Клиффорд Пиковер
τ Б^пьшого ь еш ния
250 основнь s в
*
Ы.ЧД I -JlbLl dU
Б НОМ

Великая
ФИЗИКА

Clifford A. Pickover
The Physics
BOOK
From the Big Bang to Quantum Resurrection,
250 Milestones in the History of Physics

Клиффорд Пиковер
Великая
ФИЗИКА
От Большого взрыва до Квантового воскрешения
250 основных вех в истории физики
Перевод с английского
доктора физ.-мат. наук М. А. Смондырева
*
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний

УДК 53
ББК 22.Зг
П32
Публикуется с разрешения
STERLING PUBLISHING CO., INC. (США)
при содействии Агентства Александра Корженевского (Россия)
Пиковер К.
П32 Великая физика. От Большого взрыва до
Квантового воскрешения. 250 основных вех в истории
физики / К. Пиковер ; пер. с англ. М. А. Смондырева. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 551 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-0517-9
Клиффорд Пиковер (р. 1957) — известный ученый и один
из лучших в мире популяризаторов науки. Его «Великая
физика» —собрание блестящих эссе о великих открытиях
выдающихся ученых, начиная с мыслителей прошлого и
заканчивая нашими современниками. Тут и Пифагор, и
Максвелл, и Эйнштейн, и Хокинг, и многие другие. Эта
великолепно иллюстрированная книга — для всех, кто интересуется
самыми главными вопросами, веками занимавшими лучшие
умы человечества: как устроен мир, каково его прошлое
и будущее, и какое место в нем занимаем мы, люди.
УДК 53
ББК 22.Зг
16+
Научно популярное издание
Пиковер Клиффорд
ВЕЛИКАЯ ФИЗИКА
ОТ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА ДО КВАНТОВОГО ВОСКРКШКИИЯ
250 ОСНОВНЫХ ВЕХ В ИСТОРИИ ФИЗИКИ
Ведущий редактор И. В. Опимах
Редактор И. Я. Ицхоки
Художественное оформление: И. Е. Марев
Художник Н. А. Новак
Технический редактор Е. В. Денюкова
Корректор Е. Н. Клитина
Компьютерная верстка: Л. В. Катуркина
Подписано в печать 08.07.14. Формат 84^90 16.
Усл. печ. л. 48,30.
Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний»
125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3
Телефон: (499)157-5272, e-mail: binomfa'Lbz.m, http://www.Lbz.rn
£ 2011 by Clifford A. Pickover
© Перевод на русский язык, оформление,
ISBN 978-5-9963-0517-9 " БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015

Мы все ежедневно используем физику. Когда мы смотрим
в зеркало или надеваем очки, мы пользуемся законами оптики.
Когда заводим будильник, отслеживаем время, когда смотрим
на карту, перемещаемся в геометрическом пространстве.
Мобильные телефоны соединяют нас невидимыми
электромагнитными нитями со спутниками, вращающимися
по своим орбитам. Но физика — это не только новые
технологии... Даже кровь, циркулирующая в наших артериях,
следует законам физики — науки о нашем физическом мире.
Джоан Бейкер. «Пятьдесят идей физики,
которые вам совершенно необходимо знать»
Великие уравнения современной физики - непременная часть
научного знания, они могут пережить даже прекрасные
древние соборы.
Стивен Вайнберг в книге: Грэм Фармело.
«Это должно быть красиво»
■I "%иГ :
\

Введение
Рамки физики
По мере роста островка знания увеличивается и его
береговая линия, на которой мы сталкиваемся с загадками
непознанного. Когда пересматриваются основные теории,
знание, казавшееся нам несомненным, уступает свое место
новому, а оно, это новое знание, уже касается этих загадок
иначе. Порой раскрытая тайна может принизить нас или
расстроить, но такова цена истины. Творческие люди -
ученые, философы и поэты - благоденствуют на этой
береговой линии.
Марк Ричардсон. «Ощущение чуда у скептика»
Американское физическое общество - в наши дни ведущая
профессиональная организация физиков - было основано в 1899 г., когда в Колумбийском
университете на Манхеттене в Нью-Йорке собрались 36 ученых, которые
провозгласили своей целью развитие физики и распространение знаний в
области этой науки среди соотечественников. Члены Общества убеждены, что
физика играет ключевую роль в понимании мироустройства, мира вну
три и вне нас. Это самая фундаментальная и основополагающая из
всех наук. Она бросает вызов нашему воображению, выдвигая такие
концепции, как теория относительности или теория струн. Физика
приводит к великим открытиям, меняющим нашу жизнь, и тогда по
являются компьютеры и лазеры. Физика - это изучение Вселенной от
самых больших галактик до мельчайших субатомных частиц. Более
того, она является основой многих других наук, включая химию,
океанографию, сейсмологию и астрономию.
И в самом деле, сегодня физики исследуют потрясающее разнообразие
объектов и фундаментальных законов, чтобы понять свойства природы и
Вселенной, устройство реального мира. Физики размышляют над многомерными
пространствами, параллельными вселенными, возможностью
существования путешествий в пространстве и времени. Открытия в физике часто ведут
к новым технологиям. Например, прогресс в постижении электромагнетизма
привел к изобретению радио, телевидения и компьютеров. Понимание
законов термодинамики вылилось в изобретение автомобиля. Порой исследования
физиков даже влияют на наше мировоззрение. Так, многие ученые считают,
что из соотношения неопределенностей Гейзенберга следует, что физическая
вселенная не существует как детерминистической объект, но является
загадочным набором вероятностей.
6 ВЕЛИКАЯ ФИЗИКА

Как станет ясно внимательному читателю этой книги, на протяжении
многих веков существования физики для нее не было установлено никаких
границ, а потому я включил в книгу сюжеты, затрагивающие инженерное дело,
прикладную физику, астрофизику и даже несколько вполне философских тем.
Несмотря на такие широкие рамки, большая часть разделов физики опирается
на математические методы, помогающие ученым в их теориях, экспериментах
и предсказаниях природных явлений.
Альберт Эйнштейн сказал когда-то, что самое непостижимое в мире - это
то, что он постижим. В самом деле, оказалось, что мы живем во Вселенной,
которая может быть описана хотя бы в неком приближении с помощью
компактных математических выражений и законов физики. Однако, выходя за
пределы этих простых законов природы, физики часто погружаются в самые
глубокие и наиболее ошеломляющие концепции из всех, когда-либо
рассматривавшихся человечеством, - от теории относительности и квантовой
механики до теории струн и сущности Большого взрыва. Квантовая механика дает
нам возможность заглянуть в странный и парадоксальный мир, после чего
возникают вопросы: а что такое на самом деле пространство и время,
информация, причины и следствия. Однако, несмотря на загадочность следствий
квантовой механики, она нашла применение в многочисленных областях науки и
техники, и именно благодаря ей появились лазеры, транзисторы, микрочипы
и магнитно-резонансные томографы.
Эта книга рассказывает также о тех, кто стоит за многими из великих идей
физики. Физика — фундамент всей современной науки. Она веками
привлекала лучшие умы человечества. Среди них — Исаак Ньютон, Джеймс Клерк
Максвелл, Мария Кюри, Альберт Эйнштейн, Ричард Фейнман и Стивен Хокинг.
Эти великие ученые изменили нашу точку зрения на мир.
Физика относится к наиболее трудным наукам. Физическое описание
Вселенной постоянно расширяется, но наш мозг и лингвистические навыки
остаются неизменными. С течением времени возникают новые области физики,
новые понятия, которые совсем не легко постичь. Когда немецкий
физик-теоретик Вернер Гейзенберг (1901-1976) выражал беспокойство, что
человечество никогда по-настоящему не поймет, что такое атом, датский физик Нильс
Бор (1885-1962) был преисполнен оптимизма. В начале 1920-х гг. он писал:
«Вероятно, мы и не сумеем достичь этого, но в процессе сможем узнать, что на
самом деле означает слово "понимание"».
В наше время мы используем компьютеры, помогающие проводить
рассуждения, выходящие за пределы нашей интуиции. Компьютерные эксперименты
приводят физиков к таким теориям и прозрениям, появление которых раньше
было бы просто невозможно. Ряд известных физиков предполагает сейчас, что
существуют вселенные, параллельные нашей собственной - подобно слоям
луковицы или пузырькам в молочном коктейле. В некоторых теориях
параллельных вселенных мы можем их обнаружить по утечке гравитации из одной
вселенной в соседнюю. Например, луч света от удаленной звезды может
искривиться под действием тяготения невидимых объектов, находящихся на
расстоянии всего лишь в несколько миллиметров, но в параллельной вселенной.
Идея множественных вселенных, мультивселенных, не столь искусственна,
как может показаться. По данным опроса 72 ведущих физиков, полученным
американским исследователем Дэвидом Раубом и опубликованным в 1998 г.,
ВВЕДЕНИЕ 7

58% из них, включая Стивена Хокинга, верят в тот или иной вариант теории
множественности миров.
Книга «Великая физика» охватывает как теоретические или в высшей
степени практические темы, так и странные, озадачивающие сюжеты. В какой
другой книге о физике вы найдете рядом статьи о предсказанной в 1964 г.
субатомной частице бозоне Хиггса и о выпущенном в продажу в 1965 г.
сверхпрыгучем супермяче, повальное увлечение которым прокатилось по всей
Америке? Мы встретимся здесь и с законом излучения черного тела, с которого
началась квантовая механика, и с таинственной темной энергией, которая
когда-нибудь может разодрать галактики и привести к смерти Вселенной в
ужасном Большом разрыве. Мы поразмышляем о парадоксе Ферми, касающемся
жизни на других планетах, и познакомимся с найденным в Африке
доисторическим ядерным реактором, который работал два миллиарда лет назад. Мы
обсудим гонку за созданием самого-самого черного цвета - более чем в 100 раз
темнее краски на черном автомобиле! Эта «абсолютная чернота» в один
прекрасный день может быть использована для более эффективного улавливания
энергии Солнца или для конструирования чрезвычайно чувствительных
оптических инструментов.
Статьи в этой книге короткие - всего несколько абзацев. Такой формат
позволяет читателю быстро уловить суть предмета и не утонуть в море
информации. Когда люди впервые увидели обратную сторону Луны? Обратитесь к
одноименной статье. В чем состоит загадка древней батарейки из Багдада или
что такое черные алмазы? На следующих страницах вы прочтете об этом и о
многом другом, что волнует сегодня человечество. К примеру, не является ли
наша реальность всего лишь искусственной конструкцией? По мере того как
мы все больше узнаем о Вселенной и моделируем на компьютерах все более
сложные явления, даже серьезные ученые задаются вопросом о природе
физической реальности. А вдруг весь наш мир - это некая компьютерная модель?
В нашем собственном небольшом уголке Вселенной мы уже создали
компьютеры, способные моделировать с помощью программных средств и
математических правил процессы, подобные поведению живых организмов. Очень
вероятно, в будущем мы смоделируем и саму реальность. Но не исключено, что
более развитые существа уже делают это где-то во Вселенной.
8 ВЕЛИКАЯ ФИЗИКА

Цель и хронология
Примеры действия законов физики мы можем встретить повсюду. При
написании «Великой физики» я ставил задачу предоставить широкой
аудитории краткий путеводитель-справочник по важным физическим идеям и
их авторам. Каждая статья достаточно коротка, и ее можно усвоить за
несколько минут. Большая часть статей написана на темы, которые
интересовали меня лично. Увы, не все главные вехи в истории физики попали в эту
книгу - иначе она бы разрослась до слишком большого объема. Поэтому,
чтобы прославить чудеса физики в сжатом формате, я был вынужден
опустить множество важных жемчужин этой науки. Тем не менее мне кажется,
я включил в книгу рассказы о большей части идей, имеющих историческое
значение и оказавших сильное влияние на развитие физики, общества или
мышления человека. Некоторые статьи более приближены к жизни,
некоторые даже забавны. Включенные сюжеты охватывают широкий круг
вопросов: от шкивов, динамита и лазеров до интегральных схем, бумерангов и
«дурацкой замазки». По случаю я включил в книгу несколько необычных,
фантастических, даже кажущихся бредовыми философских концепций или
странных придумок, которые, тем не менее, имеют существенное значение.
Среди них такие сюжеты, как квантовое бессмертие, антропный принцип
или тахионы. Иногда какие-то сведения, приведенные в одной статье,
повторяются в другой, это сделано для того, чтобы каждую из них можно было
читать независимо от остальных. Редкие примеры текста, набранного
полужирным шрифтом, отсылают читателя к соответствующей статье в книге.
Кроме того, небольшой раздел «СМ. ТАКЖЕ» в конце каждой статьи
помогает сплести из различных сюжетов сеть, связывающую их друг с другом.
Это может помочь читателю легко перемещаться по книге в поисках новых
открытий.
«Великая физика» отражает ограниченность моего интеллекта. Я
пытаюсь изучить столько разделов физики, сколько смогу, но очень трудно
чувствовать себя свободно во всех вопросах. Книга отчетливо отражает мои
личные интересы, мои достоинства и недостатки, поскольку я отвечаю за выбор
сюжетов включенных в нее статей и, конечно же, за все ошибки и
погрешности. Книгу не предполагалось сделать всеобъемлющим трудом или научной
диссертацией, это, скорее, развлекательное чтение для
студентов-естественников или математиков, а также для всех, кто интересуется наукой. Я
приветствую обратную связь и предложения читателей по улучшению книги,
которую рассматриваю как непрерывно продолжающийся проект и любимое
дело.
Книга выстроена в хронологическом порядке по возрастанию даты,
сопутствующей каждой статье. Для большинства из них я брал даты открытия
явления или формулировки идеи. Однако в первых трех статьях и в последних
четырех даты ассоциируются с действительными (или гипотетическими)
событиями — космологическими или астрономическими.
Конечно, датировка статей - вопрос выбора в тех случаях, когда вклад
внесен более, чем одним человеком. Часто я использовал самую раннюю дату,
когда это было уместно. Но иногда, после опроса коллег и других ученых, я
ВВЕДЕНИЕ 9

решал поставить ту дату, когда идея получила особую известность. Например,
со статьей «Черные дыры» можно связать много дат, начиная с момента
Большого взрыва 13,7 млрд лет назад, когда могли образовываться некоторые виды
черных дыр. Сам термин «черная дыра» был придуман лишь в 1967 г.
физиком-теоретиком Джоном Уилером. В конечном итоге я выбрал год, когда была
впервые строго сформулирована сама идея черных дыр. Таким образом и
получилась дата - 1783 год, именно тогда геолог Джон Мичелл (1724-1793)
высказал идею о таком массивном объекте, что его поверхность не может покинуть
даже свет. Аналогичным образом статья «Темная материя» отнесена к 1933 г.,
поскольку в том году швейцарский астрофизик Фриц Цвикки (1898-1974)
получил первые свидетельства существования скрытой массы, таинственных
несветящихся частиц. Год 1998 выбран для статьи «Темная энергия» не только
потому, что сам термин был придуман тогда, но и из-за того, что в это же время
наблюдения за некоторыми сверхновыми звездами навели на мысль об
ускоренном расширении Вселенной.
Многие из более старых дат, включая годы «до н. э.», приблизительны
(например, годы для статей о багдадской батарейке, архимедовом винте и т. п.).
Вместо того чтобы всюду перед ними ставить слово «около», я сейчас сообщаю
читателю, что даты, относящиеся и к Древнему миру, и к очень далекому
будущему, являются всего лишь грубыми оценками.
Читатели непременно отметят, что значительное число открытий в физике
привело к появлению ряда медицинских инструментов, помогло уменьшить
человеческие страдания и спасти много жизней. Популяризатор науки Джон
Симмонс замечает: «Медицина обязана физике двадцатого столетия большей
частью своего инструментария, позволяющего получить изображения
человеческого тела. Уже через несколько недель после открытия рентгеновских
лучей (в 1895 г.) они были использованы для диагностики. На несколько
десятилетий позже появилась лазерная технология — практический результат
развития квантовой механики. Эхография, или ультразвуковая диагностика,
стала побочным результатом работ по обнаружению подводных лодок.
Компьютерная томография возникла на основе компьютерных технологий. Самая
важная из недавних медицинских технологий, позволяющая получать
детальные трехмерные изображения внутренних органов человека, - это МРТ
(магнитно-резонансная томография)».
Внимательный читатель также обратит внимание на то, что значительное
число важнейших открытий было сделано в XX в. Чтобы посмотреть на даты в
перспективе, рассмотрим научную революцию. Она произошла, грубо говоря,
в период между 1543 и 1687 гг. В 1543 г. Николай Коперник опубликовал свою
гелиоцентрическую теорию движения планет. Между 1609 и 1619 гг. Иоганн
Кеплер установил законы, описывающие движение планет вокруг Солнца.
В 1687 г. Исаак Ньютон сформулировал фундаментальные законы механики
и закон всемирного тяготения. Вторая научная революция произошла между
1850 и 1865 гг., когда ученые ввели и отточили различные понятия,
касающиеся энергии и энтропии. Расцвели такие разделы физики, как
термодинамика, статистическая механика и кинетическая теория газов. В XX в. наиболее
важными достижениями науки стали квантовая теория, специальная и общая
теории относительности, кардинальным образом изменившие наше
мировоззрение.
10 ВЕЛИКАЯ ФИЗИКА

На страницах книги я часто цитирую знаменитых ученых или авторов,
пишущих о науке. Ссылки в конце книги помогут читателям более четко
идентифицировать авторов и источники.
Так как статьи в книге выстроены в хронологическом порядке, при
поисках нужной темы используйте указатель. Может случиться так, что она
обсуждается там, где вы не ожидали бы ее найти. Например, концепция
квантовой механики столь глубока и разнообразна, что в книге нет отдельной статьи
под названием «Квантовая механика». Но читатель может найти интересные
и ключевые аспекты этой теории в таких статьях, как «Закон излучения
абсолютно черного тела», «Волновое уравнение Шрёдингера», «Кот Шрёдингера»,
«Параллельные миры», «Конденсат Бозе—Эйнштейна», «Принцип запрета
Паули», «Квантовая телепортация» и в некоторых других.
Кто знает, что физика предложит нам в будущем. К концу XIX в.
выдающийся физик Уильям Томсон, известный также как лорд Кельвин,
провозгласил конец физики. Он не мог предвидеть появление квантовой механики и
теории относительности, а также тех драматических изменений, которые внесли
в физику эти теории. Эрнст Резерфорд в начале 1930-х гг. сказал об атомной
энергии: «Любой, кто ожидает, что превращения атомов могут стать
источником энергии, несет вздор». Да, пожалуй, предсказать будущее физики, ее идей
и их приложений, трудно, а может, и вообще невозможно.
В заключение заметим, что открытия в физике обеспечивают тот
фундамент, на котором строятся исследования субатомных и сверхгалактических
областей, а физические теории позволяют ученым делать предсказания,
касающиеся Вселенной. Это та область, где философские гипотезы могут дать
стимул для научных прорывов. Открытия, описанные в этой книге, принадлежат
к числу величайших достижений человечества. Для меня лично физика
играет огромную роль — она поддерживает в моей душе постоянное восхищение
беспредельностью мысли, жизнью нашей Вселенной и нашим местом на этом
громадном пространственно-временном ландшафте, которое мы называем
своим домом.

Благодарности
Я благодарю Дж. Спротт, Л. Коэна, Д. Гордона, Н. Хобсона, Т. Крачека,
П. Барнса и П. Московитца за комментарии и предложения. Особо я хотел бы
поблагодарить Мелани Мэдден - редактора этой книги.
Для рассказа об основных вехах и поворотных моментах в истории физики
я изучил широкий спектр замечательных книг и веб-сайтов, многие из
которых перечислены в разделе «Примечания и список дополнительной
литературы», в том числе книги Джоан Бейкер «Пятьдесят идей физики, которые
вам совершенно необходимо знать» (Joanne Baker. 50 Physics Ideas You Really
Need to К now), Джеймса Трефила «Сущность науки» (James Trefil. The Nature
of Science) и Питера Толлака «Книга о науке» (Peter Tallack. The Science Book).
Сетевые ресурсы - например, Википедия (en.wikipedia.org и ru.wikipedia.
org) - могут стать полезной стартовой площадкой для читателей, желающих
получить больше информации.
Должен также отметить, что в некоторых из моих собственных
предыдущих книг - таких как «От Архимеда до Хокинга. Законы физики и великие
умы, стоящие за ними» (Archimedes to Hawking: Laws of Science and the Great
Minds Behind Them) — уже затрагивались отдельные вопросы по теме ряда
статей данной книги, так что они могут служить читателям «Великой физики»
источником дополнительной информации.
12 ВЕЛИКАЯ ФИЗИКА

ν
Я тебе скажу, Лестат, что было Большим взрывом.
Это когда клетки Бога начали делиться.
Энн Райе. «История Похитителя тел»
13

to
5=1
го
to
О
ti?
Большой взрыв
ЖоржЛеметр (1894-1966), Эдвин Хаббл (1889-1953),
Фред Хойл (1915-2001)
В начале 1930-х гг. бельгийский священник и физик Жорж Леметр
предложил теорию, согласно которой эволюция нашей Вселенной началась с
чрезвычайно плотного и горячего состояния, и пространство с тех пор
беспрерывно расширяется. Эта теория стала известна под названием теории Большого
взрыва. Полагают, что он произошел 13,7 млрд лет тому назад, и сейчас
большинство галактик все еще удаляется друг от друга. Важно понять, что
галактики — не осколки взорвавшейся бомбы, расширяется само пространство.
Увеличение расстояний между галактиками - процесс, подобный
расхождению друг от друга точек, нарисованных на поверхности воздушного шарика,
который надувают. Не имеет значения, в какой точке находится
наблюдатель, фиксирующий расширение пространства. При взгляде из любой из них
все остальные будут казаться удаляющимися от нее.
Впервые разбегание галактик было
обнаружено американским астрономом Эдвином Хабблом в
1920-х гг. В 1949 г., давая интервью на радио, Фред .' ; ?■
Хойл придумал термин «Большой взрыв». Лишь
примерно через 400 000 лет после Большого взрыва .
Вселенная достаточно остыла, чтобы стало
возможным образование нейтральных атомов водорода из
протонов и электронов. Ядра гелия и легких
элементов, порожденные Большим взрывом в первые
несколько минут существования Вселенной, стали
исходным материалом для первого поколения звезд.
Маркус Чаун, автор книги «Волшебная печь», предполагает, что вскоре
после Большого взрыва газовые облака начали сгущаться, и Вселенная засияла
как рождественская елка. Эти звезды жили и умерли до того, как родилась
наша галактика. Астрофизик Стивен Хокинг подсчитал, что если бы темп
расширения Вселенной через одну секунду после Большого взрыва был меньше
всего на десять квинтиллионных частей (10 17), то Вселенная сжалась бы и
никакая разумная жизнь в ней не смогла бы появиться.
СМ. ТАКЖЕ Парадокс Ольберса (1823), Закон Хаббла о расширении Вселенной (1929),
Нарушение СР-инвариантности (1964), Реликтовое излучение (1965), Космическая
инфляция (1980), Телескоп «Хаббл» (1990), Космологический Большой разрыв (36 млрд
лет спустя).
Согласно древнему финскому мифу о сотворении мира, небо и Земля образовались из
разбитого птичьего яйца. На следующей странице - художественное изображение
эволюции Вселенной после Большого взрыва (верхняя точка). Ось времени направлена вниз.
Сначала Вселенная претерпевает короткий период быстрого раздувания (до момента,
отмеченного красной точкой). Появление первых звезд, случившееся примерно через
400 млн лет, отмечено желтой точкой.

Черные алмазы
to
ч
to
о
Qi?
«Сверкающие звезды в ночном небе великолепны, - писал научный
журналист Питер Тайсон. - Ученые давно знают, что в небесах есть алмазы. Очень
вероятно, что именно в космосе родились удивительные черные алмазы,
называемые карбонадо».
Обсуждаются различные теории образования карбонадо. Предполагают,
например, что при ударе метеорита могут возникнуть экстремальные
давления, необходимые для запуска процесса образования черных алмазов -
ударного метаморфизма. В 2006 г. исследователи Стивен Хаггерти, Джозеф Гараи
и их коллеги, изучавшие пористые карбонадо, сообщили о присутствии в них
различных минералов и химических элементов, о наличии оплавленных
поверхностей и прочих факторах, позволяющих предположить, что эти алмазы
образовались в богатых углеродом взрывающихся звездах, называемых
сверхновыми. В недрах этих звезд создается высокотемпературная среда,
аналогичная той, что используется в методе химического осаждения из паровой фазы
при получении искусственных алмазов в лаборатории.
Возраст черных алмазов составляет от 2,6 до 3,8 млрд лет, они могли
обрушиться на Землю из космоса в большом астероиде в те времена, когда Южная
Америка и Африка еще составляли единый материк. Множество черных
алмазов находят в Центральноафриканской Республике и Бразилии.
Карбонадо столь же тверды, как и обычные алмазы, но они непрозрачны,
пористы и образованы из множества алмазных кристалликов, прилипших
друг к другу. Карбонадо иногда используют для разрезания обычных алмазов.
Впервые черные алмазы были найдены в Бразилии около 1840 г., название
«карбонадо» они получили из-за сходства с углем и обугленными
материалами. В 1860-х гг. карбонадо получили практическое применение в
наконечниках сверл, применяемых для разрушения скальных пород. Самый большой из
когда-либо найденных карбонадо имел массу около 650 г (3167 каратов, что на
60 каратов массивнее самого большого прозрачного алмаза).
Другая форма естественных «черных алмазов», отличная от карбонадо, -
это выглядящие более традиционно алмазы с дымчатой, темной окраской из-
за присутствия в них оксидов железа или смеси сульфидов. Великолепный
«Дух Гризогоно», весящий 62 г (312,24 карата), - крупнейший ограненный
черный алмаз этой разновидности.
СМ. ТАКЖЕ Звездный нуклеосинтез (1946).
Согласно одной из теорий, карбонадо могут образовываться в результате взрыва сверх
новых звезд, когда рожденный в недрах звезды углерод нагревается до достаточно высо
кой температуры. На рисунке - Крабовидная туманность, остаток взрыва сверхновой.

4 ·. ι

to
Η
to
О
X
Доисторический ядерный реактор
Франсис Перрен (1901-1992)
«Создать ядерный реактор не так-то просто, - писали технологи из
министерства энергетики США. — В атомных электростанциях (АЭС) идет процесс
расщепления атомов урана, при котором высвобождается энергия в виде
тепла и вылетают нейтроны, приводящие к расщеплению других атомов. Этот
процесс называется ядерным делением. Поддержание процесса расщепления
атомов в АЭС требует участия многих ученых и техников».
В конце 1930-х гг. физики Энрико Ферми и Лео Сцилард окончательно
поняли, что уран мог бы стать элементом, способным поддержать цепную
реакцию. Проводя эксперименты в Колумбийском университете, Сцилард и Ферми
обнаружили значительный выход из урана субатомных частиц нейтронов, что
доказывало возможность цепной реакции и открывало путь к ядерному
оружию. Позже Сцилард вспоминал: «В ту ночь я почти не сомневался — мир идет
к гибели». Процесс управляемой цепной реакции невероятно сложен, а
потому все научное сообщество было ошеломлено, когда в 1972 г. французский
физик Франсис Перрен обнаружил, что природа соорудила под Окло в Габоне
(Африка) первый в мире ядерный реактор на два миллиарда лет раньше, чем
люди. Этот природный реактор заработал, когда месторождение богатых
ураном минералов было затоплено грунтовыми водами, которые замедлили
нейтроны, испущенные ядрами урана, из-за чего они смогли взаимодействовать с
другими ядрами и расщеплять их. От выделяемого тепла вода испарялась и
закипала, что временно замедляло цепную реакцию. Когда окружающая порода
остывала и пар снова превращался в воду, процесс повторялся.
Ученые оценили время работы этого доисторического реактора в сотни
тысяч лет. За эти годы в цепной реакции деления урана должны были
образоваться различные изотопы, и все они были обнаружены в Окло. В ядерных
реакциях, проходивших в урановых подземных жилах, выгорело около пяти
тонн радиоактивного урана-235. Помимо Окло, не было найдено никаких
других природных ядерных реакторов. Роджер Желязны в романе «Мост из
пепла» фантазирует, что это некие пришельцы создали в Габоне реактор, чтобы
вызвать мутации, которые в конечном итоге привели к появлению человека.
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Ядерная энергия (1942), Атомная бомба «Малыш»
(1945).
Природа создала первый в мире ядерный реактор в Африке. Миллиарды лет спустя
Лео Сцилард и Энрико Ферми получили на ядерный реактор патент США Λ» 2,708,656.
Наполненный водой резервуар (355) защищает от радиации.

May 17, 1955
Filed D*o. 19, 1944
E. FERMI ET AL
NEUTRONIC REACTOR
2,708,656
27 Sh»*ts-Sh**t 25
^OOur
ι.
И it-
(l ii-
ь- '" 1л^Д| J^ cJ?&9wv @lU
*3(OOw j
νΆ "««^^Ц
F1E3B.

Атлатль
В древние времена в самых разных цивилизациях люди умели убивать себе
подобных с помощью остроумного устройства, которое называется атлатль
(копьеметалка). Это оружие напоминает деревянную палку или дощечку с
чашечкой или упором на одном конце. Используемые здесь законы рычага
и другие простые физические принципы позволяют воину метнуть большую
стрелу (дротик) на огромное расстояние (около 100 м) со скоростью,
превышающей 150 км/ч. В некотором смысле атлатль действует как дополнительная
часть руки.
Во Франции был найден атлатль, сделанный из рога северного оленя
27 000 лет назад. Коренные жители Америки использовали это орудие
убийства 12 000 лет назад. Австралийские аборигены называют его «вумера».
Восточные африканцы и коренные обитатели Аляски также используют похожее
на атлатль оружие. Индейцы майя и ацтеки (которые и дали копьеметалке
имя «атлатль») были любителями этого оружия, их атлатли насквозь
пробивали стальные панцири испанских конкистадоров. Доисторические охотники
могли использовать атлатль для убийства таких крупных животных, как
мамонты.
В наши дни Всемирная ассоциация атлатля поддерживает национальные
и международные соревнования, которые привлекают инженеров, охотников
и всех, кто хочет овладеть секретами древних военных технологий.
Поначалу атлатль представлял собой простую полуметровую палку, но
позже, на протяжении тысячелетий, он претерпел различные
усовершенствования. Итак, дротик длиной около полутора метров помещается в упор в задней
части атлатля, в исходном положении он параллелен дощечке. Метатель
запускает дротик круговым движением руки и запястья, напоминающим подачу
в теннисе.
По мере усовершенствования атлатля люди обнаружили, что гибкая
дощечка может эффективно запасать и высвобождать энергию, действуя как
трамплин для прыгунов в воду. К устройству добавлялись также небольшие
каменные разновесы. Об их назначении специалисты спорят уже годы.
Многие полагают, что разновесы увеличивают стабильность и дальность выстрела,
регулируя синхронность действия и упругость устройства. Возможно также,
что разновес уменьшает шум от выстрела.
СМ. ТАКЖЕ Арбалет (341 до н. э.), Требушет (1200), Сверхзвуковой щелчок кнутом
(1927).
На рисунке из ацтекского кодекса Фейервари-Майер (Центральная Мексика) изобра
жен бог с тремя стрелами и атлатлем в руке. Этот кодекс был составлен до разруше
ния столицы ацтеков Теночтитлана Фернандо Кортесом в 1521 г.

Бумеранг
Ч
Я вспоминаю нелепую песенку времен моего детства. Английский певец
Чарли Дрейк (1925-2006) поет о печальном австралийском аборигене, который
жалуется: «Мой бумеранг не вернется». В действительности для жалоб
повода нет: бумеранги, использовавшиеся на войне и для охоты на кенгуру,
тяжелые изогнутые палицы для метания, должны были ломать кости жертвы, и
их возвращение не предусматривалось.
В Польше, в пещере, был найден охотничий бумеранг, датируемый 20-м
тысячелетием до н. э.
В наши дни, говоря о бумерангах, мы представляем себе их в виде буквы V.
Возможно, эта форма стала результатом совершенствования невозвращаю-
щихся бумерангов, когда охотники заметили, что ветки определенной формы
более стабильны в полете или летят по весьма необычным траекториям.
Сегодня возвращающиеся бумеранги используют только для ловли птиц, их
предназначение — пугать дичь. Мы не знаем, когда были изобретены эти бумеранги.
Профиль каждого плеча возвращающегося бумеранга похож на профиль
самолетного крыла: с одной стороны оно закруглено, с другой - плоское.
Воздух обтекает одну сторону крыла быстрее, чем другую, что создает подъемную
силу. В отличие от самолетного крыла передние (ведущие) кромки крыльев
бумеранга расположены на противоположных концах буквы V. Поскольку
он вращается в полете, это означает, что переднее и заднее крылья бумеранга
«смотрят» в разные стороны.
Бумеранг бросают почти в вертикальным положении, открытая часть
буквы V направлена вперед. Так как бумеранг вращается в направлении броска,
его верхнее плечо движется быстрее, чем нижнее, что тоже вносит вклад в
создание подъемной силы. При правильном броске гироскопическая прецессия,
меняющая направление оси вращения, возвращает бумеранг к метателю.
Комбинация всех этих факторов приводит к сложной круговой траектории полета
бумеранга.
СМ. ТАКЖЕ Арбалет (341 до н. э.), Требушет (1200), Гироскоп (1852).
Бумеранги используются и как оружие, и как спортивный снаряд. Их форма меняется
в зависимости от географического происхождения и функционального назначения.

1
" (
V

Солнечные часы
Не прячьте свои таланты.
Они даны вам для того, чтоб ими пользоваться.
Какой прок от солнечных часов в тени?
Бенджамин Франклин
Столетиями люди интересовались природой времени. Большая часть
древнегреческой философии посвящена попыткам понять, что такое бесконечность,
тема времени занимает центральное положение во всех мировых религиях и
культурах. Ангел Силезский, поэт-мистик XVII в., предположил, что течение
времени может быть приостановлено силой мысли: «Ты время сам творишь:
внутри часов есть разум; лишь остановишь мысль, как время встанет сразу».
Одно из старейших устройств для измерения времени - солнечные часы.
Возможно, древние люди заметили, что отбрасываемые ими тени, длинные
утром, становятся днем короче, а потом снова вырастают с приближением
вечера. Старейшие из известных нам солнечных часов датируются примерно
3000 г. до н. э. Они выгравированы на камне, найденном в доисторическом
погребальном кургане Наут в Ирландии.
Примитивные солнечные часы можно сделать,
воткнув в землю вертикально палку. В северном t.·
полушарии тень вращается вокруг палки по ча- ,V
совой стрелке, и ее положение отмечает течение ·ί'.*·'''
времени. Точность такого грубого инструмента
улучшается, если палку наклонить - так, чтобы ■■''''
ее конец указывал на Северный полюс мира, или,
примерно, на Полярную звезду. С таким
усовершенствованием положение тени не будет зависеть
от времени года. Одна из обычных разновидностей \
солнечных часов - горизонтальный циферблат, ча- ■> 11#( .,
сто используемый как украшение сада. Из-за того
что тень вращается по поверхности циферблата с .
переменной скоростью, деления для каждого часа
расположены неравномерно. Солнечные часы не всегда точны по разным
причинам, включая непостоянство скорости вращения Земли вокруг Солнца,
переход страны на летнее время и тот факт, что внутри одной временной зоны
время считается одним и тем же. До эпохи наручных часов люди иногда
носили в кармане складные солнечные часы, к которым был приделан маленький
магнитный компас для правильного определения направления на север.
СМ. ТАКЖЕ Механизм с острова Антикитера (125 до н. э.), Песочные часы (1338),
Годовые часы (1841), Путешествие во времени (1949), Атомные часы (1955).
Люди всегда интересовались природой времени. Солнечные часы — одно из старейших
устройств для его измерения.

Стропила
О
φ
Стропила — строительная конструкция, обычно несколько треугольных ферм,
сделанных из соединенных между собой прямолинейных деревянных брусов
или металлических балок. Стропильная ферма называется плоской, если все
ее элементы лежат в одной плоскости. Столетиями строители использовали
стропила для возведения прочных сооружений наиболее экономичным
способом в плане финансовых затрат и расхода строительных материалов.
Жесткая рама стропил позволяет делать длинные пролеты между опорами.
Особенно в ходу треугольные фермы, потому что треугольники -
единственные фигуры, форму которых нельзя изменить, не меняя длину хотя бы одной
из сторон. Это значит, что треугольная рама из крепких брусьев не может быть
деформирована, даже если жесткое соединение в узле заменить на шарнир.
(А квадрат, например, в принципе может сложиться и принять форму ромба
при случайном проскальзывании в стыке.) Еще одно преимущество стропил
состоит в том, что их устойчивость легко рассчитать в предположении, что на
прямолинейные балки действуют силы растяжения и сжатия, приложенные к
ним в узлах. Если действующая на балку сила стремится удлинить ее, то это —
растягивающая сила. Если же сила пытается сделать балку короче, то она
называется сжимающей силой. Так как стропила неподвижны, сумма всех сил в
каждом узле равна нулю.
Деревянные стропила использовались для сооружения свайных жилищ на
озерах еще в раннем Бронзовом веке около 2500 г. до н. э. Римляне применяли
деревянные стропила для сооружения мостов. В 1800-х гг. стропила широко
использовались для строительства крытых мостов в США, где было выдано
множество патентов на различные формы возводимых конструкций. Первый
в США железный мост со стропильными фермами был построен в 1840 г.
через канал Эри в г. Франкфорте, штат Нью-Йорк, а первый мост со стальными
стропилами протянулся через Миссури в 1879 г. После Гражданской войны
железнодорожные мосты с металлическими стропильными фермами
приобрели большую популярность, поскольку обеспечивали лучшую устойчивость
при движении тяжелогруженых составов, чем подвесные мосты.
СМ. ТАКЖЕ Арка (1850 до н. э.). Двутавровые балки (1844), Тенсегрити (1948),
Падающая книжная башня (1955).
В течение уже многих столетий треугольные стропильные фермы позволяют возво
дить прочные, экономически эффективные постройки.

■»· ν
■ l>
■ ι
II'
i

Арка
В архитектуре арка — это криволинейное перекрытие пространства,
поддерживающее собственный вес и вес опирающихся на нее конструкций. Слово
«арка» используется также как метафора для обозначения чего-то весьма
устойчивого за счет взаимодействия отдельных частей. Римский философ
Сенека писал: «Человеческое общество подобно арке, удерживаемой от падения
взаимным давлением своих частей». А согласно древней индийской
поговорке, «арка никогда не спит».
Самые древние из сохранившихся арочных городских ворот - в Ашкелоне
(Израиль), они построены в 1850 г. дон. э. из необожженного кирпича-сырца и
известняка. Кирпичные арки Месопотамии еще древнее. Особенно полюбили
арки в Древнем Риме, где они широко использовались в самых разнообразных
постройках.
В строительстве арки распределяют большой вес верхней части
сооружения на вертикальные и горизонтальные силы, направляя их на
поддерживающие колонны. В конструкции арки используются клинчатые камни, точно
подогнанные друг к другу. Нагрузка обычно распределена равномерно по
поверхности соседних блоков. Центральный клинчатый камень в вершине арки
называется замковым камнем. При строительстве арки вокруг нее часто
сооружают поддерживающие деревянные леса, пока замковый камень не будет
установлен на свое место, обеспечивая жесткость конструкции. После этого
арка поддерживает себя сама. Одним из преимуществ арки перед прежними
опорными сооружениями является легкость транспортировки клинчатых
камней и возможность перекрыть большое пространство. Другим
преимуществом является распределение силы тяжести по всему телу арки и ее
превращение в силы, почти перпендикулярные нижним граням клинчатых камней.
Это означает, однако, что на основание арки действуют боковые распирающие
силы, которые должны быть уравновешены силами упругости со стороны
нижних частей арки (например, кирпичных стен). Большая часть нагрузки
на арку превращается в силы сжатия, которым легко противостоит материал
клинчатых камней. Римляне возводили в основном полукруглые арки, хотя
возможны и другие формы. В римских акведуках боковые распирающие силы
со стороны соседних арок нейтрализуют друг друга.
СМ. ТАКЖЕ Стропила (2500 до н. э.). Двутавровые балки (1844), Тенсегрити (1948),
Падающая книжная башня (1955).
На рисунке - древнее турецкое здание с арочным коридором.

л
\
^:ц£
* ) -·.
. \

Компас ольмеков
Майкл Д. Ко (р. 1929), Джон Б. Карлсон (р. 1945)
В течение многих столетий мореплаватели применяли компасы с магнитной
стрелкой для определения направления на Северный магнитный полюс
Земли. Компас ольмеков, живших на территории Мезоамерики, — один из самых
древних на Земле. Ольмекская цивилизация существовала на территории
нынешней Центральной Мексики примерно в 1400—1000 гг. до н. э. Ее знают
благодаря гигантским скульптурным изображениям человеческих голов,
вырезанным из вулканических пород.
Американский астроном Джон Б. Карлсон применил радиоуглеродный
метод датировки соответствующих слоев в археологических раскопках и
определил, что найденный им плоский отполированный продолговатый предмет
из красного железняка относится к 1400-1000 гг. до н. э. Карлсон
предположил, что ольмеки применяли подобные предметы как указатели направления
в астрологии, а также использовали в геомантии (гадании по земле) и для
ориентации мест захоронения. Компас ольмеков — это брусок отполированного
магнетита с желобком на одном конце, который, возможно, служил для
визирования. Заметим, что китайцы изобрели компас в самом конце I в., а в
мореплавании компас начали использовать только в XI в.
В статье «Компас из магнетита. Кому принадлежит первенство — китайцам
или ольмекам?» Карлсон пишет: «Учитывая уникальный вид образца М-160
(отполированный брусок с намеренно приданной ему формой и выточенным
желобком) и его состав (магнитный минерал, вектор магнитного момента
которого лежит в плоскости вращения), и признавая, что ольмеки были
искушенным народом, обладавшим глубокими знаниями и мастерством в
обработке железной руды, я бы предположил, что артефакт М-160 был изготовлен
и использовался как компас нулевого рода, как я это называю, если не как
компас первого рода. Вопрос, использовалась ли эта стрелка для указания
направления на какой-то астрономический объект (компас нулевого рода) или на
геомагнитный Северный полюс (компас первого рода), остается открытым».
В конце 1960-х гг. археолог из Йельского университета Майкл Ко нашел
ольмекский брусок в мексиканском штате Веракрус. В 1970 г. Карлсон провел
испытания, во время которых брусок плавал на поверхности ртути или в воде
на корковой пластинке.
СМ. ТАКЖЕ «De Magnete» («О магните») (1600), Закон Ампера в теории
электромагнетизма (1825), Гальванометр (1882), Радиоуглеродный метод датировки (1949).
Слово «магнетит» относится к естественно намагниченному минералу, образцы
которого использовались древними людьми для создания магнитного компаса. Здесь
показан магнетит из отдела самоцветов и минералов Национального музея
естественной истории (Смитсоновский институт).

■ *
ч

Арбалет
о
В течение столетий арбалет был оружием, в котором законы физики
использовались для того, чтобы пробивать броню и убивать врага. В средневековых
сражениях арбалет мог изменить шансы на победу. Одно из первых
достоверных сообщений об этом грозном оружии относится к битве при китайском
городе Ма-Лин (341 г. до н. э.), однако в китайских захоронениях находят и
более древние арбалеты.
Поначалу арбалеты представляли собой луки, укрепленные на деревянной
рукоятке или на ложе. Тяжелый снаряд, похожий на короткую стрелу и
называвшийся болтом, скользил по направляющему пазу в ложе. Позже были
изобретены различные механизмы для натягивания тетивы и приведения ее в
состояние готовности к следующему выстрелу. Старые арбалеты имели стремя
для ноги стрелка — он ставил туда ногу, натягивая тетиву обеими руками или
крюком.
Физика помогла существенно улучшить это оружие. Традиционный лук и
стрелы требуют от лучника большой силы, чтобы натягивать лук и
удерживать его при прицеливании. Но даже более слабый человек мог натянуть
тетиву арбалета, используя еще и силу ног. Позже для этого стали применять
разнообразные рычаги, шестеренки, вороты и рукоятки, увеличивающие силу
стрелка при натягивании тетивы. В XIV в. арбалеты в Европе изготовляли из
стали, а для натяжения тетивы применяли кранекин — зубчатое колесико с
заводной ручкой. Чтобы натянуть тетиву, стрелок должен был вращать ручку.
И арбалет, и обычный лук обязаны своей пробивной силой той энергии, что
запасена в натянутой тетиве, - как в пружине, которую натянули и
удерживают. Это потенциальная энергия упругой деформации лука. Когда тетиву
отпускают, потенциальная энергия превращается в кинетическую. Количество
энергии, сообщаемое луком метательному снаряду, зависит от величины
натягивающей силы и длины натягивания (расстоянию от тетивы в натянутом
состоянии до ее начального положения в состоянии покоя).
СМ. ТАКЖЕ Атлатль (30 000 до н.э.), Бумеранг (20 000 до н.э.), Требушет (1200),
Сохранение энергии (1843).
Примерно в 1486 г. Леонардо да Винчи сделал несколько чертежей громадного арбале
та. Это оружие заводилось с использованием зубчатых передач. В спусковом
механизме для удержания тетивы применялся штырь, который для производства выстрела
выбивался ударом деревянной колотушки.

1
ψ - -i.
\ \
Λ "If.
. ν
Ί Ι '4 _
Μ -
>4
' \ ί!
~. *
V ν
,'ί >
4- '';tV *· t\
-
. 4 %
' \ ·
v
ν·' V

Багдадская батарейка
Алессандро Вольта (1745-1827)
Когда в 1800 г. итальянский физик Алессандро Вольта сложил вместе
несколько пар чередующихся медных и цинковых дисков, разделенных
тканью, смоченной в соленой воде, он изобрел то, что традиционно считается
первой электрической батареей. Если соединить проводом верх и низ батареи,
по нему начинает течь электрический ток. Однако по некоторым
археологическим артефактам можно предположить, что батареи были открыты более,
чем на тысячу лет раньше.
«У Ирака большое национальное наследие, - рассказывали журналисты
Би-би-си своим слушателям. — Эдемский сад и Вавилонская башня были
расположены, как говорят, на этой древней земле». В 1938 г., будучи в
Багдаде, немецкий археолог Вильгельм Кёниг нашел глиняный горшочек высотой
13 см. Внутри был медный цилиндр, окружавший железный стержень.
Следы коррозии говорили, что некогда в горшочке содержалась слабая кислота
типа уксуса или вина. Кёниг счел, что эти сосуды являются гальваническим
элементом или частью батареи, служившей, возможно, для
гальванопластического золочения серебряных предметов. Кислотный раствор мог бы играть
роль электролита, проводящей среды. Возраст находки неясен, Кёниг
датировал ее примерно 250 г. дон. э. - 224 г., другие предлагали диапазон 224-640 гг.
Последующие исследователи продемонстрировали, что копия багдадской
«батарейки» действительно создает электрическое напряжение при заполнении
горшочка виноградным соком или уксусом.
Говоря в 2003 г. об этих находках, металлург Пол Крэддок заметил: «Они
не имеют аналогов. Насколько мы знаем, никто больше не нашел ничего
подобного. Это странные штуки, они - одна из загадок жизни». Были
предложены многочисленные варианты возможного использования багдадских
батареек — от акупунктуры до воздействия на воображение людей, поклонявшихся
идолам. Если вместе с другими древними «батарейками» были бы найдены
проволочки или иные проводники, стало бы ясно, что горшочки
действительно служили для получения тока, но, конечно же, древние люди не могли
понимать, как работают эти устройства.
СМ. ТАКЖЕ Электростатический генератор фон Герике (1660), Лейденская банка (1744),
Батарея (1800), Топливный элемент (1839), Фотоэлементы (1954).
Древняя багдадская батарейка представляет собой горшочек с битумной пробкой.
Из битума наружу выступает железный стержень, окруженный медным цилиндром.
Если наполнить горшочек уксусом, он создаст напряжение около 1,1 В. (Фото
печатается с любезного разрешения Стэна Шерера.)

*
<·
;
..Vi"Ai -^
is" >·■' ν ' ■■
Λ r. ' ' '

Сифон
Ктесибий (285-222 до н. э.)
\,
Сифон - это изогнутая трубка в форме перевернутой буквы U с коленами
разной длины, по которой жидкость перетекает из резервуара в другое место.
Какие-то части трубки могут располагаться выше уровня жидкости в
резервуаре, но, несмотря на это, сифон все равно работает. Для поддержания
течения жидкости не нужны никакие насосы, поскольку поток обусловлен
разницей гидростатического давления. Открытие принципа действия сифона часто
приписывается греческому изобретателю и математику Ктесибию.
Жидкость в сифоне может подняться по трубке вверх перед тем, как
начать течь вниз частично из-за того, что жидкость в длинном колене тянется
вниз силами гравитации. В красивых
лабораторных экспериментах
некоторые сифоны работали даже в вакууме.
Максимальная высота «гребня», на
которой может находиться
горизонтальная часть трубки сифона, ограничена
• атмосферным давлением: если она
расположена слишком высоко, давление
в жидкости упадет ниже давления ее
паров, что приведет к образованию в
гребне пузырьков газа.
Интересно, что выходное отверстие
сифона не обязательно ниже входного
отверстия, но оно должно быть ниже
уровня воды в резервуаре. Хотя сифо-
- _. ii, ны используются в несчетном числе
ЫЬ практических устройств для отвода
жидкости, мой любимый прибор -
•w^ss ι , чаша Тантала. В одном из видов этого
>, | устройства в чашу помещена
фигурка человека. Внутри нее скрыт сифон,
гребень которого находится примерно
на уровне подбородка фигурки. Когда
жидкость наливают в чашу, сначала она поднимается до подбородка, а затем
содержимое чаши быстро вытекает через конец сифона, спрятанного в нижней
части чаши. Поэтому Тантал никогда не сможет утолить жажду.
СМ. ТАКЖЕ Архимедов винт (250 до н. э.), Барометр (1643), Закон Бернулли в
гидродинамике (1738), Пьющая птичка (1945).
СЛЕВА: чаша Тантала со скрытым сифоном (показан синим). СПРАВА: простой
сифон с жидкостью, перетекающей из одного сосуда в другой.

Закон Архимеда
Архимед (ок. 287 - ок. 212 до н. э.)
Представьте, что вы взвешиваете какой-то объект — например, свежее, не
сваренное яйцо. Если вы положите яйцо в таз с водой, то, согласно
показаниям весов, оно будет весить меньше, чем если бы его взвесили, достав из таза.
Вода вызывает направленную вверх силу, которая частично поддерживает
яйцо, уменьшая его вес. Проявление этой силы еще более очевидно, если тот
же эксперимент проделать с предметом меньшей плотности - например, с
кубиком из пробки. Кубик плавает на поверхности, частично погрузившись в
воду.
Сила, действующая со стороны воды на
пробковый кубик, называется
выталкивающей силой. Она зависит от плотности
жидкости и объема предмета, но не от его формы или
материала, из которого он изготовлен. Поэто- j»»^. ·-' , ,.
му в нашем опыте абсолютно не важно, какую
форму могло бы иметь яйцо — сферическую или
кубическую. На равные объемы яйца и дерева «
будет действовать в воде одинаковая
выталкивающая сила.
Согласно закону Архимеда, тело,
полностью или частично погруженное в воду,
выталкивается вверх силой, равной весу
вытесненной им жидкости. Этот закон назван по имени
греческого математика и изобретателя,
прославившегося своими исследованиями в
области геометрии и гидростатики.
В качестве другого примера рассмотрим свинцовую дробинку, помещенную
в ванну. Дробинка весит больше, чем то ничтожное количество воды, которое
она вытесняет. Поэтому дробинка тонет. Деревянная лодка поддерживается на
поверхности большим весом вытесняемой ею воды, поэтому она плавает.
Субмарина, полностью погрузившись в морские глубины, вытесняет объем воды,
вес которой в точности равен весу субмарины. Другими словами, в этом случае
полный вес субмарины, включая людей, металлический корпус, все предметы
внутри и даже воздух равны весу вытесненной морской воды.
СМ. ТАКЖЕ Архимедов винт (250 до н. э.), Закон Стокса для вязкой жидкости (1851),
Лавовая лампа (1963).
СЛЕВА: на яйцо в воде действует сила, направленная вверх и равная весу вытесненной
им воды. СПРАВА: когда плезиозавры (вымершие рептилии) плавали в море, их полный
вес был равен весу воды, которую они вытесняли. Гастролиты (желудочные камни),
обнаруженные вместе со скелетами плезиозавров, видимо, помогали контролировать
плавучесть.

rrrrrf If

о
φ
Архимедов винт
Архимед (ок. 287- ок. 212 до н. э.), Марк Витрувий (ок. 87- ок. 15 до н. э.)
Древнегреческого геометра Архимеда часто называют величайшим
математиком и ученым Античности и одним из четырех величайших математиков,
когда-либо ходивших по земле, - в одном ряду с Исааком Ньютоном,
Леонардом Эйлером и Карлом Фридрихом Гауссом.
Изобретение водяной спирали, или архимедова винта, для подъема воды и
орошения посевов приписано Архимеду греческим историком Диодором
Сицилийским, жившим в I в. до н. э. Римский инженер Витрувий оставил
подробное описание работы этого устройства при подъеме воды с использованием
переплетающихся винтовых лопастей. Нижний конец винта погружен в
водоем, и его вращение заставляет воду подниматься на более высокий уровень.
Может быть, Архимед разработал также спиральный насос — тоже похожее на
штопор устройство, используемое для вычерпывания воды с днища больших
кораблей. Архимедов винт до сих пор применяется там, где не владеют
передовыми технологиями, и хорошо функционирует, даже когда в воде много
мусора. Он также сводит к минимуму ущерб, наносимый водным организмам.
Современные устройства типа архимедовых винтов применяются для
перекачивания сточных вод в водно-очистные сооружения.
Автор многих научно-популярных книг Хизер Хасан пишет: «Некоторые
египетские крестьяне до сих пор используют архимедовы винты для
орошения своих полей. Размеры таких винтов колеблются в широком диапазоне —
от 0,6 см до 3,7 м в диаметре. Винт используют также в Нидерландах и в других
странах, где приходится осушать поверхность земли от нежелательных вод».
Есть и другие занимательные современные примеры. Семь архимедовых
винтов используются для перекачки сточных вод в очистных сооружениях в
Мемфисе, штат Теннесси. Каждый из них имеет 2,44 м в диаметре и может
поднять 75 000 л воды в минуту. А математик Крис Роррес утверждает, что
архимедов винт с диаметром в карандаш используется в гемонасосе, который
поддерживает циркуляцию крови во время остановки сердца, коронарного
шунтирования и других хирургических операций.
СМ. ТАКЖЕ Сифон (250 до н. э.), Закон Архимеда (250 до н. э.).
Архимедов винт, рисунок взят из «Энциклопедии Чемберса», 1875.

$"тжь
.t.l... ■ Ι ,.
^ζΡ^
*# .ν/''/7'1 с.
4#£^э1*1=й*£.

Эратосфен измеряет Землю
Эратосфен Киренский (ок. 276 - ок. 194 до н. э.)
По словам Дугласа Хаббарда (автора книги «Как измерить все, что угодно»),
«наш первый наставник в метрологии (науке об измерениях) совершил то,
что, вероятно, многим в его дни казалось невозможным. Древний грек по
имени Эратосфен произвел первые зафиксированные измерения окружности
Земли... [Он] не использовал точного геодезического оборудования, и в его
распоряжении не было, конечно же, лазеров и спутников...». Однако
Эратосфен знал об очень глубоком колодце в городе Сиене (ныне - Асуан) в Южном
Египте. Один раз в году дно колодца освещалось полуденным солнцем.
Иными словами, солнце стояло прямо над головой. Эратосфен также знал, что в
это же время в Александрии предметы отбрасывают тень. Это привело его к
выводу, что Земля круглая, а не плоская. Эратосфен узнал угол, под которым
отбрасывается тень, — он оказался равным 1/50 полной окружности.
Предположив, что солнечные лучи параллельны, Эратосфен заключил, что
окружность Земли примерно в 50 раз больше расстояния от Сиены до Александрии.
Оценки точности измерения Эратосфена меняются в зависимости от
принимаемого метода пересчета древних единиц измерения в современные,
наряду с другими факторами. Но обычно полагают, что отличия его измерения
от фактической длины окружности Земли не превышают нескольких
процентов. Безусловно, результат, полученный Эратосфеном, был точнее любого,
полученного другими учеными того времени. Сейчас мы знаем, что
окружность Земли по экватору составляет около 40 075 км. Любопытно, что если
бы Колумб не игнорировал оценки Эратосфена, сильно преуменьшая размеры
Земли, то его цель - достичь берегов Азии морским путем, отправившись на
Запад, - могла бы считаться недостижимой.
Эратосфен родился в Кирене (ныне - Ливия). Многие годы заведовал
знаменитой Александрийской библиотекой. Ученый известен и как основатель
научной хронологии (системы, устанавливающей даты событий в правильном
порядке), а также как автор несложного алгоритма для нахождения простых
чисел (таких как 13, которые делятся только сами на себя и на единицу). В
старости Эратосфен, ослепнув, уморил себя голодом.
СМ. ТАКЖЕ Блок (230 до н. э.). Размеры Солнечной системы (1672), Эффект «черной
капли» (1761), Звездный параллакс (1838), Рождение метра (1889).
Карта мира по Эратосфену (реконструкция 1895 г.). Эратосфен измерил окружность
Земли, не покидая Египта. Многие античные и средневековые ученые полагали, что
Земля круглая, но они не знали о существовании Америки.

THE "WORLD
ERATOSTHENES
ВС. 22"
4 -
Η ι
I
4 *
···- I ."
ft
•-s
IT Β. Ο Ρ
,н
S CTII ТА.
Χ*"**
il
^7
-a *чФ^
' K&ur \
*τ·-
.^«
I Vat * «t . « ■
I В Υ
> lain
* 4 - .li*
Baotri
* Μ . t Тли
A S I
Prals
Carmani*.
Oedxoai»
N
IKDIA
JB ■ ill
Oarr*m«tiC«
Jf ЖХ
l>
Xqprofc
к ^ijurridrjtf
Дг|дЛ£ ЯДУ S.RJEUM
-г=*^

Блок
Архимед (ок. 287 - ок. 212 до н. э.)
Блок - это механизм, обычно состоящий из шкива на оси. Канат идет через
шкив, так что блок может изменить направление прилагаемой силы -
например, помогая человеку или механизму поднять или передвинуть тяжелый
груз. Блок также облегчает задачу передвижения груза, поскольку
уменьшает необходимую для этого силу.
Вероятно, блок появился в доисторические времена, когда кто-то
перебросил веревку через горизонтальную ветку дерева, чтобы поднять тяжелый
груз. Автор многих научно-популярных книг Кендал Хейвен пишет: «Около
3000 лет до н. э. подобные блоки с желобками на колесе (чтобы веревка не
соскальзывала) существовали в Египте и Сирии. Греческому математику и
механику Архимеду приписывается честь изобретения около 230 г. до н. э.
системы из нескольких блоков, в которой ряд колес соединялся таким образом,
чтобы увеличить силу человека и поднять груз. Современные грузоподъемные
устройства, полиспасты и тали — примеры соединения блоков».
Блоки кажутся почти чудом — поразительно, насколько они способны
уменьшить толщину каната, его прочность и усилия, необходимые для
подъема тяжелого груза. Согласно легендам, а также и трудам греческого историка
Плутарха, Архимед использовал тали для перемещения тяжелых кораблей,
сводя усилия к минимуму. Конечно, никакие законы природы при этом не
нарушаются. Работа, которая определяется как произведение силы на
перемещение, остается той же самой — соединение блоков позволяет тянуть канат
с меньшей силой, но на большие расстояния. На практике увеличение числа
блоков приводит к росту трения при скольжении, и потому при определенном
количестве используемых блоков эффективность всей системы падает.
Оценивая усилия, необходимые для использования системы блоков, инженеры при
вычислениях часто предполагают, что шкивы и канаты весят очень мало по
сравнению с перемещаемым весом. На протяжении десятков лет тали были
совершенно обычным явлением на парусных судах, где не всегда имелись
моторизованные устройства.
СМ. ТАКЖЕ Атлатль (30 000 до н. э.). Арбалет (341 до н. э.). Маятник Фуко (1851).
Крупный план составного блока на старинной яхте. Канаты в блоках перемещаются
при поворотах шкивов, так что блоки могут менять направление приложенной силы
и облегчать передвижение груза.

I
»
Si
\
\

«Зажигательные зеркала» Архимеда
Архимед (ок. 287 - ок. 212 до н. э.)
Легенда о «зажигательных зеркалах» Архимеда пленяла историков на
протяжении столетий. В ней рассказывается о том, как в 212 г. до н. э.
Архимед сделал «луч смерти», состоявший из множества зеркал, фокусировавших
солнечный свет на римских кораблях, и поджигавший их. Разные люди
пытались проверить возможность работы такой системы на практике, но
приходили к выводу, что вряд ли описанное в легенде является правдой. Однако
в 2006 г. профессор инженерной механики Дэвид Уоллес из Массачусетского
технологического института призвал своих студентов построить деревянную
копию римского корабля и сфокусировал на нем солнечный свет с помощью
127 плоских зеркал размером 30 см каждое. Судно находилось на расстоянии
30 м. Через десять минут оно загорелось!
В 1973 г. греческий инженер использовал 70 плоских зеркал шириной
1,5 м и длиной 0,9 м каждое, чтобы сфокусировать солнечный свет на лодке.
В этом эксперименте лодка также быстро загорелась. Итак, было доказано, что
в принципе с помощью зеркал можно поджечь корабль, однако для Архимеда
эта задача была, вероятно, очень трудной, ведь вражеские корабли не стояли
на месте, они двигались.
В качестве интересного отступления - рассказ Артура Кларка
«Солнечный удар» о недобросовестном футбольном арбитре. Когда этот судья принял
неправильное решение, болельщики направили на него солнечные зайчики,
используя сувенирные программки, которые держали в руках. Блестящие
обложки программок сработали как зеркала Архимеда, и бедный судья был
испепелен на месте.
Архимед изобрел и другое оружие. По свидетельству греческого историка
Плутарха, против римлян при осаде Сиракуз в 212 г. до н. э. было эффективно
использовано баллистическое оружие. Так, Плутарх пишет: «Но тут Архимед
пустил в ход свои машины, и в неприятеля, наступающего с суши, понеслись
всевозможных размеров стрелы и огромные каменные глыбы, летевшие с
невероятным шумом и чудовищной скоростью, - они сокрушали все и всех на
своем пути и приводили в расстройство боевые ряды...».
СМ. ТАКЖЕ Волоконная оптика (1841), Фотоэлементы (1954),
Лазер (1960), Неосвещаемая комната (1969).
СЛЕВА: гравюра из книги Ф. Мариона «Чудеса оптики» (1870).
изображающая «зажигательные зеркала» Архимеда. СПРАВА:
крупнейшая солнечная печь в мире находится во французском
городе Одеило. Массив плоских зеркал (не показаны) отражает
солнечные лучи на огромное вогнутое зеркало, которое
фокусирует свет на небольшую площадь, где достигается
температура 3000 "С.

