращения продемонстрировал на заседании Академии опыт Эрстеда. Араго провел ряд исследований, из которых самым важным было открытое им в 1824 г. явление вовлечения медного диска во вращение магнитом, вращающимся рядом с ним.

Амперметр – устройство для измерения силы тока

Это явление, названное «магнетизмом вращения» в течение длительного времени так и оставалось разве что эффектным физическим опытом.

Но впоследствии именно оно стало основой многих практических изобретений, и в частности элекродвигателя переменного тока.

Большое значение имело также открытие в 1820 г. французами Био и Савара законов действия тока на магнитную стрелку.

Нельзя не сказать о деятельности выдающегося ученого Андре Мари Ампера (1775–1836), который положил

начало изучению действий электрического тока и установлению целого ряда законов электродинамики. Как только Араго продемонстрировал на заседании Парижской академии наук опыт Эрстеда, Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 г., ровно через неделю сообщил о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер закончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих в параллельно расположенных проводниках.

С тех пор Академия еженедельно заслушивала новые сообщения Ампера о его опытах, приведших к открытию и формулированию основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления – электричество и магнетизм – одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория была встречена современниками Ампера с большим недоверием.

Через пять лет после проведенных Ампером работ был построен первый электромагнит и началось глубокое изучение законов электромагнетизма.

В 1827 г. немецкий ученый Георг Ом (1789–1854) открыл один из важнейших законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой течет электрический ток. Да, это тот самый закон, о котором школьники говорят: «Не знаешь закон Ома – посиди дома!»

Георг Ом

Открытие Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея (1791–1867) и побудили его к изучению всего круга вопросов о преобразовании электрической и магнитной энергии в механическую.

В 1821 г. он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором наблюдал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 г. Фарадей сообщил об открытом им явлении, которое он впоследствии назвал электромагнитной индукцией. Это явление стало основой всей современной электроэнергетики!

Личность и жизненный путь Фарадея настолько интересны, что требуют отдельного разговора (мы к нему вернемся в последнем разделе книги).

Исследования Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца (1804–1865), связанные с этой же проблемой, позволили создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Эмиль Христианович Ленц родился в феврале 1804 г. в семье чиновника в г. Дерпт (ныне – Тарту, в Эстонии). Он рано остался без отца, однако благодаря стараниям матери с успехом окончил гимназию и поступил в 1820 г. в Дерптский университет.

Его научная деятельность началась рано: после второго курса университета он по рекомендации ректора в качестве физика отправился с научной экспедицией в кругосветное путешествие, продолжавшееся три года. Во время экспедиции Ленц сконструировал глубиномер и прибор для изучения воды на разных глубинах – батомер.

Эмиль Христианович Ленц

С 1838 г. Ленц работает в Петербургском университете, а со временем становится его ректором.

Свои исследования по электромагнетизму Ленц начал в 1831 г. в лаборатории, которая перешла к нему от В. Петрова. После открытия Фарадеем электромагнитной индукции Ленц начал искать общие правила определения направления индукционного тока. 29 ноября 1833 г. он сделал доклад об обнаруженном им правиле (его мы и сейчас знаем как «правило Ленца»), которое стало общепризнанным после публикации во многих европейских журналах.

Неразгаданная тайна

Большой шаг, который сделали Ампер, Фарадей, Ленц и другие физики того времени, все, кто изучал проблемы электричества и магнетизма, – стал толчком к внедрению сделанных открытий в производство. Это касается прежде всего электрических генераторов.

Сначала электрогенератор и электродвигатель развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р. М., содержавшее описание первого в мире синхронного генератора и чертежи, приложенные к письму. Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо Р. М. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, в надежде, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и письмо Фарадея, сопровождавшее его, где он дает очень высокую оценку изобретению Р. М.

И действительно, спустя полгода Р. М. прислал в редакцию дополнительные разъяснения и описание предложенной им концепции электрогенератора, но и на этот раз захотел остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым за инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные поиски историков электротехники, не знает, кому оно обязано одним из важнейших изобретений.

Свеча Яблочкова

Началось стремительное развитие в применении электродвигателей и потреблении электроэнергии. Этому немало способствовало изобретение П. Н. Яблочкова: способ освещения с помощью так называемой «свечи Яблочкова» – дуговой электролампы с параллельным размещением углей. Простота и удобство «свечи Яблочкова», заменившей дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, способствовали ее широкому распространению, и вскоре «свет Яблочкова», «русский», или «северный» свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было настоящим триумфом изобретателя-россиянина.

Статическое электричество вокруг нас

О теле, которое после натирания притягивает к себе другие тела, говорят, что оно наэлектризовано и ему придали электрический заряд. Как известно, трут тела друг о друга только для того, чтобы увеличить площадь их соприкосновения.

Электризация посредством трения до конца еще не изучена, но мы сейчас подчеркнем то, что при электризации происходит перераспределение заряженных частиц между телами, которые принимают участие в этом процессе. В отличие от процессов, связанных с электрическим током, эти явления называют электростатическими (от греческого слова statos – неподвижный).

Статическое электричество на производстве, как известно, иногда приводило к негативным последствиям. Но в некоторых случаях электростатические эффекты вызывали намеренно и использовали их.

Так, например, при производстве абразивной (наждачной) бумаги электростатические эффекты играют положительную роль. Вместо того чтобы посыпать намазанную клеем бумагу абразивным зерном, это зерно помещают под бумагой. Зерна притягиваются к липкой стороне бумаги благодаря электростатическому притяжению. В этом процессе абразивные зерна ориентируются в необходимом направлении, образуя абразивную бумагу.

Все науки порождены здравым смыслом, любознательностью, наблюдательностью, размышлениями.

Р. Оппенгеймер

С другой стороны, на мукомольных мельницах кожаные ремни электризовались о вращающийся шкив. Возникающий при

этом искровой разряд мог вызвать пожар и взрыв. Работу на ткацком станке может усложнить взаимодействие наэлектризованных тел, поскольку электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, а произведенная ткань сильно загрязняется частицами пыли, которые она притягивает к себе.

В строительстве сейчас широко используют синтетические материалы для покрытия полов и стен, тепло– и звукоизоляции, применяют их и в производстве мебели, обуви, одежды. Такие полимерные материалы прочны, имеют прекрасный внешний вид. Однако они легко «насыщаются» зарядами статического электричества. От этого и возникают такие явления, например, как прилипание одежды к телу, треск, искры, покалывание, когда одежду снимают.

Даже самолет электризуется при трении о воздух. Поэтому сразу после его посадки нельзя приставлять к нему металлический трап, потому что может возникнуть электрический разряд и, как следствие, пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с корпусом самолета, и по металлическому тросу электрические заряды уходят в землю. Этот процесс называют заземлением.

Когда хотят снять электростатический заряд с тех частей станка которые могут электризоваться при работе, их тоже заземляют.

При достаточной влажности воздуха электростатические заряды быстро стекают, не накапливаются. Зимой же или в сухую погоду, когда относительная влажность воздуха небольшая, их накапливается гораздо больше.

Следует сказать, что чувствительность людей к действию статического электричества различна. Специалисты считают, что это связано с состоянием кожи. Чем суше кожа, тем больше зарядов в ней сохраняется. С возрастом кожа становится более сухой. Не случайно пожилые люди чаще жалуются на то, что в тот момент, когда они прикасаются, скажем, к металлическому предмету, возникает потрескивание, искры. Снизить наэлектризованность помещения в определенной степени помогают увлажнители воздуха. В комнате такими увлажнителями могут быть аквариум или обычная посуда с водой.

Статическое электричество может стать и помощником человека. Если корпус автомобиля зарядить, например, положительно, а частичкам краски придать отрицательный заряд, то они тонким и равномерным слоем покроют корпус автомобиля. Одноименно заряженные частицы краски будут отталкиваться друг от друга и притягиваться к корпусу автомобиля. Поэтому слой краски будет одинаковой толщины и расход краски будет меньше. Такой метод окраски металлических изделий широко применяется у нас в стране и за рубежом.

Статическое электричество используется также и в медицине, например при создании так называемых электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные вещества в виде очень маленьких заряженных капелек, которые не слипаются в крупные капли и при вдыхании глубоко проникают в легкие человека, вплоть до мелких легочных ячеек – альвеол.

Влияние статического электричества на организм человека и животных еще до конца не изучено. Но уже известно, что электрические разряды, возникающие вследствие электризации одежды, для большинства людей безвредны, а в некоторых случаях, например при заболеваниях суставов, даже полезны.

И еще один пример из живой природы. Когда комар садится нам на руку, он начинает энергично тереть лапками крылышки и брюшко. Для чего? Оказывается, при энергичном трении хитинового покрова образуется статическое электричество между кожей руки и насекомым. Благодаря этому происходит слабый разряд, возникает искра. Разряд и помогает комару пробить твердую кожу хоботком! Как вы думаете, кому на пользу эта электризация – комару или человеку?..

А еще с помощью статического электричества производят очень хорошие ворсистые ткани наподобие бархата. Для этого материал покрывают клеем и подвергают действию электрического заряда. Ворсинки притягиваются к ткани и приклеиваются к ней. Причем удлиненные ворсинки будут располагаться перпендикулярно поверхности ткани.

Познакомиться с явлениями электростатики несложно и дома, особенно в сухую погоду. Если вы снимаете свитер, стаскиваете с постели одеяло или идете по ковру, вы превращаетесь в слабое подобие «Зевса-громовержца», который вызывает молнии. Возникают мельчайшие искорки, слышно потрескивание.

Вот несколько упражнений для наблюдения электростатического эффекта:

1. Отрежем от листа бумаги полоску шириной в 1 см. Положив полоску на тетрадь, проведем по ней несколько раз пластмассовой ручкой с легким нажимом. Затем возьмем в одну руку полоску, а во вторую ручку и начнем их сближать. Бумажная полоска выгнется в сторону ручки – между этими телами возникнет сила электрического притяжения.

2. Положим две бумажные полоски рядом на тетрадь, проведем по ним ручкой несколько раз с легким нажимом. Возьмем полоски в руки и начнем их сближать. Опыт показывает, что при сближении полоски выгибаются в противоположные стороны, обнаруживая присутствие сил отталкивания.

3. Надуем воздушный шарик. Затем потрем шарик шерстью или мехом или, лучше, о свои волосы, и увидим, что шарик начнет прилипать к телу, о которое мы его потерли, и ко всему прочему, даже к стене.

4. Возьмем два воздушных шарика и подвесим их с помощью нитей к одной и той же точке – гвоздю на потолке. Если каждый из них натереть шерстью или своими волосами, то можно увидеть, что шарики отклонились в разные стороны друг от друга.

5. Возьмем кусочек рыхлой гигроскопической ваты. Хорошо наэлектризуем пластмассовую расческу о чистые волосы и опустим на нее кусочек ваты – он притягивается.

Дома можно провести еще много других наблюдений и опытов по электростатике.

Первая лампочка

Задайте своим знакомым простой вопрос: кто изобрел электрическую лампочку? Ответы мы можем получить самые разнообразные. Кто-то назовет американца Эдисона, кто-то – россиянина Александра Лодыгина, а кому-то придет на ум имя другого русского изобретателя – Павла Яблочкова.

Так кто же будет прав?

История лампочки представляет собой целую цепь открытий, сделанных разными людьми в разное время. И Эдисон, и Лодыгин, и Яблочков – все они внесли свой вклад в ее открытие. К тому же следует упомянуть и выдающегося русского физика Василия Петрова, который еще в 1802 г. наблюдал явление электрической дуги – яркого разряда, возникающего между сведенными на определенное расстояние угольными стержнями-электродами. Следовало бы вспомнить и имена В. Чиколева и А. Шпаковского, также внесших свой вклад в это выдающееся изобретение.

Однако поговорим подробнее о Павле Николаевиче Яблочкове (1847–1894), ведь именно с ним связана одна из самых интересных и поучительных «изобретательских» историй….

…Было это в Париже. Официант подошел к столику в маленьком кафе, взял нехитрый заказ и исчез на кухне. Посетитель, ожидая заказанное блюдо, рассеянно достал из кармана блокнот, положил его на стол, взялся за карандаш. Одна из страниц была испещрена палочками, которые попарно соединялись тонкими дугами; чертежами каких-то механизмов с маленькими, как у часов, шестернями.

Посетитель кафе склонился над записями, забыв, где он, и глубоко задумался.

Павел Николаевич Яблочков

Происходило это в 1876 г., когда Павлу Яблочкову едва минуло двадцать девять лет. Позади осталось обучение в Петербургском военном училище, где он увлекся физикой, и особенно – мало еще изученной ее областью – электричеством. Он успел уже послужить в должности начальника телеграфа на только что построенной Московско-Курской железной дороге. Но это занятие отнимало много времени, поэтому Яблочков его оставил, чтобы посвятить себя тому, что считал главным в жизни, – разработке надежной конструкции электрической дуговой лампы для освещения.

В 1873 г. П. Яблочков познакомился с еще одним энтузиастом электрического освещения – В. Чиколевим, для которого он сделал один экземпляр регулятора электрической дуги.

В 1874 г. он открыл в Москве мастерскую физических приборов. Но надежды на то, что на них будет большой спрос, не оправдались, и Яблочков решает отправиться в Америку.

Позже судьба привела его в Париж. Здесь изобретатель пытался реализовать некоторые из своих приборов. Он разыскал всемирно известную мастерскую точных часов и приборов под руководством Луи Франсуа Бреге, и Бреге предложил Яблочкову работу в мастерской (сейчас мы эту «мастерскую» назвали бы научно-производственной фирмой), чтобы он продолжил свои поиски устройства для освещения. И вот уже на протяжении нескольких месяцев Яблочков пытается найти решение, как следует расположить угольные электроды в лампе.

Опыты В. Петрова показывали: электрическая дуга, дающая яркий свет, возникает лишь тогда, когда концы горизонтально расположенных угольных электродов находятся друг от друга на четко определенном расстоянии. Если оно уменьшается или увеличивается, разряд исчезает. Между тем во время разряда угольные электроды выгорают, и расстояние между ними возрастает. Чтобы примененять их в электрической дуговой лампе, следовало придумать специальный механизм-регулятор, который бы постоянно, с определенной скоростью подвигал выгорающие стержни навстречу друг другу. Тогда дуга не погаснет.

Попытки осуществить это имели место и до Яблочкова. Свои дуговые лампы с регуляторами разработали русские изобретатели Шпаковский и Чиколев. Электрические лампы Шпаковского в 1856 г. уже горели в Москве во время коронации Александра II. Чиколев использовал мощный свет электрической дуги для работы морских прожекторов. Созданные этими изобретателями автоматические регуляторы имели определенные различия, но и тот и другой были ненадежными. Лампы горели совсем недолго, а стоили дорого. Было ясно, что нужен другой механизм – простой и безотказный. Над этим и бился который месяц Павел Яблочков, только об этом и думал – и у себя в мастерской, и блуждая по парижским улочкам, и даже здесь, в кафе.

Часовой механизм, который использовался в лампочке Шпаковского, не мог предвидеть всех «капризов» угольных электродов, которые так неравномерно выгорали. Нужно было что-то другое. Но что?

…Пришел официант с заказом, Яблочков взял со стола блокнот. И, продолжая думать о своем, машинально наблюдал, как официант ставит блюдо, как кладет ложку, вилку, нож… И вдруг…

Яблочков резко встал и пошел к выходу, не слыша окликов официанта. Он побежал к себе в мастерскую. Вот оно, решение! Наконец! Простейшее и абсолютно надежное! Нашел! Оно пришло к нему, едва он взглянул на столовый набор, на ложку, вилку, лежавшие рядом, параллельно друг другу. Именно так следует расположить в лампе угольные электроды – не горизонтально, как было в предыдущих конструкциях, а вертикально параллельно! Тогда оба электрода будут выгорать одинаково, и расстояние между ними всегда будет постоянным. И никакие мудреные регуляторы будут не нужны!..

Уже в следующем году электрическая свеча Яблочкова ярко осветила парижский универсальный магазин «Лувр». Конструкция ее была совсем не похожа на все предыдущие: два угольных стержня были разделены изолирующим слоем каолина. Укреплены они были на простой подставке, напоминающей подсвечник. Сгорали электроды равномерно, и лампа давала яркий свет, причем на протяжении достаточно длительного времени. Такую «электрическую свечу» и изготовить было просто, и стоила она дешево.

В марте 1875 г. Яблочков запатентовал свое изобретение. Неудивительно, что «электрическая свеча» Яблочкова начала свой победный ход по всему миру. Уже через год лампочки русского изобретателя засияли по набережным Темзы в Лондоне, затем – в Берлине. Вскоре Яблочков вернулся в Россию, и его «свеча» озарила Петербург…

Конечно, тот официант, которого однажды удивил странный посетитель, и не подозревал, что стал как бы соавтором изобретения. Но кто его знает: не положи он тогда перед Яблочковым так аккуратно нож и вилку, – может, и не осенила бы изобретателя молниеносная догадка.

Наука должна быть самым возвышенным воплощением отечества, ибо из всех народов первым будет всегда тот, который опередит другие в области мысли и умственной деятельности.

Л. Пастер

Правда, «подсказка» официанта упала, как говорится, на благодатную почву. Ведь Яблочков искал свое решение даже здесь, за столиком в кафе, ожидая заказ.

Впоследствии «свечу Яблочкова» вытеснили более экономичные и удобные лампы накаливания. Это нововведение связано с именами Томаса Алви Эдисона (1847–1931) и Александра Лодыгина (1847–1923).

Томас Алва Эдисон

Лодыгин поместил элемент накаливания в стеклянную колбу, но главным является то, что в его лампе свет излучает раскаленный электричеством тонкий угольный цилиндр, а не электрическая дуга. Ему также принадлежит идея заменить тонкую нить из угля на металлическую – из молибдена или вольфрама. Уже потом стали выкачивать воздух из стеклянной колбочки лампы, что увеличило срок ее службы. (К сожалению, лампы Лодыгина были запатентованы как «лампы Кона» – по имени человека, который продвигал изобретение на рынок.)

Лампа Эдисона

Выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон изобрел патрон для лампочки и насос, позволяющий откачивать воздух из колбы.

А «свеча Яблочкова» стала теперь музейным экспонатом с интересной историей ее создания. Она будто напоминает нам, что великие открытия приходят только в умные головы! (Кстати, существует и другое предание, связанное не со столовыми приборами, а с увиденными Яблочковым карандашами, которые параллельно лежали на столе…)

Физика и изобретение радио

Предсказание и экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Революционные открытия, сделанные М. Фарадеем в области электромагнетизма, находили все большее применение. Однако многие из физических вопросов открытых явлений оставались еще нерешенными. Вот почему молодой английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) начал новую «атаку на электричество». Кстати, заметьте такую интересную случайность: Максвелл родился в тот год, когда Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Если мы хотим открывать законы природы, то достичь этого можем лишь путем точного ознакомления с явлениями природы…

Дж. К. Максвелл

Это был гениальный ученый, человек большой души и стойкости. То, что он сделал для развития физической науки, ставит его на один уровень с Ньютоном и Галилеем. О его жизненной и творческой биографии речь пойдет дальше, а сейчас подчеркнем то, что Максвелл, усвоив научные труды Фарадея, создал теорию электромагнитного поля.

Сам ученый объяснял: «Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела». Суть теории заключается в том, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, которое, в свою очередь, создает поле магнитное и т. д.

Максвелл также пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, и свет – это тоже разновидность электромагнитних волн.

Работа Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме», которая была напечатана в 1871 г., стала вершиной его научного творчества.

Схема опыта Г. Герца

Но любая теория переживает настоящий триумф, когда она получает подтверждение на практике, в экспериментах. Этот триумф состоялся благодаря экспериментальным исследованиям немецкого физика Генриха Герца (1857–1894). Это он в 1888 г. открыл электромагнитные волны, предвестником их существования являлся Максвелл.

Источником, который в опытах Герца излучал электромагнитные волны, был проводник, подключенный к высоковольтной катушке (вибратор). Проводник был разрезан пополам; при электрических колебаниях в этом месте проходил электрический разряд (искра). Приёмником колебаний (резонатором), которые при этом возникали и распространялись вокруг, был такой же провод.

В своих экспериментах Герц не только открыл электромагнитные волны, но и исследовал их важнейшие свойства. К сожалению, выдающийся ученый рано умер: ему исполнилось лишь 37 лет…

От физики к радиотехнике

Опыты Герца привлекли внимание ученых всего мира. В физических кабинетах многих стран начали проводить различные эксперименты по воспроизведению этих опытов. Поскольку приёмник Герца был недостаточно чувствительным, ученые пытались создать более совершенный приемник электромагнитных волн. Среди первых ученых, которые начали изучать опыты Герца, были англичанин Оливер Лодж и россиянин Александр Степанович Попов.

Лодж при воспроизведении опытов Герца предложил в качестве индикатора (приемника) использовать прибор, описанный в 1891 г. французским физиком Бранли. Этот прибор представлял собой стеклянную трубку с металлическими опилками, которые под действием электромагнитных волн резко уменьшали свое электрическое сопротивление. Эту трубку Лодж назвал «когерером» (от латинского слова cohere – сцеплять, связывать).

Введя когерер в схему своей установки (1894), Лодж немного увеличил дальность приема электромагнитных волн, но не выходил за пределы лаборатории. Еще одной проблемой установки было то, что для восстановления чувствительности когерера (опилки под действием электромагнитных волн будто бы слипались и уже не могли служить индикатором) его необходимо было встряхивать, это было осуществлено Лоджем с помощью часового механизма.

А. С. Попов, воспроизводя опыты Герца, на одной из публичных лекций в 1889 г., отметил возможность применения электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние. Он понимал, что решение этой задачи невозможно без существенного усовершенствования принимающей схемы. Изучив работы Бранли и Лоджа, Попов взялся за разработку еще более чувствительного когерера.

Когерер

Попов искал автоматический метод, позволяющий восстанавливать чувствительность когерера после каждого принятого сигнала. Вследствие многочисленных экспериментов он разработал метод периодического встряхивания когерера с помощью молоточка звонка и применил электромагнитное реле для включения цепи этого звонка.

Схема, разработанная А. С. Поповым, имела большую чувствительность, и уже в 1804 г. он смог с ее помощью принимать сигналы на расстоянии нескольких метров. Во время этих опытов А. С. Попов обратил внимание на то, что дальность действия приемника заметно увеличивается при присоединении к когереру вертикального провода. Это была приемная антенна, благодаря использованию которой А. С. Попов внес существенные улучшения в условия работы приемника.

Работы А. С. Попова в этом направлении привели его к созданию прибора для обнаружения электромагнитных волн, по сути это был первый радиоприемник.

Этот прибор был устроен следующим образом: чувствительная трубка с металлическими опилками (когерер) размещалась в горизонтальном положении на часовой пружине между зажимами, к выводу трубки присоединялся кусок проволоки, представляющий собой приемную антенну. Электрический ток от батареи замыкался через чувствительную трубку и электромагнитное реле; вследствие большого сопротивления опилок трубки (до 100 000 Ом) ток в цепи батареи был недостаточен для притяжения якоря электромагнитного реле.

Как только на трубку действовала электромагнитная волна, опилки слипались, сопротивление трубки значительно уменьшалось, ток в цепи возрастал, и якорь реле притягивался. При этом начинал звонить звонок. Молоточек звонка при возвращении в исходное положение ударял по трубке, и она снова становилась чувствительной к электромагнитным волнам.

Седьмого мая 1895 г. А. С. Попов демонстрировал работу радиоприемника во время своего доклада на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества.

Статья А. С. Попова с описанием конструкции приемника была опубликована в журнале Русского физико-химического общества в январе 1896 г.

Заметьте, что первая радиограмма, которую передал и принял Попов, состояла из двух слов: «Генрих Герц». Этим А. С. Попов продемонстрировал значимость трудов этого ученого для разработки нового направления науки.

Убедившись, что приемник реагирует на грозовые разряды, Попов создал второй прибор – «грозоотметчик», оборудованный специальным пишущим аппаратом, который регистрировал сигналы на ленте. В 1895–1896 гг. «грозоотметчики» Попова уже получили практическое применение. Один «грозоотметчик» был установлен Поповым в Нижнем Новгороде на электростанции для предупреждения о приближении грозы, второй, наряду с другими метеорологическими приборами, – в Петербургском лесном институте.

Непрерывно работая над совершенствованием своего прибора, Попов в сентябре 1895 г. присоединил к схеме аппарат Морзе и ввел запись на ленту. Так был создан приемник с записью сигналов азбукой Морзе.

Схема приемника А. Попова

В марте 1896 г. на заседании Русского физико-химического общества в Физическом кабинете Петербургского университета А. С. Попов демонстрировал первую в мире радиотелеграфную передачу на расстояние 250 м, а в 1897 г. им была осуществлена радиосвязь между несколькими кораблями Балтийского флота на расстоянии до пяти километров.

А. С. Попов и его сотрудники продолжали работать над совершенствованием радиоприемника, и в 1899 г. они установили возможность приема радиосигналов на слух с помощью телефона, включенного последовательно с когерером, – это сразу увеличило дальность радиосвязи.

В 1897 г. А. С. Попов обнаружил, что на радиосвязь между двумя кораблями влияет третье судно, проходя между этими кораблями и пересекая направление связи, и это натолкнуло ученого на мысль о том, что явление отражения радиоволн может быть использовано для обнаружения морских судов. Именно оно и лежит в основе современной радиолокации.

Преимущества беспроводной радиосвязи были наглядно продемонстрированы в конце 1899 г. в связи с аварией броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на камни у острова Гогланд. Необходимо было в короткие сроки наладить связь с кораблем, удаленным на 43 км от ближайшего прибрежного пункта Котка, где была телеграфная станция. Несмотря на большие трудности, А. С. Попов вместе со своим помощником П. Н. Рыбкиным установил станции на Гогланде и Котке и обеспечил между ними надежную радиосвязь. Таким образом, А. С. Попов осуществил радиосвязь на относительно большом расстоянии и при этом не только в целях эксперимента, но и для практических потребностей.

Следует остановиться и на роли, которую сыграл в изобретении радио итальянский изобретатель и предприниматель Гульельмо Маркони (1874–1937). В июне 1897 г. он получил в Англии патент на способ передачи электрических импульсов и сигналов и аппарат для этого. Однако в течение длительного времени в прессе не появлялось описания этого устройства. А когда была опубликована схема устройства Маркони, предназначенная для приема, стало совершенно очевидным, что она идентична схеме приемника Попова.

Принятые сигналы можно было также записывать на ленту с помощью аппарата Морзе, присоединенного к схеме. В качестве передатчика Маркони использовал вибратор Герца, усовершенствованный итальянским профессором Риги. Этот вибратор позволял получать волны сравнительно малой длины (около 1,2 м). К передатчику и приемнику присоединялись антенны и заземление, что способствовало радиосвязи на значительных расстояниях. С помощью описанной схемы летом 1897 г. Маркони осуществил радиосвязь на расстоянии девяти миль.

Попов или Маркони?..

Патент был выдан Г. Маркони согласно английскому законодательству, которое не требовало установления научного новшества. В других странах – Франции, Германии, США, России – Г. Маркони было отказано в патентовании со ссылкой на приоритет (первенство) А. С. Попова. Первое публичное сообщение о приборах Г. Маркони было сделано главным инженером службы английских правительственных телеграфов В. Г. Присом 4 июня 1897 г. О более ранних опытах у Г. Маркони нет ни документов, ни публикаций, раскрывающих конструкцию приборов. Однако следует отметить, что, хотя, скорее всего, Маркони нельзя считать изобретателем радио, его заслуги в увеличении дальности передачи сигналов, освоении промышленного производства радиоаппаратуры, а также последующем ее совершенствовании бесспорны.

А. С. Попов, оценивая приёмник Маркони, писал в петербургской газете «Новое время»: «В июне 1897 г. Прис опубликовал новые результаты опытов Маркони и подробности приборов. При этом оказалось, что приёмник Маркони по своим составляющим частям одинаков с моим прибором, построенным в 1895 г.». Вместе с тем в ряде своих выступлений Попов отмечал, что чувствительность прибора Маркони немного больше и что есть отличие в опытах Маркони и его исследованиях, которое заключается в том, что Маркони использовал явление резонанса.