'ν ·.« i I »'
■- . λ- ; :
I
• --J к
■ Λ ·
- (
' ^r

Механизм с острова Антикитера
Валериос Стаис (1857-1923)
Механизм с Антикитеры — древнее шестереночное вычислительное
устройство, использовавшееся для астрономических расчетов и уже более столетия
поражающее ученых. Прибор, сделанный около 150—100 г. до н. э., был
обнаружен в 1902 г. археологом Валериосом Стансом на месте древнего
кораблекрушения у берегов греческого острова Антикитера. Журналистка Джо
Марчант пишет: «Среди спасенных сокровищ, позже отправленных в
Афины, был бесформенный камень, который никто сначала и не заметил, пока
он не раскололся, обнажив бронзовые шестеренки, стрелки и миниатюрные
надписи на греческом языке... Это был сложный механизм, состоящий из
точно пригнанных циферблатов, стрелок и не менее тридцати шестеренок. На
протяжении более тысячи лет, вплоть до появления в средневековой Европе
астрономических часов, в мире не было ничего, даже отдаленно
приближающегося к этому механизму по сложности».
Циферблат на передней панели прибора имел по крайней мере три стрелки,
одна из которых показывала дату, а две другие - положение Солнца и Луны.
Механизм также применялся, возможно, для отслеживания дат древних
Олимпийских игр, предсказания солнечных затмений и движения планет.
Особое восхищение физиков вызвал лунный механизм, где применялась
зубчатая передача с бронзовыми шестеренками, центры вращения которых
были слегка смещены, чтобы показать положение и фазы Луны. Как мы
знаем сейчас из законов Кеплера для движения планет, Луна движется вокруг
Земли с разной скоростью — тем быстрее, чем она ближе. Это изменение
скорости моделировалось в механизме с Антикитеры, хотя древние греки ничего не
знали об эллиптической форме лунной орбиты. Вдобавок, и Земля движется
вокруг Солнца быстрее, когда она приближается к нему, и медленнее, когда
удаляется. Марчант пишет: «Поворачивая ручку на корпусе, вы можете и
продвинуться вперед во времени, и вернуться назад, и увидеть космос в том
состоянии, в котором он находится сейчас, был вчера или будет завтра, в прошлый
вторник или через сто лет в будущем. Кто бы ни был владельцем прибора, он
должен был чувствовать себя повелителем небес».
СМ. ТАКЖЕ Солнечные часы (3000 до н. э.). Шестерни (50), Законы Кеплера для
движения планет (1609).
Механизм с Антикитеры — древнее аналоговое вычислительное устройство, использо
вавшееся для астрономических расчетов. Рентгеновские снимки механизма позволили
определить внутреннюю конфигурацию шестеренок в устройстве. (Фото любезно пре
доставлено Райеном ван де Вейгартом.)

л-
*\
<
\
л
Л
• .
• л -Vs..
ч

Реактивный двигатель Герона
Герон Александрийский (ок. 10 - ок. 70),
Марк Витрувий (ок. 85 - ок. 15 до н. э.),
Ктесибий (ок. 285 - ок. 222 до н. э.)
История ракет и нескончаемая череда экспериментов с ними могут быть
прослежены вплоть до греческого математика и инженера Герона
Александрийского. Он изобрел механизм эолипил, похожий на реактивный двигатель, но
использовавший силу пара. Двигатель Герона состоял из сферы, помещенной
над котлом с водой. Огонь под котлом нагревал воду, образовывался пар,
который по трубам подавался в сферу. Оттуда пар выходил через две изогнутые
трубки, расположенные на противоположных сторонах сферы, создавая
достаточную тягу для ее вращения. Из-за трения в опорах скорость вращения
двигателя Герона, поначалу возрастая, быстро достигала своего
стационарного значения.
И Герон, и римский инженер Витрувий, и древнегреческий изобретатель
Ктесибий восхищались подобными устройствами, использовавшими силу
пара. Историки науки не уверены, служил ли двигатель Герона каким-либо
практическим целям. В 1865 г. в журнале Quarterly Journal of Science
утверждалось: «Co времен Герона мы не слышали больше о применении пара вплоть
до XVII в. В работе, опубликованной в 1600 г., двигатель Герона предлагалось
использовать для вращения вертела, и его огромное преимущество виделось в
том, что участники обеда могли быть уверены, что «слуга, вращающий вертел,
не будет в отсутствие хозяйки лапать жарящуюся вырезку ради удовольствия
облизать свои грязные пальцы».
Принцип действия реактивных и ракетных двигателей основан на третьем
законе Ньютона, который утверждает, что для любой силы, действующей
в каком-то направлении, всегда возникает равная ей и противоположно
направленная сила реакции. Принцип реактивного движения можно наблюдать
в действии, если развязать отверстие надутого воздушного шарика и
отпустить его на свободу. Первым реактивным самолетом был немецкий Хейнкель
Не 178, полет которого впервые состоялся в 1939 г.
СМ. ТАКЖЕ Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения (1687),
Газовый закон Шарля (1787), Уравнение Циолковского для ракеты (1903).
Джон Бентяи построил и сфотографировал копию двигателя Герона, который враща
ется почти бесшумно со скоростью 1500 об./мин при давлении пара всего 93 мм рт. ст.,
выбрасывая на удивление мало видимых выхлопных газов.

Шестерни
Герон Александрийский (ок. 10 - ок. 70)
Вращающиеся зубчатые колеса с их зацепляющимися друг за друга зубцами
сыграли решающую роль в истории техники. Зубчатые механизмы важны не
только для увеличения вращающей силы (крутящего момента), но также
полезны для изменения скорости вращения и поворота ее оси. Одна из самых
старых машин - гончарный круг. Примитивные передачи, применявшиеся
в подобных колесах, вероятно, существовали на протяжении нескольких
тысяч лет. В IV в. до н. э. Аристотель писал о колесах, где для передачи
движения использовалось трение между гладкими поверхностями. В построенном
около 125 г. до н. э. механизме с острова Антикитера зубчатые передачи
использовались для астрономических расчетов. Одно из самых ранних (около
50 г.) письменных упоминаний зубчатых передач принадлежит Герону
Александрийскому. Со временем шестерни стали играть решающую роль в самых
разных механизмах - мельницах, часах, велосипедах, автомобилях,
стиральных машинах и дрелях. Они оказались чрезвычайно полезны для увеличения
приложенных сил, а потому еще в античные века инженеры использовали их
для подъема тяжелых строительных грузов. Свойство агрегатов шестеренок
изменять скорость вращения применялось в старых ткацких станках,
приводимых в движение лошадьми или водой. Скорость вращения, обеспечиваемая
этими источниками энергии, часто была недостаточна,
^ ^^" а соединение деревянных шестеренок способно было ее
увеличить.
^ z - Когда две шестерни зацепляются зубцами,
отношение скоростей вращения s1/s2 есть просто обратное
отношение числа зубцов на шестернях: s1/s2 = п2/п1.
Таким образом, маленькая шестеренка вращается бы-
5^' стрее, чем зацепленная с ней большая шестерня. Для
крутящего момента наоборот: большая шестерня имеет
больший крутящий момент, причем вращается
медленнее. Это полезно, например, для электродрелей, где
мотор создает небольшой момент силы при высокой
скорости вращения, а на выходе надо получить невысокую
скорость вращения, но большой крутящий момент.
Простейшим видом являются цилиндрические
шестерни с прямыми зубцами. В косозубых шестернях зубцы расположены под
углом. Преимущество таких шестеренок - более плавная и тихая работа
механизмов, а кроме того, больший крутящий момент.
*
СМ. ТАКЖЕ Блок (230 до н. э.), Механизм с острова Антнкитера (125 до н. э.).
Реактивный двигатель Герона (50).
Шестерни сыграли важную роль в истории человечества. Зубчатые механизмы могли
увеличивать прилагаемую силу или крутящий момент, а также были полезны при
изменении скорости вращения и направления силы.

• ι τ■■■'■*■ ■,--■-
■» \
"< .-a
<*'%!\γ-ν····"·-·Ν£ - · '-■
'-*. 9. >. .··'(.- ·* ■-* VV
*-H «* """1 . .li-\
Τ * 'ли
,./.;f
•■'ν ;V-
"?■
г
.·*-■
4'
'ν- :.-ΐ..' '
■^Г-
' ·«
4* ·-'■· * ■ ' >.v 'v ~.v \ .
:*ψ · . .;■",- ■ ■■&. - г-ч ·-■
* ' „л- ι^.νν4· V*4 ...» '
... ..■- ί·-tfv*""^
- ^ ■

Огни Святого Эльма
Гай Плиний Секунд (Плиний Старший) (23-79)
Однажды Чарльз Дарвин, совершавший морское путешествие, стал
свидетелем природного явления, тысячелетиями порождавшего самые различные
суеверия. «Все в пламени! — в изумлении восклицал он. — Небо в молниях, вода
в светящихся частицах, и даже мачты увенчаны синим пламенем!» Это были
огни Святого Эльма. Около 78 г. римский философ Плиний Старший
упомянул их в своей «Естественной истории».
Часто описываемое как призрачное бело-голубое танцующее пламя, огни
Святого Эльма — электрическое погодное явление, излучение света плазмой,
ионизированным газом. Плазма создается атмосферным электричеством,
и во время штормовой погоды жуткое свечение часто появляется на концах
острых предметов, таких как церковные шпили или мачты кораблей. Святой
Эльм был покровителем средиземноморских моряков, которые считали огни
хорошим предзнаменованием - свечение часто становилось ярче к концу бури.
Остроконечные объекты способствуют появлению огней Святого Эльма,
потому что электрические поля концентрируются вблизи поверхностей с высокой
кривизной. С острых концов заряд стекает при меньшем электрическом
потенциале, чем с гладких поверхностей. Цвет огней обусловлен флюоресценцией
азота и кислорода, входящих в состав воздуха. Если бы атмосфера состояла из
неона, огни Святого Эльма были бы оранжевыми, как на неоновых рекламах.
«Появляющиеся в темные штормовые ночи, — пишет ученый Филипп Кал-
лахан, - огни Святого Эльма породили, возможно, больше историй о духах
и сказок о привидениях, чем любые другие природные явления». В романе
«Моби Дик» Герман Мелвилл описывает огни во время урагана: «Все ноки
реев были увенчаны бледными огнями, а три высокие мачты, на верхушках
которых над трезубцами громоотводов стояло по три белых пламенных
языка, беззвучно горели в насыщенном серой воздухе, словно три гигантские
восковые свечи пред алтарем... Святой Эльм, смилуйся над нами!.. Сколько ни
плавал я по морям, никогда не случалось мне услышать ругательства, если
господь наложит на корабль свой огненный перст». (Пер. с англ. И. Бернштейн.)
СМ. ТАКЖЕ Северное полярное сияние (1621), Воздушный змей Бена Франклина (1752),
Плазма (1879), Флюоресценция Стокса (1852), Неоновые рекламы (1923).
Огни Святого Эльма на мачтах корабля. Иллюстрация из книги «Воздушный мир»
Георга Хартвига, Лондон, 1886.

:-1И*
ш
!/*&-:.·■;■£
I и ί!
Pv
ill !· 4 . ft Λ
h ii l|| »'
ΛιΛν
■I.'
\ и
1 -Υ
P. |,,,jH .
\ V
ι'., ' ·. ·:/ Г ■-· ■ ν;Μ'" " -
"*. л
\
i
»1 -·■ -»~v VA a -
:β-.θ;θ:θ!- ·ίΐ:'

Пушка
Никколо Фонтана Тарталья (1500-1557), Хань Шичжун (1089-1151)
Пушка, использующая порох и обычно стреляющая тяжелыми снарядами,
заставила самые блестящие умы Европы сосредоточиться на изучении сил и
законов движения. «В конечном счете, влияние пороха именно на науку, а не
на военное дело, сыграло наибольшую роль в приближении Века Машин, —
пишет известный британский физик и историк науки Джон Десмонд Бер-
нал. — Порох и пушка взорвали мир Средневековья не только экономически
и политически; они были главной силой в разрушении его системы идей».
Писатель Джек Келли замечает: «И артиллеристы, и натурфилософы хотели
знать, что происходит с пушечным ядром после его вылета из ствола пушки.
Поиски окончательного ответа заняли четыре столетия и потребовали
создания совершенно новых областей науки». Первое зарегистрированное военное
применение пороховой артиллерии относится к захвату в 1132 г. города в
провинции Фуцзянь китайским военачальником Хань Шичжуном. В
Средние века стали делать пушки стандартных калибров, и они превратились в
эффективное оружие против людей и укреплений. Позже пушечные орудия
преобразили весь ход морских сражений. В американской Гражданской
войне гаубицы уже имели эффективную дальность более 1,8 км, а в Первой
мировой войне основная часть потерь в живой силе была связана с применением
пушек.
В 1500-х гг. ученые поняли, что порох при сгорании создает большой объем
горячего газа, который давит на пушечное ядро. Итальянский инженер
Никколо Тарталья помог артиллеристам, установив, что наибольшая дальность
выстрела достигается при угле стрельбы в 45°. Как мы теперь знаем, из-за
сопротивления воздуха это лишь приближенный результат. Теоретические
исследования Галилея показали, что сила тяготения, постоянно ускоряющая
падение пушечного ядра, заставляет его лететь по траектории, которая в
идеализированном варианте является параболой и не зависит от массы ядра. Хотя
сопротивление воздуха и другие факторы усложняют работу артиллерии,
пушки, как пишет Келли, «сделали основным направлением деятельности
научное изучение реальности, что позволило отвергнуть давнишние
заблуждения и заложить основу для эпохи Просвещения».
СМ. ТАКЖЕ Атлатль (30 000 до н. э.), Арбалет (341 до н. э.), Требушет (1200), Уравнение
Циолковского для ракеты (1903), Ямки на мяче для гольфа (1905).
Средневековая пушка на бастионе крепости на о. Гозо, недалеко от Мальты.

i
i I
им
l II
\\
ι Λ..Λ
f
*W

Вечный двигатель
БхаскараП (1114-1185), Ричард Филлипс Феинман (1918-1988)
Вечный двигатель может показаться неподходящей темой для книги о
главных вехах в истории физики, однако заметим: развитию науки часто
способствуют идеи, рождающиеся на ее периферии, особенно когда ученые
пытаются понять, почему какое-то устройство на первый взгляд нарушает законы
физики.
Различные проекты вечных двигателей предлагались на протяжении
многих веков, начиная с 1150 г., когда индийский математик и астроном Бхаска-
ра II описал колесо с сосудами, наполненными ртутью. Он считал, что колесо
будет вращаться вечно, потому что из-за перетекания ртути внутри сосудов
по одну сторону от оси вращения колесо всегда будет тяжелее, чем по другую.
Итак, вечным двигателем называется устройство, которое либо производит
больше энергии, чем потребляет (нарушение закона сохранения энергии),
либо самопроизвольно извлекает тепло из окружающей среды и целиком
превращает его в механическую работу (нарушение второго начала
термодинамики).
Моим любимым вечным двигателем является броуновская трещотка
Ричарда Фейнмана, которая обсуждалась в 1962 г. Представьте себе крошечный
храповик, прикрепленный к оси вертушки — маленького гребного колеса,
помещенного в воду. Молекулы воды ударяют в лопасти вертушки хаотично,
с разных сторон, но из-за храповика вертушка способна вращаться только в
одну сторону. Такое устройство можно использовать для совершения работы,
например для поднятия груза. Вертушка, снабженная
храповиком-трещоткой, т. е. собачкой, которая зацепляет наклонный зубец шестерни, будет
вращаться вечно. Забавно!
Однако Фейнман указал, что броуновская трещотка должна иметь очень
маленькую собачку, чтобы реагировать на удары молекул. Если температура
храповика такая же, как у воды, то крошечная собачка, сама подверженная
хаотическому тепловому движению, время от времени будет подниматься и
позволять шестерне провернуться в обратном направлении. Чистого вращения
в одну сторону в таком устройстве получить не удастся. Если температура
храповика будет меньше температуры воды, то вертушка действительно может
поворачиваться в одну сторону, но при этом устройство использует энергию от
перепада температур, что не противоречит второму началу термодинамики.
СМ. ТАКЖЕ Броуновское движение (1827), Сохранение энергии (1843), Второе
начало термодинамики (1850), Демон Максвелла (1867), Сверхпроводимость (1911), Пьющая
птичка (1945).
Обложка журнала «Популярная наука», октябрьский выпуск 1920 г., в котором на
с. 26 помещена статья «Вечное движение?». На рисунке американского иллюстратора
Нормана Рокуэлла (1894—1978) показан изобретатель, изучающий вечный двигатель.

OCTOBER
°^^°— 25 CENTS
Popular
Scie
£u MO
Perpetual Motion?
See page 26
-·
V
?k
γ
ι ι
\
. V.
ΝϋΠΊΙ

Требушет
Грозный требушет - это механизированная праща, в конструкции которой
используются простые законы физики. В Средние века требушет,
разновидность камнемета, применялся для разрушения крепостных стен. Принцип
его действия основан на законах рычага и центробежной силе, натягивающей
ремень пращи. Иногда с помощью требушета за стены замков забрасывались
трупы солдат или гниющих животных, чтобы вызвать болезни среди
осажденных.
Тягловые требушеты, применявшиеся в античной Греции и в Китае в IV в.
до н. э., использовали мускульную силу людей, тянувших за веревки,
привязанные к одному плечу рычага требушета.
В требушете с противовесом (который далее мы просто будем называть тре-
бушетом) люди заменялись тяжелым грузом. Такие устройства появились в
Китае не ранее 1268 г. Рычаг требушета напоминал качели. К одному концу
прикрепляли тяжелый груз, на другом была праща, в которую помещался
метательный снаряд. Когда противовес падал вниз, рычаг вращался и разгонял
пращу. В вертикальном положении механизм освобождал снаряд, который
летел в направлении мишени. Такое орудие, посылавшее метательный снаряд
с большей скоростью и на большие расстояния, было гораздо эффективнее,
нежели традиционная катапульта без пращи. В некоторых требушетах
противовес помещался ближе к оси качаний (точке опоры рычага), что давало
выигрыш в скорости снаряда. Сила со стороны противовеса велика, а со стороны
снаряда мала — это подобно тому, как если бы слон в цирке прыгнул на один
конец подкидной доски и его энергия быстро передалась кирпичу, лежащему
на другом конце.
В Средние века требушет использовался крестоносцами, а также
мусульманскими армиями. В 1421 г. инженеры будущего короля Франции Карла VII
построили требушет, который мог стрелять восьмисоткилограммовыми
каменными глыбами. Средняя дальность стрельбы составляла около 300 м.
Физики с увлечением изучали механику требушета - несмотря на
кажущуюся простоту устройства, система дифференциальных уравнений,
описывающих его движение, оказалась существенно нелинейной.
СМ. ТАКЖЕ Атлатль (30 000 до н. э.), Бумеранг (20 000 до н. э.), Арбалет (341 до н. э.),
Пушка (1132).
Требушет в замке Пастельно, средневековой крепости в Кастельно-ля Шапель на
р. Дордонь в Перигоре, Южная Франция.

ίΛ
_ »
isa
Γ fi" «L·

Объяснение радуги
Абу Али аль-Хасан ибн аль-Хайсам (965-1039),
Камаль ад-Дин аль-Фаризи (1267- ок. 1320),
Дитрих Фрейбергский (ок. 1250-ок. 1310)
«Кто из нас не восхищался величественной красотой радужной арки, в
безмолвии раскинувшейся от края до края над последствиями шторма, — писали
Раймонд Ли и Алистер Фрейзер. - Это яркое и захватывающее зрелище
возвращает нас к воспоминаниям детства, древним сказаниям и, возможно,
полузабытым урокам физики... В некоторых цивилизациях люди видели в
радуге зловещего змея, выгнувшегося в небе, в воображении представителей
других культур она была мостом между богами и человечеством». А сегодня
радуга словно объединяет в единое целое науку и искусство.
Сейчас мы знаем, что манящие цвета радуги возникают, когда солнечный
луч сначала преломляется (меняет свое направление) при прохождении через
поверхность дождевой капли, а затем отражается от задней части капли в
сторону наблюдателя и снова преломляется при выходе из капли. Разделение
белого света на различные цвета происходит из-за того, что волны различных
длин, соответствующие разным цветам, отклоняются на разные углы.
Камаль ад-Дин аль-Фаризи и Дитрих Фрейбергский независимо и почти
одновременно дали первое правильное объяснение радуги как результата двух
преломлений и отражения лучей. Аль-Фаризи, персидский
ученый-мусульманин, родившийся в Иране, проводил опыты с прозрачным шаром,
наполненным водой. Дитрих Фрейбергский, немецкий теолог и физик, использовал
похожее экспериментальное оборудование.
Поразительно, как часто в естествознании и математике разные ученые
делают одно и то же открытие примерно в одно и то же время. Примеров много,
и среди них - газовые законы, лист Мёбиуса, дифференциальное
исчисление, теория эволюции и неевклидова геометрия. По-видимому,
такие «одновременные» открытия случаются, когда приходит их
время, т. е. когда человечество накопило нужные для этого
знания. Иногда двое ученых, работающих раздельно, получали толчок,
прочитав результаты некоторых предварительных исследований.
| В случае с радугой как Дитрих, так и аль-Фаризи опирались на труд
арабского ученого-универсала аль-Хайсама (Альгазена) «Книга
оптики».
СМ. ТАКЖЕ Закон преломления Снеллиуса (1621), Призма Ньютона (1672),
Рэлеевское рассеяние (1871), Зеленый луч (1882).
СЛЕВА: согласно Библии. Бог показал Ною радугу как знамение завета
Божьего (картина Иозефа Антона Коха (1768-1839)). СПРАВА: цвета
радуги возникают из-за преломления и отражения солнечного луча в дождевых
каплях.

'. :. ■ .■"•к ъг-"л > ;
ί λ:·
;w
Λ,
"κ

Песочные часы
Амброджо Лоренцетти (1290-1348)
Французский писатель Жюль Ренар (1864-1910) однажды написал: «Любовь
подобна песочным часам: наполняя сердце, она опустошает разум». Песочные
часы измеряют время с помощью мелкого песка, который сыплется из
верхнего сосуда через узкую горловину. Измеряемый промежуток времени
зависит от многих факторов, включая объем песка и его свойства, форму сосудов,
ширину горловины. Хотя песочные часы были, вероятно, известны уже в
III в. до н. э., первое документальное свидетельство появилось лишь в 1338 г.
на фреске «Аллегория доброго правления» итальянского художника
Амброджо Лоренцетти. Интересно, что на каждом корабле флотилии Фернана
Магеллана, совершавшего кругосветное плавание, было по 18 песочных часов.
Одни из самых больших песочных часов высотой 11,9 м были построены в
2008 г. в Москве. На протяжении многих веков песочные часы применялись
на фабриках и для контроля времени при церковных проповедях.
В 1996 г. британские исследователи из университета города Лесестера
обнаружили, что скорость пересыпания зависит только от нескольких сантиметров
песка над горловиной, а не от полного объема песка. Они также установили,
что наиболее постоянные результаты дает не песок, а маленькие стеклянные
дробинки, баллотини. Ученые писали: «Для данного объема баллотини
период зависит от их диаметра, ширины горловины и формы колбы. При условии
что отверстие по крайней мере в пять раз больше размера дробинок, период
дается формулой Ρ = KV(D - d) ~2>°, где Ρ измеряется в секундах, V - полный
объем дробинок в мл, d — диаметр дробинок в мм ий- диаметр горловины в
мм. Коэффициент пропорциональности К зависит от формы сосудов». Так,
обнаружилось, что для конических сосудов и для обычных колб песочных часов
К разное. Любое шевеление часов увеличивает период, зато изменения
температуры заметного эффекта не дают.
СМ. ТАКЖЕ Солнечные часы (3000 до н. э.), Годовые часы (1841), Путешествие во
времени (1949), Атомные часы (1955).
Песочные часы в Европе стали широко использоваться примерно тысячу .чет назад,
а на каждом корабле флотилии Фернана Магеллана, в 1519 г. отправившегося в круго
светное плавание, было уже по 18 песочных часов!

>
I

Гелиоцентрическая система мира
Николай Коперник (1473-1543)
Как писал немецкий поэт, мыслитель и естествоиспытатель Иоганн
Вольфганг Гёте, «из всех открытий и гипотез ничто не оказало большего влияния
на человеческий дух, нежели учение Коперника. Едва стало известно, что
наш мир — круглый и замкнутый в себе, как было предложено отказаться от
огромной привилегии быть центром Вселенной. Возможно, никогда еще
человечеству не предъявлялось большего требования. Что только ни исчезло
в дыму и тумане из-за принятия этого учения: что стало с нашим Эдемом,
с миром невинности, поэзии и благочестия? с восприятием наших органов
чувств? с убеждениями поэтично-религиозной веры? ».
Николай Коперник, польский математик, медик и богослов, был первым,
кто представил всеобъемлющую гелиоцентрическую теорию. Он утверждал,
что Земля не является центром Вселенной, а вращается вокруг Солнца. Его
знаменитая книга De revolutionibus orbium coelestium («О вращении небесных
сфер»), итог его размышлений, была опубликована в год его смерти - в 1543 г.
Коперник был священником и астрономией занимался в свободное время, но
его открытия именно в этой науке изменили наш мир. Теория Коперника
опиралась на ряд предположений: центр Земли не есть центр Вселенной,
расстояние от Земли до Солнца ничтожно мало по сравнению с расстоянием до звезд,
суточное вращение звезд объясняется вращением Земли и видимое обратное
движение планет (когда при наблюдении с Земли в какие-то моменты
кажется, что они остановились на короткое время и двинулись в обратном
направлении) вызвано движением Земли. Хотя предположения Коперника о круговых
орбитах и эпициклах планет были неверны, его работа стимулировала других
астрономов, среди которых был Иоганн Кеплер, изучать движение планет, и
позже обнаружилось, что их орбиты — эллипсы.
Интересно, что лишь много лет спустя после появления книги Коперника,
в 1616 г., Ватикан объявил, что гелиоцентрическая теория Коперника неверна
и «в целом противоречит Священному Писанию».
СМ. ТАКЖЕ Mysterium Cosmographicum («Тайна мира») (1596). Телескоп (1608),
Законы Кеплера для движения планет (1609), Размеры Солнечной системы (1672),
Телескоп «Хаббл» (1990).
Механическое устройство, воспроизводящее гелиоцентрическую модель Солнечной
системы и показывающее движение планет и их спутников. Этот механизм,
созданный в 1766 г. Бенджамином Мартином, использовался известным американским
астрономом Джоном Уинтропом (1714-1799 ) на лекциях в Гарвардском университете.
Сегодня экспонируется в Галерее Путмана в Научном центре Гарварда.

Mysterium Cosmographicum
(«Тайна мира»)
Иоганн Кеплер (1571-1630)
На протяжении всей своей жизни в науке немецкий астроном Иоганн
Кеплер пытался постигнуть Высший Замысел. Так, в работе Mysterium
Cosmographicum («Тайна мира», 1596) он писал: «Я верю во вмешательство
Божественного Провидения, так как случайно нашел то, что никогда бы не
обрел собственными усилиями. Я тем более верю в это, поскольку постоянно
молил Господа о том, чтобы я смог достичь цели».
Представления Кеплера о Вселенной опирались поначалу на его
исследования симметричных трехмерных объектов, известных как Платоновы тела.
За столетия до Кеплера греческий математик Евклид (325—265 гг. до н. э.)
доказал, что существует всего пять таких тел, у которых все грани идентичны:
куб, додекаэдр, икосаэдр, октаэдр и тетраэдр. Теория Кеплера, созданная в
XVI в., кажется сегодня странной. Ученый пытался показать, что расстояния
планет до Солнца можно найти, изучая сферы, вписанные в эти правильные
многогранники, которые он вставлял один в другой, подобно слоям луковицы.
Например, в его модели небольшая орбита Меркурия была представлена
сферой, лежащей в самой глубине. Другие планеты, известные в то время, -
Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн.
В частности, внешняя сфера окружает куб. В куб вписана сфера, внутри
которой располагается тетраэдр. В него вписана другая сфера, в которую
помещен икосаэдр. Далее снова сфера и, наконец, маленький внутренний октаэдр.
Таким образом, планета располагается на соответствующей ей сфере, которая
определяет относительный размер ее орбиты. При небольших оговорках схема
Кеплера работала довольно хорошо, давая величины, вполне сопоставимые с
известными в то время данными о планетарных орбитах. Оуэн Джинджерич,
профессор Гарвардского университета, пишет: «Хотя главная идея Mysterium
Cosmographicum была ошибочной, Кеплер стал первым... ученым, который
привлек физику для объяснения небесных явлений. В истории редко
случается, чтобы столь ошибочная книга оказалась столь плодотворной для развития
науки ».
СМ. ТАКЖЕ Гелиоцентрическая система мира (1543), Законы Кеплера для движения
планет (1609), Размеры Солнечной системы (1672), Закон Боде для расстояний планет от
Солнца (1766).
Представления Кеплера о Вселенной опирались сначала на его исследования си.мме
тричных трехмерных объектов, известных как Платоновы тела. Этот рисунок взят
из его книги Mysterium Cosmographicum («Тайна мира»), опубликованной в 1596 г.

TabvlaIH.orbivmTlanetajlvm dimensioned, гт distantias perqvinqve
WlZGYLAXIK CORPORA ОЕОМЕГГЫСА.£ХН1ВГМ$
Illvstmss: prjncipi, ac dno dno.Frider.ico. dvci wip^.
TCNBERGICO, ET TCCCIO, СОМГГГ MONTIS BfXOMLVM ETC.CCftiSEG^ATA
\
V
F-
^i.
■ <:
./ ч
Й1:&
.§*
OrCtti £чсПи IMm Tuykfu
Vi*JMl, JHftr* mine γ
ВГ>* «т«Л«л- .
Аг ТЕССЫСО n*t tint
5<:
*-л
^'^ЪЬйз^фгй
К The ЛША.>^Л|»^>И*»«

De Magnete («О магните»)
Уильям Гильберт (1544-1603)
Книга Уильяма Гильберта De Magnete (полное название: «О магните,
магнитных телах и большом магните — Земле»), опубликованная в 1600 г.,
считается первой великой работой по физике, выполненной в Англии. Многое в
европейской науке имеет корни в теориях Гильберта и его любви к
экспериментам. Личный врач королевы Елизаветы I, он стал одним из
основоположников науки об электричестве и магнетизме.
«В 1500-х гг., — пишет известный американский автор, инженер Джозеф
Кейтли, — считалось, что знания — это прерогатива Бога, и потому люди не
должны совать туда нос. А опыты - так они просто опасны и для ума, и для
морали... Гильберт, однако, порвал с традиционным мышлением и злился на
тех, кто не использовал эксперимент для изучения реального мира».
В своих исследованиях земного магнетизма Гильберт использовал
обработанный в виде сферы кусок магнетита около 30 см в диаметре, который он
называл «терелла» (маленькая Земля). Передвигая магнитную стрелку на опоре
вокруг поверхности тереллы, он обнаружил, что она имеет северный и южный
полюса, в этих точках стрелка вела себя так, как стрелка компаса у полюсов
Земли. Гильберт постулировал, что Земля подобна гигантскому магнетиту.
Британские моряки полагались на показания своих магнитных компасов, но
что движет стрелой - это многие годы оставалось тайной. Некоторые думали,
что магнитную стрелку компаса притягивает Полярная звезда. Другие
считали, что на Северном полюсе есть магнитная гора или остров, и кораблям их
лучше избегать, потому что там из обшивки корабля могут быть вырваны
железные гвозди. Ученые Жаклин Рейнольде и Чарльз Тэнфорд пишут:
«Гильберт показал, что эта сила исходит от Земли, а не с небес. Это его открытие
вышло далеко за пределы теории магнетизма — оно повлияло на все
представления о физическом мире».
Гильберт был прав, полагая, что в центре Земли есть железо. И он
ошибался, думая, что кристаллы кварца - это твердая форма воды, нечто вроде
сжатого льда.
Великий английский физик Уильям Гильберт умер в 1603 г. — вероятнее
всего, от бубонной чумы.
СМ. ТАКЖЕ Компас ольмеков (1000 лет до н. э.), Электростатический генератор
фон Герике (1660), Закон Ампера в теории электромагнетизма (1825), Гаусс и магнитный
монополь (1835), Гальванометр (1882), Закон Кюри (1895), Опыт Штерна-Герлаха (1922).
Уильям Гильберт предположил, что Земля создает собственное магнитное поле. Сейчас
мы знаем, что магнитосфера, представленная на рисунке фиолетовыми пузырьками
вокруг Земли, образуется, когда заряженные частицы, испущенные Солнцем, взаимодей
ствуют с магнитным полем Земли и отклоняются им.

ч^
» ·

Телескоп
Ханс Липперсгей (1570-1619), Галилео Галилей (1564-1642)
Физик Брайан Грин пишет: «Изобретение телескопа, его последующее
усовершенствование и использование Галилеем означали рождение
современного научного метода и заложили фундамент кардинального пересмотра
представлений о нашем месте в космосе. Телескоп показал: во Вселенной огромное
количество объектов, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, - и
их гораздо больше, чем тех, что доступны нашему зрению». Компьютерщик
Крис Лэнгтон соглашается с Грином, замечая: «У телескопа нет соперников.
Ни один из приборов не породил такой радикальный пересмотр наших
взглядов на мир. Он заставил нас признать Землю (и самих себя) малой частью
огромного космоса ».
В 1608 г. голландский оптик Ханс Липперсгей сконструировал телескоп.
Годом позже итальянский астроном Галилео Галилей сделал телескоп с почти
трехкратным увеличением. Позже он делал и другие телескопы — с 30-кратным
увеличением. Первые телескопы были созданы для наблюдения отдаленных
объектов в видимом свете, современные же телескопы — это целый комплекс
устройств, способных использовать и другие диапазоны спектра
электромагнитного излучения. Рефракторы — телескопы, в которых для формирования
изображения используется система линз. Рефлекторы - телескопы, где для
этой же цели применяются зеркала. В катадиоптрическом (зеркально
линзовом) телескопе используют и линзы, и зеркала.
Интересно, что многие важные астрономические открытия, сделанные с
помощью телескопов, были совершенно непредвиденными. Астрофизик
Кеннет Ланг пишет в журнале Science: «Галилео Галилей направил в небо свою
новорожденную подзорную трубу и тем самым положил начало
использованию телескопов астрономами для изучения той части Вселенной, которая
невидима невооруженным глазом. Поиск невидимого вылился в многие
важные и неожиданные открытия, включая четыре больших спутника Юпитера,
планету Уран, первый астероид Цереру, большие скорости разлета
спиральных туманностей, радиоизлучение Млечного Пути, источники космических
рентгеновских лучей, гамма-всплески, радиопульсары, двойные пульсары с
признаками гравитационного излучения и реликтовое (или космическое
микроволновое фоновое) излучение. Наблюдаемая Вселенная — скромная часть
гораздо более обширного неоткрытого мира, который еще предстоит
обнаружить. Возможно, на наименее ожидаемом пути».
СМ. ТАКЖЕ Гелиоцентрическая система мира (1543), Кольца Сатурна ί1610),
«Микрография» (1665), Звездный параллакс (1838), Телескоп «Хаббл» (1990).
СЛЕВА: одна из антенн радиотелескопа VLA (Very Large Array - Очень большой
массив) в штате Нью-Мехико (США), используемого для изучения сигналов от радио
галактик, квазаров, пульсаров и других объектов. СПРАВА: сотрудники обсерватории
Питтсбургского университета у 30-дюймового (76 см) рефрактора перед самым завер
шением его сооружения в 1913 г. Человек сидит на противовесе, необходимом для
уравновешивания массивного телескопа.

■ fall
;.
\
V
•\
1
a

Законы Кеплера
для движения планет
Иоганн Кеплер (1571-1630)
«Хотя Кеплера помнят сегодня главным образом благодаря его трем законам
движения планет, - пишет астроном Оуэн Джинджерич, - это были всего три
направления его гораздо более обширных поисков космической гармонии...
Благодаря ему астрономия обрела почти в сто раз более точную, цельную и
физически обоснованную гелиоцентрическую систему мира».
Иоганн Кеплер, немецкий астроном и богослов-космолог, сформулировал
законы, описывающие эллиптические орбиты Земли и других планет вокруг
Солнца. Для того чтобы сделать это, ученый отказался от преобладавшего в его
времена мнения, что окружности - это «совершенные» кривые для описания
космоса и планетных орбит. У Кеплера не было никакого теоретического
обоснования его законов. Он просто нашел элегантный способ описания
движения планет, который соответствовал данным астрономических наблюдений.
Спустя примерно 70 лет Ньютон показал, что законы Кеплера следуют из
закона всемирного тяготения.
Первый закон Кеплера (закон орбит, 1609 г.) гласит, что все планеты в
нашей Солнечной системе движутся по эллиптическим орбитам, в одном из
фокусов которых находится Солнце. Второй закон (закон равных площадей,
1618 г.) утверждает, что чем планета дальше от Солнца, тем медленнее она
движется. Но воображаемая линия, соединяющая планету с Солнцем, всегда
заметает равные площади за равные интервалы времени. Имея два первых
закона Кеплера, можно было легко вычислить — с точностью, соответствующей
наблюдениям, - орбиты планет и их положения. Третий закон Кеплера (закон
периодов, 1618 г.) показывает, что для любой планеты квадрат периода ее
вращения вокруг Солнца пропорционален кубу большой полуоси ее
эллиптической орбиты. Таким образом, на планетах, расположенных далеко от Солнца,
год длится очень долго.
Законы Кеплера — одни из самых ранних научных законов в истории
естествознания. Объединяя физику и астрономию, они вдохновляли последующие
поколения ученых на попытки рассказать о явлениях природы с помощью
простых формул.
СМ. ТАКЖЕ Гелиоцентрическая система мира (1543), Mysterium Cosmographicum
(«Тайна мира») (1596), Телескоп (1608), Ньютоновские законы движения и закон
всемирного тяготения (1687).
Художественное изображение Солнечной системы. Иоганн Кеплер был немецким
астрономом и богословом-космологом, прославившимся своими законами, описывающими
эллиптические орбиты Земли и других планет, вращающихся вокруг Солнца.

* 1 *
Ν
"Χ
*:
-ч·0
• ·.
.*;-
t *
, у
• · »
п
■ 4-
I
...: ν ν
V.
.* I
···* ·
...·Λ·. ·* -
ι · ·.»

Кольца Сатурна
Галилео Галилей (1564-1642), Джованни Доменико Кассини (1625-1712),
Христиан Гюйгенс (1629-1695)
«Кольца Сатурна кажутся почти неизменными, — пишет научный журналист
Рэчел Котленд. — Эти планетные драгоценности, образованные из маленьких
лун и отшлифованные тяготением, вполне могут выглядеть сейчас так же,
какими они были миллиарды лет назад, - но это только издали». В 1980-х гг.
случилось загадочное событие, которое внезапно деформировало внутреннее
кольцо в хребтообразную спиральную структуру — «будто желобки на
виниловой пластинке». Ученые предположили, что такая спиральная намотка
могла быть вызвана очень большим объектом вроде астероида или резким
изменением погоды.
В 1610 г. Галилей стал первым человеком, наблюдавшим кольца
Сатурна. Он описал их как «уши» планеты. Лишь в 1655 г. Христиан Гюйгенс,
используя свой телескоп, назвал этот объект «кольцом, окружающим Сатурн».
И наконец, в 1675 г. Джованни Кассини установил, что «кольцо» Сатурна на
самом деле состоит из нескольких колец с промежутками между ними. Две
такие щели были прорезаны вращающимися там небольшими спутниками, но
происхождение других остается необъясненным. На стабильность колец
влияют также резонансные явления, возникающие от периодического
гравитационного воздействия спутников Сатурна. Каждое из колец вращается вокруг
планеты со своей скоростью.
Сегодня мы знаем, что кольца состоят из небольших частиц льда, камней
и пыли. Астроном Карл Саган описывал кольца как «огромную орду
крошечных ледяных миров, каждый на своей отдельной орбите, каждый привязан к
Сатурну притяжением гигантской планеты». Размеры частиц в кольцах
колеблются от песочной крупинки до размеров дома. Кольца имеют также тонкую
газовую атмосферу из кислорода. Возможно, они образовались от осколков
разрушившегося древнего спутника, кометы или астероида.
В 2009 г. ученые НАСА открыли еще одно, почти невидимое, кольцо
вокруг Сатурна — настолько большое, что потребовался бы миллиард таких
планет, как Земля, чтобы заполнить его объем. Диаметр этого кольца равен
выстроенным плотно в линию тремстам Сатурнам. (А его толщина — двадцати
Сатурнам. - Прим. пер.)
СМ. ТАКЖЕ Телескоп (1608), Размеры Солнечной системы (1672), Открытие Нептуна
(1846).
Изображение Сатурна и его колец, составленное из 165 фотографий, сделанных широ
коугольной камерой на космическом корабле «Кассини». Цвета получены с
использованием фотографий в ультрафиолетовом, инфракрасном и других диапазонах электро
магнитного излучения.

«Шестиугольная снежинка» Кеплера
Иоганн Кеплер (1571-1630)
Американский писатель, мыслитель и натуралист Генри Дэвид Торо так
писал о снежинках: «Воздух, в котором они возникают, наполнен творческим
гением. Вряд ли я восхитился бы больше, даже если бы мне на пальто
упали настоящие звезды». На протяжении всей истории снежные кристаллы с
гексагональной симметрией возбуждали любопытство художников и ученых.
В 1611 г. Иоганн Кеплер опубликовал монографию «О шестиугольной
снежинке», в которой дана одна из наиболее ранних научных теорий
образования снежинок (в противовес религиозным представлениям). Романтичный
ученый думал, что прекрасную симметрию снежных кристаллов легче
понять, если рассматривать их как живые, одухотворенные существа, у
каждого из которых есть заданная Богом цель. Однако он справедливо полагал, что
более правдоподобное объяснение изумительной геометрии снежинки следует
из способа гексагональной упаковки частиц, размеры которых не позволяют
их различить.
Снежинки (или, более строго, снежные кристаллы, потому что снежинки,
падающие с неба, могут состоять из множества кристаллов) часто образуются
на мельчайших частичках пыли, когда на них при достаточно низкой
температуре конденсируются молекулы воды. Поскольку растущий
кристалл падает сквозь слои атмосферы с разной влажностью
и температурой, водяные пары продолжают конденсировать-
» , ся в твердый лед, и кристалл медленно обретает свою форму.
■ ..Ui- Считается, что шестилучевая симметрия возникает из-за того,
'^-.у- что гексагональная структура обычного льда энергетически
·_ "£ ** более выгодна. Шесть веточек снежинки выглядят такими
£>ΪΓ'·τ похожими, потому что они все формировались в одинаковых
условиях. Но иногда образуются кристаллы и другой формы,
включая шестигранные столбцы.
Ученые изучают снежные кристаллы и их рост в частности
и потому, что физика кристаллов важна во многих областях -
от электроники до науки о самосборке материалов, молекулярной динамики и
спонтанного образования структур.
Типичный снежный кристалл содержит около 1018 молекул воды, а потому
шансы обнаружить два абсолютно одинаковых по форме и размеру кристалла
практически равны нулю. На макроскопическом уровне это означает, что со
времен первой упавшей на землю снежинки до наших дней, по-видимому, не
было ни одной, похожей на другую, — все эти удивительные создания природы
были разные.
СМ. ТАКЖЕ «Микрография» (1665), Скользкость льда (1850), Квазикристаллы (1982).
СЛЕВА: иней на концах снежинки в форме столбца образует «шапочки».
СПРАВА: шестиугольная древообразная снежинка под низкотемпературным
сканирующим электронным микроскопом. Центральная пластинка искусственно окрашена для
усиления впечатления. (Сельскохозяйственный исследовательский центр.)

f i·

Триболюминесценция
Фрэнсис Бэкон (1561-1626)
Представьте, что вы путешествуете в компании с индейским шаманом из
Юты по американскому Среднему Западу в поисках кварца. Собрав
кристаллы и поместив их в ритуальные погремушки, сделанные из прозрачной
шкуры буйвола, вы ожидаете начала ночной церемонии вызова духов умерших.
Когда наступает темнота, вы трясете погремушки, и они сверкают
вспышками света, возникающими от соударений кристаллов друг с другом. Участвуя
в этой церемонии, вы сталкиваетесь на опыте с одним из старейших
применений триболюминесценции — физического процесса испускания света при
дроблении, трении и растрескивании материала, когда электрические
заряды разделяются и снова соединяются. Возникающий при этом электрический
разряд ионизирует близлежащий воздух, инициируя вспышки света.
В 1620 г. английский ученый Фрэнсис Бэкон в одной из своих работ
впервые упоминул это явление — рассказал, что сахар искрится, когда его «ломают
или скребут» в темноте. Сегодня вы сами можете легко поэкспериментировать
с триболюминесценцией, разбивая в темной комнате кристаллы сахара или
твердые леденцы на его основе. Ароматизирующее масло (метилсалицилат)
в леденцах поглощает ультрафиолетовое излучение, возникающее при
разрушении кристаллов сахара, и вновь испускает его в виде голубого света.
Спектр света, излучаемого при триболюминесценции сахара, такой же, как
у молнии. В обоих случаях электрическая энергия возбуждает атомы азота в
воздухе. Большая часть излучения азота лежит в ультрафиолетовом
диапазоне, невидимом для нашего глаза. И только небольшая доля испускаемого
излучения приходится на видимый диапазон. При давлении на кристалл сахара
положительные и отрицательные заряды накапливаются, и в конечном счете
электроны перепрыгивают через трещину в кристалле, ионизируя молекулы
азота в воздухе.
Если в темноте сдирать ленту скотча, то также можно заметить
испускание света за счет триболюминесценции. Интересно, что сдирание такой ленты
в вакууме приводит к рентгеновскому излучению, достаточно интенсивному,
чтобы получить рентгеновский снимок пальца.
СМ. ТАКЖЕ Флюоресценция Стокса (1852), Пьезоэлектрический эффект (1880),
Рентгеновские лучи (1895), Сонолюминесценция (1934).
Явление триболюминесценции было впервые открыто в 1605 г. Фрэнсисом Бэконом, ког
да он поскреб сахар ножом. На фотографии показана триболюминесценция кристаллов
N ацетилантраниловой кислоты, разрушаемых при сжатии двух прозрачных оконных
стекол.

."1~
■ · .· · ■ ;,v;.-'- 4f£ ,
'«,·, -J , ■- ■ ... .*.-·■ .. '.
■•'■V-A
1%ν ■'-"'■·'
+
Ι- «
V
1 ' "Wr" *;" V-
.-3-
*., ■$·.·«■-■■ ■ '•".'••V* ·...·?■■· -'--4.. -Ji^w v.. % ·. т-'^Ж-# f' ■'«
•■^•'.---'ч,. S^---'- -^v- '?^-'^r '^'"' ^
Γ- ' Ρ " ^ Ν* ·. ■ : VNtiSft
." Г-Г*
л."'Л.''- -"Т'г ■'■■ . .j
, тт.-, :·.'-:. 4> . ?
■ .V,cb, ./ 'v;^-:
..·· .wJwsif·. >*-.у.,г».>. . · ·' ,*;
.-•е. >·^*.« -л* * - ·. .,.;.χ. .v . ί
■л . · '-\ ...>%' ί**^.·.
'•2.*.: . ■ . . ....

Закон преломления Снеллиуса
Виллеброрд Снеллиус (1580-1626)
«Ах, где же ты, светлый луч?» — писал поэт Джеймс Макферсон, вероятно, не
осведомленный о физическом явлении преломления света. Закон Снеллиуса
касается поворота, или преломления, света (или других волн) при
прохождении границы двух сред: например, когда он попадает из воздуха в стекло.
Изменение направления распространения волн вызвано различием их скоростей
в этих средах. Вы можете наблюдать закон Снеллиуса в действии, если
поместите карандаш в стакан воды - карандаш будет казаться изломанным. Закон
выражается формулой «jSinGj^ n2sinG2. Здесь п-^т п2 - показатели
преломления первой и второй сред соответственно. Угол между падающим светом и
перпендикуляром к поверхности раздела сред называется углом падения (Gj).
Световой луч входит из среды 1 в среду 2, где распространяется уже под углом
θ2 к линии, перпендикулярной к поверхности раздела сред. Этот второй угол
называется углом преломления. Преломление света используется в
выпуклой линзе, которая превращает параллельный пучок света в сходящийся.
Без преломления света линзами наших глаз мы не могли бы хорошо видеть.
Сейсмические волны, несущие энергию, высвобожденную при внезапном
разломе подземной скалы, изменяют скорость распространения внутри Земли и
соответственно изменяют и свое направление на границе между двумя
материалами в соответствии с законом Снеллиуса.
Когда луч света переходит из материала с большим
показателем преломления в материал с меньшим показателем
преломления, при некоторых условиях он может полностью
отразиться. Это оптическое явление часто называют полным
внутренним отражением. Оно происходит, когда свет
преломляется на границе двух сред так сильно, что отражается назад.
Полное внутреннее отражение наблюдается в некоторых
оптических волокнах, когда свет входит на одном конце волокна,
затем захватывается им, пока не выйдет с другого его конца.
Полное внутреннее отражение характерно для ограненных
алмазов, т. е. бриллиантов, сверкающих и испускающих свет
в направлении глаза наблюдателя. Закон преломления света
был открыт независимо разными исследователями в разное
время, но получил название по имени голландского астронома
и математика Виллеброрда Снеллиуса.
СМ. ТАКЖЕ Объяснение радуги (1304), Призма Ньютона (1672), Оптический прибор Брю-
стера (1815), Волоконная оптика (1841), Зеленый луч (1882), Излучение Черенкова (1934).
СЛЕВА: в бриллиантах происхииит полное внутреннее отражение света.
СПРАВА: когда брызгун стреляет в добычу струей воды, при прицеливании он должен
внести поправку на преломление света. До сих пор непонятно, каким образом он это
делает. (Фото помещено с любезного разрешения Шелби Темпл.)

Северное полярное сияние
Пьер Гассенди (1592-1655), Альфред Анго (1848-1924),
Олаф Петрус Хиортер (1696-1750), Андерс Цельсий (1701-1744)
«Северное сияние порождало в душах людей безумный ужас, — писал
метеоролог Альфред Анго о том, как воспринимали в XVI в. появление на небе
светящегося занавеса. — Там отчетливо различали окровавленные копья,
отделенные от туловища головы, сражающиеся армии. При виде всего этого
одни падали в обморок, другие сходили с ума». Журналист Джордж Брайсон
рассказывает: «Древние жители Скандинавии видели в Северном сиянии
парящие в воздухе души недавно преставившихся сильных и прекрасных
женщин... Электрический зеленый цвет пронзается неоновым синим,
ярко-розовый сменяется темно-красным, и все замирает в мерцающем фиолетовом ...»
Быстрые заряженные частицы, испущенные Солнцем и образующие
солнечный ветер, входят в атмосферу Земли и отклоняются к Северному и
Южному магнитным полюсам Земли. Закручиваясь по спирали вокруг линий
магнитного поля, они сталкиваются с атомами кислорода и азота,
имеющимися в атмосфере, и переводят их в возбужденные состояния. Когда
электроны возбужденного атома возвращаются в основное состояние с наименьшей
энергией, излучается свет. Например, атомы кислорода испускают зеленый и
красный свет. Ионизированные атомы азота могут давать вклад в синее
свечение, когда они снова захватывают электрон. Эти процессы происходят в
ионосфере (самая верхняя часть атмосферы, заряжаемая солнечным излучением)
и проявляют себя как поразительное свечение, наблюдаемое в приполярных
областях Земли. Свечение вблизи Северного полюса мы называем Северным
полярным сиянием (на латыни — aurora borealis). Его южный эквивалент
называется Южным полярным сиянием (aurora australis).
Хотя уже в пещерах кроманьонцев имеются древние (ок. 30 000 лет до н. э.)
изображения полярного сияния, термин aurora borealis был придуман лишь
в 1621 г. Пьером Гассенди — французским философом, священником,
астрономом и математиком. Этот термин происходит от имен Авроры (римской
богини зари) и Борея (греческого бога северного ветра). В 1741 г. шведские
астрономы Олаф Петрус Хиортер и Андерс Цельсий, наблюдая хаотичные
колебания стрелки компаса при полярных сияниях, предположили их связь с
магнитными эффектами. Сейчас мы знаем, что на других планетах — на
Юпитере и Сатурне, чьи магнитные поля сильнее магнитного поля Земли, - также
происходят «полярныесияния».
СМ. ТАКЖЕ Огни Святого Эльма (78), Рэлеевское рассеяние (1871), Плазма (1879),
Зеленый луч (1882), Проект HAARP (2007).
Сполохи Северного сияния над базой ВВС США Эиелсон на Медвежьем озере (Аляска).

·■ .ι
.; '*** ι.

Ускорение падающих тел
Галилео Галилей (1564-1642)
«Чтобы полностью оценить открытия Галилея, — писал И. Бернард Коэн, -
мы должны понять важность абстрактного мышления и его использования
Галилеем как метода, который в своей окончательной, отшлифованной форме
стал гораздо более революционным научным инструментом, чем даже
телескоп». Согласно легенде, Галилей сбросил с падающей Пизанской башни два
шара разного веса, чтобы продемонстрировать, что они достигнут земли
одновременно. Хотя такой в точности опыт, возможно, и не был осуществлен,
Галилей, несомненно, проводил эксперименты, оказавшие глубокое влияние
на понимание законов движения. Аристотель учил, что тяжелые тела
падают быстрее легких. Галилей показал, что это происходит из-за различного
сопротивления воздуха. Он подтвердил свои утверждения, выполнив
многочисленные эксперименты с шарами, скатывающимися с наклонной
плоскости. Обобщая полученные результаты, Галилей утверждал, что если бы тела
могли падать без сопротивления воздуха, их ускорение было бы одинаковым.
Если говорить точнее, он показал, что расстояние, проходимое равномерно
ускоряющимся телом, начальная скорость которого равна нулю,
пропорционально квадрату времени падения.
Галилей предложил также принцип инерции, согласно которому движение
тела продолжается с постоянной скоростью и в том же направлении, пока на
тело не подействует какая-то сила. Аристотель ошибочно верил, что тело
может двигаться, только если к нему приложена сила. Позже Ньютон включил
принцип инерции Галилея в свои законы движения. Если вам неясно, что
движущийся объект не остановится «сам по себе» без приложения силы,
вообразите эксперимент, когда легкая монетка скользит по бесконечному гладкому
горизонтальному столу, смазанному так, что трение отсутствует. Монетка
будет скользить по нашей воображаемой поверхности бесконечно.
СМ. ТАКЖЕ Сохранение импульса (1644), Таутохронный спуск (1673), Ньютоновские
законы движения и закон всемирного тяготения (1687), Клотоида (спираль Корню) (1901),
Установившаяся скорость падения в среде (1960).
Представим себе, что мы бросаем сферы или иные тела различных масс одновременно
и с одной высоты. Галилей показал, что если пренебречь сопротивлением воздуха, то
такие тела должны лететь на землю с одинаковой скоростью.

.*-■
i
^
• vv
Γ·ί
^ ·/-··-
'Τ4'
v/-~4/'"4

Барометр
Эванджелиста Торричелли (1608-1647), Блез Паскаль (1623-1662)
Хотя барометр устроен довольно просто, его значение очень велико. Этот
прибор для предсказания погоды помог ученым понять природу атмосферы и
открыть, что ее размеры конечны и она не простирается до звезд.
Барометры — приборы для измерения атмосферного давления, они
подразделяются на два главных вида - ртутные барометры и барометры-анероиды.
Ртутный барометр состоит из запаянной с одного конца стеклянной трубки,
наполненной ртутью, причем ее открытый конец погружен в сосуд с ртутью.
Уровень ртути в трубке определяется давлением атмосферы на ртуть в сосуде.
При более высоком атмосферном давлении ртуть в трубке поднимается выше,
чем при низком давлении. Ртуть в трубке устанавливается на таком уровне,
чтобы вес столбика ртути уравновешивался силой атмосферного давления.
Изобретение барометра относится к 1643 г. и обычно приписывается
итальянскому физику Эванджелисте Торричелли, который наблюдал, как высота
столбика ртути в барометре слегка меняется каждый день в результате
изменений атмосферного давления. Торричелли писал: «Мы живем на дне
воздушного океана, который, как известно из неопровержимых экспериментов, имеет
вес». В 1648 г. Блез Паскаль с помощью барометра показал, что давление
воздуха на вершине горы меньше, чем у ее подножья. Таким образом, атмосфера
не простирается бесконечно высоко.
В барометрах-анероидах нет движущейся жидкости. Вместо нее
используется небольшая металлическая упругая коробочка, в которой создано
разрежение. Внутри помещена пружина. Небольшие колебания атмосферного
давления заставляют коробочку то сжиматься, то расширяться. Рычажный
механизм внутри анероида усиливает эти небольшие движения и передает на
стрелку прибора, так что пользователь может определить величину
атмосферного давления. Его падение часто предвещает дожди и грозы, а рост сулит
хорошую погоду без осадков.
СМ. ТАКЖЕ Сифон (250 до н. э.). Погодный закон Бёйса-Баллота (1857), Наибольшая
скорость смерча (1999).
Барометр, показывающий атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба или
в гектопаскалях (гПа). Давление в одну атмосферу равно 1013,25 гПа.

'4 73
Ч

Сохранение импульса
Рене Декарт (1596-1650)
С античных времен люди пытались найти ответ на первый большой вопрос
физики: «Как движутся тела?». Закон сохранения импульса, один из
величайших законов механики, обсуждался на страницах книги философа и
естествоиспытателя Рене Декарта «Принципы философии» (Principia Philosophiae),
опубликованной в 1644 г.
В классической механике импульс Ρ определяется как произведение массы
тела т на его скорость ν: Ρ = mv, где Ρ и ν — векторные величины, имеющие
величину и направление. В замкнутой (т. е. изолированной) системе
взаимодействующих тел полный импульс РТ сохраняется, т. е. Рт есть постоянная
величина, даже если меняется движение отдельных тел системы.
Рассмотрим, например, фигуристку массой 45 кг, стоящую
неподвижно на льду. Пусть она ловит брошенный ей шар массой 5 кг, летящий
горизонтально со скоростью 5 м/с. От толчка фигуристка начинает скользить
назад со скоростью 0,5 м/с. Здесь полный импульс летящего шара и
неподвижной фигуристки до их встречи равен 5 кг · 5 м/с (мяч) + 0 (фигуристка) =
= 25 кг м/с. После столкновения импульс фигуристки, держащей мяч, равен
(45 + 5) кг · 0,5 м/с = 25 кг м/с. Таким образом, полный импульс сохраняется.
Угловой момент - аналогичная величина, но относящаяся к
вращающимся объектам. Рассмотрим материальную точку (т. е., грубо говоря, шарик на
нити), вращающуюся с импульсом Ρ по окружности радиуса г. В данном
случае угловой момент есть просто произведение Ρ · г. Чем больше масса тела, его
скорость и радиус вращения, тем больше угловой момент. Угловой момент
изолированной системы также сохраняется. Например, если вращающаяся
фигуристка прижмет руки к телу, г станет меньше, что заставит ее кружиться
быстрее. Для стабилизации вертолетов используются два винта (пропеллеры),
потому что при одном горизонтальном винте сохранение углового момента
заставило бы корпус вертолета вращаться в противоположном направлении.
СМ. ТАКЖЕ Ускорение падающих тел (1638), Ньютоновские законы движения и закон
всемирного тяготения (1687), Колыбель Ньютона (1967).
Человека поднимают лебедкой на спасательный вертолет. Без хвостового винта из за
сохранения углового момента корпус вертолета вращался бы в направлении,
противоположном направлению вращения верхнего винта.

Λ*"
>)
ι

Закон упругости Гука
Роберт Гук (1635-1703), Огюстен Луи Коши (1789-1857)
В закон Гука я влюбился в детстве, забавляясь игрушкой «Слинки»,
состоящей из спиральной пружины. В 1660 г. английский физик Роберт Гук
открыл закон упругости, ныне носящий его имя. Закон утверждает, что при
растягивании на расстояние χ любого тела, будь то металлический стержень
или пружина, возвращающая сила F со стороны тела пропорциональна х. Эта
связь выражается уравнением F = -kx, где k - коэффициент
пропорциональности, называемый коэффициентом упругости (жесткости). Закон Гука носит
приближенный характер и применим к определенным материалам — таким,
например, как сталь. Подобные материалы называют «гуковскими», так как
они подчиняются закону Гука в широком диапазоне внешних условий.
Студенты чаще всего сталкиваются с законом Гука при изучении пружин,
где расстояние χ есть удлинение пружины, a F представляет собой силу
сопротивления (упругости) пружины. Коэффициент упругости измеряется в
единицах силы на единицу длины. Отрицательный знак в уравнении F = —kx
означает, что сила со стороны пружины направлена противоположно направлению
ее деформации. Например, если тянуть конец пружины направо, то со
стороны пружины будет действовать «возвращающая» сила, направленная влево.
Удлинение пружины отсчитывается от ее длины в ненагруженном состоянии,
т. е. от точки равновесия χ = 0 , за которую принимается положение конца
свободной нерастянутой пружины.
Мы здесь обсуждаем движение и силы, возникающие и действующие по
одному направлению. Французский математик Огюстен Луи Коши обобщил
закон Гука для трехмерных (3D) сил и объемных упругих тел. Эта более
сложная формулировка использует шесть компонент тензора напряжения и шесть
компонент тензора деформации. Связь между ними описывается тридцатью
шестью компонентами тензора модулей упругости, представляемого в виде
матрицы. (Из-за свойств симметрии число ее независимых элементов
уменьшается до 21. - Прим. пер.)
При небольших нагрузках возникающая временная упругая деформация
металла происходит из-за смещения атомов в его трехмерной
кристаллической решетке. При устранении нагрузки металлический образец
возвращается к первоначальным размерам и форме.
Многие открытия Гука остались неизвестными, отчасти это случилось из-
за Исаака Ньютона, который его просто терпеть не мог. Говорят, что он
уничтожил портрет Гука, висевший в здании Королевского общества и даже пытал
ся сжечь архив соперника, хранившийся в Обществе.
СМ. ТАКЖЕ Стропила (2500 до н. э.), «Микрография» (1665), Супермяч (1965).
Хромированная пружинная подвеска мотоцикла. Закон упругости Гука описывает
поведение пружин и других упругих тел при изменении их длины.

Ν
-*■

Электростатический генератор
фон Герике
Отто фон Герике (1602-1686), Роберт Джемисон Ван де Грааф (1901-1967)
Нейрофизиолог Арнольд Трегуб пишет: «Самым важным открытием за
последние две тысячи лет следует считать такое, которое повлекло за собой
наиболее важные последствия для развития науки и технологий. И, как мне
кажется, это — изобретение Отто фон Герике машины, вырабатывающей
статическое электричество». Хотя электрические явления были известны и до
1660 г., фон Герике, видимо, создал первый генератор электричества. В его
электростатической машине использовался шар из серы, который мог
вращаться и натираться руками.
Электростатический генератор вырабатывает статическое электричество,
преобразуя механическую работу в электрическую энергию. К концу XIX в.
электростатические генераторы играли ключевую роль в исследованиях
структуры вещества. В 1929 г. американский физик Роберт Ван де Грааф
спроектировал и построил электростатический генератор, который интенсивно
использовался в исследованиях по ядерной физике. Журналист и популяризатор
науки Уильям Гарстел пишет: «Самые сильные, самые яркие, самые яростные и
самые сверкающие электрические разряды были получены не на электрофор-
ной машине Уимсхерста [см. Лейденская банка] ...и даже не в катушке
Тесла. Они были рождены парой высоких, размером с комнату, цилиндрических
устройств, называемых генераторами Ван де Граафа (ВГ), которые создают
сильное электрическое поле, производят каскад искр и ионизируют воздух».
В ВГ-генераторах используют электронный блок питания, чтобы зарядить
движущуюся диэлектрическую ленту (шелковую или резиновую) и накопить
на полой металлической сфере большой заряд, создающий высокое
напряжение. При использовании ВГ-генератора в качестве ускорителя ионы
(заряженные частицы) ускоряются разностью потенциалов. Величина напряжения,
создаваемого ВГ-генераторами, легко и точно контролируется. Это свойство
позволило применять ВГ-генераторы для изучения ядерных реакций при
проектировании атомной бомбы. Электростатические генераторы применялись
для лечения рака, при производстве полупроводников путем ионной
имплантации, в электронных микроскопах, для стерилизации пищи, а также для
ускорения протонов в экспериментах по ядерной физике.
СМ. ТАКЖЕ Багдадская батарейка (250 до н. э.), De Magnete («О магните») (1600),
Лейденская банка (1744), Воздушный змей Бена Франклина (1752), Фигуры Лихтенберга
(1777), Закон Кулона в электростатике (1785), Батарея (1800), Катушка Теслы (1891),
Электрон (1897), Лестница Иакова (1931), Атомная бомба «Малыш» (1945), Наблюдение
отдельного атома (1955).
СЛЕВА: фон Герике, возможно, изобрел первый электростатический генератор, один
из вариантов которого изображен на гравюре Юбера Франсуа Гравелота (ок. 1750).
СПРАВА: самый большой в мире генератор Ван де Граафа, спроектированный для
первых ядерных экспериментов, а сейчас работающий в Музее науки в Бостоне.