Приемник Г. Маркони

По словам известного физика и историка физики Л. И. Мандельштама, «…настоящим изобретателем можно считать того, кто дал идее конкретное осуществление….после чьих работ не остается сомнения в том, что поставленная практическая цель достигнута…». Это в полной мере относится к работе А. С. Попова, потому что именно он впервые дал техническое решение, вполне пригодное для радиосвязи. С появлением прибора А. С. Попова заканчивается период научного и технического поиска и начинается процесс совершенствования первого действующего беспроводного устройства связи, а также разработка принципиально новых устройств, то есть процесс развития радиотехники.

А. С. Попов не получил патента, но по российскому законодательству он может считаться изобретателем, поскольку раскрыл сущность своего устройства для широкого круга лиц с достаточными для воспроизведения подробностями. Согласно положениям изобретательского права, известные ранее элементы, входящие в устройство Попова, нельзя трактовать как прототипы (предшественники), поскольку новый эффект в его изобретении создается совокупным применением этих элементов. Именно совокупность элементов позволила создать первое действующее радиоустройство.

Всякая наука, которая последовательно развивается, только потому и растет, что она нужна человеческому обществу.

С. И. Вавилов

Как видно из ряда материалов о деятельности Г. Маркони, он настойчиво стремился добиться, прежде всего, увеличения дальности связи. В 1899 г. он совершил радиосвязь между Англией и Францией (на расстоянии более 30 миль). В январе 1901 г. он установил беспроводной контакт между некоторыми пунктами на побережье Англии, находящимися друг от друга на расстоянии 186 миль. В конце того же года, находясь в Сент-Джоне на острове Ньюфаундленд, Маркони принял сигнал, переданный через Атлантический океан из Корнуолла (Великобритания). Сигнал преодолел расстояние в 2100 миль!

В 1902 г. Маркони передал первый беспроводной сигнал через Атлантику с запада на восток. Позже, в 1905 г., он получил патент на направленную передачу сигналов.

Конечно, условия работы Маркони и Попова были совершенно разными. Маркони поддерживали крупные английские промышленники, он имел в своем распоряжении огромный капитал, большое количество сотрудников и все условия для работы, тогда как А. С. Попов был ограничен в средствах для проведения экспериментов и только в 1902 г. организовал в Кронштадте небольшую мастерскую с очень незначительным по масштабам производством радиостанций. Отсталая промышленность дореволюционной России не могла развернуть большое производство радиоаппаратуры, поэтому и находилась изначально в большой зависимости от иностранного капитала.

Многие исследователи жизни и научной деятельности А. С. Попова считают, что если бы ученый не умер (а это произошло в 1906 г.), он получил бы Нобелевскую премию 1909 г. вместе с Г. Маркони и Ф. Брауном.

Отдавая должное теоретическим исследованиям Майкла Фарадея, Генриха Герца и других предшественников Маркони, Ганс Хильдебрандт из Шведской Королевской академии во время награждения Нобелевской премией отметил, что «главное (кроме необузданной энергии, с которой Маркони шел к им самим поставленной цели) было достигнуто, когда Маркони благодаря природным способностям смог воплотить всю систему в виде компактной, пригодной для практического использования конструкции».

Во время Первой мировой войны Маркони выполнял ряд военных миссий и в итоге стал командующим итальянского военно-морского флота. Руководил он и программой по телеграфии для обеспечения итальянских вооруженных сил. В 1919 г. его назначили полномочным представителем Италии на Парижской мирной конференции. От имени Италии Маркони подписал договоры с Австрией и Болгарией.

Превратив свою паровую яхту «Элеттру» в домашнюю лабораторию и рабочий кабинет, Маркони в 1921 г. принялся интенсивно исследовать коротковолновую телеграфию. К 1927 г. компания Маркони развернула международную сеть коммерческой коротковолновой телеграфной связи. В 1931 г. Маркони исследовал передачу микроволн и в следующем году установил первую радиотелефонную микроволновую связь. В 1934 г. он продемонстрировал возможность применения микроволновой телеграфии для нужд навигации в открытом море.

Первое десятилетие после изобретения радио характеризуется интенсивными исследованиями, направленными на совершенствование генераторов и приемников электромагнитных волн. Без этих усовершенствований развитие беспроводной телеграфии было невозможным. Искровые передатчики страдали существенными недостатками, которые усугублялись отсутствием устройств для настройки приборов. Что касается приемников, то когерер не мог обеспечить устойчивость и надежность приема.

Вследствие многочисленных исследований, проведенных в конце XIX – начале XX в. учеными и изобретателями разных стран, были созданы более совершенные конструкции радиопередающих и радиоприемных устройств.

…Истинной темой исследования для человечества является человек.

Дж. К. Максвелл

После открытия возможности приема радиосигналов на слух, по телефону, начинают разрабатываться приборы для выделения звуковых колебаний из высокочастотных. Такими приборами были детекторы – устройства, пропускающие ток в одном направлении. Уже в начале XX в. применяют кристаллические детекторы. Между прочим, Попов в 1900 г. заменил когерер детектором, состоящим из пары «уголь – сталь». Но кристаллический детектор – прибор малочувствительный, он может применяться только при передаче мощных сигналов на небольшое расстояние.

Дальнейшие успехи в области радиотехники были неразрывно связаны с развитием электроники и электровакуумных приборов. Полный переворот в развитии радиотехники состоялся в связи с изобретением электронной лампы, получившей широкое распространение в радиопередающих и радиоприемных устройствах.

Согласитесь, что нашу современную жизнь сейчас невозможно даже представить без радио, телевидения, спутниковой связи, мобильных телефонов!.. Все это возникло благодаря физическим исследованиям выдающихся ученых и техническим разработкам, основанным на результатах этих исследований.

И в конце – исторический анекдот из жизни физиков.

Вспоминает академик В. И. Векслер:

«Во время Первой мировой войны Сергей Иванович Вавилов был в армии, и по долгу службы ему пришлось принимать имущество полевой радиостанции тогдашнего примитивного типа. В описи, выполненной очень аккуратно каким-то писарем и содержавшей перечень оборудования, за номером таким-то каллиграфическим почерком значилась следующая формулировка: «непонятное в баночке». Естественно, что это возбудило у Сергея Ивановича любопытство, и он установил, что такое «оригинальное определение» писарь дал когереру, хорошо известному всем физикам.

Это определение – «непонятное в баночке» – стало очень популярным среди физиков и, по существу, превратилось в имя нарицательное».

«Люблю грозу в начале мая…»

Линейная молния

В природе электричество наиболее ярко проявляется в электрических разрядах, которые называют молниями. Существуют различные виды таких разрядов. Молнию относят к искровому разряду.

Люди издавна наблюдали молнии и наделяли их особыми свойствами. Главного бога древних греков Зевса называли еще богом молнии и грома («громовержец»). У римлян богом-громовержцем был Юпитер. Главную роль отводили своим богам-громовержцам и древние индусы (бог Индра), скандинавы (бог Тор), славяне (бог Перун).

Электрический разряд в атмосфере – молния

Молния и гром сначала воспринимались людьми как выражение воли богов, причем как проявление божьего гнева. Но те люди, которые стремились познать мир, пытались постичь и природу молнии, понять ее естественные причины. В древности над этим размышлял Аристотель. Писал о молнии и Лукреций. Пусть его представления были наивными и не вполне физическими (он, например, считал, что гром возникает там, где «облака сбиваются под напором ветров»), однако это были первые шаги в осмыслении причин этого явления.

Большой интерес к изучению молнии проявлял американский исследователь Бенджамин Франклин. Именно он в 1752 г. показал, что молния – это сильный электрический разряд. Франклин выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его во время грозы и исследуя эффекты, возникающие при этом.

Теория сама по себе ничего не стоит, она нужна, поскольку заставляет нас верить в связь явлений.

И. Гете

Одновременно с Франклином молнии исследовали в России М. Ломоносов и Г. Рихман (для Рихмана, как мы уже говорили, к сожалению, это закончилось трагически). Благодаря исследованиям именно этих трех ученых в середине ХVШ в. была доказана электрическая природа молнии.

Что мы сейчас можем сказать о молнии?

Существуют два основных вида молнии: линейные и шаровые. Рассмотрим кратко, каким образом происходит образование обычной линейной молнии и какие процессы сопровождают это явление.

Как известно, молния возникает тогда, когда образовались грозовые облака. Чаще всего говорят о четырех этапах образования такого облака: зарождение облака, начальное развитие, этап зрелого облака и этап его разрушения.

Основными физическими причинами зарождения и развития облака является конвекция (движение теплого воздуха вверх, а холодного – вниз) и конденсация (образование капелек воды из влажного воздуха при его охлаждении на большой высоте от поверхности земли).

Капли воды, образовавшиеся при конденсации, начинают падать вниз. Вследствие трения воды, падающих капель о воздух, происходит их электризация.

Чаще всего распределение электрических зарядов внутри грозового облака таково: верхняя часть облака (на высоте примерно 7—10 км) заряжена положительно, а нижняя (на высоте 3–4 км) – отрицательно. Важно также и то, что поверхность земли и прилегающий к ней слой воздуха под облаком тоже оказываются заряженными – этот заряд положительный. Именно благодаря наличию этих зарядов и возникает молния – электрический разряд в атмосфере.

Линейная молния представляет собой последовательность нескольких импульсов – пробоин в воздушном промежутке между облаком и землей. Происходит это чаще всего так: сначала образуется канал разряда между облаком и землей, а потом по этому каналу быстро проходит кратковременный ток (говорят – импульс тока).

Ленточная молния

Импульс тока длится примерно 0,1 миллисекунды, а сила этого тока достигает 100 000 А! Температура газа в канале молнии может достигать 10 000 К. В это время и рождается чрезвычайно яркий свет, который мы наблюдаем во время разряда молнии. Тогда же возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.

Если рассматривать не отдельный импульс тока, а средние значения для всей молнии, то можно сказать, что один разряд длится примерно 0,1 с, а средняя сила тока равна 1000 А. Видимый канал молнии имеет диаметр около 1 м, при этом основной ток протекает по еще более узкому каналу диаметром всего лишь 1 см.

Продолжительность каждого из последовательных импульсов одной молнии составляет 10-3 с, промежутки времени между импульсами – приблизительно 10-2 с.

Иногда возникает не одиночная молния, а так называемая ленточная. При этом наблюдается такая картина, будто возникло несколько практически одинаковых молний, смещенных одна относительно другой.

Шаровая молния

Шаровая молния была известна еще в далеком прошлом, однако ученые до сих пор не могут объяснить это природное явление. В конце своей жизни академик Петр Леонидович Капица сетовал: «Плазмовый орешек оказался мне не по зубам».

Георг Рихман

В свое время Г. Рихман погиб именно от шаровой молнии. Это произошло 26 июля 1752 г., когда ученый во время грозы проводил запланированные исследования. Свидетели видели, что из стержня, который был соединен с молниеотводом, вдруг будто вылетел голубой шар размером с кулак. Шар ударил Рихмана прямо в лоб, он упал и мгновенно умер.

Сохранилось описание этого события, составленное другом Г. Рихмана М. В. Ломоносовым, который сразу посетил лабораторию и исследовал последствия этого трагического случая.

Загадочность этого явления, связанного с неожиданным появлением шаровой молнии, приводит к самым неожиданным выводам. Некоторые люди заявляют, что шаровая молния руководствуется высшим разумом, является живым существом или связана с пришельцами из космоса. Другие объясняют природу шаровой молнии на основе космического излучения, антивещества и других экзотических элементов.

В свое время популярный журнал «Наука и жизнь» обратился к своим читателям с просьбой описать собственные наблюдения шаровой молнии. Сбор наблюдений – важный элемент в изучении этого загадочного явления. Далее переходят к систематизации и анализу собранного материала, а затем – к обобщениям и выводам.

Что же можно сказать (конечно, кратко и без использования сложных физических законов и математических записей) об этой молнии?

Шаровая молния представляет собой светящийся сфероид (шар) диаметром 10–30 см и более, массой примерно 5–7 г. Чаще всего шаровые молнии действительно имеют форму шара. В такой форме им, как говорят физики, энергетически выгоднее существовать. Но встречаются шаровые молнии грушевидной и каплевидной формы, а также очень редко и другой необычной формы, так что некоторые из них легко принять за НЛО. Цвет молнии чаще белый, желтый, красный или оранжевый. Световое излучение такое же, как от лампочки 100 Вт. Существует такая молния от одной секунды до нескольких минут. Движется она со скоростью не более 10 м/с, иногда при этом вращаясь. Обычно шаровая молния движется бесшумно, но может и шипеть или жужжать, особенно когда она искрит.

Шаровая молния может также двигаться вдоль электрических проводов. Это получило название «гидирования».

Сейчас существует несколько научных гипотез относительно природы шаровой молнии. Согласно гипотезе Б. Смирнова, шаровая молния имеет химическую природу и ее свечение связано с определенными химическими реакциями.

Согласно другой гипотезе, шаровая молния состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц – ионов. Однако подробные расчеты, проведенные для этих моделей молнии, не дают ответов на многие вопросы, поэтому эта проблема до сих пор остается не решенной.

Закончим рассказ о шаровой молнии несколькими правилами поведения при встрече с ней. Говорят, что следует среагировать на нее, как… на незнакомую собаку – стоять или сидеть неподвижно, наблюдая за ее поведением. Если дверь рядом, лучше медленно покинуть помещение самому, а не ждать, когда она вылетит, и тем более не выгонять ее веником, метлой или другими предметами, потому что поведение шаровой молнии в этом случае будет непредсказуемым, а энергию она несет достаточную, чтобы быть опасной для вашего здоровья!..

«Огни святого Эльма»

Среди электрических разрядов, которые можно увидеть в природе, есть и так называемый коронный разряд.

При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущих большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Этот разряд, который называют коронным, вызывается электрическим полем у заряженного острия. При большой напряженности электрического поля происходит ионизация[4]воздуха. Ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдаются в ограниченной области пространства – именно у острия.

В природе такой разряд может возникнуть при приближении заряженной грозовой тучи, которая наводит на поверхность Земли электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях тел. Поэтому перед грозой или во время ее на остриях и острых углах могут вспыхивать похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называли огнями святого Эльма, потому что в средние века его довольно часто наблюдали на верхушках католического храма Св. Эразма (Эльма).

Огни святого Эльма

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда не только металлические предметы, но даже кончики волос на голове украшают маленькие светящиеся кисточки – «огни святого Эльма».

«Живой» электромагнетизм, или Электромагнетизм в живой природе

Электрические рыбы

К так называемым электрическим рыбам относят электрического и обычного скатов, электрического сома, электрического угря, рыбу-нож, гимнарха, гматонемуса, звездочета. Их называют электрическими потому, что они способны генерировать электричество и давать электрический разряд.

Зачем рыбам нужен электрический разряд? Прежде всего – для нападения и защиты. Электрическому скату, парализующему свою добычу электрическим ударом, завладеть ею другим способом было бы весьма непросто – ведь рот у него… на брюхе.

Угорь, парализующий лягушку на расстоянии метра, использует свой электрический удар и для защиты от многочисленных врагов, которые были бы не прочь полакомиться его вкусным мясом.

Электрический скат

Кстати, жители Южной Америки давно заметили, что существуют рыбы, которые способны наносить парализующие удары. Они называли таких рыб «арима», что означает: забирающие движение. Мясо таких рыб считалось целебным. Сегодня известно, что эти удивительные рыбы – электрические угри, которые живут в реках Южной Америки.

Что представляют собой электрические органы рыб? Прежде всего – это особые мускульные клетки, так называемые электрические пластинки, поразительно напоминающие по схеме и конструктивным принципам электробатареи. У электрического ската эти органы занимают почти четверть тела, у сома – большую часть, а у электрического угря ими не занята разве что голова!

Физические исследования постоянно обнаруживают перед нами новые особенности процессов в природе, и мы вынуждены находить новые формы мышления, соответствующие этим особенностям.

Дж. К. Максвелл

Есть рыбы, электрические органы которых небольшие и будто бы разбросаны по телу. Да и разряды у этих рыб слабенькие, всего несколько вольт, – правда, разряды происходят непрерывно. Было обнаружено, что эти рыбы способны чувствовать малейшие изменения своего электрического поля, вызванные, например, приближением другой рыбы. Изменение поля – и немедленная реакция: в атаку! Пусть это даже твой родственник! Такие реакции, возможно, вызваны условиями жизни: ведь эти рыбы живут в мутной воде и вообще плохо видят. И охотятся они обычно ночью.

Ценнейшее в жизни качество – вечно юная любознательность, которая не унимается с годами и возрождается каждое утро.

Р. Роллан

Интересно, что, например, у обычных скатов тоже есть электрические органы, они создают напряжение около 5 В. Электрические скаты, специальные электрические органы которых находятся в области головы и жабр, создают напряжение уже в 50 В!

Электрический сом, обитающий в Ниле, дает напряжение до 350 В, а угорь – более 500 В!

У многих электрических рыб голова заряжена положительно, а хвост – отрицательно, а у электрического сома, наоборот, хвост заряжен положительно, а голова отрицательно.

Как уже упоминалось, рыбы, имеющие электрические свойства, используют их не только для нападения, но и для ориентации в мутной воде, распознавания опасных противников. Например, большой ночной хищник гимнарх имеет высокую чувствительность к малейшим изменениям напряженности электрического поля, которое его окружает. Когда возле него появляется какой-то объект или когда он оказывается рядом с препятствием, его собственное электрическое поле меняется, искажается, и это сразу чувствует «хозяин».

Магнитные явления в живой природе

Многие ученые утверждают, что у животных существует специальный орган, с помощью которого они определяют наличие магнитного поля. Многочисленные опыты показали, что, например, голуби имеют особое «магнитное чутье», что позволяет им ориентироваться в магнитном поле Земли. Чтобы проверить это, ученые поступили с голубями, как с обычным компасом: прикрепили к их крыльям стальные пластинки. И живые компасы «испортились».

Имеется много наблюдений, которые показывают, что голуби теряют способность ориентироваться в зоне действия мощных электростанций и начинают двигаться к источнику излучения.

Самки термитов в гнезде лежат так, что ось их тела совпадает по направлению с магнитным меридианом, а если поместить рядом сильный магнит, то они меняют свое положение.

Известно, что магнитное поле влияет на кровеносную систему и кровообращение. При этом большое значение имеют взаимные соотношения между направлением силовых линий магнитных полей и направлением кровотока. Магнитные поля способны тормозить циркуляцию крови (очень сильные – на 0,1 %). Такое воздействие магнитных полей на кровеносную систему используется при лечении атеросклероза. Эритроциты способны ориентироваться в малых магнитных полях. Под влиянием постоянного магнитного поля лейкоциты образуются быстрее. Срок их жизни при этом уменьшается, однако костный мозг очень быстро их воспроизводит. Подобное влияние на костный мозг используется при лечении лучевой болезни. Влияние магнитных полей замедляет свертывание крови.

Магнитное поле земли называют геомагнитным. Исследования показывают, что геомагнитное поле воздействует на дыхание прорастающих семян, на потребление ими крахмала.

Особенно интересными оказались результаты исследования влияния геомагнитных полей на растения в зонах магнитной аномалии. Они показали, что развитие корнеплодов происходит там менее активно, а злаки, наоборот, растут лучше.

Существует явление магнитотропизма – ориентированного роста корней некоторых растений. Явление это открыли в 60-х годах ХХ в. Так, наибольших размеров свекла достигала при ориентации ее борозд с запада на юг и с запада на восток. Ориентация относительно геомагнитного поля влияет и на обмен веществ: количество сахара было различным в зависимости от ориентации борозды.

Поражение электрическим током

Что происходит с человеком, когда он касается провода, находящегося под напряжением?

Прикоснувшись к проводу, по которому проходит ток, человек, возможно, не погибнет сразу, но если он будет долго держаться за него, то это в конечном итоге может привести к смерти – электрическое сопротивление человеческого тела уменьшится и сила тока, проходящего через тело, может приблизиться к критической отметке.

Электрический ток, проходящий через тело человека, совсем не ощущается или ощущается очень слабо, когда сила тока меньше 0,01 А;

– вызывает болевые ощущения, когда сила тока равна 0,02 А;

– нарушается дыхание при силе тока 0,03 А;

– дышать становится трудно при силе тока 0,07 А;

– сила тока 0,1 А вызывает фибрилляцию сердца, что может привести к смерти;

– сила тока более 0,2 А вызывает сильный ожог, дыхание останавливается.

К смерти чаще приводит ток в диапазоне 0,1–0,2 А, так как при этом возникают неконтролируемые сокращения сердечной мышцы (фибрилляция) и нарушения кровообращения.

При силе тока более 0,2 А сердце просто останавливается, но если пострадавшему своевременно оказать помощь, сердечный ритм восстанавливается. Фибрилляцию можно остановить только хорошо рассчитанным повторным электрическим шоком. Поэтому ток в диапазоне 0,1–0,2 А опаснее, чем ток более сильный.

Будьте внимательны и осторожны, когда имеете дело с электричеством!

Значение силы тока, проходящего через тело человека, зависит от сопротивления кожи, которое обычно изменяется в пределах от 1000 Ом (влажная кожа) до 500 000 Ом (сухая кожа). Сопротивление тканей тела значительно меньше: 100–500 Ом.

Когда человек касается провода, находящегося под напряжением выше 240 В, ток пробивает кожу. Если течет ток, значение которого еще не смертельное, но достаточное для того, чтобы вызвать непроизвольное сокращение мышц руки (рука будто прилипает к проводу), то сопротивление кожи постепенно уменьшается, и, в конце концов, ток достигает смертельной для человека отметки – 0,1 А.

Человеку, оказавшемуся в такой опасной ситуации, следует как можно скорее помочь, прежде всего «оторвать» его от провода, не подвергая при этом опасности себя.

Вообще, биофизика действия электрического тока на человеческий организм еще недостаточно хорошо изучена. Многие специалисты вообще считают, что говорить однозначно о безопасном и опасном для человека значении силы тока (или напряжения) невозможно: многое зависит от конкретной ситуации.

Когда сопоставляют результаты исследований электротравм у животных с результатами несчастных случаев с людьми, приходят к выводу, что человек в электрической цепи представляет собой особый вид «проводника». Этот «проводник» отличается не только своими свойствами, но и своей реакцией на ток от любого «неживого» органического или неорганического элемента электрической цепи, а также от любого вида животных. Например, у животных нет такой разницы в реакции на большое и малое напряжение, как у человека. Поэтому экспериментальные данные, полученные в ходе исследований на животных, очень осторожно следует применять по отношению к человеку.

Электро– и магнитотерапия

Среди методов лечения человека значительное место занимают специальные процедуры с использованием электромагнитных устройств.

В 20-е гг. ХХ в. началось применение электрокардиографии – диагностического метода оценки состояния сердца и сердечно-сосудистой системы. Это связано с именем английского физиолога Адриана, предложившего для регистрации электрической активности различных систем организма человека применять осциллограф. Хотя до сих пор полной картины, объясняющей в полном объеме биоактивность человеческого организма, еще нет, практическая электрография успешно помогает врачам, основываясь на многочисленных наблюдениях и опыте.

Электрокардиограф – это прибор, который позволяет измерять напряжение, характеризующее работу сердечной мышцы, в пределах от 0,01 до 0,5 мВ. Регистрация результатов измерения фиксируется на бумажной ленте, на фотоленте или на экране электронного устройства.

Электрокардиограф состоит из усилителя, эталонного источника напряжения, электродов, накладываемых на тело пациента, лентопротяжного механизма.

При снятии электрокардиограммы (ЭКГ) на тело человека накладывают электроды, которые с помощью гибких проводов соединены с усилителем. Практика показывает, что в зависимости от типа наложения электродов на ленте получают кривые различных форм. Они дают врачу информацию, позволяющую ему диагностировать заболевания сердца.

Еще одним помощником врача является электрофорез – метод введения лекарственных веществ через кожу человека. Самый распространенный способ электрофореза: электроды из эластичных металлических пластин накладывают непосредственно на тело больного. Между телом и электродом прокладывают ткань, пропитанную специальным раствором. Сила тока, проходящего через тело, не должна превышать 40–50 мА, а напряжение составит примерно 15–20 В.

А вот другой способ проведения этой процедуры: руку или ногу человека помещают в ванночку, заполненную специальным раствором. Один из электродов опускают в ванночку, а второй накладывают на конечность выше места погружения.

С помощью электрофореза в организм через кожу вводят антибиотики, йодные препараты и различные сложные медицинские препараты.

Одной из физиотерапевтических процедур является электростатический душ, или франклинизация (по названию понятно, что это – дань памяти ученому Бенджамину Франклину).

Больного помещают между двумя электродами, подключенными к источнику постоянного напряжения 40–50 кВ. Один электрод в виде звезды с неострыми углами размещают над головой человека на расстоянии 10–15 см. Второй электрод находится под ногами на изолирующей подставке.

Возле углов верхнего электрода электрическое поле сильнее – там и возникает электрический разряд. Созданный этим разрядом поток ионов направляется к телу человека, преимущественно на участки его головы и шеи. Так называемые аэроионы действуют на нервные окончания, находящиеся на кожных покровах этого участка тела, а также на слизистые оболочки при вдыхании ионизированного воздуха.

Во врачебной практике применяют и высокочастотные электромагнитные колебания.

При диатермии осуществляется прогрев тканей организма с помощью высокочастотного тока (высокочастотный ток – это такой ток, когда значение силы тока меняется очень быстро; это явление еще называют колебаниями тока).

При индуктотермии соответствующий участок тела больного помещается внутрь катушки, по которой пропускается высокочастотний ток. (Эта катушка с током называется соленоид.) Таким образом осуществляется прогревание тканей.

В физиотерапии довольно широко применяют и бесконтактные методы, например терапию высокочастотным электрическим полем.

Специальные глазные электромагниты помогают врачу-офтальмологу вытащить из глаза железные стружки, которые могли попасть в него во время работы. Электромагнит состоит из большого числа витков толстой проволоки, по которому пропускается ток большого напряжения, и сердечника – тонкого стального стержня, закрепленного в центре катушки.

При включении тока глаз пациента должен быть размещен напротив стержня. Таким способом извлекают инородное тело из глаза.

Сон – лучшее изобретение.

Г. Гейне

Сейчас в медицине применяют специальные электромагнитные аппараты, позволяющие получать информацию о состоянии различных органов человека. Например, так же как электрокардиограмму, врачи-диагностики могут снимать и магнитограмму с помощью специального прибора – магнитометра.

Регистрация магнитных полей позволяет проследить за кровообращением, за биохимическими процессами в клетках, определить количество железа в легких рабочих, работающих в сталелитейной промышленности, и т. д.

Кардиограмма

При проведении некоторых хирургических операций применяют не обычный наркоз, а электроанестезию. Обезболивания достигают, воздействуя на мозг (точнее, на те его структуры, которые отвечают за болевые реакции) безвредными импульсами электрического тока. Максимальная сила тока при этом достигает 0,3 А, но меняется этот ток очень быстро – его частота составляет 400—1500 Гц. (Напомним, что когда какое-то колебание осуществляется с частотой, например, в 1 Гц, то это означает, что за 1 секунду осуществляется 1 колебание. При частоте 100 Гц за 1 секунду происходит 100 колебаний и т. д.)

Во время лечения электросном на человека с помощью определенной программы действуют электрические импульсы, которые вызывают торможение нервных клеток, и организм переходит в состояние сна.

Приведенные здесь примеры применения электромагнитных приборов в лечении – это только, так сказать, вершина айсберга, потому что современную медицину даже представить себе невозможно без использования таких приборов.

VII. Оптика

Из истории оптики: начало

Оптика античности и начала средневековья

К каждому из нас представления об окружающем мире и событиях в нем приходят через зрение. Мы видим – и это подарок природы! Мы видим мир цветным, в отличие от многих других живых существ, и это тоже является прекрасным проявлением особенностей нашего организма. Но мы еще и мыслим, спрашиваем у природы: «Почему?» Человеку всегда было интересно, как он видит, что такое свет, как он распространяется в пространстве.

Исследуй все, пусть для тебя на первом месте будет разум; предоставь ему возможность управлять тобой.

Пифагор

Первые представления о природе света возникли еще до новой эры. Античные мыслители пытались понять сущность световых явлении, основываясь на зрительных ощущениях. Древние индусы считали, что глаз имеет «огненную природу». Греческий философ и математик Пифагор (582–500 гг. до н. э.) и его школа считали, что зрительные ощущения возникают благодаря тому, что из глаз к предметам исходят «горячие испарения».

В своем дальнейшем развитии эти взгляды получили более четкую форму в теории зрительных лучей, которая была развита Евклидом (300 г. до н. э.). Согласно этой теории, зрение обусловлено тем, что из глаз вытекают «зрительные лучи», которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения.

Пифагор

Евклид является основоположником учения о прямолинейном распространении света. Применив к изучению света математику, он установил законы отражения света от зеркал. Следует отметить, что для построения геометрической теории отражения света от зеркал не имеет значения природа происхождения света, а важно лишь свойство его прямолинейного распространения. Открытые Евклидом закономерности сохранились в современной геометрической оптике. Евклиду было знакомо и преломление света.

Евклид

Кстати, само слово «оптика» имеет греческое происхождение и означает «видимый», тот, что воспринимается через зрение.

В более поздние времена аналогичные воззрения развивал Птоломей (70—147 гг. н. э.). Он уделял большое внимание изучению явлений преломления света. В частности, Птоломей проводил большое число измерений углов падения и преломления, но закона не установил. Он заметил, что положение светил на небе меняется вследствие преломления света в атмосфере.

Кроме Евклида, действие вогнутых зеркал знали и другие древние ученые. Например, Архимеду приписывают сожжение неприятельского флота при помощи системы вогнутых зеркал, которыми он собирал солнечные лучи и направлял на римские корабли.

Сжигание вражеского флота с помощью системы зеркал

Значительный шаг вперед сделал Эмпедокл (492–432 гг. до н. э.), который считал, что от светящихся тел идут вытекания к глазам, а из глаз выходят встречные вытекания в направлении тел. При встрече этих вытеканий возникают зрительные ощущения.

Знаменитый греческий философ, основатель атомистики, Демокрит (460–370 гг. до н. э.) полностью отвергал представление о зрительных лучах. Согласно взглядам Демокрита, зрение обусловлено падением на поверхность глаза мелких атомов, идущих от предметов. Аналогичных взглядов позже придерживался и Эпикур (341–270 гг. до н. э.).

Решающим противником «теории зрительных лучей» был знаменитый греческий философ Аристотель, который считал, что причина зрительных ощущений лежит вне человеческого глаза. Аристотель сделал попытку дать объяснение цветам как следствию смешения света и темноты.

Интересно отметить, что линзы появились еще в давние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (V в. до н. э.) был знаком с применением линз в качестве поджигающего стекла.

Следует отметить, что взгляды древних мыслителей в основном базировались на простейших наблюдениях явлений природы. Античная физика не имела под собой необходимого фундамента в виде экспериментальных исследований, поэтому учение древних мыслителей о природе света носит умозрительный характер. Но хотя эти взгляды в основном являются гениальными догадками, они, безусловно, оказали большое влияние на дальнейшее развитие оптики.

В первый период средневековья (150–700 гг. н. э.) не было каких-либо серьезных работ в области оптики. Но с 700-х гг. н. э. наблюдается прогресс науки у арабов. Арабский физик Альгазен в своих исследованиях (1038) развил ряд вопросов оптики. Он занимался изучением глаза, преломления света, отражения света в вогнутых зеркалах.

При изучении преломления света Альгазен в противоположность Птоломею доказал, что углы падения и преломления не пропорциональны, и это было толчком к дальнейшим исследованиям с целью обнаружения закона преломления. Альгазену было известно увеличивающее действие сферических стеклянных сегментов. По вопросам о природе света Альгазен, отвергая теорию зрительных лучей, стоит уже на других позициях. Он исходит из представления о том, что из каждой точки светящегося предмета исходят лучи, которые, достигая глаза, вызывают зрительные ощущения.

Альгазен считал, что свет имеет конечную скорость распространения, и это было значительным шагом в понимании природы света. Он дал объяснение тому, что Солнце и Луна кажутся на горизонте большими, чем в зените; он истолковал это обманом восприятия.

Эпоха Возрождения

Период между XIV в. и первой половиной XVII в. стал для Западной Европы переходным этапом от феодализма к капиталистическому способу производства. Ряд крупнейших открытий, среди которых, прежде всего, следует назвать открытие Колумбом Америки, изобретение печатного станка, обоснование Коперником гелиоцентрической системы мира, способствовали общему прогрессу. Происходит постепенный общий подъем экономики, техники, культуры, искусства, усиливается борьба прогрессивного мировоззрения со схоластикой. В области науки постепенно побеждает экспериментальный метод изучения природы. В этот период в оптике был сделан ряд выдающихся изобретений и открытий.

Франческо Мавролику (1494–1575) принадлежит заслуга достаточно правильного объяснения действия очков. Он открыл, что вогнутые линзы не собирают, а рассеивают лучи.

Только тот свободен, кто самостоятельно мыслит и не повторяет чужих слов, смысла которых не понимает.

Б. Ауербах

Им было установлено, что важнейшей частью глаза является хрусталик, и сделан вывод о причинах дальнозоркости и близорукости как следствии – ненормального преломления света хрусталиком. Мавролик дал правильное объяснение образованию изображений Солнца, наблюдаемых при прохождении солнечных лучей через малые отверстия.

Следует также назвать имя итальянца Порта (1538–1615), который в 1589 г. изобрел камеру-обскуру – прообраз будущего фотоаппарата. Несколькими годами позже были изобретены основные оптические инструменты – микроскоп и подзорная труба.

Изобретение микроскопа (1590) связывают с именем голландского мастера-оптика Захария Янсена. Подзорные трубы начали изготавливать примерно одновременно (1608–1610) голландские оптики Захарий Янсен, Яков Мециус и Ганс Липперсгей. Изобретение этих оптических инструментов привело в последующие годы к крупнейшим открытиям в астрономии и биологии.

Голландский мастер-оптик Антони ван Левенгук прославился своим умением изготавливать простые и довольно мощные микроскопы. Хотя он и не был первооткрывателем этого инструмента, именно благодаря ему микроскопы получили большое распространение в Европе во второй половине XVII в. Его микроскопы состояли всего из одной маленькой линзочки, которую получали из капли стекла при расплавлении над пламенем свечи стеклянной палочки.

Пьер Ферма

Немецкому физику и астроному И. Кеплеру (1571–1630) принадлежат фундаментальные работы по теории оптических инструментов и физиологической оптики, и его по праву можно назвать ее основателем. Кеплер много работал над изучением преломления света.

Иоганн Кеплер

Большое значение для развития геометрической оптики имел принцип Ферма, названный так по имени французского ученого, который его сформулировал, – Пьера Ферма (1601–1665). Этим принципом устанавливается, что свет между двумя точками распространяется таким путем, на прохождение которого затрачивает минимум времени. Итак, Ферма, в отличие от Декарта, считал, что свет распространяется с конечной скоростью.

Знаменитый итальянский физик Галилей (1564–1642) не проводил систематических работ, посвященных исследованию световых явлений. Однако и в оптику он внес значительный вклад. Галилей усовершенствовал подзорную трубу и впервые применил ее для астрономических наблюдений. Им сделаны выдающиеся открытия, которые способствовали обоснованию новейших представлений о строении Вселенной, основанных на гелиоцентрической системе Коперника. Галилей создал подзорную трубу с тридцатикратным увеличением, что намного превосходило увеличение подзорных труб первых ее изобретателей. С ее помощью он открыл горы и кратеры на поверхности Луны, спутники Юпитера, звездную структуру Млечного Пути и т. д.

Галилей пытался измерить скорость света в земных условиях, но не преуспел в этом. Однако его заслуга состоит в том, что он имел правильные представления о конечной скорости распространения света. Он также наблюдал и солнечные пятна. Однако приоритет открытия солнечных пятен Галилеем отрицал ученый-иезуит Патер Шейнер (1575–1650), который провел наблюдения солнечных пятен и зорной трубы, построенной по схеме Шейнера является то, что он превратил подзорную трубу в проекционный прибор: это давало возможность получить изображения Солнца на экране и демонстрировать его при различной степени увеличения нескольким лицам одновременно.

Телескоп Галилея

Наиболее значительным достижением этого периода было открытие дифракции света Гримальди (1618–1663). Он доказал, что свет, проходя через узкие отверстия или возле краев непрозрачных экранов, отклоняется от прямолинейного распространения. Видоизменяя опыты по наблюдению дифракции, Гримальди осуществил прямой опыт сложения двух световых пучков, которые исходили из двух отверстий в экране, освещенном Солнцем. При этом он наблюдал чередование светлых и темных полос. Таким образом, оказалось, что при добавлении световых пучков в некоторых местах чувствуется не усиление, а ослабление света. Впоследствии это явление солнечных факелов с помощью под-Кеплера. Самым важным в работах было названо интерференцией. Гримальди высказал догадку, что названные явления можно объяснить, если предположить, что свет представляет собой определенное волнообразное движение. Он считал, что цвета тел являются составляющими частями белого света.

Происхождение цветов различных тел он объясняет способностью тел отражать свет, падающий на них, с особыми видоизменениями. Рассуждая о цветах вообще, он высказывает предположение, что разница цветов обусловлена разницей в частоте световых колебаний. Однако Гримальди не разработал последовательной теории, объясняющей природу света.

Вопросы о природе света приобрели особое значение тогда, когда экспериментальные открытия подготовили для этого некоторую почву. В последующий период были проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие сделать первые научно обоснованные выводы о природе световых процессов. При этом приобрело определенную силу стремление дать объяснение световым явлениям с двух противоположных точек зрения: с точки зрения представлений о свете как потоке частиц (корпускул) и с точки зрения волновой природы света.

Оптика от XVII века

XVII в. характеризуется дальнейшим прогрессом в различных областях науки, техники и производства. Значительное развитие приобретает математика. В разных странах Европы создаются научные общества и академии, объединяющие ученых. Благодаря этому наука становится достоянием более широких кругов, что способствует установлению международных связей в науке.

Во второй половине КУП в. окончательную победу одержал экспериментальный метод изучения явлений природы. Наиболее выдающиеся открытия этого периода связаны с именем гениального английского физика и математика Исаака Ньютона (1643–1727).

Важнейшим экспериментальным открытием Ньютона в оптике является дисперсия света в призме (1666). Исследуя прохождение пучка белого света через трехгранную призму, Ньютон установил, что пучок белого света распадается на бесконечную совокупность цветных пучков, образующих непрерывный спектр. Из этих опытов был сделан вывод о том, что белый свет представляет собой сложное излучение.

Ньютон провел и обратный опыт, собрав с помощью линзы цветные пучки, образовавшиеся после прохождения через призму пучка белого света. В результате он снова получил белый свет. Наконец, Ньютон провел опыт смешения цветов с помощью вращающегося круга, разделенного на несколько секторов, окрашенных в основные цвета спектра. Во время ого вращения круга все цвета сливались в один, создавая впечатление белого цвета.

Леонард Эйлер

Результаты этих фундаментальных опытов Ньютон положил в основу теории цветов, до сих пор никем из его предшественников не разработанной.

Согласно этой теории, цвет тела определяется теми лучами спектра, которые это тело отражает, другие же лучи тело поглощает.

Наряду с этими открытиями Ньютону принадлежат работы по дифракции, а также открытие закономерностей интерференционной картины, получившей название кольца Ньютона.

Ньютона считают создателем корпускулярной теории света, которую он назвал теорией истечения. Согласно Ньютону, частицы света (их называли корпускулы) имеют различные размеры: частицы, соответствующие красной области спектра, большие, а частицы, соответствующие фиолетовым лучам, – мельче. Между этими крайними частицами находятся частицы промежуточных размеров, что и обусловливает непрерывный спектр цветов. Теория истечения, кроме цветов, объясняла прямолинейное распространение света. Однако она столкнулась с очень большими сложностями при объяснении отображения и преломления, дифракции и интерференции. Для согласования теории истечения с этими фактами Ньютону пришлось прибегнуть к различным дополнительным гипотезам, которые были слабо обоснованы.

X. Гюйгенсу принадлежит открытие принципа, который сейчас носит его имя. С помощью этого принципа объясняются законы отражения и преломления.

Однако волновая теория света Гюйгенса из-за определенных недостатков не могла противостоять теории истечения Ньютона, поэтому на протяжении XVIII и в начале XIX в. в науке господствовала теория Ньютона.

Против теории истечения выступал выдающийся математик Леонард Эйлер (1707–1783), который большую часть жизни работал в Российской академии наук в Петербурге. Сторонником волновой теории света был гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), который считал, что свет представляет собой колебательное движение эфира. Однако даже эти знаменитые ученые не смогли пошатнуть господство теории истечения.

Из других крупных открытий в области оптики в XVII и XVIII вв. следует назвать измерение скорости света (1675) датским астрономом Олафом Ремером (1693–1792), которое он осуществил благодаря наблюдениям затмения спутников Юпитера.

Названные выше открытия и изобретения являются важными моментами в развитии волновой теории света. Множество других исследований следовали друг за другом, и в целом всю их совокупность можно рассматривать как триумф волновой теории света. Однако ряд явлений, обнаруженных в указанный период, а также излучение и поглощение света, не находили объяснения в волновой теории света. Перед волновой теорией света стояло много других вопросов, один из которых – что такое этот загадочный эфир, в котором распространяется свет? Как с этим эфиром взаимодействуют движущиеся тела? Ответы на эти и другие вопросы нельзя было дать, пока не появилось учение об электромагнитной теории света. И началась новая эпоха оптики…

Начало оптического производства на территории старой России

Создавая в Петербурге Российскую академию наук, Петр I и его единомышленники (академик Г. В. Крафт, М. В. Ломоносов и др.), четко осознавали необходимость подготовки для России собственных кадров квалифицированных мастеров-оптиков, которых в допетровской России совсем не было. Центром подготовки таких мастеров должна была стать Академия наук и организованные при ней специальные инструментальные мастерские и учебные классы.

Составленная токарем Андреем Нартовым «Записка» (Проект организации оптических мастерских) была горячо одобрена Петром I. Он собственноручно добавил к проекту перечень девятнадцати мастерских, которые следовало организовать в первую очередь, и среди них – оптическую мастерскую, целью которой было наладить в России собственное изготовление и обработку линз для различных областей использования. Вопрос о руководителях мастерской по обработке и шлифовке линз был также поставлен Петром I.

В процессе организации Российской академии наук рассматривался вопрос приглашения в Россию лучших специалистов-оптиков – настоящих знатоков своего дела в области изготовления и обработки линз и оптических приборов. В переписке первого президента Академии наук Блюментроста и ее секретаря Шумахера с Христианом Вольфом на протяжении 1723–1726 гг. подробно обсуждался ряд вопросов, связанных с подбором кандидатур выдающихся иностранных конструкторов и мастеров-оптиков. Наконец остановились на приглашении в Россию из Германии опытного шлифовщика линз Иоганна Георга Лейтмана (1667–1736).

Андрей Нартов

В начале своей карьеры Лейтман был пастором лютеранской церкви. Однако впоследствии его целиком и полностью увлекло искусство шлифования и обработки линз. В 1719 г. Лейтман опубликовал обстоятельное по тем временам руководство по шлифовке и обработке линз и изготовлению с этой целью оригинальных конструкций шлифовальных станков. Насколько успешной была работа Лейтмана, говорит тот факт, что в 1728 г. его книга вышла четвертым изданием и получила широчайшее распространение во всем мире. На основании упомянутой выше книги сподвижник Петра I Яков Брюс рекомендовал пригласить в Россию именно Лейтмана.

Лейтман принял приглашение и в 1726 г. переехал из Германии в Петербург. С собой он привез многочисленные инструменты и станки для изготовления и обработки линз. Работая в Петербургской академии наук, Лейтман успешно обучал изготовлению и шлифовке линз российских мастеров-оптиков. История сохранила только два имени россиян – шлифовальщиков линз, которых Лейтман особенно хвалил – Андрея Матвеева и Петра Ремезова.

До прибытия Лейтмана в Петербург и до того, как он развернул работу оптической мастерской, в Российской академии наук уже находились на службе двое опытных мастеров: оптик Колмыков и шлифовальщик оптических линз Иван Беляев. Иван Беляев работал в оптической мастерской, которую задумал и организовал Андрей Нартов сам Петр I в своем дворце. Именно здесь под руководством Логина Шеппера и изучал технику изготовления и шлифования оптических линз Иван Беляев.

Петр I. Мозаика работы М. В. Ломоносова (XV.III в)

После смерти Шеппера в 1718 г. Беляев продолжал работать в оптической мастерской Петра I. Приглашенный в 1726 г. на службу в Российскую академию наук, он обратился 19 июня 1726 г. в канцелярию Академии с предложением передать ей оборудование, оставшееся после Шеппера. Из этого следует, что до тех пор академическая мастерская еще не имела никакого оснащения для изготовления и шлифовки линз.

Предложение Беляева немедленно приняли. Президент Академии наук Лаврентий Блюментрост обратился ко двору с соответствующей просьбой, к которой приложил перечень инструментов Шеппера. В этом реестре было перечислено около 150 шлифовальных форм (медных, чугунных, железных и стальных) различных диаметров и других инструментов, необходимых для изготовления линз; были также и оптические инструменты, работа над которыми была незавершена, в частности два микроскопа. Оставленное Шеппером «Руководство» по шлифовке и обработке линз дает полное представление о том круге сведений и знаний, которые Шеппер передал своим ученикам, в частности Беляеву.

Просьба Академии наук была вскоре удовлетворена, и через короткий срок по письму Блюментроста было передано «копиисту» Академии наук Ермолаю Крайцеву все оборудование оптической мастерской Петра I. Этим важным моментом определяется начало самостоятельного изготовления Академией наук оптических инструментов. В первые годы существования Оптической мастерской дело развивалось, к сожалению, крайне медленно. Мастерская была плохо оборудована, академики не делали никаких заказов, а Беляев и Колмыков были очень плохо обеспечены материально.

Шлифовальный оптический станок

Тяжелое положение вынуждало Беляева и Колмыкова выполнять заказы на изготовление самых разных оптических инструментов (в частности, очков) на продажу. Первого мая 1729 г. Иван Елисеевич Беляев умер. После его смерти дело перешло в руки его сына Ивана, которого отец обучил шлифовальному ремеслу и технологии изготовления линз.

Универсальный микроскоп Д. Адамса (1759 г.)

В 1737 г. Иван Беляев изготовил уже целый ряд оптических инструментов: микроскопы, очки и другое оборудование. Он полировал и шлифовал линзы для объективов подзорных труб и на заказ – для очков, а также налаживал оптические инструменты, продолжал брать заказы на изготовление очков от профессоров и действительных членов Академии.

Сохранился документ, показывающий роль Беляева в изготовлении различных инструментов для Камчатской экспедиции, которая отправилась из Петербурга 17 декабря 1737 г. В этом интересном документе, кроме всего прочего, говорится: «Иван Беляев – стеклянных шлифовальных дел мастер, шлифует любое оптическое стекло, а именно: очки, подзорные трубы, микроскопы… и все, что экспериментов физического профессора и метеорологических обсерваторий касается, ныне делает микроскопы, барометры и термометры для Камчатской экспедиции».

Таким образом, династия Беляевых внесла огромный вклад в развитие техники обработки и шлифования линз в России. Появление качественных линз способствовало и научному их применению в составе различных физических приборов.

Люди и тени

Как ведет себя свет при распространении в пространстве? Ответ на этот вопрос будет разным в зависимости от того, через какие среды он проходит. Например, когда свет проходит через однородное прозрачное вещество (его свойства везде одинаковы), он распространяется прямолинейно. Результатом этого является образование тени за непрозрачным предметом.

Такое свойство света было использовано людьми при измерении времени с помощью солнечных часов.

А гораздо позже, в середине XVIII в., это свойство позволило некоторым людям, желающим иметь свой портрет, не заказывая его маститым художникам, получить его в виде теневой копии. Кстати, именно из-за того, что французский министр финансов по имени Этьен Силуэт упрекал знать за чрезмерные расходы на картины и портреты, дешевые теневые картины стали называть «портреты по Силуэту», а отсюда пошло употребление слова «силуэт».

Получали эти теневые силуэты следующим образом. Человек становился между источником света и специальным полупрозрачным экраном.

Мастер поворачивал «модель» так, чтобы тень на экране давала характерный профиль. Тень обводили карандашом, затем заливали тушью, вырезали, наклеивали на белый лист – силуэт готов!

Благодаря прямолинейности распространения света наблюдается много интересных явлений – космических и земных. Например, именно из-за образования тени от Солнца на поверхности Земли мы имеем день и ночь. (То, что ночь сменяет день, связано уже с вращением Земли вокруг собственной оси.)

По тем же причинам мы видим Луну на нашем небе по-разному (в астрономии это называют фазы Луны).

Где много света, там тень гуще.

И. Гете

Подобные изменения вида можно наблюдать и у других планет, например у Венеры, только для этого нужно применять оптические приборы.

Кстати, если бы мы с вами оказались на Луне, то наверняка заметили бы, что все тени на ней более резкие, чем на Земле. Это связано с тем, что Луна не имеет атмосферы, рассеивающей свет.

Возвращаясь с небес на землю, подумаем над тем, почему тени от одного и того же предмета могут быть резкими или размытыми. Для начала вам нужно провести собственный эксперимент: в солнечный день понаблюдать тень от своей руки, например, на стене (а если это не солнечный день – возьмите настольную лампу

Если вы будете приближать или отдалять руку от экрана-стены, то увидите, как границы тени меняются – становятся более резкими, или наоборот – будто размываются.

Фазы Луны

Такой эффект объясняется определенной зависимостью расстояния между источником света и предметом (в нашем случае – рукой). Оказывается, что, когда источник находится достаточно далеко, мы его можем рассматривать просто как световую точку («точечный источник света»). На этот раз тень будет довольно резкой – ее называют полной тенью. Когда же источник света близко, и свет от отдельных его частей попадает в места, куда свет от других частей не попал, – это будет так называемая полутень. Именно она воспринимается нами как размытая граница тени.

Тени на поверхности Луны

Явления затмения Солнца и Луны тоже связаны с прямолинейным распространением света и образованием тени и полутени. Однако это разные явления. Когда происходит полное затмение Луны, это означает, что Луна оказалась в тени Земли. А когда из определенного места на поверхности Земли наблюдают солнечное затмение, это является результатом того, что Луна «перекрыла дорогу» свету от Солнца.

Затмение Солнца

Люди, которые оказались в месте полной тени Луны, которую она отбрасывает на Землю, не видят Солнца – они наблюдают полное его затмение. Те, кто оказался в районе полутени, могут наблюдать частичное затмение Солнца.

«Свет мой, зеркальце, скажи!..»

Мы все привыкли пользоваться зеркалами, но как они «работают» и вообще, что можно считать зеркалом? Давайте об этом поговорим.

Наверное, вы умеете пускать «солнечный зайчик» с помощью зеркальца. Тогда вы наверняка знаете из собственного опыта, что для того чтобы направить «зайчик» в нужное место, следует изменить угол, под которым солнечный свет падает на зеркало. Вследствие этого изменится и направление, в котором отражается свет от зеркала.

В свое время было замечено, что в природе реализуется закон отражения света: угол, под которым световой луч падает на зеркало, равен углу, под которым луч отражается.

Световой луч – это такое физическое упрощение (еще говорят – идеализация), которое помогает выяснить, как ведет себя свет при распространении в веществе, отражении от зеркальных поверхностей или преломлении при переходе из одного вещества в другое. Световые лучи изображают прямыми со стрелками, которые показывают направление распространения света. С помощью графического изображения световых лучей удобно определять, как распространяется свет в различных случаях, как возникают, или не возникают изображения предметов в различных оптических устройствах. Раздел оптики, который это изучает, называют геометрической оптикой.

Вернемся к зеркалам. Считают, что они начали выполнять свое назначение с тех пор, когда было замечено свойство спокойной поверхности воды отражать свет. Природа не имеет специальных зеркал, поэтому озера, реки и пруды были единственными отражателями, пока люди не научились добывать металлы из руд и мастерить из них грубые искусственные отражатели.

Древнеримский историк Плиний сообщает о стеклянных зеркалах, которые делали финикийцы более чем за 1500 лет до новой эры. Но металлы уже применялись, поэтому почти наверняка металлические зеркала существовали еще раньше.

Мир – это зеркало, и оно возвращает каждому его собственное изображение.

Теккерей

Зеркала времен древнегреческой и римской цивилизаций были изготовлены из полированной бронзы. Самая известная легенда об Архимеде, который с помощью вогнутых зеркал сжег римский флот, тоже свидетельствует о применении зеркал и определенных знаниях об их действии.

Полированные зеркала из золота и серебра были предметом гордости богатых дам во времена раннего христианства.

В средние века был изобретен способ покрытия стекла тонким слоем серебра, что сделало зеркала доступными более широкому кругу людей.

Но только в эпоху итальянского Возрождения, золотой век развития искусств, началось массовое изготовление стеклянных зеркал. Признанным центром производства зеркал стала Венеция. Для покрытия стекла в Венеции пользовались оловом и ртутью. Изготовленная из них паста – амальгама – наносилась на стекло, благодаря чему получали отражающую металлическую поверхность.

Создание мнимого изображения в плоском зеркале

Сначала так изготавливали только маленькие зеркала. То небольшое количество зеркал большего размера стоило так дорого, что за эти деньги можно было купить, например, картины кого-то из мастеров Возрождения. Большое научное значение зеркала приобрели позже в связи с изобретением телескопа в начале XVII в. Первые телескопы состояли только из линз (поэтому их называют телескопы-рефракторы) и имели определенные недостатки по качеству изображения. Но когда Ньютон создал свой первый телескоп-рефлектор, в состав которого вошло зеркало, качество изображения стало значительно лучше.

Заметим, что в те времена довольно часто применяли так называемое зеркальное написание текста: зашифрованный таким образом текст мог прочитать только тот, кто тоже имел зеркало.

Зеркала стали применять в различных аттракционах и игрушках. Известный всем калейдоскоп был изобретен в Англии в 1816 г. Через год-полтора он попал уже в Россию, где его встретили с восторгом.

Самый простой калейдоскоп состоит из трех плоских, создающих призму, зеркал, размещенных в трубочке-цилиндре. Если со стороны одного основания положить горсть осколков цветного стекла, то с другой стороны можно увидеть чрезвычайно причудливые фигуры, которые меняются при малейшем повороте трубочки вокруг оси.

В 1818 г. даже появились стихи, которые А. Измайлов посвятил калейдоскопу:

Смотрю – и что ж в моих глазах?

В фигурах разных и звездах Сапфиры, яхонты, топазы,

И изумруды, и алмазы,

И аметисты, и жемчуг,

И перламутр – все вижу вдруг!

Лишь сделаю рукой движенье —

И новое в глазах явленье!

Техника изготовления зеркал значительно продвинулась вперед в 1840 г., когда немецкий химик Либих изобрел способ нанесения слоя серебра на стекло. Это важное изобретение удешевило производство зеркал и расширило их использование в повседневной жизни и в научных лабораториях.

Есть зеркало для лица, нет зеркала для души. Этот пробел следует заполнить серьезными размышлениями над самим собой.

Б. Грасиан

Многих физиков-экспериментаторов того времени увлекала идея измерения скорости света. Методы, которые применялись для этого, были основаны на многократном отражении света от зеркал – неподвижных или подвижных.

Изображение в калейдоскопе

В 1849 г. французский физик Анри Физо провел первое прямое измерение скорости света с помощью зеркал и вращательного зубчатого колеса. Физо использовал пучок света, отражающийся от полупрозрачного зеркала и проходящий через прорезь между зубцами колеса до второго зеркала, которое было размещено на расстоянии 8,66 км. Если колесо было неподвижно, наблюдатель видел отражение света в далеком зеркале. Когда колесо начинали быстро вращать, то при определенной частоте вращения можно было добиться того, чтобы свет все же проходил сквозь тот же самый проем. По частоте вращения и расстоянию, которое проходил свет, рассчитали скорость света. По результатам Физо скорость света составляла 312 000 км/с. Эта цифра превышает правильный результат, но она показала, что свет распространяется не с бесконечной скоростью, как считали ранее, а с имеющей определенное значение.

Схема телескопа-рефлектора

Позже, в 1862 г., другой французский физик Жан Фуко провел независимое измерение скорости света. При этом он тоже применял зеркало. Наиболее известные эксперименты по измерению скорости света проводил Альберт Майкельсон, которые начались в 1879 г. и продолжались почти до его смерти в 1932 г. (Многие серии опытов Майкельсон провел совместно с Эдвардом Морли.) В этих опытах также применялось вращение зеркал. Именно из-за того, что скорость света очень и очень большая, то есть обычные «земные» расстояния он проходит за очень короткое время, исследователям нужно было придумать нечто такое, что позволяло бы рассчитать эту скорость. И здесь пригодились зеркала, по частоте вращения которых и осуществили задуманное.