Газовый закон Бойля
Роберт Бойль (1627-1691)
«Мардж, что случилось? — спросил явно чем-то обеспокоенную жену Гомер
Симпсон, один из главных героев популярного в Америке мультсериала
«Симпсоны», когда супруги летели в самолете. — Ты голодна? У тебя газы?
Это газ, да? Газ, не так ли?» Возможно, будь Гомер знаком с законом Бойля,
он бы так не волновался. В 1662 г. ирландский химик Роберт Бойль изучал
связь между давлением газа Ρ и его объемом V в сосуде, поддерживавшемся
при постоянной температуре. Бойль обнаружил, что произведение давления
на объем остается практически всегда постоянным: PV = const.
Действие закона Бойля можно в общих чертах увидеть на примере ручного
велосипедного насоса. Толкая поршень, вы уменьшаете объем воздуха в
насосе, но увеличиваете давление, которое вынуждает воздух поступать в шину.
Аэростат, наполненный газом на земле, на уровне моря, раздувается по мере
подъема вверх и уменьшения наружного давления. Когда мы дышим, ребра
поднимаются и диафрагма сокращается, увеличивая объем легких и
уменьшая давление, так что воздух поступает в легкие. В некотором смысле закон
Бойля поддерживает нашу жизнь при каждом нашем вздохе.
Закон Бойля точно описывает поведение идеального газа, частицы
которого не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, упруго отражаются от
стенок сосуда и имеют исчезающе малые собственные размеры. Реальные газы
подчиняются закону Бойля при достаточно низком давлении, и такое
приближение оказывается часто вполне подходящим для практических целей.
Аквалангисты знают закон Бойля — он объясняет, что происходит с легкими,
маской и компенсатором плавучести при погружении или при подъеме на
поверхность. Например, если ныряльщик погружается, давление возрастает,
заставляя уменьшаться любой объем воздуха. Ныряльщик замечает, что
компенсатор плавучести стравливает воздух, а давление воздуха, заполняющего
пространство во внутреннем ухе, становится меньше наружного. Для
выравнивания давлений и компенсации уменьшения объема надо впустить воздух в
ухо через евстахиевы трубы.
Бойль, поняв, что его результаты можно объяснить, если предположить,
что все газы состоят из мельчайших частичек, попытался сформулировать
универсальную корпускулярную теорию химии. В своей книге
«Скептический химик» (1661) Бойль отбросил теорию Аристотеля о четырех элементах
(земля, вода, воздух и огонь) и развил концепцию первичных частиц,
соединения которых образуют корпускулы вещества.
СМ. ТАКЖЕ Газовый закон Шарля (1787), Газовый закон Генри (1803), Газовый закон
Авогадро (1811), Кинетическая теория (1859).
Аквалангисты должны знать закон Бойля. Если ныряльщик, вдохнувший на глубине
сжатый воздух, задержит дыхание во время подъема, то из-за падения внешнего
давления воды воздух в легких расширится, что может привести к их повреждению.

fe
\
v> ,<
/V
I
•
*· *
Ь f
• ••iv
1
$
1
ι
, j
-5
ι
.h

«Микрография»
Роберт Гук (1635-1703)
Микроскопы появились уже в конце XVI в., однако использование
английским ученым Робертом Гуком сложного микроскопа с более, чем одной
линзой, стало поистине знаменательной вехой в развитии микроскопии. Этот
прибор как в оптической, так и в механической части может
рассматриваться как предтеча современных микроскопов. Для оптического микроскопа с
двумя линзами суммарное увеличение равно произведению увеличения
окуляра (глазной линзы), обычно составляющего величину порядка 6,5—100, на
увеличение объектива, типичные значения которого лежат в диапазоне 7—15.
Таким образом, суммарное увеличение микроскопа может быть от 45 до 1500.
Объектив располагается вблизи исследуемого образца.
Книга Гука Micrographia («Микрография») содержит впечатляющие
наблюдения и размышления о разных биологических объектах от растений до
блохи. Ученый говорит и о планетах, волновой теории света, происхождении
ископаемых. Эта книга невероятно стимулировала интерес как широкой
публики, так и ученых к возможностям микроскопа.
Гук первым обнаружил биологические клетки и ввел в науку сам этот
термин «клетка» - слово пришло ему в голову при наблюдении клеток растений,
которые напомнили ученому монашеские кельи. (По-английски клетка - cell,
от лат. cellula - каморка, клетушка, келья.) Историк науки Ричард Вестфол
пишет: «"Микрография" Роберта Гука остается одним из шедевров науки
XVII в., представляя букет наблюдений над царствами минералов, растений
и животных».
Гук первым применил микроскоп для изучения ископаемых. Исследуя
окаменевшую древесину и ископаемые морские ракушки, он обнаружил, что
их структура поразительно похожа на строение современных деревьев и
живых моллюсков. В своей книге Гук сравнил окаменевшую древесину с
гнилым деревом и сделал вывод, что дерево превращается в камень в результате
какого-то постепенного процесса. Он также считал, что многие окаменелости
представляют собой вымершие существа, и писал: «В прошлые эпохи жило
множество существ, которых мы не находим сегодня, а сейчас существуют
разнообразные виды, которых, скорее всего, не было с самого начала».
Сравнительно недавний прогресс в развитии микроскопов описан в статье
«Наблюдение отдельного атома».
СМ. ТАКЖЕ Телескоп (1608), «Шестиугольная снежинка» Кеплера (1611), Броуновское
движение (1827), Наблюдение отдельного атома (1955).
Блоха. Иллюстрация из книги Роберта Гука «Микрография», опубликованной в 1665 г.

• \
rl)' \ν·
ч^·
-V\ \.
*
■u
ι
\
S x'V"" О
N

Трение Амонтона
Гийом Амонтон (1663-1705), Леонардо да Винчи (1452-1519),
Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806)
Трение — это сила сопротивления при скольжении объектов относительно
друг друга. Хотя трение и вызывает износ механизмов и потери энергии, оно
бывает порой просто необходимо в нашей повседневной жизни. Вообразите
себе мир без трения. Как бы мы могли ходить, ездить на машине, соединять
предметы гвоздями и шурупами или сверлить зубы?
В 1669 г. французский физик Гийом Амонтон показал, что сила трения
между двумя телами прямо пропорциональна сжимающей их силе (т. е. силе,
перпендикулярной поверхности контакта), причем коэффициент
пропорциональности (коэффициент трения) не зависит от размера соприкасающихся
поверхностей. Это соотношение было предложено впервые Леонардо да Винчи и
вновь открыто Амонтоном. На первый взгляд кажется странным, что сила
трения почти не зависит от площади контакта тел. Однако если двигать кирпич
по полу, то сила трения действительно не зависит от того, на какой стороне
скользит кирпич — большой или маленькой.
В первые годы XXI в. было проведено несколько исследований с целью
определить пределы применимости закона Амонтона к образцам различных
размеров — от миллиметров до нанометров. Например, как этот закон
действует в микроэлектромеханических системах (МЭМС), включающих
миниатюрные устройства, подобные используемым в струйных принтерах, или в
автомобильных подушках безопасности? В МЭМС применяются микротехнологии
внедрения механических элементов, сенсоров и электроники на кремниевую
подложку. Закон Амонтона, который часто используют при изучении
движущихся частей традиционных машин, может быть неприменим к устройствам
размером с булавочную головку.
В 1779 г. французский физик Шарль Огюстен де Кулон тоже
заинтересовался трением и обнаружил, что трение между двумя поверхностями,
движущимися относительно друг друга, почти не зависит от скорости движения.
Для покоящихся тел статическая сила трения (сила трения покоя) обычно
чуть больше, чем сила сопротивления движению того же тела.
СМ. ТАКЖЕ Ускорение падающих тел (1638), Таутохронный спуск (1673), Скользкость
льда (1850), Закон Стокса для вязкой жидкости (1851).
Такие устройства, как колеса и шарикоподшипники, используются для замены трения
скольжения меньшим трением качения, что уменьшает сопротивление движению.

..
* ·
\-
4 ι
/ -
\ '
«■
• ν
.
» >
* .
•
': * .<
t \ . ■ У
\ у · -
% \
Ι --Ϊ

Размеры Солнечной системы
Джованни Доменико Кассини (1625-1712)
До того как Джованни Кассини определил в 1672 г. размеры Солнечной
системы, астрономы выдвигали на этот счет довольно диковинные теории. Так,
например, Аристарх Самосский в 280 г. до н. э. говорил, что Солнце не более
чем в 20 раз дальше от Земли, чем Луна. Некоторые астрономы, уже более
близкие по времени к Кассини, предполагали, что звезды отделяют от нас
всего лишь нескольких миллионов километров. Оставаясь в Париже,
Кассини послал астронома Жана Рите в город Кайенну, на северо-восточном
побережье Южной Америки. Кассини и Рише провели одновременные
измерения углового положения Марса по отношению к далеким звездам. Используя
простые геометрические методы (см. статью «Звездный параллакс») и зная
расстояние от Кайенны до Парижа, Кассини определил расстояние от Земли
до Марса. Получив это число, он применил третий закон Кеплера и вычислил
расстояние от Марса до Солнца (см. статью «Законы Кеплера для движения
планет»). Используя оба полученных значения, Кассини нашел, что
расстояние между Солнцем и Землей равно примерно 140 млн км — полученный им
результат лишь на 7% меньше современных оценок!
Писатель и ученый Кендал Хейвен пишет: «Результаты, полученные
Кассини, означали, что Вселенная в миллионы раз больше, чем предполагалось
ранее». Заметим, что Кассини было бы трудно провести прямые измерения с
Солнцем, не рискуя нанести ущерб зрению.
Кассини сделал множество других открытий. Например, он обнаружил
четыре спутника Сатурна, а также главную щель в его кольцах, которая теперь
в честь замечательного ученого называется щелью Кассини. Интересно, что
он одним из первых предположил, что свет распространяется с конечной
скоростью. Однако Кассини не опубликовал доказательства этой своей гипотезы,
потому что, согласно Кендалу Хейвену, «был глубоко религиозным человеком
и верил, что свет исходит от Господа. Но тогда свет должен быть совершенным
и бесконечным, не ограниченным конечной скоростью распространения».
Со времен Кассини наши знания о Солнечной системе существенно
расширились. Например, были открыты планеты Уран (1781), Нептун (1846),
Плутон (1930) и Эрида (2005).
СМ. ТАКЖЕ Эратосфен измеряет Землю (240 до н. э.), Гелиоцентрическая система мира
(1543), Mysterium Cosmographicum («Тайна мира») (1596), Законы Кеплера для
движения планет (1609), Кольца Сатурна (1610), Закон Боде для расстояний планет от
Солнца (1766), Звездный параллакс (1838), Опыт Майкельсона-Морли (1887), Сфера Дайсона
(1960).
Кассини вычислил расстояние от Земли до Марса, а затем - от Земли до Солнца.
На рисунке показаны сравнительные размеры Земли и Марса, радиус Марса примерно
в два раза меньше радиуса Земли.

.л
. % .

Призма Ньютона
Исаак Ньютон (1642-1727)
«Наше современное понимание света и цвета начинается с Исаака Ньютона,
с его экспериментов, результаты которых он опубликовал в 1672 г., — пишет
педагог Майкл Дума. — Ньютон был первым, кто объяснил радугу: с
помощью призмы он разложил солнечный свет на составляющие цвета — красный,
оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый».
Когда Ньютон в конце 1660-х гг. проводил свои знаменитые оптические
опыты, многие современники думали, что цвета - это смесь света и темноты
и что свет окрашивается призмой. Несмотря на господствующие взгляды,
Ньютон убедился, что «белый» свет не является единым целым, как считал
Аристотель, а представляет собой смесь многих лучей, соответствующих
различным цветам. Роберт Гук критиковал исследования Ньютона свойств света,
что страшно раздражало сэра Исаака. Его гнев был абсолютно несоизмерим
комментариям Гука. В конечном итоге Ньютон решился на публикацию
своего монументального труда «Оптика» только после смерти Гука,
последовавшей в 1703 г. Таким образом, Ньютон оставил последнее слово за собой и смог
избежать возможных возражений коллеги. Ньютоновская «Оптика» вышла в
свет в 1704 г. В ней Ньютон продолжил обсуждение природы цвета и
дифракции света.
В своих экспериментах Ньютон использовал треугольную стеклянную
призму. Свет входит в призму с одной стороны и разлагается в ней на разные
цвета, поскольку угол преломления в стекле зависит от длины волны, т. е. от
цвета луча. Работа призмы основана на том, что свет меняет свою скорость,
когда входит из воздуха в стекло. Разделив цвета, Ньютон использовал вторую
призму, чтобы собрать их снова в белый свет. Этот опыт показал, что не призма
придает цвет лучам света, как верили многие. Ньютон также пропустил
через вторую призму только луч красного цвета, полученный из первой призмы.
И цвет луча не изменился. Это было еще одним доказательством, что призма
не порождает цвет, а просто разделяет цвета, присутствующие в
первоначальном световом пучке.
СМ. ТАКЖЕ Объяснение радуги (1304), Закон преломления Снеллиуса (1621), Оптический
прибор Брюстера (1815), Спектр электромагнитного излучения (1864), Метаматериалы
(1967).
Ньютон использовал призмы для демонстрации того, что белый свет не есть единое
целое, как считал Аристотель, а состоит из смеси многих различных лучей,
соответствующих разным цветам.

Таутохронный спуск
Христиан Гюйгенс (1629-1695)
Много лет назад я сочинил сказку о семи скейтбордистах, которые нашли
волшебную горную дорогу. С какой бы точки на дороге они ни начали свой
спуск, до низа они доезжали в точности за одно и то же время. Как такое
может быть?
В XVII в. математики и физики пытались найти кривую особой формы,
спуск по которой занял бы у соскальзывающего тела одинаковое время,
независимо от точки старта. Тела ускоряются силой тяготения, и
предполагается, что трение отсутствует. Решение задачи нашел голландский математик,
астроном и физик Христиан Гюйгенс, оно было опубликовано в его
классическом труде Horologium Oscillatorium («Маятниковые часы»). Говоря на языке
математики, таутохрона оказалась циклоидой. По циклоиде движется точка
на ободе колеса, катящегося по прямой линии. Таутохрона является также
«брахистохроной»: так называется кривая, по которой тело соскальзывает из
одной точки в другую за кратчайшее время.
Гюйгенс попытался применить свое открытие, конструируя более точные
маятниковые часы. При обычной подвеске маятник движется по дуге
окружности и его колебания изохронны и при малых углах отклонения не
зависят от амплитуды. В часах Гюйгенса маятник, подвешенный на
струне, должен был двигаться не по дуге окружности, а по
оптимальной кривой — перевернутой циклоиде, что достигалось за счет особой
подвески, меняющей длину нити. Период колебаний циклоидного
маятника не должен зависеть от того, при какой амплитуде (угле
отклонения) начались колебания. (Увы, дополнительное трение в
хитроумной подвеске вносило ошибку, превышавшую корректируемую
неточность хода часов.)
Специфическое свойство таутохроны упомянуто в романе «Моби
Дик» в рассказе о чистке котлов салотопки, где вытапливалась
ворвань: «Здесь [в котле] также охватывает человека глубочайшее
математическое раздумье. Именно в левом котле "Пекода", пока
мыльный камень усердно описывал вокруг меня спирали, мне впервые
открылся тот замечательный геометрический факт, что всякое тело,
скользящее по циклоиде, например мой мыльный камень, будучи
отпущенным из любой точки, опустится вниз за одно и то же время».
(Пер. И. Бернштейн.)
СМ. ТАКЖЕ Ускорение падаюших тел (1638), Клотоида (спираль Корню) (1901).
СЛЕВА: портрет Христиана Гюйгенса кисти Каспара Нетшера (1639-1684).
СПРАВА: под действием гравитации эти бильярдные шары катятся по таутохронно
му спуску. Несмотря на то что стартуют они из разных точек, все они добираются
до свечи за одно и то же время. Шары помещаются на спуск по одному.

9k>
ffff·)
V» -V» VwV· WWW» »<ι»»
'»»да«,г»"ЧЛ«/Г|г5^»«,»1,"«,-«л' гаде
WW WW?» WW»«>>V»VVW"»V»^7»V.»V» * ·

Ньютоновские законы движения
и закон всемирного тяготения
Исаак Ньютон (1642-1727)
«Бог создал все в соответствии с числом, весом и мерой», — писал английский
математик, физик и астроном Исаак Ньютон. Ньютон разработал
дифференциальное исчисление, доказал, что белый свет — это смесь лучей разного
цвета, объяснил возникновение радуги, построил первый телескоп-рефлектор,
открыл биномиальное разложение (бином Ньютона), ввел полярные
координаты, показал, что сила, заставляющая падать тела, имеет то же
происхождение, что и сила, управляющая движением планет и вызывающая приливы
и отливы.
Законы движения Ньютона устанавливают связи между силами,
действующими на тела, и их движением. Его закон всемирного тяготения утверждает,
что тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной
произведению масс тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Ньютоновский первый закон движения (закон инерции) говорит, что тела не
изменяют своего движения, пока на них не подействует какая-то сила.
Покоящееся тело остается в состоянии покоя. Движущееся тело продолжает
двигаться с той же скоростью и в том же направлении до тех пор, пока на него не
подействует сила. Согласно второму закону Ньютона, если на тело действует
сила, то скорость изменения его импульса (произведения массы на скорость
mv) пропорциональна приложенной силе. По третьему закону Ньютона
всякий раз, когда одно тело действует на другое с какой-то силой, на него со
стороны того другого тела тоже действует сила той же величины, но
противоположного направления. Например, направленная вниз сила веса ложки, лежащей
на столе, равна направленной вверх силе воздействия стола на ложку.
Говорят, что на протяжении всей своей жизни Ньютон был подвержен
приступам маниакальной депрессии. В юные годы он ненавидел мать и отчима и
однажды даже угрожал сжечь их живьем в собственном доме. А еще Ньютон
писал теологические трактаты на разные темы, включая библейские
пророчества. Немногие знают, что он посвятил гораздо больше времени изучению
Библии, а также занятиям теологией и алхимией, чем науке. И богословию он
посвятил больше трудов, чем естественным наукам. Несмотря на все это,
Исаака Ньютона можно по праву считать самым выдающимся ученым всех времен
и народов.
СМ. ТАКЖЕ Законы Кеплера для движения планет (1609), Ускорение падающих тел
(1638), Сохранение импульса (1644), Призма Ньютона (1672), Ньютон как источник
вдохновения (1687), Клотоида (спираль Корню) (1901), Общая теория относительности (1915),
Колыбель Ньютона (1967).
Гравитация влияет на движение космических объектов. Это иллюстрируется
художественным изображением столкновения массивных объектов размером,
возможно, с Плутон, породившего кольцо пыли вокруг близлежащей звезды Вега.

Ньютон как источник вдохновения
Исаак Ньютон (1642-1727)
Химик Уильям Кроппер пишет: «Ньютон был величайшим творческим
гением, которого когда-либо знала физика. Никакие другие кандидаты на
подобную оценку (Эйнштейн, Максвелл, Больцман, Гиббс или Фейнман) не
могут сравниться с Ньютоном, в чьих трудах соединились физическая теория,
эксперимент и математика... Если бы вы смогли совершить путешествие во
времени, оказались бы в XVII в. и встретили бы там Ньютона, вы, вероятно,
сравнили бы его с исполнителем, который сначала изводит всех
окружающих, а затем выходит на сцену и поет как ангел...».
Ньютон показал, что все во Вселенной может быть понято и описано в
терминах математики, чем вдохновил последующие поколения исследователей
больше любого другого ученого. По словам журналиста Джеймса Глейка,
«Исаак Ньютон родился в мире мрака, обскурантизма и колдовства... по
крайней мере однажды был ввергнут на грань сумасшествия... и все же ему удалось
открыть больше существенных основ человеческого знания, чем кому-либо
другому до него или после. Он стал главным архитектором современного мира.
...Он снабдил познание количественными и точными методами. Он установил
принципы, которые ныне называются его законами».
Бывший министр культуры Великобритании Крис Смит и его соавтор,
консультант и бизнесмен Ричард Кох замечают: «В какой-то момент между XIII и
XV вв. Европа сильно вырвалась вперед в науке и технологии по сравнению с
остальным миром. Это лидерство укреплялось в последующие 200 лет. Затем в
1687 г. Исаак Ньютон, которому предшествовали Коперник, Кеплер и другие,
гениально догадался, что мир управляется несколькими физическими,
механическими и математическими законами. Это вселило огромную уверенность,
что все имеет смысл, что одно соответствует другому, и все может быть
улучшено наукой ».
Вдохновленный Ньютоном астрофизик Стивен Хокинг пишет: «Я не
согласен с мнением, что Вселенная загадочна... Эта точка зрения противоречит
идеям научной революции, которая была начата почти четыреста лет назад
Галилеем и продолжена Ньютоном... У нас есть математические законы, которые
описывают все, с чем мы сегодня сталкиваемся».
СМ. ТАКЖЕ Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения (1687),
Эйнштейн как источник вдохновения (1921), Стивен Хокинг в «Звездном пути» (1993).
Старая яблоня и дом в Ву.псторпе, где родился Ньютон и где он провел множество сво
их знаменитых экспериментов со светом. По легенде, именно здесь Ньютон увидел па
дающее яблоко, что навело его на мысли о законе тяготения.

Ί ... * -^"*J5
V* · ι. »
• ιχ. \j.
.*»
^ - ' -j.;
,?>:.>
• ■-'■--*4·
4?^
£">:
'>X_ 'V" '%? '·.
vl . '" ·"
ъ к
ъ
i
<<
\
.*
-.ρ ■-
I
I
:,"■·
•'it

Камертон
Джон Шор (ок. 1662-1752), Герман фон Гельмголыд (1821-1894),
Жюль Антуан Лиссажу (1822-1880), Рудольф Кёниг (1832-1901)
Камертон - металлический прибор в форме двузубой вилки, который при
ударе создает чистый тон постоянной частоты. Камертон играл важную роль
в физике, медицине, искусстве и даже литературе. Из всех романов, где
встречается камертон, больше всего я люблю «Великий Гэтсби» Ф. С. Фиц-
джеральда, то место, где Гэтсби понимает, что «стоит ему поцеловать эту
девушку... — и прощай навсегда божественная свобода полета мысли. И он
медлил, еще прислушиваясь к звучанию камертона, задевшего звезду. Потом он
поцеловал ее. От прикосновения его губ она расцвела для него как цветок...».
(Пер. Е. Калашниковой).
Камертон изобрел в 1711 г. британский музыкант Джон Шор. Рождаемая
камертоном чисто синусоидальная акустическая волна удобна для настройки
музыкальных инструментов. Два зубца колеблются навстречу друг другу, а
ручка колеблется вверх и вниз. Колебания ручки невелики, а это значит, что
звук камертона мало ослабляется, если даже его держать в руке. Однако
ручку можно использовать для усиления звука камертона, если укрепить ее на
полом ящичке - резонаторе. Имеются простые формулы для расчета частоты
колебаний камертона, она зависит от таких параметров, как плотность
материала, из которого он изготовлен, модуль Юнга этого материала, являющийся
мерой его упругости, а также радиус и длина зубцов.
В 1850-х гг. математик Жюль Лиссажу наблюдал зыбь на воде, изучая
волны, создаваемые там камертоном. Он также направлял луч света на зеркальце,
укрепленное на колеблющемся зубце камертона, после чего отраженный луч
попадал на зеркальце на другом камертоне, колебавшемся в
перпендикулярном направлении, и отражался на экран. Световое пятно на экране описывало
замысловатые фигуры, называемые теперь фигурами Лиссажу. Около 1860 г.
физики Герман фон Гельмгольц и Рудольф Кёниг изобрели электромагнитный
камертон. В наши дни камертоны используются полицией для калибровки
радаров в приборах контроля за скоростью движения.
В медицине камертоны применяют для оценки слуха пациента и
восприимчивости вибрации на кожном покрове, а также для обнаружения переломов
костей. Такие дефекты ослабляют звук, производимый камертоном вблизи
травмированного места, что улавливается при прослушивании через
стетоскоп.
СМ. ТАКЖЕ Стетоскоп (1816), Эффект Доплера (1842), Военные тубы (1880).
Камертон играл важную роль в физике, музыке, медицине и искусстве.

M\jESe

Скорость убегания
Исаак Ньютон (1642-1727)
При выстреле из лука вертикально вверх стрела в конце концов упадет на
землю. Натянем лук сильнее - стреле понадобится больше времени,
чтобы вернуться назад. Начальная скорость, при которой стрела никогда не
вернется на нашу планету, называется скоростью убегания υρ (или второй
космической скоростью). Она может быть рассчитана по простой формуле:
υ = [(2GM)/r]1 2, где G - гравитационная постоянная, а г - расстояние от
лука со стрелой до центра Земли, масса которой обозначена буквой М. Если
пренебречь сопротивлением воздуха и всеми другими силами (кроме земного
тяготения) и запускать стрелу вертикально, т. е. вдоль радиальной линии от
центра Земли, то ve = 11,2 км/с. Конечно, только воображаемая стрела может
лететь в 34 раза быстрее звука!
Масса снаряда (будь то стрела или слон) не влияет на величину скорости
убегания, зато влияет на энергию, нужную для его разгона до этой скорости.
Формула для υρ получена для строго сферической планеты и в предположении,
что масса снаряда много меньше массы планеты. Скорость убегания зависит
также от вращения Земли. Например, для стрелы, запускаемой с экватора в
восточном направлении, скорость убегания равна примерно 10,7 км/с
относительно поверхности Земли.
Заметим, что формула для ve подразумевает «мгновенное» сообщение
снаряду скорости убегания. Реальным ракетам не нужно достигать этой скорости
сразу при старте - их двигатели продолжают работать и во время полета.
Эта статья отнесена к 1728 г. В этом году была опубликована (посмертно)
ньютоновская «Система мира», где ученый рассматривает траектории
движения пушечных ядер, вылетевших из жерла с разной скоростью. Скорость
убегания может быть вычислена разными способами, в том числе из
ньютоновского закона всемирного тяготения (1687), согласно которому тела
притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению масс этих тел и
обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
СМ. ТАКЖЕ Таутохронныи спуск (1673), Ньютоновские законы движения и закон
всемирного тяготения (1687), Черные дыры (1783), Установившаяся скорость падения в
среде (1960).
«Луна-1» была первым космическим аппаратом, сделанным человеческими руками,
который достиг скорости убегания. Запущенная в Советском Союзе в 1959 г., «Луна 1»
стала и первой автоматической межпланетной станцией, отправленной к Луне.

. χ

Закон Бернулли в гидродинамике
Даниил Бернулли (1700-1782)
Представим себе воду, текущую по трубе с крыши дома на землю. Давление
жидкости будет меняться вдоль трубы. Математик и физик Даниил
Бернулли открыл закон, связывающий давление, скорость течения и высоту
трубы. В современных обозначениях мы записываем закон Бернулли в виде
v2/2 + gz + ρ/ρ = const. Здесь υ — скорость течения жидкости, g — ускорение
свободного падения в гравитационном поле Земли, г — высота
рассматриваемого элемента жидкости, ρ - давление и ρ - плотность жидкости, a const
обозначает постоянную величину. Ученые до Бернулли осознали, что
движущееся вверх тело превращает свою кинетическую энергию в потенциальную
энергию в поле сил тяготения. Бернулли понял, что похожим образом
изменение кинетической энергии движущейся жидкости связано с изменением
давления в ней.
Формула Бернулли справедлива для непрерывного (нетурбулентного)
течения жидкости по закрытой трубе. Жидкость считается несжимаемой.
Поскольку большинство жидкостей сжимаются очень слабо, закон Бернулли
часто дает хорошее приближение к реальности. В дополнение, жидкость не
должна быть вязкой, что означает отсутствие внутреннего трения в ней. И хотя
не все реальные жидкости удовлетворяют этим критериям, соотношение
Бернулли в целом достаточно точно описывает свободно текущие потоки вдали от
стенок трубы, в особенности применительно к газам и легким жидкостям.
Уравнение Бернулли может использоваться при изменении лишь части
величин, входящих в него, например в случае увеличения скорости
истечения жидкости, сопровождающегося одновременным уменьшением давления
в ней. Это использовано в конструкции трубки Вентури: в узкой
горловине диффузора, подающего воздух в карбюратор, скорость потока возрастает,
а давление, в соответствии с законом Бернулли, падает по сравнению с
атмосферным. В свою очередь, эта разность давлений приводит к истечению
топлива из поплавковой камеры карбюратора.
Формула Бернулли имеет множество практических приложений в
аэродинамике для описания воздушных потоков, обтекающих профиль крыла
самолета, лопасти пропеллеров и хвостовое оперение.
СМ. ТАКЖЕ Сифон (250 до н. э.), Закон течения жидкости Пуазёйля (1840), Закон Стокса
для вязкой жидкости (1851), Вихревая дорожка Кармана (1911).
Карбюраторы двигателей содержат диффузоры с узпии горловиной, где засасываемый
извне воздух ускоряется, что. по закону Бернулли, понижает его давление и приводит
к втягиванию топлива из поплавковой камеры. Трубка Вентури помечена цифрой 10 на
чертеже в патенте на устройство карбюратора, выданном в 1935 г.

April 9, 1935.
С. N. POGUE
CAJtMIRBTOI
riled Nov. 3. 1934
1,997,497
2 SbMts-ShMt 2
&7
&&
t7?bZg.
tap
Г
^o
Q»vue*»to«
CfcctrjLas At ?\*?*c<e.
κ?
8^(^ΜΜ(< jLii»yt«»^1 ^мии(

Лейденская банка
Питер ван Мушенбрук (Мюсхенбрук) (1692-1761),
Эвальд Георг фон Клейст (1700-1748), Жан Антуан Нолле (1700-1770),
Бенджамин Франклин (1706-1790)
«Лейденская банка - это было электричество во флаконе, хитроумный способ
накопить статический электрический заряд, чтобы потом высвободить его по
своему желанию, — пишет журналист Том Макникол. — Инициативные
экспериментаторы по всей Европе притягивали восхищенные толпы, ...убивая
птиц и небольших животных вспышкой электрического разряда. ...В 1746 г.
Жан Антуан Нолле, французский священник и физик, разрядил лейденскую
банку в присутствии короля Людовика XV, пропустив ток через шеренгу
держащихся за руки ста восьмидесяти королевских гвардейцев». Нолле также
выстроил 200 монахов-картезианцев, каждый из которых был соединен с
соседями проволокой. Подсоединив к ним лейденскую банку, Нолле заставил
монахов корчиться под воздействием тока. Это было еще то зрелище!
Лейденская банка накапливает электричество между электродами, один
из которых находится снаружи, а другой — внутри. Ранний ее вариант был
изобретен в 1744 г. прусским ученым Эвальдом Георгом фон Клейстом. Годом
позже другой ученый, голландец Питер ван Мушенбрук, независимо изобрел
в Лейдене подобное же устройство. Лейденская банка сыграла большую роль
в первых исследованиях электричества.
Лейденская банка - по сути первый вариант конденсатора, устройства,
состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком (изолятором).
Если между проводниками существует разность потенциалов (напряжение),
то в диэлектрике создается электрическое поле, в котором накапливается
энергия. Чем меньше зазор между проводниками, тем больший заряд может
быть накоплен.
Типичная конструкция состоит из стеклянной банки, обклеенной
снаружи и внутри металлической (оловянной) фольгой. Через пробку проходит
металлический стержень, соединенный цепочкой с внутренней обкладкой.
Стержень заряжается статическим электричеством каким-либо подходящим
способом - например, прикосновением натертой шелком стеклянной палочки.
Если человек прикоснется к металлическому стержню, то получит
электрический удар. Для увеличения количества накопленного заряда можно соединить
параллельно несколько банок.
СМ. ТАКЖЕ Электростатический генератор фон Герике (1660), Воздушный змей Бена
Франклина (1752), Фигуры Лихтенберга (1777), Батарея (1800), Катушка Теслы (1891),
Лестница Иакова (1931).
Британский изобретатель Джеймс Уимшерст (1832—1903) построил электрофорную
машину - электростатическое устройство для получения высокого напряжения. Через
промежуток между двумя металлическими сферами проскакивает искра. Обратите
внимание на две лейденские банки по бокам, служащие для накопления заряда.

ч
■\

Воздушный змей Бена Франклина
Бенджамин Франклин (1706-1790)
Бенджамин Франклин был изобретателем, государственным деятелем,
философом и ученым. Хотя у него было много талантов, историк Брук Хиндел
пишет: «Большая часть научных исследований Франклина относится к молнии
и другим электрическим явлениям. Установленная им связь молнии с
электричеством посредством знаменитого эксперимента с запуском в грозу
воздушного змея оказала существенное влияние на развитие науки. Это
открытие способствовало созданию и широкому распространению громоотводов,
защищавших от молнии здания в США и Европе». Воздушный змей
Франклина, быть может, и не стоит на одном уровне со многими открытиями,
описываемыми в этой книге, но он стал символом поиска научной истины и уже
многие поколения школьников вдохновляет на занятия физикой.
В 1750 г. для проверки того, что молния имеет электрическую природу,
Франклин предложил опыт с запуском воздушного змея в облако, которое
вот-вот должно было превратиться в грозовую тучу. Согласно записям
Франклина, его эксперимент состоялся 15 июня 1752 г. в Филадельфии, и он сумел
успешно извлечь электрическую энергию из облака. В некоторых вариантах
рассказа на конце бечевки, идущей к змею, был привязан ключ и шелковая
лента, которую держал Франклин. Тем самым он был изолирован от
электрического тока, который пошел по бечевке к ключу, а с него — в лейденскую
банку (устройство, накапливающее электричество между двумя электродами).
Другие исследователи не принимали таких мер предосторожности и были
убиты электрическим током по время подобных опытов. Франклин писал: «Когда
дождь намочит бечевку от змея, которую вы сжимаете в кулаке, и она
сможет свободно проводить электрический огонь, вы обнаружите, что он обильно
устремится из ключа к вашему кулаку, и от этого ключа... может зарядиться
лейденская банка...».
Историк Джойс Чаплин замечает, что эксперимент Франклина со змеем
хоть и не был первым, где молния связывалась с электричеством, тем не
менее он подтвердил это. Франклин «пытался измерить, действительно ли
облака заряжены, и если это так, то какого знака их заряд — положительный
или отрицательный. Он хотел определить наличие электричества в природе,
а потому не следует оценивать значение его опытов только изобретением
громоотвода - оно значительно шире».
СМ. ТАКЖЕ Огни Святого Эльма (78), Лейденская банка (1744), Фигуры Лихтенберга
(1777), Катушка Теслы (1891), Лестница Иакова (1931).
«Бенджамин Франклин извлекает электричество с небес» (ок. 1816) - картина англо-
американского художника Бенджамина Уэста (1738-1820 ). Ярко светящийся
электрический ток стекает с ключа в лейденскую банку, зажатую в кулаке Франклина.

'
i

Эффект «черной капли»
Торберн Олаф Бергман (1735-1784), Джеймс Кук (1728-1779)
Альберт Эйнштейн однажды сказал, что самое непостижимое в этом мире —
это то, что он постижим. Действительно, мы живем в мире, который может
быть описан компактными математическими выражениями и физическими
законами. Даже самые странные астрофизические явления в конце концов
находят научное объяснение, хотя порой на это требуется немало лет.
Таинственный эффект «черной капли» - оптическое явление, возникающее
при наблюдении с Земли прохождения Венеры по солнечному диску: когда
Венера «касается» внутреннего края солнечного диска, там появляется черная
«слезинка». Суженная, вытянутая часть «слезинки» напоминает толстую
пуповину или темный мост. В прошлом он мешал астрономам точно определить
время прохождения Венеры по солнечному диску.
Первое подробное описание «черной капли» дал в 1761 г. шведский химик
и минеролог Торберн Олаф Бергман, говоривший о «лигатуре», соединившей
силуэт Венеры с темным краем Солнца. В последующие годы о подобных
фактах сообщали многие ученые. Например, британский мореплаватель Джеймс
Кук также наблюдал эффект «черной капли» во время прохождения Венеры
по диску Солнца в 1769 г.
И сегодня физики продолжают размышлять о причинах
возникновения «черной капли». Астрономы Джей М. Па-
сахоф, Глен Шнайдер и Леон Голуб предположили, что это
«комбинация инструментальных эффектов и процессов,
происходящих в атмосферах Земли, Венеры и Солнца». Во время
прохождения Венеры по диску Солнца в 2004 г. одни
наблюдатели видели «черную каплю», другие — нет. Журналист Дэвид
Шига пишет: «Итак, эффект "черной капли" остался в XXI в.
столь же загадочным, каким он был в XIX в. Споры о том, из
чего состоит "настоящая" черная капля, очевидно,
продолжатся... До следующего прохождения наблюдателям предстоит
сравнить свои записи и выяснить, можно ли точно установить
условия появления "черной капли"».
СМ. ТАКЖЕ Кольца Сатурна (1610), Размеры Солнечной системы (1672), Открытие
Нептуна (1846), Зеленый луч (1882).
СЛЕВА: британский мореплаватель Джеймс Кук наблюдал эффект «черной капли» во
время прохождения Венеры в 1 769 г. Этот эффект изображен на рисунке
австралийского астронома Генри Чемберлена Расселла (1836—1907). (Расселл наблюдал прохож
дение Венеры в 1874 г. - Прим. пер.) СПРАВА: эффект «черной капли» во время
прохождения Венеры по диску Солнца в 2004 г.

Закон Боде для расстояний планет
от Солнца
Иоганн ЭлертБоде (1747-1826), Иоганн Даниэль Тициус (1729-1796)
Закон Боде, известный также как закон Тициуса-Боде, выглядит как
псевдонаучная нумерология и потому особо интересен. Он интригует как физиков,
так и непрофессионалов уже два с половиной столетия. Этот закон
описывает среднее расстояние планет от Солнца. Рассмотрим простую числовую
последовательность 0; 3; 6; 12; 24; ..., в которой каждое следующее число в два
раза больше предыдущего. Добавим далее к каждому числу 4 и результат
разделим на 10. Получаем тогда последовательность 0,4; 0,7; 1,0; 1,6; 2,8;
5,2; 10,0; 19,6; 38,8; 77,2; ... Замечательно, что в этой последовательности
перечислены средние расстояния от Солнца почти всех планет, выраженные
в астрономических единицах (а. е.). Астрономическая единица — это среднее
расстояние от Земли до Солнца, равное приблизительно 92 960 000 миль
(149 604 970 км). Например, Меркурий находится от Солнца на расстоянии
примерно 0,4 а. е., а Плутон - на расстоянии около 39 а. е.
Этот закон был открыт в 1766 г. немецким астрономом из Виттенберга
Иоганном Тициусом и опубликован шестью годами позже Иоганном Боде.
Соотношения между радиусами планетных орбит еще в начале XVIII в.
рассматривал шотландский математик Дэвид Грегори. В то время закон Боде
давал удивительно точные оценки средних расстояний от Солнца для
известных тогда планет - Меркурия (0,39), Венеры (0,72), Земли (1,0), Марса (1,52),
Юпитера (5,2) и Сатурна (9,55). Средний радиус орбиты Урана, открытого в
1781 г., равен 19,2, что тоже согласуется с законом Боде.
Современные ученые питают большие сомнения по поводу закона Боде,
который, очевидно, не является таким же универсально применимым, как
другие законы, описанные в этой книге. Действительно, указанное соотношение
может оказаться чисто эмпирическим и случайным. (В таком случае
правильнее было бы говорить не о «законе», а о «правиле Боде». - Прим. пер.)
Явление «орбитальных резонансов», возникающее, когда вращающиеся по
своим орбитам тела взаимодействуют друг с другом посредством
гравитационного поля, может привести к образованию вокруг Солнца областей, свободных
от стабильных орбит, и тем самым - к закономерностям в расстояниях
между планетами. Орбитальный резонанс может случиться, когда периоды
вращения двух тел на орбитах относятся как небольшие целые числа, т. е. когда
тела регулярно и систематически влияют друг на друга через гравитационное
взаимодействие.
СМ. ТАКЖЕ Mysterium Cosmographicum («Тайна мира») (1596), Размеры Солнечной
системы (1672), Открытие Нептуна (1846).
Согласно закону Боде, среднее расстояние Юпитера от Солнца равно 5.2 а. е., реально
же измеренное значение — 5,203 а. е.

Фигуры Лихтенберга
Георг Кристоф Лихтенберг (1742-1799)
Одно из самых красивых природных явлений - трехмерные фигуры
Лихтенберга, окаменевшая молния, заключенная в прозрачном кубе из акрила
(оргстекла). Эти ветвящиеся следы электрических разрядов названы по имени
немецкого физика Георга Лихтенберга, который первоначально изучал
подобные следы на поверхностях. В XVIII в. Лихтенберг направлял электрические
разряды на диэлектрик. Затем, распыляя по его поверхности заряженный
порошок, он получил любопытные вьющиеся узоры.
В наше время в оргстекле могут быть созданы трехмерные узоры. Акрил -
изолятор, или диэлектрик, т. е. ток через него при обычных условиях не идет,
и он способен удерживать электрический заряд. Сначала из электронного
ускорителя на акриловый образец направляют пучок электронов высокой
энергии. Они проникают в оргстекло и накапливаются внутри него. Поскольку
оргстекло — диэлектрик, электроны оказываются запертыми там (представьте
себе гнездо диких шершней, пойманных в ловушку из оргстекла). Однако
настает момент, когда электростатическое напряжение превышает
электрическую прочность акрила, и тогда отдельные его участки становятся
проводниками. Как следствие, разрываются некоторые химические связи,
удерживающие молекулы акрила вместе. В доли секунды образуются проводящие пути,
и электрические заряды уходят из акрила, который плавится вдоль их путей.
Инженер-электрик Берт Хикман предполагает, что эти микротрещины растут
быстрее скорости звука в акриле.
Фигуры Лихтенберга — фракталы, поскольку состоят из разветвленных и
неограниченно множащихся самоподобных структур. Похожий на
папоротник узор от электрического разряда может продолжаться вплоть до
молекулярного уровня. Ученые разработали физические и математические модели
рождения древовидных структур. Такие модели интересуют физиков, потому
что они могут ухватить общие важные особенности образования структур в
самых разных физических процессах. Подобные структуры могут также иметь
применения в медицине. Например, ученые из Техасского университета А&М
полагают, что эти пушистые структуры могут стать шаблонами для
выращивания сосудистой ткани в искусственных органах.
СМ. ТАКЖЕ Воздушный змей Бена Франклина (1752), Катушка Теслы (1891), Лестница
Иакова (1931), Ударная звуковая волна (1947).
Фигуры Лихтенберга, полученные Бертом Хикманом, созданы облучением образца
оргстекла электронным пучком с последующим электрическим разрядом. Потенциал
внутри образца непосредственно перед разрядом оценивается примерно в 2 млн вольт.

ι
\
A
A
K>
λ\
\
4
\
t
\
\ :

Галактика Черный Глаз
Эдвард Пиготт (1753-1825), Иоганн Элерт Боде (1747-1826),
Шарль Мессье (1730-1817)
Галактика Черный Глаз находится в созвездии Волосы Вероники на
расстоянии около 24 млн световых лет от Земли. Писатель и естествоиспытатель
Стивен Джеймс О'Мира поэтично описывает эту знаменитую галактику:
«Гладкие шелковые руки, грациозно охватывающие фарфоровую
сердцевину. ...Галактика напоминает закрытый человеческий глаз с "фингалом" под
ним. Темное пылевое облако выглядит как толстая и грязная пашня, но если
поместить это вещество в банку, то будет трудно отличить его от глубокого
вакуума».
Галактика Черный Глаз была открыта в 1779 г. английским астрономом
Эдвардом Пиготтом и независимо, всего двенадцать дней спустя, - немецким
астрономом Иоганном Боде, а через год - еще и французским астрономом
Шарлем Мессье. Как было замечено в статье «Объяснение радуги», такие
почти одновременные открытия довольно обычны в истории естествознания.
Например, британские натуралисты Чарльз Дарвин и Альфред Уоллес развили
теорию эволюции независимо и одновременно. Аналогично, Исаак Ньютон
и немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц независимо и примерно
в одно время создали дифференциальное исчисление. Такая одновременность
привела некоторых философов к мысли, что повторы научных открытий
неизбежны, поскольку они рождаются из общего интеллектуального «бульона»,
существующего в данный момент в данном месте.
Последние наблюдения показывают, что межзвездный газ на периферии
галактики Черный Глаз и вещество (газ и звезды) во внутренних ее областях
вращаются в противоположных направлениях. Это объясняют тем, что
галактика Черный Глаз миллиарды лет назад столкнулась и поглотила другую
галактику с другим направлением вращения.
Писатель и астроном Дэвид Дарлинг сообщает, что радиус внутренней зоны
галактики составляет около 3000 световых лет, «внутренний край внешнего
диска вращается со скоростью около 300 км/с и удален от центра по крайней
мере на 40 000 световых лет. Трение внешнего и внутреннего дисков (за счет
встречных столкновений газа и звезд. - Прим. пер.), по-видимому, порождает
мощные вспышки при формировании в пограничном слое новых звезд, наблю
даемые как голубые узлы в огромном пыльном коридоре».
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Небулярная гипотеза (1796), Темная материя (1933),
Парадокс Ферми (1950), Квазары (1963).
Межзвездный газ на периферии галактики Черный Глаз вращается в направлении,
противоположном вращению газа и звезд в ее внутренних областях. Это
разнонаправленное вращение могло возникнуть, когда более миллиарда лет назад Черный Глаз
столкнулся с драгой галактикой и поглотил ее.

1 »

Черные дыры
Джон Мичелл (1724-1793), Карл Шварцшильд (1873-1916),
Джон Арчибальд Уилер (1911-2008), Стивен Уильям Хокинг (р. 1942)
Астрономы могут не верить в преисподнюю, но большинство верит в
ненасытные черные области пространства, на которых впору было бы повесить
надпись «Оставь надежду всяк сюда входящий». Это предупреждение
итальянского поэта Данте Алигьери при описании входа в ад в его
«Божественной комедии» было бы, как считает астрофизик Стивен Хокинг, подходящим
предупреждением путешественникам, приближающимся к черной дыре.
Эти космические преисподние действительно существуют в центрах
многих галактик. Они представляют собой объекты с массами, в миллионы или
даже миллиарды раз превышающими массу нашего Солнца, но сжатые в
объемы не больше нашей Солнечной системы. Согласно классической теории
черных дыр, гравитационное поле вокруг них так велико, что ничто, и даже
свет, не может вырваться из их цепких объятий. Любой, кто провалится в
черную дыру, погрузится в центральную зону чрезвычайно малого объема с
экстремально высокой плотностью — и там остановится время. Когда ученые
применили к описанию черной дыры квантовую теорию, они обнаружили, что
черные дыры все-таки испускают излучение, называемое излучением Хокин-
га (см. раздел «Примечания и список дополнительной литературы» и статью
«Стивен Хокинг в "Звездном пути"»).
Черные дыры могут иметь различные размеры. В
качестве исторического фона вспомним, что уже через
несколько недель после публикации Альбертом
Эйнштейном в 1915 г. своей общей теории относительности
немецкий астроном Карл Шварцшильд выполнил точные
вычисления величины, которая называется теперь
радиусом Шварцшильда или горизонтом событий. Этот радиус
определяет размеры сферы вокруг тела заданной массы.
Согласно классической теории черных дыр, внутри этой
сферы гравитация столь велика, что ни вещество, ни свет,
ни какой-либо сигнал не могут из нее выйти. Для массы,
равной массе нашего Солнца, радиус Шварцшильда
составляет 3 км. Черная дыра массой, равной массе Земли, будет
иметь горизонт событий размером в грецкий орех. Сама
идея существования объектов, которые не может покинуть даже свет, была
выдвинута в 1783 г. геологом Джоном Мичеллом. Термин «черная дыра» был
придуман в 1967 г. физиком-теоретиком Джоном Уилером.
СМ. ТАКЖЕ Скорость убегания (1728), Общая теория относительности (1915), Белые
карлики и предел Чандрасекара (1931), Нейтронные звезды (1933), Квазары (1963), Стивен
Хокинг в «Звездном пути» (1993), Увядание Вселенной (через 100 трлн лет).
СЛЕВА: черные дыры и излучение Хокинга вдохновили словенскую художницу Матюш-
ку Тейя Крашек на создание множества полотен. СПРАВА: искривление пространства
в окрестности черной дыры.

1

Закон Кулона в электростатике
Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806)
«Мы называем электричеством этот огонь из черной грозовой тучи, — писал в
начале XIX в. публицист и историк Томас Карлейль, - но что это такое? Что
породило его?» Первые шаги к пониманию, что такое электрический заряд,
сделал французский физик Шарль Огюстен де Кулон, выдающийся ученый,
который внес вклад в такие области науки, как электричество, магнетизм и
механика. Его закон электростатики утверждает, что сила отталкивания или
притяжения между двумя электрическими зарядами пропорциональна
произведению величины зарядов и обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга,
разноименные — притягиваются.
В наши дни экспериментально установлено, что закон Кулона справедлив
в широчайшем диапазоне расстояний от 10~16 м (десятые доли диаметра
атомных ядер) до 106 м. Закон Кулона справедлив только для покоящихся
заряженных частиц. Их движение порождает магнитное поле, которое изменяет
силы, действующие на заряды.
Хотя другие исследователи до Кулона также предлагали закон обратных
квадратов 1/г2 для силы взаимодействия между зарядами, мы называем этот
закон именем Кулона, так как он получил независимые результаты путем
измерений с помощью своих крутильных весов. Другими словами, Кулон
представил убедительные количественные подтверждения для соотношения,
которое до 1785 г. было лишь догадкой.
В одной из модификаций крутильные весы Кулона включают
металлический и неметаллический шары, соединенные с изолирующим стержнем.
Стержень подвешен за середину на непроводящей нити. Для измерения
электростатической силы металлический шар заряжается. Третий шар с таким же
зарядом размещается поблизости от заряженного шара весов, который
отталкивается от него. Отталкивание закручивает нить подвески. Если измерить,
какая сила нужна для закручивания нити на такой же угол, то можно узнать,
какая сила действует на заряженную сферу. Другими словами, нить играет
роль очень чувствительной пружины, создающей при закручивании силу,
пропорциональную углу поворота.
СМ. ТАКЖЕ Лейденская банка (1744), Уравнения Максвелла (1861), Гравитационная
градиометрия Этвёша (1890), Электрон (1897), Опыт Милликена с масляными каплями
(1913).
Крутильные весы Кулона. Рисунок из его «Мемуаров об электричестве и магнетизме»
(1785-1789).

?
Fij.S.
η

Χι
Fij.j,
I : ■<
': - .t-
'£
itv ~
Л* J.
tv 41· "Ц)'И .ΙΙ'Τ,'ΤΓΤ , ,r
/£. *
G
η: 2.
"7
I';!. 'i'
,'Ji
.ι:
1 L
i% ч
Η
Ρ
с
φ
φ. 3.
<У·'·

Газовый закон Шарля
Жак Александр Сезар Шарль (1746-1823),
Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850)
«Наше дело - проколоть надутые воздухом пузыри и обнаружить зерна
истины», - писала англичанка Вирджиния Вульф в очерке «Мысли о мире во
время воздушного налета». А француз Жак Шарль знал, как заставить
воспарить «пузыри», чтобы найти истину. Газовый закон, названный его
именем, утверждает, что объем, занимаемый фиксированным количеством газа,
меняется пропорционально его абсолютной температуре (т. е. температуре,
выраженной в Кельвинах). Этот закон можно записать формулой V = аТ, где
V - объем при постоянном давлении, Τ - абсолютная температура и а -
некоторая постоянная величина. Физик Жозеф Гей-Люссак первым опубликовал
этот закон в 1802 г., сославшись на неопубликованную работу Жака Шарля
примерно 1787 г.
При повышении температуры газа его молекулы начинают двигаться
быстрее и ударяют в стенки содержащего их сосуда с большей силой. Это
увеличивает объем газа, если объем сосуда может увеличиваться. Для более
конкретного примера рассмотрим нагревание воздуха в аэростате. По мере
повышения температуры скорость молекул газа внутри оболочки увеличивается.
В свою очередь, это увеличивает темп бомбардировки молекулами внутренней
поверхности оболочки. Объем газа увеличивается, его плотность падает.
Охлаждение газа внутри аэростата приводит к обратному эффекту: давление
внутри падает и оболочка сжимается.
Своим современникам Шарль был известен более всего различными
деяниями и изобретениями, имеющими отношение к воздухоплаванию и другим
прикладным наукам. В 1783 г. состоялось его первое путешествие на
воздушном шаре, за которым следили тысячи восторженных людей. Аэростат
поднялся на высоту 914 м и приземлился в поле в пригороде Парижа, где был
разрушен испуганными крестьянами. Местные жители сочли аэростат каким-то
злым духом или чудовищем, якобы издававшим стоны и вздохи и будто бы
даже испускавшим ядовитый запах.
СМ. ТАКЖЕ Газовый закон Бойля (1662), Газовый закон Генри (1803), Газовый закон
Авогадро (1811), Кинетическая теория (1859).
Первый полет Жака Шарля со вторым пилотом Николя Луи Робером в 1 783 г. Воздуха
плаватели машут зрителям флагом. На заднем плане - Версальский дворец. Гравюра,
вероятно, выполнена Антуаном Франсуа Сержан-Марсо (ок. 1783).

\
О-
Μ
If
^*,
??1
ϊ ■'
*=.·
I-1JL
Ί
"·!< ^Κ,ν*'·-.?£'- ' "?> -'-■·'· "'" ^;*
;.λ4.\
43
,«
*.·>
Λ
)
ι
'4
V »
;-;.мХ
'_"" /.If
' \ - . *ί
■ , .'л,
' * f" -
Γ .»i« *
/
Α '·.
-.Γ: · Ι . \ ' . - ь..
ι'· „
* 4
■^Λν<.
^ '
>
/£4*
-;Г-<-
ν > ,. Α"

Небулярная гипотеза
Иммануил Кант (1724-1804), Пьер Симон Лаплас (1749-1827)
Солнце и планеты родились из вращающегося диска космического газа и
пыли, и орбиты сформировавшихся из плоского диска планет лежат почти
в одной плоскости. Эта гипотеза, названная небулярной (от лат. nebula —
туман), была предложена в 1755 г. философом Имманиуилом Кантом и
уточнена в 1796 г. математиком Пьером Симоном Лапласом.
Если коротко, то звезды и их диски образовались при гравитационном
коллапсе больших объемов разреженного межзвездного газа, называемого
солнечной туманностью. Запустить коллапс могла ударная волна от взрыва
близлежащей сверхновой звезды. Газы в этих протопланетных дисках (проплидах)
закручиваются в одном направлении больше, чем в другом, придавая газовому
облаку вращение как целому.
Используя космический телескоп «Хаббл», астрономы нашли несколько
проплид в туманности Ориона — гигантском питомнике звезд, расположенном
от нас на расстоянии около 1600 световых лет. Проплиды в туманности
Ориона больше, чем наша Солнечная система, и содержат достаточно газа и пыли в
качестве сырья для будущих планетных систем.
Поначалу в Солнечной системе все бурлило и кипело, огромные глыбы
вещества сталкивались друг с другом. Ближе к ее центру легкие элементы
испарились от жара Солнца, оставив после себя Меркурий, Венеру, Землю и Марс.
В более холодных внешних частях системы туманность из газа и пыли через
некоторое время сконденсировалась и превратилась в Юпитер, Сатурн, Уран
и Нептун.
Исаак Ньютон удивлялся тому, что орбиты большинства обращающихся
вокруг Солнца объектов отклоняются от плоскости эклиптики не более чем на
несколько градусов. Он считал, что природные, естественные процессы никак
не могли привести к такому поведению планет. Это, полагал Ньютон, дело рук
милосердного и искусного Творца. Одно время ученый представлял
Вселенную как «Сознание Бога», где все - объекты, их движения и превращения -
есть мысли Всевышнего.
СМ. ТАКЖЕ Размеры Солнечной системы (1672), Галактика Черный Глаз (1779),
Телескоп «Хаббл» (1990).
Протопланетный диск. Небольшая молодая звезда окружена диском из газа и пыли.
Из такого сырья могут формироваться планеты, подобные Земле.

Кавендиш взвешивает Землю
Генри Кавендиш (1731-1810)
Генри Кавендиш был, возможно, самым великим ученым XVIII в. и одним
из величайших ученых, когда-либо живших на Земле. Но его поразительная
скромность - особенность, из-за которой обширный массив его научных
сочинений оставался скрытым еще долго после его смерти, - привела к тому, что
некоторые из его важных открытий ассоциируются теперь с именами ученых
последующих поколений. Как следует из рукописей Кавендиша, найденных
после его смерти, ученый вел интенсивные исследования буквально во всех
областях физики своего времени.
Блестящий британский ученый был столь застенчив с женщинами, что
общался со своей домоправительницей посредством записок. Он приказал,
чтобы все его служанки не смели показываться ему на глаза. Когда они нарушали
приказ, он увольнял их. Однажды, встретив в своем доме горничную, он так
расстроился, что даже велел построить отдельную лестницу для особ женского
пола, лишь бы только никогда не видеть их.
В одном из самых впечатляющих своих экспериментов Кавендиш, уже
будучи в возрасте 67 лет, «взвесил» наш мир! Для того чтобы совершить этот
подвиг, ему не пришлось превращаться в древнегреческого титана Атланта.
Кавендиш определил плотность Земли с помощью чувствительных весов. Он
использовал крутильные весы, состоявшие из двух свинцовых шаров на каждом
конце подвешенного коромысла. Эти подвижные шары притягивались парой
неподвижных свинцовых шаров. Чтобы уменьшить влияние потоков воздуха,
Кавендиш поместил прибор в стеклянный ящик и наблюдал за движением
шаров издалека через телескоп. (Телескоп был нужен для измерения угла
отклонения: в него попадал луч света, отраженный от зеркальца, укрепленного на
колеблющемся коромысле. — Прим. пер.) Кавендиш определил силу
притяжения между шарами, измеряя период крутильных колебаний, а потом по этой
силе вычислил плотность Земли. Оказалось, Земля плотнее воды в 5,4 раза,
что только на 1,3% меньше величины, принятой сегодня. Кавендиш первым
смог обнаружить незначительные силы гравитационного притяжения между
малыми объектами. (Величина силы притяжения составляла 1/500 000 000
от веса тел.) Превратив закон тяготения в количественный закон, Кавендиш
внес, возможно, самый важный вклад в теорию гравитации после Ньютона.
СМ. ТАКЖЕ Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения (1687),
Гравитационная градиометрия Этвёша (1890), Общая теория относительности (1915).
Часть чертежа крутильных весов. Рисунок взят из работы Кавендиша «Эксперименты
по определению плотности Земли» (179Я).

F Г
I

Батарея
Луиджи Гальвани (1737-1798), Алессандро Вольта (1745-1827),
ГастонПланте (1834-1889)
В истории физики, химии и в промышленности батареи сыграли очень
важную роль. По мере того как они усложнялись и становились все более
мощными, они все больше и больше способствовали прогрессу в использовании
электричества - от телеграфа до автомобилей, фото- и видеокамер,
компьютеров и телефонов.
Около 1780 г. физиолог Луиджи Гальвани проводил опыты с лягушачьими
лапками, которые дергались при контакте с металлом. Научный журналист
Майкл Гиллен пишет: «Во время своих сенсационных лекций Гальвани
демонстрировал публике судорожные подергивания десятка лягушечьих лапок,
подвешенных на медных крючках на железной проволоке, подобно мокрому
белью, висящему после стирки на веревке. Ортодоксальная наука с
неприязнью отшатнулась от его теорий «животного электричества», но зрелище
кордебалета изгибающихся лягушечьих лапок гарантировало Гальвани полный
аншлаг и толпы в аудиториях повсюду в мире». Однако Алессандро Вольта,
итальянский физик и друг Гальвани, считал, что явление скорее имеет
отношение к различным металлам, которые тот использовал и которые
соединялись влажной субстанцией. В 1800 г. Вольта изобрел устройство, что
традиционно считается первой электрической батареей. Он уложил в стопку
несколько пар попеременно чередующихся медных и цинковых дисков, разделенных
тканью, смоченной соленой водой. Когда верхний и нижний электроды этого
«вольтова столба» соединяли проволокой, по ней начинал течь электрический
ток. Чтобы установить это, Вольта прикасался обоими электродами к своему
языку и чувствовал «вкус тока».
«По существу, батарея - это банка, наполненная химикалиями для
получения электронов», - пишут популяризаторы науки и техники Маршалл Брейн
и Чарльз Брайант. Если положительный и отрицательный электроды
соединить проволокой, электроны, полученные в результате химических реакций,
текут от одного электрода к другому.
В 1859 г. физик Гастон Планте изобрел заряжаемую батарею. Заставляя
ток проходить через нее в «обратном» направлении, он смог зарядить свою
свинцово-кислотную батарею. (Планте изобрел первый в мире аккумулятор,
до сих пор используемый в автомобилях. - Прим. пер.) В 1880-х гг. ученый
изобрел также коммерчески успешную галетную сухую батарейку, в которой
вместо жидкого электролита применялась паста (в ее веществе содержались
свободные ионы, делавшие ее проводником электричества).
СМ. ТАКЖЕ Багдадская батарейка (250 до и. э.), Электростатический генератор фон
Герике (1660), Топливный элемент (1839), Лейденская банка (1744), Фотоэлементы (1954),
Фуллерены (1985).
По мере совершенствования батарей ширилось применение электричества. Его стали
использовать в самых разных устройствах - от телеграфа до автомобилей, фото-
и видеокамер, в компьютерах и телефонах.

л

Волновая природа света
Христиан Гюйгенс (1629-1695), Исаак Ньютон (1642-1727),
Томас Юнг (1773-1829)
«Что такое свет?» — вопрос, занимавший ученых столетиями. В 1675 г.
великий англичанин Исаак Ньютон предположил, что свет - это поток
мельчайших частиц. Его научный соперник, голландский физик Христиан Гюйгенс
считал, что свет - это волны. Тогда победила теория Ньютона, во многом из-за
его высокого научного авторитета. Около 1800 г. английский исследователь
Томас Юнг, работавший также над расшифровкой Розеттского камня, начал
серию экспериментов, которые поддержали волновую теорию. В современном
варианте эксперимента Юнга лазер освещает две параллельные прорези в
непрозрачной ширме. Изображение, получающееся при прохождении света
через две щели, наблюдается на экране на некотором отдалении от щелей. Юнг
привел геометрические аргументы для доказательства того, что наблюдаемая
картина чередования светлых и темных полос, т. е. усиление и ослабление
света, может быть объяснена наложением (суперпозицией) волн, выходящих
из двух щелей. Если бросить в озеро два камня и наблюдать за набегающими
друг на друга волнами, то можно увидеть, как иногда они гасят друг друга,
а иногда усиливают, образуя волну большей высоты. Интерференция света
аналогична этому явлению.
Если мы проведем такой же эксперимент с пучком электронов вместо
света, то получим похожую интерференционную картинку. Это удивительный
результат, потому что если бы электроны вели себя как частицы, то на экране
появились бы два ярких пятнышка — изображения двух щелей.
Теперь мы знаем, что поведение света и субатомных частиц весьма
загадочно. Когда электроны посылаются на щели по одному, то возникающая
интерференционная картина аналогична той, что получается при прохождении
волны через обе щели. Такое поведение свойственно всем субатомным частицам,
не только фотонам (частицам света) и электронам, и наводит на мысль, что
свойства света и других субатомных частиц являются каким-то таинственным
сочетанием свойств и частицы, и волны. Это одно из следствий квантовой
механики, которая совершила в физике настоящую революцию.
СМ. ТАКЖЕ Уравнения Максвелла (1861), Спектр электромагнитного излучения (1864),
Электрон (1897), Фотоэффект (1905), Условие Брэгга для дифракции на кристалле (1912),
Соотношение де Бройля (1924), Волновое уравнение Шрёдингера (1926), Принцип
дополнительности (1927).
Моделирование интерференции волн от двух точечных источников. Юнг показал,
что суперпозиция световых волн от двух щелей объясняет наблюдаемую картинку
чередующихся светлых и темных полос, которые соответствуют усилению и
ослаблению волн, взаимно влияющих друг на друга.