Другим инструментом, в котором используется вращающееся зеркало, является дальномер. В этом приборе применяется полупрозрачное зеркало, с помощью которого наблюдатель видит два изображения объекта. Одно он видит прямо через это «частичное» зеркало, а второе – после двух отражений: сначала во вращающемся зеркале, а затем – в полупрозрачном. Шкала, с помощью которой можно следить за поворотом подвижного зеркала, проградуирована в единицах расстояния. Для того чтобы определить расстояние до объекта, наблюдатель должен совмещать два его изображения.

Другая распространенная конструкция дальномера устроена так: у одного изображения будто срезана верхняя половина, а у другого – нижняя.

Подгоняя две части изображения таким образом, чтобы они давали одно целое, наблюдатель определяет расстояние до предмета.

Рассказывая о зеркалах, нельзя не сказать об их особой роли в астрономии. Представить себе исследования звездного неба, планет и Солнца без телескопов просто невозможно! Ранее мы уже упоминали о первых оптических телескопах, которые состояли только из линз. Изобретение Ньютоном телескопа-рефлектора («рефлект» – отражать), в состав которого входит зеркало, значительно улучшило качество изображений, которые давал телескоп.

Объектив одного из самых больших рефлекторов, установленный на горе Маунт Паломар в Калифорнии, является параболическим зеркалом диаметром пять метров. Такое зеркало может вобрать в 700 000 раз больше света, чем человеческий глаз.

Еще один телескоп-рефлектор с зеркалом, диаметр которого составляет шесть метров, был установлен в СССР на Кавказе в 1975 г.

Наибольшими современными оптическими телескопами являются два идентичных телескопа Кека, расположенных рядом на вершине Мауна-Кеа, на Гавайях. Каждый из них имеет рефлектор диаметром 10 метров, состоящий из 36 шестиугольных элементов. Они с самого начала предназначались для совместной работы.

«Очень большой телескоп» (на английском – аббревиатура VLT), который находится в Чили, представляет собой конструкцию из четырех зеркал диаметром 8,2 м, образующих единый телескоп с 16,4-метровым рефлектором.

Кто сломал свет?

Мы уже упоминали о том, что, когда в процессе распространения свет переходит из одного вещества в другое, происходит его отражение и преломление.

Явление преломления очень легко наблюдать, опустив в стакан с водой ложку или какую-то трубочку.

Конечно, этот и подобные ему эффекты люди наблюдали давно и поэтому старались их объяснить. Уже было отмечено, что в XVII в. поистине осуществилась первая революция в оптике. Именно тогда появились телескоп и микроскоп, были изобретены рецептуры варки стекла, резко повысилось мастерство шлифовальщиков, и открылась возможность контроля формы обрабатываемых поверхностей. Однако настоящий научный аппарат для расчета оптических систем мог быть создан только на основе точного формулирования закона преломления света. Его открытие по праву принадлежит голландцу В. Снеллиусу и французу Р. Декарту.

Виллеброрд Снеллиус (1580–1626) – голландский (датский) ученый. Родился в Лейдене. В 1608 г. он получил степень магистра в Лейденском университете, там, в последствии, и работал (с 1615 г. – профессор). Его научные труды посвящены математике, оптике, астрономии.

В 1621 г. Снеллиус экспериментально вывел точный закон, связывающий угол наклона светового луча, падающего на поверхность, с углом, на который световой пучок, прошедший через эту поверхность, отклоняется или преломляется. До него были известны таблицы Кирхера для углов падения и соответствующих им углов преломления из воздуха в воду и из масла в стекло. Снеллиус впервые связал между собой синусы этих углов. К сожалению, ученый не опубликовал свой труд, и закон, носящий его имя, был обнародован лишь в 1637 г. благодаря Рене Декарту, который открыл этот закон независимо от Снеллиуса.

Явление преломления света

Еще до открытия этого закона явление преломления света применялось во врачебной практике, уже в XШ в. врачи рекомендовали для улучшения зрения носить очки. Интересно, что не все считали целесообразным пользоваться очками. Существовала даже такая мысль: «Основная цель зрения – знать правду, однако линзы для очков дают возможность видеть предметы большими или меньшими, чем они есть на самом деле, а иной раз – перевернутыми, деформированными и ложными, следовательно, они не дают возможности видеть действительность…»

Во времена Роджера Бэкона (1214–1294) – изобретателя очков – некоторые даже считали, что очки – это творение дьявола. Несмотря на это, великий Леонардо да Винчи (1452–1519) в своем трактате «Атлантический кодекс» давал объяснения действию зеркал, линз и очков с научной, а не мистической точки зрения.

Когда в 1666 г. Ньютон исследовал прохождение света через стеклянную призму, он доказал, что свет не только преломляется, но и как бы распадается на прекрасные цвета – полученную картину ученый назвал spectrum (спектр). Так было открыто явление дисперсии.

Виллеброрд Снеллиус

Но не будем касаться эффектов, связанных с дисперсией, – пока ограничимся разговором о преломлении света в призмах, линзах и других прозрачных телах.

Когда свет падает на границу раздела двух прозрачных веществ, чаще всего его направление меняется – физики говорят, что угол преломления луча отличается от угла его падения. Если свет проходит, например, из воздуха через стеклянную пластину или призму, угол преломления становится меньше угла падения.

Явление преломления света можно наблюдать, стоя на берегу реки. Нам кажется, что дно реки поднято вверх (особенно это заметно, если на дне лежат какие-то камни). На самом деле, конечно, это не так. Дело в том, что свет, идущий от дна и попадающий нам в глаза, преломляется. Однако наши глаза воспринимают этот свет так, что он исходит из точек, находящихся на продолжении световых лучей, которые попали в глаза. То есть в действительности глаза видят мнимое изображение дна.

Можно смоделировать этот эффект с помощью известного опыта с чашкой и монетой. Сначала положите на дно непрозрачной чашки монету и сядьте у стола, на котором стоит чашка, так, чтобы монеты не было видно (для этого следует понемногу отодвигать чашку). Затем осторожно налейте воды в эту чашку: вы заметите, что монета будто всплывает со дна, поднимается!

Явление преломления света лежит в основе действия линз. (Кстати, само слово линза происходит от итальянского «чечевица», потому что линзы по форме действительно похожи на бобы.)

Ход лучей в различных линзах

В линзах происходит отклонение световых лучей от первоначального их направления. В зависимости от формы линз их воздействие на световые пучки может быть различным: собирающее и рассеивающее. Такое действие легко наблюдать, если на разные линзы направить параллельные пучки света.

Схематическое изображение прохождения лучей света через стеклянную призму

Преломление света в линзах применяется в различных приборах. Здесь нельзя не вспомнить телескопы и микроскопы, фотоаппараты и различные проекционные аппараты (например, киноаппарат). Но для нас еще важно, что явление преломления света происходит также и в нашем организме – имеются в виду наши глаза.

Важную роль для нашего зрения играет так называемый хрусталик, имеющий форму линзы. Но не только он! Самое большое преломление происходит в так называемом стекловидном теле, являющимся основной частью нашего зрительного аппарата.

Преломление света играет важную роль и в естественных оптических явлениях, которые мы можем наблюдать. Например, мираж – преломление (рефракция) световых лучей в атмосфере Земли, о чем пойдет речь ниже.

Некоторые особенности зрения

Строение глаза

«Стянутая рыбачья сеть, закинутая на дно глазного бокала и ловящая солнечные лучи» – так представлял себе древнегреческий врач Герофил сетчатку глаза.

Человека доброжелательного и искреннего можно узнать по глазам.

Марк Аврелий

Это поэтическое сравнение оказалось удивительно точным. Сетчатка глаза – именно сеть и именно ловит отдельные «частицы света» – так называемые кванты света.

War nicht das Auge sonnenhaft,

Wie konnten wir das Licht erblicken?

(Будь не солнечен наш глаз,

Кто бы солнцем любовался?)

И. Гете (Перевод В. А. Жуковского)

Темной ночью от далекой неяркой звезды наш глаз ловит не очень много квантов, этих малых порций света. По своей чувствительности глаза приближаются к идеальному физическому прибору, так как нельзя создать прибор, который зарегистрировал бы менее одного кванта. Этим уникальным свойством глаза пользовались ученые-астрономы давних времен и пионеры атомной и ядерной физики. После долгого пребывания в темноте им удавалось увидеть далекую звезду. И вместе с тем глаз выдерживает астрономическую лавину квантов, исчисляемую десятками миллиардов в секунду. Например, если вы посмотрите на Солнце, ваши глаза получат миллиардную дозу квантов. Но этого лучше не делать.

Строение глаза

Так что же такое глаз? Давайте рассмотрим его строение.

Глаз обычно сравнивают с фотоаппаратом. Роль объектива приписывают хрусталику. Как и любой фотоаппарат, глаз имеет диафрагму – зрачок. Его диаметр изменяется в зависимости от освещенности. Изображение, создаваемое на сетчатке, немного хуже, чем на пленке хорошего фотоаппарата. Но потом сама сетчатка и мозг исправляют его, делают четким, цветным и, наконец, осмысленным. Механизмы работы мозга, которые обеспечивают передачу, расшифровку и обработку зрительной информации, поступающей из глаза, изучают сейчас сотни ученых в разных странах мира.

Сетчатка в зрительной системе – это, по образному выражению одного из ученых, «мозг, выдвинутый на периферию». Сетчатка – достаточно сложный нервный центр, ее строение чрезвычайно интересно. Сетчатка напоминает пирог толщиной 0,15—0,20 мм. В этом «микропироге» несколько слоев. Каждый состоит из различных клеток, которые сплетаясь и прижимаясь друг к другу своими отростками, образуют ажурную сеть.

От клеток последнего слоя отходят длинные отростки. Собираясь в одном месте в пучок, они образуют зрительный нерв. Более миллиона его волокон несут в мозг зрительную информацию, закодированную сетчаткой в виде слабых биоэлектрических импульсов. Задача мозга – мгновенно расшифровать их.

Чего нет в мыслях, того не будет в глазах.

(Русская пословица)

Место на сетчатке, где волокна собираются в пучок, называется слепым пятном. Если, например, изображение головы человека попадет на это место, то мы… головы не увидим! Об этом знали давно. Один веселый французский король забавлялся, рассматривая своих подданных без голов. Для этого ему приходилось рассматривать их особым образом: одним глазом на определенном расстоянии.

В первом слое сетчатки, образованном светочувствительными клетками – палочками и колбочками, свет поглощается. Благодаря им и происходит зрительное восприятие окружающего мира.

В сетчатке человека около 125–130 млн палочек и 6–7 млн колбочек. Палочки и колбочки состоят из двух половинок. Внешняя часть этих вытянутых в длину клеток представляет собой гигантскую массу наложенных друг на друга дисков. В палочке их около тысячи, толщина каждой примерно 150 ангстрем (1 ангстрем = 10-8 см). Сейчас ученым уже известно и строение диска: он состоит из нескольких молекулярных слоев, а каждый слой – из нескольких миллионов молекул.

«Лучи твои создают глаза всех животных твоих» – это слова египетского гимна Атону – богу Солнца. Древний Египет поклонялся Солнцу. Египтяне в мифах и гимнах уподобляли Солнце глазу. Академик С. И. Вавилов написал когда-то поэтическую и вместе с тем научную книгу «Глаз и Солнце». В ней он доказывал правоту египтян. Яснее всего «солнечность глаза» проявляется в его так называемой спектральной чувствительности, т. е. чувствительности к различным квантам – «частицам» солнечного спектра. Вспомним радугу – мы различаем в ней десятки оттенков, которые физически отличаются между собой только миллионными долями сантиметров, в которых измеряется длина световой волны!

Ночное и дневное зрение

Люди давно заметили определенную разницу между тем, как они видят днем и как ночью. Дело в том, что в центре сетчатки глаза находятся преимущественно колбочки, другая же ее часть выстлана палочками. Палочки ответственны за наше бесцветное, сумеречное зрение, они являются очень светочувствительными. В сетчатке ночных животных содержатся практически только палочки, например у сов и летучих мышей. Они хорошо видят ночью и плохо днем. Мир для них черно-белый, бесцветный.

Строение колбочки

В дневном, цветном зрении главную роль играют колбочки. Их чувствительность к свету небольшая, но в этом и нет необходимости: днем света много. У дневных животных, например, голубей, кур, сетчатки вообще «колбочковые». Вечером они совсем плохо видят. Недаром неспособность видеть при слабом свете в народе называют куриной слепотой!

В 1823 г. чешский физиолог Я. Пур-кинье описал интересный факт, который доказал, что днем мы видим в основном колбочками, а в сумерках – палочками. Вспомните красный мак и голубой василек. Днем они одинаково яркие и светлые. В сумерках же красный мак кажется почти черным, его едва можно увидеть, а вот василек все еще виден хорошо, он остается белесо-синим. В чем же дело? Как это можно объяснить?

В сумерках, когда света мало, колбочки перестают работать, а для палочкового зрения света еще хватает. Зрительный пигмент палочек – зрительный пурпур – сине-голубые лучи поглощает хорошо, а вот красные чувствует плохо, он их почти полностью пропускает через себя и от них не меняется.

Поэтому красный мак в сумерках палочки «не видят», а голубой василек различают хорошо. Итак, днем работают колбочки и, очевидно, палочки тоже, а ночью – только палочки.

Теперь, естественно, возникает вопрос: а как осуществляют колбочки именно цветное зрение? С чем связано восприятие красок окружающей среды?

Сейчас известно, что зрение человека «трехцветное», то есть мы воспринимаем любой цвет как комбинацию трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Однако и сейчас цветное зрение – пока одна из самых сложных и самых неизученных проблем современной физиологии органов чувств.

Когда глаза говорят одно, а язык другое, опытный человек более верит первым.

Р. Эмерсон

Научная разработка гипотезы о трехкомпонентном цветном зрении связана с именами М. В. Ломоносова и ученых XIX в. – немецкого натуралиста Г. Гельмгольца и английских физиков Т. Юнга и Д. К. Максвелла. Но и до наших дней вопрос о трехцветном зрении все-таки долго оставался лишь гипотезой. Чтобы она стала теорией, необходимо было доказать экспериментально, что в сетчатке глаза человека и животных, обладающих цветовым зрением, все колбочки действительно делятся на красно-, зелено– и синечувствительные. Решить эту проблему не могла классическая физиологическая оптика конца XIX – начала ХХ в.

Только в середине 60-х годов ХХ в., т. е. сравнительно недавно, одновременно и независимо в нескольких лабораториях мира были проведены необходимые эксперименты. Исследовались сетчатки человека, обезьяны и золотой рыбки. Оказалось, что все внешне одинаковые клетки распадаются на три группы: красно-, зелено– и синечувствительные. Это означает, что в каждой из колбочек находится свой зрительный пигмент и благодаря его особенностям колбочки способны воспринимать три основных цвета: красный, зеленый, синий.

Оптические явления в природе

Мы видим окружающий мир таким прекрасным благодаря тому, что природа наградила нас зрением, способным воспринимать много оттенков цветов и будто бы задерживать изображение, возникающее на сетчатке глаза. Природные явления становятся перед нами во всей своей красе, и иногда… обманывают нас.

Поговорим о некоторых из явлений, связанных с распространением света и его восприятием человеческим глазом. Конечно, не все оптические эффекты, которые мы наблюдаем, будут здесь рассмотрены. Коснемся, вероятно, самых красивых и интересных из них.

Миражи

В жаркие солнечные дни на асфальтированных шоссе водители автомашин часто наблюдают такую картину: некоторые участки асфальта, находящиеся перед автомашинами на расстоянии около 80—100 м, кажутся покрытыми лужами. Когда водитель подъезжает ближе к этому месту, лужи исчезают и снова появляются перед ним, примерно на том же расстоянии.

Природа никогда не обманывает нас, это мы сами постоянно обманываемся.

Ж. Ж. Руссо

А вот еще одна картина. Представьте себе раскаленную пустыню: вокруг, куда ни глянь – раскаленный горячий песок. И вдруг впереди, где-то на линии горизонта, возникает озеро. Его видно совсем реально. Кажется, что нужно преодолеть всего лишь один-два километра, и можно будет освежиться. В воображении возникает даже плеск воды. Но вот вы проходите и один, и второй, и третий километр, а озеро все так же где-то впереди, а вокруг, по-прежнему, одни пески.

Оба эти случая являются миражами – оптическими явлениями, которые заключаются в том, что, кроме предметов в их реальном виде, можно видеть их мнимые изображения.

Мираж

Чаще всего такие явления наблюдают в пустыне, потому что именно там слой воздуха вблизи раскаленной песчаной поверхности очень нагревается. При этом плотность этого слоя относительно верхних слоев меньше, а показатель преломления (о нем уже шла речь ранее) тоже снижен. Поэтому световые лучи, идущие от предметов, будут изгибаться.

Например, если в ясный день наблюдатель стоит где-то поблизости песчаного бархана, то световой луч от определенного участка неба попадет ему в глаза, испытав искривление. Это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок неба не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним будет изображение голубого неба.

Если у линии горизонта находятся пальмы, холмы или что-то другое, то благодаря искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми. Он будет воспринимать это как отражение соответствующих объектов в несуществующей воде! Так возникает оптическая иллюзия, которую называют нижний, или «озерный» мираж.

Иллюзия так же нужна для нашего счастья, как и действительность.

К. Бови

Случается, что воздух у самой поверхности земли может быть не нагретым, а наоборот, заметно холоднее по сравнению с более высокими слоями. В таком случае световые лучи тоже будут изгибаться, но выпуклость их траектории будет направлена вверх. Поэтому наблюдатель сможет увидеть те объекты, которые скрыты от него линией горизонта. Причем эти объекты будут словно висеть над горизонтом в воздухе. Такие миражи так и называют – верхними.

Когда плотность воздуха и его оптические свойства меняются с высотой неравномерно, возникают двойные и тройные миражи. В этих случаях можно наблюдать несколько изображений объектов.

Под воздействием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может изменяться по толщине, перемещаться вверх-вниз. Поэтому и верхнее, и нижнее изображение со временем будут меняться, создавая различные, будто живые картины. Так возникает знаменитая «Фата-Моргана» – мираж, когда одна картина неуловимо сменяется другой, запутывая путешественников, пытающихся достичь замечательных мест, которые им привиделись.

Гораздо меньше изучены так называемые сверхдальние миражи, когда наблюдаются изображения объектов, находящихся на расстояниях сотен километров. Считают, что это становится возможным, когда световые лучи попадают в слой холодного воздуха, будто зажатого слоями горячего воздуха. Световые лучи распространяются в этом слое, как в световоде. Однако на это явление влияют еще и другие факторы. Возможно, в атмосфере при определенных условиях создаются своеобразные воздушные линзы, что приводит к появлению вторичных миражей (миражи от миражей). Кроме того, вероятно, определенную роль играет ионосфера – слой в атмосфере Земли, который находится на высоте 70—100 км, – способная отражать световые лучи.

Источник поэтического вдохновения – радуга

Чудесное явление – радуга – издавна поражало воображение людей. О радуге слагали легенды, ей приписывали удивительные свойства. У древних греков богиня радуги Ирида выступала посредником между богами и людьми. Глядя на радугу, греки верили, что она соединяет небо и землю.

С радугой почти всегда связывали чувство радости и облегчения. Например, по библейской легенде бог Яхве после Всемирного потопа повесил на небо радугу в знак того, что он больше не будет так жестоко наказывать людей.

О радуге часто вспоминали поэты, например великий английский поэт Дж. Г. Байрон, немецкий философ и поэт И. Гете, немецкий романтик Ф. Шиллер.

Радуга

Байрон написал:

Все ободрились: радугу они

Считали добрым предзнаменованьем;

И римляне, и греки искони

Подобным доверяли указаньям.

В стихах Ф. И. Тютчева находим:

Как неожиданно и ярко

На влажной неба синеве

Воздушная воздвиглась арка

В своем минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,

Вторым за облака ушла —

Она полнеба обхватила

И в высоте изнемогла.

О, в этом радужном виденье

Какая нега для очей!

Оно дано нам на мгновенье,

Лови его – лови скорей!

Когда-то английские поэты XVII в. упрекали Ньютона в том, что он, объяснив происхождение радуги, замахнулся на ее красоту. Но давайте не будем упрекать ученых – знания о природных явлениях не превратят нас в бездушных роботов, и мы всегда сможем ощутить прелесть Лермонтовских строк:

Там разноцветною дугой,

Развеселясь, нередко дивы

На тучах строят мост красивый,

Чтоб от одной скалы к другой

Пройти воздушною тропой.

Наблюдая радугу, люди, естественно, пытались понять ее происхождение. Сначала стало ясно, что это явление связано с наличием в атмосфере капелек воды. Одна из первых научных работ по этому поводу была напечатана еще в 1571 г. Автором ее был Флетчер, который считал, что появление радуги связано с двукратным преломлением света в одной капле воды и последующим отражением от второй капли.

Позже сначала итальянец Антонио Доминико, а затем француз Рене Декарт правильно объясняли появление радуги преломлением света именно в одной капле. В своем трактате Декарт объяснял также, почему радуга появляется именно тогда, когда высота Солнца над горизонтом составляет сорок два градуса. Однако ни Доминико, ни Декарт не смогли правильно объяснить появление цветов радуги. Это сделал Ньютон!

На основании своих похожих на чудо опытов с призмами Ньютон обнаружил, что «свет состоит из лучей всех цветов не только после выхода из призмы, но и тогда, когда он еще не дошел до призмы, до преломления». Напомним, что открытое Ньютоном явление называют дисперсией света.

Сейчас мы не будем приводить полное объяснение явления радуги, так как для понимания этого вам нужны большие знания математики и физики (надеемся, позже вы их получите в школе!). Однако скажем, что в этом явлении главным считается преломление солнечного света в капельках воды, причем размер этих капелек тоже влияет на то, что именно наблюдается.

Гало

Если радугу видел каждый из нас, то явление гало, пожалуй, нет. Это оптическое явление бывает довольно редко, однако о нем можно услышать или прочитать в исторических романах, описаниях и т. д.

Гало

Это явление заключается в том, что на небе наблюдают, кроме истинного светила – Солнца или Луны, – так называемые ложные. В давние времена появление светящихся колец, крестов или нескольких солнц или лун люди воспринимали исключительно как зловещее знамение.

В рассказе Джека Лондона «Тропой ложных солнц» можно прочитать: «С двух сторон солнца стоят ложные солнца, так что в небе их сразу три. В воздухе от мороза алмазная пыль».

Вообще гало могут выглядеть по-разному – светящиеся кольца, столбы, кресты, «ложные светила». Кстати, и само слово «гало» происходит от греческого halos – «круг».

Причиной появления гало является преломление света в ледяных кристалликах и отражения от их граней. Преломление приводит к появлению слегка окрашенных элементов гало; отражение дает белые элементы гало: их цвет совпадает с цветом светила (Солнца или Луны).

Своей чрезвычайной симметрией гало обязано правильной форме ледяных кристалликов. При этом значительную роль играет упорядоченная ориентация этих кристалликов в пространстве.

Северное сияние

Веками люди восхищались величественной картиной северного сияния, и, конечно же, человека интересовало его происхождение.

Одно из древнейших упоминаний этого природного явления встречается у Аристотеля. Он писал: «Иногда в ясные ночи наблюдается на небе множество явлений – сияния, провалы, кроваво-красная окраска. Кажется, будто полыхает пламя».

Там, где жил Аристотель, северное сияние бывает очень редко, но все же бывает. В таких случаях оно отличается особым богатством красок с преобладанием именно красных тонов.

А вот описание северного сияния, сделанное еще в I в. н. э. римским философом Сенекою: «Некоторые из них выглядят как пустота, когда под светящейся короной свечение отсутствует и образуется как бы овальный вход в пещеру, другие – как бочки, когда видно большое закругленное пламя, перемещающееся с места на место…»

Северное сияние у одних людей вызывало страх, у других, наоборот, – веру в то, что их ждет поддержка в великих делах. Так, во время битвы на Чудском озере Александра Невского с немцами (1242) на небе вдруг появились вспышки (так на Руси называли северное сияние). Согласно легенде, русские воины увидели в этом добрый знак и с удвоенной силой пошли на врага.

Тайна северного сияния оставалась нераскрытой на протяжении многих веков. Относительно их происхождения была выдвинута масса гипотез, порой очень наивных. Так, некоторые считали, что такое сиянио является отблеском солнца, опустившегося за горизонт. Другие предполагали, что это свет, который излучают полярные льды при особенно сильных морозах.

М. В. Ломоносов тоже интересовался природой северного сияния. Он даже в поэтической форме сформулировал вопросы, которые при этом возникают:

Что зыблет ясной ночью луч?

Что тонкий пламень в твердь разит?

Как молния без грозных туч

Стремится от земли в зенит?

Как может быть, чтоб мерзлый пар

Среди зимы рождал пожар?

В опытах по электричеству, которые проводил Ломоносов, он увидел нечто общее со свечением в атмосфере. Ученый считал, что свечение газового электрического разряда и северное сияние близки по своей природе. Подобные выводы сделали Б. Франклин и Ж. Кантон.

Северное сияние

Северное сияние

По-настоящему разобраться в том, как возникает это очень красивое природное явление, ученые смогли только в наши дни. Но и сейчас некоторые вопросы остались еще не выясненными.

Чаще всего встречаются четыре формы сияния: однородная дуга, лучи (лучевая полоса), ленты, размытые пятна (их называют диффузными пятнами).

Различные формы северного сияния могут возникать одновременно и накладываться друг на друга. Лучи, ленты и пятна перемещаются, при этом интенсивность их свечения со временем меняется. Обнаружено, что скорость движения лучей и лент достигает десятков километров в секунду!

В течение ночи можно наблюдать постепенное превращение одной формы сияния в другие. Например, однородная дуга разбивается на лучи или превращается в сложные ленты, а затем распадается на облакоподобные пятна.

Если посмотреть на нашу Землю из космоса, то сияние, о котором мы говорим, будет наблюдаться в определенных зонах, окружающих овалом полюса планеты. Такие овалы смещены в ночную сторону земного шара.

На дневной стороне земного шара (стороне, обращенной к Солнцу) овальная зона простирается от широты 75° до широты 85°, а на ночной – примерно от 60° до 70°. Интересно, что положение овала зоны является фиксированным относительно Солнца. В течение суток Земля совершает оборот под этим овалом.

Когда солнечная активность повышается, размеры зоны сияния значительно увеличиваются. После особо крупных волнений эта зона может так расшириться, что достигнет средних и даже низких широт. При этом заметно возрастает интенсивность свечения сияния. Как же объяснить это явление?

От нашей звезды Солнца во всех направлениях непрерывно распространяются электромагнитное излучение и потоки заряженных частиц (эти потоки называют солнечным ветром). Когда заряженные частицы попадают в земную атмосферу, на них действует магнитное поле Земли – наиболее сильное именно у полюсов. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферы, частицы вызывают так называемую люминесценцию – свечение в атмосфере, что и представляет собой северное сияние.

Таким образом, северное сияние – это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы.

Свечение моря

Существует много описаний свечения моря, основанных на собственных наблюдениях этого впечатляющего природного явления. Большинство описаний принадлежит, естественно, мореплавателям. Они пишут о светящихся волнах, расходящихся от корабля, о световой дорожке за кормой, о полыхающих глубинах. Иногда свечение занимает огромные пространства; вокруг, сколько охватишь взглядом, увидишь светящиеся гребни, длинные светящиеся полосы, которые могут быть настолько яркими, что на низких облаках возникают блики. Особенное впечатление производят изменчивые световые «фигуры», состоящие из ярких пятен, полос, кругов, завихрений.

Как великий художник, природа умеет и малыми средствами достичь больших эффектов.

Г. Гейне

Очень яркое свечение бывает во время цунами – огромных волн, падающих на побережье, когда под морским дном или в прибрежной полосе происходит землетрясение. Приближаясь к берегу, такие волны сначала вызывают сильный отлив – море вдруг отступает, иногда на километры. И вслед за этим вода возвращается в виде волны, высота которой может достигать десятков метров. Ее удар сметает все на своем пути; волна разрушает дома, выбрасывает на берег суда, вырывает с корнем и ломает толстые деревья. Перед тем как вот-вот должна прийти волна цунами, наблюдается особенно сильное свечение моря. Морское дно, оголившееся при кратковременном отливе, полыхает ярким светом.