Газовый закон Генри
Уильям Генри (1775-1836)
Интересная физика обнаруживается, даже когда хрустят пальцами. Закон
Генри, названный так в честь британского химика Уильяма Генри,
утверждает, что количество газа, растворенного в жидкости, прямо
пропорционально его давлению над раствором. Предполагается, что система газ - жидкость
достигла равновесия и что газ с жидкостью химически не реагирует.
Общепринятая сейчас формула для закона Генри выглядит как Ρ = kC, где Ρ -
парциальное давление данного газа, С — концентрация растворенного газа, и k -
так называемый коэффициент Генри. (Парциальное давление — это давление
данного компонента газовой смеси. Сумма всех парциальных давлений равна
полному давлению смеси (закон Дальтона). - Прим. пер.)
Мы можем представить себе действие закона Генри на таком примере:
пусть парциальное давление газа над жидкостью возрастет в два раза; из-за
этого в среднем в два раза больше молекул ударится о поверхность жидкости
за то же время, и в результате в два раза больше молекул газа попадет в
раствор. Заметим, что растворимость разных газов различна, и у них отличаются
коэффициенты Генри, что тоже влияет на процесс.
Закон Генри объясняет хруст в суставах пальцев. Газы, растворенные в
синовиальной жидкости, заполняющей полость сустава, быстро «испаряются»
из раствора, когда сустав растягивается и давление падает, и образуют
пузырьки. После возвращения сустава в нормальное состояние газ из пузырьков
снова растворяется в жидкости. Процессы образования и разрушения
пузырьков (кавитация) под действием механических сил и производят характерный
шум.
При нырянии с аквалангом давление вдыхаемого воздуха почти равно
давлению окружающей воды. Чем глубже погружается ныряльшик, тем больше
давление воздуха и тем больше воздуха растворяется в его крови. Если
ныряльщик чересчур быстро поднимается на поверхность, растворенный воздух
может слишком активно выделяться из крови. Образующиеся при этом
пузырьки — причина кессонной болезни, вызывающей боли в суставах (или даже
более серьезные проблемы вплоть до летального исхода. — Прим. пер.).
СМ. ТАКЖЕ Газовый закон Бойля (1662), Газовый закон Шарля (1787), Газовый закон
Авогадро (1811), Кинетическая теория (1859), Сонолюминесценция (1934), Пьющая
птичка (1945).
Кока-кола в стакане. При открывании банки падение давления вызывает, согласно
закону Генри, выделение пузырьков углекислого газа из раствора.

Фурье-анализ
Жан Батист Жозеф Фурье (1775-1836)
«Фурье-анализ — наиболее часто используемый раздел математической
физики, - пишет физик Садри Хассани. — Он применяется, например, в
классической механике, ...в теории электромагнетизма, в частотном анализе волн,
при изучении шумов, в физике тепловых явлений и квантовой теории», т. е.
в любой области, где важен анализ спектра частот. Ряды Фурье могут помочь
ученым описать и лучше понять химический состав звезд и применить
численные методы при изучении прохождения сигнала через электронные цепи.
Перед тем как французский математик Жозеф Фурье открыл свои
знаменитые ряды, он сопровождал Наполеона в Египетском походе 1798 г. и несколько
лет изучал египетские древности. В 1804 г. Фурье вернулся во Францию и
приступил к работе над математической теорией тепла. В 1807 г. он закончил свой
труд «О распространении тепла в твердых телах». В частности, в его
фундаментальной работе была рассмотрена теплопроводность тел различной формы.
В таких задачах исследователи обычно знают распределение температуры на
поверхности тела и его концах в начальный момент времени f0. Для решения
подобных задач Фурье ввел ряды с синусами и косинусами. Он обнаружил, что
любая дифференцируемая функция с любой степенью точности может быть
представлена в виде суммы синусов и косинусов, независимо от того,
насколько причудливо выглядит график этой функции.
Биографы Джером Раветц и И. Граттан-Гинесс пишут: «Оценить
достижение Фурье по достоинству можно, если учесть, что мощный математический
метод, который он изобрел для решения уравнений, породил многочисленных
последователей и поставил столько задач в математическом анализе, что
исследования в этой области стали основным направлением работы
математиков до конца XIX в. и даже много позднее». Британский физик сэр Джеймс
Джине (1877—1946) заметил: «Теорема Фурье говорит нам, что любая кривая,
независимо от ее происхождения, может быть точно воспроизведена суммой
необходимого числа простых гармонических кривых. Если коротко, то любую
кривую можно построить из волн».
СМ. ТАКЖЕ Закон теплопроводности Фурье (1822), Парниковый эффект (1824), Солитон
(1834)
Часть реактивной турбины. Метод Фурье-анализа используется для описания и изуче
ния нежелательных вибраций в многочисленных системах с движущимися частями.

Атомная теория
Джон Дальтон (1766-1844)
Джон Дальтон добился профессионального успеха, несмотря на ряд
препятствий. Он вырос в бедной семье, был плохим оратором, страдал серьезной
формой дальтонизма. Его считали довольно грубым и рассматривали как
непросвещенного экспериментатора. Возможно, все эти обстоятельства стали
бы непреодолимым препятствием для любого другого многообещающего
химика его времени, но Дальтона они только закалили. Он внес
исключительный вклад в развитие атомной теории, согласно которой вещество состоит из
атомов разного веса, присутствующих в простых комбинациях в различных
соединениях, причем атомы неразрушимы, а кроме того, атомы данного
элемента все одинаковы и имеют один и тот же атомный вес.
Дальтон сформулировал также закон кратных отношений, который
утверждает, что если два элемента могут образовывать разные соединения, то
массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого
элемента, всегда относятся друг к другу как небольшие целые числа, например 1 : 2.
Эти простые отношения свидетельствовали, что атомы действительно
являются строительными блоками химических соединений.
Многие ученые, современники Дальтона, отвергали его теорию.
Например, британский химик сэр Генри Энфилд Роско (1833-1915) в 1887 г.
презрительно говорил: «Атомы - это деревянные кругляши, выдуманные
мистером Дальтоном». Возможно, Роско имел в виду деревянные
модели, использовавшиеся для наглядного представления атомов
разных размеров. Тем не менее к 1850 г. атомная теория была уже
принята большинством химиков.
Идея о том, что вещество состоит из мельчайших неделимых
частиц, высказывалась еще греческим философом Демокритом
в V в. до н. э. Но она не была общепризнанной до выхода в 1808 г.
труда Дальтона «Новая система химической философии». Сейчас
мы понимаем, что атомы могут быть разделены на еще меньшие
частицы - протоны, нейтроны и электроны. А протоны, нейтроны
и другие субатомные частицы состоят из еще меньших частиц -
кварков.
СМ. ТАКЖЕ Кинетическая теория (1859), Электрон (1897), Атомное ядро (1911),
Наблюдение отдельного атома (1955), Нейтрино (1956), Кварки (1964).
СЛЕВА: портрет Джона Дальтона. Гравюра Уильяма Генри Уортингтона
(ок. 1795 - ок. 1839). СПРАВА: согласно атомной теории, вещество состоит из
атомов. На рисунке - молекула гемоглобина. В виде шариков показаны атомы, из которых
она состоит. Этот сложный белок был найден в эритроцитах.

Газовый закон Авогадро
Амедео Авогадро (1776-1856)
Закон Авогадро, названный так в честь итальянского физика Амедео
Авогадро, который открыл его в 1811 г., утверждает, что равные объемы газа при
одной температуре и давлении содержат одинаковое число молекул,
независимо от сорта газа. Предполагается, что газ «идеален» (в частности,
взаимодействие между его молекулами сводится лишь к упругим соударениям. -
Прим. пер.). Такое предположение справедливо для большинства газов при
комнатных температурах и давлениях не выше нескольких атмосфер.
Вариант этого закона, также приписываемый Авогадро, гласит, что объем
газа прямо пропорционален числу его молекул. Это можно выразить формулой
V = aN, где а - постоянный коэффициент, V — объем газа и N — число молекул
в нем. Другие ученые, современники Авогадро, тоже считали, что такая
пропорциональность имеет место, но закон Авогадро шел дальше соперничавших
с ним теорий: Авогадро определил молекулу как наименьшую частицу
химического вещества, которая может состоять из нескольких атомов. Например,
он предположил, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного
атома кислорода.
Число Авогадро NA = 6,0221367 · 1023 - это число атомов в одном моле
вещества. Современная наука определяет число Авогадро как число атомов в
двенадцати граммах изотопа углерод-12 (12С ). Моль - это количество
вещества, масса которого в граммах равна атомному весу составляющего его
химического элемента. Например, никель имеет атомный вес 58,6934, так что один
моль никеля — это 58,6934 г.
Из-за того что атомы и молекулы очень малы, число Авогадро столь
огромно, что его трудно себе представить. Если бы инопланетянин спустился из
космоса на США и захотел рассыпать по земле зерна кукурузы в количестве,
равном числу Авогадро, ему пришлось бы покрыть всю территорию страны слоем
толщиной почти 15 км!
СМ. ТАКЖЕ Газовый закон Шарля (1787), Атомная теория (1808), Кинетическая теория
(1859).
Поместим в вазу две дюжины позолоченных шариков, пронумерованных от 1 до 24.
Если вытаскивать их по одному случайным образом, то вероятность того, что они
будут вытащены по порядку своих номеров, составляет всего лишь единицу, деленную
на число Авогадро. Вероятность такого события ничтожно мала!

> <■
'■' '\'г· ' ^ ^
-, ·;·ν;'.·' ■•■:·
4-.-.ν.. · t ■···■
*·.-.
\
.! Nl··
■i ^f
«··■
V

Линии Фраунгофера
Йозеф фон Фраунгофер (1787-1826)
В спектре излучения разных объектов часто видны изменения интенсивности
на каких-то длинах волн. Яркие линии в атомных спектрах соответствуют
излучению, испускаемому при переходе электрона с верхнего
энергетического уровня на нижний. Цвет линии зависит от разности энергий между этими
уровнями, а сами значения энергии уровней одинаковы у всех атомов данного
типа. Темные линии поглощения в спектре возникают, когда, наоборот, атом
поглощает свет и электрон перепрыгивает на более высокий энергетический
уровень.
Изучая спектры излучения или поглощения, мы можем определить, какие
химические элементы породили их. В XIX в. различные ученые заметили, что
спектр электромагнитного излучения Солнца не представляет собой полосу с
непрерывным переходом от одного цвета к другому. Наоборот, он содержит
многочисленные темные линии, означающие, что свет каких-то длин волн
поглощается. Они названы фраунгоферовыми линиями в честь баварского
физика Йозефа фон Фраунгофера, который описал их.
Нетрудно понять, как получается спектр излучения Солнца, но вот как воз
никают темные линии? Как Солнце может поглощать свой собственный свет?
Звезды можно представить как горячие газовые шары, в которых имеется
множество атомов, испускающих свет в разных цветовых диапазонах. Свет,
испускаемый с фотосферы, поверхности Солнца, имеет непрерывный спектр.
Но когда свет проходит через солнечную атмосферу, некоторые из цветов (т. е.
свет соответствующих длин волн) могут поглощаться. Это поглощение
порождает в спектре темные линии. Исчезающие цвета, или темные линии
поглощения в спектре звезд, говорят нам о том, какие химические элементы имеются
в звездных атмосферах.
Ученые систематизировали многочисленные линии поглощения в спектре
Солнца. Сравнивая темные линии со спектральными линиями излучения
различных химических элементов на Земле, астрономы обнаружили присутствие
на Солнце более семидесяти элементов. Отметим также, что с помощью
спектрального анализа ученые Роберт Бунзен и Густав Крихгоф, изучавшие
спектры излучения нагретых веществ, открыли в 1860 г. новый элемент цезий.
СМ. ТАКЖЕ Призма Ньютона (1672), Спектр электромагнитного излучения (1864)
Масс-спектрометр (1898), Тормозное излучение (1909), Звездный нуклеосинтез (1946).
Видимый диапазон солнечного спектра с линиями Фраунгофера. По оси у отложена
длина световой волны, начиная с 380 нм наверху и заканчивая 710 нм внизу.

Демон Лапласа
Пьер Симон де Лаплас (1749-1827)
В 1814 г. французский математик Пьер Симон Лаплас описал существо,
позже названное демоном Лапласа, которое было бы способно предсказать все
будущие события при условии, что ему известны положения массы и скорости
каждого атома во Вселенной и законы, управляющие их движением. «Из
размышлений Лапласа следует, - пишет физик Марио Маркус, - что если мы
должны включить туда и частицы нашего мозга, то свобода воли
превратилась бы в иллюзию... Действительно, у Лапласа Бог просто перелистывает
страницы книги, которая уже написана».
Во времена Лапласа идея имела смысл. В конце концов, если можно
предсказать положение бильярдных шаров, катающихся по столу, почему нельзя
предсказать поведение объектов, составленных из атомов? На самом деле,
Вселенная Лапласа вовсе не нуждалась в Боге.
Лаплас писал: «Мы можем рассматривать настоящее
состояние Вселенной как следствие ее прошлого и причину ее
будущего. Разум, которому в какой-то момент времени были
бы известны все силы, приводящие природу в движение, и
положение всех тел, из которых она состоит, будь он также
достаточно велик, чтобы проанализировать эти данные, смог
бы охватить единой формулой движение и величайших тел
Вселенной, и мельчайшего атома; для такого разума не было
.;; бы ничего непредсказуемого и будущее стояло бы перед его
»,. глазами точно так же, как прошлое».
Позже развитие квантовой механики с соотношениями
неопределенностей Гейзенберга и теорией хаоса привело к по-
" -- ниманию невозможности демона Лапласа. Согласно теории
Λ хаоса, даже крошечные неточности измерений в начальный
* момент времени способны привести к огромному расхожде-
~V нию между предсказанным и фактическим результатами.
Это означает, что демон Лапласа должен знать положение и
скорости каждой частицы с абсолютной точностью, т. е. он
должен быть сложнее самой Вселенной. Но даже если такой
демон существовал бы вне нашей Вселенной, абсолютно
точные измерения указанного типа все равно были бы
невозможны согласно соотношениям неопределенностей Гейзенберга.
СМ. ТАКЖЕ Демон Максвелла (1867), Соотношения неопределенностей Гейзенберга
(1927), Теория хаоса (1963).
СЛЕВА (вверху): маркиз Пьер Симон де Лаплас. Посмертный портрет кисти Софи
Фейто (1842). СЛЕВА (внизу): стала бы иллюзией свобода воли во Вселенной с демоном
Лапласа? СПРАВА: художественный образ демона Лапласа, наблюдающего в
определенный момент времени положения, массы и скорости всех частиц (показанных яркими
пятнами ).

t
ν
ι
4

Оптический прибор Брюстера
Дэвид Брюстер (1781-1868)
Что такое свет? Этот вопрос веками занимал ученых, но кто мог подумать,
что мы что-то узнаем о природе света благодаря какой-то каракатице?
Световая волна состоит из колеблющихся электрического и магнитного
полей, перпендикулярных друг другу и направлению распространения. В
линейно-поляризованном свете колебания электрического поля происходят в
одной фиксированной плоскости. Линейно-поляризованный пучок возникает, в
частности, при отражении света от границы двух сред - таких, например, как
стекло и воздух. Составляющая электрического поля, параллельная
поверхности, отражается сильнее. При определенном угле падения пучка на
поверхность отраженный свет полностью состоит из волн, чье электрическое поле
параллельно поверхности раздела сред. Этот угол называется углом Брюстера в
честь шотландского физика Дэвида Брюстера.
Поляризация света при его рассеянии в атмосфере порождает иногда
блики в небе. Фотографы могут уменьшить влияние поляризации, применяя
специальные фильтры, которые не пропускают блики, создающие изображения
бесцветного неба. Многие живые организмы, среди них пчелы и каракатицы,
способны ощущать поляризацию света. Пчелы используют эту способность
для ориентации в пространстве, так как солнечный свет линейно поляризован
перпендикулярно направлению на Солнце.
Эксперименты Брюстера с поляризацией света привели
его в 1816 г. к изобретению калейдоскопа, завораживавшего
студентов-физиков и их преподавателей, которые пытались
понять ход лучей и многократные отражения в нем. Коузи
-- Бейкер, основательница Калейдоскопического общества им.
Брюстера, пишет: «Его калейдоскоп вызвал небывалый шум.
...Во всех слоях общества — от низших до высших, от самых
,х невежественных до самых образованных - все словно
помешались на калейдоскопе. Люди говорили, что в их жизнь
вошло новое развлечение», а американский изобретатель Эдвин
Лэнд писал: «Калейдоскоп стал телевизором 1850-х гг.».
СМ. ТАКЖЕ Закон преломления Снеллиуса (1621), Призма Ньютона (1672), Волоконная
оптика (1841), Спектр электромагнитного излучения (1864), Лазер (1960), Неосвещаемая
комната (1969).
СЛЕВА: кожа каракатиц наряду с пигментными клетками содержит также особые
клетки, отражающие и преломляющие свет, а также способные менять его
поляризацию. Образующиеся сложные узоры служат для маскировки и коммуникации.
Поляризация света не ощущается человеческим глазом. (Поляризацию, однако, воспринимают
головоногие моллюски (кальмары, каракатицы, осьминоги), членистоногие (насекомые
и ракообразные), и даже головастики лягушек. - Прим. пер.). СПРАВА: эксперименты
Брюстера с поляризованным светом привели его в 1816 г. к изобретению калейдоскопа.

-■/'
.:·) с
.■Э>
ν4
*;v
г, ^
С ->
t 1 У
..
I:
> '4.-
•X

Стетоскоп
Рене Теофиль Гиацинт Лаэннек (1781-1826)
Историк Рой Портер пишет: «Обеспечив доступ к шумам тела — звукам
дыхания, бульканью крови в сердце, — стетоскоп изменил подходы к
заболеваниям внутренних органов и тем самым — отношения врача и пациента. Наконец
живое тело перестало быть закрытой книгой: врачи научились определять
болезни в живом организме».
В 1816 г. французский медик Рене Лаэннек изобрел стетоскоп -
деревянную трубочку с раструбом на конце, который приставлялся к груди пациента.
По наполненной воздухом трубочке звук передавался от тела пациента к уху
врача. В 1940-х гг. стали стандартными стетоскопы с двухсторонней головкой.
Раструб с одной стороны головки прикрыт плоской диафрагмой -
пластиковым диском, который колеблется от звуков в теле пациента и создает
акустическую волну давления. Раструб с другой стороны головки открыт и имеет
форму воронки для лучшего улавливания звуков низких частот. Плоская
сторона головки с диафрагмой отсекает звуки низких частот, производимых
сердцем, и применяется для выслушивания легких. При использовании воронки
врач меняет давление стетоскопа на кожу пациента, подстраивая тем самым
частоту ее колебаний для достижения лучшей слышимости сердцебиения. За
прошедшие годы было сделано много других усовершенствований, включая
подавление посторонних шумов, усиление звука и других характеристик
прибора на основе применения простых физических законов (см. раздел
«Примечания и список дополнительной литературы»).
Во времена Лаэннека врачи часто прикладывали ухо непосредственно к
груди или спине пациента, однако Лаэннек жаловался, что подобный метод
«при обследовании женщин всегда неудобен как для врача, так и для
пациентки: он не только неделикатен, но и непрактичен». Позже, работая в бедных
кварталах, врачи, опасаясь поймать блох и вшей, мучивших их пациентов,
стали пользоваться очень длинными стетоскопами. Помимо изобретения
стетоскопа, Лаэннек детально описал, каким слышимым звукам соответствуют
разные болезни легких (например, пневмония, туберкулез и бронхит). По
иронии судьбы, Лаэннек умер в возрасте 45 лет от туберкулеза, который с
помощью стетоскопа диагностировал его племянник.
СМ. ТАКЖЕ Камертон (1711). Закон течения жидкости Пуазёйля (1840), Эффект Доплера
(1842), Военные тубы (1880).
Современный стетоскоп. Для определения влияния размера раструба и его материала
на качество звука были проведены различные акустические эксперименты.

\
\

Закон теплопроводности Фурье
Жан Батист Жозеф Фурье (1768-1830)
Великий итальянец Данте Алигьери писал, что подобно тому, как нельзя
отделить жар от огня, нельзя отделить красоту от Вечности. Природа теплоты
также интересовала французского математика Жозефа Фурье, хорошо
известного своим законом теплопроводности в твердых телах, согласно
которому поток тепла между двумя точками в каком-то веществе пропорционален
разности температур между этими точками и обратно пропорционален
расстоянию между ними.
Если положить металлическую ложку в чашку с горячим какао,
температура ее ручки начнет подниматься. Эта передача тепла вызвана тем, что
молекулы металла на горячем конце благодаря случайным столкновениям
обмениваются кинетической и колебательной энергией с молекулами соседних, более
холодных частей ложки. Поток энергии, который можно представить как
«тепловой ток», пропорционален разности температур на концах ложки (в точках
А и В) и обратно пропорционален расстоянию между ними. Это значит, что
поток тепла возрастет вдвое, если в два раза увеличить разность температур или
в два раза уменьшить длину ложки.
Если обозначить через U коэффициент теплопроводности
вещества, т. е. меру его способности проводить тепло, то мы можем
э . включить этот параметр в закон Фурье. Алмаз, углеродные на-
нотрубки, серебро, медь, золото стоят (в порядке убывания коэф-
•. ( фициента теплопроводности) в ряду лучших проводников тепла.
Высокая теплопроводность алмазов иногда помогает экспертам
отличить настоящие бриллианты от поддельных. Бриллианты
любого размера холодны на ощупь из-за своей высокой
теплопроводности.
Хотя Фурье и внес основополагающий вклад в теорию тепло-
переноса, собственное тепло отрегулировать у него никогда не
получалось. Ученый постоянно мерз, даже летом, и потому всегда
кутался в массу теплых одежд. Последние месяцы жизни он часто проводил
время в специальном ящике, дабы ничто не угрожало его слабому здоровью.
СМ. ТАКЖЕ Фурье-аналнз (1807), Тепловая машина Карно (1824), Закон Джоуля для
теплового действия электрического тока (1840), Термос (1892).
СЛЕВА: необогащенная медная руда. Медь - отличный проводник и тепла, и
электричества. СПРАВА: перенос тепла разными способами играет решающую роль в разработке
теплопоглощающих элементов для компьютерных чипов. Прямоугольное устройство в
центре фотографии используется для отвода тепла от чипов.

·-
-'
^t^r^
^£u
*\x
'^v
t*>
a»
\
\ ■

Парадокс Ольберса
Генрих Вильгельм Маттеус Ольберс (1758-1840)
«Почему небо ночью черное?» В 1823 г. немецкий астроном Генрих
Вильгельм Ольберс написал статью, где обсуждался этот вопрос, с тех пор
получивший название «парадокс Ольберса». Здесь действительно есть загадка.
Если Вселенная бесконечна, то в каком бы направлении вы ни взглянули, вы
увидите звезду. Отсюда следует, что ночное небо должно быть залито
ослепительным светом звезд. Первая мысль, приходящая в голову, состоит в том,
что звезды находятся далеко и их свет рассеивается по пути к наблюдателю.
Однако объем Вселенной, а значит, и полное число звезд должны расти как
куб расстояния. Поэтому, даже несмотря на то, что далекие звезды кажутся
менее яркими, уменьшение их блеска должно компенсироваться
возрастающим числом других небесных светил. Значит, если наблюдаемая нами
Вселенная бесконечно велика, ночное небо не должно быть черным.
Вот решение парадокса Ольберса. Мы не живем в бесконечной и
статической Вселенной. У Вселенной есть конечный возраст, и она расширяется.
После Большого взрыва прошло всего лишь 13,7 млрд лет, и мы можем видеть
только звезды, находящиеся от нас на конечных расстояниях. Это означает,
что для наблюдения доступно конечное число звезд. Из-за того что скорость
света небеспредельна, существуют области Вселенной, которые мы не видим,
поскольку свет просто еще не успел долететь до Земли. Интересно, что первым
человеком, предложившим такое решение парадокса Ольберса, был писатель
Эдгар Аллан По.
Есть и еще один фактор, влияющий на цвет ночного неба. Вселенная
расширяется, т. е. свет от звезд распространяется в расширяющемся пространстве.
Из-за эффекта Доплера длины волн излучения от быстро удаляющихся звезд
увеличиваются (красное смещение). Если бы это было не так, ночное небо было
бы чрезвычайно ярким и горячим, и жизнь в известной нам форме не могла бы
появиться на Земле.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н.э.), Эффект Доплера (1842), Закон
Хаббла о расширении Вселенной (1929).
Если Вселенная бесконечна, то в каком бы направлении ни посмотреть, вы
обязательно увидите какую-нибудь звезду. Отсюда следует, что ночное небо должно быть
залито ослепительным светом звезд.

' л 'J..
о'..! ■'■;·.>::
I ·'»
f 1
■· 7 ' .
ί · ' <
' *·.
\ ■
.. .
% ; *.
; ·»'

Парниковый эффект
Жозеф Фурье (1768-1830), Сванте Август Аррениус (1859-1927),
ДжонТиндаль (1820-1893)
«Несмотря на плохую прессу, — пишут Джозеф Гонзалес и Томас Шерер, -
процесс, известный как парниковый эффект, — совершенно естественное и
необходимое явление... Атмосфера содержит газы, дающие возможность
солнечному свету достигать земной поверхности, но препятствующие утечке
переизлученной тепловой энергии. Без этого природного парникового
эффекта Земля была бы слишком холодной для возникновения жизни». Или, как
однажды написал Карл Саган, «в небольшой дозе парниковый эффект -
хорошая штука».
Парниковый эффект — это нагрев поверхности планеты в результате
поглощения и испускания инфракрасного (т. е. теплового) излучения
атмосферными газами. Часть энергии, переизлученной газами, уходит в космос,
другая — возвращается назад на Землю. Около 1824 г. математик Жозеф Фурье,
задумавшись, как Земле удается сохранять тепло для поддержания жизни,
предположил: хоть часть тепла и ускользает в космос, атмосфера действует
как прозрачный купол, подобно стеклянной крышке на кастрюле, — поглощая
тепло от Солнца и переизлучая его обратно на Землю.
В 1863 г. британский физик и альпинист Джон Тиндаль экспериментально
доказал, что водяной пар и углекислый газ поглощают значительные
количества тепла. Он пришел к выводу, что эти газы должны играть важную роль в
регулировании температуры на поверхности Земли. В 1896 г. шведский
химик Сванте Аррениус показал, что углекислый газ действует как очень
сильная «ловушка тепла», и уменьшение его концентрации в атмосфере в два раза
могло бы инициировать наступление ледникового периода. В наши дни мы
используем термин антропогенное глобальное потепление: дополнительный
парниковый эффект возникает вследствие сжигания ископаемого топлива и
прочей деятельности человека, приводящей к увеличению концентрации в
атмосфере парниковых газов.
Помимо водяных паров и углекислого газа, в парниковый эффект вносит
определенный вклад и метан, извергаемый при отрыжке крупного рогатого
скота. Журналист Томас Фридман пишет: «Рыгающие коровы? Все верно!
Самое поразительное в парниковых газах - это многообразие их источников.
Стадо рыгающих коров может быть хуже шоссе, заполненного "Хаммерами"».
СМ. ТАКЖЕ Северное полярное сияние (1621), Закон теплопроводности Фурье (1822),
Рэлеевское рассеяние (1871).
СЛЕВА: на картине «Коулбрукдейл ночью» (1801) Филиппа Джеймса де Лоутер-
бурга (1740-1812) изображены доменные печи - символ промышленной революции.
СПРАВА: большие изменения в производстве, разработке недр и прочей человеческой
деятельности со времени промышленной революции привели к увеличению количества
парниковых газов в воздухе. Например, паровые машины, на первых порах работавшие
на угле, способствовали началу промышленной революции.

г.

Тепловая машина Карно
Николя Леонар Сади Карно (1796-1832)
Первоначально исследования в области термодинамики — науки, изучающей
превращение энергии в тепло и работу, — в основном концентрировались на
функционировании двигателей и на том, как в них используется топливо
(например, уголь). «Отцом термодинамики» чаще других называют Сади
Карно — благодаря его труду «Размышления о движущей силе огня и о машинах,
способных развивать эту силу» (1824).
Карно неутомимо изучал потоки тепла в машинах. Заметим, одной из
причин такой его увлеченности было то, что британские паровые машины
считались тогда более эффективными, чем французские. В те времена в паровых
машинах обычно сжигали дрова или уголь, превращая воду в пар. Пар под
высоким давлением двигал поршни машины. Когда пар выходил через выпускной
клапан, поршни возвращались в первоначальное положение. Холодный
радиатор превращал отработанный пар в воду, которую снова можно было нагреть
для превращения в пар, двигающий поршни.
Карно мечтал об идеальной машине, способной превратить в полезную ра
боту все подводимое к ней тепло, не теряя ни малейшего количества энергии.
После экспериментов Карно понял, что ни одно устройство не может
работать по такой идеальной схеме — какая-то часть энергии обязательно
рассеется в окружающей среде. Тепловая энергия не может
быть полностью превращена в механическую работу.
Исследования Карно помогли улучшить
конструкцию машин, чтобы они могли работать с
максимально доступной эффективностью. Его воображаемая
тепловая машина обладает максимальным КПД и
называется сейчас машиной Карно.
Карно интересовался «циклическими машина
ми», где на разных стадиях кругового цикла машина
поглощает или отдает тепло. Он показал, что
невозможно создать такую машину, которая обладала бы
100% -м КПД. Этот факт является одной из
формулировок второго начала термодинамики. К сожалению,
в 1832 г. Карно заразился холерой и умер. По
приказу органов здравоохранения все его книги, бумаги и
личные вещи были сожжены!
СМ. ТАКЖЕ Вечный двигатель (1150), Закон теплопроводности Фурье (1822), Второе
начало термодинамики (1850), Пьющая птичка (1945).
СЛЕВА: Сади Карно. запечатленный французским фотографом Пьером Пети
(1832-1909). СПРАВА: паровоз. Карно изучал потоки тепла в машинах, и его
теории актуальны и по сей день. В паровых двигателях его времени в качестве топлива
обычно использовались дрова или уголь.

»"
*?
■г ·■>■·.-^
• >.
:-" -'.*-
.·<·> ■ ■ ■ ■ - "ι
-' *-_:"-у?Ч
s**
1 - ·* ·
·■'■ ' '"^,^. ·ν'
it
»»' . "
J . <-
«. - « , ·ί л
·-■«·. '· ■ i
> \ % '*--·,-
*K
•: ,··.> . .
i»T. «
• -τ* .·. ,
• .·* ">■ ' - ^л>*,
ΐ:·ν <*»:.
■'■".
<«
', *
.*
■
• '
,
* s
•ч
s;''1
7-
Γ
:·
-ν >t
4 \*Ч
\
"*V ~~ «*-.
Ц
ν <
^ — ^
4
Ι. Ι
\...
Λ. *
*~~ ,

Закон Ампера в теории
электромагнетизма
Андре Мари Ампер (1775-1836), Ганс Христиан Эрстед (1777-1851)
К 1825 г. французский физик Андре Мари Ампер заложил основы теории
электромагнетизма. Связь между электричеством и магнетизмом была
совершенно не известна вплоть до 1820 г., когда датский физик Ганс Христиан
Эрстед обнаружил, что игла компаса приходит в движение, если в проводе
поблизости включать или выключать электрический ток. Тогда опыт Эрстеда
полностью понят не был, но он показал: электричество и магнетизм -
связанные друг с другом явления. Это открытие привело к использованию
электромагнетизма в множестве разных устройств, и высшими достижениями на том
пути стали телеграф, радио, телевидение и компьютеры.
Дальнейшие эксперименты, проводившиеся Ампером и другими учеными
в период 1820—1825 гг., показали, что любой проводник, по которому течет
электрический ток /, создает вокруг себя магнитное поле. Это было
фундаментальное открытие, а его различные следствия для проводников с током
иногда называют законом Ампера. Например, провод с током создает магнитное
поле В, которое его опоясывает. Величина В пропорциональна току / и
направлена по касательной к воображаемой окружности радиусом г, опоясывающей
провод. Ампер и другие физики показали, что электрические токи
притягивают маленькие кусочки железа, и Ампер предложил теорию, что источником
магнетизма являются электрические токи.
Читатели, экспериментировавшие с электромагнитами, которые можно
сделать, намотав на гвоздь изолированную проволоку и подсоединив ее концы
к электрической батарее, познакомились с законом Ампера на личном опыте.
Итак, если коротко, закон Ампера выражает связь между магнитным полем и
создающим его электрическим током.
Другие связи электричества и магнетизма были установлены американцем
Джозефом Генри (1797—1878), англичанами Майклом Фарадеем (1791—1867)
и Джеймсом Клерком Максвеллом (1831—1879), а также французами Жаном
Батистом Био (1774-1862) и Феликсом Саваром (1791-1841).
Ампер был глубоко верующим человеком и считал, что своими работами
доказал существование души и Бога.
СМ. ТАКЖЕ Закон электромагнитной индукции Фарадея (1831), Уравнения Максвелла
(1861), Гальванометр (1882).
СЛЕВА: АндреМари Ампер. Гравюра Амбруаза Тардьё (1788-1841). СПРАВА: элек
трический мотор с открытым ротором и катушкой. Электромагниты широко исполь
зуются в моторах, генераторах, репродукторах, ускорителях частиц и магнитных
грузоподъемниках.

4ι
\*

Блуждающие волны
Жюль Себастьен Сезар Дюмон-Дюрвиль (1790-1842)
«Со времен самых ранних цивилизаций, — пишет специалист по физике моря
Сюзан Лехнер, — среди людей ходили рассказы о гигантских волнах —
настоящих морских «чудовищах», горах воды, обрушивающихся на беспомощные
судна. Вы видите приближение водяной стены, ...но не можете от нее убежать
и ей противостоять. ...Сможем ли мы в будущем справиться с этим
кошмаром? Предвидеть появление волн-убийц? Контролировать их? Оседлать их,
как делают серферы с обычными волнами?»
Удивительно, но и в XXI в. физики не вполне понимают поведение
поверхности океана. Так, до сих пор неясно происхождение блуждающих волн (или
волн-убийц, волн-монстров, как их еще называют. — Прим. пер.). В 1826 г.,
когда французский мореплаватель и военный моряк капитан Дюмон-Дюрвиль
рассказал, что видел волны, достигающие тридцатиметровой высоты (а это
примерно высота 10-этажного дома), его высмеяли. Сегодня, после
спутникового мониторинга и моделирования распределения волн с использованием
теории вероятностей, мы знаем, что волны такой высоты возникают чаще, чем
ожидалось. Представьте себе ужас моряков, когда без каких-либо предвестий,
часто в ясную погоду, посреди океана вдруг появляется высоченная водяная
стена, а перед ней — столь глубокая впадина, что она кажется испуганным
людям настоящей «дырой» в океане!
Одна из теорий утверждает, что океанские течения и форма морского дна
действуют подобно оптическим линзам, фокусируя волны. Возможно,
гигантские одиночные волны рождаются при наложении встретившихся волн,
распространяющихся от двух различных штормов. Однако, видимо, играют
роль и другие факторы, связанные с нелинейными волновыми процессами,
порождающими высокую водяную гору в относительно спокойном море. Перед
разрушением блуждающей волны ее гребень может быть в четыре раза выше
соседних волн. Уже написано множество научных статей, в которых делалась
попытка смоделировать образование блуждающих волн с использованием
нелинейного уравнения Шрёдингера. Продуктивным направлением
исследований было также изучение влияние ветра на эволюцию нелинейных волн.
Поскольку в волнах-убийцах гибнут корабли и люди, ученые продолжают
поиски способов, как предсказать их появление и избежать встреч с ними.
СМ. ТАКЖЕ Фурье-анализ (1807), Солитон (1834), Наибольшая скорость смерча (1999).
Блуждающие волны, возникая совершенно внезапно и часто в ясную погоду, внушают
настоящий ужас. Им предшествует впадина - столь глубокая, что она кажется
«дырой» в океане. Волны-убийцы уносят в небытие корабли и людей.

,λ ·ν<··.
.* .i
' <
■'· /,'
ι
;
1
ϊ ·

Закон Ома для электрической цепи
Георг Симон Ом (1787-1854)
Хотя немецкий физик Георг Ом и открыл один из наиболее
фундаментальных законов электричества, его работы не признавались коллегами, и
большую часть жизни он провел в бедности. Суровые критики назвали его труды
«переплетением голых фантазий». Закон Ома гласит, что постоянный ток /
в цепи пропорционален напряжению V (или электродвижущей силе) на
концах участка цепи и обратно пропорционален величине сопротивления R этого
участка: / = V/R.
Эксперименты Ома в 1827 г. показали, что открытый им закон применим
для целого ряда различных материалов. Как ясно из приведенной формулы,
если измеряемая в вольтах разность потенциалов V на концах провода
удвоится, то удвоится и сила тока /, измеряемая в амперах. При данном напряжении
удвоение сопротивления приведет к падению тока в два раза. (В 1881 г.
международный конгресс электриков в Париже назвал именем Ома общепринятую
теперь единицу электрического сопротивления. - Прим. пер.)
Электрический ток может быть опасен для человека. По закону Ома, чем
ток больше, тем сильнее электрический удар. Сила тока равна напряжению,
приложенному к двум точкам человеческого тела, поделенному на его полное
сопротивление. Последнее меняется от человека к человеку и зависит от
места и способа контакта электрического провода с
кожей, а также от таких параметров, как
упитанность, количество потребляемой жидкости и
потливость.
Свойства электрического сопротивления в наши
дни используются для контроля коррозии и износа
металла в трубопроводах - эти процессы влияют на
сопротивление металлических стенок. Детекторы
коррозии бывают постоянными, установленными
для непрерывного мониторинга, или переносными
для сбора информации по мере необходимости.
Отметим также, что если бы сопротивление отсутствовало, такие устройства, как
электрические одеяла, некоторые разновидности чайников и лампы
накаливания, были бы невозможны.
СМ. ТАКЖЕ Закон Джоуля для теплового действия электрического тока (1840), Правила
Кирхгофа для электрической цепи (1845), Лампа накаливания (1878).
СЛЕВА: электрический чайник функционирует, потому что на электрическом
сопротивлении выделяется тепло. СПРАВА: печатная плата с резисторами
(сопротивлениями) - цилиндрами с цветными полосками. На концах резистора создается
напряжение, пропорциональное, по закону Ома. электрическому току, проходящему через него.
Цветные полоски обозначают величину сопротивления резистора.

♦ ·

Броуновское движение
Роберт Броун (1773-1858), Жан Батист Перрен (1870-1942),
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
В 1827 г. шотландский ботаник Роберт Броун изучал с помощью
микроскопа зерна пыльцы, взвешенные в воде. Частицы внутри вакуолей зерен
пыльцы словно танцевали, передвигаясь случайным образом с места на место.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил такое движение крошечных частиц
тем, что в них непрерывно ударяются молекулы воды. В какой-то момент
времени, совершенно случайно, в частицу с одной стороны ударит больше
молекул, чем с другой, что и заставит ее сменить направление движения.
Используя законы статистики, Эйнштейн показал, что броуновское движение
можно объяснить случайными флуктуациями в таких соударениях. Более
того, изучая броуновское движение, несложно определить размеры молекул,
бомбардирующих макроскопические частицы.
В 1908 г. французский физик Жан Батист Перрен подтвердил на опыте
теорию броуновского движения. После работ Эйнштейна и Перрена физикам
пришлось окончательно признать реальность атомов и молекул, что было
предметом дискуссий еще в начале XX в.! В заключение своего труда 1909 г.
Перрен писал: «Я думаю, что впредь, отвергая молекулярную гипотезу, уже будет
трудно выдвигать рациональные, убедительные доводы».
Броуновское движение приводит к диффузии частиц в различных средах, и
его концепция настолько обща, что применима ко многим явлениям - от
рассеивания загрязняющих веществ до возникновения вкусового ощущения
сладости сиропа на кончике языка. Концепция диффузии помогает понять
использование феромонов муравьями или распространение ондатры в
Европе после их случайного освобождения из клеток в 1905 г. Законы диффузии
использовались для моделирования концентрации вредных веществ в дыме из
труб и вытеснения земледельцами охотников-собирателей во времена
неолита. Ученые также применяют законы диффузии для изучения проникновения
радона в воздух и почву при их загрязнении нефтяными углеводородами.
СМ. ТАКЖЕ Вечный двигатель (1150), Атомная теория (1808), Закон эффузии
Грэма (1829), Кинетическая теория (1859), Уравнение Больцмана для энтропии (1875),
Эйнштейн как источник вдохновения (1921).
Ученые применили броуновское движение и концепцию диффузии для моделирования
распространения ондатры. В 1905 г. в Прагу из США привезли пять ондатр. К 1914 г.
их потомство распространилось почти на 150 км во всех направлениях. В 1927 г.
число зверьков превысило 100 млн.

/
Ν
~-^>
>ν%
V
V
. ^
^ν
Vs
ι*.
\ ,
Ο ν:
»· ν

Закон эффузии Грэма
Томас Грэм (1805-1869)
Всякий раз, когда я думаю о законе эффузии Грэма, мне невольно приходят в
голову мысли о смерти и атомном оружии...
Закон, названный в честь шотландского ученого Томаса Грэма,
утверждает, что скорость истечения газа через маленькие отверстия обратно
пропорциональна квадратному корню из массы частиц газа. Это утверждение может
быть записано в виде формулы /^/.Kg = (М2/Мг)1/2 , где Rl и R2 — скорости
истечения первого и второго газов, а М1 и М2 — их молярные массы
соответственно. Закон Грэма справедлив как для диффузии, так и для эффузии - процесса,
при котором молекулы проходят поодиночке через крошечные поры, не
сталкиваясь друг с другом. Скорость истечения газа зависит от массы его молекул.
Например, газы с небольшой молярной массой, подобные водороду, истекают
быстрее более тяжелых частиц, потому что легкие молекулы движутся с
большей скоростью.
В 1940 г. закон Грэма был использован в ядерных реакторах для
разделения радиоактивных газов. Эти газы имели разные скорости диффузии из-за
различия молярных масс. В длинной диффузионной камере разделялись два
изотопа урана - U-235 и U-238. Сначала в реакции со фтором изотопы
превращались в газообразный гексафторид урана. Менее массивные молекулы гек-
сафторида (шестифтористого) урана, содержащие делящийся изотоп U-235,
перемещаются по камере чуть быстрее более массивных
молекул с U-238. (Разделяемая смесь газообразных
изотопов многократно прокачивается через пористые
перегородки, по одну сторону которых обогащается легким
компонентом, а по другую - тяжелым. - Прим. пер.)
Во время Второй мировой войны процесс разделения
изотопов позволил США создать атомную бомбу, в которой
для начала цепной реакции требовался уран,
обогащенный изотопом U-235. Для разделения U-235 и U-238
методом газовой диффузии правительство США построило
специальный завод в штате Теннесси. Производимый там
уран шел на нужды Манхэттенского проекта -
программы разработки атомной бомбы, которая была сброшена на
Японию в 1945 г. Процесс разделения изотопов состоял из
4000 этапов, а завод занимал площадь более 17 га.
СМ. ТАКЖЕ Броуновское движение (1827), Уравнение Больцмана для энтропии (1875),
Радиоактивность (1896), Атомная бомба «Малыш» (1945).
СЛЕВА: урановая руда. СПРАВА: газовый диффузионный завод К-25 в ОукРидже,
шт. Теннесси, построенный в рамках Манхэттенского проекта. Длина его главного
здания превышала 800 м. (Фото сделано официальным правительственным
фотографом Манхэттенского проекта Дж. Э. Уэсткоттом.)

t_.rf-*^** ■
-;- . & -
*Ж *m :tl";- -*
;^:^»; . ^"^.-.
-•v — »
=*.
.·*<* -<-.
. ' * - (.'■
* *■
*.'
tr-··^
'-<V->
.!■
1Г *-* -:
'/■
V.
!_

Закон электромагнитной
индукции Фарадея
Майкл Фарадей (1791-1867)
«Майкл Фарадей родился в 1791 г., в том же году умер Моцарт, — пишет
профессор Дэвид Гудлинг. - Результаты Фарадея гораздо менее доступны для
широкой публики, чем достижения Моцарта, но вклад Фарадея в нашу жизнь
и культуру не менее велик... Его открытие электромагнитной индукции
заложило основы современной электротехники и стало краеугольным камнем
объединенной теории электричества, магнетизма и света».
Электромагнитная индукция — самое великое из открытий английского
ученого Майкла Фарадея. В 1831 г. он заметил, что при движении магнита
сквозь неподвижную катушку с намотанной проволокой в ней всегда
возникает электрический ток. Индуцируемая электродвижущая сила оказалась равна
скорости изменения магнитного потока.
Американский ученый Джозеф Генри (1797—1878) провел аналогичные
эксперименты. В наши дни явление электромагнитной индукции играет
решающую роль в функционировании электростанций.
Фарадей обнаружил также, что при движении проволочного контура
вблизи неподвижного постоянного магнита в контуре всегда начинает течь ток
Когда Фарадей экспериментировал с электромагнитами, меняя их магнитное
поле, он увидел, что в расположенном поблизости, но изолированном
проволочном контуре также возникает электрический ток.
Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) позже
предположил, что изменение магнитного потока порождает электрическое поле,
которое не только заставляет электроны двигаться по находящемуся рядом
проводу, но и существует в пространстве даже в отсутствие электрических
зарядов. Законом электромагнитной индукции Фарадея называется
сформулированное Максвеллом уравнение, связывающее изменение магнитного потока
и индуцируемую электродвижущую силу (ЭДС). Величина этой ЭДС
пропорциональна скорости изменения магнитного потока сквозь контур.
Вселенной правит Бог — Фарадей был глубоко в этом убежден. Ученый
считал, что он, проводя свои точные эксперименты, а также его коллеги,
проверяющие их результаты, постигают истину, выполняя Божью волю. Фарадей
верил буквально каждому слову Библии, но с любыми другими утверждениями
готов был согласиться лишь после тщательных, доказательных опытов.
СМ. ТАКЖЕ Закон Ампера в теории электромагнетизма (1825), Уравнения Максвелла
(1861), Эффект Холла (1879).
СЛЕВА: Майкл Фарадей (ок. 1861). Фото Джона Уоткинса (1823-1874).
СПРАВА: изображение динамо-машины, или электрического генератора, из книги
Георга Уильяма фон Тунцельмана «Электричество в современной жизни» (1889).
На электростанциях применяют генераторы с вращающимися элементами, которые
превращают механическую энергию в электрическую при движении проводника
относительно магнитного поля.

·"*%...
v л mm Ч'
Ι ΐ
\ 4
Λ
'.)
«YiSSv/
Ρ'1.' .
.. ^^
Ι
S
\ L.
, .

Солитон
Джон Скотт Рассел (1808-1882)
Солитон — это уединенная волна, которая сохраняет свою форму при
распространении на большие расстояния. История его открытия — одно из самых
впечатляющих свидетельств того, что порой важные области науки
рождаются из совершенно случайных наблюдений. В августе 1834 г.
шотландскому инженеру Джону Скотту Расселу довелось наблюдать поразительное
явление. Он следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому
каналу пара лошадей. Вдруг тросы лопнули, и баржа остановилась, но, как
сам Рассел позже описывал увиденное, «масса воды, которую она привела
в движение, не остановилась. Вместо этого она собралась около носа судна в
состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади,
катясь вперед с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного
возвышения, т. е. округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма,
который продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя формы и
не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда нагнал его, он по-
прежнему катился вперед со скоростью приблизительно восемь или девять
миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной
около тридцати футов и высотой от фута до фута с половиной. Его высота
постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в
изгибах канала».
Впоследствии Рассел поставил опыты в водном резервуаре у себя дома для
изучения этих таинственных солитонов (которые он назвал волнами
трансляции) и обнаружил, что их скорость зависит от размера. Два солитона разных
размеров (и, стало быть, обладающие разными скоростями) могут пройти друг
сквозь друга — слиться, потом разделиться и продолжить свой путь. Явления,
аналогичные солитонам, встречаются также в других системах — в плазме и
в движущихся песках, например барханы — песчаные дюны с серповидными
гребнями, которые «проходят» друг сквозь друга. Возможно, и Большое
Красное пятно на Юпитере - тоже разновидность солитона.
Сегодня солитоны обнаруживаются в самых разных явлениях - от
распространения нервных сигналов до передачи информации в оптоволоконных
линиях. В 2008 г. было сообщено о первом наблюдении космического
неизменяющегося солитона, который двигался со скоростью 8 км/с сквозь ионизиро
ванный газ, окружающий Землю.
СМ. ТАКЖЕ Блуждающие волны (1826), Фурье-анализ (1807), Самоорганизованная
критичность (1987).
Барханы на Марсе. Два земных бархана, сталкиваясь, могут образовать составной
гребень, а затем разделиться и принять первоначальную форму. (При этом частицы
песка на самом деле не движутся друг сквозь друга, но форма барханов сохраняется.)

л
t >
\)
,*'

Гаусс и магнитный монополь
Карл Фридрих Гаусс (1777-1855), Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984)
«Теоретически, исходя только из соображений математической красоты,
можно полагать, что монополи просто обязаны существовать», - писал
британский физик-теоретик Поль Дирак. Но никто пока не обнаружил этих
странных частиц. Закон Гаусса для магнетизма, названный так в честь немецкого
математика Карла Гаусса, является одним из фундаментальных уравнений
электродинамики. Он говорит, что в природе не существует изолированных
магнитных полюсов (например, магнита только с северным полюсом, но без
южного). С другой стороны, существуют изолированные электрические
заряды, и это нарушение симметрии между электричеством и магнетизмом
является для ученых загадкой. В начале XX в. физики часто задавались
вопросом, почему отделить положительные электрические заряды от
отрицательных можно, а северный полюс магнита от южного — нельзя. В 1931 г. Поль
Дирак одним из первых задумался о возможном существовании магнитных
монополей. В последующие годы предпринималось множество попыток
обнаружить частицы с одиночным магнитным зарядом, но до сих пор
изолированные магнитные полюса не обнаружены. Заметим, что если разрезать пополам
обычный магнит с северным и южным полюсами, то получившиеся
iVfVPVIWWfVWWfV половинки тоже будут обычными магнитами со своими северными
CF.OAU S* tli 5 и южными полюсами каждая.
ш Некоторые теории в физике частиц, стремящиеся объединить
электрослабые и сильные взаимодействия, предсказывают
существование магнитных монополей. Однако если монополи существу-
, ют, их будет очень трудно создать на ускорителях частиц из-за их
гигантской массы и энергии покоя (около 1016 гигаэлектронвольт).
Гаусс часто был чрезвычайно скрытен в отношении своих работ.
Историк математик Эрик Темпл Белл утверждает, что если бы Гаусс
Q ^ обнародовал все свои результаты тогда, когда он получил их,
математика продвинулась бы на 50 лет вперед. Доказав какую-нибудь
теорему, Гаусс иногда говорил, что озарение приходит к нему не «пу-
ίΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΜ тем мучительных усилий, но, так сказать, милостью Божией».
СМ. ТАКЖЕ Компас ольмеков (1000 до н.э.), De Magnete («О магните·) (1600),
Уравнения Максвелла (1861), Опыт Штерна-Герлаха (1922).
D
S
СЛЕВА: Гаусс на немецкой почтовой марке (1955). СПРАВА: намагниченный брусок
с северным полюсом на одном конце и южным - на другом. Металлические опилки
показывают линии магнитного поля. Найдут ли физики когда-либо эту таинственную
частицу - магнитный монополь?

я
►ίΛ'
' г.··
~--^4^4?w
«s
»v4«
ί -
.*
V
j?

Звездный параллакс
Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846)
Вопрос об определении расстояния от Земли до звезд имеет длинную
историю. Греческий философ Аристотель и польский астроном Коперник знали,
что если Земля обращается вокруг Солнца, то следует ожидать, что в течение
года звезды будут смещаться со своих позиций и возвращаться назад. К
сожалению, ни Аристотель, ни Коперник никогда не наблюдали эти крошечные
угловые смещения (параллаксы) и человечество было вынуждено дожидаться
их открытия до XIX в.
Звездный параллакс — это кажущееся смещение звезды, если наблюдать
ее вдоль различных линий зрения. Используя простые геометрические
соотношения, эти смещения можно использовать для определения расстояния от
наблюдателя до звезды. Вот один из способов: зафиксировать положение звезд
в какое-то время года; спустя полгода, когда Земля пройдет половину своего
пути вокруг Солнца, снова измерить положение этих звезд. Звезды,
расположенные ближе, сдвинутся на фоне звезд, расположенных дальше. Звездный
параллакс аналогичен эффекту, возникающему, когда мы смотрим на объект,
закрывая то один глаз, то другой. Посмотрите на свою руку сначала одним
глазом, а потом другим. Вам покажется, что ваша рука сдвинулась. Чем больше
угол смещения, тем объект ближе к вашим глазам.
В 1830-х гг. среди астрономов возникла острая конкуренция, кто первым
точно определит межзвездные расстояния. Первый звездный параллакс был
измерен лишь в 1838 г. С помощью телескопа немецкий астроном Фридрих
Вильгельм Бессель наблюдал за звездой 61 Лебедя. Она заметно сдвигалась, и
вычисления Бесселя показали, что расстояние от нас до этой звезды в
созвездии Лебедя составляет 10,4 светового года (или 3,18 парсека). Впечатляет, как
Бессель и другие астрономы его времени нашли способ определять межзвезд
ные расстояния, даже не выходя со своего двора.
Из-за крайней малости угла смещения ученые прошлого могли применить
метод параллакса только для звезд, расположенных сравнительно близко от
Земли. В наши дни астрономы, используя спутник Hipparcos, измерили
расстояния до более чем ста тысяч звезд.
СМ. ТАКЖЕ Эратосфен измеряет Землю (240 до н.э.), Телескоп (1608), Размеры
Солнечной системы (1672), Эффект «черной капли» (1761).
Основываясь на данных орбитального телескопа НАСА «Шпитцер» и телескопов,
расположенных на Земле, ученые измерили параллаксы и определили расстояния до
объектов, проходящих на фоне звезд Малого Магелланового облака (показанного вверху
слева ).

-'-i'V-'*·?·**^''
.· .' i'
.<· Γ·..'.·*:·»..
-■·.· · · ·.%. ■·,«■*
·· v.
ϊ- :< i-4
'· \ί .* -Τ- '>*-■ ..- ;' ·
-ft..л·.--,.· ■*·,- , .·.?. -
'.«■Is- ".;if»''i'. '.
...Γ .ν"^' *' _ ·>;
.·"' · 'fc-· ■-.·'
• . * *·■
^V
si.
4· '■''-
*
•
• · *

Топливный элемент
Уильям Роберт Гроув (1811-1896)
Быть может, кто-то из вас помнит опыт по электролизу воды, показанный
учителем на уроке химии. Электрическое напряжение прикладывается к
двум металлическим электродам, погруженным в воду, и на них выделяются
газообразные водород и кислород. Идет химическая реакция: электричество
+ 2Н20 (жидкость) —> 2Н2 (газ) + 02 (газ). (Вода плохой проводник, и потому
в нее добавляют разведенную серную кислоту, позволяющую получить
значительный ток.) Энергия, требующаяся для разделения ионов, поступает из
источника электропитания.
В 1839 г. адвокат и ученый Уильям Гроув создал первые топливные
элементы (ТЭ), используя обратный процесс — получение электричества из
водорода и кислорода, помещенных в резервуар. Возможны разнообразные
комбинации топлива. В водородных ТЭ в результате химических реакций электроны
уходят из атомов водорода и затем текут по подсоединенным проводам,
создавая полезный электрический ток. Кислород соединяется с электронами,
возвращающимися из электрической цепи, и ионами водорода (протонами) из ТЭ.
В качестве «отходов» здесь выступает вода. Водородный ТЭ напоминает
батарею. Но батарея в конце концов истощается, и ее выбрасывают или заряжают.
В отличие от нее ТЭ может работать неопределенно долго, пока он получает
топливо в виде водорода и кислорода из воздуха. Для ускорения реакции в
качестве катализатора применяется платина.
Кто знает, возможно, ТЭ когда-нибудь придут на смену традиционным
двигателям внутреннего сгорания наших автомобилей. Пока этому
препятствуют факторы, связанные со стоимостью, долговечностью, температурным
режимом ТЭ, получением и транспортировкой водорода. Однако и сегодня ТЭ
очень полезны в системах аварийного энергоснабжения и на космических
кораблях - они сыграли существенную роль при высадке американцев на Луну.
У ТЭ есть существенные преимущества — отсутствие выбросов окислов
углерода и уменьшение зависимости экономики от нефти.
Заметим, что водород для ТЭ иногда получают расщеплением
углеводородов, что противоречит одной из целей применения ТЭ — сокращению выбросов
парниковых газов.
СМ. ТАКЖЕ Батарея (1800), Парниковый эффект (1824), Фотоэлементы (1954).
Слоистый куб в центре фотографии - прямой метаноловый топливный элемент
(DMFC), электрохимическое устройство, использующее в качестве топлива водный
раствор метанола.

^
ι
'.*/·■ ·*7 7:''
' Π

Закон течения жидкости Пуазёйля
Жан Луи Мари Пуазёйль (1797-1869)
Операции по расширению закупоренных кровеносных сосудов могут быть
очень эффективными, ведь даже небольшое увеличение радиуса сосуда
заметно улучшет кровообращение. И вот почему. Точное математическое
соотношение между интенсивностью потока жидкости в трубе и ее радиусом,
вязкостью жидкости и перепадом давления вдоль трубы, называемое законом
Пуазёйля в честь французского врача Жана Пуазёйля, записывается в виде
формулы Q = [(лг4)/(8т))] · (ΔΡ/L), где Q — пропускная способность трубы
(объем жидкости, протекающей в единицу времени), г и L - соответственно
внутренний радиус и длина трубы, АР — разность давлений на ее концах и
η — вязкость жидкости. Закон верен для ламинарного (т. е. спокойного,
нетурбулентного) течения жидкости.
Этот закон имеет практические применения в медицине, в частности при
исследовании кровотока в сосудах. Заметим — четвертая степень радиуса
означает, что ширина сосуда играет главную роль в определении пропускной
способности Q. Если все остальные параметры остаются неизменными, удвоение
радиуса трубки увеличивает ее пропускную способность в 16 раз. Иными
словами, понадобилось бы 16 труб с прежним радиусом, чтобы
пропустить то же количество жидкости.
Закон Пуазёйля демонстрирует нам опасность
атеросклероза: если радиус коронарной артерии уменьшается в
два раза, поток крови через нее уменьшается в 16 раз. Этот
закон объясняет также, почему гораздо легче потягивать
напиток через толстую соломинку, чем через чуть более
тонкую. При тех же самых сосательных усилиях через
соломинку всего лишь в два раза толще вы получите за то же
время в 16 раз больше жидкости. Когда увеличенная
простата сужает радиус мочеиспускательного канала, мы
можем смело проклинать закон Пуазёйля за то, что столь
небольшое сужение приводит к сильному затруднению при
мочеиспускании.
СМ. ТАКЖЕ Сифон (250 до н. э.), Закон Бернулли в гидродинамике (1738), Закон Стокса
для вязкой жидкости (1851).
СЛЕВА: закон Пуазёйля объясняет, почему потягивать напиток через тонкую
соломинку гораздо труднее, чем через толстую. СПРАВА: закон Пуазёйля объясняет
и опасность атеросклероза. Если радиус артерии уменьшится в два раза, поток крови
через нее уменьшится примерно в 16 раз.

\
\
. v~
\
* 1

Закон Джоуля для теплового
действия электрического тока
Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889)
Хирурги часто используют закон Джоуля (названного так в честь
британского физика Джеймса Джоуля), который гласит, что количество Η тепла,
выделяемого при прохождении постоянного электрического тока через
проводник за время t, может быть вычислено по формуле Η = IR2t. Здесь R -
сопротивление проводника, а / - сила постоянного тока через проводник.
Когда электроны движутся в проводнике, имеющем сопротивление R, теряемая
ими кинетическая энергия превращается в тепло Н. Классическое
объяснение нагревания резистора учитывает наличие атомов в его кристаллической
решетке. Столкновение электронов с решеткой увеличивает амплитуду ее
тепловых колебаний, повышая тем самым температуру резистора. Этот процесс
называют джоулевым тепловыделением.
Закон Джоуля и джоулево тепловыделение играют большую роль в
современных электрохирургических методах с применением зондов. В таких
устройствах ток течет от «активного электрода» через биологическую ткань к
нейтральному электроду. Омическое сопротивление ткани зависит от
площади контакта с активным электродом (будь то кровь,
мускулы или жировая ткань) и от полного сопротивления
между активным и нейтральным электродами. В
электрохирургии продолжительность воздействия (время t
в законе Джоуля) часто контролируется при помощи
ручного выключателя или ножной педали. Разные
варианты концентрирования выделяемого тепла на
объекте достигаются применением активных электродов
. разной формы. Так, если тепло нужно для разрезания
ткани, применяют заостренный электрод, а
свертывание крови достигается при помощи диффузии тепла,
выделяемого на электроде с большой поверхностью.
В наши дни Джоуля помнят также и потому, что он
установил связь между механической, электрической
и тепловой энергией и доказал, что энергия может переходить из одной
формы в другую. Иными словами, Джоуль дал экспериментальное подтверждение
многим проявлениям закона сохранения энергии, который в тепловых
явлениях именуется также Первым началом термодинамики.
СМ. ТАКЖЕ Закон теплопроводности Фурье (1822), Закон Ома для электрической цепи
(1827), Сохранение энергии (1843), Лампа накаливания (1878).
СЛЕВА: Джеймс Джоуль. СПРАВА: закон Джоуля используется в современных
электронагревателях, определяя количество выделяемого тепла.

II j
'
'-
I. " -
".. !».!* «
<
«*
*· «·
ι>
- <
«I
1 Ί «
•4 ·*<
ι ..r
. .
I. » «»
ι 4*
:
*■ II
I-·
■ '·· "it
. « - «
* I*· »v «. «·.'
■f V
.4.
··-. *
'
:
·■
Kt
^ '
'
> -
I
'<■■
;
>

Годовые часы
У первых часов не было минутных стрелок. Они оказались нужны лишь с
развитием современных индустриальных обществ. Во время промышленной
революции поезда стали ходить по расписанию, работа фабрик начиналась и
заканчивалась в назначенное время, и весь ритм жизни стал более точным.
Мои любимые часы называются часами с крутильным маятником,
четырехсотдневными часами или годовыми часами, потому что многие их модели
достаточно заводить один раз в году. Они заинтересовали меня, когда я прочел
про эксцентричного миллиардера Говарда Хьюза. В его любимой комнате,
рассказывает биограф Хьюза Ричард Хэк, стояли «глобус на подставке из
красного дерева и большой камин с французскими бронзовыми четырехсотдневными
часами, у которых невозможно было перекрутить завод никоим образом».
В годовых часах используется массивный диск, подвешенный на тонкой
проволоке или нити, которая работает как торсионная пружина. Диск
совершает крутильные колебания вокруг вертикальной оси проволоки — это
движение заменяет колебания обычного маятника. Традиционные маятниковые
часы были известны уже по крайней мере в 1656 г., когда Христиан Гюйгенс,
вдохновленный рисунками Галилея, решил сделать такие часы. Его часы были
более точными, чем все предыдущие, благодаря почти изохронным
колебаниям маятника — период колебаний оставался довольно постоянным, особенно
при небольших амплитудах.
В годовых часах вращающийся диск медленно и эффективно закручивает
и раскручивает пружину, так что она продолжает обеспечивать энергией
шестеренки часов долгое время после первоначального закручивания. Первые
часы не отличались точностью — частично из-за того, что сила пружины
зависит от температуры. Однако в более поздних моделях применялись пружины
с компенсацией изменений температуры. Годовые часы были запатентованы
американским изобретателем Аароном Крейном в 1841 г. Антон Хардер,
часовых дел мастер из Германии, независимо изобрел такие часы около 1880 г.
Годовые часы стали очень популярны в США в конце Второй мировой войны,
когда американские солдаты привезли их из Европы. Такие часы тогда часто
дарили на свадьбу.
СМ. ТАКЖЕ Песочные часы (1338), Маятник Фуко (1851), Атомные часы (1955).
Многие модели годовых часов надо заводить только один раз в году. В них используется
массивный диск, подвешенный на тонкой проволоке или нити, которая функционирует
как торсионная пружина.