Отметим две особенности свечения моря. Во-первых, оно возникает не «само по себе», а в ответ на воздействия возбуждающего характера. Возбуждающими факторами могут быть всевозможные волнения морской поверхности, прибой, прохождение судна и особенно землетрясение и образование волн цунами. Даже за обычной лодкой может возникать светящийся след, при этом с весел падают «огненные» капли, от их ударов по воде расходятся светящиеся круги.

Во-вторых, свечение моря характеризуется исключительной изменчивостью. Оно может вспыхнуть ярко в одном месте, внезапно исчезнуть в другом; интенсивность его может быстро изменяться во времени.

Море светится, как правило, зеленоватым и голубым светом. Реже наблюдается желто-зеленое и желтое свечения. Очень редко можно видеть свечение других цветов – фиолетового, оранжевого, красного.

Светящиеся организмы

Свечение моря – это всегда свечение живых организмов. Очень распространенные в прошлом представления о том, что свечение моря вызывают растворенные в морской воде соли или окисляющийся фосфор оказались неверными. Есть все основания называть свет, рождающийся в море, «живым светом».

Сегодня известно более 800 видов светящихся морских организмов – от светящихся бактерий и одноклеточных жгутиконосцев до светящихся рачков и рыб. Среди «сухопутных» организмов светятся только некоторые виды насекомых (жуки из семейства светляков, личинки отдельных видов комаров), а также некоторые виды грибов. Именно грибы вызывают хорошо известное свечение трухлявого дерева в лесу.

Светящиеся бактерии разделяют на две группы. К первой относятся бактерии, которые могут свободно жить в морской воде. В одном литре морской воды содержится в среднем 10^3—10^4 таких бактерий. Они часто поселяются на мертвой рыбе, в результате чего рыба загнивает, начинает светиться.

Вторую группу светящихся бактерий составляют бактерии, являющиеся сожителями рыб и головоногих моллюсков. Светящиеся органы некоторых рыб представляют собой специальные культиваторы для таких светящихся бактерий. Кровеносная система рыбы обеспечивает бактерии питательными веществами, доставляет им кислород, выводит продукты обмена. Когда кровеносные сосуды рыбы сжимаются, прилив крови уменьшается, а вместе с тем уменьшается и доступ кислорода к бактериям, вследствие чего свечение бактерий ослабевает или даже прекращается.

Расширение сосудов вызывает, наоборот, вспышку свечения.

Ночной призрак морского дна – способный светиться червь-трубкожил

Было бы, однако, неправильно думать, что свечение любых организмов связано со свечением бактерий, живущих в них. Многие организмы излучают свет сами, они имеют для этого специальные органы (фотофоры), нередко весьма сложные.

В прибрежных зонах морей распространены светящиеся одноклеточные жгутиконосцы – так называемые ночесветки. Отдыхающие на берегу Черного моря могут любоваться создаваемым ночесветками свечением воды, искрящимся у берега. Сама ночесветка красного цвета, ее свечение имеет голубоватый цвет. Большие ночесветки могут быть диаметром 1–2 мм; их хорошо видно невооруженным глазом. Внешне они напоминают мелкозернистую красную икру.

И. А. Гончаров в романе «Фрегат «Паллада» так описывает встречу со скоплениями ночесветок у берегов Японии: «Множество красной икры, будто толченый кирпич, пятнами покрывает в разных местах море. Икра эта сияет по ночам нестерпимым фосфорическим блеском. Вчера свет был так силен, что из-под судна как будто вырывалось пламя; даже на парусах отражалось зарево; за кормой стелется широкая огненная улица…»

Светятся также многие виды медуз. Среди них часто встречается в морях и океанах оранжевая медуза – пелагия. Ее купол имеет диаметр до 25 см, а длина щупалец достигает двух метров. Когда медузу раздражают, на поверхности ее купола и щупалец возникают светящиеся зеленые полосы.

Довольно эффектен и светящийся рачок эуфаузида. Он достигает в длину 3–5 см и дает очень сильный свет. Распределенные по телу рачка светящиеся органы имеют сложное строение. Они могут поворачиваться, способны изменять интенсивность излучения.

Очень интересен светящийся мелководный кальмар ватасения, живущий в Японском море. Он тоже имеет многочисленные светящиеся органы (фотофоры). Особенно ярко светятся фотофоры на концах щупалец.

Свечение рыб бывает трех видов: внеклеточное (раздраженная рыба выбрасывает облако светящейся слизи), внутриклеточное (создаваемое специальными светящимися органами, содержащими излучающие клетки), бактериальное (создаваемое светящимися бактериями, живущими в определенных местах на теле рыбы).

Кальмар

Фотофоры рыб с внутриклеточным свечением разнообразны, часто имеют сложное строение. У них есть отражатели, линзы, диафрагмы, светофильтры. Фотофоры могут покрывать рядами тело рыбы снаружи, как, например, у некоторых видов акул, но могут находиться и внутри тела рыбы, как, например, у рыбы рабдамии. У этой рыбы скрытые внутри тела светящиеся органы представляют собой специальные наросты кишечника. Излучение, исходящее от светящихся органов рабдамии, выходит наружу через две полупрозрачные линзы с брюшной стороны тела рыбы.

Глубоководная креветка защищается от рыбы световой завесой

Интересно, что свечение организмов возникает лишь при наличии определенного внешнего раздражителя и является своеобразной реакцией на него. Характер раздражения может быть различным. Высокоорганизованные организмы можно раздражать светом, они отвечают световым откликом на световые сигналы организмов того же вида.

Также раздражители могут быть химическими, механическими, тепловыми, электрическими. Например, ночесветки и мелкие рачки отзываются световыми импульсами на любое механическое раздражение – малейшее волнение водной массы, ее незначительные перемещения и т. п. Существуют организмы, которые не реагируют ни на механические, ни на электрические раздражители, но загораются при добавлении к морской воде пресной воды.

Даже у самых простых светящихся организмов (бактерий, жгутиконосцев) свечение является довольно сложным процессом – оно связано с выработкой специального фермента – люциферазы. Еще более сложным является этот процесс у высокоорганизованных существ – рачков, моллюсков, рыб и т. п.; они имеют специальные светящиеся органы. Все это указывает на то, что способность излучать свет имеет для них жизненно важное значение.

Природа не имеет органов речи, но создает языки и сердца, при посредстве которых говорит и чувствует.

И. Гете

Дело в том, что в темноте моря свечение организмов позволяет им ориентироваться, охотиться, узнавать друг друга. Световые сигналы могут служить для отпугивания или обмана хищников. Например, рачок, вспыхнув, быстро отскакивает в другую сторону, а хищник бросается на вспышку и… не попадает в цель!

Таким образом, свечение живых организмов является, прежде всего, сигнализацией. Однако значительное большинство живых организмов, вызывающих свечение моря, составляют одноклеточные организмы. Но объяснить свечение одноклеточных организмов так же, как и для высокоразвитых организмов, не удается, потому что они не имеют пола, среди них нет хищников и жертв. Сегодня вопрос о биологическом смысле свечения моря все еще остается до конца не решенным.

Для того чтобы разгадать эту загадку природы, нужно провести серьезные исследования по изучению поведения светящихся обитателей морских глубин.

VIII. Физика: славные имена

Не важно, с чего начинать рассказ о трудах и днях великого человека. Большая и цельная жизнь – как глобус: острова и материки, в каком бы отдаленье ни лежали они друг от друга, все равно омываются водами Мирового океана и существуют совместно.

Д. Данин

Альхазен (Ибн аль-Хайсам, Альгазен)

(965—1039)

Альхазен родился в городе Басра (Ирак). Жил и работал в Каире (Египет).

Благодаря своим выдающимся способностям он занимал должность визиря, однако любовь к науке победила, и он оставил эту должность и полностью посвятил себя науке.

Альхазен был выдающимся физиком, математиком, астрономом, врачом и философом-комментатором Аристотеля. Его даже считают одним из основоположников экспериментальной науки, причем кропотливые эксперименты он сочетал со строгим математическим доказательством всех своих утверждений.

Когда до египетского халифа Ал-Хакима дошел слух о том, что Альхазен составил проект регулирования вод Нила с помощью плотины южнее Асуана, он пригласил его в Египет. Однако на месте Альхазен убедился в невозможности этого проекта при технических средствах того времени (подобный проект был осуществлен только в XX веке с помощью России). Узнав об этом, Ал-Хаким разгневался на Альхазена, посадил его под домашний арест и конфисковал имущество.

Для спасения жизни Альхазен был вынужден симулировать безумие до тех пор, пока Ал-Хаким не умер. И только наследники Ал-Хакима предоставили ему свободу, после чего он жил в Каире как уважаемый человек до конца своих дней. В Западной Европе он был известен под именем Альхазен (Alhazen).

Работы Альхазена посвящены физике, астрономии, математике, медицине и философии. Он является автором фундаментального трактата «Сокровище оптики» (или «Книга оптики»), состоящего из семи книг, из которых три посвящены глазу и зрению. Особый интерес представляет собой последняя книга: она трактует вопрос преломления света в прозрачных средах. Однако вопрос о преломлении света в линзе Альхазен не рассматривает.

Альхазен внес существенные уточнения в закон отражения, который он проверял на зеркалах, изготовленных из железа. Он установил, что луч, падающий на поверхность зеркала, перпендикуляр к этой поверхности и отраженный луч лежат в одной плоскости. Опроверг теорию окулярных пучков, решил задачу построения изображения в выпуклых зеркалах, предложил разумное объяснение оптической иллюзии – огромных размеров Луны над горизонтом.

Хотя Альхазен и доказал возможность получения действительных изображений с помощью зеркал и преломляющих сред, однако он не сумел увидеть того широкого практического применения, которое могли приобрести его «прозрачные сферы» из стекла и горного хрусталя и его шаровые сегменты. (Это могло стать линзами!..)

Он описал строение глаза, соблюдая учение древнегреческого ученого Галена (131–211 гг. н. э.), и с помощью опытов доказал несостоятельность представлений древнегреческих ученых Платона и Евклида о свете как о лучах, выходящих из глаза и «ощупывающих» предметы, а также выдвинул свою теорию зрения. Согласно Альхазену, «естественный свет и цветные лучи влияют на глаз» и «зрительный образ получается при помощи лучей, идущих от видимых тел и попадающих в глаз».

Альхазен считал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует определенная приемная точка глаза. Он дал правильное представление о видении двумя глазами. Им было высказано предположение о том, что свет распространяется с конечной скоростью. Его «Книга оптики» состоит из семи разделов: 1) о зрении и о глазе, 2) о распространении света, 3) об ошибках зрения, 4) об отражении от зеркальных поверхностей, 5) о воображении, 6) об ошибках зрения при отражении от плоских, цилиндрических и конических зеркал, 7) о преломлении света и об ошибках зрения при преломлении.

«Книга оптики» Альхазена была переведена на латынь в XII в. Однако считалось, что эта работа – копия труда Птоломея. Только после того, как нашли и напечатали произведение Птолемея, стало очевидно, что «Оптика» Альхазена – это оригинальная научная работа, которая развивает учение древних. То, что арабский ученый Ибн аль-Хайсам и Альхазен – одно и то же лицо, выяснилось лишь в XIX веке.

Галилео Галилей

(15 февраля 1564 г. – 8 января 1642 г.)

Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. в г. Пиза. Его детство прошло в городах Великого Герцогства Тосканы. Отец Галилея был знатным, но обедневшим флорентийским патрицием, профессиональным музыкантом и композитором, автором исследований по истории и теории музыки, а также неплохим математиком. В детстве Галилей изучал латынь, греческий язык и логику. В 1581 г. он поступил в Пизанский университет на медицинское отделение. Однако медицина ему не понравилась, и он начал изучать математику и механику. Его судьбу окончательно определило чтение трудов Евклида и Архимеда. К сожалению, в 1583 г. Галилею пришлось покинуть университет, поскольку родители не смогли платить за его содержание. Более Галилей нигде не учился.

Он начал самостоятельно изучать механику. Его первые работы были посвящены гидростатическим весам, определению центров тяжести тел. Благодаря протекции богатого аристократа из рода Медичи маркиза дель

Монте, в 1589 г. Галилей получил кафедру в Пизанском университете и начал читать лекции по математике. Здесь он исследовал законы движения тел, которые привели к результатам, полностью противоречившим взглядам Аристотеля. Между Галилеем и его коллегами возникли споры. За ним даже закрепилось прозвище «спорщик».

С 1592 по 1610 год Галилей работает в Падуанском университете. Эти восемнадцать лет были самыми спокойными и самыми плодотворными в жизни ученого. Хотя в своих лекциях он излагал освященные церковью взгляды на строение мира, одновременно он горячо искал подтверждение учению Коперника, в правоте которого никогда не сомневался.

Узнав в 1608 г. об изобретении телескопа, он в 1609-м самостоятельно построил телескоп новой конструкции, используя объединение двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Это событие стало епохальным в истории науки. Галилей открывает горы на Луне, четыре спутника Юпитера, сложное строение Млечного Пути, темные пятна на Солнце.

В 1610 г. Галилей оставляет Венецианскую республику и возвращается в Тоскану. Он получает почетное место придворного математика великого герцога – своего бывшего ученика. В 1632 г. он публикует свою знаменитую книгу «Диалог о двух важнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой», написанную живым итальянским языком в форме беседы трех участников: Сальвиати (который выражал мысли автора), Симпличио (в переводе «простак» – сторонник Аристотеля) и Сагредо (судья в споре). Книга вызвала яростное неприятие большинства ученых и церкви, особенно потому, что незадолго до этого только что вступивший на престол Папа Урбан VIII (он хорошо знал Галилея) узнал себя в Симпличио.

Двенадцатого апреля 1633 г. Галилей предстал перед генеральным комиссаром инквизиции Священной канцелярии. Под угрозой пыток больного Галилея заставили отречься от учения Коперника и покаяться. После этого он был отправлен под домашний арест в дом друга, Асканио Рикколомино, архиепископа Сиены. Только через два года наказание смягчили и отправили Галилея в ссылку на его загородную виллу в Арчетри, правда, лишив возможности общаться с друзьями и учениками.

В Арчетри в 1636 г. Галилей закончил свой второй большой труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки – механики и местного движения». В нем ученый обобщил свои открытия в области механики. Под двумя новыми науками Галилей имел в виду динамику и сопротивление материалов. В этой книге приводятся подробные доказательства всех полученных Галилеем формул кинематики и динамики.

Галилей получил отпечатанную книгу в 1638 г., но прочитать ее уже не смог, так как к этому времени окончательно ослеп. Умер он 8 января 1642 г.

Несомненно, что церковное наказание не изменило убеждений Галилея. Недаром легенда приписывает ему слова о Земле, произнесенные после приговора инквизиции: «А все-таки она вертится!», ставшие символом борьбы за научную истину.

Величие творчества Галилея не только в сделанных им бессмертных открытиях, заложивших основу классической механики (кинематика равноускоренного движения, принцип относительности, изучение свободного падения тел и доказательство того, что движение в поле тяготения не зависит от массы тела и др.). Галилей сумел практически реализовать экспериментальный метод исследования явлений природы. Этот метод, теоретически сформулированный английским философом Френсисом Бэконом, был применен Галилеем в конкретных ситуациях, причем именно Галилей впервые придал методу современные черты (создание модели явления, отбрасывание несущественных факторов, неоднократное повторение опыта и т. д.).

С другой стороны, Галилей возродил подход Архимеда к описанию явлений на языке математики. Галилей говорил: «Книга природы написана на языке математики, ее буквами служат треугольники, круги и другие математические фигуры, без помощи которых человеку невозможно понять его языка; без них – бесполезные блуждания в лабиринте».

Трудно перечислить все проблемы, которых касался этот великий ученый, но больше всего поражает глубина проникновения в сущность явлений. Галилея вполне заслуженно считают родоначальником физики в ее современном понимании.

Блез Паскаль

(19 июня 1623 г. – 19 августа 1662 г.)

Блез Паскаль – выдающийся французский физик, математик, философ.

Паскаль родился 19 июня 1623 г. в Клермон-Ферране в семье высокообразованного юриста. Отец Блеза занимался математикой, он воспитывал своих детей под влиянием педагогических идей философа М. Монтеня.

Паскаль получил домашнее образование. С детства Блез проявлял незаурядные математические способности – например, в шестнадцать лет он сформулировал одну из основных теорем проективной геометрии (сейчас ее называют теоремой Паскаля). Его первый математический трактат на эту тему, написанный в 1639 г., назывался «Опыт теории конических сечений» (он был издан в 1640 г.).

В 1641 г., когда Паскалю было восемнадцать лет, он изобрел счетную машину – предшественницу современных арифмометров. Для этого ему понадобилось построить пятьдесят моделей, каждая из которых была совершеннее предыдущей. Юный конструктор записывает (еще не зная о том, что его мнение на целый век опережает свое время!): «Вычислительная машина выполняет действия, которые больше приближаются к мысли, чем все то, что делают животные».

Машина принесла ему известность. Оценить его формулы и теоремы могли только образованные люди, а вот машину мог оценить любой смертный. Подумать только – машина считает сама! Толпы народа спешили в Люксембургский сад, чтобы посмотреть на чудо-машину, о ней пишут стихи, ей приписывают фантастические свойства. Блез Паскаль становится знаменитым человеком.

Существенным является вклад ученого в развитие математики. Паскаль положил начало теории вероятностей, теории циклоиды (линии, которую относительно дороги описывает точка на ободе колеса). Он нашел общий алгоритм для определения признаков делимости любого целого числа на любое другое целое число (трактат «О характере делимости чисел»), способ вычисления биномиальных коэффициентов, сформулировал ряд основных положений элементарной теории вероятностей.

Паскаль впервые точно определил и применил для доказательства метод математической индукции. К 1654 г. он закончил ряд работ по арифметике, теории чисел, алгебре и теории вероятностей (опубликованы в 1665 г.).

Физические исследования Паскаля относятся главным образом к гидростатике. В 1653 г. ученый сформулировал основной закон гидростатики (закон Паскаля), согласно которому давление на жидкость передается ею равномерно без изменения во все стороны (это свойство жидкости было известно и его предшественникам), открыл принцип действия гидравлического пресса.

Благодаря Паскалю стал широко известным гидравлический парадокс. Он подтвердил существование атмосферного давления, повторив в 1646 г. опыт Торричелли с водой и вином.

Паскаль высказал мысль, что атмосферное давление уменьшается с высотой (по его идее в 1647 г. был осуществлен эксперимент, который подтвердил эту мысль), продемонстрировал упругость воздуха и доказал, что воздух имеет вес, открыл, что показания барометра зависят от влажности и температуры воздуха и поэтому его можно использовать для прогнозирования погоды.

С 1655 г. Паскаль ведет полумонашеский образ жизни в обители Пор-Руаяль-де-Шан, вступив в полемику с иезуитами по вопросам религиозной этики; результатом этой полемики стали известные «Письма провинциала» (1657 г.) – шедевр французской сатирической прозы, – и «Мысли господина Паскаля о религии и о некоторых других предметах».

Умер Блез Паскаль 19 августа 1662 г. в Париже.

Его именем названа единица давления – паскаль (Па).

Исаак Ньютон

(4 января 1643 г. – 31 марта 1727 г.)

Ньютон – выдающийся английский ученый, заложивший основы современного естествознания, создатель классической физики.

Исаак Ньютон родился в небольшом поселке Вулсторп в Англии. Отец Ньютона был небогатым землевладельцем, умершим незадолго до рождения сына. Начальное образование Ньютон получил сначала в сельской школе, а затем учился в школе соседнего городка Грантам, где он поселился на квартире у местного аптекаря.

Известно, что в школе Ньютон интересовался богословием, изучал несколько иностранных языков. Свободное время Исаак посвящал изготовлению различных механических игрушек, часов и т. п.

После окончания школы Ньютон готовится к поступлению в Тринити-колледж в Кембридже, куда его и приняли в 1660 г. как «сабсайзера» (т. е. бедного студента, который освобождается от оплаты за обучение, но который должен обслуживать бакалавров, магистров и обеспеченных студентов).

В 1664 г. Ньютон переходит на старший курс и получает звание «действительного студента». Уже тогда молодой исследователь привлек к себе внимание известного профессора И. Барроу, который стал его наставником.

С весны 1665 г. до конца 1666 г. Ньютон уже написал пять статей о новых сделанных им открытиях, имевших отношение к физике и математике (в частности, речь шла о дифференциальном и интегральном исчислениях). Ни одна из этих статей тогда не была опубликована, что, кстати, стало поводом для обвинений со стороны других ученых (в частности, Лейбница), которые считали, что сделали подобные открытия ранее.

В октябре 1669 г. его учитель Барроу передал Ньютону заведование кафедрой математики. С тех пор Кембридж стал центром физики и математики, а заведование кафедрой, на которой когда-то работал Ньютон, – делом чести английских ученых.

Надгробный памятник Ньютону

Первые работы Ньютона касаются оптики, хотя издал он их гораздо позже труда по механике. Широко известна полемика 1670-х годов Ньютона и Гука относительно свойств света. Крупным научным событием стал выход в 1687 г. выдающегося труда «Математические начала натуральной философии», в котором сформулированы основные идеи новой механики.

Интересно, что Ньютону пришлось заняться и политикой – с января 1688 г. по февраль 1690 г. он участвует в работе английского парламента.

После тяжелой болезни Ньютон в 1694 г. приступил к работе по теории движения Луны, но его друг, канцлер казначейства Ч. Монтеню пригласил Ньютона занять должность смотрителя Монетного двора, директором которого он стал в 1699 г.

Ньютон, кроме всего прочего, был еще и выдающимся философом, большое внимание уделял религиозным вопросам.

Когда в 1727 г. Ньютон умер, его похоронили с большими почестями в Вестминстерском аббатстве – английском национальном пантеоне. Надпись на памятнике заканчивается словами: «Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение человеческого рода».

А теперь все же остановимся на научных работах Ньютона. В основном они относятся к механике, оптике, астрономии, математике.

Ньютон сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, дисперсию света, развил корпускулярную теорию света, разработал (независимо от Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления.

Его «Математические начала натуральной философии» содержали основные понятия классической механики, в частности понятия массы (которому Ньютон придавал большое значение как основному в механических процессах), количества движения, силы, ускорения, центростремительной силы и три закона движения (законы Ньютона) – закон инерции, закон пропорциональности силы ускорению и закон действия и противодействия.

Исходя из открытого им закона всемирного тяготения, Ньютон объяснил движение небесных тел (планет, их спутников, комет) и создал теорию тяготения. Открытие этого закона знаменовало переход от кинематического описания Солнечной системы к динамическому объяснению явлений и окончательно утвердило победу учения Коперника.

Он показал, что из закона всемирного тяготения вытекают три закона Кеплера; объяснил особенности движения Луны; развил теорию формы Земли, заметив, что она должна быть сжата у полюсов, теорию приливов и отливов; рассмотрел проблему создания искусственного спутника Земли и т. д.

Ньютон создал такую физическую картину мира, которая длительное время господствовала в науке («ньютоновская теория пространства и времени»). Пространство и время он считал абсолютными, т. е. неизменными при переходе к различным системам отсчета. С таким пониманием пространства и времени тесно связана его идея дальнодействия – мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстоянии через пустое пространство без помощи материи.

Ньютоновская теория дальнодействия и его научная схема мира господствовали почти до начала XX в. Впервые ее ограниченность обнаружили М. Фарадей и Дж. Максвелл, показав неприменимость ее к электромагнитным явлениям, а теория относительности, возникшая в начале XX в., окончательно доказала ограниченность классической физики Ньютона – физики малых скоростей и макроскопических масштабов.

Однако специальная теория относительности Эйнштейна не отвергла полностью закономерностей, установленных классической механикой Ньютона, а лишь уточнила и дополнила ее для случая движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света в вакууме.

«Сейчас место ньютоновской схемы дальнодействующих сил заняла теория поля, изменились и его законы, но все, что было создано после Ньютона, является дальнейшим органическим развитием его идей и методов», – писал создатель теории относительности Альберт Эйнштейн.

Большим был вклад Ньютона в оптику. В 1666 г. с помощью трехгранной стеклянной призмы он разложил белый свет на семь цветов, получив картину, которую он назвал спектром. Тем самым Ньютон доказал сложность белого света (явление дисперсии).

Ньютон, пытаясь избежать аберрации в телескопах, в 1668–1671 гг. сконструировал телескоп нового типа – рефлектор – оригинальной системы, где, кроме линзы, использовалось вогнутое сферическое зеркало (его так и называют – телескоп-рефлектор Ньютона).

Ньютон исследовал явления интерференции и дифракции света, изучая цвета тонких пластинок. Открытые им цвета тонких пленок называют «кольца Ньютона».

Считают, что Ньютон был сторонником корпускулярной теории света, в которой свет воспринимался как поток особых частиц – «корпускул». Однако на разных этапах своих исследований Ньютон рассматривал возможность существования и волновых свойств света, в частности, в 1675 г. сделал попытку создать компромиссную корпускулярно-волновую теорию света. Результаты своих оптических исследований он изложил в знаменитом трактате «Оптика» (1704 г.).

Научное творчество Ньютона сыграло важную роль в истории развития физики. По словам А. Эйнштейна, Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, определяющие ход широкого класса процессов в природе, и «оказал своими работами глубокое и сильное влияние на все мировоззрение в целом».

В его честь названа единица силы в Международной системе единиц – ньютон (Н).

Великий ученый осознавал, что его открытие – это начало бесконечного поиска истины. Он говорил: «Не знаю, кем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, который развлекается тем, что время от времени ищет камешек более цветистый, чем обычно, или красивую раковину, тогда как неизмеримый океан истины расстилается передо мной неисследованным…»

Роберт Гук

(18 июля 1635 г. – 3 марта 1703 г.)

Роберт Гук родился в городке Фрешуотер на английском острове Уайт в семье настоятеля местной церкви. Мальчик рано проявлял склонность к изобретательству, но из-за слабого здоровья не смог вовремя пойти в школу. Рано потеряв отца, Гук вынужден был сам выбирать жизненный путь. Сначала он стал учеником живописца, но стремление к знаниям возобладало, он окончил среднюю школу и поступил в Оксфордский университет. Обучение было платным, поэтому Гуку потребовались заработки. Один из преподавателей университета порекомендовал его известному ученому Роберту Бойлю в качестве ассистента для проведения экспериментальных исследований. Сотрудничество Бойля и Гука было плодотворным: его результатом стало создание усовершенствованного воздушного насоса, применение которого позволило провести множество интересных опытов.

В 1662 г. при содействии Бойля Гука рекомендовали на должность демонстратора Лондонского Королевского общества. В обязанности Гука входила подготовка трех-четырех опытов, которые демонстрировались на еженедельных заседаниях Общества. Эти обязанности он выполнял в течение нескольких десятилетий.

Гук не ограничивал свою деятельность конструированием научных приборов и экспериментами. Он был профессором геометрии в одном из лондонских колледжей, а после страшного пожара в Лондоне (1666 г.) был смотрителем работ по перестройке пострадавшей части города. По проектам Гука возведен ряд общественных зданий.

Однако главной страстью Гука все же были научные исследования. Свою первую самостоятельную работу, посвященную капиллярности, Гук опубликовал в 1661 г. Он разрабатывал и совершенствовал астрономические инструменты, проводил биологические, географические, геологические исследования. В каждую из этих областей он внес значительный вклад.

Особую известность получила работа Гука «Микрография», вышедшпя в свет в 1665 г. В этой небольшой книге Гук описал множество наблюдений, проведенных с помощью усовершенствованного им микроскопа. Но в ней изложены также и мысли Гука о природе света, дающие право считать его одним из основоположников волновой теории света. Там же описаны и эксперименты из других отраслей естествознания.

В 1666 г. меценат Дж. Кутлер предложил Гуку за довольно большое вознаграждение регулярно читать лекции для членов Лондонского Королевского общества. Гук согласился и в течение многих лет выступал с лекциями, посвященными различным проблемам естествознания. В них Гук докладывал о результатах собственных исследований и анализировал работы других ученых.

Одна из серий Кутлеровских лекций была посвящена проблеме упругости. Широкая трактовка понятия упругости привела Гука к необходимости поиска общего закона. Установленный им закон носит сейчас его имя.

Теоретические выводы Гука были подкреплены многочисленными экспериментами, поэтому приоритет Гука в установлении закона упругости никогда не подвергался сомнению.