I

Волоконная оптика
Жан Даниэль Колладон (1802-1893), Чарльз Куэн Као (р. 1933),
Джордж Альфред Хокхэм (1938-2013)
Раздел науки, называемый волоконной оптикой, имеет долгую историю.
Одна из ее страниц — демонстрация швейцарским физиком Жаном Даниэлем
Колладоном в 1841 г. замечательных световых фонтанов, в которых свет
распространялся вдоль изогнутой струи воды, вытекавшей из резервуара.
Современная волоконная оптика, на протяжении XX в. много раз вновь
открывавшаяся и совершенствовавшаяся, использует для передачи света гибкие
стеклянные или пластмассовые нити. В 1957 г. был запатентован волоконый
эндоскоп, позволивший врачам увидеть верхнюю часть желудочного тракта.
В 1966 г. инженер-электрик Чарльз К. Као и Джордж Хокхэм предложили
использовать нити для передачи на дальние расстояния сигналов в форме
световых импульсов.
Благодаря явлению полного внутреннего отражения (см. «Закон
преломления Снеллиуса») свет не может выйти через боковые поверхности нити,
так как показатель преломления материала внутренней части (сердцевины)
волокна больше показателя преломления тонкой оболочки. Как только свет
попадает в сердцевину, он распространяется, отражаясь от стенок волокна и
не выходя наружу. При передаче сигнала на очень большие расстояния будут
сказываться потери его мощности, и потому необходимо усиливать световые
импульсы с помощью оптических регенераторов. Использование оптических
волокон для связи в наши дни дает много преимуществ по сравнению с
традиционными медными проводами. Световые сигналы распространяются по
сравнительно дешевым и легким нитям, затухание при этом мало, и на них
не влияют электромагнитные помехи. Оптоволокно может использоваться для
иллюминации, а также для передачи изображений, позволяя осветить или
увидеть объекты в недостижимых или труднодостижимых областях. В
системах оптоволоконной связи каждая нить способна обеспечить много
независимых каналов передачи информации при помощи света различных длин волн.
Сигнал, который представляет собой поток электронных битов информации,
модулирует свет от миниатюрного источника - например, от светодиода или
лазерного диода. Получающиеся в результате импульсы инфракрасного света
передаются по оптоволокну. В 1991 г. технологи разработали
микроструктурированное (фотонно-кристаллическое) оптическое волокно, в котором
распространение света происходит в волноводе, округленном цилиндрическими
воздушными каналами, образующими периодическую структуру. Здесь
удержание пучка света в нити осуществляется не из-за полного внутреннего отра
жения, а благодаря явлению дифракции.
СМ. ТАКЖЕ Закон преломления Снеллиуса (1621), Оптический прибор Брюстера (1815).
Оптическое волокно переносит свет. Благодаря явлению полного внутреннего отраж(
ния, луч света оказывается запертым в волокне, пока не достигнет конца нити.

^
ч
■
■ν
ν4
4
ч
,4
ν
Ι'
V \ ,,
'-ν
V
■·ν
• -Ι
"\\

Эффект Доплера
Кристиан Андреас Доплер (1803-1853),
Христофор Хенрик Дидерик Бёйс-Баллот (1817-1890)
«Когда полицейский берет автомобиль на прицел своей радарной или
лазерной "пушки", - пишет журналист Чарльз Зайф, - он на самом деле измеряет,
насколько движение автомобиля сжимает отраженное
излучение (благодаря эффекту Доплера). Измеряя это
сплющивание, он может вычислить, как быстро
движется автомобиль, и вручить водителю штрафную
квитанцию на 250 долларов. Разве наука не чудо?»
Эффект Доплера, названный в честь австрийского
физика Кристиана Доплера, заключается в изменении
частоты волны, когда ее источник движется относительно
наблюдателя. Например, если движущий автомобиль
издает гудок, то при приближении машины к нам тон гудка
повышается, в самый момент проезда машины мимо нас
он совпадет с истинным, а при ее удалении — понижается.
И хотя мы часто упоминаем эффект Доплера, говоря о звуке, он проявляется
при распространении любых волн, включая свет.
В 1845 г. голландский метеоролог и химик X. X. Д. Бёйс-Баллот выполнил
один из первых экспериментов по подтверждению правильности идеи Доплера
для звуковых волн. В этом эксперименте трубачи, ехавшие в поезде, играли
определенную ноту, которую слушали другие музыканты, располагавшиеся
рядом с полотном железной дороги. Используя наблюдателей с «абсолютным
слухом», Бёйс-Баллот доказал таким образом существование эффекта
Доплера, а затем записал его в виде математической формулы.
Для многих галактик скорости их удаления от нас могут быть определены
по красному смещению — наблюдаемому увеличению длины волны (или
уменьшению частоты) электромагнитного излучения, принимаемого наблюдателем
на Земле, по сравнению с излучением неподвижного источника. Такое красное
смещение возникает из-за того, что галактики удаляются от нашей
собственной Галактики с огромной скоростью из-за расширения пространства. Этот
сдвиг длины волны света из-за относительного движения излучателя и
приемника — еще один пример проявления эффекта Доплера.
СМ. ТАКЖЕ Парадокс Ольберса (1823), Закон Хаббла о расширении Вселенной (1929),
Квазары (1963), Наибольшая скорость смерча (1999).
СЛЕВА: портрет Кристиана Доплера на фронтисписе его трактата «Uber das farbige
Licht der Doppelsterne»(«Об окраске света двойных звезд»). СПРАВА: представим себе
источник звука или света, испускающий сферические волны. Когда источник движется
справа налево, для наблюдателя слева волны как бы сжимаются. Излучение
приближающегося источника испытывает синее смещение (длины волн становятся короче).

Сохранение энергии
Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889)
«Закон сохранения энергии предлагает нечто, за что можно зацепиться в те
ночные часы, когда вас посещают мысли о смерти и забвении, — пишет
научный журналист Натали Анжье. — Ваша собственная энергия, сумма энергий
всех ваших атомов и связей между ними никогда не исчезнет... Масса и
энергия, из которых вы состоите, изменят форму и месторасположение, но
навсегда останутся здесь, в этом вечном круговращении жизни и света, начавшемся
с Большого взрыва».
А если более прозаически, закон сохранения энергии утверждает, что
энергия взаимодействующих тел может изменить форму, но в замкнутой системе
всегда останется постоянной. Энергия принимает много форм, включая
кинетическую энергию движения, потенциальную энергию, накопленную в
системе, химическую и тепловую энергию. Возьмем лучника, который натягивает
свой лук и деформирует его. Потенциальная энергия, запасенная в согнутом
луке, превращается в кинетическую энергию выпущенной стрелы. В
принципе, если пренебречь потерями, полная энергия лука и стрелы должна быть
той же самой до и после выстрела. Аналогичным образом, химическая
энергия, запасенная в батарее, может быть превращена в кинетическую энергию
вращающегося мотора. Гравитационная потенциальная энергия падающего
шара превращается по ходу снижения в его кинетическую энергию. Одним
из ключевых моментов в истории закона сохранения энергии было открытие,
совершенное физиком Джеймсом Джоулем в 1843 г. В его опыте падающее
тело приводило во вращение помещенные в воду лопатки, насаженные на ось.
Из-за трения воды о лопатки перемешиваемая вода нагревалась. Джоуль
обнаружил, что гравитационная потенциальная энергия, теряемая телом, была
равна тепловой энергии, переданной воде. Первое начало термодинамики
часто выражают в такой форме: увеличение внутренней энергии системы при
нагревании равно количеству полученной энергии за вычетом работы,
произведенной телом над окружающими объектами.
Заметим, что в нашем примере с луком кинетическая энергия стрелы
переходит в тепло, когда она поражает мишень. (Не только в тепло. Главное, что
кинетическая энергия тратится на работу по разрушению материала мишени,
т. е. на разрыв потенциальных связей между образующими ее атомами и
молекулами. На этом, собственно, и основано поражающее действие этого
оружия. - Прим. пер.) Второе начало термодинамики ограничивает возможности
превращения тепла в работу.
СМ. ТАКЖЕ Арбалет (341 до н.э.), Вечный двигатель (1150), Сохранение импульса
(1644), Закон Джоуля для теплового действия электрического тока (1840), Второе начало
термодинамики (1850), Третье начало термодинамики (1905), Ε — тс2 (1905).
Потенциальная энергия натянутой дуги лука превращается в кинетическую энергию
выпущенной стрелы. Когда стрела поражает мишень, ее кинетическая энергия
превращается в тепло.

Двутавровые балки
Ричард Тернер (ок. 1798-1881), Децимус Бёртон (1800-1881)
Интересовались ли вы когда-нибудь, почему большинство стальных балок,
используемых в строительстве, имеет сечение в форме буквы I? Эта
разновидность балок (их называют «двутавровыми») оказалась очень эффективной в
сопротивлении изгибу под действием силы, перпендикулярной оси балки.
Представим себе, например, длинную двутавровую балку, оба конца
которой лежат на опорах, а в середине балансирует тяжелый слон. Верхние слои
балки сожмутся, а нижние слегка удлинятся или растянутся под действием
силы натяжения. Сталь и дорогой материал, и тяжелый. Строители
пытаются минимизировать его количество, сохраняя конструкционную прочность.
Двутавровая балка эффективна и экономична, поскольку основная часть
материала используется для верхнего и нижнего поясов балки, т. е. в местах,
которые оказывают наибольшее сопротивление изгибу. Двутавровые стальные
балки могут быть изготовлены прокатом или штамповкой, а также
свариванием плоских балок. Отметим, что при других нагрузках более эффективны
другие виды балок. Так, если к концам балки приложены силы сжатия, то
наиболее эффективной и экономичной ее формой является полый цилиндр.
Защитник памятников истории Чарльз Петерсон пишет: «Двутавровые
балки из кованого железа, усовершенствованные в середине XIX в., - одно из
величайших строительных изобретений всех времен и народов. Позже их уже
изготавливали из прокатной стали. Когда бессемеровский процесс удешевил
ее производство, двутавровые балки стали использоваться везде. Из них
построены и небоскребы, и большие мосты». Среди первых известных зданий с
использованием двутавровых балок - Палм-Хаус в Садах Кью (Королевском
ботаническом саду в Лондоне). Оно построено металлургом Ричардом
Тернером и архитектором Децимусом Бёртоном в 1844-1848 гг. В 1853 г. Уильям
Борроу из Trenton Iron Company (TIC) в Нью-Джерси сделал двутавровые
балки из двух частей, соединив их болтами. В 1855 г. Питер Купер, владелец TIC,
изготовил балки из цельного куска стали. Позже их назвали балки Купера.
СМ. ТАКЖЕ Стропила (2500 до н. э.), Арка (1850 до н. э.), Тенсегрити (1948).
Эта массивная двутавровая балка когда-то была частью второго этажа
Всемирного торгового центра. Теперь она - часть мемориала жертв 11 сентября 2001 г.,
сооруженного в столице Калифорнии Сакраменто. Тяжелые балки были доставлены из
Нью-Йорка по железной дороге.

»
У

Правила Кирхгофа
для электрической цепи
Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887)
Когда умерла жена Густава Кирхгофа Клара, блестящему физику пришлось
одному растить своих четырех детей. Такая задача, непростая для любого
мужчины, для него была особенно трудной, поскольку из-за травмы стопы он
мог передвигаться только на костылях либо в инвалидной коляске.
Кирхгофа тогда уже хорошо знали благодаря выведенным им формулам
для расчета электрических цепей. Эти формулы устанавливали соотношения
между токами в узлах цепи и падениями напряжения вдоль замкнутых
контуров. Правило Кирхгофа для токов — иная формулировка закона сохранения
электрического заряда в системе. В частности, в каждой точке электрической
цепи сумма втекающих в нее токов равна сумме токов, из нее вытекающих.
Это правило часто применяют к узлам цепи - соединениям нескольких
проводников в форме, например, знака *+» или буквы «Т». В таких соединениях по
некоторым проводникам ток течет к узлу, а по некоторым - вытекает из него.
Правило Кирхгофа для напряжений связано с законом
сохранения энергии: сумма разностей потенциалов вдоль
замкнутого контура должна быть равна нулю. Представим
себе электрическую цепь с узлами. Если мы, стартуя из
любого узла, пройдем последовательно по элементам цепи,
образующим замкнутый путь, и вернемся в начальную
точку, то сумма всех изменений электрического
потенциала на нашем пути равна нулю. (Элементы цепи, о которых
идет речь, включают сопротивления и батареи.) Приведем
пример. Напряжение может вырасти, когда мы встречаем
при обходе контура батарею, которую проходим от
отрицательного полюса к положительному. Если мы продолжим
обход контура в том же направлении, удаляясь от батареи, то встретим в цепи
резистор, на котором произойдет падение напряжения.
СМ. ТАКЖЕ Закон Ома для электрической цепи (1827), Закон Джоуля для теплового
действия электрического тока (1840), Сохранение энергии (1843), Интегральные микросхемы
(1958).
СЛЕВА: Густав Кирхгоф. СПРАВА: правила Кирхгофа для электрической цепи уже
десятки лет используются инженерами для расчета токов и напряжений в электри
ческих цепях, подобных показанной микросхеме для подавления шума (Патент США
3.818,362, 1974).

S4.
'*

Открытие Нептуна
Джон Куч Адаме (1819-1892), Урбен Жан Жозеф Леверье (1811-1877),
Иоганн Готфрид Галле (1812-1910)
♦ Проследить - точно! - движение планеты - задача невероятной сложности, -
пишет астроном Джеймс Кейлер. - Для двух тел у нас есть великолепно
простой набор правил. Но уже всего лишь для трех взаимно притягивающихся
тел таких правил не существует, и это доказано математически... А потому
открытие Нептуна - поистине триумф математического метода (называемого
теорией возмущений) и всей ньютоновской механики».
Нептун - единственная планета нашей Солнечной системы, чье
существование и положение были математически предсказаны до того, как ее удалось
увидеть. Астрономы заметили, что Уран, открытый в 1781 г., проявляет
определенные нерегулярности в своем орбитальном движении вокруг Солнца.
Ученые размышляли о причинах: быть может, законы Ньютона неприменимы на
таких больших расстояниях или же на движение Урана влияет какой-то
большой невидимый объект? Француз Урбен Леверье и англичанин Джон Адаме
примерно в одно время вычислили положение новой планеты на небосводе.
В 1846 г. Леверье, опираясь на свои вычисления, сказал немецкому астроному
Иоганну Галле, куда направить телескоп. И уже через полчаса Галле
обнаружил Нептун, чье положение всего на один градус отличалось от
предсказанного. Это было яркое подтверждение ньютоновского закона всемирного
тяготения. Галле писал Леверье 25 сентября: «Месье, планета, положение которой
Вы указали, действительно существует», на что Леверье ответил:
«Благодарю за готовность, с какой Вы отнеслись к моим указаниям. Стало быть,
благодаря Вам, мы определенно обладаем новым миром».
Британские ученые принялись доказывать, что первооткрыватель
Нептуна — Адаме, а не Леверье. Разгорелась дискуссия. Любопытно, что за столетия
до Леверье и Адамса астрономы не раз видели на небосводе Нептун, но они
полагали, что это не планета, а звезда.
Невооруженным глазом Нептун не увидишь. Он делает оборот вокруг
Солнца за 164,7 года и славится самыми быстрыми ветрами среди всех других
планет нашей Солнечной системы.
СМ. ТАКЖЕ Телескоп (1608), Размеры Солнечной системы (1672), Ньютоновские
законы движения и закон всемирного тяготения (1687), Закон Боде для расстояний
планет от Солнца (1766), Телескоп «Хаббл» (1990).
Восьмая планета Солнечной системы Нептун со своим спутником Протеем. Известны
13 спутников Нептуна. Экваториальный радиус этой планеты примерно в четыре
раза больше радиуса Земли.

Второе начало термодинамики
Рудольф Клаузиус (1822-1888), Людвиг Больцман (1844-1906)
Всякий раз, когда на пляже разваливались мои песочные замки, я вспоминал
о втором начале термодинамики (ВНТ). Этот закон в одной из ранних
формулировок утверждает, что полная энтропия (мера беспорядка) изолированной
системы всегда растет, стремясь к максимально возможному значению. Для
замкнутой термодинамической системы энтропию можно представить себе
как меру тепловой энергии, неспособной произвести работу. Немецкий
физик Рудольф Клаузиус сформулировал первое и второе начала
термодинамики следующим образом: «Энергия Вселенной постоянна, а ее энтропия
стремится к максимуму».
Термодинамика изучает тепловые явления или, более общо, превращения
энергии. ВНТ гласит, что Вселенная стремится к состоянию, когда ее полная
энергия будет распределена равномерно. Мы косвенно апеллируем к ВНТ,
когда считаем, что без должного ухода все будет портиться - и наш дом, и наше
тело, и автомобиль. Или, как писал Сомерсет Моэм, «нечего рыдать по поводу
разлитого молока, ибо все силы мироздания были обращены на то, чтобы оно
разлилось».
В начале своей научной карьеры Клаузиус утверждал:
«Тепло не переходит самопроизвольно от холодного тела к
более горячему». Австрийский физик Людвиг Больцман
обобщил определение энтропии и формулировку ВНТ,
интерпретировав энтропию как меру беспорядка системы
вследствие теплового движения молекул.
В то же время, ВНТ говорит, что две сопредельные
системы, находящиеся в контакте друг с другом, стремятся
выровнять свои температуры, давления и плотности.
Например, при погружении горячего металлического слитка
в резервуар с холодной водой металл остывает, а вода
нагревается, пока их температуры не сравняются. Изолированная система,
пришедшая в состояние равновесия, не способна совершить никакой полезной
работы без поступления энергии откуда-нибудь извне. Этим объясняется
невозможность многих разновидностей вечных двигателей.
СМ. ТАКЖЕ Вечный двигатель (1150), Тепловая машина Карно (1824), Сохранение
энергии (1843), Демон Максвелла (1867), Уравнение Больцмана для энтропии (1875), Третье
начало термодинамики (1905).
СЛЕВА: Рудольф Клаузиус. СПРАВА: микробы строят свои невероятные структуры
из материалов неупорядоченной внешней среды, но платят за этой повышением
энтропии вокруг них. Полная энтропия замкнутой системы возрастает, но энтропия
отдельных ее частей может убывать.

- . 4V .---■■■■,.. ..7 *·■■- -Γ
ι
I
S
. \
.. "ν··
ν г·:
4
Λ
\^
1
'
-'.
.ν
^
.*ι.;>
чУ^ . ·--- ν:;*
', ■-{.-
% ... -.- ·;
Λ '
V . \
' У
' ΐ
.^ Λ\
"■■■ '·'··.. · ' .'■ - ":'■'■
■' .ν '·· ч -4- .· "\
\ ^, · .Λ ■· ■■ * . .
■S
,
• ..*ν
\
j:,._ -
,у
■' *
^
.~Λ;
'"лл:
- ... ., ·* * ;■ Г
• . ■ - **■■*-» . · γ·
V >. .
\
O*^ "ν
.- ■ -..
"*·'■
~, . ■*'
— - ~~m',M _ _
*"Τιϊ
*■
"·,
>
»
v*
\ ■ ; '
W '
■ ■ X ■:■'.
\V ■ - ■■
ч » * 1 ' У ~
Vil - ·-■■- .
• w -" --*
- v^ .
• v x "..V
s *' * ' '
·"*-»■ ч *^ .,·»
4. "'» :"■ '·'·■ Л \-
'. ' ." - .' '
*■
■; · '
V$ V'y.· ч^.-v ...
, .^ ' ·
" *■ ι -.'. - ч
•я*^ >· · ·-. ..*■ ■
ι : '-ΐέ'- \' -
«<- .*.»
* ч
4 »ч Ч * '
^ ί? W " · - ч
.» ^5
■ ^ < /
#->.»*
,· " --Ч. t- " '■'
■':■*':. \-"\

Скользкость льда
Майкл Фарадей (1791-1867), Габор Соморджаи (р. 1935)
Гололедом обычно называют прозрачный слой замерзшей воды,
образующийся на дорогах и представляющий большую опасность для водителей, которые
часто его не замечают. Любопытно, что иногда гололед возникает без осадков,
дождя или снега, - на дороге может замерзнуть вода, конденсирующаяся из
росы, дымки или тумана. Замерзшая вода прозрачна, потому что почти не
содержит пузырьков воздуха.
Столетиями ученые размышляли, почему лед такой скользкий. В докладе
в Королевском институте 7 июня 1850 г. английский ученый Майкл Фарадей
предположил, что на поверхности льда имеется невидимый слой незамерзшей
воды, который и делает лед скользким. Для проверки своей гипотезы он
просто сдавил два ледяных кубика, и они прилипли друг к другу. Он считал, что
эти чрезвычайно тонкие слои воды замерзли, как только оказались вне
свободной поверхности кубиков.
Почему конькобежцы скользят на льду? Многие годы учебники отвечали
на этот вопрос так: давление лезвий коньков понижает температуру
плавления льда, что приводит к образованию тонкого слоя воды. Хотя этот ответ
сегодня не считается правильным, тем не менее,
действительно, за счет трения лезвий коньков о лед
выделяется тепло, которое может растопить лед и
образовать на какое-то время слой воды. Другое недавнее
объяснение состоит в том, что молекулы воды на по-
s верхности колеблются сильнее, потому что выше нет
других молекул. Это приводит к образованию очень
тонкого жидкого слоя на поверхности льда, даже если
окружающая температура ниже точки замерзания
воды. В 1996 г. химик Габор Соморджаи с помощью
дифракции электронов низких энергий доказал
существование тонкого слоя воды на поверхности льда. Это,
похоже, подтверждает гипотезы Фарадея 1850-го года.
Но в настоящее время ученые не уверены, какой
процесс играет более важную роль в образовании водяного
слоя, делающего лед скользким, — внутренние
молекулярные процессы или внешнее трение.
СМ. ТАКЖЕ Трение Амонтона (1669), Закон Стокса для вязкой жидкости (1851).
Сверхтекучесть (1937).
СЛЕВА: молекулярная структура кристаллов льда. СПРАВА: почему конькобежцы
скользят по льду? Из-за молекулярных колебаний на поверхности льда существует
очень тонкий слой воды, даже если температура опускается ниже точки замерзания.

»■

Маятник Фуко
Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868)
♦Движение маятника происходит не вследствие действия каких-то
потусторонних или мистических сил, - пишет математик Гарольд Т. Дэвис, - но
просто потому что Земля поворачивается под колеблющимся грузом. И все же,
возможно, это явление не столь очевидно, ведь впервые соответствующий
опыт был поставлен лишь в 1851 г. Простые факты оставались
необнаруженными в течение стольких лет... И наконец, утверждение, за которое умер
Бруно и страдал Галилей, было доказано. Земля вертится!»
В 1851 г. французский физик Леон Фуко продемонстрировал свой
эксперимент в парижском Пантеоне, неоклассическом здании с куполом. Железный
шар размером с тыкву качался на стальной нити длиной 67 м. Направление
движения качающегося маятника постепенно менялось, вращаясь по
часовой стрелке со скоростью 11 градусов в час. Это доказывало вращение Земли.
Чтобы представить себе это доказательство, вообразим, что Пантеон перенесен
на Северный полюс. Плоскость колебаний маятника не зависит от движения
Земли, которая просто вращается под ним. Поэтому на Северном полюсе
плоскость колебаний маятника вращается относительно Земли (стен и пола
Пантеона. — Прим. пер.) по часовой стрелке со скоростью 360 градусов за 24 часа.
Скорость вращения плоскости колебаний зависит от широты места, где нахо
дится маятник. На экваторе она вообще не будет вращаться. А в Париже
маятник описывает полный круг примерно за 32,7 часа.
Конечно, в 1851 г. ученые знали, что Земля вращается, но маятник Фуко
дал этому зримое и впечатляющее доказательство в легкодоступной форме.
Фуко так описывал свой маятник: «Явление развивается спокойно, но
неотвратимо, безостановочно... Любой встретившийся с ним человек на несколько
мгновений замирает и остается в молчаливом раздумье. А потом уходит, унося
с собой навсегда более острое, более резкое ощущение нашего
непрекращающегося движения сквозь пространство».
В юности Фуко изучал медицину, которую оставил ради физики, когда об
наружил, что его пугает вид крови.
СМ. ТАКЖЕ Таутохронный спуск (1673), Годовые часы (1841), Погодный закон
Бёйса-Баллота (1857), Колыбель Ньютона (1967).
Маятник Фуко в парижском Пантеоне.

г ■?
*■
ЪлА.
I
г
I
"i
f
1
■ ι
: 1
V
-
1
1
1
ι !
1
I I
'" 1
111
11
8
; ι

Закон Стокса для вязкой жидкости
Джордж Габриель Стоке (1819-1903)
Всякий раз, когда я думаю о законе Стокса, я вспоминаю шампунь.
Представим себе твердый шарик радиусом г, движущийся со скоростью ν в жидкости
с вязкостью η. Ирландский физик Джордж Стоке нашел, что сила трения,
которая сопротивляется движению шарика, дается выражением F = блг η и.
Заметим, что эта сила лобового сопротивления прямо пропорциональна радиусу
шарика. Заранее это совсем не было ясно, и многие ученые предполагали, что
сила трения пропорциональна площади поперечного сечения движущегося
объекта, что приводило к ошибочной квадратичной зависимости -г2.
Рассмотрим ситуацию, когда на частицу в жидкости действует сила
тяготения. Например, читатели старшего поколения могут вспомнить
телевизионную рекламу, где жемчужина падает во флаконе с зеленым шампунем.
Жемчужина стартует с нулевой скоростью и сначала ускоряется. Но движение
порождает силу трения, препятствующую ускорению. Поэтому жемчужина
быстро достигает состояния, где ее ускорение равно нулю - сила тяготения и
сила трения уравновешивают друг друга (см. статью «Установившаяся
скорость падения в среде»).
Закон Стокса необходимо учитывать при исследовании процесса
седиментации (осаждения) , т. е. отделения твердых частиц от жидкости в суспензии.
В подобных прикладных задачах исследователи обычно интересуются силой
сопротивления жидкости движению выпадающих в осадок частиц. Например,
седиментация используется в пищевой промышленности для отделения грязи
и мусора от полезных материалов, при выделении кристаллов из жидкости,
где они выращивались, или при очистке воздушного потока от пыли. Ученые
применяют этот закон также при поиске оптимального способа доставки к
легким лекарств в аэрозольных упаковках.
В конце 1990-х гг. закон Стокса применяли для возможного объяснения,
каким образом частицы урана микронных размеров могут много часов
оставаться в воздухе и переноситься на огромные расстояния, создавая опасность
заражения американских солдат во время войны в Персидском заливе.
Пушечные бронебойные снаряды часто содержат сердечники из обедненного
урана. Частицы урана распыляются в воздухе при ударе снаряда о твердую
мишень, например при попадании в танк.
СМ. ТАКЖЕ Закон Архимеда (250 до н. э.). Трение Амонтона (1669), Закон течения
жидкости Пуазёйля (1840), Скользкость льда (1850), Сверхтекучесть (1937), Дурацкая
замазка (1943).
СЛЕВА: Джордж Стоке. СПРАВА: грубо говоря, вязкость определяет густоту и
текучесть жидкости. Вязкость изменяется с температурой, и мед, более вязкий, чем вода,
течет лучше, если его подогреть.

i
~> :.
έ.
ч
ν*
/.' , -ι
\ г:

Гироскоп
Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868),
Иоанн Готлиб Фридрих фон Боненбергер (1765-1831)
Автор «Книги для мальчиков о спорте и играх», изданной в 1897 г., пишет:
♦ Гироскоп был назван «механическим парадоксом: если диск не вращается,
понимаешь, что он обладает массой, но когда он крутится, для него, кажется,
не существуют никакие законы гравитации; когда же держишь его в руке, то
испытываешь особенные ощущения, видя, как он движется совсем не в том
направлении, в котором ты хотел его повернуть, словно он — живое
существо».
Термин «гироскоп» был впервые употреблен в 1852 г. Леоном Фуко,
французским физиком, много экспериментировавшим с этим прибором,
изобретение которого часто ему же и приписывается. На самом деле, прибор, имевший
вид вращающейся сферы, был изобретен немецким математиком Иоганном
Боненбергером. Механические гироскопы традиционно изготавливают в виде
тяжелого вращающегося диска, укрепленного в поддерживающих кольцах,
называемых кардановым подвесом. Когда диск вращается, гироскоп
проявляет удивительную устойчивость и сохраняет направление оси вращения
благодаря сохранению углового момента. (Направление вектора углового момента
вращающегося тела параллельно оси вращения.) Представьте себе, например,
что ось гироскопа имеет определенное направление и ему придано вращение.
Ориентация карданова подвеса может изменяться, но ось вращающегося
диска будет ориентирована все в том же первоначальном направлении,
независимо от того, как движется сам прибор. Благодаря такому свойству гироскопы
иногда используют для навигации, когда магнитные компасы неэффективны
(например, для телескопа «Хаббл» в космосе) или недостаточно точны, как в
межконтинентальных баллистических ракетах. В навигационной системе
самолетов имеется несколько гироскопов. Сопротивление гироскопа внешнему
движению также полезно для поддержания желаемой ориентации
космических кораблей. Это свойство сохранять направление оси вращения
проявляется также в юле, велосипедных колесах и даже во вращении Земли.
СМ. ТАКЖЕ Бумеранг (20 000 до н. э.), Сохранение импульса (1644), Телескоп «Хаббл»
(1990).
Гироскоп, изобретенный Леоном Фуко и изготовленный Дюмулен-Фроменом в 1852 г.
Национальный музей декоративно-прикладного искусства, Париж.

,
Ν
Ι
ί

Флюоресценция Стокса
Джордж Габриель Стоке (1819-1903)
В детстве я собирал зеленые светящиеся камни, напоминавшие мне об
Изумрудном городе из книги «Удивительный волшебник из страны Оз».
Флюоресценция - это свечение объекта в видимом диапазоне световых волн,
обусловленное поглощением электромагнитного излучения. В 1862 г. физик
Джордж Стоке наблюдал явление, описываемое законом, который мы
называем теперь законом флюоресценции Стокса. Он гласит: длина волны
испущенного флуоресцентного света всегда больше длины волны возбуждающего
излучения. Стоке рассказал о своем открытии в книге «Об изменении
преломляемости света», вышедшей в 1852 г. В современной науке флюоресценцией
Стокса иногда называют переизлучение фотонов более длинных волн (более
низких частот) атомом, который поглотил фотоны более коротких длин волн
(более высоких частот). Детали такого процесса зависят от свойств
участвующих в нем атомов. Обычно свет поглощается атомом за время около 10~15 с.
Это возбуждает электроны, которые перепрыгивают в состояния с более
высокой энергией. Там они остаются в течение примерно 10~8 с, после чего
отдают энергию в виде испускаемых фотонов (квантов света) и возвращаются в
основное состояние. Выражение «стоксов сдвиг» обычно относится к разнице
длин волн (или частот) поглощенного и испущенного квантов.
Стоке придумал термин флюоресценция по названию минерала флюорит
(плавиковый шпат), проявляющего способность к сильному свечению. Стоке
первым адекватно объяснил свечение у некоторых материалов при облучении
их ультрафиолетовым (УФ) светом. Сегодня мы знаем, что можно сделать ма
териалы, которые будут светиться под действием электромагнитного
излучения разных диапазонов, включая видимый свет, инфракрасное излучение,
рентгеновские лучи и радиоволны.
Флюоресценция имеет множество разнообразных приложений.
Электрический разряд в флюоресцентной лампе заставляет атомы ртути испускать
УФ-излучение. Оно поглощается флюоресцирующим материалом,
покрывающим колбу, который испускает уже видимый свет. В биологии
флюоресцентные красители применяют как метки для слежения за молекулами.
Фосфоресцирующие материалы переизлучают поглощенные кванты медленнее, чем
флюоресцирующие объекты.
СМ. ТАКЖЕ Огни Святого Эльма (78), Лампа черного света (1903), Неоновая реклама
(1923), Лестница Иакова (1931), Атомные часы (1955).
СЛЕВА: энергосберегающая флюоресцентная лампа. СПРАВА: коллекция различных
флюоресцирующих минералов под ультрафиолетовым светом разных длин волн -
длинных (УФА), средних (УФВ) и коротких (УФ-С). Картинка повернута для
лучшего размещения на странице.

*■,
ι"*»·# -л * £+■: -.4.7.
4 .*
*.· W
. ·. ■ /
-"·Λ· ■"■-'
.· ν , / ■
%:
1. -' 4
ν '*L4
\

Погодный закон Бёйса-Баллота
Христофор Хенрик Д и дери к Бёйс-Баллот (1817-1890)
Выйдя со своими друзьями на прогулку в ветреную погоду, вы можете
поразить их (я такое проделывал не раз), указав, где находится область низкого
давления. Закон Бёйса-Баллота, названный в честь известного голландского
метеоролога, утверждает, что если человек в Северном полушарии встанет
спиной к ветру, то область низкого давления будет по левую руку от него. Это
означает, что ветер закручивается против часовой стрелки вокруг зоны
низкого давления. В Южном полушарии ветер закручивается по часовой
стрелке. Закон Бёйса-Баллота гласит также, что направления ветра и градиента
давления составляют между собой прямой угол, если измерения проводятся
высоко над поверхностью Земли (чтобы избежать эффектов трения воздуха о
поверхность планеты).
Погода на нашей планете определяется несколькими
ее особенностями, и среди них - приблизительно
сферическая форма Земли и эффект Кориолиса. Последний
заключается в том, что из-за вращения Земли любые тела, дви- ^
жущиеся по ее поверхности или над ней, отклоняются со
своего курса. Это относится и к океанским течениям, и к
потокам воздуха. Воздух в областях, находящихся ближе к
экватору, перемещается (вместе с Землей), вообще говоря,
быстрее, чем в более северных широтах, поскольку экватор
расположен дальше от земной оси. Тогда, если где-то
образуется область низкого давления, туда устремляются
воздушные массы с юга, которые движутся быстрее, чем Земля под ними, потому
что чем севернее, тем меньшую линейную скорость в восточном направлении
имеет поверхность Земли. Это значит, что воздух с юга из-за своей большей
скорости будет отклонятся на восток. (И наоборот, воздух, устремившийся в
область низкого давления с севера, движется медленнее, чем Земля под ним, и
потому будет отклоняться к западу. - Прим. пер.) Результирующий эффект -
вращение воздушной массы против часовой стрелки вокруг области низкого
давления. Этот вывод верен для Северного полушария Земли.
СМ. ТАКЖЕ Барометр (1643), Газовый закон Бойля (1662), Закон Бернулли в
гидродинамике (1738), Крученый мяч в бейсболе (1870), Наибольшая скорость смерча (1999).
СЛЕВА: Христофор Бёйс-Баллот. СПРАВА: ураган Катрина, 28 августа 2005 г. Закон
Бёйса-Баллота может быть использован для приблизительного определения положения
центра урагана и направления его движения.

J&.
*;S{
ι > - ■ ' ': *.
М-Р.
i» »" .
Ϊ:
-^
V*·
<·*■
■ ■ ·ν.
-Pi
l >·
" V>'
'**"*£ >л;
4
w*
".;
T-Vv V
* V,vt-
**
--
. ■-
N

Кинетическая теория
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879),
Людвиг Эдуард Больцман (1844-1906)
Представьте себе пакет из тонкого пластика, наполненный жужжащими
пчелами, которые случайным образом натыкаются друг на друга и на стенки
пакета. Если пчелы начнут носиться с большей скоростью, их жесткие тела
будут воздействовать на стенки пакета с большей силой, заставляя его
раздуваться. Пчелы здесь — это образ атомов и молекул газа. Кинетическая теория
газа объясняет его макроскопические свойства - такие как давление, объем и
температура — в рамках идеи о постоянном движении составляющих его
частиц.
Согласно кинетической теории, температура газа зависит от скорости
частиц в резервуаре, а давление возникает из-за соударений частиц со стенками
резервуара. Простейший вариант кинетической теории наиболее точен при
выполнении некоторых условий. Например, газ должен состоять из
большого числа небольших идентичных частиц, движущихся случайным образом по
всем направлениям. Столкновения частиц между собой и со стенками
резервуара должны быть упругими (без потерь энергии), и между частицами не
должны действовать никакие другие силы. Кроме того, среднее расстояние между
частицами должно быть достаточно велико.
Около 1859 г. Джеймс Клерк Максвелл развил статистическое описание
распределения скоростей молекул газа в зависимости от температуры.
Например, при повышении температуры газа скорость молекул увеличивается
Максвелл также рассмотрел зависимость вязкости и диффузии газа от
характеристик движения молекул. Людвиг Больцман в 1868 г. обобщил теорию
Максвелла, что вылилось в закон распределения Максвелла—Больцмана,
описывающий вероятностное распределение молекул газа по скоростям (в
потенциальном поле сил. - Прим. пер.) в зависимости от температуры. Любопытно,
что в то время ученые все еще спорили, существуют ли атомы.
Мы сталкиваемся с кинетической теорией в нашей повседневной жизни.
Например, надувая шину или воздушный шар, мы добавляем в замкнутое
пространство молекулы воздуха. Как следствие, изнутри полости в
ограничивающие ее стенки ударяется больше молекул, чем снаружи. В результате полость
расширяется.
СМ. ТАКЖЕ Газовый закон Шарля (1787), Атомная теория (1808), Газовый закон
Авогадро (1811), Броуновское движение (1827), Уравнение Больцмана для энтропии
(1875).
Согласно кинетической теории, когда мы выдуваем мыльный пузырь, то добавляем
больше молекул воздуха в замкнутое пространство. Вследствие этого большее число
молекул ударяются об оболочку пузыря изнутри, чем снаружи, что и заставляет
пузырь раздуваться.

ι ,
■-:-" -f < -

Уравнения Максвелла
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)
♦Если взглянуть на всю историю человечества, скажем, через десять тысяч
лет, - пишет физик Ричард Фейнман, — то станет очевидно: самое
значительное, что случилось в XIX в., — это, несомненно, открытие Максвеллом
законов электродинамики. По сравнению с этим важнейшим событием в истории
науки Гражданская война в Америке кажется мелким, глубоко
провинциальным эпизодом ».
Уравнения Максвелла - это набор четырех знаменитых формул,
описывающих поведение электрического и магнитного полей. В частности, они говорят,
какое электрическое поле создают электрические заряды и что магнитные
заряды не существуют. Они также показывают, какое магнитное поле создается
токами и как изменяющиеся магнитные поля порождает электрические поля.
Ко всему прочему, из них следует существование электромагнитных волн!
Если обозначить вектор электрического поля буквой Ε , а магнитного -
буквой В , если ε0 и μ0 - электрическая и магнитная проницаемости
соответственно, a J - вектор плотности тока, то уравнения Максвелла выглядят так:
V · Ε = — Закон Гаусса для электричества
εο
у д - η Закон Гаусса для магнетизма (отсутствие
магнитных монополей)
— — дЪ
V χ Ε = Закон электромагнитной индукции Фарадея
dt
~ - дЁ
V χ В = μ0·/ + р-фг. — Закон Ампера с добавлением Максвелла
Обратите внимание на изумительную компактность этих уравнений,
которые позволили Эйнштейну оценить достижения Максвелла столь же высоко,
как результаты Ньютона.
Философ Роберт П. Криз так пишет о важности уравнений Максвелла:
♦ Хотя уравнения Максвелла сравнительно просты, они кардинально
изменили наше понимание природы, объединив электричество и магнетизм,
соединив геометрию, топологию и физику. Они необходимы для понимания
окружающего нас мира. Будучи первыми уравнениями для физических полей, они
не только показали ученым новые подходы к физике, но и стали первым
шагом к объединению всех фундаментальных сил природы».
СМ. ТАКЖЕ Закон Ампера в теории электромагнетизма (1825), Закон электромагнитной
индукции Фарадея (1831), Гаусс и магнитный монополь (1835), Теория всего (1984).
СЛЕВА: Джеймс Клерк Максвелл с женой. 1869 г. СПРАВА: ферритовая память -
запоминающее устройство в компьютерах 1960х гг. Ее действие частично основано на
законе Ампера в уравнениях Максвелла, которые описывают возникновение кольцевого
магнитного поля вокруг проводника с током. Это поле меняет магнитную
поляризацию сердечников (на фото они имеют форму бубликов).

.
"ч
ν
<
>
ч
Ί
S
л
V ^
г
N
S

Спектр электромагнитного
излучения
Фридрих Уильям Гершель (1738-1822),
Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810),
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), Генрих Рудольф Герц (1857-1894)
Спектр электромагнитного излучения охватывает широкий диапазон частот
электромагнитных (ЭМ) волн. Эти взаимно перпендикулярные колебания
электрического и магнитного полей несут энергию и могут распространяться
в вакууме. Различные участки спектра соответствуют разным частотам ЭМ
волн. В порядке возрастания частоты (и убывания длины волны) мы
различаем радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет,
ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение.
Мы видим свет с длинами волн от 4000 до 7000 ангстрем (ангстрем равен
10~10 м), или в диапазоне 400-700 нм. Радиоволны генерируются
электронами, колеблющимися в антеннах передатчиков, их длины волн простираются
от метров до многих километров. Если представить электромагнитный спектр
в виде рояля с тридцатью октавами, где длина волны излучения удваивается
с каждой октавой, то видимый свет занимает лишь часть одной октавы. Если
мы хотим представить таким образом весь диапазон ЭМ излучения, доступный
нашим приборам, то к этому воображаемому роялю надо добавить по крайней
мере еще 20 октав.
У инопланетян могут быть более чувствительные органы зрения, чем наши.
Даже на Земле мы находим существа с более высокой чувствительностью.
Например, у гремучих змей есть детекторы инфракрасных лучей, что дает им
♦тепловое изображение» окружающего мира. Для нашего глаза самка и самец
индийской бабочки Сатурния Луна одинакового светло-зеленого цвета и
неотличимы друг от друга. Но сами бабочки воспринимают ультрафиолетовый
диапазон, и поэтому для них самки выглядят совершенно иначе, чем самцы.
Другие живые существа с трудом распознают этих бабочек на фоне зеленых
листьев, зато сами они видят своих партнеров ярко раскрашенными. Пчелы
тоже воспринимают ультрафиолетовые лучи. В ультрафиолете видно, что
многие цветы украшены великолепными узорами, на них пчелы и
ориентируются. Однако эти великолепные узоры совершенно недоступны для нас, людей.
Физики, перечисленные после заголовка статьи, внесли важный вклад в
изучение спектра электромагнитного излучения.
СМ. ТАКЖЕ Призма Ньютона (1672), Волновая природа света (1801), Линии Фраунгофе-
ра (1814), Оптический прибор Брюстера (1815), Флюоресценция Стокса (1852),
Рентгеновские лучи (1895), Лампа черного света (1903), Реликтовое излучение (1965), Гамма-
всплеск (1967), Чернейшая чернота (2008).
Для нашего глаза самка и самец бабочки Сатурния Луна одинакового светло-зеленого
цвета и неотличимы друг от друга. Но сами бабочки воспринимают
ультрафиолетовые лучи, а потому бабочка-самка выглядит в глазах своих соплеменников совсем не
так, как бабочка-самец.

Поверхностное натяжение
Лоранд фон Этвёш (1848-1919)
Физик Лоранд Этвёш однажды написал: «Поэты могут проникнуть в царство
тайн глубже, чем ученые». Однако сам он, чтобы раскрыть тайны
поверхностного натяжения, играющего важную роль во многих явлениях природы,
использовал вполне научные методы. Молекулы на поверхности жидкости
притягиваются внутрь межмолекулярными силами. Этвёш нашел интересную
зависимость поверхностного натяжения жидкости от ее температуры:
а = к(Т -Т)/У2а.
V с I m
Здесь поверхностное натяжение s жидкости связано с ее температурой Т,
критической температурой жидкости (Т ), и ее молярным объемом Vm ,
который связан с плотностью жидкости ρ соотношением V = Μ/ρ , где М -
молярная масса жидкости. Постоянная к имеет приблизительно одно и то же
значение для многих обычных жидкостей, включая воду. Тс - температура,
при которой поверхностное натяжение исчезает, т. е. величина σ становится
равной нулю.
Термин «поверхностное натяжение» относится к свойству жидкости,
вытекающему из того, что молекулярные силы вблизи ее поверхности не
уравновешены другими силами. Под действием этих сил притяжения поверхность
стремится сократиться подобно растянутой упругой мембране. Любопытно,
что поверхностное натяжение σ, которое можно рассматривать как энергию,
приходящуюся на единицу поверхности, изменяется с температурой по сути
одинаково для жидкостей разной природы. Во время своих опытов Этвёш
старался, чтобы его жидкости не были чем-либо загрязнены, поэтому он работал с
запаянными сосудами. Он также применял оптические методы измерения
поверхностного натяжения. Эти чувствительные методы
основываются на оптическом отражении, дающем картину
геометрической формы поверхности жидкости в разных точках.
Насекомое водомерка может бегать по воде, потому что
благодаря поверхностному натяжению поверхность воды ведет себя
как упругая мембрана. Исследователи из университета Карне-
ги-Меллон (Пенсильвания, США) создали роботизированных
» водомерок и обнаружили, что «оптимальная» длина
проволочных ножек, покрытых тефлоном, составляет примерно 5 см,
а тело массой 1 г на двенадцати ножках может нести груз до 9,3 г.
СМ. ТАКЖЕ Закон Стокса для вязкой жидкости (1851), Сверхтекучесть (1937), Лавовая
лампа (1963).
СЛЕВА: водомерка. СПРАВА: две красные скрепки плавают на воде. Цветные полосы
указывают на контуры водной поверхности. Погружению скрепок препятствует
поверхностное натяжение.

ч
Ν
V

Динамит
Альфред Бернхард Нобель (1833-1896)
♦ Человечество всегда искало способ обуздать разрушительную силу огня,
и история этого поиска - настоящая сага, начавшаяся на заре цивилизации, -
пишет историк науки Стивен Баун. — Хотя порох действительно вызвал
социальные изменения, свергнув феодализм и возвестив приход новых военных
структур..., поистине великая эпоха взрывчатых веществ, радикально и
безвозвратно изменивших мир, началась в 1860-х гг. благодаря замечательной
интуиции болезненного шведского химика по имени Альфред Нобель».
Нитроглицерин был изобретен около 1846 г. Эта мощная взрывчатка с
легкостью детонировала и была опасна для жизни работавших с ней людей.
В 1864 г. на фабрике Нобеля в Швеции, где производился нитроглицерин,
произошел взрыв. Погибло пять человек, включая его младшего брата
Эмиля. В 1866 г. Нобель открыл, что при смешивании нитроглицерина с
осадочной горной породой кизельгур (иногда называемой диатомовой землей) можно
получить взрывчатку, обладающую гораздо большей стабильностью. Годом
позже Нобель запатентовал эту взрывчатую смесь, назвав ее динамитом.
Поначалу динамит использовался в горнодобывающей и строительной
промышленности, а позже - и в военном деле. Вспомним британских солдат из десанта
на Галлиполи, которые делали бомбы из банок из-под джема, начиняя их
динамитом и металлическими обрезками. Для подрыва использовались
капсюли-детонаторы.
Главной задачей Нобеля было сделать нитроглицерин безопаснее. Он не
думал, что его изобретение будет использовано в военных целях. Наоборот,
будучи пацифистом, он верил, что динамит быстро покончит с войнами. По мысли
изобретателя, разрушительная мощь динамита сделает войны
невозможными, слишком страшными и пугающими, чтобы их начинать.
В наши дни Нобеля помнят благодаря учрежденной им Нобелевской
премии. На образовательном сайте The Bookrags сказано: «Многие находят
иронию судьбы в том, что Альфред Нобель оставил многомиллионное состояние,
нажитое на изобретении и производстве динамита, ...для учреждения премии,
присуждаемой "тем, кто в течение предыдущего года принес наибольшую
пользу человечеству"».
СМ. ТАКЖЕ Атомная бомба «Малыш» (1945).
Динамит иногда используется в открытых разработках месторождений, в карьерах
или каменоломнях, где добывают строительные материалы и штучный камень.

•ν" J
'*■■«·
4 t·?4^
t
■ι,'
л·.
Μ
. г
ι- .у: ι
1. -' *·■:-"*;
ι ' .·,
. ' ι ^
' 1
ι t--
.>

Демон Максвелла
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), Леон Николя Бриллюэн (1889-1969)
♦Демон Максвелла - это всего лишь простой мысленный образ, — пишут
физики Харви Лефф и Эндрю Рекс. - И все же он бросил вызов лучшим умам
научного мира, а обильная литература о нем охватывает термодинамику,
статистическую физику, квантовую механику, теорию информации,
кибернетику, вопросы пределов вычислительных мощностей, биологию, историю
и философию науки ».
Демон Максвелла — гипотетическое разумное существо, придуманное
шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, якобы способное
нарушить второе начало термодинамики. В одной из ранних формулировок этого
начала теромодинамики говорится, что полная энтропия (мера беспорядка)
замкнутой системы с течением времени растет, приближаясь к некоторому
максимальному значению. Кроме того, закон утверждает, что тепло не может
самопроизвольно перейти от холодного тела к более горячему.
Чтобы познакомиться с демоном Максвелла, представим себе два сосуда, А
и В, соединенных небольшим отверстием и содержащим газ при равной
температуре. Демон Максвелла может открывать и закрывать это отверстие, чтобы
пропускать сквозь него те или иные молекулы. Вообразим далее, что демон
позволяет пройти через отверстие из сосуда А в сосуд В лишь
быстро движущимся молекулам, и, наоборот, из β в А
пропускает только медленные молекулы. Таким путем демон
повышает кинетическую энергию (и температуру) газа в сосуде В,
которая может быть использована какими-то устройствами
для производства работы. Это создает, как кажется, лазейку,
позволяющую обойти Второе начало термодинамики. Итак,
демон Максвелла, миниатюрное существо - неважно, живое
или механическое, - использует случайные, статистические
свойства молекулярного движения для уменьшения
энтропии. Если бы какой-то ученый смог создать такое существо,
мир получил бы неисчерпаемый источник энергии.
Одно из «решений» проблемы демона Максвелла дал французский физик
Леон Бриллюэн (ок. 1950). Бриллюэн и другие изгнали демона, показав, что
тщательное наблюдение за молекулами и отделение быстрых молекул от
медленных, ведущее к уменьшению энтропии газа в сосудах, перекрывается
ростом полной энтропии системы, так как для функционирования демону
Максвелла нужна энергия от постороннего источника.
СМ. ТАКЖЕ Вечный двигатель (1150), Демон Лапласа (1814), Второе начало
термодинамики (1850).
СЛЕВА: демон Максвелла способен отделять горячие молекулы от холодных (показаны
красным и синим цветом). Может ли он обеспечить нас неиссякаемым источником
энергии? СПРАВА: художественный образ демона Максвелла, заставляющего быстрые
(оранжевые) молекулы накапливаться в одной области, а медленные (зеленые) - в другой.

Открытие гелия
Пьер Жюль Сезар Жансен (1824-1907),
Джозеф Норман Локьер (1836-1920), Уильям Рамзай (1852-1916)
♦Сейчас, когда наполненные гелием воздушные шарики видишь на каждом
детском дне рождения, может показаться удивительным, — пишут братья
Гарфинкли, физик Дэвид и писатель Ричард, - что [в 1868 г.] гелий был
окутан такой же тайной, как сегодня - темная материя. Тогда это было вещество,
никогда не встречавшееся на Земле, обнаруженное только на Солнце, да и то
лишь косвенно, по наличию в солнечном свете его спектральных линий».
Действительно, открытие гелия — событие достопримечательное: впервые
химический элемент был открыт на внеземном объекте до того, как его нашли
на Земле. Гелий в изобилии присутствует во Вселенной, однако большую часть
своей истории человечество о нем не знало.
Гелий инертен, бесцветен, не имеет запаха, а его температуры кипения и
плавления - ниже, чем у всех других химических элементов. По
распространенности во Вселенной гелий занимает второе место после водорода - на него
приходится около 24% массы звезд. Гелий был открыт в 1868 г. астрономами
Пьером Жансеном и Норманом Локьером, заметившими в излучении Солнца
неизвестные спектральные линии. На Земле гелий нашли только в 1895 г. -
британский химик сэр Уильям Рамзай обнаружил его в составе
радиоактивного, богатого ураном, минерала. В 1903 г. в США были найдены большие
запасы гелионосного природного газа.
Из-за чрезвычайно низкой температуры кипения жидкий гелий стал
стандартным охладителем сверхпроводящих магнитов, используемых в медицине
для МРТ (магнитно-резонансной томографии) и в ускорителях частиц. При
очень низкой температуре жидкий гелий приобретает свойство
сверхтекучести. Гелий также важен для глубоководных погружений - он препятствует
проникновению в мозг слишком больших количеств кислорода - и при сварке для
уменьшения окисления при высоких температурах. Он используется также
при запусках ракет, метеозондов и для обнаружения утечек в трубопроводах
и котлах.
Основная часть гелия во Вселенной — это образовавшийся при Большом
взрыве изотоп гелий-4, содержащий два протона, два нейтрона и два
электрона. Другая часть гелия родилась в звездах из ядер водорода в результате
ядерной реакции синтеза. На поверхности Земли гелий встречается сравнительно
редко, поскольку он настолько легок, что быстро улетает в космическое
пространство. Легкость гелия используется в аэростатах, поднимающихся в
атмосферу.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Термос (1892), Сверхпроводимость
(1911), Сверхтекучесть (1937), Ядерный магнитный резонанс (1938).
Дирижабль «Шенандоа» (ZR-1) военно-морского флота США летит вблизи Нью-Йорка
(ок. 1923). «Шенандоа» был первым дирижаблем жесткой конструкции, наполненным
гелием, а не легковоспламеняющимся водородом.

. ч
» V'
г^ч SvyfV
ч
s»
ч .-
ι· I

Крученый мяч в бейсболе
Фредерик Эрнст Голдсмит (1856-1939), Генрих Густав Магнус (1802-1870)
Роберт Адер, автор «Физики бейсбола», пишет: «Действия питчера
(подающего игрока) до отпускания мяча - искусство подачи, поведение же мяча в
полете... - чистая физика». Многие годы в популярных журналах бушевали
споры, действительно ли после крученой подачи в бейсболе мяч летит по
кривой или это просто разновидность оптической иллюзии.
Сегодня точно сказать, кто из игроков в бейсбол впервые применил
крученую подачу, нельзя, однако это часто ставят в заслугу профессиональному
питчеру Фреду Голдсмиту: именно ему принадлежит первая зафиксированная
публичная демонстрация крученой подачи. Случилось это 16 августа 1870 г.
в Бруклине, в Нью-Йорке. Много лет спустя исследования физики
крученого мяча показали, что при ударе топ-спин, когда мячу придается вращение
вперед, так что его верх вращается в направлении броска, траектория
полета значительно отличается от обычной. В частности, слой воздуха вращается
вместе с мячом подобно водовороту, и воздух у нижней части мяча движется с
большей скоростью, чем у верхней. Согласно закону Бернулли, давление в
потоке жидкости или газа падает с ростом скорости (см. статью «Закон
Бернулли в гидродинамике»). Разница давлений на верхней и нижней поверхностях
мяча заставляет мяч «нырять» при подлете к бэттеру (отбивающему игроку).
Понижение траектории может достигать полуметра по сравнению с полетом
невращающегося мяча. Немецкий физик Генрих Магнус описал этот эффект
в 1852 г.
В 1949 г. инженер Ральф Лайтфут с помощью аэродинамической трубы
доказал, что крученый мяч действительно летит по кривой траектории.
Однако оптическая иллюзия усиливает этот эффект, потому что при приближении
мяча к «дому» он смещается в периферическое поле зрения отбивающего
игрока, и вращение искажает восприятие траектории мяча, так что его снижение
кажется внезапным.
СМ. ТАКЖЕ Пушка (1132), Закон Бернулли в гидродинамике (1738), Ямки на мяче для
гольфа (1905), Установившаяся скорость падения в среде (1960).
При крученой подаче вращающийся у поверхности мяча слой воздуха создает разность
давлений сверху и снизу. Это заставляет мяч лететь по кривой траектории, которая
снижается вблизи отбивающего игрока.

\
■ν
■ν

Рэлеевское рассеяние
Джон Уильям Рэлей (1842-1919)
В 1868 г. шотландский поэт Джордж Макдональд писал: «Когда я смотрю в
синее небо, оно кажется таким глубоким, таким мирным, полным такой
таинственной нежности, что я мог бы лежать веками и ждать появления
светлого лица Господа из этого величественного добросердечия».
Многие годы и ученые, и обычные люди интересовались, почему небо
синее, а заходящее солнце - красное. Наконец в 1871 г. лорд Рэлей опубликовал
работу, которая дала ответы на эти вопросы. Напомним, что в «белом свете»
Солнца спрятан целый набор цветов, которые мы можем сделать видимыми
с помощью простой стеклянной призмы. Рэлеевское рассеяние - это
отклонение света молекулами газа и микроскопическими флуктуациями плотности
атмосферы. В частности, угол рассеяния обратно пропорционален четвертой
степени длины волны. Это означает, что волны, соответствующие синему
цвету, отклоняются гораздо сильнее, чем волны других цветов, например
красного, потому что длина «синих волн» короче длины «волн красных». Синий цвет
сильно рассеивается и приходит к наблюдателю на Земле со всех точек неба,
которое потому и воспринимается нами как синее. Любопытно, что небо не
кажется фиолетовым, хотя длина волны этого цвета еще короче, чем у синего.
Частично это происходит потому, что в составе солнечного света синих лучей
больше, чем фиолетовых, а кроме того, человеческий глаз более чувствителен
к синему.
Когда при закате Солнце стоит низко над горизонтом, слой воздуха, через
который солнечные лучи доходят до наблюдателя, толще, чем когда
Солнце стоит высоко в небе. Поэтому больше синих лучей отклоняется в сторону,
в приходящем солнечном луче доминируют длинные волны, и он кажется
красноватым.
Заметим, что рэлеевское рассеяние происходит на частицах размером
около одной десятой длины волны - например, на молекулах газа. Когда в
воздухе имеется много частиц большего размера, работают уже другие законы
физики. (Например, рассеяние света на капельках воды и кристалликах льда
происходит почти равномерно на всех частотах, и потому облака кажутся
белыми. - Прим. пер.)
СМ. ТАКЖЕ Объяснение радуги (1304), Северное полярное сияние (1621), Призма
Ньютона (1672), Парниковый эффект (1824), Зеленый луч (1882).
Многие годы и ученые, и обычные люди интересовались, почему небо синее, а
заходящее солнце - красное. Наконец в 1871 г. лорд Рэлей опубликовал работу, которая дала
ответы на эти вопросы.

Радиометр Крукса
Уильям Крукс (1832-1919)
В детстве у меня были три «световые мельницы», выстроенные в линию на
подоконнике. Их лопасти постоянно крутились, будто по волшебству.
Объяснение их вращения вызывало много споров, которые длились десятки лет.
И даже такой блестящий физик, как Джеймс Максвелл, поначалу пришел
в замешательство, увидя работу этой мельницы.
Радиометр Крукса, также называемый световой мельницей, был изобретен
в 1873 г. английским физиком Уильямом Круксом. Он состоит из стеклянной
колбы, из которой частично откачан воздух. Внутри на игле установлена четы-
рехлопастная крыльчатка. Каждая лопасть с одной стороны окрашена в
черный цвет, а с другой - в белый, или имеет отражающую поверхность. На свету
черные стороны лопастей поглощают фотоны и становятся теплее, чем
светлые стороны. Это заставляет лопасти вращаться, потому что черные стороны
лопастей стремятся выйти из-под действия света, как будет объяснено ниже.
Чем ярче свет, тем выше скорость вращения. Лопасти не будут крутиться при
слишком высоком вакууме в колбе, и это указывает, что причиной вращения
являются молекулы наполняющего ее газа. С другой стороны, сопротивление
неразреженного воздуха мешает вращению лопастей.
Поначалу Крукс решил, что мельница вращается из-
за давления света на ее лопасти, и Максвелл согласился с
такой гипотезой. Однако вскоре стало ясно, что такое
объяснение неудовлетворительно, поскольку крыльчатка не
вращалась в высоком вакууме. Кроме того, давление
света должно было бы заставить «убегать» от него светлую,
отражающую сторону лопастей. На самом деле световая
мельница вращается из-за движения молекул газа и
разницы температур зачерненных и блестящих поверхностей
лопастей. Здесь работает механизм, называемый тепловой
эффузией и связанный с движением молекул газа от более
холодных сторон лопастей к более теплым вблизи их краев. Это и создает
разницу давлений.
СМ. ТАКЖЕ Вечный двигатель (1150), Пьющая птичка (1945).
СЛЕВА: Уильям Крукс. Портрет взят из книги Д. Артура Томсона *Очерки о науке*
(1922). СПРАВА: радиометр Крукса, также называемый световой мельницей, состоит
из колбы, откуда частично откачан воздух. Внутри на игле установлена четырех-
лопастная крыльчатка. При освещении радиометра светом крыльчатка начинает
вращаться.

s"V
ι
ι

Уравнение Болыдмана для энтропии
Людвиг Эдуард Больцман (1844-1906)
Джордж Байрон как-то сказал: «Одной капли чернил достаточно, чтобы
пробудить мысль у миллионов людей». Австрийский физик Людвиг Больцман
был очарован статистической термодинамикой, занимающейся
математическим описанием поведения большого числа частиц в системе, включая и
движение молекул чернил в воде. В 1875 г. Больцман сформулировал
соотношение между энтропией S (грубо говоря, мерой беспорядка) и числом
возможных состояний W системы в виде компактного выражения S = k InW.
Здесь k - постоянная Больцмана. (Так ее назвал гораздо позже Макс Планк.
Постоянная Больцмана устанавливает связь между температурой и
энергией. - Прим. пер.)
Рассмотрим каплю чернил в воде. Согласно кинетической теории,
молекулы находятся в состоянии постоянного случайного движения и непрерывного
изменения взаимного положения. Мы предполагаем, что все возможные
конфигурации равновероятны, но большая их часть не соответствует состоянию,
когда молекулы чернил собраны в каплю. Поэтому через какое-то время мы
капли больше не увидим. Перемешивание молекул чернил с молекулами воды
происходит самопроизвольно просто потому, что число состояний такой смеси
гораздо больше числа состояний с отдельной каплей в воде. Спонтанные
(самопроизвольные) процессы приводят к более вероятному конечному состоянию.
Используя формулу S = k InW, мы можем вычислить энтропию и увидеть, что
чем больше состояний существует в системе, тем выше ее энтропия.
Состояния с большой вероятностью (например, разошедшиеся в воде чернила)
имеют большую энтропию. Спонтанные процессы ведут к конечному состоянию с
максимальной энтропией, что есть иная формулировка второго начала
термодинамики. Используя научную терминологию, мы можем сказать, что
существует W способов (число микросостояний), которыми можно получить данное
макросостояние — в нашем примере раствор капли чернил в стакане воды.
Хотя идея Больцмана вывести законы термодинамики из статистических
свойств молекул кажется нам сейчас очевидной, многие физики того времени
отвергали не только работы ученого, но даже саму концепцию атомов.
Повторяющиеся конфликты с другими физиками, усугубленные глубокой
депрессией, возможно, и подтолкнули Больцмана к самоубийству — трагедия случилась
в 1906 г., когда ученый находился на отдыхе с женой и дочерью. Больцмана
похоронили в Вене, а на могильном камне было высечено его знаменитое
уравнение для энтропии.
СМ. ТАКЖЕ Броуновское движение (1827), Второе начало термодинамики (1850),
Кинетическая теория (1859).
СЛЕВА: Людвиг Эдуард Больцман. СПРАВА: представим себе, что все возможные
конфигурации молекул воды и чернил равновероятны, но большая их часть не
соответствует состоянию, когда молекулы чернил собраны в каплю. Поэтому, добавив в воду
каплю чернил, мы через какое-то время больше ее не увидим.