Вместе с тем разнообразие научных интересов Гука имело иногда и негативные последствия. Он часто не доводил свои исследования до конца, хотя и высказывал очень глубокие идеи. Например, именно Гук способствовал открытию закона всемирного тяготения Ньютона, изложив в работе в 1674 г. взгляды, близкие тем, что потом развил Ньютон в «Началах». В результате таких случаев часто возникали острые споры о приоритете (с Гюйгенсом, Ньютоном и др.). Однако искренняя преданность науке компенсировала недостатки резкого характера Гука, и его всегда глубоко уважали ученые не только Англии, но и всей Европы.

(Портрет Гука не сохранился, но существует изображение, являющееся реставрацией, сделанной по найденным описаниям.)

Михаил Васильевич Ломоносов

(8 (19) ноября 1711 г. – 4 (15) апреля 1765 г.)

М. В. Ломоносов – первый русский ученый-естествоиспытатель мирового значения, поэт, заложивший основы современного русского литературного языка, художник, историк, поборник развития российского образования и науки.

Хотя его биография широко известна, напомним некоторые ее моменты.

Родился Ломоносов 8 (19) ноября 1711 г. вблизи северного российского города Архангельска в семье крестьянина-поморянина Василия Дорофеева. С детских лет Ломоносов интересовался явлениями природы, пытаясь самостоятельно понять их причины.

«Воротами мудрости» для себя он потом называл книги, которые имел возможность тогда прочесть: «Арифметику» Л. Магницкого и «Грамматику» М. Смотрицкого.

Согласно легенде, в 1730 г. Ломоносов пешком пришел в Москву – учиться! Он поступил в училище при Заиконоспасском монастыре (Славяно-греко-латинской академии). В течение 1733 г. Ломоносов учился и работал в библиотеке Киево-Могилянской академии, затем он снова вернулся в Москву.

Несколько лучших своих учеников в 1735 г. Славяно-греко-латинская академия направила учиться в Петербург, среди них был и Ломоносов. В 1736 г. его вместе с двумя лучшими студентами (Виноградовым и Рейзером) послали в Марбург и Фрейбург (Германия) для обучения горному делу.

За рубежом Ломоносов пробыл пять лет и в 1741 г. вернулся в Россию образованным специалистом и ученым. С этого времени и до конца своих дней он работает на российскую науку в разных ее областях.

С 1742 г. Ломоносов адъюнкт, а с 1745 г. – академик Петербургской академии наук.

В 1748 г. он, будучи автором первого в России учебника по химии, основал при Академии наук первую русскую химическую лабораторию.

Открытия Ломоносова обогатили многие отрасли знания. Он развивал атомно-молекулярные представления о строении вещества. В период господства неверной теории теплорода утверждал, что теплота обусловлена движением корпускул (частиц). Сформулировал принцип сохранения материи и движения.

Даже краткий перечень важных научных направлений, в развитие которых Ломоносов внес значительный вклад, способен вызвать искреннее восхищение широтой его научных интересов. Он исследовал атмосферное электричество и силу тяжести; создал учение о цвете; создал ряд оптических приборов; открыл атмосферу на Венере; описал строение Земли; объяснил происхождение многих полезных ископаемых и минералов; заложил основы физической химии.

Ломоносов был выдающимся русским поэтом-просветителем XVIII века. Он был создателем русской оды философского и высокого гражданского звучания, автором поэм, поэтических посланий, трагедий, сатиры, фундаментальных филологических работ и научной грамматики русского языка. Недаром Ломоносова называют ученым-энциклопедистом!

Ломоносов возродил искусство мозаики и производство смальты[5], создавал вместе с учениками мозаичные картины. Был членом Академии художеств с 1763 г.

Деятельность Ломоносова была прервана преждевременной смертью в 1765 г.

Именем М. В. Ломоносова назван один из крупнейших университетов – Московский.

Генри Кавендиш

(10 октября 1731 г. – 24 февраля 1810 г.)

Канцлерами Кембриджского университета в Англии всегда были влиятельные лица с громкими именами. Они не управляли университетом – они оказывали ему покровительство.

Для истории науки, в конечном счете, совершенно безразлично, по каким мотивам в 1869 г. канцлер университета, седьмой герцог Девонширский, решил помочь процветанию физических исследований в Кембридже. Важно, что он не только благословил создание новой лаборатории и кафедры физики, но и дал необходимые для этого дела деньги. А родовое имя герцогов Девонширских было – Кавендиш.

Однако так же верно и то, что новая лаборатория и новая кафедра получили название Кавендишской в честь Генри Кавендиша – замечательного ученого, человека странных привычек. Обе версии, казалось бы, несовместимые, очень просто сливаются в одну: Генри Кавендиш принадлежал к тому же древнему роду, что и канцлер Кембриджского университета.

Второй сын герцога Чарльза Девонширского, Генри Кавендиш не имел наследственного права на богатство отца. Он мог унаследовать только родительские склонности. Среди них была страсть к научным занятиям.

Свободный от соблазнов будущей карьеры, замкнутый и робкий мальчик с очень раннего возраста целиком отдался этим занятиям: физика и химия стали страстью всей его жизни. А поскольку природа наделила его несомненной гениальностью, он единственный сумел принести знатному роду Кавендишей заслуженную славу. И конечно, память о нем сыграла свою роль в великодушном решении седьмого герцога Девонширского.

В каждой лаборатории накапливается с годами свой фольклор. В рассказах, чаще немного анекдотических или похожих на притчи, оживают выразительные образы прошлого. Даже если этим рассказам не хватает точности документа, в них есть нечто большее – то, что отражает отношение современников к тем, кого уже нет. Память о Генри Кавендише иногда косвенно, иногда явно играла вдохновляющую роль в жизни лаборатории.

Он отдал почти сорок лет своей одинокой и сосредоточенной на науке жизни исследованию электрических явлений. Но результаты и методы этих исследований оставались неизвестными: Кембриджская библиотека сохраняла двадцать стопок неразобранных рукописей Кавендиша. Между тем о нем было сказано: «Руки мастера, управляемые гениальной головой». Его архив мог таить самые неожиданные откровения.

Это было тем более вероятно, что человеком он был непредсказуемым. Любой лабораторный фольклор начинал казаться пресной будничностью, как только среди кавендишевцев заходила речь о самом Кавендише.

…Конюшни отца послужили ему первым пристанищем для опасных экспериментов с электричеством. Но потом он превратил в лабораторию большую часть огромного родного дома. Лишенный права на родительское богатство, он вдруг получил огромное состояние от своего дяди. Однако ни транжирой, ни дельцом не стал. Ему было тогда уже за сорок, образ жизни и привычки его давно сформировались, и менять их он не собирался. Изменился только бюджет его физической лаборатории в старом герцогском доме. Теперь он мог позволить себе очень дорогостоящие опыты. И его занятия наукой сделались более углубленными.

В похвальном слове Кавендишу французский физик Жан Био сказал так: «Он был самым богатым из ученых и, вероятно, самым ученым из богачей».

Очень метко сказал о нем Дж. Дж. Томсон: «Он всегда делал то, что делал прежде». В течение всей жизни он выходил на прогулку в одно и то же время дня. Решив свести к нулю вероятность встречи с кем-нибудь из знакомых лондонцев, Кавендиш ввел обычай ходить только посередине мостовой. Уклоняться от лошадей было легче, чем от человеческой пустой болтовни. Отшельник и «молчальник», он и со своим домоправителем никогда не вступал в разговоры, отдавая предпочтение кратким запискам.

Женская прислуга в доме Кавендиша не рисковала попадаться ему на глаза: за это им могли отказать от места. Раз в год, в один и тот же день и час, к нему приходил портной. Молча снимал мерку и исчезал. Никаких вопросов о материале и фасоне нового платья: костюм должен был быть копией прежнего с необходимым исправлением, связанным с естественным изменением параметров хозяина. Так был устранен еще один повод для бессмысленных размышлений и пустой болтовни.

В двадцать девять лет он был избран членом Лондонского Королевского общества. Через десять лет случай или дела привели его на обед в академический клуб. Эти обеды происходили по четвергам и начинались в пять часов вечера. С того дня и до конца жизни, в течение сорока лет, каждый четверг ровно в пять он приходил на обед Королевского общества. Но 1774 г. начинался с четверга и кончался пятницей. Поэтому в 1774 г. Генри Кавендиш пообедал с коллегами не пятьдесят два раза, как обычно, а пятьдесят три!..

Однако лишь немногие из завсегдатаев клуба знали, как звучит его голос. Он заговаривал только тогда, когда мог сообщить им что-то чрезвычайное. За сорок лет его шляпа ни разу не сменила своего места в клубном гардеробе.

Он был само воплощение сосредоточенности. И это сделало его в глазах современников неисправимым чудаком. Но это же сделало его и исследователем величайшего масштаба…

После того как Уильям Томсон и Герман Гельмгольц – два крупнейших европейских авторитета в физике того времени – не смогли принять предложения переехать в Кембридж, на должность директора вновь созданной лаборатории был приглашен сорокалетний, но уже достаточно известный, автор «непонятной» теории электромагнитного поля. Джеймс Клерк Максведя стал первым кавендишевским профессором. И через два года он взялся за неопубликованное наследство Генри Кавендиша, добровольно став текстологом, редактором и даже переписчиком чужих неразборчивых рукописей. Максвелл решил повторить весь путь его математических и лабораторных изысканий. Он переписал от руки манускрипты Кавендиша и заново провел его опыты!

Выяснилось: за двенадцать лет до Шарля Кулона лондонский отшельник установил с высокой степенью точности кулоновский закон взаимодействия электрических зарядов (это произошло еще в 1771 г.). Выяснилось также, что за шестьдесят пять лет до Фарадея он открыл влияние среды на течение происходящих в ней электрических процессов. И для различных сред экспериментально определил величину, характеризующую это влияние: диэлектрическую постоянную. Так, задолго до Фарадея, Кавендиш пришел к отрицанию actio in distans – «действия на расстоянии» – действия через пустоту.

Кавендиш открыл влияние среды на электроемкость конденсатора и определил величину, которая это влияние характеризовала, – диэлектрическую проницаемость. Он также рассчитал значение этой величины для некоторых веществ.

В 1766 г. Кавендиш получил в чистом виде водород, определил его свойства, установил состав воды и показал, что ее можно получить искусственным путем.

Максвелл был и поражен, и очарован отважной изобретательностью Генри Кавендиша, когда узнал, что для определения силы тока тот пользовался… собственным телом как гальванометром! О величине тока Кавендиш научился судить по относительной силе удара, который он получал при замыкании электрической цепи.

Рассказ об этом вызвал изумление у всех. Самоотверженные посетители лаборатории просили Максвелла проверить, могут ли и они послужить хорошими гальванометрами, и он с улыбкой подвергал их этому испытанию.

Отдавая последний долг великому ученому, Максвелл в 1879 г. издал неопубликованные работы гениального «молчальника». Они вышли в свет под названием «Электрические исследования достопочтенного Генри Кавендиша». Это звучало возвышенно и старомодно. У молодой лаборатории, носившей имя Кавендиша, будто появился свой вдохновляющий на научные подвиги эпос…

При жизни Кавендиш если и был известен, то лишь как замечательный химик. В 1760—1770-е гг. он стал одним из ведущих исследователей свойств газов. В частности, он получил неоспоримые доказательства того, что воздух имеет определенный состав, а не является чем-то однородным.

В течение многих лет Кавендиш занимался также математикой, механикой, минералогией и астрономией. Он проводил научные исследования почти до конца своей жизни.

Образцом экспериментального искусства Кавендиша был цикл опытов по определению средней плотности Земли. Идея этих опытов принадлежала Дж. Митчеллу, с которым Кавендиш много лет состоял в перепске. После смерти Митчелла исследование провел именно Кавендиш с помощью усовершенствованной установки (так называемых крутильных весов) в 1798 г. Именно Кавендиш установил значение гравитационной постоянной G, которое было достаточно точным для того времени. Эта гравитационная постоянная, как говорят, помогла «взвесить Землю», потому что теперь можно было рассчитать искомое значение массы планеты.

«Что касается скрытности Кавендиша, то она совершенно непростительна. Это грех!..» – написал в 1891 г. известный электрофизик Хевисайд.

Несомненно, во многих случаях Кавендиш опередил науку тех времен, но об этом узнали поздно.

Изобретатели термометра

Андерс Цельсий

(27 ноября 1701 г. – 25 мая 1744 г.)

Известный шведский астроном, физик и геофизик Андерс Цельсий родился 27 ноября 1701 г. в Упсале (Швеция).

Он закончил Упсальский университет и с 1730 г. до конца жизни был профессором этого университета. При его участии была организована Упсальская обсерватория, директором которой он стал в 1740 г.

В 1733 г. Цельсий опубликовал данные наблюдений северного сияния, которые он получил вместе с другими астрономами в период с 1716 по 1732 год. Цельсий также впервые измерил яркость звезд.

В 1733 г. Цельсий принимал участие в экспедиции, целью которой была проверка гипотезы Ньютона о том, что Земля сплющена на полюсах. Ученый участвовал в Лапландской экспедиции 1736–1737 гг. по измерению длины меридиана.

В 1742 г. он опубликовал работу с описанием стоградусной шкалы термометра, в которой температура кипения воды в условиях нормального атмосферного давления была принята за 0°, а температура таяния льда – за 100°. Одно деление такой шкалы составляет 1/100 этой разницы.

Позже шведский биолог К. Линней «перевернул» эту шкалу, приняв за 0° температуру таяния льда. Этой шкалой мы пользуемся до сих пор, называя ее шкалой Цельсия.

Умер Цельсий в Упсале 25 апреля 1744 г.

В честь него назван минерал «цельзиан» – бариевый полевой шпат. Встречается цельзиан чаще всего в месторождениях, обогащенных марганцевыми породами, он найден в Украине, в Швеции, Японии и других странах.

Рене Реомюр

(28 февраля 1683 г. – 17 октября 1757 г.)

…В 1710 г. президент Французской Счетной палаты Монпелье Бок представил в Академию наук чулки и перчатки, связанные из паутины паука-крестовика. Они были очень красивые, легкие и очень прочные. Сразу возникли грандиозные планы широкого применения паутины. Только один ученый смог остудить пыл мечтателей-академиков. Рене Реомюр скрупулезно подсчитал, что для выработки одного фунта такой пряжи нужного 663 552 паука…

Французский естествоиспытатель Рене Реомюр обычно ассоциируется с изобретением спиртового термометра с температурной шкалой («шкала Реомюра»), которая так и не прижилась. Сделал он это в 1730 г.

Но он был прежде всего биологом, его «Мемуары по естественной истории насекомых» – образец добросовестной научной работы. Но если сказать еще точнее – Реомюр был ученым-универсалом, что является достаточно редким явлением с точки зрения нынешнего времени.

Таинственная преобразовательная сила, ответственная за преобразования в живом и неживом мире, – главная идея Рене Реомюра. Он осуществляет странный опыт – кормит пернатых хищников мясом, помещенным в железные капсулы с множеством дырочек. Через некоторое время капсулы выходят наружу – без мяса. Это в корне меняет представление ученых о работе желудка, которому тогда предписывали чисто механическое дробление пищи. С подачи Реомюра, его коллега-натуралист Лазар Спалланцани доказывает, что на еду в желудке влияет желудочный сок, который расщепляет ее.

Широта интересов Реомюра помогает ему работать на стыке разных областей знаний. Так, изучая ос, ученый открыл, что они используют для строительства гнезда растительные волокна, а материал, получаемый ими, очень похож на картон. Это натолкнуло Реомюра на мысль, что бумагу нужно изготавливать из древесины, а не из старой одежды, как это делали в Европе в то время.

А изучение процессов замерзания веществ привело Реомюра к изобретению нового метода приготовления мороженого, которое отличалось необыкновенной мягкостью.

Реомюр так и не нашел свою преобразовательную силу, но доказал всей своей жизнью, что познание – мощная преобразовательная сила в природе!

Габриэль Даниэль Фаренгейт

(14 мая 1686 г. – 16 сентября 1736 г.)

Немецкий физик Габриэль Даниэль Фаренгейт родился 24 мая 1686 г. в г. Данциг (ныне Гданьск, Польша).

Изучал физику в Германии, Голландии и Англии, но начал с коммерческих сделок, изучая их в 1702–1706 гг. в Амстердаме.

Почти всю жизнь прожил в Голландии, где производил точные метеорологические приборы. В 1709 г. изготовил спиртовой термометр, в 1714 г. – ртутный термометр, применив новый способ очистки ртути.

Для ртутного термометра Фаренгейт построил шкалу, имеющую три реперные точки: 0° соответствовал температуре смеси «вода – лед – нашатырный спирт», 96° – температуре тела здорового человека, а за контрольную температуру было принято значение 32° для точки таяния льда. Температура кипения чистой воды по шкале Фаренгейта составила 212°.

Шкала Фаренгейта применяется во многих англоязычных странах (например, в США), хотя сейчас она уже начала уступать место шкале Цельсия.

(Кстати, известный роман писателя-фантаста Рэя Брэдбери называется «451° по Фаренгейту» – поскольку температура горения бумаги по шкале Фаренгейта имеет именно такое значение.)

Кроме изготовления термометров, Фаренгейт совершенствовал барометры и гигрометры (приборы для измерения влажности воздуха). Исследовал также зависимость изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и растворенных в ней солей, открыл явление переохлаждения воды, составил таблицы удельного веса тел.

Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1736 г.

Александр (Алессандро) Вольта

(18 февраля 1745 г. – 5 марта 1827 г.)

Александр Вольта родился 18 февраля 1745 г. в небольшом городе Комо близ Милана.

Учился в школе ордена иезуитов, но еще в ранние годы увлекся естественными науками, особенно электричеством. Первая печатная научная работа А. Вольты увидела свет, когда ему было двадцать четыре года. Уже с самого начала исследователь привлек к себе внимание и был приглашен на место преподавателя физики в гимназию своего города.

С 1779 г. Вольта – изобретатель электрофора, профессор Павийского университета. А в 1815–1819 гг. он – директор философского факультета Падуанского университета. Член Лондонского Королевского общества и Парижской академии наук.

Заинтересовавшись опытами Л. Гальвани с «животным» электричеством, начал в 1792 г. их повторять и вскоре пришел к выводу, что причиной появления кратковременного электрического тока в мышцах лягушек является не свойственное им «животное» электричество, как считал Л. Гальвани, а наличие цепи проводников двух классов (двух разновидностей металлов и жидкости).

После длительных экспериментов для усиления эффектов, возникающих при соединении нескольких разнородных проводников, Вольта сконструировал в конце 1799 г. первый источник постоянного гальванического (электрического) тока – вольтов столб.

Первый вольтов столб состоял из двадцати пар медных и цинковых кружков, разделенных кусочками сукна, смоченного соленой водой.

Мир узнал об этом из письма Вольты к президенту Лондонского Королевского общества Дж. Бэнксу, которое было датировано 20 марта 1800 г.:

«После долгого молчания, в чем я не стану оправдываться, я хочу сообщить Вам, а через Вас Королевскому обществу, о некоторых поразительных результатах, к коим я пришел во время моих опытов с электричеством, вызываемым соприкосновением двух разных металлов, а также других проводников различной природы, жидких или содержащих некоторую влагу, которой они как раз и обязаны своей проводимостью.

Самым основным и включающим почти все остальные результаты является постройка прибора, сходного по эффектам, т. е. по дрожанию в руках и т. д., с лейденской банкою… Но он в то же время значительно отличается от них…

Действительно, мой прибор, который, несомненно, удивит Вас, состоит из некоторого количества хороших проводников разного рода, расположенных в определенном порядке. Его образуют 30, 40, 60 и более кусков меди (или серебра), каждый из которых положен на кусок свинца (или цинка), и такого же количества слоев воды или другого лучшего жидкого проводника, как, например, соленая вода или кусков кожи, картона и тому подобное, пропитанных этими жидкостями…

…Мой прибор своими действиями подобен лейденской банке или электрическим батареям и вызывает такие же сотрясения, как и они.

…Действие моего прибора возрастает с ростом температуры окружающего воздуха, или воды, или входящих в его состав дисков.

Электрическая сила этого прибора увеличивается и доводится до величины, равной электрической силе ската, электрического угря или даже превышает их благодаря большому количеству дисков… Если к 20 парам добавить еще 20 или 30 других, то сотрясения, вызванные таким длинным столбом, отличаются особенно большой силой, они пройдут через обе руки к плечу, особенно в руке, погруженной в воду. Эта рука с предплечьем немеет…»

О впечатлении, которое открытие Вольта произвело на научный мир, можно судить хотя бы по тому, что его пригласили во Францию и Англию для демонстрации своего «столба». В Париже он показывал опыты на заседании Академии наук, на котором присутствовал и Бонапарт.

А еще Алессандро Вольта сделал многое другое: открыл (1795) взаимную электризацию разнородных металлов при их контакте (контактное электричество) и разместил металлы в так называемый ряд напряжений (1801); объяснил гальваническую поляризацию элементов; построил смоляной электрофор (1775), чувствительный электроскоп с соломинкой (1781), конденсатор (1783), электрометр и другие приборы, описал проект телеграфа (!). Вольта исследовал также тепловое расширение воздуха, наблюдал диффузию (1790), установил проводимость пламени (1787), открыл метан (1776).

Его именем названа единица напряжения – вольт (В).

Андре Мари Ампер

(22 января 1775 г. – 10 июня 1836 г.)

Выдающийся французский ученый, физик, математик и химик, в честь которого названа одна из основных электрических величин – единица силы тока – ампер, родился 22 января 1775 г. в Лионе.

Предки Андре Мари Ампера были ремесленниками, жившими в окрестностях Лиона. Их профессиональный и культурный уровень быстро возрастал от поколения к поколению, и прадед ученого, Жан Жозеф был не только опытным каменотесом, но и выполнял сложные строительные и реставрационные работы, а его сын Франсуа уже стал типичным просвещенным городским буржуа, представителем довольно зажиточного третьего сословия.

Отец Андре Мари, Жан Жак Ампер, получил хорошее образование, овладел древними языками, собрал прекрасную библиотеку, живо интересовался идеями просветителей. В воспитании детей он руководствовался принципами Руссо. Его политическим идеалом была конституционная монархия.

Революция застала Жан Жака Ампера на должности королевского прокурора и королевского советника в Лионе. Падение Бастилии семья Ампер встретила с энтузиазмом. Но вскоре в семью пришло большое горе. Жан Жак придерживался умеренных взглядов, и ему это не сошло с рук. Лионцы восстали против зверств якобинцев, их восстание было подавлено, и жирондист Жан Жак Ампер был казнен 24 ноября 1793 г. Это было страшное потрясение для Андре Мари и всей его семьи (к тому же они перенесли еще один удар – от туберкулеза умерла Антуанетта, старшая из сестер).

Спасли Андре Мари и вернули его к жизни книги. Читать он начал примерно с четырех лет, в четырнадцать лет прочитал все двадцать томов «Энциклопедии» Дидро и Д’Аламбера, а чтобы читать труды Бернулли и Эйлера, за несколько недель изучил латинский язык.

Чтение вообще было не только главным, но единственным источником его знаний. Других учителей у него не было, он никогда не ходил в школу, не сдал за всю свою жизнь ни одного экзамена. Ампер не просто читал, он изучал, творчески усваивая прочитанное, не случайно уже в 12–14 лет он стал посылать математические мемуары (так тогда называли научные труды) в Лионскую академию, писал научные труды по ботанике, изобретал новые конструкции воздушных змеев, работал над созданием нового международного языка и даже совмещал все это с созданием эпической поэмы.

Перенесенные душевные травмы почти на два года лишили Андре Мари нормального ритма жизни. Только в двадцать лет он снова начинает тянуться к книгам и знаниям.

После женитьбы Ампер начал преподавать, давая частные уроки по математике.

Ему посчастливилось выхлопотать место учителя в Центральной школе города Бурга. Пройдя в феврале 1802 г. собеседование, он был признан подготовленным для проведения занятий.

Обстановка в бургской школе была убогой, и Ампер на свои заработки пытался хоть немного усовершенствовать физический и химический кабинеты.

Несмотря на большую педагогическую нагрузку, Ампер не оставляет научной работы. Именно в это время во вступительной лекции в Центральной школе в 1802 г., а еще раньше – на заседании Лионской академии, в присутствии Алессандро Вольта, он впервые высказывает мысль, что магнитные и электрические явления могут быть объяснены, исходя из единых принципов.

Не ослабевают его усилия также и в области математики. Здесь на первый план выходят исследования по теории вероятностей. Их заметили в Академии наук, где, в частности, на них обратил внимание выдающийся ученый Лаплас. На этом основании Ампера признали достойным должности преподавателя в Лионском лицее. Его кандидатуру выдвинул известный математик Д’Аламбер. В апреле 1803 г. Декретом Консульства Ампера назначили на место преподавателя лицея.

Однако уже в середине октября 1804 г. он был зачислен на должность репетитора Политехнической школы в Париже и переехал туда.

Переезд в Париж состоялся вскоре после того, как Ампер овдовел. Потеря жены привела его в отчаяние. Возможно, еще и потому Ампер, несмотря на мольбы его матери, поспешил покинуть Лион, чтобы начать в Париже преподавание в Политехнической школе, организованной за десять лет до этого.

Начав работать репетитором, Ампер уже в 1807 г. взялся за самостоятельные занятия, а чуть позже он был уже профессором математического анализа. Вскоре в Политехнической школе появился двадцатичетырехлетний Араго, с которым Ампер начал проводить важные совместные исследования.

Профессиональных обязанностей у Ампера тем временем становилось все больше. Его назначают на должность профессора математического анализа и экзаменатора по механике в первом отделении Политехнической школы, он работает (до 1810 г.) в Консультативном бюро искусств и ремесел и с осени 1808 г. – в должности главного инспектора университета. Эта работа, выполнять которую Ампера вынудили тяжелые материальные обстоятельства, требовала постоянных разъездов, отнимала очень много времени и сил. Он отдал этой изнуряющей работе двадцать восемь лет, и последнея командировка закончилось по дороге в Марсель в 1836 г. смертью.

Перегруженность работой и житейские невзгоды не могли не отразиться на научной продуктивности Ампера. Это особенно сказалось на его исследованиях в области математики, хотя за ним сохранялось почетное право посещать заседания Академии наук и подавать мемуары. В меньшей мере спад научной активности коснулся химии, с видными представителями которой Ампер плодотворно общался. Почти весь 1808 г. он был увлечен идеями, которые впоследствии стали относить к атомистике. Но резкий взлет научной активности, главные достижения выпали на годы после его избрания в 1814 г. в Академию наук.

Ампер был избран в число членов Парижской академии наук по секции геометрии 28 ноября 1814 г. Круг его научных и педагогических интересов к тому времени вроде бы уже вполне определился, и ничто, казалось бы, не предвещало здесь заметных изменений. Но время этих изменений уже приближалось, приближалось второе десятилетие девятнадцатого века, время самых главных научных достижений Ампера.

В 1820 г. Ампер узнал об опытах, которые незадолго до того проводил датский физик Ганс Христиан Эрстед. Ампер был в полном восторге от описания этих опытов. Вопреки своим идеям он выступил в это время не только как теоретик, но и провел опыты (для чего даже собственноручно изготовил столик – эта реликвия хранится сейчас в Коллеж де Франс).

Он отложил все другие дела и 18 и 25 сентября 1820 г. сделал свои первые сообщения об электромагнетизме. Фактически за эти две недели Ампер пришел к своим самым главным научным результатам.

Влияние этих работ Ампера на многие отрасли науки – от физики атома и элементарных частиц до электротехники и геофизики – невозможно переоценить.

Многим тогда казалось, что есть электрические, а есть и магнитные заряды, и мир электрических явлений во всем подобен миру магнитных явлений. Открытие Эрстеда многие истолковали тогда так, что под действием электрического тока проволока, по которой этот ток протекает, намагничивается, а потому и действует на магнитную стрелку.

Ампер выдвинул принципиально новую идею: никаких магнитных зарядов в природе вообще не существует, есть только электрические заряды, и магнетизм возникает только благодаря движению электрических зарядов, благодаря электрическому току. Он создал новую науку об электричестве и магнетизме, и даже термин «Электродинамика» был введен Андре Мари Ампером.

Майкл Фарадеи

(22 сентября 1791 г. – 25 августа 1867 г.)

Фарадей родился в семье кузнеца. Кузнецом был и его старший брат Роберт, который всячески поощрял тягу Майкла к знаниям и поначалу поддерживал его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая, мудрая, хотя и необразованная женщина, дожила до того времени, когда ее сын добился

успехов и признания, и заслуженно гордилась им.

Скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю школу, и, когда ему исполнилось тринадцать лет, он поступил учеником к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской, где и проработал около десяти лет.

Все это время Фарадей упорно занимался самообразованием – прочитал всю доступную ему литературу по физике и химии, повторял в своей домашней лаборатории опыты, описанные в книгах, посещал по вечерам частные лекции по физике и астрономии. Деньги (по шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата. На лекциях у Фарадея появились новые знакомые, с которыми он много переписывался, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения, он также пытался овладеть приемами ораторского искусства.

Один из клиентов переплетной мастерской, член Лондонского Королевского общества Дено, заметив, что Фарадей интересуется наукой, помог ему попасть на лекции выдающегося физика и химика Гемфри Дэви в Королевском институте. Фарадей не только прилежно записал, но даже переплел четыре лекции и вместе с письмом послал лектору.

Этот «смелый и наивный шаг», по словам самого Фарадея, был решающим в его судьбе. В 1813 г. Дэви (не без некоторых колебаний) пригласил Фарадея на место ассистента, освободившееся в Королевском институте, а осенью того же года взял его в двухгодичную поездку по научным центрам Европы.

Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий, познакомился с такими учеными, как А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак, которые, в свою очередь, обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

По возвращении в 1815 г. в Королевский институт Фарадей начинает интенсивно работать, все больше и больше отдаваясь самостоятельным научным исследованиям. В 1816 г. он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом году появляется и его первая печатная работа.

В 1821 г. в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за домом и лабораториями Королевского института (т. е. технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращении проводника с током вокруг магнита и магнита вокруг проводника с током и о сжижении хлора).

В период до 1821 г. Фарадей опубликовал около сорока научных работ, главным образом по химии. Постепенно он начал проводить экспериментальные исследования в основном в области электромагнетизма. После того как Х. Эрстед в 1820 г. открыл магнитное действие электрического тока, Фарадея заинтересовала проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 г. в его лабораторном дневнике появилась знаменитая ныне запись: «Превратить магнетизм в электричество». Однако Фарадей проводил и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 г. ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.

В том же 1824 году Фарадей был избран членом Королевского общества, несмотря на активное противодействие Дэви, отношения с которым у Фарадея к тому времени были достаточно сложные, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея». Фарадей не оставался в долгу: отдавая должное Дэви, называл его «великим человеком».

Через год после избрания в Королевское общество Фарадея назначают директором лаборатории Королевского института, а в 1827 г. он получает в этом институте профессорскую кафедру.

В 1830 г., несмотря на тяжелое материальное положение, Фарадей решительно отказывается от всех сторонних занятий, выполнения любых научно-технических исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы полностью посвятить себя научным исследованиям. Вскоре он достигает блестящего успеха: 29 августа 1831 г. открывает явление электромагнитной индукции – явление порождения электрического поля переменным магнитным полем. Десять дней напряженной работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление, которое без преувеличения можно назвать фундаментом всей современной электротехники.

(Интересно, что о ходе экспериментов Фарадея нам известно достаточно много, потому что еще во время своей работы в переплетной мастерской он приучил себя к ведению дневников, куда все подробно записывал.)

Но сам Фарадей не интересовался прикладными возможностями своих открытий, он стремился к главному – исследовать законы природы.

Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею популярность. Но он, как и раньше, был ограничен в средствах, поэтому его друзья были вынуждены ходатайствовать о предоставлении ему пожизненной правительственной пенсии, которую он начал получать в 1835 г. У Фарадея сложилось впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии, как к подачке ученому, поэтому он послал министру письмо, в котором отказался от нее. Министру пришлось просить прощения у Фарадея.

В 1833–1834 гг. Фарадей изучал прохождение электрического тока через растворы кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Эти законы (их сейчас называют законами Фарадея) сыграли важную роль в формировании представлений о дискретных носителях электрического заряда. К концу 1830-х годов Фарадей провел много важных исследований электрических явлений в диэлектриках.

Постоянное титаническое умственное напряжение подорвало здоровье Фарадея и заставило его в 1840 г. прервать на пять лет научную работу.

Вернувшись к ней вновь, Фарадей в 1848 г. открыл явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (эффект Фарадея). Очевидно, сам Фарадей (он взволнованно написал, что «намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию») придавал этому открытию большое значение. И действительно, оно стало первым указанием на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Убежденность в тесной взаимосвязи электрических, магнитных, оптических и других физических и химических явлений стала основой всего научного миропонимания Фарадея.

Другие экспериментальные работы Фарадея этого времени посвящены исследованиям магнитных свойств различных сред.

В 1855 г. болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он заметно ослабел, стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в лабораторный журнал все, даже то, куда и что он положил перед выходом из лаборатории, что он уже сделал и что собирался делать дальше. Чтобы продолжать работать, он должен был отказаться от многих вещей, в том числе и от посещения друзей; последнее, от чего он отказался, были лекции для детей. Умер Фарадей 25 августа 1867 г.

Даже далеко не полный перечень того, что сделал Фарадей для науки, дает представление об исключительном значении его работ. В этом перечне следует выделить то главное, что составляет огромную научную заслугу Фарадея: он первым ввел понятие поля в учение об электричестве и магнетизме. Если до него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействи зарядов и токов через пустое пространство, то Фарадей последовательно развивал идею о том, что активным материальным переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле.

Об этом прекрасно написал Дж. Кл. Максвелл, его последователь, который усовершенствовал учение Фарадея: «Перед мысленным взором Фарадея представали силовые линии, пронизывающие все пространство там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, протекающих в среде».

Взгляд на электродинамику с позиций концепции поля, основоположником которой был Фарадей, стал неотъемлемой частью современной науки. Труды Фарадея ознаменовали наступление новой эры в физике.

В честь Фарадея названа единица электроемкости – фарад (Ф).

Джеймс Клерк Максвелл

(13 июня 1831 г. – 5 ноября 1879 г.)

Дж. Кл. Максвелл является создателем электромагнитной теории света и одним из основателей современной физики и техники.

Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге 13 июня 1831 г. В детстве он был очень любознательным и наблюдательным: любил изучать поведение животных, мастерить игрушки.

Осенью 1841 г. отец отдал его в Эдинбургскую академию – учебное заведение, подобное гимназии. Известно, что учился Джеймс сначала плохо, но переломный момент наступил в пятом классе, когда он начал изучать геометрию. Геометрия увлекла его воображение!

Однажды отец взял Джеймса с собой на заседание Лондонского Королевского общества, где при обсуждении проблемы о форме этрусских урн возник вопрос: как нарисовать полностью правильный овал? Джеймс заинтересовался этим, и вскоре предложил простой способ вычерчивания овальных фигур и эллипсов с помощью двух шпилек. Об этой работе потом доложил на заседании профессор Форбс (несовершеннолетним слова не давали!), и она была признана и напечатана в «Научных трудах» общества.

В 1847 г. по совету профессоров, не закончив гимназию, Максвелл поступил в Эдинбургский университет. Здесь он увлекается опытами по оптике, химии, магнетизму.

Отец, видя увлечение сына, помог ему оборудовать физико-химическую лабораторию. Девятнадцатилетний Максвелл доказал очень важную теорему в теории упругости и строительной механики.

В 1850 г. Максвелл переводится в Кембридж, в Тринити-колледж, где в свое время учился Ньютон. Он уже окончательно решил посвятить себя физике и начинает изучать «Экспериментальные исследования по электричеству» М. Фарадея.

В 1854 г. Максвелл успешно сдал выпускной экзамен, после чего ему предложили остаться в Тринити-колледже для подготовки к профессорскому званию.

Когда в 1860 г. Максвелл получил кафедру в Кингс-колледже Лондонского университета, он впервые встретился с Фарадеем. Тогда Максвелл уже серьезно занимался разработкой теории электромагнитного поля.

Эта теория знаменовала собой начало нового этапа в физике. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью. Мир постепенно начали представлять электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой с помощью электромагнитного поля. Большинство физиков исключительно высоко оценили теорию Максвелла. А. Пуанкаре считал ее «вершиной математической мысли». «Наиболее захватывающей во время учебы была теория Максвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как основным величинам, делал эту теорию революционной», – писал А. Эйнштейн.

Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна быть равной скорости света. Отсюда он сделал совершенно новый вывод: свет – разновидность электромагнитных волн.

В 1865 г. после тяжелой болезни Максвелл покидает Лондонский университет и уезжает в Гленлер, где продолжает научную работу. Когда в 1867 г. умер Фарадей, Максвелл очень глубоко переживал эту потерю. Он считал, что лучшим памятником Фарадею будет завершение «Трактата об электричестве и магнетизме», которому Максвелл отдал восемь лет жизни.

Этот «Трактат» был напечатан в 1873 г., когда Максвелл уже работал в Кембридже, куда он переехал в 1871 г., чтобы принять кафедру экспериментальной физики. Совместно с кафедрой он принял новую лабораторию – будущую знаменитую Кавендишскую лабораторию. Торжественное открытие Кавендишской лаборатории, директором которой стал Максвелл, состоялось 16 июня 1874 г.

Именно в последние годы жизни Максвелл много сил отдал обработке и изданию трудов Генри Кавендиша, в честь которого была названа лаборатория.

К сожалению, собственное здоровье Максвелла было плохим. Он довольно долго скрывал тяжелую болезнь, известие о неизлечимости которой стойко перенес. Лишь попросил врача ответить честно: сколько ему осталось жить… Только в его стихах можно почувствовать всю силу трагизма ситуации.

Максвелл умер в ноябре 1879 г.

В октябре 1931 г. в Вестминстерском аббатстве были открыты две мемориальные доски – Майклу Фарадею и Джеймсу Клерку Максвеллу. Случилось так, что совпали два юбилея – 100-летие открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции и 100-летие со дня рождения Максвелла. На юбилее выступили виднейшие представители новой физики ХХ в. – Дж. Дж. Томсон, Э. Резерфорд, А. Эйнштейн, М. Планк, Н. Бор.

Джеймс Прескотт Джоуль

(24 декабря 1818 г. – 11 октября 1889 г.)

Джеймс Прескотт Джоуль – известный английский физик, один из первооткрывателей закона сохранения энергии, член Лондонского Королевского общества (с 1850 г.).

Дж. П. Джоуль родился в Солфорде. До пятнадцати лет Джоуль воспитывался и получал образование в семье отца, богатого пивовара, затем работал на заводе, изучая одновременно математику, химию и физику под руководством известного физика и химика Джона Дальтона.

Первые научные работы Джоуля, относящиеся к 1838–1840 гг., касаются исследования законов электромагнетизма. Он внес значительный вклад в изучение электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения энергии. Джоуль установил (1841 г.; опубликовано в 1843 г.), что количество тепла, которое выделяется в металлическом проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорционально электрическому сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

Изучая тепловые действия токов, Джоуль в 1843 г. убедился в существовании предвиденной Майером зависимости между работой и количеством выделенного тепла и нашел численное отношение между этими величинами – механический эквивалент тепла.

После переезда в 1843 г. в Манчестер Джоуль неустанно изучает тот же вопрос и в 1847 г. сообщает о результатах своих исследований на заседании Британской ассоциации ученых в Оксфорде.

В 1854 г. Джоуль продает пивоваренный завод, оставшийся ему от отца, и целиком посвящает себя науке. Неустанно работая в одной и той же области, Джоуль в течение своей жизни опубликовал девяносто семь научных статей, большинство из которых имеет отношение к применению механической теории тепла к теории газов, молекулам, физике и акустике и относится к классическим работам по физике.

Джоуль был членом Лондонского Королевского общества и почетным доктором Эдинбургского (с 1871 г.) и Лейденского (с 1875 г.) университетов, был дважды награжден медалями Королевского общества; в 1878 г. ему была назначена правительством пожизненная пенсия в 200 фунтов стерлингов.

В его честь названа единица работы – джоуль (Дж).

Генрих Рудольф Герц

(22 февраля 1857 г. – 1 января 1894 г.)

Генрих Рудольф Герц выдающийся немецкий физик, которого справедливо считают одним из основоположников электродинамики.

Генрих Герц родился 22 февраля 1857 г. в Гамбурге в семье юриста, ставшего позже сенатором Гамбурга. Ребенок родился слабым, так что даже опасались за его жизнь.

Он рос послушным, старательным и любознательным мальчиком, у него была прекрасная память, что, в частности, позволяло ему с легкостью изучать иностранные языки (включая даже арабский). Его любимыми авторами были Гомер и Данте. Из многочисленных его писем к родителям видно, какая духовная близость объединяла его с ними.

Кроме общеобразовательной школы, юный Генрих в воскресенье посещал и школу искусств и ремесел. Там он изучал черчение, а также столярное и слесарное дело. Когда Герц уже стал знаменитым ученым, его бывший преподаватель токарного дела говорил: «Жаль, из него вышел бы прекрасный токарь». Все это впоследствии пригодилось Герцу, когда он создавал свои экспериментальные установки.

Первые попытки конструирования физических приборов относятся еще к школьным годам. По всему было видно, что у мальчика есть талант к науке. Но ему казалось, что для этого нужны какие-то исключительные данные, и он сомневался, что имеет достаточные для научной работы способности. Поэтому, получив аттестат зрелости, Герц, которого привлекала техника, решил стать инженером.

Отправившись сначала в Дрезден, а затем в Мюнхен, он поступил там в политехникум, по окончании которого даже принял участие в строительстве моста. Но этот выбор оказался не окончательным. Тяга к науке становилась все сильнее и победила наконец все сомнения. В ноябре 1877 г. он писал родителям: «Раньше я часто говорил себе, что… быть посредственным инженером для меня лучше, чем посредственным ученым. Но теперь я думаю, что прав Шиллер, который сказал: ”Кто боится жизнью рисковать, тот успеха в ней не испытает”, и что ’’излишняя осторожность была бы с моей стороны безумием”».

Родители поняли и поддержали его решение, весной 1878 г. Генрих Герц приехал в Берлин и поступил там в университет.

В Берлине состоялась встреча Генриха Герца с замечательным ученым и человеком, выдающимся естествоиспытателем того времени, Г. Гельмгольцем. Гельмгольц, под руководством которого Герц начал работать в практикуме, впоследствии вспоминал: «Уже со знакомства с его элементарными работами я убедился, что имею дело с человеком, одаренным действительно выдающимися способностями».

Позже Гельмгольц даже называл Герца «любимцем богов».

Пятого февраля 1880 г. двадцатитрехлетний Герц защитил на основе своей студенческой работы докторскую диссертацию («с отличием», как было особо отмечено). Диссертация была в значительной мере теоретической – автор продемонстрировал свое блестящее владение математикой. Генрих Герц был не только гениальным экспериментатором, но и теоретиком и математиком высочайшего класса.

Особое место в истории физики занимает 1873 г. В этом году появился гениальный «Трактат об электричестве и магнетизме» Дж. Кл. Максвелла. Тогда далеко не все осознали, что наступила новая эра в науке об электричестве и магнетизме, а может, и во всей физике.

Максвеллу принадлежит гениальная догадка, что свет имеет электромагнитную природу, что это – частный случай электромагнитных волн. И вот в 1886–1888 гг. Генрих Герц провел свои эксперименты, доказавшие существование электромагнитных волн.

Аппаратура, которой пользовался Герц, может показаться теперь более чем простой, но тем более замечательными являются полученные им результаты. Источниками электромагнитного излучения у него были искры в разрядниках. Электромагнитные волны от разрядников вызывали искровые разряды между шариками в «приемниках», которые были расположены на расстоянии нескольких метров.

Герц смог не только доказать существование волн, но и исследовать скорость их распространения, отражения, преломления и даже поляризацию. Все это очень напоминало оптику, с той только (весьма существенной!) разницей, что длина волны была почти в миллиард раз больше.

Опыты Герца сыграли выдающуюся роль в становлении современной электродинамики.

Но недаром говорят: «Нет ничего более практичного, чем хорошая теория!» Повторять сегодня, когда электромагнитные волны буквально пронизывают все, что работы Герца имели колоссальное влияние на всю жизнь человечества, было бы излишним. Эти работы получили высокую оценку у его современников.

Многие научные общества и академии наук европейских государств наградили Герца своими медалями и премиями.

Герц подтвердил выводы максвелловской теории о том, что скорость распространения электромагнитных волн в воздухе равна скорости света, вывел тождество основных свойств электромагнитных и световых волн.

Герц изучал также распространение магнитных волн в проводнике и указал способ измерения скорости их распространения. Генрих Герц вошел в историю науки не только как великий экспериментатор, но и как выдающийся теоретик. Работы Герца по электродинамике сыграли огромную роль в развитии науки и техники. Его труды обусловили появление беспроводного телеграфа, а в будущем – также радио и телевидения.

В 1886–1887 гг. Генрих Герц впервые наблюдал и дал описание явления фотоэффекта. Он изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд.

Последние четыре года его жизни были посвящены экспериментам с газовым разрядом и работе над книгой «Принципы механики, изложенные в новой связи», в которой был изложен оригинальный подход к этой науке.

Генрих Герц прожил всего тридцать семь лет. Его смерть 1 января 1894 г. от общего заражения крови была тяжелым ударом не только для его родителей, жены и двух дочерей, но и для всех его коллег и учеников, для всей физики.

В его честь названа единица частоты – герц (Гц).

Александр Степанович Попов

(16 марта 1859 г. – 13 января 1906 г.)

А. С. Попов родился 4 (16) марта 1859 г. в поселке Турьинские Рудники Верхотурского уезда Пермской губернии в семье священника, он был четвертым из семи детей.

С малых лет увлекался конструированием «движущихся машинок», которые удивляли даже взрослых. Учиться грамоте начал только в одиннадцать лет. Из-за нехватки средств родители отдали мальчика в духовное училище, обучение в котором было бесплатным.

В 1873 г. Попов поступил в Пермскую духовную семинарию, где получил от товарищей прозвище «математик».

Окончив семинарию в 1877 г., приехал в Петербур г. Блестяще сдав вступительные экзамены, был принят на физико-математический факультет Петербургского университета. В университете Попов все свободное время проводил в физической лаборатории, занимаясь опытами по электричеству.

Еще будучи студентом, он исполнял обязанности ассистента при кафедре физики. Учась на четвертом курсе, поступил на службу в общество «Электротехник», где ему приходилось выполнять монтажные работы и заниматься эксплуатацией небольших электрических станций. Эти навыки пригодились ему при заведовании электростанцией на территории ярмарки в Нижнем Новгороде, где Попов ежегодно работал в летние месяцы с 1889 по 1897 год.

По окончании университета в 1882 г. защитил диссертацию на тему: «О принципах магнито– и динамо-электрическиих машин постоянного тока» и был оставлен при университете для научной работы и подготовки к профессорскому званию.

Однако условия работы в университете не удовлетворили Попова. В 1883 г. он принял предложение занять должность ассистента в Минном офицерском классе в Кронштадте, единственном в России учебном заведении, в котором заметное место было отведено электротехнике и велась работа по практическому применению электричества (в морском деле).

В Минном офицерском классе Попов работал в течение восемнадцати лет, совмещая педагогическую деятельность с научными исследованиями. Здесь он начал изучение электромагнитных волн, завершившееся изобретением радио. Попов не пропускал ни одного открытия или изобретения в области энергетики. После опубликования в 1888 г. работ Г. Герца, открывшего «лучи электрической силы», Попов начал изучать электрические явления. С 1890 по 1900 год. Попов преподавал также в Морском инженерном училище в Кронштадте.

С 1889 г., воспроизводя на лекциях и в докладах опыты Г. Герца, Попов их видоизменил, стремясь найти наиболее чувствительный индикатор «электрических волн». В 1894 г. начал изучать влияние электрических разрядов на проводимость металлических порошков и сконструировал свой первый достаточно чувствительный когерер для обнаружения электромагнитных волн – в виде стеклянной трубки с металлическими опилками. Под действием электромагнитных волн проводимость опилок резко увеличивается.

К началу 1895 г. Попов создал «грозоотметчик», позволявший надежно регистрировать приближение грозы на расстоянии до тридцати километров. В это устройство входили когерер с колокольчиком для автоматического восстановления его чувствительности встряхиванием, реле, приводившее в действие звонок, и даже приемная антенна в виде длинного вертикального провода. Таким образом, Попов создал прототип первой приемной радиостанции.

Он продемонстрировал его 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества и прочитал доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», причем высказал мнение о возможности применения грозоотметчика для передачи сигналов на расстояние.

Двенадцатого (24) марта 1896 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества Попов при помощи своих приборов наглядно продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м, передав первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц» – в память выдающегося немецкого ученого.

(Чуть позже создал подобные приборы и провел с ними эксперименты итальянский физик и инженер Г. Маркони. В 1897 г. он получил патент на применение электромагнитных волн для беспроводной связи. Благодаря большим материальным ресурсам и энергичности Маркони, не имеющий профессионального образования, добился широкого применения нового способа связи. Попов же свое открытие не запатентовал.)

В начале 1897 г. Попов осуществил радиосвязь между берегом и кораблем, а в 1898 г. дальность радиосвязи между кораблями была доведена им до одиннадцати километров. Большой победой Попова и только что появившейся радиосвязи было спасение двадцати семи рыбаков с оторванной льдины, отнесенной в море. Радиограмма, переданная на расстояние 44 км, позволила ледоколу вовремя выйти в море.

Работы Попова были отмечены золотой медалью на Всемирной выставке 1900 г. в Париже.

В 1901 г. на Черном море Попов в своих опытах достигал дальности связи в 148 км. В то время в Европе уже существовала радиопромышленность. Но работы Попова в России не получили развития. Отставание России в этой области угрожающе нарастало. И когда в 1905 г. в начале русско-японской войны возникла необходимость в большом количестве радиостанций, ничего не оставалось, как заказать их иностранным фирмам!

Отношения Попова с руководством морского ведомства обострились, и в 1901 г. он переехал в Петербург, где был профессором, а затем первым выборным директором Электротехнического института. Заботы, связанные с выполнением ответственных обязанностей директора, совсем расшатали здоровье Попова, и он скоропостижно скончался от кровоизлияния в мозг.

Даже имея большую популярность, Попов сохранил все основные черты своего характера: скромность, уважение к чужому мнению, готовность идти навстречу каждому и помочь тем, кто в этом нуждается. Когда работы по применению радиосвязи на кораблях привлекли к себе внимание зарубежных деловых кругов, Попов получил ряд предложений переехать для работы за границу. Он решительно отверг их. Вот его слова: «…И если не современники, то, может, потомки наши поймут, как велика моя преданность родине и как счастлив я, что не за границей, а в России открыт новый способ связи».

Гульельмо Маркони

(25 апреля 1874 г. – 20 июля 1937 г.)

Итальянский инженер-электрик и изобретатель Гульельмо Маркони родился 25 апреля 1874 г. в г. Болонья (Италия). Он был вторым сыном землевладельца Джузеппе Маркони. К поступлению в техническое училище в

Ливорно Маркони подготовили домашние учителя. В двадцатилетнем возрасте Маркони увлекся физикой. Особый интерес у него вызвали исследования по теории электричества Джеймса Клерка Максвелла, Генриха Герца, Эдуарда Бранли, Оливера Лоджа и Аугусто Риги.

В 1894 г. Маркони прочитал об опыте, который был продемонстрирован в 1888 г.: электрическая искра, проскакивающая через щель между двумя металлическими шарами, порождала периодические колебания (их тогда называли «волны Герца»). У Маркони сразу мелькнула мысль о возможности использования этих волн для передачи сигналов по воздуху без проводов. Следующие сорок лет своей жизни он посвятил беспроводному телеграфу, пытаясь повысить эффективность и дальность передачи.

Получив консультацию у А. Риги, Маркони воспользовался вибратором Герца (как передатчиком) и когерером Бранли (как приемником) и передал сигнал, который включил электрический звонок, находившийся по другую сторону поляны отцовского имения.

К середине 1895 г. Маркони создал более чувствительный и надежный когерер: включил телеграфный ключ в цепь передатчика, заземлил вибратор и присоединил один из его концов к металлической пластине, расположенной высоко над землей. После этих усовершенствований ему удалось передать сигнал на расстояние 1,5 мили. Поскольку итальянское правительство не проявило интереса к его изобретению, Маркони отправился в Англию в надежде найти там средства для продолжения исследований и развертывания коммерческого использования своего изобретения. В 1896 г. двоюродный брат Маркони Генри Джеймс Дэвис помог ему составить первую патентную заявку на изобретение в области радиотелеграфии.

Пребывание Маркони в Англии началось с неприятности: бдительные таможенники разбили его беспроводной аппарат. Восстановив свое детище, Маркони сумел привлечь к нему внимание британских предпринимателей и правительственных чиновников. В сентябре 1896 г., усовершенствовав свою систему, он передал сигнал на расстояние почти двух миль.

Когда итальянское правительство призвало его на трехлетнюю военную службу, Маркони смог обеспечить себе формальное прохождение службы: он просто числился курсантом военно-морского училища при итальянском посольстве в Лондоне.

В мае 1897 г. он передал сигналы через Бристольский залив уже на расстояние девяти миль. В июле того же года Маркони и небольшая группа вкладчиков основали «Компанию беспроволочного телеграфа и сигналов», задачей которой была установка радиоаппаратов на плавучих и наземных маяках вдоль побережья Англии.

В ходе исследований Маркони обнаружил, что дальность передачи пропорциональна количеству и длине используемых антенн. Чтобы передать сигнал на расстояние двадцати восьми миль через пролив Ла-Манш, Маркони применил группу антенн, каждая из которых была высотой сто пятьдесят футов.

В 1900 г., опираясь на открытие Фердинанда Брауна, Маркони включил в свой передатчик конденсатор и катушку настройки, что позволило увеличить энергию сигнала и усовершенствовать его. По такой схеме от принимаемого сигнала когерером передаются только колебания, которые были настроены на колебания передатчика. Этим исключается прием сигналов, передаваемых всеми другими антеннами.

Патент № 7777, выданный в апреле 1900 г., по существу закреплял за Маркони монополию на использование настроенных друг на друга передатчиков и приемников. Основанная им компания была переименована в «Компанию беспроволочной телеграфии Маркони».

К концу 1900 г. Маркони увеличивает дальность передачи сигналов до 150 миль. В январе 1901 г. он установил беспроводной контакт между некоторыми пунктами на побережье Англии, расстояние между которыми составляет 186 миль. В конце того же года, находясь в Сент-Джоне на острове Ньюфаундленд, Маркони принял сигнал, переданный через Атлантический океан из Корнуолла (Великобритания). Сигнал преодолел расстояние 2100 миль!

В 1902 г. Маркони передал первый беспроводной сигнал через Атлантику с запада на восток. Позже, в 1905 г., он получил патент на направленную передачу сигналов.

В 1907 г. Маркони открыл первую трансатлантическую службу беспроводной связи, а в 1912 г. получил патент на усовершенствованную, регулируемую во времени искровую систему для генерирования передаваемых волн.

Маркони и Браун были удостоены Нобелевской премии по физике в 1909 г. «в знак признания их заслуг в развитии беспроводной телеграфии».

В 1931 г. Маркони применил первую высокочастотную радиотелефонную связь, а в 1934 г. использовал ее для навигации.

Г. Маркони обрел славу, которой бесспорно заслуживают и другие пионеры этой области науки и техники – А. Попов, Н. Тесла, А. Риги. В 1934 г. Итальянская Академия наук избрала Маркони своим президентом.

Среди других наград Маркони получил также медаль Франклина от Франклиновского института и медаль Альберта от Королевского общества искусств в Лондоне. В Италии он получил титул маркиза, был сенатором и получил Большой крест ордена Короны Италии.

Умер Маркони 20 июля 1937 г. в Риме. В день его похорон, 21 июля, радиостанции всего мира на минуту прервали свои передачи: так мир попрощался с одним из основателей радиотехники.

Эрнест Резерфорд

(30 августа 1871 г. – 19 октября 1937 г.)

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 г. в Брайтуотери, живописном городке Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком в семье выходцев из Шотландии Джеймса Резерфорда и Марты Томсон и из двенадцати детей оказался наиболее одаренным. Эрнест блестяще окончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования.

В колледже в Нельсоне, где Эрнеста Резерфорда приняли в пятый класс, учителя обратили внимание на его исключительные математические способности. Но математиком Эрнест не стал. Не стал он и гуманитарием, хотя проявлял необычайные способности к языкам и литературе. Судьба распорядилась так, что Эрнест увлекся естественными науками – физикой и химией.