*

Лампа накаливания
Джозеф Уилсон Суон (1828-1914), Томас Алва Эдисон (1847-1931)
Американский изобретатель Томас Эдисон, более всего известный как
создатель лампочки накаливания, однажды написал: «Чтобы изобретать, вам
требуется хорошее воображение и куча мусора». Эдисон был не единственным,
кто изобрел успешный вариант лампочки накаливания - источника света,
использующего тепловое излучение. Среди изобретателей лампы накаливания
был и англичанин Джозеф Суон. Но Эдисона помнят лучше из-за сочетания
ряда факторов, способствовавших продвижению его изобретения. Он
использовал нить накала с длительным временем жизни, добился более высокого
вакуума в колбе, чем другие изобретатели, а кроме того, придумал систему
распределения мощности, что давало возможность практического
использования лампочек для освещения зданий, городских улиц и поселков.
В лампе накаливания электрический ток проходит через нить и нагревает
ее до свечения. Стеклянная оболочка препятствует проникновению
кислорода из воздуха, который разрушил бы нить накала в результате реакции
окисления. Сложнее всего оказалось подобрать эффективный материал для нити.
Эдисоновская нить накала из карбонизированного бамбукового волокна могла
испускать свет в течение 1200 часов. В современных лампах нить часто
изготавливают из вольфрамовой проволоки, а колбу наполняют инертным газом
(например, аргоном), уменьшающим испарение материала нити. Нити в
форме спирали повышают эффективность лампы, нить типичной лампочки на 60
Вт и 120 В достигает в длину 580 мм.
Если лампа работает при низком напряжении, ее жизнь длится очень
долго. Например, «столетняя лампочка» на пожарной станции в Калифорнии
горит непрерывно с 1901 г. Вообще говоря, лампы накаливания неэффективны -
около 90% потребляемой энергии превращается в тепло, а не в видимый свет.
В наше время их начали вытеснять более эффективные варианты
светильников (например, компактные флуоресцентные энергосберегающие лампы). Но,
несмотря ни на что, простые лампы накаливания, которые когда-то пришли
на смену коптящим и опасным газовым лампам и свечам, изменили мир
навсегда.
СМ. ТАКЖЕ Закон Ома для электрической цепи (1827), Закон Джоуля для теплового
действия электрического тока (1840), Флюоресценция Стокса (1852), Лампа черного света
(1903), Электровакуумные лампы (1906).
Лампочка Эдисона с витком углеродной нити накала.

Плазма
Уильям Крукс (1832-1919)
Плазма — это ионизованный газ, состоящий из множества электронов и
ионов (атомов, потерявших электроны). Для создания плазмы нужна
энергия, которая может подводиться в разных формах - в виде тепловой энергии,
электрической или энергии излучения. Например, плазма образуется, если
газ нагреть так сильно, что при соударении атомов из них могут быть
выбиты электроны. Подобно газу, плазма принимает форму сосуда, в котором она
заключена. В отличие от обычных газов плазма в магнитном поле образует
структуры, подобные вытканным орнаментам - нити, ячейки, слои и прочие
узоры удивительной сложности. Плазма также отличается богатством волн,
которые в ней распространяются, но отсутствуют в обычных газах.
Британский физик Уильям Крукс первым распознал плазму в 1879 г.,
когда экспериментировал с газоразрядной вакуумной трубкой, названной позже
его именем. Любопытно, что плазма — самое распространенное состояние
веществ, она встречается гораздо чаще, чем твердые тела, жидкости или газы.
Сияющие звезды «сделаны» из этого «четвертого состояния вещества».
Простыми примерами источников плазмы в земных условиях могут служить
флюоресцентные лампы, плазменные телевизоры, неоновые рекламы и молнии.
Ионосфера - верхняя часть атмосферы Земли - состоит из плазмы,
порожденной солнечным излучением. Она играет важную роль в установлении дальней
радиосвязи.
При изучении свойств плазмы используют разнообразные газы в широком
диапазоне температур и интенсивностей внешних полей — вплоть до таких, что
встречаются в астрофизике и термоядерных реакциях. Заряженные частицы
в плазме находятся достаточно близко друг к другу, так что на каждую из них
воздействуют многие частицы, оказавшиеся поблизости. В плазменных
телевизорах возбужденные атомы ксенона и неона испускают кванты света -
фотоны. Некоторые из этих квантов относятся к невидимой для нас
ультрафиолетовой части спектра. Они взаимодействуют с люминофором на экране,
вынуждая его атомы в свою очередь испускать видимый свет. Каждый пиксель на
дисплее состоит из подпикселей меньшего размера, люминофор которых
испускает свет разного цвета — зеленый, красный и синий.
СМ. ТАКЖЕ Огни Святого Эльма (78), Неоновая реклама (1923), Лестница Иакова (1931),
Сонолюминесценция (1934), Токамак (1956), Проект HAARP (2007).
В плазменной лампе наблюдаются сложные явления, например филаментация
(образование нитей). Излучение красивых цветов возникает при переходе электронов из
возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией.

Эффект Холла
Эдвин Герберт Холл (1855-1938), Клаус фон Клитцинг (р. 1943)
В 1879 г. американский физик Эдвин Холл поместил тонкую золотую
прямоугольную пластинку в сильное магнитное поле, перпендикулярное ее
плоскости. Пусть хи х' обозначают одну пару параллельных сторон
прямоугольника, а у и у' - другую. Ученый подключил стороны л: и л:' к полюсам
батареи, так что через пластинку потек ток в направлении х. С удивлением Холл
обнаружил, что между сторонами учу' возникло небольшое электрическое
напряжение. Оно оказалось пропорциональным произведению плотности
тока на величину магнитного поля Вг. Многие годы эффект Холла не находил
практического применения из-за малости создаваемого напряжения. Однако
во второй половине XX в. эффект Холла оказался весьма полезным в
несчетном числе научных исследований и опытно-конструкторских разработок.
Отметим, что Холл обнаружил возникновение крохотного напряжения за 18 лет
до открытия электрона!
Константа Холла RH равна отношению индуцированного электрического
поля Ε к произведению плотности тока jx на В/. RH = Ε /ϋχΒ2). Отношение
возникающего вдоль оси у напряжения к силе тока называется холловским
сопротивлением. И константа Холла, и холловское сопротивление -
характеристики исследуемого вещества. Эффект Холла оказался очень полезен
при измерении магнитного поля или плотности носителей тока. Мы
используем термин «носители тока» вместо привычного «электроны», потому что
в принципе ток может создаваться и другими заряженными частицами, а не
только электронами (например, положительно заряженными носителями
тока - так называемыми дырками).
В наши дни на эффекте Холла работают разнообразные датчики - для
регистрации магнитного поля, потока жидкости, давления, а также в
автомобильных распределителях зажигания. В 1980 г. немецкий физик Клаус фон
Клитцинг открыл квантовый эффект Холла, заметив, что в сильных
магнитных полях и при низких температурах на графике зависимости холловского
сопротивления от магнитного поля наблюдаются «ступеньки» (плато).
СМ. ТАКЖЕ Закон электромагнитной индукции Фарадея (1831), Пьезоэлектрический
эффект (1880), Закон Кюри (1895).
В мощных пейнтбольных маркерах сенсоры на эффекте Холла укорачивают хоа курка,
что позволяет добиться высокой скорострельности. Ход курка - это расстояние,
проходимое им для приведения маркера в действие.

о
- ·— «J
\

Пьезоэлектрический эффект
Поль Жак Кюри (1856-1941), Пьер Кюри (1859-1906)
♦Любое [научное] открытие, сколь бы незначительным оно ни было, уже есть
непреходящее достижение», - писал Марии Склодовской-Кюри французский
физик Пьер Кюри за год до их женитьбы, призывая присоединиться к нему в
♦ их научной мечте». В подростковом возрасте Пьер Кюри был влюблен в
математику, особенно в стереометрию, которая позже оказалась полезной ему в
исследованиях по кристаллографии. В 1880 г. Пьер и его брат Поль Жак
показали, что при сжатии некоторые кристаллы производят электричество. Это
явление называется теперь пьезоэлектрическим эффектом. В их опытах
использовались кристаллы турмалина, кварца и топаза. В 1881 г. братья Кюри
нашли обратный эффект: в электрическом поле некоторые кристаллы
деформировались. И хотя деформация была мала, это явление нашло позже
применение в пьезоизлучателях и детекторах звука, а также для фокусировки
оптических компонентов. Пьезоэлектричество используется в граммофонах,
микрофонах и ультразвуковых гидролокаторах на подводных лодках. В наше
время пьезоэлектрические кристаллы применяются также в электронных
зажигалках для создания искры, поджигающей газ. Американские военные
изучали возможность использования пьезоэлектрических материалов в
солдатских ботинках для получения электричества в боевых условиях. В
микрофонах звуковые волны давят на пьезоэлектрический материал, создавая
меняющееся напряжение.
Научный журналист Уил Маккарти объясняет молекулярный механизм
пьезоэлектричества так: ♦Оно возникает из-за того, что давление
деформирует нейтральные молекулы, так что они становятся "диполями", с одного края
заряженными положительно, а с другого - отрицательно; в свою очередь, это
слабое дипольное поле создает падение электрического напряжения в
материале» . В старинных фонографах (патефонах, проигрывателях) игла скользит по
волнистым бороздкам аудиозаписи, что деформирует верхушку иглы,
сделанную из сегнетовой соли. Это порождает электрическое напряжение,
превращаемое далее в звук.
Любопытно, что костное вещество проявляет пьезоэлектрические свойства,
и создаваемое им электрическое напряжение может играть важную роль в
процессах формирования костей, их питания и эффектах, вызываемых
механическими нагрузками.
СМ. ТАКЖЕ Триболюминесценция (1620), Эффект Холла (1879).
В электрической зажигалке используется пьезоэлектрический материал. При
нажатии на кнопку молоточек ударяет в кристалл, а тот вырабатывает электрический
ток, который течет через искровой промежуток и поджигает газ.

Военные тубы
Гигантские акустические локаторы, многие модели которых выглядели
почти комично, сыграли важную роль в истории войн. Неформально их также
называли военными тубами. (Туба - самый низкий по регистру медный
духовой музыкальный инструмент. - Прим. пер.) Эти устройства,
примененные впервые в Первую мировую войну для обнаружения самолетов и пушек,
работали вплоть до первых лет Второй мировой войны. После изобретения в
1930-х гг. радара (системы обнаружения, использующей электромагнитное
излучение) военные тубы выглядели уже весьма устаревшими, но иногда их
все-же ставили - для дезинформации противника (например, чтобы фашисты
думали, что на этом участке нет радаров) или когда работе радаров мешали
активные радиопомехи. Так, еще в 1941 г. американцы применили
акустические локаторы для обнаружения первой японской атаки на филиппинском
острове Коррегидор.
С течением времени акустические локаторы меняли свой вид и размеры.
Среди них были и персональные устройства - укреплявшийся на плечах то-
пофон (1880), представляющий собой два разнесенных слуховых рожка.
Были и огромные многорупорные агрегаты, смонтированные на тележках
и обслуживавшиеся многочисленным персоналом. Немецкий вариант —
Ringtrichterrichtungshoerer («кольцевой рупорный акустический детектор
направления») применялся во Вторую мировую войну в ночное время - он
помогал прожекторам поймать самолеты.
В декабре 1918 г. американский научно-популярный
журнал Popular Science поместил рассказ, как
акустические локаторы обнаружили в один день местоположение
63 германских орудий. Микрофоны принимающих
станций, скрытых в скалах по всей местности, были
соединены проводами с центральной станцией. Там записывался
точный момент времени получения звукового сигнала.
Для обнаружения орудия каждая принимающая стан-
> . ция записывала звук летящего над ней снаряда, звуки
от выстрела и от разрыва снаряда. Вносились поправки
для учета изменения скорости звука в зависимости от
атмосферных условий. В конечном итоге, разница во
времени получения одного и того же звука разными
принимающими станциями сравнивалась с известными расстояниями между ними.
Британские и французские военные наблюдатели направляли затем свои
бомбардировщики, разрушавшие германские пушки, некоторые из которых были
замаскированы, и без помощи акустических локаторов их бы не обнаружили.
СМ. ТАКЖЕ Камертон (1711), Стетоскоп (1816).
СЛЕВА: огромная двухрупорная система на базе ВВС США в Боллинг-Филд под
Вашингтоном (1921). СПРАВА: японский император Хирохито инспектирует систему
акустических локаторов, называемых сегодня военными тубами. До изобретения
радаров такие локаторы применялись для обнаружения самолетов. Фотография
составлена из двух частей, являющихся зеркальным отражением друг друга.

I

Гальванометр
Ганс Христиан Эрстед (1777-1851),
Иоганн Карл Фридрих Гаусс (1777-1855),
Жак Арсен д'Арсонваль (1851-1940)
Гальванометр - это прибор для измерения электрического тока, в котором на
ток реагирует вращающаяся игла или стрелка. В середине XIX в.
шотландский ученый Джордж Уилсон с благоговением описывал пляшущую иглу
гальванометра, говоря, что похожая игла компаса «привела Колумба в
Новый Свет и была предшественницей и зачинателем телеграфа. В молчании ...
она вела первопроходцев через пустынные воды к неизведанным землям.
А потом люди пришли туда, построили дома, и им, жителям новых городов и
селений, захотелось иногда нежно поприветствовать друг друга, и тогда
молчание было нарушено. Дрожащая магнитная игла, укрепленная на катушке
гальванометра, - это язык электрического телеграфа, и вот инженеры уже
называют ее говорящей иглой».
Один из ранних вариантов гальванометра был описан в 1820 г. в работе
Ганса Христиана Эрстеда, который обнаружил, что текущий по проводу
электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, отклоняющее намагниченную
иглу. В 1833 г. Карл Фридрих Гаусс изобрел и соорудил телеграф, в котором
использовались сигналы, отклоняющие магнитную иглу. В этих старинных
гальванометрах применялся движущийся магнит. Недостатком конструкции
было то, что на нее могли воздействовать расположенные поблизости магниты
и железные предметы, так что отклонение стрелки не было точно
пропорционально протекающему току. В 1882 г. Жак Арсен д'Арсонваль изобрел
гальванометр со стационарным постоянным магнитом. Между его полюсами
помещалась проволочная катушка. Когда по ней протекал электрический ток,
она создавала магнитное поле и поворачивалась. К катушке была прикреплена
стрелка, угол отклонения которой менялся пропорционально току, идущему
через катушку. Когда ток выключали, небольшая крутильная пружина
возвращала катушку и стрелку в нулевое положение.
В наши дни игла гальванометра заменена на цифровые показания. Тем не
менее современные механизмы, подобные гальванометру, широко
используются для управления перемещением пишущего элемента, например, в
аналоговых ленточных регистрирующих устройствах или в считывающей головке в
дисководах компьютеров.
СМ. ТАКЖЕ Закон Ампера в теории электромагнетизма (1825), Закон электромагнитной
индукции Фарадея (1831).
СЛЕВА: Ганс Христиан Эрстед. СПРАВА: старинный амперметр с зажимами для
проводов и циферблатом, проградуированным в миллиамперах постоянного тока.
(Подлинный прибор из физической лаборатории колледжа Нью-Йоркского
государственного университета в Брокпорте.) Гальванометр д'Арсонваля - это амперметр
с движущейся катушкой.

• ** ""':■ ·..
WtuftRts
-s
«

Зеленый луч
Жюль Габриэль Берн (1828-1905),
Дэниэл Джозеф Келли О'Коннелл (1896-1982)
Интерес к таинственным зеленым вспышкам, которые иногда сверкают в
верхней части солнечного диска в момент его исчезновения или появления
из-за горизонта, возник в Западной Европе благодаря приключенческому
роману Жюля Верна «Зеленый луч» (1882). Там описаны поиски внушающего
суеверный страх зеленого луча, цвет которого «так красив, что ни один
художник не может составить для него краску на своей палитре и его нельзя
сравнить ни с одним из тех зеленых цветов, в которые окрашено бесконечное
множество растений, а также море, как бы ни были прозрачны его воды; если
есть в раю зеленый цвет, то он именно такой: истинный цвет надежды. ...Тот,
кто хоть раз увидит этот луч, никогда не ошибется ни в своих чувствах, ни в
чувствах другого». (Пер. М. Березкиной.)
Зеленые вспышки, которые легче всего наблюдать на горизонте над
свободной поверхностью океана, появляются в результате комбинации нескольких
оптических явлений. Проанализируем солнечный закат. Атмосфера Земли с
ее слоями воздуха переменной плотности действует как призма, разлагая
белый свет на цветные лучи, идущие под разными углами. Волны более высоких
частот, синие и зеленые, преломляются сильнее, чем волны с более низкими
частотами - красные и оранжевые. Когда Солнце уходит за горизонт, его
изображение в красных лучах загорожено Землей, а в зеленых лучах короткое
время оно может быть видимо. Зеленые вспышки усиливаются эффектом
миража, который искажает изображение отдаленных предметов (в том числе
увеличивая) из-за разности в плотности воздуха. Например, холодный воздух
плотнее теплого и потому имеет больший коэффициент преломления.
Заметим, что обычно «синий» луч не наблюдается, потому что лучи синего цвета
рассеиваются сильнее, чем зеленые, и не достигают глаза (см. статью «Рэлеев-
ское рассеяние»).
Многие годы ученые думали, что зеленый луч - это оптическая иллюзия,
вызванная слишком долгим наблюдением за заходящим Солнцем. Однако в
1954 г. священник из Ватикана Дэниэл О'Коннелл сфотографировал зеленый
луч от Солнца, восходящего над Средиземным морем, и тем самым доказал
существование этого необычного явления.
СМ. ТАКЖЕ Северное полярное сияние (1621), Закон преломления Снеллиуса (1621),
Эффект «черной капли» (1761), Рэлеевское рассеяние (1871), Проект HAARP (2007).
Зеленый луч, сфотографированный в Сан-Франциско в 2006 г.

Опыт Майкельсона-Морли
Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931)
и Эдвард Уильяме Морли (1838-1923)
♦Трудно представить себе ничто, — пишет физик Джеймс Трефил. - По-
видимому, человеческий ум стремится заполнить пустое пространство тем
или иным видом вещества. Столетиями это вещество люди называли эфиром
и полагали, что пустоту между небесными телами заполняет что-то вроде
разреженного желе».
В 1887 г. физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели первый
эксперимент по обнаружению светоносного эфира, заполняющего, как тогда
думали, пространство. Идея эфира вовсе не была сумасшедшей - в конце концов,
обычные волны распространяются в воде, а звуковые — в воздухе. Разве свету
точно так же не нужна среда для распространения в том, что представляется
нам пустотой, вакуумом? Для обнаружения эфира ученые разделили свет на
два пучка, идущих во взаимно перпендикулярных направлениях. Оба пучка
отражались от зеркал назад и снова соединялись, порождая
интерференционные полосы, расположение которых зависело от времени путешествия лучей
туда и обратно. Если Земля движется сквозь эфир, то при повороте прибора
интерференционные полосы сдвинутся, поскольку один луч замедлится
«эфирным ветром». Майкельсон так объяснял идею опыта своей дочери: «Два луча
света участвуют в соревновании, подобно двум пловцам. Один из них плывет
вдоль русла реки и потом назад, а второй покрывает ту же дистанцию в
поперечном направлении и тоже возвращается. Если в реке есть какое-то течение,
второй пловец всегда победит».
Для уменьшения вибраций при проведении таких точных измерений
прибор плавал на поверхности ртути. Его можно было вращать по отношению к
направлению движения Земли. Ученые не обнаружили никаких заметных
изменений в интерференционной картине. Это означало, что в своем движении
Земля не чувствует «эфирного ветра». Опыт Майкельсона-Морли стал самым
знаменитым из всех физических экспериментов с «отрицательным
результатом». Он помог убедить других физиков принять эйнштейновскую
специальную теорию относительности.
СМ. ТАКЖЕ Спектр электромагнитного излучения (1864), Преобразования Лоренца
(1904), Специальная теория относительности (1905).
Опыт Майкельсона-Морли показал, что Земля не движется сквозь эфирный ветер.
В конце XIX в. светоносный эфир считался средой, необходимой для распространения
света. На рисунке - художественный образ этой гипотетической тонкой субстанции.

•
'ч Λν
Л
;
•ν*
'V
г.
■ \ι
γ ■
*Ч,-.'Л .:
*·.,»·■' > /т.
=w
ι- %*
Μ·
« ν·
L-.J'
"4. * *Ь
УК:
νϊ-
4 >
■>· г
•ν
1

Рождение килограмма
Луи Лефёвр-Жино (1751-1829)
С 1889 г., года открытия Эйфелевой башни, эталоном килограмма является
платиново-иридиевый цилиндр размером с солонку. Он хранится,
тщательно изолированный от мира, в сосуде внутри сосуда внутри сосуда в сейфе с
контролируемой температурой и влажностью в подвале Международного
бюро мер и весов под Парижем. Чтобы открыть сейф, нужны три ключа.
Разные страны имеют официальные копии этого эталона массы, служащие
национальными стандартами. Физик Ричард Штайнер однажды заметил не без
юмора: «Если бы кто-то чихнул на этот эталон килограмма, все разновесы в
мире мгновенно стали бы неверными».
В наши дни килограмм остался единственной фундаментальной единицей,
досих пор определяемой физическим артефактом. Например, метр сейчас
определен как расстояние, проходимое светом в вакууме за время 1/299 792 458
секунды, а не как расстояние между двумя зарубками на бруске. Килограмм -
это единица массы, фундаментальной характеристики количества вещества в
данном физическом объекте. Как следует из второго закона Ньютона F = та
(где F - сила, т - масса и а — ускорение), чем больше масса тела, тем меньше
его ускорение при той же силе.
Ученые страшно боятся поцарапать или испачкать парижский цилиндр,
а потому его доставали из хранилища лишь трижды — в 1889, 1946 и 1989 г.
Исследователи обнаружили, что массы других существующих в мире
«эталонных» килограммов по загадочным причинам отличаются от массы
парижского цилиндра. Вероятно, копии становились тяжелее, поглощая молекулы
воздуха. А может быть, парижский цилиндр стал легче. Эти разночтения
привели физиков к поискам способа определить килограмм в терминах
фундаментальных неизменяющихся постоянных, независимо от какой-то определенной
металлической болванки. В 1799 г. французский химик Луи Лефёвр-Жино
определил килограмм как массу 1000 кубических сантиметров воды, но
измерения массы и объема были неудобны и неточны.
СМ. ТАКЖЕ Ускорение падающих тел (1638), Рождение метра (1889).
В торговле и промышленности в качестве эталонов массы часто используют
различные гири. Точность взвешивания меняется по мере их износа, появления царапин
и других повреждений. Надпись dkg на гире означает декаграмм; это метрическая
единица массы, равная 10 граммам.

-kg
0#<α
-.ν с

Рождение метра
В 1889 г. метр как основная единица длины существовал в виде
однометрового бруска, сделанного из платины и иридия и поддерживаемого при
температуре тающего льда. Физик и историк Питер Галисон пишет: «Когда руки
в перчатках опускали отполированный эталон метра в сейф в Париже, они в
буквальном смысле держали ключи к универсальной системе мер и весов.
Дипломатия и наука, национализм и интернационализм, конкретность и
универсальность, — все это сошлось в мирской святости хранилища».
Стандарты длины были, вероятно, среди самых ранних «инструментов»,
изобретенных человечеством для сооружения жилья или товарообмена.
Слово «метр» пришло из французского языка, а происходит оно от греческого
«метрон», что означает «мера». В 1791 г. Французская академия наук
предложила считать метр равным одной десятимиллионной расстояния от
экватора до Северного полюса, измеренного по парижскому меридиану. Для
определения этого расстояния была организована многолетняя французская
экспедиция.
Метр имеет долгую и удивительную историю. В 1799 г. французы
изготовили платиновый эталон нужной длины. В 1889 г. в качестве
международного эталона метра был принят более точный платиново-иридиевый брусок.
В 1960 г. метр был определен как 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения,
соответствующего переходу между квантовыми уровнями 2р10 и 5с?5 атома
криптона-86! Звучит впечатляюще. С тех пор метр уже прямо не связан с
измерениями Земли. Наконец, в 1983 г. мир согласился принять за эталон метра
расстояние, проходимое в вакууме светом за время 1/299 792 458 секунды.
Любопытно, что первый прототип метра был короче должного на одну
пятую миллиметра, потому что французы не учли, что Земля не имеет строго
сферическую форму, но слегка сплющена у полюсов. Однако, несмотря на эту
ошибку, длину эталона менять не стали. А теперь для увеличения точности
измерений изменили само определение метра.
СМ. ТАКЖЕ Звездный параллакс (1838), Рождение килограмма (1889).
Инженеры на протяжении столетий были заинтересованы в максимально точном
измерении длины. Например, циркуль можно использовать для измерения и сравнения
расстояний между двумя точками.

m ·
\ ^ > _ t -m.
■ν «..
-.*^4~ - «Ν' ^-">-^-г л*~
ььм..
-ι ·*~~~/ "*■
1. "* ·.♦>-»«»·*·
•
νίϊ*- ' - , '^ ■ ■' " Ρα../!»·»
ч».
..Даст
foi% ■·
ν

Гравитационная градиометрия
Этвёша
Лоранд фон Этвёш (1848-1919)
Венгерский физик и прославленный альпинист Лоранд Этвёш далеко не
первым использовал крутильные весы для изучения гравитационного
притяжения двух масс. (Такие весы по закручиванию нити позволяют измерить очень
слабые силы.) Однако Этвёш усовершенствовал прибор и добился увеличения
его чувствительности. Крутильные весы Этвёша стали одним из лучших
инструментов для измерения гравитационных сил на поверхности Земли и для
предсказания существования под ней некоторых структурных образований.
И хотя сам Этвёш сосредоточился на фундаментальных исследованиях, его
инструменты позже оказались важными для разведки месторождений нефти
и природного газа.
Крутильные весы Этвёша были первым инструментом гравитационной гра-
диометрии - измерений локальных изменений гравитационного поля.
Например, ранние измерения Этвёша включали составление карты изменений
потенциала сил тяготения в различных местах его кабинета, а вскоре и во всем
здании. Массы расположенных в комнате предметов влияли на получаемые
им результаты. Весы Этвёша можно также использовать для изучения
изменений гравитационного поля из-за медленного движения массивных тел или
жидкостей. Физик Петер Кирай пишет, что «изменения уровня воды в Дунае
могли быть измерены, как утверждалось, с точностью до сантиметра из
подвала, находящегося в 100 м от реки, но эти измерения не были хорошо
документированы ».
Результаты Этвёша показали также, что гравитационные массы тел
(входящие в ньютоновский закон всемирного тяготения F = Gmim2/r2) и их
инертные массы (отвечающие за инерцию во втором законе Ньютона, который мы
часто записываем в виде F = та) совпадают, по крайней мере, с точностью до
пяти миллиардных. Другими словами, Этвёш показал, что инертная масса
(мера сопротивления тела ускоряющему действию приложенной силы) - с
высокой степенью точности то же самое, что его гравитационная масса,
определяющая вес тела. Этот результат оказался впоследствии полезен Эйнштейну
при формулировке общей теории относительности - он сослался на работу
Этвёша в своей статье 1916 г.
СМ. ТАКЖЕ Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения (1687),
Кавендиш взвешивает Землю (1798), Общая теория относительности (1915).
СЛЕВА: Лоранд Этвёш, 1889. СПРАВА: нагляоное представление гравитационного
поля, созданное на основе данных, полученных НАСА в эксперименте GRACE, в
котором с двух спутников изучаются вариации сил тяготения, связанные, в частности,
с процессами изменения климата. Показана модель гравитационного поля на
территории Америки. Красный цвет обозначает места, где тяготение сильнее.

• *'V-
<
**^
•

Катушка Теслы
Никола Тесла (1856-1943)
Катушка Теслы сыграла значительную роль в возбуждении интереса
студентов многих поколений к чудесам науки и электрическим явлениям.
Режиссеры фильмов ужасов нашли катушкам Теслы весьма экзотическое
применение - в кино маньяки-ученые используют их иногда для создания
впечатляющих разрядов. Исследователи паранормальных явлений нафантазировали,
что «имеются сообщения об усилении сверхъестественных способностей в
присутствии работающих катушек Теслы».
Созданные в 1891 г. изобретателем Никола Теслой, эти катушки (их
называют также резонансными трансформаторами Теслы. - Прим. пер.) могут
использоваться для получения слабых переменных токов высокой частоты и
высокого напряжения. Сам Тесла применял катушки при проведении опытов по
беспроводной передаче электрической энергии, дабы глубже понять сущность
электрических явлений. «Ни один из типичных компонентов придуманных
им электрических цепей не был новинкой в то время, — сообщает PBS
(«Служба общественного вещания», некоммерческое объединение нескольких сот
телевизионных станций США. - Прим. пер.). - Но их соединение и совместное
функционирование привели к уникальным результатам. И не в последнюю
очередь — благодаря решающему усовершенствование ключевых элементов,
особенно специального трансформатора или катушки, которая является
сердцем созданных им устройств».
Электрический трансформатор передает электрическую энергию из одной
цепи в другую через трансформаторные катушки. Переменный ток в обмотке
первичной катушки порождает магнитный поток через сердечник
трансформатора, который, в свою очередь, создает изменяющееся магнитное поле. Это
поле индуцирует высокое напряжение в обмотке вторичной катушки. В
трансформаторе Теслы используются высоковольтный конденсатор и искровой
разрядник (прерыватель), которые периодически возбуждают первичную
катушку импульсами тока. Вторичная катушка возбуждается посредством
резонансной индуктивной связи. Чем больше витков содержит обмотка вторичной
катушки по сравнению с числом витков в первичной катушке, тем больше
повышение напряжения. Таким путем можно получить напряжение в
миллионы вольт.
Часто трансформаторы Теслы имеют на вершине металлический контакт
в виде шара или другой формы, откуда хаотически вылетают потоки
электричества. На деле Тесла соорудил мощный радиопередатчик, а также
использовал свое устройство для изучения рентгеновских лучей и фосфоресценции
(процесса, в котором энергия, поглощенная телом, испускается в форме
видимого света).
СМ. ТАКЖЕ Электростатический генератор фон Герике (1660), Лейденская банка (1744),
Воздушный змей Бена Франклина (1752), Фигуры Лихтенберга (1777), Лестница Иакова (1931).
Дуги высоковольтного разряда между катушкой Теслы и медной проволокой.
Напряжение здесь достигает примерно 100 000 В.

/

Термос
Джеймс Дьюар (1842-1923), Рейнгольд Бургер (1866-1954)
Термос (называемый также сосудом Дьюара) был изобретен в 1892 г.
шотландским физиком Джеймсом Дьюаром. Он представляет собой контейнер
с двойными стенками, между которыми создается вакуум, что позволяет
содержимому сосуда оставаться теплее или холоднее окружающей среды в
течение длительного времени. После его промышленного внедрения немецким
стеклодувом Рейнгольдом Бургером термос * мгновенно стал успешным и
хорошо продаваемым во всем мире изделием, частично благодаря бесплатной
рекламе со стороны ведущих исследователей и первопроходцев того
времени, - пишет Джоэл Леви. - Термосы брали с собой Эрнст Шеклтон на
Южный полюс, Уильям Перри на Северный полюс, полковник Рузвельт и Ричард
Хардинг Дэвис в бассейн реки Конго, сэр Эдмунд Хиллари на Эверест и,
наконец, братья Райт и граф фон Цеппелин - в поднебесье».
Принцип действия сосуда Дьюара состоит в лимитировании трех основных
процессов, ответственных за теплообмен с окружающей средой:
теплопроводности (благодаря которой, например, тепло распространяется от нагретого
конца железного стержня к его холодному концу), теплового излучения (его
мы чувствуем у камина от углей, когда огонь уже погас) и конвекции (этот
процесс происходит, например, при перемешивании супа в кастрюле, подогретой
снизу). Узкий пустой промежуток между внутренней и внешней стенками
термоса, откуда выкачан воздух, уменьшает потери тепла от теплопроводности
и конвекции, а отражающее покрытие стеклянной колбы уменьшает
инфракрасное излучение. Ценность термоса как раз основана на его свойстве
сохранять напитки горячими или холодными. Это свойство позволяет также
перевозить в термосе вакцины, кровяную плазму, инсулин, редких тропических
рыб и многое другое. Во время Второй мировой войны в Великобритании было
произведено около 10 000 термосов - их брали с собой военные летчики в
ночные полеты над Европой. В наши дни в лабораториях всего мира термосы
(сосуды Дьюара) используют для хранения таких ультрахолодных субстанций,
как жидкие азот или кислород.
В 2009 г. ученые Станфордского университета показали, что чередующиеся
слои фотонных кристаллов (периодических структур, не пропускающих свет
определенных узких диапазонов частот), разделенные вакуумными
промежутками, значительно лучше подавляют тепловое излучение, нежели только
вакуум.
СМ. ТАКЖЕ Закон теплопроводности Фурье (1822), Открытие гелия (1868).
Термосы используются не только для сохранения температуры напитков (горячих или
холодных), но и для транспортировки вакцин, сыворотки крови, редких тропических
рыб и многого другого. В лабораториях сосуды Дьюара применяют для хранения
ультрахолодных субстанций - таких как жидкий азот или кислород.

Рентгеновские лучи
Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923), Макс фон Лауэ (1879-1960)
Увидев рентгеновское изображение своей руки, жена Вильгельма
Рентгена «в испуге вскрикнула и решила, что лучи, открытые ее мужем, — дурное
предзнаменование, предвестники смерти, - рассказывает писатель и ученый
Кендал Хейвен. - Через месяц о рентгеновских лучах уже говорил весь мир.
Скептики называли их лучами смерти, несущими гибель всему человечеству,
а восторженные мечтатели - чудесными лучами, которые помогут слепым
снова видеть и благодаря которым графические изображения будут
передавать прямо в мозг студентов». Открытие рентгеновских лучей стало
важнейшим этапом в развитии медицины, поворотной точкой в лечении больных и
раненых.
8 ноября 1895 г., экспериментируя с катодно-лучевой трубкой, немецкий
физик Вильгельм Рентген обнаружил, что при включении трубки
выброшенный флюоресцентный экран, лежавший в метре от нее, начинает светиться,
причем даже несмотря на то, что трубка была покрыта толстым картоном.
Он понял, что трубка испускает какие-то невидимые лучи. Оказалось, они
могут проникать сквозь различные материалы, включая дерево, стекло и резину.
Когда Рентген поместил на пути лучей свою руку, он увидел теневое
изображение собственных костей. Он назвал это излучение Х-лучами (Икс-лучами),
т. е. таинственными, загадочными. (В математике буквой X обычно
обозначают неизвестную величину. - Прим. пер.) Рентген продолжал свои опыты в
обстановке секретности, чтобы лучше понять явление, прежде чем обсуждать
его с коллегами-учеными. За систематические исследования Х-лучей Рентген
был удостоен Нобелевской премии — первым в ее истории.
Медики быстро осознали ценность рентгеновских лучей для диагностики
и стали применять их в своей практике, однако в природе Х-лучей полностью
разобрались только в 1912 г., когда Макс фон Лауэ облучил ими кристалл и
получил дифракционную картину. Это доказало, что рентгеновские лучи —
электромагнитное излучение, подобное свету, но имеющее более высокую
энергию и более короткие длины волн, сравнимые с расстояниями между
атомами в молекулах. В наше время рентгеновские лучи где только не
используются — от рентгеновской кристаллографии (выявляющей структуру молекул)
до рентгеновской астрономии (например, при изучении источников
рентгеновского излучения в космосе с помощью детекторов рентгеновских лучей,
установленных на спутниках).
СМ. ТАКЖЕ Телескоп (1608), Триболюминесценция (1620), Спектр электромагнитного
излучения (1864), Радиоактивность (1896), Тормозное излучение (1909), Условие Брэгга
для дифракции на кристалле (1912), Эффект Комптона (1923).
Рентгеновский снимок головы человека в профиль. Видны болты, использованные для
восстановления костей челюсти.

Закон Кюри
Пьер Кюри (1859-1906)
Французский физик и химик Пьер Кюри в детстве считал себя тупым и
никогда не ходил в школу. По иронии судьбы, позже, в 1903 г., он вместе со
своей женой Марией получил Нобелевскую премию (за работы по
радиоактивности). В 1895 г. он выяснил интересную зависимость намагниченности
некоторых материалов от приложенного магнитного поля и температуры Т:
Μ = C(Bext/T). Здесь Μ - результирующая намагниченность материала,
Bext - плотность магнитного потока приложенного внешнего поля, а С - так
называемая постоянная Кюри данного материала. Согласно закону Кюри,
при увеличении приложенного магнитного поля намагниченность
помещенного в него материала увеличивается. При повышении температуры при
постоянном магнитном поле намагниченность уменьшается.
Закон Кюри применим к парамагнитным веществам, таким как
алюминий или медь, в которых крошечные атомные магнитные диполи стремятся
выстроиться в одном направлении во внешнем магнитном поле.
Парамагнетики могут стать очень слабыми магнитами. В частности, в магнитном поле
они притягиваются и отталкиваются, как обычные магниты. В отсутствие
внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетика
ориентированы хаотически, и материал не проявляет
магнитных свойств. В магнитном поле моменты стремятся
выстроиться вдоль поля, чему препятствует тепловое
движение, которое ориентирует моменты случайным
образом.
Парамагнитные свойства могут наблюдаться также
у ферромагнитных веществ - у железа и никеля,
например, — при температурах выше точки Кюри. Точ-
^ ка Кюри, или температура Кюри, - это температура,
; О I при которой материалы теряют свои ферромагнитные
t свойства, т. е. способность к самопроизвольной
(спонтанной) намагниченности даже в отсутствие
внешнего магнитного поля. Из ферромагнетиков сделаны
магниты, с которыми мы встречаемся в домашних
условиях, - например, постоянные магниты, которые можно поместить на дверцу
холодильника, или подковообразный магнит, с которым мы играли в детстве.
СМ. ТАКЖЕ De Magnete («О магните») (1600), Эффект Холла (1879), Пьезоэлектрический
эффект (1880).
СЛЕВА: Пьер Кюри и его жена Мария, с которой они вместе получили Нобелевскую
премию. СПРАВА: платиновый самородок, найденный на территории хребта Кондёр
в Якутии. Платина - металл, проявляющий парамагнитные свойства при комнатной
температуре.

-*γ>\γ· "s
■■Л
:"""ν:-·4"·.τν .'■
■ '>".■ г
' «'
■' 1
•ис- ~·"- .'**~
*»'-..
1- Л ^"^
^ /
-, N ·&·■
■ Jr
■'J.
"4»
•4';.
ΪΙ'
» ' '.V
-*·
*4«
- » ,
vb^e;
*
S3C
y<
'- - ^ tf
X. .

Радиоактивность
Абель Ньепс де Сен-Виктор (1805-1870), Антуан Анри Беккерель
(1852-1908), Пьер Кюри (1859-1906), Мария Склодовская-Кюри
(1867-1934), Эрнст Резерфорд (1871-1937), Фредерик Содди (1877-1956)
Чтобы понять поведение радиоактивных атомных ядер, представьте попкорн,
трескающийся в нагревателе. Зерна лопаются случайным образом в
течение нескольких минут, а некоторые не лопаются вообще. Аналогично, ядра
атомов многих элементов стабильны и сейчас точно такие же, какими были
столетия назад. Но другие виды ядер нестабильны и извергают при распаде
осколки. Этот процесс и называется радиоактивностью.
Принято говорить, что радиоактивность была открыта в 1896 г., когда
французский ученый Анри Беккерель обнаружил свечение солей урана. Годом
раньше немецкий физик Вильгельм Рентген открыл Х-лучи, проводя опыты с
электронно-лучевой трубкой. Беккереля интересовало, испускают ли
фосфоресцирующие соединения также и рентгеновские лучи (эти материалы излучают
видимый свет при возбуждении солнечным светом или другими
электромагнитными волнами). Беккерель поместил уранилсульфат калия на фотопластинку,
завернутую в черную бумагу. Он хотел посмотреть, будет ли этот материал
фосфоресцировать и испускать рентгеновские лучи при облучении светом.
К удивлению Беккереля, содержащее уран соединение засветило
фотопластинку, когда этот пакет еще находился в ящике! Уран, казалось,
испускает какие-то всепроникающие «лучи». В 1898 г. Мария и Пьер Кюри
открыли два новых радиоактивных элемента - полоний и радий. (Полоний назван
в честь Польши, родины Марии Склодовской-Кюри. Название «радий» —
от лат. radius, луч. - Прим. пер.) К сожалению, опасность радиоактивности
осознали не сразу, и некоторые врачи даже начали прописывать своим
пациентам радиевые клизмы и другие подобные процедуры. Позже Эрнст
Резерфорд и Фредерик Содди обнаружили, что подобные радию элементы в
результате цепочки радиоактивных распадов превращаются в другие вещества.
Ученые смогли установить три обычных вида радиоактивности:
альфа-лучи (ядра гелия), бета-лучи (электроны высоких энергий) и гамма-лучи
(электромагнитное излучение высокой энергии). Сегодня явление радиоактивности
используется очень широко - и для получения медицинских цифровых
изображений, и для уничтожения опухолей, а также для датировки древних
артефактов и радиационной стерилизации пищи.
СМ. ТАКЖЕ Доисторический ядерный реактор (2 млрд до н. э.), Рентгеновские лучи
(1895), Закон эффузии Грэма (1829), Ε = тс2 (1905), Счетчик Гейгера (1908),
Квантовое туннелирование (1928), Циклотрон (1929), Нейтрон (1932), Ядерная энергия (1942),
Атомная бомба «Малыш» (1945), Радиоуглеродный метод датировки (1949), Нарушение
СР-инвариантности (1964).
В конце 1950-х гг. в США стали активно строить противорадиационные убежища. Они
предназначались для защиты людей от радиоактивного мусора после ядерного взрыва.
В этих убежищах можно было жить, пока радиоактивность снаружи не упадет до
безопасного уровня.

: ·/,· ν · ■/
-*- «
.-· \
<*
\4
.£■:
^ -
\
чЧь.
l-t^
ar.-Vfh
л. .
■*"
t-
•л
ι
Ν ,
У
S\.
J\
L
ьЛ
t У
V
; 4
ч
' Ϊ
I
1
*A-
I- /.
I.
/,VA
I
i
- i
' v\
<
v4 .
•"W*
~3*
4-.
t

Электрон
Джозеф Джон Томсон (1856-1940)
♦Физик Дж. Дж. Томсон любил посмеяться, - рассказывает писательница
Джозефа Шерман. - Но он был также неуклюж. Пробирки ломались у него
в руках, а приборы отказывались работать». Тем не менее нам повезло, что
Томсон отличался упорством и открыл то, что подозревали Бенджамин
Франклин и другие ученые: электрические явления производятся крошечными
носителями электрического заряда. В 1897 г. Томсон установил, что электрон -
это отдельная частица, масса которой много меньше массы атома. Он
экспериментировал с катодными лучами - потоком энергии в вакуумной трубке
между положительно и отрицательно заряженными электродами. Хотя в то
время никто толком не знал, что представляют собой катодные лучи, Томсону
удалось отклонить их магнитным полем. Наблюдая прохождение катодных
лучей через электрическое и магнитное поля, он обнаружил, что они
состоят из одинаковых частиц, не зависящих от металла, из которого сделан
испускающий их катод. Все эти частицы имели одинаковый удельный заряд
(отношение заряда к массе). Другие ученые также проводили подобные
опыты и получали подобные результаты, но Томсон первым предположил, что
эти частицы, «корпускулы», являются носителями всех видов электричества
и фундаментальными составляющими вещества.
Обсуждения различных свойств электрона содержатся во многих разделах
этой книги. Сейчас мы знаем, что электрон - это субатомная частица с
отрицательным электрическим зарядом и массой, которая в 1836 раз меньше массы
протона. Движущийся электрон создает магнитное поле. Силы притяжения
между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным
электроном, известные под названием кулоновских, удерживают электроны
в атомах. Химические связи между двумя атомами возникают, когда два или
более электронов принадлежат и тому, и другому атому.
Американский институт физики (некоммерческое международное
сообщество физиков, объединяющее более 100 000 ученых разных стран. — Прим.
пер.) утверждает: «Современные идеи и технологии, основанные на электроне
и выливающиеся в телевидение, компьютеры и т. д., прошли в своем
развитии немало трудных этапов. За тщательными опытами и смелыми гипотезами
Томсона последовали ключевые экспериментальные и теоретические работы
множества других ученых, тех, кто открыл нам новые перспективы — взгляд
изнутри атома».
СМ. ТАКЖЕ Волновая природа света (1801), Атомная теория (1808), Фотоэффект (1905),
Атом Бора (1913), Опыт Милликена с масляными каплями (1913), Соотношение де Брой-
ля (1924), Опыт Штерна-Герлаха (1922), Принцип запрета Паули (1925), Волновое
уравнение Шрёдингера (1926), Уравнение Дирака (1928), Квантовая электродинамика (1948).
Грозовой разряд - это поток электронов. Передний край молнии распространяется со
скоростью 60 км/с, а температура там может достигать 30 000 "С.

A
4
Ν
i

Масс-спектрометр
Вильгельм Вин (1864-1928), Джозеф Джон Томсон (1856-1940)
♦Масс-спектрограф — несомненно, один из приборов, внесших в XX в.
наибольший вклад в развитие науки и научного знания», - пишет Саймон Дэвис.
Масс-спектрометр применяется для измерения масс и относительных
концентраций атомов и молекул в анализируемом образце. Принцип его действия
таков: создается поток ионов из анализируемого химического соединения,
которые затем разделяются в соответствии с отношением их массы к заряду
(т/г). После этого ионы регистрируют и для каждой группы определяют
отношение т/г и относительную концентрацию данного вида атомов или
молекул в образце. Химические соединения могут быть ионизованы многими
способами, включая бомбардировку быстрыми электронами. Образующиеся
при этом ионы бывают заряженными атомами, молекулами или осколками
молекул. Например, если на препарат направить пучок электронов, они при
столкновении с молекулами будут выбивать из них электроны и превращать в
положительно заряженные ионы. Иногда при этом разрушаются
молекулярные связи и образуются заряженные осколки молекул. В масс-спектрометрах
можно менять скорость заряженных частиц, пропуская их через
электрическое поле. Направление их движения также меняется под воздействием
магнитного поля. Величина отклонения зависит от отношения т/г (например,
легкие ионы отклоняются магнитным полем больше, чем тяжелые). Детектор
регистрирует относительную концентрацию ионов каждого типа.
При идентификации зарегистрированных ионов полученный спектр масс
часто сравнивают со спектром известных веществ. Масс-спектрометры можно
использовать во многих прикладных целях, включая определение изотопного
состава образца (т. е. относительной концентрации изотопов — атомов одного и
того же химического элемента, отличающихся числом нейтронов в ядре),
изучение белковых молекул методом мягкой ионизации («электроспрей.») и
исследование космического пространства. Например, масс-спектрометры,
помещенные на космические зонды, применялись для изучения атмосфер других
планет и их спутников.
Начало масс-спектрометрии положил в 1898 г. физик Вильгельм Вин -
он обнаружил, что пучки зараженных частиц отклоняются электрическим и
магнитным полями по-разному в зависимости от отношения т/г. Дж. Томсон
и другие ученые позже усовершенствовали масс-спектрометры.
СМ. ТАКЖЕ Линии Фраунгофера (1814), Электрон (1897), Циклотрон (1929),
Радиоуглеродный метод датировки (1949).
Масс-спектрометр космического аппарата «Кассини-Гюйгенс» предназначен для
анализа частиц в атмосфере Сатурна, его спутников и колец. Запущенный в 1997 г.,
этот аппарат создан в рамках совместной программы НАСА, Европейского
космического агентства и Итальянского космического агентства.

\\\

Закон излучения
абсолютно черного тела
Макс Карл Эрнст Людвиг План к (1858-1947),
Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887)
«Квантовая механика волшебна», - пишет специалист по квантовой теории
Дэниэль Гринбергер. Квантовая механика, согласно которой вещество
обладает свойствами как волны, так и частицы, родилась после новаторских работ
по излучению нагретых объектов. Представьте спираль электронагревателя,
которая становится сначала коричневой, а затем, нагреваясь, — красной.
Закон излучения абсолютно черного тела (АЧТ), предложенный немецким
физиком Максом Планком в 1900 г., определяет количество энергии,
испускаемой черными телами на данной длине волны. АЧТ - это объект, который
испускает и поглощает максимально возможное количество излучения на
любой данной длине волны при любой данной температуре.
Количество теплового излучения АЧТ изменяется с частотой и
температурой. Значительная часть спектра излучения многих предметов из нашей
повседневной жизни приходится на инфракрасный или субмиллиметровый
диапазоны, невидимые человеческим глазом. Однако по мере повышения
температуры тела превалирующая часть спектра его излучения смещается, так что
мы можем видеть его свечение.
В лабораторных условиях АЧТ можно смоделировать, взяв большой
полый твердый объект наподобие сферической оболочки, в которой проделано
небольшое отверстие. Излучение, попадающее в отверстие, отражается от
внутренних стенок, теряя при каждом отражении энергию, которая поглощается
оболочкой. К тому моменту, когда излучение доберется, наконец, к
выходному отверстию, его интенсивность будет пренебрежимо мала. Таким образом,
отверстие играет роль АЧТ, поглощающего все падающее на него излучение.
Планк представил стенки полости такого АЧТ как набор микроскопических
электромагнитных осцилляторов. Он постулировал, что их энергия дискретна
и может принимать лишь определенные значения. Эти осцилляторы
способны излучать энергию в полость или поглощать ее оттуда только дискретными
порциями - так называемыми квантами. Представления Планка о
квантовании энергии осцилляторов и теоретический вывод его закона излучения АЧТ
принесли ему в 1918 г. Нобелевскую премию. Сейчас мы знаем, что Вселенная
сразу после Большого взрыва была почти идеальным черным телом. Термин
«черное тело» был введен в 1860 г. немецким физиком Густавом Кирхгофом.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Фотоэффект (1905).
СЛЕВА: Макс Планк (1878). СПРАВА: раскаленная расплавленная лава дает
примерное представление об излучении черного тела. По цвету лавы можно оценить ее
температуру.

- ·ίν-
.. «* ·
Ι ν · .* ··
?'. « >st
•·>ϊ
ί·. *
* г.
4/4ί.,Λ-'.
1;^^ .·ν.
«5?
■ ',·
<
.4.
~3
---<
^

Клотоида (спираль Корню)
Эдвин Прескотт (1841-1931)
Когда в следующий раз вы увидите вертикальные петли американских горок,
то, удивившись, что люди позволяют переворачивать себя вниз головой и
везти с бешеной скоростью по весьма небезопасным дугам, обратите внимание
на форму этих дуг. Они не являются окружностями, а, скорее, имеют форму
перевернутой слезинки. В математике такие кривые называются
клотоидами, они - часть спирали Корню. Эта форма петель выбрана из соображений
безопасности.
На традиционных американских горках потенциальная энергия в поле
силы тяжести запасается на большом начальном подъеме. Затем, когда поезд
начинает падать, она превращается в кинетическую энергию. Петли в
форме окружности, в отличие от клотоиды, потребовали бы большей скорости,
чтобы поезд мог завершить оборот. Большая скорость в нижней части петли
привела бы к значительным центростремительным ускорениям и большим
перегрузкам, опасным для пассажиров. Если наложить клотоиду на
окружность (см. рисунок), видно, что вершина петли клотоиды лежит ниже
вершины окружности. Поскольку поезд на американских горках превращает свою
кинетическую энергию в потенциальную, поднимаясь к вершине петли, для
клотоиды она может быть достигнута при меньшей скорости и меньших
перегрузках. Также более короткая дуга на вершине клотоиды позво-
""•vw ляет поезду проводить меньше времени на участке пути, где он идет
X медленнее и в перевернутом положении.
Одно из самых ранних применений формы слезинки
зафиксировано в 1901 г., когда изобретатель Эдвин Прескотт
построил аттракцион «Мертвая петля» на Кони-Айленд в Нью-Йорке.
Прескотт освоил механику почти самостоятельно. В 1898 г. в его
варианте «центробежной железной дороги» применялись петли
в форме окружностей. Центростремительное ускорение в его
аттракционе приводило к значительным нагрузкам на тела
пассажиров, когда поезд проходил участок петли с большой скоростью, а потому
в 1901 г. Прескотт запатентовал конструкцию с петлями в форме слезинок.
СМ. ТАКЖЕ Ускорение падающих тел (1638), Таутохронный спуск (1673), Ньютоновские
законы движения и закон всемирного тяготения (1687).
Петли американских горок не являются окружностями, скорее, они имеют форму
перевернутой слезинки. Частично из соображений безопасности петли делают в форме
клотоиды.
280

/'
I
I
I
1
t
t
*
\
~4-:>.
Ύ
У
**
Л
/
Ч
У
ΐ -
V
/
W *
~>
4.
Λ
\

Лампа черного света
Роберт Уильям Вуд (1868-1955)
Те из вас, кому возраст позволяет помнить флуоресцирующие плакаты,
развешанные повсеместно в психоделических 1960-х гг., оценят давние
впечатления писателя Эдварда Риэлли: «Люди, отключавшиеся при помощи ЛСД,
обожали "черный свет", который можно было купить в магазинах для
наркоманов вместе с флюоресцентными красками и красителями.
Флюоресцирующие одежда или постеры создавали под лампами черного света визуальный
аналог эффекту ЛСД». Даже в ресторанах иногда устанавливали лампы
черного света — для создания атмосферы таинственности. Писательница Ларен
Стовер отмечала: «Обычное дело - увидеть у хиппи в доме флюоресцирующие
постеры с Джими Хендриксом, а в углу - выделяющую пузырьки лавовую
лампу».
Лампа черного света (также называемая лампой Вуда) испускает
электромагнитное излучение в ближнем ультрафиолетовом диапазоне (см. статью
«Флюоресценция Стокса»). В конструкции лампы черного света технологи
часто применяют стекло Вуда - стекло пурпурного цвета, содержащее оксид
никеля, которое не пропускает большую часть видимого света, но прозрачно
для ультрафиолетового излучения. Пик излучательной способности
фосфора, находящегося внутри колбы лампы, приходится на длину волны ниже
400 нм. Первые лампы черного цвета, лампочки накаливания с колбами из
стекла Вуда, сильно нагревались и были неэффективными. В наши дни одна из
конструкций лампы черного света применяется для заманивания насекомых
в морилки на открытом воздухе. Для удешевления аппарата в этих лампах не
используется стекло Вуда, и они испускают больше видимого света.
Глаз человека не видит в ультрафиолете, но мы видим флюоресценцию и
фосфоресценцию психоделических постеров, когда на них падает черный свет.
Лампы черного света применяют в самых разных областях - от
криминалистики, где они используются для обнаружения следов крови и спермы, до
дерматологии, где с их помощью выявляют различные дефекты и инфекционные
заболевания кожи.
Хотя лампы черного света изобрел химик Уильям Байлер, они чаще всего
ассоциируются с именем американского физика Роберта Вуда, «отца
ультрафиолетовой фотографии» и изобретателя стекла Вуда (1930).
СМ. ТАКЖЕ Флюоресценция Стокса (1852), Спектр электромагнитного излучения (1864),
Лампа накаливания (1878), Неоновая реклама (1923), Лавовая лампа (1963).
Жители юго-западных штатов США применяют лампы черного света для
обнаружения ночных скорпионов, которые могут проникнуть в дом. Тело скорпиона ярко
флюоресцирует при освещении черным светом.

\
I
r
ι
I

Уравнение Циолковского
для ракеты
Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935)
♦Запуск космического "челнока" - это, пожалуй, наиболее яркий образ
современных космических путешествий, - пишет Дуглас Китсон. - Путь от
фейерверков к космическим кораблям был долог и труден и, конечно же,
непреодолим без идей Константина Циолковского». Школьный учитель Циолковский
читал фантастические истории о путешествиях на Луну из пушки или с
помощью птиц. Решив уравнение движения ракеты, он показал, что настоящее
космическое путешествие вполне реально - если использовать законы
физики. Ракета ускоряется, отбрасывая часть своей массы в противоположном
направлении с высокой скоростью. Уравнение Циолковского ν = и^т^т^/т^)
определяет конечную скорость ν ракеты в зависимости от полной начальной
массы т0 (включая горючее), полной конечной массы т1 (когда все горючее
выгорело), и постоянной скорости и выхлопных газов при сгорании топлива.
Уравнение для ракеты, выведенное в 1898 г. и опубликованное в 1903 г.,
привело Циолковского к другому важному выводу. Использование
одноступенчатой ракеты для путешествия людей в космос нереалистично, поскольку
в этом случае вес горючего должен был бы в несколько раз превышать вес всей
ракеты, включая экипаж и оборудование. Циолковскому удалось детально
проанализировать использование многоступенчатой ракеты, которая делает
космические путешествия возможными. В многоступенчатой ракете
соединено несколько ракет. После того как отработает первая из них, она
отбрасывается прочь и запускается двигатель второй ступени.
♦ Человечество не останется вечно на Земле, - писал Циолковский
в 1911 г., - но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет
за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство.
Земля — колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели».
СМ. ТАКЖЕ Реактивный двигатель Герона (50), Пушка (1132), Сохранение импульса
(1644), Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения (1687), Сохранение
энергии (1843), Динамит (1866), Парадокс Ферми (1950).
Космический корабль «Союз» и ракета-носитель на стартовой площадке космодрома
Байконур в Казахстане. Байконур - самый большой в мире космический центр. Этот
запуск был произведен в 1975 г. в рамках совместной советско-американской программы
«Союз - Аполлон».

f
V'
\
I"
» . t,
* i
* " J f
J·'»/
I"
ί
.ii
.1
·;
"-1
S^ ·
>
;· , i
·*»
w
Jl
*

Преобразования Лоренца
Хендрик Антон Лоренц (1853-1928), Вальтер Кауфман (1871-1947),
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Представим себе две системы отсчета в виде коробок для обуви. Одна
коробка стоит неподвижно в лаборатории, а другая движется внутри первой
с постоянной скоростью ν вдоль оси х. Переменные, относящиеся к
движущейся системе отсчета, мы отмечаем штрихом. В начале каждой системы
отсчета поместим часы. Мы поставим часы на ноль в момент, когда
совпадают начальные точки каждой системы отсчета, т. е. положим t = t' = 0.
Теперь мы можем записать четыре уравнения, описывающие движение
«штрихованной» системы отсчета: у' = у, ζ' = ζ, χ' = (jc - vt)/[\ — (i>/c)2]1/2,
£' = [£- (шс)/с2]/[1 - (u/c)2]1/2. Здесь с - скорость света в вакууме.
Поиграем с этими уравнениями. Отметим следствие третьего уравнения:
при увеличении скорости движущийся предмет сжимается. Если, например,
некий объект движется со скорость 0,999 скорости света, то с точки зрения
наблюдателя в лаборатории он сокращается в 22 раза, а время на нем течет
в 22 раза медленнее. Это означает, что статуя Свободы (46 м в высоту)
показалась бы сжавшейся до 2 м, если бы мы сумели запустить ее в вертикальном
направлении со скоростью 0,999 с. Человек, находящийся во внутренних
помещениях статуи Свободы, сократился бы в той же пропорции и старел бы
в 22 раза медленнее, чем вы в лабораторной системе отсчета.
Эти формулы называются преобразованиями Лоренца по имени физика
Хендрика Лоренца, который получил их в 1904 г. Выглядящее похожим
образом уравнение описывает зависимость массы т движущегося тела от скорости:
т = т0/[1 - (i>/c)2]1/2, где т0 — масса тела при скорости ν = 0. В 1901 г.
зависимость массы тела от скорости впервые наблюдал на опыте Вальтер Кауфман.
Заметим, что эта формула говорит о невозможности дальнейшего увеличения
скорости космического корабля по мере ее приближения к скорости света, так
как масса корабля стремится к бесконечности в лабораторной системе отсчета.
Явления, описываемые этими формулами, обсуждались несколькими
учеными еще с 1887 г. Альберт Эйнштейн дал новую интерпретацию
преобразованиям Лоренца как фундаментальным свойствам пространства и времени.
СМ. ТАКЖЕ Опыт Майкельсона-Морли (1887), Специальная теория относительности
(1905), Тахионы (1967).
Статуя Свободы, сокращающаяся в соответствии с преобразованиями Лоренца. Свечки
показывают приблизительную высоту статуи в состоянии покоя (первая), при
скорости 0,9 с (вторая), 0,99 с (третья) и 0.999 с (четвертая).

ν
*•.'·».
·. -'Λ I
'. ~, 11.1

Специальная теория
относительности
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Специальная теория относительности (СТО) по праву стоит в ряду
величайших интеллектуальных триумфов человечества. Альберту Эйнштейну было
всего 26 лет, когда он положил в основу СТО один из ее ключевых
принципов — экспериментально установленный факт, что скорость света в вакууме
не зависит от движения источника света и одинакова для всех наблюдателей,
независимо от того, как они движутся. Это не похоже на ситуацию со
скоростью звука, которая меняется для наблюдателя, движущегося относительно
источника звука. Свойство постоянства скорости света привело Эйнштейна к
выводу об относительности одновременности: два события, случившиеся в
один момент времени для наблюдателя в лабораторной системе отсчета,
происходят неодновременно с точки зрения наблюдателя, движущегося
относительно первого.
Поскольку течение времени зависит от скорости путешественника,
никакие универсальные часы, помещенные в центр Вселенной, по которым
каждый сумел бы сверить точное время, невозможны. Вся ваша жизнь покажется
одним мгновением для инопланетянина, улетевшего с Земли со скоростью,
близкой к световой, и вернувшегося через час, чтобы обнаружить, что вы
мертвы уже многие столетия. (Само употребление слова «относительность»
частично связано с тем, что представляющийся наблюдателю мир зависит от
его относительного движения - в этом смысле наши представления о мире *от-
носител ьн ы ».)
Хотя странные следствия СТО поняты уже более ста лет назад, студенты
все еще воспринимают их с чувством недоумения и благоговейного страха. Тем
не менее СТО, по всей видимости, точно описывает природу - от крошечных
субатомных частиц до галактик.
Чтобы лучше понять другой аспект СТО, представьте, что вы летите на
самолете с постоянной относительно земли скоростью. Итак, вы находитесь
в движущейся системе отсчета. Принцип относительности гласит, что, если
не глядеть в иллюминатор, нельзя сказать, насколько быстро вы движетесь.
Коль скоро вы не видите движущийся за окном пейзаж, вы смело можете
утверждать, что находитесь в самолете, стоящем на поле аэродрома, т. е. в
системе отсчета, неподвижной относительно земли.
СМ. ТАКЖЕ Опыт Майкельсона-Морли (1887), Преобразования Лоренца (1904), Ε = тс2
(1905), Общая теория относительности (1915), Эйнштейн как источник вдохновения
(1921), Уравнение Дирака (1928), Путешествие во времени (1949), Тахионы (1967).
Универсальные часы, помещенные в центр Вселенной, по которым каждый сумел
бы сверить точное время, к сожалению, невозможны. Вся ваша жизнь покажется
одним кратким мигом для инопланетянина, путешествующего со скоростью, близкой
к скорости света.

(Μ

Ε— тс1
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
«Уже поколения людей выросли со знанием того, что уравнение Ε = пкг
изменило наш мир, — пишет известный популяризатор науки Дэвид Бодание. -
Этот закон управляет всем: от атомных бомб до катодной трубки в телевизоре
и радиоуглеродного метода датировки доисторических рисунков». Уравнение
Эйнштейна, независимо от его смысла, привлекает своей простотой. Физик
Грэм Фармело пишет: «Великие уравнения по необыкновенной силе
воздействия соперничают с великой поэзией. Поэзия — самая емкая и эмоционально
напряженная форма языка, а великие уравнения - самая лаконичная форма
осмысления физической реальности, которую они описывают».
В короткой статье 1905 г. Эйнштейн вывел из принципов специальной
теории относительности свое знаменитое уравнение Ε = тс2, иногда называемое
законом эквивалентности массы и энергии. По сути, формула утверждает, что
масса тела есть «мера» содержащейся в нем энергии. Здесь с - скорость света в
вакууме, равная 299 792 468 метров в секунду.
В соответствии с этой формулой радиоактивные элементы непрерывно
превращают часть своих масс в энергию. Благодаря этой формуле можно
объяснить принцип действия атомной бомбы, исходя из представления об энергии
связи, удерживающей частицы (протоны и нейтроны) внутри атомных ядер,
и вычислить энергию, высвобождаемую в ядерной реакции.
Соотношение Ε = тс2 объясняет также, почему светится Солнце. В его
недрах идет реакция синтеза, в которой четыре ядра водорода (четыре протона)
превращаются в ядро гелия. Оно менее массивно, чем образующие его
компоненты. Эта недостающая масса превращается в энергию, благодаря которой
Солнце обогревает Землю и обеспечивает существование жизни. Потеря массы
т во время реакции синтеза обеспечивает выход энергии Ε в соответствии
формулой Ε = тс2. Ежесекундно в реакциях синтеза в сердцевине Солнца в гелий
превращается около 700 млн тонн водорода, что приводит к высвобождению
гигантской энергии.
СМ. ТАКЖЕ Сохранение энергии (1843), Радиоактивность (1896), Специальная
теория относительности (1905), Атомное ядро (1911), Ядерная энергия (1942), Звездный
нуклеосинтез (1946), Токамак (1956).
Советская марка 1979 г., посвященная столетию Эйнштейна и соотношению Ε = тс2.

г
Μ
~
. .· . ^ ■ - о.
·ν ϋ
г О
h
■ ' Τ
О
с
Ou^riZi^

Фотоэффект
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Из всех выдающихся достижений Альберта Эйнштейна, включая
специальную теорию относительности и сбщуто теорию относительности, Нобелевскую
премию принесло ему теоретическое объяснение законов фотоэффекта -
явления выбивания электронов из металлической пластинки при освещении ее
светом определенных частот. В частности, Эйнштейн предположил, что свет
распространяется порциями (сейчас их называют фотонами), что и ведет к
фотоэффекту. Было уже установлено, что свет высоких частот (например,
синий или ультрафиолетовый) ведет к испусканию фотонов, а низкочастотный
красный не приводит к этому эффекту. Удивительно, но даже очень
интенсивный красный свет не выбивал электроны из медной пластинки. Энергия
вылетающих электронов возрастала вместе с частотой света (изменением его
цвета).
Но каким образом частота света может быть ключом к пониманию
фотоэффекта? Вместо того чтобы рассматривать свет как классическую волну,
Эйнштейн предположил, что световая энергия переносится порциями,
квантами, энергия которых пропорциональна частоте, умноженной на некую
константу (позже названную постоянной Планка). Если частота фотона ниже
пороговой, ему просто недостает энергии, чтобы выбить электрон. Как очень
грубую аналогию для красного кванта небольшой энергии представьте, что вы
кидаетесь горохом в шар для боулинга. Горошина не сможет отщепить часть
шара. И даже много горошин не смогут, если вы бросите их пригоршней!
Теория Эйнштейна объясняла множество наблюдений, свидетельствующих, что
для данного металла существует некая минимальная частота падающего
излучения, ниже которой никаких фотоэлектронов уже не испускается (ее
называют «красной границей фотоэффекта». - Прим. пер.). В наши дни работа
множества устройств (например, солнечных батарей) основана на
превращении света в электрический ток.
В 1969 г. американские физики предположили, что фотоэффект можно
объяснить без привлечения концепции фотонов и, таким образом, это явление
не доказывает их существование. Однако изучение статистических свойств
фотонов привело в 1970-х гг. к экспериментальному подтверждению
определенно квантовой (не классической) природы электромагнитного излучения.
СМ. ТАКЖЕ Атомная теория (1808), Волновая природа света (1801), Электрон (1897),
Специальная теория относительности (1905), Общая теория относительности (1915),
Эффект Комптона (1923), Квантовая электродинамика (1948), Фотоэлементы (1954).
Фотография, сделанная прибором ночного видения. Десантники армии США
тренируются в применении инфракрасных лазеров и оптических приборов ночного видения
в аэропорту Кэмп Рамади, Ирак. В очках для ночного видения используется явление
фотоэффекта: испускание фотоэлектронов позволяет усилить действие отдельных
фотонов.

.
*

Ямки на мяче для гольфа
Роберт Адаме Патерсон (1829-1904)
Самый ужасный ночной кошмар игрока в гольф - это песчаная ловушка, а
его лучшие друзья - ямки на мяче, которые помогают послать его в парящий
полет на фервей. В 1848 г. преподобный Роберт Адаме Патерсон изобрел
гуттаперчевый мяч, сделанный из затвердевшего сока дерева саподиллы. Голь-
фисты заметили, что небольшие надрезы и вмятины на мяче увеличивают
дальность его полета. Вскоре изготовители мячей для гольфа стали
использовать молотки для создания таких дефектов. К 1905 г. практически все мячи
для гольфа производились с ямками на поверхности.
Сейчас мы знаем, что мячи с ямками летят дальше гладких из-за сочетания
эффектов. Во-первых, ямки затрудняют отделение пограничного слоя
воздуха, который окружает мяч в полете. Из-за того что прилегающий слой воздуха
дольше остается вокруг мяча, он создает за собой в полете более узкую
кильватерную струю - область возмущенного воздуха с низким давлением. Как
следствие, сопротивление среды уменьшается по сравнению с гладким мячиком.
Во-вторых, когда клюшка ударяет в мяч, она обычно придает ему обратное
вращение, которое дополнительно поднимает мяч вследствие эффекта
Магнуса: вращение мяча увеличивает скорость воздуха, обтекающего мяч сверху,
что порождает там область пониженного давления по сравнению с нижней
частью мяча. Наличие ямок усиливает эффект Магнуса.
На современных мячах для гольфа насчитывается от 250 до 500 ямок, что
уменьшает силу сопротивления воздуха наполовину. Изучение полета мячей
показало, что ямки в форме многоугольников с острыми краями (например,
шестиугольные) уменьшают силу сопротивления больше, чем гладкие ямки.
Различные ведущиеся сейчас исследования используют суперкомпьютеры,
моделирующие потоки воздуха вокруг мяча, для нахождения наилучшей
формы ямок и их расположения.
В 1970-х гг. мячи для гольфа Polara имели асимметричное расположение
ямок, что помогало нейтрализовать боковое вращение, приводившее к
непроизвольным боковым и резаным ударам. Однако Ассоциация гольфа США
запретила использование таких мячей в турнирах, постановив, что они
приводят к «понижению мастерства, требуемого для игры в гольф». Ассоциация
добавила также правило симметрии, введя требование, чтобы мяч вел себя
одинаково, независимо от расположения точки удара на его поверхности.
Polara предъявила иск, получила 1,4 млн долларов и прекратила продажу
этих мячей.
СМ. ТАКЖЕ Пушка (1132), Крученый мяч в бейсболе (1870), Вихревая дорожка Кармана
(1911).
На современных мячах для гольфа насчитывается от 250 до 500 ямок, что уменьшает
силу сопротивления воздуха наполовину.

^ \r
\
-r

Третье начало термодинамики
Вальтер Герман Нернст (1864-1941)
Марк Твен (точнее, персонаж его книги «По экватору». - Прим. пер.) однаж
ды рассказал бредовую историю о том, что как-то день выдался такой холод
ный, что аж тень матроса примерзла к палубе! А все-таки - насколько холод
ной может стать окружающая среда в действительности?
В рамках классической физики третье начало термодинамики утверждает,
что при приближении температуры системы к абсолютному нулю (О К, или
—273,15 °С) все процессы в ней прекращаются, а ее энтропия стремится к
минимальному значению. Выведенный немецким физиком Вальтером Нернстом
около 1905 г., этот закон может быть сформулирован следующим образом: при
приближении температуры системы к абсолютному нулю ее энтропия (мера
беспорядка) S приближается к постоянному значению S0. Говоря на языке
классической физики, энтропия чистого и идеального кристалла была бы
равна нулю, если бы его действительно удалось охладить до температуры, равной
абсолютному нулю.
В классической физике при абсолютном нуле останавливается любое
движение. Однако в квантовой механике нулевые колебания системы в состоянии
с наименьшей возможной энергией (в так называемом основном состоянии)
означают, что она с какой-то вероятностью может быть обнаружена в
отдаленных областях пространства. Так, два атома, связанные вместе, не находятся
друг от друга на каком-то постоянном расстоянии, но испытывают быстрые
колебания даже при абсолютном нуле температуры. Вместо того чтобы
утверждать, что атомы неподвижны, мы говорим, что они находятся в
состоянии, энергию которого невозможно уменьшить. Эта минимальная энергия на
зывается энергией нулевых колебаний.
Термин «нулевые колебания» используется физиками для описания того
факта, что упаковка атомов в твердом теле, даже в сверххолодном, далека от
идеальной геометрической решетки. Скорее, их состояние можно представить
как распределение вероятностей иметь данное положение и данный импульс.
Любопытно, что при охлаждении образца родия ученым удалось достичь
температуры в 100 пикокельвинов (на 0,000 000 000 1 градуса выше абсолютного
нуля).
Охладить тело до абсолютного нуля невозможно ни в каком конечном
процессе. Как говорит физик Джеймс Трефил, «независимо от того, насколько мы
изобретательны, третье начало утверждает, что нам никогда не удастся
преодолеть последний барьер, отделяющий нас от абсолютного нуля».
СМ. ТАКЖЕ Сохранение энергии (1843), Второе начало термодинамики (1850),
Соотношения неопределенностей Гейзенберга (1927), Эффект Казимира (1948).
Быстрое расширение потока газа из стареющей центральной звезды туманности
Бумеранг охладило его до температуры 1К, на один градус выше абсолютного нуля,
тем самым сделав это место самым холодным из доступных наблюдению отдаленных
уголков Вселенной.

Электровакуумные лампы
Ли де Форест (1873-1961)
В своей Нобелевской лекции 8 декабря 2000 г. американский инженер Джек
Килби отметил: «Изобретение электровакуумных ламп положило начало
электронной промышленности... Они управляют потоком электронов в
вакууме и были изначально использованы для усиления сигналов в
радиоприемниках и других устройствах, что позволило в 1920-х гг. сделать
радиопередачи доступными для широкой публики. Сфера применения электронных
ламп неуклонно расширялась, захватывая все новые области. В 1939 г.
электронные лампы впервые были использованы в вычислительных машинах как
электронные переключатели».
В 1883 г. изобретатель Томас Эдисон заметил, что электрический ток может
«прыгнуть» от раскаленной нити в экспериментальной лампе накаливания к
металлическому электроду, впаянному в колбу. Этот примитивный вариант
электронной лампы в конечном счете привел американского изобретателя Ли
де Фореста к созданию в 1906 г. триода, который не только направляет ток в
каком-то одном направлении, но и может работать как усилитель звуковых и
радиосигналов. Форест поместил в колбу своей лампы металлическую сетку.
Включая слабый ток для изменения напряжения на сетке, он управлял
вторым, более сильным током через лампу. Лаборатории Белла сумели
использовать это свойство в своей трансконтинентальной телефонной системе «от
побережья до побережья». Вскоре электронные лампы стали применяться в других
устройствах - например, в радиоприемниках и радиопередатчиках.
Электронные лампы могут служить выпрямителями, превращая переменный ток в
постоянный, а также генерировать радиоимпульсы для радаров. Лампы де
Фореста не были вакуумированными, но впоследствии их откачка до высокого
вакуума способствовала созданию эффективных усиливающих устройств.
В 1947 г. были изобретены транзисторы, которые в последующее
десятилетие заменили электронные дампы в большинстве усилителей, оказавшись
гораздо дешевле и надежнее в работе. В ранних компьютерах использовались
электронные лампы. Например, ЭНИАК (ENIAK), первая цифровая
программируемая электронно-вычислительная машина, заработала в 1946 г. Ее могли
использовать для решения широкого круга вычислительных задач, и она
содержала около 17 000 электронных ламп. Электронные лампы обычно
перегорали при разогреве, поэтому ЭНИАК редко выключали, что позволило
уменьшить число отказов системы, связанных с этой причиной, до одного каждые
два дня.
СМ. ТАКЖЕ Лампа накаливания (1878), Транзистор (1947).
Мощная электронная лампа RCA 808. Изобретение электровакуумного триода
положило начало электронной промышленности и позволило в 1920-х гг. сделать
радиопередачи доступными для широкой публики.

I
ι
i

Счетчик Гейгера
Ганс Вильгельм Гейгер (1882-1945), Вальтер Мюллер (1905-1979)
В 1950-х гг., во времена «холодной войны», американские подрядчики
предлагали построить во дворах домов роскошные противорадиационные
убежища, оборудованные спальными местами, телефонами и счетчиком Гейгера
для определения уровня радиации. Научно-фантастические романы того
периода описывали монстров, порожденных радиацией, и - зловещие звуки,
щелчки счетчиков Гейгера.
С начала XX в. ученые искали методы регистрации радиоактивности,
которая создается частицами, испускаемыми атомными ядрами. Одним из
важнейших детекторов радиоактивности был счетчик Гейгера, изобретенный
Гансом Гейгером в 1908 г. и усовершенствованный им и Мюллером в 1928 г.
Счетчик Гейгера состоит из центральной проволочки внутри закрытого
металлического цилиндра с окошком на одном конце, прикрытым слюдой или
стеклом. Проволочки и металлическая трубочка соединены с внешним
источником высокого напряжения. При прохождении радиоактивного излучения
через окошко на его пути в газе, наполняющем трубочку, возникает след из
заряженных частиц - электронов, выбитых из атомов газа, и
образовавшихся положительных ионов. Ионы притягиваются к отрицательно
заряженным стенкам цилиндрической трубочки (катоду). Отрицательно заряженные
электроны притягиваются к центральной нити (аноду). Между катодом и
анодом возникает небольшая разность потенциалов, которая и регистрируется.
В большинстве счетчиков эти электрические импульсы преобразуются в
звуковые сигналы — щелчки. Однако счетчики Гейгера не дают, к сожалению,
информации о виде радиации и энергии детектируемых частиц.
С годами детекторы радиоактивного излучения совершенствовались,
появились ионизационные камеры и пропорциональные счетчики, которые
позволяют идентифицировать вид излучения, падающего на прибор. Счетчик
Гейгера-Мюллера тоже можно модифицировать, например, так, чтобы он
был чувствителен к неионизирующему излучению - к нейтронам. Трубочка
счетчика заполняется газообразным трифторидом бора. При взаимодействии
нейтронов с ядрами бора рождаются альфа-частицы (положительно
заряженные ядра гелия), которые уже детектируются как любые другие заряженные
частицы.
Счетчики Гейгера недороги, портативны и прочны. Их часто применяют в
геофизике, ядерной физике, медицине и в установках, где возможна утечка
радиации.
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Атомное ядро (1911), Туманная камера Вильсона
(1911), Кот Шрёдингера (1935).
Счетчики Гейгера щелкают, указывая на наличие радиации. У них также имеется
шкала, на которой показывается интенсивность присутствующего излучения. Геологи
иногда обнаруживают с их помощью радиоактивные минералы.

\.
ν
\
©V»
V"»
.-/"τη

Тормозное излучение
Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923), Никола Тесла (1856-1943),
Арнольд Иоганнес Вильгельм Зоммерфельд (1868-1951)
Термин «тормозное излучение», или Bremsstrahlung (нем.), относится к
рентгеновскому или другому электромагнитному излучению, испускаемому,
когда заряженная частица (например, электрон) внезапно замедляется,
реагируя на сильное электрическое поле атомного ядра.
Рассмотрим рентгеновские лучи, испускаемые при бомбардировке
металлической пластинки электронами высоких энергий. Ударяя в пластинку, они
выбивают электроны с нижних энергетических уровней атомов мишени.
Электроны с вышележащих уровней могут переходить на освободившиеся места,
излучая при этом фотоны рентгеновского диапазона с длиной волны,
соответствующей разнице энергий между начальным и конечным уровнями. Такое
излучение называется характеристическим рентгеновским излучением.
Другой тип рентгеновского излучения, испускаемого металлической
мишенью, - это тормозное излучение, возникающее из-за замедления
электронов при столкновении с мишенью. (В самом деле, любое изменение скорости
заряженной частицы приводит к тормозному излучению.) Поскольку
скорость замедления при этом может быть очень большой, испускаемое
излучение имеет короткие длины волн, соответствующие рентгеновскому диапазону
электромагнитного спектра. В отличие от характеристического
рентгеновского излучения, где длины испущенных волн принимают дискретные значения,
длины волн тормозного излучения заполняют диапазон непрерывно, так как
изменение скорости заряженных электронов может осуществиться многими
способами — от почти лобового столкновения с ядром до многократных
отклонений их траекторий положительным зарядом ядра.
Хотя Рентген открыл Х-лучи в 1895 г., исследование
характеристических спектральных линий, наложенных на непрерывный спектр тормозного
излучения, началось годы спустя. Арнольд Зоммерфельд придумал термин
Bremsstrahlung в 1909 г. Тормозное излучение встречается повсюду во
Вселенной. Частицы космических лучей, теряя часть своей энергии в земной
атмосфере, замедляются и испускают тормозное излучение. Источник
рентгеновского излучения, идущего от Солнца, — быстрые электроны,
тормозящиеся при прохождении через его атмосферу. Вдобавок, вклад вносят еще и
процессы бета-распада ядер — одного из видов радиоактивного распада, в
котором испускаются электроны и позитроны, именуемые бета-лучами. Они могут
отклоняться породившим их ядром и испускать так называемое внутреннее
тормозное излучение.
СМ. ТАКЖЕ Линии Фраунгофера (1814), Рентгеновские лучи (1895), Космические лучи
(1910), Атомное ядро (1911), Эффект Комптона (1923), Излучение Черенкова (1934).
Мощные вспышки на Солнце порождают рентгеновское и гамма-излучение частично
вследствие эффекта тормозного излучения. На фотографии показан спутник NASA
RHESSI, запущенный в 2002 г. для наблюдения Солнца в гамма- и жестком
рентгеновском диапазонах.
302

^ II
,Ν
**

Космические лучи
Теодор Вульф (1868-1946), Виктор Франц Гесс (1883-1964)
♦ История исследований космических лучей - это рассказ о научных
приключениях, - пишут ученые из Обсерватории им. Пьера Оже (предназначенной
для наблюдения космических лучей и построенной в 2008 г. в аргентинском
городе Маларгу. - Прим. пер.). — В течение почти столетия ученые,
изучавшие их, взбирались на горные вершины, летали на монгольфьерах,
добирались до самых отдаленных уголков Земли, дабы понять, что же представляют
собой эти частицы, летящие к нам с огромной скоростью из космоса».
Около 90% частиц высоких энергий, бомбардирующих Землю в составе
космических лучей, - это протоны, остаток приходится на электроны, альфа-
частицы (ядра гелия) и небольшое количество более тяжелых ядер. Разброс в
энергиях этих частиц означает разнообразие их происхождения — от вспышек
на Солнце до галактических космических лучей, приходящих на Землю извне
Солнечной системы. Частицы космических лучей, входя в земную атмосферу,
сталкиваются с молекулами кислорода и азота и порождают «ливень»
многочисленных легких частиц.
Космические лучи были открыты в 1910 г. немецким физиком и
священником-иезуитом Теодором Вульфом. Он использовал электрометр (детектор для
обнаружения заряженных частиц высоких энергий) для отслеживания
уровня радиации у подножия Эйфелевой башни и на ее вершине. Если бы источник
излучения находился на Земле, то по мере подъема было бы зафиксировано
падение уровня радиации. К удивлению ученого, оказалось, что радиация на
вершине больше, чем могло бы быть при земном происхождении ее источника.
В 1912 г. австро-американский физик Виктор Гесс поднял детекторы на
воздушном шаре на высоту в 5300 м и установил, что там излучение в четыре раза
сильнее, чем у земли.
Космические лучи броско окрестили «убийцами из космоса» - считается,
что они, вероятно, вносят свой губительный вклад в более чем 100 000
смертей от рака ежегодно. У них также достаточно энергии, чтобы повреждать
интегральные микросхемы и портить данные, хранящиеся в памяти
компьютера. Очень любопытны космические лучи самых высоких энергий, поскольку
направление их прилета не всегда указывает на конкретный источник.
Возможно, взрывающиеся сверхновые звезды и «солнечный» ветер от массивных
звезд работают как ускорители частиц межзвездного газа.
СМ. ТАКЖЕ Тормозное излучение (1909), Интегральные микросхемы (1958), Гамма-
всплеск (1967), Тахионы (1967).
Космические лучи могут оказывать вредное воздействие на электронные компоненты
интегральных микросхем. Например, исследования, проведенные в 1990-х гг., позволили
сделать вывод, что космические лучи становятся причиной примерно одной ошибки
в месяц в компьютерной памяти объемом в 256 Мбайт.
304

Μ
I III
44AT
45S
л
1
№
?'
ι -
Гг;
I ■■■ Ml
I
• о
·» «ι. о
. — ^
IQ м·· ниш ··■········{ Ί' kO·
I J It ^111 111111111111II111111111II «T'lDu,
W-
1
•09o
*εοο
обоалгуен»·
>l· ЮОШО
55 - , 1
к
кк
i.ik
1
та*
Π
τ
7 ~S
I · *
>ш
к
■»

Сверхпроводимость
Хейке Камерлинг-Оннес (1853-1926), Джон Бардин (1908-1991),
Карл Александр Мюллер (р. 1927), Леон Н. Купер (р. 1930),
Джон Роберт Шриффер (р. 1931), Иоханнес Георг Беднорц (р. 1950)
♦ При очень низких температурах, — пишет научный обозреватель Джоан
Бейкер, - некоторые металлы и сплавы проводят электричество без
сопротивления. Ток в этих сверхпроводниках может течь миллиарды лет, не теряя ни
толики энергии. Поскольку электроны оказываются спаренными и движутся
все вместе, без столкновений, которые могли бы привести к электрическому
сопротивлению, они приближаются к состоянию вечного движения».
Существует много металлов, сопротивление которых равно нулю при
охлаждении ниже критической температуры. Это явление, названное
сверхпроводимостью, было открыто в 1911 г. голландцем Хейке Камерлинг-Оннесом,
который обнаружил, что при охлаждении образца ртути до температуры на
4,2 К выше абсолютного нуля (-269 °С) его электрическое сопротивление
резко падает до нуля. В принципе это означает, что электрический ток может
вечно течь по кольцу из сверхпроводящей проволоки без участия внешнего
источника напряжения. В 1957 г. американские физики Джон Бардин, Леон
Купер и Роберт Шриффер объяснили природу сверхпроводимости. Возьмем
металлическую оконную противомоскитную сетку как образ упорядоченной
структуры положительно заряженных ядер в кристаллической решетке
металла. Представим себе далее, что между атомами движется отрицательно
заряженный электрон, деформирующий решетку своим притяжением. Эта
деформация притягивает второй электрон, заставляя его следовать за первым.
Они путешествуют парой и суммарно встречают меньше сопротивления.
В 1986 г. Г. Беднорц и А. Мюллер открыли материал, который становится
сверхпроводником при температуре около -238 °С (35 К), а в 1987 г. было
найдено другое вещество, для которого температура перехода в сверхпроводящее
состояние еще выше: -177 °С (90 К). Если бы обнаружились вещества,
являющиеся сверхпроводниками при комнатных температурах, мы сэкономили бы
громадное количество энергии и построили высокоэффективные линии
электропередач. Сверхпроводники выталкивают из себя внешнее магнитное поле,
что позволяет инженерам создавать поезда, левитирующие на магнитной
подушке. Сверхпроводимость используется также в мощных электромагнитах
для магнитно-резонансных медицинских томографов (МРТ).
СМ. ТАКЖЕ Открытие гелия (1868), Третье начало термодинамики (1905),
Сверхтекучесть (1937), Ядерный магнитный резонанс (1938).
В 2008 г. физики Брукхейвенской национальной лаборатории министерства
энергетики США обнаружили интерфейсную высокотемпературную сверхпроводимость в
двухслойных пленках двух купратных материалов. Потенциальное применение -
высокоэффективные электронные устройства. На рисунке в наглядном художественном
исполнении представлено, как эти тонкие пленки построены слой за слоем.

• · · £ . f · · · ·

Атомное ядро
Эрнст Резерфорд (1871-1937)
Это сейчас мы знаем, что атомные ядра, состоящие из протонов и
нейтронов, - очень плотные области в центре атома. Но в первом десятилетии XX в.
ученые не знали ничего о ядрах и представляли себе атом в виде
размазанного положительного заряда, в который вкраплены отрицательно
заряженные электроны, подобно изюминкам в пудинге. Эта модель была полностью
отвергнута, когда Эрнст Резерфорд с коллегами обнаружили атомные ядра,
бомбардируя тонкий слой золотой фольги пучком альфа-частиц (они, как мы
знаем сегодня, являются ядрами гелия). По большей части альфа-частицы
пролетали сквозь фольгу, но некоторые из них отскакивали в прямо
противоположном направлении. Как позже писал сам Резерфорд, это было «самое
невероятное событие, которое когда-либо со мной случалось. Столь же
невероятное, как если бы вы выстрелили из 15-дюймового морского орудия в
папиросную бумагу, а снаряд отскочил от нее назад и попал в вас».
«Пудинговая» модель атома, т. е. модель, согласно которой плотности
вещества в золотой фольге распределена равномерно, не могла объяснить
наблюдавшееся отражение альфа-частиц. Ученые должны были бы наблюдать
торможение альфа-частиц, что-то вроде поведения пули, выпущенной в воду. Они
не ожидали, что у атома есть «твердая сердцевина», подобно косточке в
персике. В 1911 г. Резерфорд предложил «планетарную» модель атома, которая
работает и сегодня: атом состоит из положительно заряженного ядра,
окруженного электронами. Зная частоту столкновений альфа-частиц с ядрами,
Резерфорд сумел приблизительно оценить размер ядра по отношению к размеру
атома. Британский астрофизик и популяризатор науки Джон Гриббин пишет:
«Диаметр ядра составляет одну стотысячную от размера атома, что
эквивалентно сравнению булавочной головки с кафедральным собором Св. Павла в
Лондоне... И так как все и вся на Земле состоит из атомов, это означает, что и
в вашем теле, и в стуле, на котором вы сидите, пустоты по объему в миллион
миллиардов раз больше, чем "твердого вещества"».
СМ. ТАКЖЕ Атомная теория (1808), Электрон (1897), Ε = тс2 (1905), Атом Бора (1913),
Циклотрон (1929), Нейтрон (1932), Ядерный магнитный резонанс (1938), Ядерная энергия
(1942), Звездный нуклеосинтез (1946).
Классическая планетарная модель атома. На рисунке показан атом с ядром,
состоящим из небольшого числа нуклонов (протонов и нейтронов), вокруг которого
вращается несколько электронов. В реальности диаметр ядра гораздо меньше
диаметра атома. В современных изображениях атома часто показываются облачка
плотности вероятности обнаружения электронов в данной области пространства.

ν
ι

Вихревая дорожка Кармана
Анри Бенар (1874-1939), Теодор фон Карман (1881-1963)
Одно из самых визуально красивых явлений физики относится также к
числу самых опасных. Дорожка вихрей Кармана - регулярная повторяющаяся
система завихрений жидкости или газа, вызванная нестабильностью потока
вещества около плохо обтекаемого тела. Примеры таких тел дает цилиндр,
крыло самолета при больших углах атаки или некоторые возвращаемые
космические аппараты. Историк и журналистка Ирис Чанг описывает это
явление, изученное венгерским физиком Теодором фон Карманом, включая его
«математическое открытие в 1911 г. существования силы аэродинамического
сопротивления, возникающей, когда воздушный поток отрывается от
крыльев и закручивается, образуя две параллельные линии вихрей. Явление,
известное теперь под названием "дорожки вихрей Кармана", ответственно
за вибрации перископов подводных лодок, радиомачт и линий
электропередач...». (Причина вибраций состоит в том, что вихри срываются поочередно с
разных сторон обтекаемого объекта, создавая области пониженного давления
то с одной стороны, то с другой. - Прим. пер.)
Для уменьшения нежелательных вибраций объектов цилиндрической
формы - заводских труб, автомобильных антенн, перископов - применяются
разные методы. Один из них использует винтообразные выступы, уменьшающие
попеременные сбросы вихрей. Такие вихри могут привести к разрушению
вышек, они также нежелательны для автомобилей и самолетов, так как
становятся источником значительного сопротивления ветра.
Подобные вихри часто можно наблюдать в речных потоках позади опор,
поддерживающих мосты, или в небольших круговых движениях листьев на
земле при проезде мимо автомобилей. Некоторые из самых красивых
проявлений этих вихрей случаются в виде образования в небе цепочки облаков
за огромными преградами на земле - например, высокими вулканическими
островами. Подобные же вихри могут помочь ученым, изучающим погоду на
других планетах.
Фон Карман говорил о своей теории, что «это та теория, имя которой я имею
честь носить», потому что, как пишет химик и историк науки Иштван Харги-
таи, «он считал, что открытие важнее открывателя. Когда спустя 20 лет
французский ученый Анри Бенар объявил о своем приоритете в открытии
дорожки вихрей, фон Карман не протестовал. Наоборот, с присущим ему юмором он
предложил использовать названия "Дорожка Кармана" в Лондоне и "Бульвар
Анри Бенара" в Париже».
СМ. ТАКЖЕ Закон Бернулли в гидродинамике (1738), Крученый мяч в бейсболе (1870),
Ямки на мяче для гольфа (1905), Наибольшая скорость смерча (1999).
Облачная дорожка вихрей Кармана, снятая со спутника Landsat 7 за одним
из островов архипелага Хуана Фернандеса (Чили). Изучение этих образований нужно
для понимания поведения воздушных потоков, от обтекания крыла самолета до
формирования погоды на Земле.

Т. >'
л ·■'>:
"Ч
?*»
* V
•^
V
IV
г·
■>
^
' \

Туманная камера Вильсона
Чарльз Томсон Риз Вильсон (1869-1959),
Александр Лангсдорф (1912-1996), Дональд Артур Глазер (1926-2013)
На банкете в честь присуждения ему в 1927 г. Нобелевской премии Чарльз
Вильсон так описывал свою любовь к теряющимся в тумане вершинам шот
ландских холмов: «Каждое утро я видел солнце, восходившее над морем
облаков, и ниже - тени холмов в тумане, окруженные великолепными
цветными кольцами. Красота этого зрелища заставила меня влюбиться в туман...».
Кто бы мог подумать, что страсть Вильсона к туманам приведет к открытию
первого представителя антивещества (позитрона) вместе с другими
объектами микромира и навсегда изменит физику частиц?
Вильсон усовершенствовал свою первую туманную камеру к 1911 г.
Сначала камера заполнялась насыщенным водяным паром. Затем при движении
поршня объем воздуха в камере увеличивался, и давление в ней падало. Это
также еще и охлаждало воздух, что создавало благоприятные условия для
конденсации пара. Пролетая через камеру, заряженная частица ионизировала
воздух, водяной пар конденсировался на возникавших ионах, и след частицы
становился видимым. Например, когда альфа-частица (положительно
заряженное ядро гелия) пролетает через камеру Вильсона, она отрывает
электроны от атомов газа, оставляя за собой цепочку ионов. Водяной пар стремится
скапливаться на них, образуя тонкую нить тумана, напоминающую надписи,
делаемые в небе самолетами с помощью дымовой струи. Если поместить
камеру Вильсона в постоянное магнитное поле, траектории положительно и
отрицательно заряженных частиц будут закручиваться в противоположных
направлениях, и по радиусу кривизны можно определить импульс частицы.
Туманная камера стала только началом. В 1936 г. физик Александр
Лангсдорф изобрел диффузионную камеру - она работала при более низких тем
пературах, причем гораздо дольше, чем традиционная камера Вильсона.
В 1952 г. физик Дональд Глазер изобрел пузырьковые камеры. В них
применяются жидкости, а следы частиц высоких энергий в жидкостях видны лучше,
чем в газах. В более поздних искровых камерах используют систему
параллельных электродов, между ними при пролете частицы, ионизирующей на
полняющий камеру газ, возникают искры, которые показывают ее путь.
СМ. ТАКЖЕ Счетчик Гейгера (1908), Нейтрон (1932), Антивещество (1932).
В 1963 г. пузырьковая камера в Национальной лаборатории в Брукхейвене была самым
большим в мире детектором такого типа. Самое известное открытие, сделанное на
этом детекторе частиц, - открытие омега-минус гиперона.

Ъ> ' >*
ч-
_ ■
I
4
."
. ■>
·»-..
i
'»
-4,
I
s
л
·*
«'JP*
\ \
[ i-i
ι
•^
* ν
: ι
■sf >
17.

Переменные звезды цефеиды
и размеры Вселенной
Генриетта Суон Ливитт (1868-1921)
Поэт Джон Ките однажды написал: «Звезда! Как ты, хочу не измениться»
(пер. И. Дьяконова), - не подозревая, что некоторые звезды то разгораются
ярче, то тускнеют с периодом от нескольких дней до недель. Период (время
одного цикла) изменения яркости цефеиды тем больше, чем больше ее
светимость. Измеряя период, находят светимость цефеиды. Сравнивая светимость
с наблюдаемой яркостью звезды, определяют расстояние до нее. (Светимость
звезды - это полная энергия, излучаемая ею в единицу времени.
Наблюдаемая яркость звезды зависит от ее светимости и расстояния до наблюдателя. -
Прим. пер.) Американский астроном Генриетта Ливитт обнаружила
соотношение между периодом и светимостью цефеид и первой в мире определила
расстояние от Земли до галактик за пределами Млечного Пути. С 1902 г.
Ливитт, работая в Гарвардской обсерватории, занималась изучением пластинок
с фотографиями переменных звезд в Магеллановых Облаках. В 1904 г. она
открыла в них сотни переменных звезд, используя очень трудоемкий метод
совмещения. Эти открытия позволили профессору Принстонского
университета Чарльзу Янгу написать: «Она настоящая фея переменных звезд, эта мисс
Ливитт! Просто невозможно уследить за потоком ее новых открытий ».
Самое крупное открытие Ливитт случилось, когда она определила периоды
25 цефеид и в 1912 г. написала о знаменитом соотношении между периодом
и светимостью: «Легко провести прямую линию по двум сериям точек,
соответствующим максимумам и минимумам, чем доказывается существование
простого соотношения между яркостью переменных звезд и их периодами».
Ливитт также обнаружила, что, «поскольку эти переменные звезды,
возможно, находятся примерно на одном расстоянии от Земли, их периоды, очевидно,
связаны с интенсивностью излучения света, определяемой их массами,
плотностью и яркостью поверхности». Генриетта Ливитт умерла от рака в 53 года,
не успев закончить свою работу. Совершенно не зная о ее смерти, профессор
Миттаг-Леффлер из Шведской академии наук послал ей в 1925 г. письмо, где
известил о намерении выдвинуть ее на Нобелевскую премию по физике.
Однако Ливитт не удостоилась этой чести - Нобелевские премии никогда не
присуждались посмертно.
СМ. ТАКЖЕ Эратосфен измеряет Землю (240 до н. э.). Размеры Солнечной системы
(1672), Звездный параллакс (1838), Телескоп «Хаббл» (1990).
СЛЕВА: Генриетта Ливитт. СПРАВА: фотография спиральной галактики NGC
1309. сделанная космическим телескопом *Ха0бл*. Ученые смогли точно определить
расстояние от Земли до этой галактики (100 млн световых лет, или 30 Мега-
парсеков), изучая свет, испускаемый расположенными в ней цефеидами.

,-
•A

Условие Брэгга
для дифракции на кристалле
Уильям Генри Брэгг (1862-1942), Уильям Лоренс Брэгг (1890-1971)
Условие Брэгга, открытое в 1912 г. английскими физиками У. Г. Брэггом и
его сыном У. Л. Брэггом, объясняет результаты экспериментов по дифракции
электромагнитных волн на кристаллах. Открытие Брэгга вооружило
физиков мощным инструментом для исследования структуры кристаллов.
Рентгеновские лучи, попадая на поверхность кристалла, взаимодействуют с
атомами кристаллической решетки, вынуждая их излучать вторичные волны,
которые интерферируруют между собой. Интерференция конструктивна (т. е.
волны усиливают друг друга) для целых значений п, определяемого условием
Брэгга ηλ = 2d sin9. Здесь λ - длина волны падающих электромагнитных волн
(т. е. рентгеновских лучей), d - расстояние между плоскостями
кристаллической решетки, а θ - угол между падающим лучом и рассеивающими
плоскостями.
Пусть, например, рентгеновские лучи падают на кристаллические слои,
отражаются и возвращаются назад. Для конструктивной интерференции, когда
отраженные волны дают в сумме максимальную интенсивность, они должны
оставаться в фазе. Две волны, отраженные от соседних
плоскостей, остаются в фазе, когда η - целое число (т. е. когда пути волн
различаются на целое число длин волн. - Прим. пер.). Когда η = 1,
мы говорим о дифракции первого порядка, при η = 2 имеем
дифракцию второго порядка. Если в дифракции участвуют только две
плоскости, то при изменении угла θ переход от конструктивной
интерференции к деструктивной происходит постепенно. Однако
при интерференции от многих плоскостей пики конструктивной
интерференции становятся острыми, а деструктивная
интерференция главным образом происходит между пиками.
Условие Брэгга можно использовать для определения расстояния между
атомными плоскостями кристаллов и для измерения длины волны излучения.
Дифракция рентгеновского излучения в кристаллах полностью доказала
периодичность их атомной структуры, что в течение нескольких столетий
только подозревалось.
СМ. ТАКЖЕ Волновая природа света (1801), Рентгеновские лучи (1895), Голограмма
(1947), Наблюдение отдельного атома (1955), Квазикристаллы (1982).
СЛЕВА: медный купорос. В 1912 г. физик Макс фон Лауэ сфотографировал кристалл
медного купороса в рентгеновских лучах. На снимке получилась дифракционная
картина с множеством четко выделенных пятен. До экспериментов с рентгеновскими
лучами точное расстояние между плоскостями атомной решетки в кристаллах было не
известно. СПРАВА: условие Брэгга сделало возможным рентгенографическое исследование
кристаллической структуры больших молекул типа ДНК.

Атом Бора
Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962)
♦ Кто-то сказал однажды о греческом языке, что он взлетел до небес в
произведениях Гомера, - пишет физик Амит Госвами. - Взлет идеи квантов начался
с работы датского физика Нильса Бора, опубликованной в 1913 г.». Бор знал,
что отрицательно заряженные частицы - электроны - можно легко удалить
из атома и что заряженные положительно ядра находятся в его центре. В
модели Бора атомное ядро играет роль центрального светила, подобно нашему
Солнцу, а электроны обращаются вокруг него по орбитам, подобно планетам.
Такая простая модель обязана была столкнуться с проблемами. Например,
электрон, вращающийся вокруг ядра, должен испускать электромагнитное
излучение, теряя энергию, снижаться и упасть на ядро. Чтобы избежать в своей
теории разрушения атома и объяснить различные особенности спектра
излучения атома водорода, Бор постулировал, что электроны не могут находиться
от ядра на произвольном расстоянии. Наоборот, существуют только некоторые
разрешенные орбиты или оболочки. Подобно подъему или спуску по лестнице,
электрон, когда его энергия увеличивается, перепрыгивает на более высокую
ступеньку (или оболочку), а когда уменьшается, спрыгивает на более низкую
оболочку, если таковая существует. Эти скачки электронов происходят
только при поглощении или испускании атомом фотонов определенных энергий.
Сейчас мы понимаем, что модель атома Бора имеет множество изъянов и не
работает для многоэлектронных атомов. К тому же в ней нарушается
принцип неопределенностей Гейзенберга, поскольку тут фигурируют электроны,
имеющие определенные скорости и находящиеся на орбите с определенными
радиусами.
Физик Джеймс Трефил пишет: «В наши дни вместо того, чтобы
представлять себе электроны как микроскопические планеты, вращающиеся вокруг
ядер, мы рассматриваем их как подчиняющиеся уравнению Шрёдингера
волны вероятности, колеблющиеся вокруг орбит подобно воде в приливном
бассейне, имеющем форму бублика... Тем не менее картина современной
квантовой механики атома в основном сложилась в 1913 г., когда на Нильса Бора
снизошло великое озарение». Позже модель Бора заменила матричная
механика - первая завершенная версия квантовой механики; она значительно
лучше описывала наблюдаемые переходы между энергетическими состояниями
атомов.
СМ. ТАКЖЕ Электрон (1897), Атомное ядро (1911), Принцип запрета Паули (1925),
Волновое уравнение Шрёдингера (1926), Соотношения неопределенностей Гейзенберга
(1927).
Эти сидения для зрителей в античном театре в Охриде (Македония) дают образное
представление электронных орбит в атоме Бора. Согласно теории Бора, электроны
не могут находиться на орбитах произвольного радиуса. Их расстояния от ядра
ограничены определенным набором орбит, которым соответствуют дискретные
уровни энергии.

»*-.

Опыт Милликена
с масляными каплями
Роберт Эндрюс Милликен (1868-1953)
В своей Нобелевской лекции в 1923 г. американский физик Роберт
Милликен уверял мир, что он видел отдельные электроны. «Тот, кто наблюдал этот
эксперимент, - сказал Милликен, имея в виду свои исследования с
капельками масла, - буквально видел электрон». В начале XX в. Милликен, чтобы
измерить электрический заряд одиночного электрона, использовал камеру,
где сверху и снизу помещались металлические пластины, к которым было
приложено электрическое напряжение. В камеру впрыскивались капельки
масла, образующие легкий туман. Так как некоторые капельки
подхватывали электроны благодаря трению в сопле распылителя, они притягивались к
положительной заряженной пластине. Массу отдельной заряженной
капельки можно было определить, наблюдая за скоростью ее падения. Меняя
напряжение между пластинами, Милликену удавалось «подвесить» капельку в
неподвижном состоянии между пластинами. По величине напряжения,
необходимого для «подвешивания» капельки, определялся ее полный
электрический заряд. Выполнив этот эксперимент много раз, Милликен обнаружил, что
электрические заряды капелек не принимали любые возможные значения, но
всегда были кратными некому минимальному заряду (около 1,592 χ 10~19 Кл),
который он интерпретировал как заряд отдельного электрона.
Эксперименты Милликена потребовали чрезвычайных усилий. Найденное им значение
лишь чуть меньше принятой сегодня величины 1,602 χ 10-19 Кл (ученый
использовал в своих измерениях неточное значение вязкости воздуха).
Авторы курсов современной физики Пол Типлер и Ральф Левеллин пишут:
«Измерение Милликеном электрического заряда электрона - один из
немногих действительно решающих экспериментов в физике, чья прямота и
простота служат уровнем, с которым сравнивают другие опыты. Кстати, когда люди
научились измерять минимальный электрический заряд, никто не понимал,
почему он имеет именно такое значение. Ответа на этот вопрос мы не знаем и
ныне».
СМ. ТАКЖЕ Закон Кулона в электростатике (1785), Электрон (1897).
Рисунок из статьи Милликена 1913 г. о его эксперименте. Распылитель (А)
впрыскивает капельки масла в камеру D. Между параллельными пластинами Μ и N
поддерживается электрическое напряжение. Наблюдение велось за капельками между этими
пластинами.

Общая теория относительности
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Однажды Альберт Эйнштейн написал: «Любые попытки глубже проникнуть
в основы физики кажутся мне обреченными на неудачу, если с самого начала
основные концепции не согласуются с общим принципом относительности».
В 1915 г., через 10 лет после обнародования Эйнштейном специальной
теории относительности (которая утверждает, что расстояние и время не
являются абсолютными и результат измерения темпа тиканья часов зависит от
движения наблюдателя относительно них), он предложил нам раннюю
версию своей Общей теории относительности (ОТО), взглянув на гравитацию под
другим углом. В частности, Эйнштейн предположил, что она не похожа на
все другие силы: расположенные в пространстве массы искривляют
пространство и время, а гравитация является уже следствием этой кривизны. Хотя мы
знаем теперь, что ОТО лучше ньютоновской механики справляется с
описанием движения в сильных гравитационных полях, последняя все еще полезна
при описании мира в пределах нашего повседневного опыта.
Чтобы лучше понять ОТО, учтем, что где бы ни находилась какая-то масса,
она деформирует пространство. Представим себе шар для боулинга,
брошенный на резиновое полотно. Полотно под шаром прогнулось — примерно то же
звезды делают с материей Вселенной. Если вы положите стеклянный шарик
в углубление, образовавшееся на растянувшемся резиновом полотне, и
толкнете его вбок, то он покружится немного вокруг шара для боулинга, подобно
тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Искривление резинового
полотна тяжелым шаром - наглядная модель звезды, искривляющей пространство.
ОТО позволяет понять, как гравитация искривляет и замедляет время.
В некоторых обстоятельствах ОТО, как представляется, допускает
путешествие во времени.
Эйнштейн предположил также, что гравитационные взаимодействия
распространяются со скоростью света. Например, если бы Солнце внезапно
вырвали из Солнечной системы, то Земля покинула бы свою орбиту только спустя
примерно восемь минут - за это время свет преодолевает расстояние от Солнца
до Земли. Многие физики сегодня считают, что гравитационное поле должно
быть проквантовано и представлено в виде частиц, называемых гравитонами,
аналогично тому, как свет представим в форме потока фотонов - крошечных
квантовых сгустков электромагнитной энергии.
СМ. ТАКЖЕ Ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения (1687),
Черные дыры (1783), Гравитационная градиометрия Этвёша (1890), Специальная теория
относительности (1905), Путешествие во времени (1949), Браны Рэндалл-Сандрама (1999).
Эйнштейн предположил, что гравитация - следствие кривизны пространства-времени,
обусловленной массами. Гравитация деформирует и время, и пространство.

11
12
1
10
8
\\ ч> N
^
'/'
-ν-
:

Теория струн
Теодор Франц Эдуард Калуца (1885-1954),
Джон Генри Шварц (р. 1941), Майкл Борис Грин (р. 1946)
♦Математический аппарат, используемый в теории струн, - пишет
математик Майкл Атья, — по тонкости и изощренности... безмерно превосходит все
предыдущие применения математики в физических теориях. Теория струн
привела к множеству удивительных математических результатов в областях,
которые кажутся далекими от физики. Для многих это означает, что теория
струн движется в правильном направлении...» А физик Эдвард Виттен
утверждает, что «теория струн — это физика XXI в., которая случайно попала в
XX в.».
Различные современные теории * гиперпространства» предполагают
существование дополнительных измерений, помимо общеизвестных пространства
и времени. Например, в теории Калуцы-Клейна (1919), где была сделана
попытка объяснить электромагнетизм и гравитацию, использовалось
дополнительное пространственное измерение. Среди недавних формулировок идей
подобного рода - теория суперструн, которая предсказывает существование
вселенной с десятью или одиннадцатью измерениями — тремя
пространственными, одним для времени и еще дополнительно шесть или семь
пространственных измерений. Во многих теориях гиперпространств с
дополнительными измерениями законы природы выражаются проще и элегантнее.
В теории струн некоторые из наиболее фундаментальных частиц - кварки
и электроны - моделируются непостижимо крошечными одномерными
объектами, называемыми струнами. Хотя струны могут показаться
математической абстракцией, вспомним, что атом когда-то тоже считался «нереальной»
математической абстракцией, которая в конечном счете стала наблюдаемой
реальностью. Однако струны настолько малы, что в настоящее время их
прямое наблюдение невозможно. В некоторых теориях струн струнные петли
движутся в обычном трехмерном пространстве, но также колеблются в высших
пространственных измерениях. В качестве простого образа представьте себе
вибрирующую гитарную струну, а ее «ноты» соответствуют различным
частицам - кваркам, электронам или гипотетическим гравитонам, которые могут
переносить гравитацинные силы.
Теоретики, занимающиеся теорией струн, утверждают, что высшие
пространственные размерности «компактифицируются» — туго
сворачиваются в структуры, известные как пространства Калаби-Яу, так что
дополнительные измерения принципиально ненаблюдаемы. В 1984 г. Майкл Грин и
Джон Г. Шварц совершили еще один прорыв в теории струн.
СМ. ТАКЖЕ Стандартная модель (1961), Теория всего (1984), Браны Рэндалл-Сандрама
(1999), Большой адронный коллайдер (2009).
В теории струн колебательная мода струны определяет тип соответствующей ей
частицы. Рассмотрим для наглядного примера скрипку. Дернем струну «ля» -
образуется электрон, дернем струну «ми» - родится кварк.

Эйнштейн
как источник вдохновения
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Лауреат Нобелевской премии Альберт Эйнштейн признан одним из
величайших физиков всех времен и народов и самым крупным ученым XX в. Он
создал специальную и общую теории относительности, которые
революционизировали наши представления о пространстве и времени. Он внес также
важный вклад в квантовую механику, статистическую физику и космологию.
«Современная физика столь удалилась от повседневного опыта, - пишет
Томас Левенсон, автор книги "Эйнштейн в Берлине", - что вряд ли кто-нибудь
из нас сегодня смог бы оценить достижения, сравнимые с эйнштейновскими...
Когда Эйнштейн впервые приехал в Нью-Йорк в 1921 г., тысячи людей
выстроились вдоль улиц, по которым проезжал кортеж... Попробуйте
представить такую же реакцию на появление какого-нибудь нынешнего теоретика.
Это просто невозможно. Со времен Эйнштейна эмоциональная связь между
осмыслением реальности физиками и воображением публики значительно
ослабла».
По мнению многих ученых, с которыми я консультировался, никогда уже
не появится другой человек, сравнимый с Эйнштейном. Левенсон считает
«маловероятным, что [наука] породит другого Эйнштейна - в смысле столь же
общепризнанного символа гениальности. Невероятная сложность создаваемых
[сейчас] теорий приводит к тому, что знания почти всех специалистов
ограниченны и касаются лишь отдельных частей проблемы». В отличие от
современных ученых Эйнштейн мало нуждался или не нуждался вовсе в соавторах.
Его работа по специальной теории относительности не содержит упоминаний
других ученых или ссылок на предшествующие работы.
Бран Феррен, сопредседатель и главный дизайнер компании Applied Minds,
подтверждает, что «представления об Эйнштейне важнее самого Эйнштейна».
Он был не только величайшим физиком современности — он стал
«вдохновляющим образцом для подражания, его жизнь и работы повлияли на жизнь
многих других крупных мыслителей. Их суммарный общественный вклад вместе
с вкладом тех, кого они вдохновили в свою очередь, намного превосходит
достижения самого Эйнштейна».
Эйнштейн запустил неостановимую «интеллектуальную цепную
реакцию», лавину оригинальных идей, мемов, которые будут вечно будить мысль
в последующих поколениях.
СМ. ТАКЖЕ Ньютон как источник вдохновения (1687), Броуновское движение (1827),
Специальная теория относительности (1905), Фотоэффект (1905), Общая теория
относительности (1915), Стивен Хокинг в «Звездном пути» (1993).
42-летний Альберт Эйнштейн на лекции в Вене.

Опыт Штерна-Герлаха
Отто Штерн (1888-1969), Вальтер Герлах (1889-1979)
♦То, что обнаружили Штерн и Герлах, никто и не предполагал, - пишет
историк науки Луиза Гилдер. - Опыт Штерна-Герлаха, обнародованный в 1922 г.,
стал настоящей сенсацией в мире физиков. Он произвел такое сильное
впечатление, что многие из тех, кто еще сомневался в квантовых идеях,
обратились тогда в эту веру». Представьте, что мы аккуратно бросаем маленькие
вращающиеся магнитные бруски так, чтобы они пролетали между северным
и южным полюсами большого магнита, висящего перед стеной. Поле
большого магнита отклоняет бруски, они ударяются о стенку и оставляют на ней
зазубрины в разных местах. В 1922 г. Отто Штерн и Вальтер Герлах провели
эксперимент с нейтральными атомами серебра, внешняя орбиталь которых
содержала один электрон. Вообразим, что этот электрон вращается и создает
небольшой магнитный момент, в нашем мысленном эксперименте это
магнитный брусок. Вращение неспаренного электрона приводит к тому, что атом
в целом приобретает северный и южный полюса, подобно крошечной
магнитной стрелке компаса. На пути к детектору атомы серебра пролетают через
неоднородное магнитное поле. В таком внешнем поле сила, действующая на
один конец крошечных «магнитиков», будет больше силы, действующей на
другой конец. При хаотичной ориентации магнитных моментов
пролетающие атомы серебра испытали бы на себе действие сил, разных по величине и
направлению. И со временем места их столкновения с детектором образовали
бы размазанную полоску. Однако Штерн и Герлах обнаружили лишь два
места столкновения - выше и ниже первоначального пучка атомов серебра. Это
означало, что магнитный момент атома, связанный со «спином» электрона,
квантуется, т. е. может иметь лишь две ориентации (относительно
направления магнитного поля).
Заметим, что свойство частицы — собственный угловой момент вращения,
называемый «спином» (от англ. слова spin, что означает «вращение». - Прим.
пер.) - имеет мало общего с классическим угловым моментом вращающегося
шарика. Спин - это некое таинственное квантово-механическое свойство
частиц. Спин электронов, протонов и нейтронов может быть ориентирован
относительно выделенной оси лишь двумя способами. Ассоциированный со
спином магнитный момент более массивных частиц в ядре атома — протонов и
нейтронов - гораздо меньше, чем у электрона, так как момент магнитного диполя
обратно пропорционален массе частицы.
СМ. ТАКЖЕ De Magnete («О магните») (1600), Гаусс и магнитный монополь (1835),
Электрон (1897), Принцип запрета Паули (1925), Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
(1935).
Мемориальная доска в честь Штерна и Герлаха, установленная у входа в здание
во Франкфурте (Германия), где они провели свой знаменитый эксперимент.

* *
■-
дВ
dz
-jy
■"■'
Ζ
к Ζ
1 .
^RINNt
Τ
*
r
. ·' .'.':ifV'
"\ "-1"...
'" ~- ~i~-£e&
A V'
\
V
-4
IM FEBRUAR 1922 WURDfc IN Μ GEP A - Ό 5
PHYSIKALISCHBM VEREINS, FRANKFURT. Μ ΛΑΙΝ,
VON OTTO STERN UND WALTHER GERLACH DIE
FUNDAMENTALE ENTDBCKUNG DER RAUMOVANTISIERUNG
DER MAGNETISjCHEN MOMENTE IN АТОМЕМЧЗЕМАСНТ
AUF DEM STERN-GERLACH-EXPER^MEN BERUMEN WKJHTIGE
PHYSIKALISCH= ECHNtSCJHE ENTW||CKLUNG£N DES 0. HDTS.,
WIE KERNSPINRESONANZMETHODE, ATOMUHR О ER LASER
OTTO STERr WURDE 1943 FUR DIESE ENTDECKUN
DER<NOBELPREIS VERLlEHENu
- ν

Неоновая реклама
Жорж Клод (1870-1960)
Рассказ о неоновой рекламе был бы неполным без картинок прошлого, без
того, что я называю «ностальгической физикой». Неоновые трубки
разработал и запатентовал их коммерческое использование в щитах наружной
рекламы французский химик и инженер Жорж Клод. В 1923 г. Клод внедрил свое
изобретением и в Соединенных Штатах. «В 1920-1930-х гг. неоновую
рекламу можно было увидеть вдоль всех американских автострад. Во мраке ночи
ее свет пронизывал тьму, неся спасение любому путешественику, ищущему
бензозаправку или место для ночлега», — пишет автор книг об американских
дорогах Уильям Кащински.
Неоновые лампы - это стеклянные трубки, содержащие неон или другие
газы при низком давлении. Электропитание подается к ним по проводам,
проходящим через торцевые стенки трубки. При подаче напряжения электроны
притягиваются к положительному электроду, сталкиваясь случайным
образом с атомами неона. Иногда при этом из атома выбивается электрон, в
результате чего появляется еще один свободный электрон и положительно
заряженный ион неона Ne+. Смесь свободных электронов, ионов Ne+ и нейтральных
атомов неона образует проводящую плазму, в которой свободные электроны
притягиваются к ионам Ne+. Иногда свободные электроны захватываются
ионами и попадают на высокие уровни энергии, а когда электроны
переходят с них на нижние уровни, испускается свет определенных длин волн, т. е.
разных цветов - например, красно-оранжевый в случае неона. Другие газы в
трубке могут испускать свет других цветов.
Писательница и путешественница Холли Хьюгс пишет в книге «500 мест,
которые надо увидеть, прежде чем они исчезнут»: «Прелесть неоновой
рекламы состояла в том, что эти стеклянные трубки можно было изгибать,
придавая им любую желаемую форму. Когда в 1950-1960-х гг. массы американцев
покатили по автомагистралям, рекламодатели тут же воспользовались этим,
а городские пейзажи в ночное время засветились неоновым светом -
разноцветная, яркая реклама зазывала в самые разные места - от боулинга до
прилавков с мороженым и стоек баров с экзотическими коктейлями. Защитники
памятников старины работают сейчас над сохранением неоновой рекламы для
будущих поколений - на местности или в музеях. В конце концов, чем была бы
Америка без опоясывающих ее гигантских неоновых колец? ».
СМ. ТАКЖЕ Триболюминесценция (1620), Флюоресценция Стокса (1852), Плазма (1879),
Лампа черного света (1903).
Американская мойка для автомобилей с неоновой рекламой в ретро-стиле 1950-х гг.

<■«

Эффект Комптона
Артур Холли Комптон (1892-1962)
Представьте, что вы крикнули, и ваш голос вернулся как эхо, отразившись от
отдаленной стены. Вы ведь не ожидаете, что эхо вашего голоса прозвучит на
октаву ниже? Звуковые волны отражаются, не меняя частоты. А вот с
рентгеновскими волнами дело обстоит иначе. В 1923 г. физик Артур Комптон
показал, что при падении рентгеновских лучей на электроны рассеянное
излучение имеет меньшую частоту и меньшую энергию. Классическая волновая
теория электромагнитного излучения не предсказывала такого эффекта.
Рассеянные рентгеновские лучи вели себя так, будто бы состояли из частиц,
похожих на бильярдные шары: часть их энергии передавалась электрону,
который играл роль другого бильярдного шара. Другими словами, некоторая доля
начального импульса частицы рентгеновских лучей приобреталась
электроном. В случае бильярда энергия рассеянных шаров зависит от угла, под
которым они разлетаются после столкновения. Подобную угловую зависимость
Комптон обнаружил и при столкновении рентгеновских лучей с электронами.
Эффект Комптона дал дополнительное доказательство справедливости
квантовой теории, которая утверждала, что свет имеет как волновые, так и
корпускулярные свойства. Ранее Альберт Эйнштейн показал, что фотоэффект -
явление испускания медной пластинкой электронов при освещении ее светом
некоторого диапазона частот - может быть объяснен квантовой теорией, если
представить себе свет как поток частиц (теперь их называют фотонами).
В чисто волновой модели рентгеновских лучей и классических электро
нов можно было бы ожидать, что электроны начнут раскачиваться с частотой
падающей волны и, следовательно, излучать волны той же частоты. Комптон
принял трактовку рентгеновских лучей как фотонов, приписав им импульс
ρ = hf/c, исходя из двух хорошо известных физикам соотношений Ε = hf и
Ε = тс2. Энергия рассеянных рентгеновских лучей согласовывалась с этими
предположениями. Здесь Ε — энергия, / - частота фотона, с - скорость света,
т — масса, а Λ - постоянная Планка. В условиях эксперимента Комптона
силами, связывающими электроны в атомах, можно было пренебречь и
рассматривать электроны как свободные, способные рассеиваться в любом направлении.
СМ. ТАКЖЕ Рентгеновские лучи (1895), Фотоэффект (1905), Тормозное излучение (1909),
Электромагнитный импульс (1962).
Артур Комптон (слева) в Чикагском университете с выпускником Луисом Альвар1
сом. 1933 г. Комптон тогда уже был лауреатом Нобелевской премии. Альварес получил
ее позже.

J ι
*'X
..
• «
i ;
^

Соотношение де Бройля
Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль (1892-1987), Клинтон Джозеф
Дэвиссон (1881-1958), Лестер Халберт Джермер (1896-1971)
Многочисленные исследования субатомного мира показали, что частицы,
подобные электронам или фотонам (сгусткам света), не похожи на объекты,
с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Они проявляют свойства
как волны, так и частицы, в зависимости от условий эксперимента или
наблюдаемого явления. Итак, добро пожаловать в странное царство квантовой
механики.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль предположил, что частицы
вещества можно рассматривать также и как волны и что они должны обладать
свойствами, обычно присущими распространяющимся колебаниям, включая
длину волны (расстояние между двумя последовательными гребнями). По
существу любое тело характеризуется длиной волны. В 1927 г. американские
физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер продемонстрировали волновую
природу электронов, обнаружив, что при их рассеянии на кристаллах
наблюдаются явления интерференции и дифракции, как если бы электроны были
волнами, подобными световым.
Знаменитое соотношение де Бройля показывает, что длина волны частицы
вещества обратно пропорциональна ее импульсу (который для частиц малых
скоростей равен произведению массы на скорость): λ = Λ/ρ. Здесь λ - длина
волны, ρ — импульс, а Λ - постоянная Планка. Джоан Бейкер, астрофизик и
автор научно-популярных книг, пишет, что в соответствии с этим уравнением
«большие объекты вроде шариков в подшипниках или ершиков для
прочистки труб имеют настолько маленькую длину волны, что ее нельзя наблюдать, и
потому мы не можем обнаружить, что они ведут себя как волны. Теннисный
мяч, летящий через корт, имеет длину волны 10~34 м, что гораздо меньше
размера протона (10~15 м)». Длина волны муравья больше длины волны человека.
Со времени эксперимента Дэвиссона-Джермера с электронами гипотеза де
Бройля была подтверждена в опытах с другими частицами - нейтронами,
протонами, а в 1999 г. даже для молекул целиком - например, для фуллеренов,
молекулярных соединений атомов углерода, имеющих форму футбольного мяча.
Де Бройль развил свою идею в докторской диссертации (соответствует
нашей кандидатской. - Прим. пер.), но предложенная им концепция оказалась
настолько радикальной, что члены жюри поначалу не были уверены, что они
могут утвердить диссертацию. Позже (в 1929 г.) де Бройль получил за эту
работу Нобелевскую премию.
СМ. ТАКЖЕ Волновая природа света (1801), Электрон (1897), Волновое уравнение
Шрёдингера (1926), Квантовое туннелирование (1928), Фуллерены (1985).
В 1999 г. исследователи из университета в Вене продемонстрировали волновое
поведение бакминстерфуллерена С60 - молекулы фуллерена, состоящей из 60 атомов
углерода (показана на рисунке). Пучок таких молекул со скоростями около 200 м/с,
пропущенный через дифракционную решетку, создал на экране интерференционную
картину, характерную для волн.

\
ч

Принцип запрета Паули
Вольфганг Эрнст Паули (1900-1958)
Представим себе людей, заполняющих места на стадионе, начиная с рядов,
ближайших к полю. Вот так примерно и электроны заполняют орбитали
атома. Как на стадионе, так и в атомной физике существуют правила,
регулирующие количество объектов (электронов или людей), которым разрешается
заполнить выделенные им места. В самом деле, было бы очень неудобно, если
бы, к примеру, десяток человек попытались втиснуться в одно небольшое
сиденье.
Принцип запрета Паули объясняет твердость вещества и причину, по
которой два объекта не могут занимать одно и то же место. По этой причине мы не
проваливаемся сквозь пол, а нейтронные звезды сопротивляются сжатию под
действием тяготения собственных, невероятно больших масс.
Итак, принцип запрета гласит, что никакая пара одинаковых фермионов
(электронов, протонов, нейтронов и других частиц с полуцелым спином) не
может одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии
(включая и направление спина фермиона). Например, электроны, занимающие одну
и ту же орбиталь, должны иметь противоположно направленные спины. Если
на орбитали уже находятся два электрона с противоположно направленными
спинами, никакой другой электрон туда попасть не может, пока для него не
освободится место.
Принцип Паули хорошо проверен и является одним из самых важных
принципов в физике. Как говорит историк науки Мичела Массими, * в современной
науке — от спектроскопии до атомной физики, от квантовой теории поля до
физики высоких энергий — едва ли найдется другой научный принцип,
имеющий столь далеко идущие следствия». Благодаря принципу Паули можно
объяснить спектры атомов и определить электронные конфигурации, лежащие в
основе классификации химических элементов в Периодической таблице
Менделеева. Научный журналист Эндрю Уотсон пишет: «Паули сформулировал
принцип запрета в начале 1925 г., до появления современной квантовой
теории и гипотезы о спине электрона. Его мотивация была проста: должно быть
что-то, препятствующее электронам в атоме собраться всем вместе в одном
состоянии с наименьшей энергией... Таким образом, принцип Паули
удерживает электроны, равно как и другие фермионы, от вторжения в личное
пространство друг друга».
СМ. ТАКЖЕ Закон Кулона в электростатике (1785), Электрон (1897), Атом Бора (1913),
Опыт Штерна-Герлаха (1922), Белые карлики и предел Чандрасекара (1931), Нейтронные
звезды (1933).
Эта художественная композиция называется «Принцип запрета Паули, или Почему
собака не провалилась сквозь землю». Принцип запрета объясняет твердость вещества
и сопротивление нейтронных звезд сжатию под действием сил гравитации,
порожденных их собственными, невероятно большими массами.