После окончания колледжа Резерфорд поступил в Кентерберийский университет и уже на втором курсе выступил с докладом «Эволюция элементов», в котором высказал предположение, что химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие из одинаковых элементарных частиц. Студенческий доклад Эрнеста не был должным образом оценен в университете, однако его экспериментальные работы, например создание приемника электромагнитных волн, удивили даже крупных ученых. Спустя несколько месяцев ему присудили «стипендию 1851 г.», которой отмечались талантливые выпускники провинциальных английских университетов.

После этого Резерфорд в течение трех лет работал в Кембридже, в Кавендишской лаборатории под руководством выдающегося физика Джозефа-Джона Томсона.

У Резерфорда был независимый характер, и он не чувствовал страха перед новым в науке. Когда в 1897 г. благодаря экспериментам Томсона был открыт электрон, некоторые ученые назвали его «умозрительной фикцией». Резерфорд им ответил: «Вот оно как! Электроны не существуют? А почему я так ясно их вижу?»

В 1898 г. он начал изучать явление радиоактивности. Первое фундаментальное открытие Резерфорда в этой области – обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном, – сделало его имя известным в научном мире. Благодаря Резерфорду в науку вошло понятие: альфа– и бета-излучение.

В том же году двадцатишестилетнего Резерфорда пригласили в Монреаль в качестве профессора Мак-Гилського университета – лучшего в Канаде. (Этот университет получил название по имени своего основателя – переселенца из Шотландии, которому под конец жизни посчастливилось разбогатеть.) Перед отъездом Резерфорда в Канаду Дж. Томсон вручил ему рекомендательное письмо, где было написано: «В моей лаборатории никогда не было молодого ученого с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как господин Резерфорд, и я уверен, что если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физиков в Монреале…» Предсказание Томсона сбылось. Резерфорд работал в Канаде в течение 10 лет и действительно создал там научную школу.

В 1903 г. тридцатидвухлетний ученый был избран членом Лондонского Королевского общества Британской академии наук.

В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Сразу же после приезда Резерфорд начал проводить экспериментальные исследования по радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882–1945), который разработал метод измерения интенсивности излучения – широко известный счетчик Гейгера.

Когда в 1908 г. Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии за исследования по превращению элементов, он во время своей нобелевской лекции шутил, что ему приходилось иметь дело с различными превращениями, но самое быстрое из них – это его собственное превращение из физика в химика!..

Резерфорд осуществил большую серию опытов, которые подтвердили, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889–1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома – ядро, вокруг которого вращаются электроны. Это было выдающееся открытие того времени, которого так ждала физическая наука, – представление о строении атома было коренным образом изменено!

Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений.

В течение восемнадцати лет – с 1919 г. и до конца своей жизни – Резерфорд возглавлял основанную в 1874 г. Кавендишскую лабораторию. До него ею руководили великие английские физики Максвелл, Рэлей и Томсон. У Резерфорда было много учеников, которые стали выдающимися учеными – датский физик Нильс Бор, немец О. Ган, советский ученый П. Капица и др.

Э. Резерфорд был избран почетным членом всех академий мира (с 1925 г. – Академии наук СССР).

Резерфорд не дожил всего нескольких лет до того, как немецкие физики Отто Ган (1879–1968) и Лиза Майтнер (Мейтнер) (1878–1968) открыли деление урана. По словам Патрика Блэкетта, одного из ближайших сотрудников Резерфорда, это открытие «стало последним из великих открытий в ядерной физике. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было сферой всей его научной деятельности».

Нильс Бор

(7 октября 1885 г. – 18 ноября 1962 г.)

Нильс Бор родился в семье Кристиана Бора, профессора физиологии Копенгагенского университета, и Эллен Бор, происходившей из богатой и влиятельной семьи. Родители Нильса и его младшего брата Харальда (будущего великого математика), которого он всегда любил, сумели сделать детские годы сыновей счастливыми и содержательными. Благотворное влияние семьи, особенно – матери, играло решающую роль в формировании их характеров.

Начальное образование Нильс получил в Гаммельхольмской грамматической школе, которую окончил в 1903 г. В школьные годы он был заядлым футболистом, позже увлекался катанием на лыжах и парусным спортом.

В двадцать три года Нильс Бор окончил Копенгагенский университет, где имел репутацию чрезвычайно одаренного физика-исследователя. Его дипломный проект был удостоен золотой медали Датской Королевской академии наук.

В 1908–1911 гг. Бор продолжил работу в университете, где выполнил целый ряд важнейших исследований, в частности по классической электронной теории металлов, которая легла в основу его докторской диссертации.

Через три года после окончания университета Бор приехал работать в Англию. После года пребывания в Кембридже у знаменитого Дж. Дж. Томсона Бор перебрался в Манчестер к Резерфорду, лаборатория которого в то время была едва ли не лучшей среди всех остальных. Здесь проходили эксперименты, которые привели Резерфорда к модели атома.

Эту модель часто называют «планетарной» – в ней, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра. Но такой атом не может быть устойчивым с точки зрения классической физики. Н. Бор выдвинул идеи, которые «сделали возможным» существование устойчивого атома.

После окончания работы у Резерфорда Бор вернулся в Данию, где он в 1916 г. был приглашен в качестве профессора в университет в Копенгаген. Через год он был избран членом Датского Королевского общества (в 1939 г. он стал его президентом). В 1920 г. Бор создает Институт теоретической физики и становится его директором.

Бор, начав у Резерфорда с ядерной физики, постоянно уделял ядерной тематике большое внимание.

За работы по созданию квантовой теории Бор в 1922 г. был удостоен Нобелевской премии.

После фактического захвата Дании фашистами Бор тайно покинул родину и был доставлен сначала в Англию (при этом в самолете он чуть не погиб), а затем в Америку, где вместе с сыном Оге работал для Манхэттенского проекта в Лос-Аламосе.

В послевоенные годы он огромное внимание уделял проблемам контроля над ядерным вооружением, мирного использования атома, обращался даже с посланиями в ООН, участвовал в создании Европейского центра ядерных исследований. Судя по тому, что он не отказался обсуждать с советскими физиками некоторые стороны «атомного проекта», Бор считал опасным монопольное владение атомным оружием.

Большое внимание уделял Бор смежным с физикой отраслям науки, в том числе биологии. Его неизменно интересовали философские проблемы естествознания. Моральный и научный авторитет Бора был очень высок. Любое, даже непродолжительное общение с ним производило огромное впечатление. Он говорил и писал так, что было видно: он напряженно ищет слова, которые предельно точно и правдиво выражали бы чувства и мысли. Академик В. Л. Гинзбург дал меткую характеристику Бору, назвав его неповторимо деликатным и мудрым.

Нильс Бор был почетным членом более двадцати академий наук разных стран, лауреатом многих национальных и международных премий.

Альберт Эйнштейн

(14 марта 1879 г. – 18 апреля 1955 г.)

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в городе Ульм, земли Ба-ден-Вюртенберга, в семье небогатого торговца, владельца небольшой мастерской электротоваров. Альберт до трех лет не разговаривал, но уже в ранние годы проявлял чрезвычайный интерес относительно того, как устроен окружающий мир, и способность понимать сложные математические идеи. В двенадцатилетнем возрасте он сам по книгам выучил Евклидову геометрию.

Его родители переехали в Мюнхен, где Эйнштейн и провел детство. Там он посещал школу до 14 лет. Тупая регламентация и скука в мюнхенской школе отвращала молодого Эйнштейна.

В 1894 г. семья была вынуждена покинуть Германию и переехать в Италию, в Милан. Пятнадцатилетний Эйнштейн воспользовался этим случаем и бросил школу. Еще год он провел вместе с родителями в Милане, но когда стало ясно, что Эйнштейн должен определить свой путь в жизни, он окончил среднюю школу в Аррау, в Швейцарии, и поступил в Цюрихский политехникум. Одним из его учителей был Г. Минковский – немецкий физик и математик, занимавшийся вопросами геометрии пространства.

Эйнштейну не слишком нравились методы обучения в этом заведении. Он часто пропускал лекции, используя свободное время для изучения физики и для игры на скрипке (любимое занятие всей жизни). В 1900 г. Эйнштейн сумел сдать экзамены (подготовившись к ним по записям своего сокурсника) и получить степень. Профессора были о нем невысокого мнения и не рекомендовали для продолжения научной карьеры.

Наконец, с 1902 г. Эйнштейн поселяется в Берне (Швейцария) и работает экспертом патентного бюро. Здесь он одновременно с работой готовился к защите дисертации, которая состоялась в 1905 г.

Год 1905-й стал знаменательным в истории физики. В этом году Эйнштейн опубликовал три важнейшие работы, сыгравшие большую роль во всем последующем развитии физики ХХ века. В первой из них, посвященной броуновскому движению, он сделал важные предположения о движении взвешенных в жидкости частиц, обусловленном столкновениями с молекулами. Предположение позже подтвердилось опытами.

В другой работе, посвященной фотоэффекту, Эйнштейн высказал революционную гипотезу о природе света: при определенных обстоятельствах свет можно рассматривать как поток частиц (фотонов). Практически не нашлось физиков, которые согласились с этой идеей Эйнштейна. Потребовались два десятилетия напряженных усилий экспериментаторов и теоретиков, чтобы картина фотонов стала общепризнанной в рамках современной квантовой механики.

Но наиболее революционной стала третья работа Эйнштейна – «К электродинамике движущихся тел», в которой с чрезвычайной ясностью были изложены идеи специальной теории относительности (СТО), которая разрушила классические представления о пространстве-времени, существовавшие со времен Ньютона. Ряд важных положений новой теории были сформулированы ранее Г. А. Лоренцем и А. Пуанкаре, однако только Эйнштейн смог четким физическим языком сформулировать основы новой теории, прежде всего принцип относительности и принцип существования предельной скорости распространения сигнала.

Работы Эйнштейна были восприняты неоднозначно. Многие ученые их просто не понимали. Однако ряд выдающихся физиков сразу же поддержали молодого ученого, и среди них – Макс Планк. Он помог Эйнштейну перебраться из патентного бюро в Цюрихе сначала в Прагу, а затем (в 1914 г.) в Берлин на должность директора Института физики кайзера Вильгельма.

С 1907 по 1915 год Эйнштейн усиленно работал над созданием новой теории тяготения, которая отвечала бы принципам теории относительности. Путь, который привел Эйнштейна к успеху, был трудным и извилистым. В декабре 1915 г. на заседании Академии наук в Берлине Эйнштейн изложил, наконец, окончательные уравнения общей теории относительности. Эта теория стала вершиной творчества Эйнштейна и является самой известной из всех существующих физических теорий.

Эта исключительно оригинальная теория получила блестящее подтверждение во время полного затмения Солнца в 1919 г., когда было обнаружено отклонение световых лучей, идущих от звезд, под действием гравитационного поля Солнца, причем именно такое отклонение, которое предсказал Эйнштейн.

В 1921 г. А. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике в первую очередь за открытие законов фотоэффекта. Теория относительности, с которой сейчас у всех ассоциируется имя Эйнштейна, еще долгое время была непонятной даже для его коллег-ученых! (Один из выдающихся физиков начала ХХ в. Артур Эддингтон говорил, что в Европе людей, которые понимают теорию относительности, можно пересчитать по пальцам. Возможно, и сейчас их не так уж много!..)

Политические взгляды Эйнштейна всегда были обозначены важной идеей: он был убежденным пацифистом (то есть человеком, осуждающим войны). Эйнштейн никогда не выпячивал свою национальность, считал себя человеком мира, отказался от немецкого гражданства. Однако он никогда и не скрывал своих взглядов, публично выражая их в многочисленных интервью и выступлениях. Это вызвало нарастающее недовольство наиболее реакционной части немецких физиков, среди которых особым антисемитизмом и ультраправыми взглядами отличались Штарк и Ленард. Эти физики свою ненависть к автору перенесли и на созданную им теорию, обвинив Эйнштейна в том, что теория относительности – орудие сионизма.

Когда после прихода к власти Гитлера обстановка в Германии стала невыносимой, Эйнштейн в 1933 г. навсегда покинул ее, переехав в Америку. В США ему была предложена должность профессора Принстонского института высших исследований, где он и работал до самой смерти.

Антифашистские взгляды Эйнштейна и его стремление помочь остановить нависшую над миром смертельную угрозу заставили его на время оставить свои пацифистские взгляды и написать известное письмо президенту США Рузвельту с призывом развернуть работы по созданию атомного оружия. Эйнштейн опасался, что немецкие физики смогут создать это оружие раньше, и не сомневался в том, что гитлеровское руководство не замедлит применить его. Эйнштейн не принимал участия в создании бомбы. Более того, в конце войны, когда стало ясно, что в создании атомного оружия американцы всех опередили, а гитлеровский рейх доживает последние дни, Эйнштейн выступил с призывом запретить применение этого оружия.

Хотя, очевидно, что в личной жизни Эйнштейн был нелегким человеком (потому что всегда на первом месте для него была возможность спокойно обдумывать физические проблемы), для физиков всего мира он был живой легендой. Его безупречная честность, доброжелательность по отношению к собеседнику, благородная общественная деятельность в защиту мира и международного сотрудничества, мудрые мысли вызывали глубокое уважение всех, кто имел счастье с ним общаться.

В 1955 г., находясь в зените славы, Эйнштейн умер, не закончив работу над одним из последних вариантов теории, которая должна была объединить электромагнитные и гравитационные явления.

Величие сделанного Эйнштейном для науки трудно переоценить. Сейчас нет практически ни одной отрасли современной физики, где так или иначе не присутствовали бы фундаментальные понятия квантовой механики или теории относительности. Но, пожалуй, еще важнее уверенность, которую своими трудами вселил в ученых Эйнштейн, в том, что природа познавательна и ее законы прекрасны. Стремление к этой красоте и составляло смысл жизни великого ученого.

Альберт Эйнштейн был человеком исключительно твердых убеждений, который мыслил совершенно независимо. Только поразительная научная интуиция позволяла Эйнштейну с предельной стойкостью поддерживать идеи, которые не имели в то время признания, но которые впоследствии привели к перевороту в современной физике.

Исследование научной деятельности Эйнштейна по-настоящему только начинается, однако уже сейчас ясно, что Альберт Эйнштейн останется в истории как один из величайших деятелей науки и культуры всех времен, которого можно сравнить разве что с Ньютоном и Галилеем.

Лев Давидович Ландау

(22 января 1908 г. – 1 апреля 1968 г.)

Л. Д. Ландау – один из величайших физиков-теоретиков ХХ века, лауреат Нобелевской премии по физике.

Лев Давидович Ландау родился 22 января 1908 г. в центре нефтяной промышленности – Баку, его отец был инженером-нефтяником, а мать – врачом. Способности его проявились очень рано – в четырнадцать лет он поступил на физико-математический факультет Бакинского университета, а с 1924 г. учится в Ленинградском университете. В 19 лет он окончил университет, занимаясь так интенсивно, что формулы ему даже снились по ночам.

В юности Ландау был очень застенчив, ему было трудно общаться с другими людьми. Тогда это было для него одной из труднейших проблем. Вместе с тем он выделялся среди других юношей суровой самодисциплиной и чувством ответственности перед собой. Это помогло ему стать человеком, полностью владеющим собой в любых обстоятельствах, и к тому же человеком веселым.

В октябре 1926 г. Ландау, как один из лучших аспирантов, уезжает за границу. В Берлинском университете он встретился с А. Эйнштейном. В Геттингене Ландау участвовал в семинаре М. Борна, а потом уехал в Лейден – к одному из создателей квантовой механики В. Гейзенбергу.

Еще один очень важный момент в биографии Ландау – поездка в 1930 г. в Копенгаген, в Институт теоретической физики Нильса Бора. Там он провел полтора года и с тех пор считал себя учеником Бора.

В мае 1930 г. вместе с Н. Бором Ландау едет в Англию, где работает в Кавендишской лаборатории Кембриджа, знакомится с Э. Резерфордом, П. Дираком и своим соотечественником П. Л. Капицей – любимым учеником Резерфорда.

В 1932 г., по возвращении на родину, Ландау был назначен заведующим теоретическим отделом Украинского физико-технического института (УФТИ) в Харькове. Харьков становится центром теоретической физики СССР, и не случайно в мае 1934 г. именно в Харькове состоялась международная конференция по теоретической физике. Большим событием стал приезд на эту конференцию Н. Бора.

С 1937 г. Ландау работает в Москве, в Институте физических проблем П. Л. Капицы.

Говоря о современной квантовой механике и об общей теории относительности, Ландау обычно подчеркивал, что самое большое достижение человеческого гения заключается в том, что человек «может понять то, что он уже не в состоянии представить себе». (Раньше все, что рассматривала физика ХК в., можно было наглядно представить.)

Невозможно, наверное, перечислить все, что сделал Ландау в науке. Нет ни одного раздела теоретической физики, в который бы он не внес заметного вклада. В наше время специализации его ученики стали специалистами в различных областях. Всех их Ландау держал в кругу интересов того нового, что рождалось в физике.

По выражению американского физика Мермина, «сборник трудов Ландау возбуждает чувства, подобные тем, что вызывает полное собрание пьес Шекспира… Безмерность совершенного одним человеком всегда представляется невероятной».

Любая сложная проблема, в обсуждении которой участвовал Ландау, всегда становилась интересной, решение ее – неожиданным.

Разговаривать с ним иногда было очень сложно, потому что он всегда хотел вникнуть в суть дела, все понять и изложить свою мысль. Убедить в чем-то Ландау было трудно, и когда это кому-то удавалась сделать, ученый первым признавал результат и пропагандировал его.

Ландау был не только великим ученым, но также великим учителем – учителем по призванию. Такое сочетание является очень редким. Эйнштейн, например, был, возможно, вообще самым выдающимся ученым из тех, которые когда-либо жили на Земле, но у него не было прямых учеников, которые сотрудничали с ним непосредственно. Ландау можно сравнить разве что с его учителем – Нильсом Бором, который тоже был не только гениальным ученым, но и непревзойденным учителем.

Пауль Эренфест, выдающийся физик-теоретик и друг Эйнштейна, в 1932 г. приехал в Харьков, где и познакомился с двадцатичетырехлетним Ландау. О своих впечатлениях он написал в Ленинград своему другу – знаменитому физику А. Ф. Иоффе: «Что же касается Ландау, то в последнее время я стал ценить его как совершенно необычайно одаренную голову. В первую очередь за ясность и критическую остроту его мышления. Мне доставляло большое удовольствие спорить с ним о разных вещах. И совершенно независимо от того, был ли я при этом не прав (в большинстве случаев – в основных вопросах) или прав (как правило, во второстепенных деталях), я каждый раз очень многое узнавал и мог при этом оценивать по достоинству, насколько ясно он «видит» и насколько большим запасом ясно продуманных знаний он располагает».

О преподавании физики Ландау начал думать, когда ему было чуть больше двадцати лет. Он мечтал написать учебники по физике на всех уровнях, начиная со школьного. До 1933 г. он разработал «программу теоретического минимума», которая включала то, что, по его мнению, должен знать каждый физик-теоретик. Экзамены были совсем неформальными: оценки не выставлялись. Результат – либо положительный, либо отрицательный, без промежуточных оценок. После того как человек сдавал теоретический минимум, Ландау уже считал его одним из своих учеников и пытался подыскать ему хорошую работу. В 1961 г., за несколько недель до трагической автокатастрофы, Ландау составил список сдавших теоретический минимум. Из сорока трех человек в списке четырнадцать позже стали академиками.

Ландау был в известной степени достаточно резким человеком, всегда говорил то, что думал. Но, собственно говоря, был демократичным и в повседневной жизни, и в науке. Он был доступен и для студентов, и для коллег – для всех, кто к нему обращался.

Вот что он ответил студентам, которые поинтересовались его мнением о том, какие разделы теоретической физики наиболее важны: «Должен сказать, что я считаю такую постановку вопроса нелепой. Надо обладать довольно анекдотической нескромностью, для того чтобы считать достойными для себя только «самые важные» вопросы науки. По-моему, всякий физик должен заниматься тем, что его больше всего интересует, а не исходить в своей научной работе из соображений тщеславия».

Ландау интересовался не только наукой. Он очень любил историю всех времен и прекрасно знал ее. Любил литературу и живопись. Не любил – точнее, не мог заставить себя полюбить – музыку, хотя и очень старался это сделать.

Ландау был выдающейся личностью и достаточно ироничным человеком. Льва Давидовича Ландау никто не называл Лев Давидович или Ландау – практически все коллеги и друзья звали его Дау. Сам Ландау объяснял происхождение своей фамилии так: она происходит по написанию его фамилии в виде Landau = L ’ane Dau, что в переводе с французского означает «Осел Дау». Отсюда понятно, по крайней мере, что Дау был веселым человеком.

Зимой 1962 г. Ландау попал в автомобильную катастрофу. Он провел в больнице два года, и по-настоящему к научной работе уже не вернулся.

В 1962 г. Л. Ландау стал лауреатом Нобелевской премии по физике.

Полученная тяжелая травма привела к тому, что 1 апреля 1968 г. выдающегося ученого не стало. Последними его словами были: «Я неплохо прожил жизнь. Мне всегда все удавалось».

Вместо послесловия: это вся физика?

Многие тайны природы до сих пор остаются для нас загадкой. Ученые достоверно не могут сказать, как сформировалась Вселенная – сейчас есть несколько гипотез относительно ее возникновения. Большой загадкой является появление живых существ и вообще назначение разумных существ.

Конечно, в последние годы наука узнала многое. Огромный поток информации, зачастую не достоверной, обрушивается на человека, и ему нужно выдержать этот натиск, не растеряться в информационном океане, понять, где научные результаты, а где дутые сенсации.

Часто людям хочется получить простые ответы на сложные вопросы. Но современная наука не всегда может легко, «на пальцах», все объяснить. Однако не надо этого пугаться: определенное напряжение ума, необходимые знания помогут сориентироваться в мире.

Закономерности физики, с которыми вы знакомитесь в школе, безусловно, станут для вас тем фундаментом, на котором потом вы возведете свое собственное мировоззрение. Жизнь выдающихся ученых и развитие научных идей могут стать примером для собственной жизни.

Развитие науки не закончится никогда. Выдающийся немецкий физик Вернер Гейзенберг писал: «Что бы ни случилось, человечество сохранит в ближайшие десятилетия живой интерес к познанию. Даже если этот интерес будет на некоторое время затемнен практическими результатами науки и борьбой за власть, тем не менее, он должен, в конечном счете, восторжествовать и связать воедино людей всех наций и рас. Люди будут счастливы во всех частях земного шара, когда они достигнут нового знания, и они будут благодарны тому человеку, который впервые открыл его».

Это означает, что то, о чем говорилось в этой книге, является только, так сказать, «пунктиром», прошедшим через огромную страну Физика. Конечно, не все вопросы мы обсудили, потому что главное внимание было уделено истории развития различных направлений физики, их связям с процессами и явлениями живой природы.

Вам еще предстоит узнать так много нового и интересного из мира физики, что можно только позавидовать.

Желаем вам успехов на этом пути!

Литература

1. Блудов М. И. Беседы по физике: в 2 ч. – М.: Просвещение, 1973.

2. Борохов Э. Энциклопедия афоризмов. – М.: ООО «Фирма «Издательство АСТ», 2000. – 720 с.

3. Бублейников Ф. Д., Веселовский И. Н. Физика и опыт. – М.: Просвещение, 1970.

4. Гончаренко С. В. Книга для чтения по физики. – М.: Сов. шк., 1981. – 238 с.

5. Дягилев Ф. М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1986. – 255 с.

6. Енохович А. С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1978. – 415 с.

7. Карцев В. Приключения великих уравнений. – М.: Знание, 1978. – 223 с. – (Серия «Жизнь замечательных идей»)

8. Кац Ц. Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1988. – 159 с.

9. Клюкин И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судостроение, 1986. – 168 с.

10. Кордун Г. Г. Учащимся о выдающихся физиках. – М.: Сов. шк., 1979. – 132 с.

11. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982. – 448 с.

12. Манойлов В. Е. Электричество и человек. – Л.: Энергоиздат, 1982. – 152 с.

13. Перельман Я. И. Занимательная физика: в 2 кн. – 22 изд. / под ред. А. В. Митрофанова. – М.: Наука, 1986.

14. Тарасов Л. В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988. – 351 с.

15. Храмов Ю. И. Физики: биогр. справ. – К.: Наукова думка, 1977. – 510 с.

16. Шаскольская М. П. Кристаллы. – М.: Наука, 1978. – 208 с.

17. Элементарный учебник физики. – Т. 2. / под ред. Г. С. Ландсберга.

18. Энциклопедия для детей. – М.: Аванта+, 2003. – Т. 16. Физика. – 448 с.

Примечания

1

Догма – то, что принимают за непреложную истину.

2

Ареометр – прибор для определения плотности жидкости.

3

Ионы – это частицы, которые в отличие от атомов, имеют электрический заряд (отрицательный или положительный).

4

Ионизация – превращение нейтральных атомов или молекул в ионы.

5

Смальта (нем. БтаНв) – цветное непрозрачное стекло в виде кубиков или пластина для мозаичных работ.

Content

Физика: для детей среднего школьного возраста
Автор-составитель С. В. Каплун

I. Что такое физика

Чем занимается физика

Немного истории

II. Движение и взаимодействие

Движение всегда и везде

Что необходимо делать для исследования движения

Измерение времени

Измерение длины

Скорость движения, или Кто самый быстрый

Взаимодействие тел, или… «Сила есть!..»

Как оказаться в невесомости

III. Гидро– и аэростатика

Как у физиков «появилось» атмосферное давление

Измерение атмосферного давления

Кричал ли Архимед «Эврика!..»

IV. В мире звуков

Звук и его происхождение

Образование звуков

Восприятие звука человеком

Звук и слух в живой природе

Инфразвуковые волны

V. Строение вещества и тепловые явления

Физическое открытие ботаника Броуна

Вещество в различных состояниях

Эти замечательные кристаллы

Биография термометра

Холодно и жарко

Тепловые машины

Можно ли построить вечный двигатель?.

VI. Электромагнитные явления

История развития представлений об электромагнитных явлениях

Статическое электричество вокруг нас

Первая лампочка

Физика и изобретение радио

«Люблю грозу в начале мая…»

«Живой» электромагнетизм, или Электромагнетизм в живой природе

Электро– и магнитотерапия

VII. Оптика

Из истории оптики: начало

Люди и тени

«Свет мой, зеркальце, скажи!..»

Кто сломал свет?

Некоторые особенности зрения

Оптические явления в природе

VIII. Физика: славные имена

Альхазен (Ибн аль-Хайсам, Альгазен) (965—1039)

Галилео Галилей (15 февраля 1564 г. – 8 января 1642 г.)

Блез Паскаль (19 июня 1623 г. – 19 августа 1662 г.)

Исаак Ньютон (4 января 1643 г. – 31 марта 1727 г.)

Роберт Гук (18 июля 1635 г. – 3 марта 1703 г.)

Михаил Васильевич Ломоносов (8 (19) ноября 1711 г. – 4 (15) апреля 1765 г.)

Генри Кавендиш (10 октября 1731 г. – 24 февраля 1810 г.)

Изобретатели термометра

Александр (Алессандро) Вольта (18 февраля 1745 г. – 5 марта 1827 г.)

Андре Мари Ампер (22 января 1775 г. – 10 июня 1836 г.)

Майкл Фарадеи (22 сентября 1791 г. – 25 августа 1867 г.)

Джеймс Клерк Максвелл (13 июня 1831 г. – 5 ноября 1879 г.)

Джеймс Прескотт Джоуль (24 декабря 1818 г. – 11 октября 1889 г.)

Генрих Рудольф Герц (22 февраля 1857 г. – 1 января 1894 г.)

Александр Степанович Попов (16 марта 1859 г. – 13 января 1906 г.)

Гульельмо Маркони (25 апреля 1874 г. – 20 июля 1937 г.)

Эрнест Резерфорд (30 августа 1871 г. – 19 октября 1937 г.)

Нильс Бор (7 октября 1885 г. – 18 ноября 1962 г.)

Альберт Эйнштейн (14 марта 1879 г. – 18 апреля 1955 г.)

Лев Давидович Ландау (22 января 1908 г. – 1 апреля 1968 г.)

Вместо послесловия: это вся физика?

Литература

Примечания