1
,Λ· i
Ή,'.-: **■
.jf
'•■"'τ
<&:■

Волновое уравнение Шрёдингера
Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер (1887-1961)
♦Уравнение Шрёдингера дало ученым возможность представить себе
исследуемые ими атомные системы и предсказывать их поведение», - пишет
физик Артур Миллер. Шрёдингер получил свое уравнение во время каникул
на лыжном курорте в Швейцарии, где он отдыхал со своей тогдашней
любовницей, которая, вероятно, стимулировала его интеллектуальные и
«эротические взрывы», как он сам это называл. Волновое уравнение Шрёдингера
описывает весь мир в терминах волновых функций и вероятностей. Имея это
уравнение, мы можем найти волновую функцию частицы ψ(Γ, t):
Pi tr
ih—y(r,t) = -—V24{r,t) + V(r)y(r,t).
Нам нет нужды вдаваться в детали этого уравнения, кроме, возможно,
замечания, что волновая функция ψ(/ν) - это амплитуда вероятности
обнаружить частицу в момент времени t в точке с радиусом-вектором г .
Математический символ V2 используется для описания изменений волновой функции
ψ (г,/) в пространстве, a V(f} — потенциальная энергия частицы в точке г.
Точно так же, как обычное волновое уравнение описывает распространение
ряби на поверхности водоема, уравнение Шрёдингера описывает, как
меняется в пространстве и времени волна вероятности, ассоциируемая с частицей
(например, с электроном). Положение гребня волны соответствует месту, где,
вероятнее всего, находится частица. Это уравнение, позволяющее также
вычислить энергетические уровни электронов в атомах, стало одним из
краеугольных камней квантовой механики - физики атомного мира. Хотя может
показаться странным описывать частицу как волну, но в квантовом царстве
такая удивительная двойственность необходима. Например, свет может вести
себя или как волна, или как частица (фотон). А частицы (например,
электроны или протоны) могут вести себя как волны. Если использовать аналогию, то
представьте себе электрон в атоме в виде волны на мембране барабана,
различные типы колебаний которой соответствуют разным энергетическим уровням
атома.
Заметим, что матричная механика, развитая Вернером Гейзенбергом,
Максом Борном и Паскуалем Йорданом в 1925 г., интерпретировала некоторые
свойства частиц на математическом языке матриц. Этот формализм
эквивалентен волновой формулировке Шрёдингера.
СМ. ТАКЖЕ Волновая природа света (1801), Электрон (1897), Соотношение де Бройля
(1924), Соотношения неопределенностей Гейзенберга (1927), Квантовое туннелирование
(1928), Уравнение Дирака (1928), Кот Шрёдингера (1935).
Портрет Эрвина Шрёдингера на банкноте в 1000 австрийских шиллингов (1983).

:эй
TAU5ENC1
5CHIL. IN
QESTEnA ICHlSr,
N/kTID LBA К
*";■
vet к-чшв
" ""Ν к -ΑΓ.
■>5 ■ _*=
■Д^
i^V^/V/
199265
r

Соотношения
неопределенностей Гейзенберга
Вернер Гейзенберг (1901-1976)
♦Неопределенность - единственное, что определено, - писал математик Джон
Аллен Паулос, - а безопасность - это умение жить в небезопасном мире».
Соотношения неопределенностей Гейзенберга утверждают, что положение и
скорость частицы не могут быть одновременно известны со сколь угодно высокой
точностью. Чем точнее измеряется положение частицы, тем неопределеннее
измерение ее импульса, и наоборот. Соотношения неопределенностей
существенны при малых размерах системы - в масштабах атомов и субатомных частиц.
До открытия этого закона большинство физиков считало, что пределы
любых измерений ограничены только точностью используемых инструментов.
Немецкий физик Вернер Гейзенберг предположил, что, даже если бы мы
создали неограниченно точный измерительный инструмент, нам все равно не
удалось бы точно определить и положение частицы, и ее импульс. Соотношения
неопределенностей гласят, что любое измерение положения частицы
обязательно искажает до некоторой степени наши сведения о ее импульсе.
Для тех ученых, которые принимают копенгагенскую интерпретацию
квантовой механики, соотношения неопределенностей Гейзенберга означают,
что физическая Вселенная не существует как детерминированный мир, а
скорее представляет собой совокупность вероятностей. В частности, траектория
элементарной частицы (например, фотона) даже теоретически не может быть
предсказана с абсолютной точностью.
В 1935 г. Гейзенберг по логике вещей должен был сменить на
профессорской позиции в Мюнхенском университете своего учителя Арнольда Зоммер-
фельда, достигшего предельного возраста. Однако нацисты требовали, чтобы
«немецкая физика» сменила «еврейскую физику», к которой причислялись
квантовая механика и теория относительности. В результате назначение
Гейзенберга не состоялось, хотя он и не был евреем.
Во время Второй мировой войны Гейзенберг возглавлял немецкую
программу создания ядерного оружия. По сей день историки спорят, почему эта
программа провалилась: из-за недостатка ресурсов или из-за отсутствия в
команде подходящих ученых, а может, вследствие нежелания Гейзенберга
создать такое мощное оружие для нацистского режима, или же по каким-то
другим причинам.
СМ. ТАКЖЕ Демон Лапласа (1814), Третье начало термодинамики (1905), Атом Бора
(1913), Волновое уравнение Шрёдингера (1926), Принцип дополнительности (1927),
Квантовое туннелирование (1928), Конденсат Бозе-Эйнштейна (1995).
СЛЕВА: согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга. частицы существуют
лишь как совокупность вероятностей, и их траектории не могут быть предсказаны
с бесконечной точностью. СПРАВА: немецкая почтовая марка 2001 г. с портретом
Вернера Гейзенберга.

Begriinder der
Quantenmechanik
300
Ap-Aq~h
«
,53€
erner Η
W *ц 1 »ч
enber
'
Heisenbergsche
Unscharferelation
iutschland
Q
ι -

Принцип дополнительности
Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962)
Датский физик Нильс Бор сформулировал в конце 1920-х гг. концепцию,
которую назвал принципом дополнительности. Он пытался придать смысл
загадкам квантовой механики, которая утверждала, в частности, что свет
иногда ведет себя как волна, а иногда как частица. Для Бора, как пишет историк
науки Луиза Гилдер, «дополнительность была почти религиозной верой в то,
что парадоксы квантового мира должны восприниматься как
фундаментальные свойства, что их нельзя "решить" или упростить в попытке установить,
"что там происходит на самом деле". Бор использовал это слово,
"дополнительность", в необычном смысле: "дополнительность" волн или частиц или,
например, координаты и импульса означали для него, что если одно
существует, то второго нет вообще». Сам Бор в 1927 г. в своей лекции в Комо
(Италия) сказал, что волны и частицы - «абстракции, их свойства можно
определить и наблюдать лишь при их взаимодействии с другими системами ».
Иногда кажется, что физика и философия дополнительности имеют точки
пересечения с теориями в искусстве. К. С. Коул, известный популяризатор
науки, пишет: «Бор увлекался кубизмом. Особенно ему нравилось то, что, как
вспоминал один его друг, "некий объект может быть сразу несколькими
предметами, может меняться, может восприниматься как лицо, ветка или ваза с
фруктами". Бор продолжал развивать свою философию дополнительности,
которая указывала, как способен меняться электрон, как он проявляется то
волной, то частицей. Подобно кубизму, дополнительность допускала
сосуществование взаимоисключающих альтернативных взглядов в рамках единой
картины природы».
Бор считал неправильным рассматривать субатомный мир с позиций
обыденного сознания. «Цель нашего описания природы, — писал ученый, -
не в том, чтобы обнаружить реальную сущность явлений, а в том, чтобы
проследить, насколько это возможно, соотношения между множественными
аспектами нашего опыта».
В 1963 г. физик Джон Уилер так высказался о важности этого принципа:
«Принцип дополнительности Бора - самая революционная концепция этого
столетия и суть пятидесятилетних поисков ученого смысла квантовой идеи».
СМ. ТАКЖЕ Волновая природа света (1801), Соотношения неопределенностей Гейзен-
берга (1927), Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (1935), Кот Шрёдингера (1935),
Теорема Белла (1964).
Часто кажется, что физика и философия оополнительности имеют точки пересечения
с теориями искусства. Бор был увлечен кубизмом, который иногда допускает
сосуществование «противоречивых» видов, как, к примеру, на этой картине проживающего в
Чехии художника Евгения Иванова.

Υ·

Сверхзвуковой щелчок кнутом
Целый ряд научных статей по физике был посвящен звуковым ударам,
происходящим при щелканьи кнутом. Эти работы сопровождались
многочисленными и весьма острыми спорами о точном механизме явления. Уже в
начале XX в. физики знали, что если быстро и правильно двигать кнутовище,
то кончик бича может превысить скорость звука. В 1927 г. физик Зефирен
Каррьер, используя метод высокоскоростной теневой фотографии, показал,
что при щелчке кнутом возникает ударная волна. Традиционное объяснение
явления в пренебрежении эффектами трения таково: движущийся отрезок
ремня по мере продвижения к его концу уменьшается в размерах и, по
закону сохранения энергии, должен двигаться все быстрее. Кинетическая
энергия движущейся точки массой т дается выражением Ε = l/2mv2, и если Ε
остается примерно постоянной, а т сокращается, то скорость υ должна
возрастать. В конечном итоге кончик кнута движется быстрее скорости звука
(около 1236 км/ч при 20 °С в сухом воздухе) и порождает ударную волну
точно так же, как реактивный самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью.
По-видимому, кнут был первым изделием человека, преодолевшим звуковой
барьер.
В 2003 г. специалисты в области прикладной математики Ален Горили
и Тайлер Макмиллан решили сложные уравнения для модели кнута в виде
упругого сужающегося стерженя, по которому движется изгиб в форме
плоской петли. О сложности механизма щелчка они писали так: «Щелчок - это
ударная звуковая волна, рождаемая при движении кончика кнута быстрее
скорости звука. Большое ускорение кончика кнута достигается при
достижении изгибом конца стержня, когда вся энергия концентрируется в небольшом
отрезке стержня. Эта энергия, складывающаяся из кинетической энергии
движущегося изгиба, запасенной в нем упругой энергии и энергии
вращательного движения стержня, расходуется затем на ускорение его конца». Сужение
кнута также увеличивает максимальную скорость его кончика.
СМ. ТАКЖЕ Атлатль (30 000 до н.э.), Излучение Черенкова (1934), Ударная звуковая
волна (1947).
Щелканье кнута - это пример звукового удара. По-видимому, кнут был первым изделием
человека, преодолевшим звуковой барьер.

Ν
Vs-
jl
ν.

Уравнение Дирака
Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984)
Как отмечено в статье «Антивещество», уравнения физики иногда приводят
к таким следствиям, которых не ожидал даже их первооткрыватель. Физик
Фрэнк Вильчек в своем очерке об уравнении Дирака писал, что могущество
подобных уравнений может показаться поистине волшебным. В 1927 г. Поль
Дирак попытался найти аналог волнового уравнения Шрёдингера, который
был бы совместим с положениями специальной теории относительности
Один из вариантов записи этого уравнения Дирака выглядит так:
ί * V
У 7=1
Опубликованное в 1928 г., это уравнение, описывающее электроны и
другие элементарные частицы, совместимо как с квантовой механикой, так и со
специальной теорией относительности. Уравнение Дирака предсказало
существование античастиц и таким образом «опередило» их обнаружение в
экспериментах. После открытия позитрона, античастицы электрона, уравнение
Дирака стало прекрасным примером полезности математики для современной
теоретической физики. В этом уравнении т — масса электрона, Й -
приведенная постоянная Планка ( й = Λ/(2π) = 1,054 · 10~34 Дж · с), с — скорость света,
р. - компоненты оператора импульса, г и t — пространственные координаты и
время, а Ψ(γ,/) - волновая функция. Величины а0, а- - линейные операторы
(матрицы), действующие на волновую функцию.
Физик Фримен Дайсон возносит хвалу этому уравнению, которое
представляет собой значительный шаг в восприятии человечеством реальности. Он
пишет: «Иногда понимание целой области науки внезапно продвигается вперед
из-за открытия какого-нибудь единственного основного уравнения. Так
случилось с уравнением Шрёдингера в 1926 г. и с уравнением Дирака в 1927 г.,
которые навели удивительный порядок в прежде таинственных процессах
атомной физики. Сложности химии и физики, ставившие ученых в тупик,
свелись к двум строчкам алгебраических символов».
СМ. ТАКЖЕ Электрон (1897), Специальная теория относительности (1905), Волновое
уравнение Шрёдингера (1926), Антивещество (1932).
В лондонском Вестминстерском аббатстве можно найти только одно уравнение - это
уравнение Дирака. Оно выбито на мемориальной плите в честь ученого. На рисунке
дано расцвеченное воображением художника изображение этой плиты с упрощенным
вариантом записи уравнения Дирака.
Т(г,/) = /Й—Т(г,/).
V ' dt V '
346

ч
".V v-
^<v
Vu
о
">
'4
л^
V,
^
>fc_ -'
К ; v' '"
' -^ "V.' - ι
S ^ - χ :-
·-. · ^ Ч-г> ^ ^.
&?."- '" .i *\ ι
'''ч ' л \ . v
•
Ί
Л
Xt,
ЛЛл
-ιλΜ-
V.
V%* * V. i^-vr V,*
л.
X. -г
•л
4
;,
ч
^ '
^
'
i
\ .
-
ν · . - , .
■ »v
,\ . 1 - "ι
\ · · ^ft -"ι >
^ ~ \ ' . "« ""Ί Л ^
■^ - ' s
' · * ~^ ->У
' - ,- - ' V1'

Квантовое туннелирование
Георгий Гамов (1904-1968), Рональд У. Гёрни (1898-1953),
Эдвард Улер Кондон (1902-1974)
Представьте, что вы бросаете монетку в стену между двумя комнатами.
Монетка отскакивает, потому что ей не хватает энергии, чтобы проникнуть
сквозь стену. Однако, согласно квантовой механике, монетка на самом деле
представляется размытой волной вероятности, которая перехлестывает через
стену. Это значит, что у монетки все-таки есть очень маленький шанс
просочиться сквозь стену и оказаться в соседней комнате. Частицы могут туннели-
ровать через подобные барьеры благодаря соотношениям неопределенностей
Гейзенберга, примененным к энергии. Согласно такому соотношению,
невозможно сказать, что частица обладает определенным количеством энергии в
определенный момент времени. В масштабе коротких времен энергия
частицы может значительно флуктуировать и приобрести такие значения, которые
позволят ей пересечь барьер.
В некоторых транзисторах электроны туннелируют из одной части
устройства в другую. Распад некоторых ядер с испусканием частиц также
происходит благодаря туннелированию. Так, альфа-частицы (ядра гелия) в конечном
итоге туннелируют из ядер урана. Согласно работам, опубликованным
независимо Георгием Гамовым и двумя соавторами Рональдом Гёрни и Эдвардом
Кондоном, альфа-частица никогда не вылетела бы из ядра, если бы не
туннелирование.
Туннельный эффект также важен для поддержания реакций синтеза на
Солнце. Без него звезды не смогли бы сиять. В сканирующем туннельном
микроскопе явление туннелирования помогает ученым увидеть
микроскопический рельеф проводящих поверхностей. В этом приборе используется острая
игла (зонд), между ней и исследуемым образцом течет туннельный ток.
Наконец, теория туннельного эффекта применялась к некоторым ранним моделям
Вселенной и для понимания механизма катализа реакций ферментами.
Туннелирование всегда случается в субатомных масштабах, и крайне
маловероятно (хотя и возможно), чтобы вы просочились через стену из своей
спальни в смежную с ней кухню. Однако если вы будете кидаться на стену каждую
секунду, то за время, превышающее возраст нашей Вселенной, у вас могут
появиться неплохие шансы...
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Волновое уравнение Шрёдингера (1926),
Соотношения неопределенностей Гейзенберга (1927), Транзистор (1947), Наблюдение
отдельного атома (1955).
Сканирующий туннельный микроскоп в Национальной лаборатории Сандия, США.

*
I \
*■
\
• η
w
\
•T
J>
\

Закон Хаббла
о расширении Вселенной
Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953)
♦Возможно, расширение Вселенной - самое важное открытие, которое
когда-либо делалось в космологии, - пишет космолог Джон П. Хакра. - Наряду
с принципом Коперника (во Вселенной нет выделенного центра) и парадоксом
Ольберса (почему небо по ночам темное), оно является одним из
краеугольных камней современной космологии. Оно заставило ученых рассматривать
динамические модели Вселенной, а также повлекло за собой установление
временного масштаба - возраста Вселенной. Это стало возможным главным
образом благодаря Эдвину Хабблу, его оценкам расстояний до ближайших
галактик».
В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что чем
дальше от наблюдателя на Земле находится галактика, тем быстрее она удаляется.
Расстояния между галактиками или скоплениями галактик постоянно
возрастают, поэтому Вселенная расширяется.
Для многих галактик скорость удаления от наблюдателя на Земле может
быть определена по красному смещению: длина волны их
электромагнитного излучения, принимаемого детектором на Земле, оказывается увеличенной
по сравнению с излучением источника. Красное смещение возникает от того,
что другие галактики удаляются от нашей с огромными скоростями, и все
это вызвано расширением самого пространства. Изменение длины волны из-
за относительного движения источника света и приемника происходит из-за
эффекта Доплера. Существуют также другие методы определения скоростей
далеких галактик. (Для сравнительно близких объектов, связанных
локальными гравитационными взаимодействиями вроде звезд внутри одной
галактики, это общее разбегание не наблюдается.)
Хотя наблюдатель на Земле видит, что все далекие скопления галактик
удаляются от нас, мы не занимаем выделенного положения в пространстве.
Наблюдатель в другой галактике также увидел бы, что все скопления галактик
удаляются от него. Это — следствие расширения самого пространства и одно из
главных доказательств происшедшего Большого взрыва, с которого началась
эволюция Вселенной и последующее ее расширение.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н.э.). Парадокс Ольберса (1823), Эффект
Доплера (1842), Реликтовое излучение (1965), Космическая инфляция (1980), Темная
энергия ί1998), Космологический Большой разрыв (через 36 млрд).
Веками люди устремляли взгляды в небо, размышляя о своем месте в этом мире.
На рисунке - польский ученый Ян Гевелий и его жена Эльжбета, проводящие
астрономические наблюдения (1673). Эльжбета считается одной из первых женщин-астрономов.

к*
л .'·■/
к,
■■.с
-
!·,
L, I.
?1
й
С J
^
Q?
ч
\li
■
η ■
о·· ί
^
v.
ч.
^
ч.
Гч-
:^
О
о
г
1
с
в
Б
Л,
АЛ
(TL

Циклотрон
Эрнест Орландо Лоуренс (1901-1958)
«Первые ускорители частиц были линейными, - пишет Натан Деннисон, - но
Эрнест Лоуренс нарушил эту традицию и, используя множество небольших
электрических импульсов для ускорения частиц, заствил их летать по кругу.
Осуществление его первого проекта, начавшегося с наброска на клочке
бумаги, обошлось Соединенным Штатам в 25 долларов. Лоуренс продолжал
совершенствовать свой циклотрон, применяя разные подручные средства вплоть до
кухонного стула... пока в итоге не получил в 1939 г. Нобелевскую премию».
Циклотрон Лоуренса ускорял заряженные атомные и субатомные
частицы, используя постоянное магнитное и изменявшееся электрическое поля,
заставлявшие частицы двигаться по раскручивающейся спирали, начиная с ее
центра. После многих оборотов в вакуумной камере частицы, ускоренные до
высокой энергии, могли разбивать атомные ядра, а осколки изучались с
помощью детекторов. Одним из преимуществ циклотрона по сравнению с
предшествующими ускорителями были его относительно компактные размеры, при
этом энергии частиц получались довольно высокими.
Диаметр первого циклотрона Лоуренса был всего около 10 см. Но в 1939 г.
ученый уже планировал построить в Калифорнийском университете в
Беркли самую большую и дорогую установку, когда-либо созданную для изучения
атома. Природа атомных ядер все еще была загадкой, и этот циклотрон, «для
которого требовалось столько стали, что ее хватило бы на постройку грузового
судна приличных размеров, и столько электричества, что им можно было бы
осветить весь город Беркли», дал бы возможность прозондировать внутренние
области атома после столкновений ускоренных частиц с ядрами и изучить
вызванные этим ядерные реакции. Циклотроны использовались для
производства радиоактивных материалов и изотопных индикаторов для медицины.
На циклотроне в Беркли синтезировали технеций - первый искусственно
созданный химический элемент.
Важность циклотрона Лоуренса состоит также в том, что с него началась
эра физики высоких энергий, эра огромных и весьма дорогостоящих
установок, требующих большого штата сотрудников. Напомним, что в циклотроне
используется постоянное магнитное поле и переменное электрическое поле
постоянной частоты. Но в синхротронах — ускорителях, созданных позднее, -
величина магнитного поля по мере увеличения энергии частиц постепенно
увеличивается (чтобы с ростом энергии частицы радиус ее орбиты в
ускорителе оставался неизменным. - Прим. пер.). На таком ускорителе, построенном
в компании General Electric, в 1947 г. впервые наблюдалось синхротронное
излучение.
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Атомное ядро (1911), Нейтрино (1956), Большой
адронный коллайдер (2009).
Физики Милтон Стэнли Ливингстон (слева) и Эрнест Лоуренс (справа) перед
27-дюймовым (69 см) циклотроном в старой Радиационной лаборатории Калифорнийского
университета в Беркли (1934).

( с
s
г Л
it Μ
\i
,-М
—. »
ЧГ.

Белые карлики
и предел Чандрасекара
Субраманьян Чандрасекар (1910-1995)
Певец Джонни Кэш объясняет в своей песне «Альманах фермера», что Бог
дал нам темноту, дабы мы видели звезды. Однако среди светящихся звезд
есть такие, которые трудно увидеть, поскольку они не светятся. Это - белые
карлики, умирающие звезды. Большинство звезд, подобных нашему Солнцу,
заканчивают свою жизнь белыми карликами. Это очень плотные звезды,
чайная ложка вещества белого карлика весила бы на Земле несколько тонн.
Ученые впервые предположили о существовании белых карликов в 1844 г.,
когда обнаружили покачивание из стороны в сторону Сириуса, ярчайшей
звезды Северного полушария, словно его притягивал некий небесный сосед,
причем слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть. Звезду-компаньона
нашли в 1862 г., и, к удивлению астрономов, она оказалась меньше Земли, но
почти такой же массивной, как наше Солнце. Эти белые карлики, все еще
довольно горячие, образуются при коллапсе умирающих звезд, исчерпавших все
свое ядерное горючее.
Максимальная масса невращающихся белых карликов составляет 1,4
массы Солнца - эту величину получил в 1931 г. молодой Субраманьян
Чандрасекар, плывя на корабле из Индии в Англию, где он собирался
продолжить обучение в Кембриджском университете. Когда коллапсирует звезда
небольших или средних размеров, электроны сдавливаются вместе и
достигают состояния, в котором из-за принципа запрета Паули они уже не могут
упаковаться плотнее. Это приводит к направленному наружу давлению так
называемых «вырожденных» электронов. Однако, если масса звезды
превышает предел Чандрасекара, т. е. она больше 1,4 массы Солнца, электроны не
могут противостоять сокрушающей силе гравитации. Такая звезда либо
продолжит коллапсировать, превратившись в нейтронную звезду (в этом случае
электроны как бы вдавливаются гравитацией в протоны, превращая их в
нейтроны. - Прим. пер.), либо сбросит излишек массы во взрыве сверхновой
звезды. В 1983 г. Чандрасекар получил Нобелевскую премию за свои
исследования эволюции звезд.
Через миллиарды лет белые карлики остынут и перестанут быть
видимыми, превратившись в черных карликов. Хотя белые карлики сначала
являются плазмой, на последних стадиях охлаждения, как предсказывается, многие
из них образуют структуры, подобные гигантским кристаллам.
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Плазма (1879), Принцип запрета Паули (1925),
Нейтронные звезды (1933).
На фотографии туманности Песочные Часы (МуСп 18), сделанной космическим
телескопом «Хаббл», видны раскаленные остатки умирающей звезды класса Солнца.
Яркая белая точка, слега смещенная влево от центра, - белый карлик, который остался
после исходной звезды, выбросившей эту газообразную туманность.

Лестница Иакова
Кеннет Стрикфадден (1896-1984)
♦Оно живо!» - вскричал доктор Франкенштейн, увидев, что созданное им
существо задвигалось. Эта сцена из фильма ужасов «Франкенштейн» (1931)
изобиловала спецэффектами, порожденными с помощью высокого электрического
напряжения. Их придумал электрик Кеннет Стрикфадден, который,
возможно, почерпнул некоторые из своих идей из более ранних публичных опытов
Николы Тесла с использованием катушек Теслы. Примененный в
«Франкенштейне» эффект, поражавший воображение кинозрителей и ставший
символом сумасшедших ученых, - это лестница Иакова в форме буквы «V».
Лестница Иакова включена в эту книгу частично из-за ее славы как
символа физики, вышедшей из-под контроля, но также и потому, что она до сих пор
дает преподавателям возможность продемонстрировать явления
электрического разряда, изменений плотности воздуха с температурой, ионизацию газа
(образование плазмы) и многое другое.
Искровой промежуток, т. е. воздушный слой между двумя проводящими
электродами, был известен и до фильма «Франкенштейн». При подключении
электродов к источнику достаточно высокого напряжения
происходит пробой воздуха и формируется искра, которая ионизирует
газ и уменьшает его электрическое сопротивление. Атомы
воздуха переходят в возбужденное состояние и флуоресцируют, что
делает искру видимой глазу.
В лестнице Иакова последовательно создаются большие
искры, поднимающиеся вверх. Сначала искра формируется внизу -
там, где электроды находятся близко друг от друга. Нагретый
ионизированный воздух поднимается вверх, потому что он менее
плотный, чем окружающий воздух. Вместе с ним идет вверх и
ток. Ближе к вершине лестницы Иакова он становится
неустойчивым. Сопротивление электрической дуги возрастает, растет и
потребление энергии и тепловыделение. Когда у вершины
лестницы дуга разрывается и гаснет, напряжение питания некоторое
время подается на разомкнутую цепь, пока не произойдет пробой
диэлектрического слоя воздуха у подножья лестницы и не начнет
формироваться новая искра. Далее цикл повторяется. В начале
XX в. электрические разряды в подобных устройствах
использовались в прикладной химии для получения окиси азота, применявшейся для
производства азотных удобрений.
СМ. ТАКЖЕ Электростатический генератор фон Герике (1660), Лейденская банка (1744),
Флюоресценция Стокса (1852), Плазма (1879), Катушка Теслы (1891).
СЛЕВА: лестница Иакова получила свое название от библейской лестницы из
видения Иакова, соединявшей небо с землею (картина Уильяма Блейка (1757-1827)).
СПРАВА: фотография лестницы Иакова, на которой показана серия поднимающихся
наверх больших искр. Искра формируется сначала в нижней части лестницы, где два
электрода достаточно близки другу к другу.

Нейтрон
Джеймс Чедвик (1891-1974), Ирен Жолио-Кюри (1897-1956),
Жан Фредерик Жолио-Кюри (1900-1958)
* Путь Джеймса Чедвика к открытию нейтрона был длинным и извилистым, -
пишет химик Уильям Кроппер. - Нейтроны, не несущие электрического
заряда, при прохождении сквозь вещество не оставляют за собой наблюдаемого
шлейфа в виде ионов, не прочерчивают траекторий в камере Вильсона. Они
невидимы для экспериментаторов». А физик Марк Олифант говорит:
«Нейтрон был открыт в результате упорных поисков Чедвика, а не случайно, как
радиоактивность или рентгеновские лучи. Чедвик интуитивно чувствовал,
что они должны существовать, и никогда не прекращал охоту за ними».
Нейтрон - это субатомная частица, входящая в состав всех атомных ядер,
кроме простейшего - водорода. У нейтрона нет электрического заряда, а его
масса слегка превышает массу протона. Как и протон, нейтрон состоит из трех
кварков. Находясь внутри ядра, нейтрон стабилен, но в свободном состоянии
он претерпевает бета-распад (один из видов радиоактивного распада), и
среднее время его жизни составляет примерно 15 минут. Свободные нейтроны
рождаются в ядерных реакциях деления и синтеза.
В 1931 г. Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии Кюри, ставшей дважды
лауреатом Нобелевской премии) и ее муж Фредерик Жолио описали таинственное
излучение, возникающее при бомбардировке атомов бериллия
альфа-частицами (ядрами гелия) и выбивающее протоны из водородсодержащего материала
(парафина). В 1932 г. Джеймс Чедвик провел дополнительные эксперименты
и показал, что обнаруженный новый вид излучения состоит из незаряженных
частиц с массой, примерно равной массе протона. Их назвали нейтронами.
Из-за того что нейтроны электрически нейтральны, электрические поля не
мешают им проникать глубоко в вещество.
Позже ученые обнаружили, что ядра различных элементов делятся при
бомбардировке нейтронами. Ядерная реакция деления состоит в развале ядра
тяжелого элемента на два более легких ядра с почти одинаковыми массами.
В 1942 г. американские физики показали, что свободные нейтроны,
образующиеся в процессе деления ядер, способны вызвать ядерную цепную реакцию,
в которой высвободится огромное количество энергии, и этот процесс можно
использовать для создания атомной бомбы и атомных электростанций.
СМ. ТАКЖЕ Доисторический ядерный реактор (2 млрд до н. э.), Радиоактивность (1896),
Атомное ядро (1911), Туманная камера Вильсона (1911), Нейтронные звезды (1933),
Ядерная энергия (1942), Стандартная модель (1961), Кварки (1964).
Исследовательский графитовый реактор в Брукхейвене - первый реактор мирного
времени, построенный в США после Второй мировой войны. Одна из его задач -
получение нейтронов (для научных экспериментов) в процессе деления урана.

шп
. г
Ε_ΐ
и
к
а.
\>.
,'f% -
'·'«■' ■ ;'*
1
it,Л
f«.

Антивещество
Поль Дирак (1902-1984), Карл Дэвид Андерсон (1905-1991)
♦ Вымышленные космические корабли часто оснащаются двигателями,
работающими на антивеществе, - пишет научный обозреватель Джоан Бейкер. -
Однако антивещество само по себе вполне реально и может быть создано на
Земле. Будучи "зеркальным отображением" вещества, антивещество не
может сосуществовать с веществом. Как только они придут в контакт, тут же
оба аннигилируют во вспышке энергии. Само существование антивещества
указывает на глубокую симметрию в физике частиц».
Британский физик Поль Дирак однажды сказал, что абстрактная
математика, которую мы изучаем сегодня, дает нам возможность заглянуть в физику
будущего. И в самом деле, в 1928 г. он вывел уравнение, описывающее
движение электрона, и оно предсказало существование антивещества, которое
открыли позже. Согласно формулам, должна существовать античастица
такой же массы, как у электрона, но с положительным электрическим зарядом.
В 1932 г. американский физик Карл Андерсон обнаружил эту новую частицу и
назвал ее позитроном. В 1955 г. на протонном ускорителе «Беватрон» в
Беркли (Калифорния) был открыт антипротон. В 1995 г. физики ЦЕРНа создали
на своих установках первый атом антиводорода. ЦЕРН - Европейская
организация ядерных исследований в Женеве, - крупнейшая в мире лаборатория
физики элементарных частиц.
Реакции взаимодействия вещества с антивеществом имеют в наши дни
практическое применение в виде позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Этот используемый в медицине метод построения изображений основан на
регистрации пары гамма-квантов (фотонов высокой энергии), рождающихся
при аннигиляции позитронов, испускаемых введенным внутрь организма
радиоизотопом - атомом с нестабильным ядром.
Сегодня физики пытаются объяснить, почему наблюдаемая Вселенная
почти целиком состоит из вещества. А существуют ли где-то в космосе области,
где преобладает антивещество?
На первый взгляд оно было бы почти неотличимо от обычного вещества.
Физик Мичио Каку пишет: «Можно образовать антиатом из антиэлектронов и
антипротонов. Теоретически возможны даже антилюди и антипланеты. Однако при
контакте антивещества с веществом произойдет их взаимная аннигиляция, и они
превратятся во вспышку света. Каждый, кто возьмет в руку кусочек антивеще
ства, немедленно взорвется с мощностью тысяч водородных бомб».
СМ, ТАКЖЕ Туманная камера Вильсона (1911), Уравнение Дирака (1928), Нарушение
СР-инвариантности (1964).
В 1960-х гг. ученые Брукхейвенской национальной лаборатории применяли детекторы,
подобные изображенному на фотографии, для исследования небольших опухолей мозга,
поглощавших введенный в организм радиоактивный материал. Научные достижения
вылились в практические и привели к созданию устройств, подобных современным по-
зитронным эмиссионным томографам, используемым для получения изображения
отделов головного мозга.

: j.■ N \
I
w
и
'J
r
i
ч
V
!^ь
ro\ ,
ι )
•

Темная материя
Фриц Цвикки (1898-1974), Вера Купер Рубин (р. 1928)
Астроном Карл Фримен и преподаватель Джефф Макнамара пишут:
«Учителя часто говорят своим ученикам, что Периодическая таблица элементов
показывает, из чего состоит Вселенная, но это - неправда. Мы теперь знаем, что
большая часть Вселенной - около 96% — состоит из темного материала
(темной материи и темной энергии), который не поддается краткому описанию».
Из чего бы ни состояла темная материя, она не испускает и не отражает
достаточно света или других видов электромагнитного излучения, чтобы ее можно
было наблюдать непосредственно. Ученые сделали вывод о ее существовании
по гравитационному воздействию на движение видимого вещества -
например, по скоростям вращения галактик.
Большая часть темной материи, возможно, состоит не из обычных
элементарных частиц, таких как протоны, нейтроны, электроны и известные
нейтрино, а из неких гипотетических частиц с экзотическими названиями -
стерильных нейтрино, аксионов, ВИМПов (от англ. WIMP - слабовзаимодей-
ствующие массивные частицы, включая нейтралино). Их трудно обнаружить,
поскольку они не взаимодействуют с электромагнитным полем.
Гипотетические нейтралино подобны нейтрино, но массивнее их и двигаются медленнее.
Теоретики преполагают и то, что в темную материю входят и гравитоны,
гипотетические частицы, переносящие гравитационные взаимодействия, которые
просочились в нашу Вселенную из соседних вселенных. Если наша Вселенная
расположена на "мембране", плавающей в многомерном пространстве, то за
темную материю могут быть ответственны обычные звезды и галактики на
соседней мембране.
В 1933 г. астроном Фриц Цвикки нашел свидетельства существования
темной материи, изучая движение краев галактик. Его результаты говорили, что
значительная часть массы галактик остается скрытой, невидимой. В конце
1960-х гг. астроном Вера Рубин показала, что большинство звезд в
спиральных галактиках вращаются примерно с одной скоростью, откуда следовало
существование темной материи в пространстве далеко за видимыми звездами.
В 2005 г. астрономы Кардиффского университета заявили об открытии, как
они полагают, галактики в Скоплении Девы, которая почти полностью
состоит из темной материи.
Фримен и Макнамара пишут: «Темная материя - это еще одно
напоминание нам, что мы, люди, не очень-то нужны Вселенной... Мы даже сделаны не
из того материала, что большая часть Вселенной. ...Наша Вселенная состоит
из темноты».
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Нейтрино (1956), Суперсимметрия (1971), Темная
энергия (1998), Браны Рэндалл-Сандрама (1999).
Одно из первых доказательств существования темной материи получила в 1959 г.
астроном Луиза Волдерс. Она показала, что спиральная галактика МЗЗ вращается не так, как
следовало бы из стандартной ньютоновской динамики. На картинке - фотография этой
галактики в ультрафиолетовых лучах, сделанная со спутника Η АСА Swift.

• ·
A*
ч · *■
ν
И
г
ι :
\V
:»
·. · ν
*·
♦; *

Нейтронные звезды
Фриц Цвикки (1898-1974), Джоселин Белл Бернелл (р. 1943),
Вильгельм Генрих Вальтер Бааде (1893-1960)
Звезды зажигаются, когда большое количество газообразного водорода
начинает сжиматься под действием собственного гравитационного поля. По мере
сжатия звезда разогревается, в ней образуется гелий (в результате ядерных
реакций синтеза. - Прим. пер.), и она излучает свет. В конечном счете
водородное топливо иссякает, звезда остывает и переходит в одно из «могильных
состояний», например в черную дыру, в одного из ее раздавленных кузенов -
в белого карлика (если звезда относительно мала) - или в нейтронную звезду.
После того как все ядерное топливо массивной звезды сгорело, ее
центральная область сжимается под действием гравитации, и происходит взрыв
сверхновой, в котором сбрасываются ее внешние слои. В таком гравитационном
коллапсе может родиться нейтронная звезда, состоящая почти целиком из не
заряженных субатомных частиц, нейтронов. Полному гравитационному
коллапсу и превращению нейтронной звезды в черную дыру препятствует
принцип запрета Паули. Масса типичной нейтронной звезды лежит между 1,4 и
2 солнечными массами, а ее радиус составляет всего около 12 км. Интересно,
что ядра нейтронных звезд предположительно состоят из необыкновенного
материала, который иногда называют «нейтронием». Нейтроний настолько
плотен, что его масса в объеме кубика рафинада может быть равна массе всех
людей на Земле вместе взятых.
Быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем
называются пульсарами. Они непрерывно излучают электромагнитные волны,
которые приходят на Землю в виде импульсов, повторяющихся с периодом
вращения звезды. Самый быстрый миллисекундный пульсар совершает около
700 об./с! Пульсары были открыты в 1967 г. Джоселин Белл Бернелл в виде
сигналов от источников радиоизлучения, которые, казалось, мигали с
постоянной частотой. Интересно, что астрофизики Фриц Цвикки и Вальтер Бааде
предсказали существование нейтронных звезд в 1933 г., всего через год после
открытия нейтрона.
Герои научно-фантастического романа Роберта Форварда «Яйцо дракона»
живут на нейтронной звезде, где тяготение столь велико, что высота гор не
превышает одного сантиметра.
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Принцип запрета Паули (1925), Нейтрон (1932), Белые
карлики и предел Чандрасекара (1931).
В 2004 г. на нейтронной звезде в созвездии Жирафа произошло «звездотрясение», после
чего она вспыхнула так ярко, что ослепила на время все спутники, ведущие
наблюдение в рентгеновских лучах. Взрыв был вызван вращающимся магнитным полем звезды,
которое деформировало ее поверхность. (Рисунок предоставлен Η АС А.)

■;_ > ■ · . .,
'Λ
■"♦.
*►
■,·."-
·.· -■
! .
. ■ у · ·
...
ν
V.V-4., ·:\.
_
* -.ν -
.'.>· ·.
■ν: ■·■--■·
■ίν'Λ."»;·.;, .··
■'·· >ν·;ν--/·' ■'· '··' · ./■'■·;
»· ^'<·.

Излучение Черенкова
Игорь Евгеньевич Тамм (1895-1971),
Павел Алексеевич Черенков (1904-1990),
Илья Михайлович Франк (1908-1990)
Черенковское излучение возникает, когда заряженная частица (например,
электрон) пролетает сквозь прозрачную среду (например, стекло или воду)
со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Один из наиболее
обычных примеров такого излучения дают ядерные реакторы, которые часто
погружены в бассейн с охлаждающей жидкостью. Активная зона реактора
окружена жутковатым синим свечением, вызванным черенковским
излучением рожденных в реакторе частиц. Этот тип излучения назван по имени
русского ученого Павла Черенкова, обнаружившего его в 1934 г.
Свет, проходя сквозь какой-то прозрачный материал, движется медленнее,
чем в вакууме, из-за взаимодействия фотонов с атомами среды. Представим
себе спортивный автомобиль на шоссе, который периодически останавливают
полицейские. Автомобиль не сможет проехать по шоссе так же быстро, как в
отсутствие полиции. В стекле или воде свет обычно распространяется со
скоростью, равной примерно 70% его скорости в вакууме. И заряженная частица
может в этой среде обогнать свет.
Двигаясь в среде, заряженная частица смещает электроны в атомах на
своем пути. Эти смещенные электроны испускают электромагнитное излучение,
складывающееся в сильную электромагнитную волну, напоминающую
ударную волну, порожденную в воде носом быстрого судна или самолетом,
летящим со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе.
Фронт испущенного черенковского излучения имеет форму конуса, угол
раствора которого зависит от отношения скорости света в среде к скорости
частицы. Поэтому черенковское излучение дает ученым, занимающимся
физикой частиц, полезную информацию о скорости наблюдаемой частицы. За свою
пионерскую работу Черенков был удостоен в 1958 г. Нобелевской премии,
которую он разделил с физиками Игорем Таммом и Ильей Франком.
СМ. ТАКЖЕ Закон преломления Снеллиуса (1621), Тормозное излучение (1909),
Сверхзвуковой щелчок кнутом (1927), Ударная звуковая волна (1947), Нейтрино (1956).
Синее свечение черенковского излучения от испытательного реактора в Национальной
лаборатории в Айдахо (США). Активная зона реактора погружена в воду.

"

Сонолюминесценция
Сонолюминесценция (СЛ) напоминает мне «световые органы» 1970-х гг.,
популярные на танцульках. Они создавали многоцветную подсветку, которая
пульсировала в ритме музыки. Однако свет от СЛ, несомненно, намного
жарче и короче, чем от ее психоделических аналогов!
Термин «сонолюминесцения» относится к испусканию коротких вспышек
света при схлопывании пузырьков, порожденных в жидкости звуковой
волной. Немецкие ученые Г. Френцель и Г. Шультес обнаружили это явление в
1934 г., когда проводили опыты с ультразвуком в емкости с фотопроявителем.
На фотопленке получились мельчайшие точки от света, испущенного схлопы-
вающимися пузырьками, появляющимися при включении звука. В 1989 г.
физик Лоуренс Крам и его аспирант Фелипе Гайтан получили стабильную СЛ
от одиночного пузырька, захваченного стоячей акустической волной: импульс
света излучался всякий раз, когда волна сжимала пузырек.
Вообще говоря, СЛ может возникнуть, когда звуковая волна
стимулирует образование газовой полости в жидкости (этот процесс называется
кавитацией). При коллапсе газового пузырька создается сверхзвуковая ударная
волна, и его температура повышается до значений, превышающих
температуру на поверхности Солнца, - газ в пузырьке становится плазмой.
Охлопывание пузырька длится менее 50 пикосекунд (или 50 триллионных частей
секунды). Вследствие столкновения частиц в плазме пузырек испускает синий
свет и ультрафиолетовое излучение, а также рентгеновские лучи. В момент
излучения диаметр пузырька примерно равен одному микрону — это размер
бактерий. Температура в нем может подняться по крайней мере до 20 000 К - при
такой температуре даже алмаз закипает! Некоторые ученые предполагали, что
если бы температуру можно было поднять еще выше, СЛ пригодилась бы для
получения термоядерного синтеза.
Раки-щелкуны умеют производить нечто похожее на сонолюминесценцию.
Щелкая своими клешнями, они создают сжимающийся пузырек,
генерирующий ударную волну. Она порождает громкий звук, оглушающий жертву, и
тусклый свет, который можно зафиксировать с помощью фотоумножителей.
СМ. ТАКЖЕ Триболюминесценция (1620), Газовый закон Генри (1803). Плазма (1879).
В жидкости, возбуждаемой ультразвуком, образуются и схлопываются газовые
пузырьки. «Кавитация приводит к взрывному сжатию этих пузырьков, порождающему
температуры, сравнимые с температурой на поверхности Солнца», - пишет химик
Кеннет Суслик.

'
•

Парадокс Эйнштейна-
Подольского-Розена
Альберт Эйнштейн (1879-1955), Борис Яковлевич
Подольский (1896-1966), Натан Розен (1909-1995), Ален Аспе (р. 1947)
Квантовая сцепленность относится к тесной взаимозависимости квантовых
частиц — например, пары электронов или пары протонов: некоторые
изменения состояния одной из них немедленно отражаются на другой, и не важно,
на каком расстоянии находятся частицы. Это настолько противоречит
здравому смыслу, что Эйнштейн назвал квантовую сцепленность «кошмарным
дальнодействием». Он полагал, что она демонстрирует дефект квантовой
теории и, в особенности, ее копенгагенской интерпретации, согласно которой
квантовые системы пребывают в вероятностной неопределенности и
переходят в определенные состояния только при наблюдении за ними.
В 1935 г. А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен опубликовали статью о
парадоксе, позже названном в их честь ЭПР-парадоксом. Пусть некий источник
испускает два электрона с полным спином, равным нулю. Когда спин первого
электрона направлен вверх (обозначим это знаком * + »), спин второго
направлен вниз (обозначаем это знаком «-»). Но возможен и обратный вариант, когда
первый электрон находится в состоянии *—», а второй - в состоянии *+». Какой
именно спин имеет каждая частица, нельзя сказать до измерений. Представим,
что один электрон летит во Флориду, а другой — в Калифорнию. Согласно
квантовой сцепленности, если ученый во Флориде измерит спин своего электрона и
найдет значение *+», то электрон в Калифорнии мгновенно окажется в
состоянии*-», несмотря на то что специальная теория относительности запрещает
передачу информации со скоростью, превышающей скорость света. Но на
самом деле никакой передачи информации со сверхсветовой скоростью тут нет.
Флорида не может использовать сцепленность состояний, чтобы послать
сообщение в Калифорнию, потому что не может управлять спином своей частицы.
В 1982 г. физик Ален Аспе выполнил эксперименты с фотонами,
имеющими противоположные поляризации и рожденными одним атомом в одном акте
излучения, - это гарантировало корреляцию состояний в паре. Он показал, что
мгновенная связь действительно имела место, даже когда пара частиц была
разделена произвольно большим расстоянием. В наши дни изучаются
возможности квантовой криптографии, где квантовая сцепленность гарантированно
уведомит о перехвате отосланного сообщения, не позволив шпиону сделать это
незаметно. Сейчас создают простейшие квантовые компьютеры,
выполняющие параллельные вычисления гораздо быстрее традиционных компьютеров.
СМ. ТАКЖЕ Опыт Штерна-Герлаха (1922), Принцип дополнительности (1927), Кот
Шрёдингера (1935), Теорема Белла (1964), Квантовые компьютеры (1981), Квантовая
телепортация (1993).
Художественный образ «кошмарного дальнодействия». Коль скоро пара частиц
оказалась сцепленной, некоторые особые изменения состояния одной из них немедленно
отражаются на другой, даже если их разделяют межпланетные расстояния.

, ^;-V-^
а*Ш&У
'^:^№
-<-· .· :<.'■
ν ν "
8Ϊ '-
"'^'' *>ч« .

Кот Шрёдингера
Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер (1887-1961)
Кот Шрёдингера напоминает мне привидение или, быть может, ужасающего
зомби - существо, которое одновременно и живо, и мертво. В 1935 г.
австрийский физик Эрвин Шрёдингер опубликовал статью о замечательном
парадоксе, из которого вытекали столь поразительные следствия, что он беспокоит и
озадачивает ученых и сегодня.
Шрёдингеру не нравилась предложенная незадолго до того копенгагенская
интерпретация, согласно которой квантовая система (например, электрон)
существует как облако вероятности, пока над ним не произведено
наблюдение. Это означало, по-видимому, что бессмысленно спрашивать в расчете на
точный ответ, что делают атомы и частицы, когда за ними никто не
наблюдает. То есть действительность в некотором смысле создается наблюдателем.
До акта наблюдения для системы доступны все возможности. Что это означает
в нашей повседневной жизни? Представим себе живого кота, помещенного в
коробку, где лежат источник радиоактивности, счетчик Гейгера и закрытая
стеклянная колба со смертельным ядом. При радиоактивном распаде ядра
счетчик Гейгера регистрирует это событие и запускает механизм,
освобождающий молоток, который разбивает колбу, и распространившийся яд убивает
кота.
Предположим, квантовая теория предсказывает, что с вероятностью 50%
за час произойдет один распад. Стало быть, через час равновероятно найти
кота живым или мертвым. Вся изюминка копенгагенской интерпретации
состоит в том, что кота можно считать и живым, и мертвым, он пребывает в
смеси этих двух состояний или, как говорят, в их суперпозиции. Некоторые
теоретики считают, что, когда мы открываем коробку, сам акт наблюдения за
состоянием кота приводит к редукции (коллапсу) этой суперпозиции, и кот
будет обнаружен живым или мертвым.
Шрёдингер говорил, что его мысленный эксперимент демонстрирует
несостоятельность копенгагенской интерпретации, и Альберт Эйнштейн с ним
согласился. Вокруг этого несчастного кота возникло много вопросов. Кого или
что считать истинным наблюдателем — счетчик Гейгера или муху? Может ли
кот наблюдать сам за собой и таким образом редуцировать собственное
состояние? Что на самом деле сообщает нам этот эксперимент о природе реальности?
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Счетчик Гейгера (1908), Принцип
дополнительности (1927), Квантовое туннелирование (1928), Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
(1935), Параллельные миры (1956), Теорема Белла (1964), Квантовое бессмертие (1987).
Когда коробку открывают, сам акт наблюоения может редуцировать суперпозицию,
и кот Шрёдингера обнаруживается либо живым, либо мертвым. На этой фотографии
кот, по счастью, вполне жив.

)

Сверхтекучесть
Петр Леонидович Капица (1894-1984),
Фриц Вольфганг Лондон (1900-1954),
Джон «Джек» Фрэнк Аллен (1908-2001), Дональд Мизенер (1911-1996)
Подобно ползучей живой влаге из научно-фантастических фильмов,
устрашающее поведение сверхтекучих жидкостей десятилетиями интриговало
физиков. Если поместить в сосуд жидкий гелий в сверхтекучем состоянии, то он
взбирается по стенкам и покидает сосуд. Кроме того, если сосуд вращать, то
сверхтекучая жидкость остается неподвижной. Кажется также, что она ищет
микроскопические трещины и поры и проникает в них - для сверхтекучей
жидкости обычные сосуды протекают. Поставьте на стол чашку с
вращающимся в ней кофе - через несколько минут кофе остановится. Если проделать
то же самое со сверхтекучей жидкостью, ваши потомки даже через тысячу
лет увидят, что она все еще вращается.
Сверхтекучесть наблюдается для нескольких материалов, но чаще всего ее
изучают на гелии-4. Это самый обычный природный гелий, содержащий два
протона, два нейтрона и два электрона. Ниже экстремально низкой
температуры, называемой лямбда-точкой (2,17 К или около — 271 °С), гелий-4
внезапно приобретает способность течь без заметного трения, а его теплопроводность
становится в миллионы раз больше, чем теплопроводность нормального
жидкого гелия и гораздо больше теплопроводности лучших металлических
проводников. Термин «гелий-I» относится к жидкости выше 2,17 К, а название
«гелий-П» - к жидкому состоянию ниже этой температуры.
Сверхтекучесть была открыта Петром Капицей, Джоном Ф. Алленом и
Доном Мизенером в 1937 г. (Аллен и Мизенер провели эксперименты,
аналогичные тем, что сделал Капица, получивший в 1978 г. Нобелевскую премию за
исследования и открытия в области физики низких температур. — Прим. ред.)
В 1938 г. Фриц Лондон предположил, что жидкий гелий ниже лямба-точки
состоит из двух компонентов — нормальной жидкости с характеристиками
гелия-I и сверхтекучей жидкости (вязкость которой равна нулю). Переход от
нормальной жидкости к сверхтекучей происходит, когда атомы в ее составе
занимают одно и то же квантовое состояние и их волновые функции
перекрываются. Как в конденсате Бозе—Эйнштейна, эти атомы теряют
индивидуальные характеристики и ведут себя как единое целое. Из-за того что
сверхтекучие жидкости не имеют вязкости, образовавшиеся в них вихри в принципе
должны вращаться вечно.
СМ. ТАКЖЕ Скользкость льда (1850), Закон Стокса для вязкой жидкости (1851),
Открытие гелия (1868), Сверхпроводимость (1911), Дурацкая замазка (1943), Конденсат
Бозе-Эйнштейна (1995).
Кадр из фильма А. Лейтнера «Сверхтекучесть жидкого гелия» (1963). Жидкий гелий
в сверхтекучей фазе поднимается по внутренней стенке подвешенной чашки и
спускается по ее внешней стенке, образуя каплю на донышке.

Ядерный магнитный резонанс
Исидор Айзек Раби (1898-1988), Феликс Блох (1905-1983),
Эдвард Миллс Пёрселл (1912-1997), Рихард Роберт Эрнст (р. 1933),
Реймонд Ваган Дамадьян (р. 1936)
♦ Чтобы проникнуть в тайны природы, ученым нужны мощные средства, -
писал лауреат Нобелевской премии Рихард Эрнст. - Ядерный магнитный
резонанс (ЯМР) оказался одним из самых информативных научных
инструментов. Он нашел применение почти во всех областях науки - от физики
твердого тела до материаловедения... и даже в психологии, помогая понять, как
работает человеческий мозг».
Если в атомном ядре хотя бы один нейтрон или протон не имеет пары,
то ядро ведет себя как крошечный магнит. При наложении внешнего
магнитного поля на него действует сила, которая заставляет ядро прецессировать
подобно вращающейся юле. Разницу потенциальных энергий взаимодействия
♦ядерного магнитика» с полем в разных спиновых состояниях можно
увеличить, усиливая внешнее магнитное поле. При наложении на это статическое
магнитное поле сигнала на подходящей радиочастоте стимулируются
переходы между спиновыми состояниями, в результате которых спины каких-то
ядер переворачиваются, и они оказываются на более высоких энергетических
уровнях. При выключении радиосигнала эти ядра релаксируют,
возвращаются назад в основное состояние с переориентацией спина, испуская радиосигнал
на резонансной частоте. Эти ЯМР-сигналы дают информацию не только о
данном ядре — они зависят и от его химического окружения (а именно от того, в
какую молекулу входит данный атом. — Прим. пер.) Тем самым исследования
методом ЯМР могут предоставить бесценную информацию на молекулярном
уровне.
Впервые ЯМР был описан в 1937 г. Исидором Раби. В 1945 г. Феликс Блох,
Эдвард Пёрселл и их коллеги усовершенствовали метод. В 1966 г. Рихард
Эрнст нашел способ увеличения его чувствительности с помощью фурье-спек-
троскопии, придумав, как использовать короткие радиочастотные импульсы
для получения спектра сигналов ЯМР как функции частоты. В 1971 г. врач
Реймонд Дамадьян показал, что спиновая релаксация ядер водорода в воде
различна для нормальных и злокачественных клеток, - так была открыта
возможность применения ЯМР для ранней диагностики рака. В начале 1980-х гг.
этот метод стали использовать для исследования мягких тканей тела, где
также содержатся ядра обычного водорода.
СМ. ТАКЖЕ Открытие гелия (1868), Рентгеновские лучи (1895), Сверхпроводимость
(1911), Атомное ядро (1911).
Магнитно-резонансная ангиограмма артерий головного мозга. Этот вид магнитно-
резонансной ангиографии часто применяется для диагностики аневризмы сосудов
головного мозга.

.1
It

Ядерная энергия
Лизе Майтнер (1878-1968), Альберт Эйнштейн (1879-1955),
Лео Сцилард (1898-1964), Энрико Ферми (1901-1954),
Отто Роберт Фриш (1904-1979)
Ядерное деление - это процесс, в котором атомное ядро (например, урана)
разваливается на меньшие части (более легкие ядра), причем часто с
образованием свободных нейтронов и выделением большого количества энергии.
Когда вылетающие нейтроны разбивают другие ядра урана, процесс
продолжается - возникает цепная реакция. В ядерном реакторе для получения
энергии процессом деления управляют, так что уровень выделения энергии
контролируется. В атомной бомбе этот же процесс идет быстро и
неконтролируемо. Продукты деления ядер, как правило, радиоактивны, а потому при
использовании ядерных реакторов возникает проблема ядерных отходов.
В 1942 г. на корте для игры в сквош под трибунами стадиона
Чикагского университета физик Энрико Ферми с коллегами осуществил
управляемую цепную ядерную реакцию деления урана. Ферми основывался на работе
1939 г. физиков Лизе Майтнер и Отто Фриша, которые показали, как
расщепить ядро урана на две части, высвободив огромную энергию. Чтобы
контролировать скорость протекания ядерной реакции, Ферми применил в реакторе
металлические стержни, поглощавшие нейтроны. Ученый, писатель и
журналист Алан Вайсман рассказывает: «Меньше чем через три года в пустыне
штата Нью-Мехико они сделали прямо противоположное. На сей раз цель была
такова — полностью выпустить ядерную реакцию (с плутонием) из-под
контроля. Выделилась огромная энергия, и в течение месяца этот взрыв был повторен
дважды, над двумя японскими городами... С тех пор человечество испытывает
ужас и какое-то безумное восхищение двойной смертоносностью ядерного
деления, несущего людям фантастические разрушения и последующую
медленную пытку».
Физик Лео Сцилард, очень боявшийся, что немецкие ученые создадут
ядерное оружие первыми, в 1939 г. уговорил Альберта Эйнштейна подписать
письмо Рузвельту с предупреждением о такой опасности. И в США был запущен
«Манхэттенский проект» - под таким кодовым названием в годы Второй
мировой войны была осуществлена программа создания первой атомной бомбы.
Отметим, что второй вид ядерного оружия (водородная бомба) основан на
ядерной реакции синтеза.
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Ε = тс2 (1905), Атомное ядро (1911), Атомная
бомба «Малыш» (1945), Токамак (1956).
СЛЕВА: Лизе Майтнер - одна из тех, кто открыл ядерное деление. 1906 г.
СПРАВА: операторы, работающие на калютронах (масс-спектрометрах) на заводе
Υ-12 в Оук-Ридже (Теннесси, США) во время Второй мировой войны.
Электромагнитные сепараторы калютроны применялись для обогащения урановой руды - превращения
ее в расщепляющиеся материалы. Все, занятые в «Манхэттенском проекте» по
созданию атомной взрывчатки, трудились в обстановке полной секретности.

*
.№
.f]-$
W th'^4"
■:.■ -'
-
ν
t ■ ι
Hi
*
if
s
-j*.
t ι
V
''L-r
ч
*- , s Is
J
"«■«G
^4.
Ή
ц.. :i
,.
iftrt
Ν
\
v\

Дурацкая замазка
♦Коллекция игрушек из "дурацкой замазки" (Silly Putty) в Национальном
музее американской истории (Смитсоновского института) хранит
множество удивительных историй о том, как этот необычный продукт стал
американским явлением, - рассказывает говорит главный архивариус Джон
Флекнер. - Мы заинтересовались этой коллекцией, потому что "дурацкая
замазка" - замечательный пример изобретательности, предприимчивости и
долговечности изобретений». (В России ее называют «жвачкой для рук» или
используют кальку «хэндгам» с англ. handgum. - Прим. пер.)
Это яркое пластичное вещество, с которым, возможно, вы сами играли в
детстве, случайно изобрел в 1943 г. инженер Джеймс Райт из корпорации General
Electric, когда соединил борную кислоту с кремний-органическим маслом.
К его удивлению, полученный материал обладал удивительными свойствами,
а изделия из него могли прыгать как резиновый мячик. (Дж. Райт
занимался поисками синтетических заменителей натурального каучука, так что
изобретение «дурацкой замазки» все-таки не было чистой случайностью. - Прим.
перев.) Позже Питер Ходжсон, гуру американского маркетинга, распознал
потенциальные возможности нового материала для производства игрушек и
запустил производство пластиковых яиц. Брендом Silly Putty сегодня владеет
фирма Crayola.
В наши дни к кремний-органическому полимеру добавляют другие
материалы. Вот один из рецептов: около 65% диметилксилоксана, 17% кремнезема
(кристаллического кварца), 9% тиксотрола ST (производные касторового
масла), 4% полидиметилксилоксана, 1% декаметилциклопентасилоксана, 1%
глицерина и 1% титановых белил. Изделия из этого материала не только
прыгают, но и рвутся при резком растягивании. Оставленная в покое «дурацкая
замазка» течет как жидкость и через какое-то время образует лужу.
В 2009 г. студенты провели опыт, сбросив двадцатикилограммовый шар из
«дурацкой замазки» с крыши 11-этажного здания в Университете штата
Северная Каролина. Шар ударился о землю и разлетелся на множество кусочков.
«Дурацкая замазка» - пример неньютоновской жидкости с меняющейся
вязкостью (зависящей, например, от приложенных сил). Это отличает ее от
«ньютоновской жидкости», которая течет как вода. Вязкость ньютоновской
жидкости зависит от температуры и давления, но не от сил, действующих на нее.
Зыбучий песок - другой пример неньютоновской жидкости. Если вы когда-
нибудь застрянете в зыбучем песке, двигайтесь медленно и плавно, тогда он
поведет себя как жидкость, и вам будет легче из него выбраться. В обратном
случае зыбучий песок станет подобен твердому телу, из которого вырваться
гораздо труднее.
СМ. ТАКЖЕ Закон Стокса для вязкой жидкости (1851), Сверхтекучесть (1937), Лавовая
лампа (1963).
«Дурацкая замазка» и другие похожие на пластилин материалы являют собой примеры
неньютоновских жидкостей с необычными характеристиками течения и
непостоянным значением вязкости. Иногда «дурацкая замазка» ведет себя как вязкая жидкость
а иногда - как упругое твердое тело.

ч N
Χ
ν
■ · ν
4.

Пьющая птичка
Майлс В. Салливан (р. 1917)
♦ Если вечный двигатель существовал когда-либо, то это, должно быть, он и
есть, - шутливо писали Эд и Вуди Соби в книге "Как работают игрушки". -
Пьющая птичка движется без видимых источников энергии. Но оказывается,
она - замечательный пример тепловой машины. Тепло подводится от лампы
или от Солнца».
Изобретенная в 1945 г. Майлсом Сал л Иваном, ученым из Лабораторий
Белла в штате Нью-Джерси, и запатентованная им в 1946 г. пьющая птичка с тех
пор очаровала множество преподавателей и студентов. Без устали и без
остановки качается она на точке подвеса вперед и назад, опуская голову в стакан
с водой и затем откидываясь назад. И за всем этим — действие нескольких
законов физики...
Вот как работает птичка Салливана. Голова ее покрыта материалом типа
фетра. Внутри тела помещен подкрашенный раствор дихлорметана - летучей
жидкости, испаряющейся при относительно низкой температуре. Воздух из
тела птички откачивается, так что ее внутренность частично заполнена
парами дихлорметана. Птичку приводит в действие разница в температурах между
ее головой и хвостовой частью. Это создает внутри птички разницу давлений.
Когда голова мокрая, вода испаряется из войлока и остужает голову. В
результате охлаждения часть паров в голове конденсируется в жидкость. Как
следствие, давление в голове понижается. Из-за этого, в свою очередь, жидкость
втягивается из тела в голову. Голова тяжелеет, и птичка наклоняется в стакан
с водой. В наклонном положении по внутренней трубочке теплые пары из тела
птички попадут в ее голову и вытеснят находившуюся там жидкость.
Жидкость стечет назад в тело, а птичка откинется назад. Этот процесс будет
повторяться до тех пор, пока в стакане остается достаточно воды, чтобы намочить
голову птички при каждом наклоне.
Эти качающиеся птички можно впрячь в работу для производства энергии
в небольших количествах. (В России их называют также птичками (или
утками) Хоттабыча. - Прим. пер.)
СМ. ТАКЖЕ Сифон (250 до н. э.), Вечный двигатель (1150), Газовый закон Бойля (1662),
Газовый закон Генри (1803), Тепловая машина Карно (1824), Радиометр Крукса (1873).
Пьющая птичка была изобретена в 1945 г. и запатентована в 1946м. С тех пор она
озадачивает и забавляет уже не одно поколение студентов. Несколько законов физики
помогают понять секрет ее вечной жизни.

I
λ"

Атомная бомба «Малыш»
Джулиус Роберт Оппенгеймер (1904-1967),
Пол Уорфилд Тиббетс-мл. (1915-2007)
Ранним утром 16 июля 1945 г. американский физик Роберт Оппенгеймер,
наблюдая взрыв первой в мире атомной бомбы в пустыне Аламогородо (штат
Нью-Мехико), вспомнил строчку «Бхагавад-гиты»: «Я — Смерть,
разрушитель миров». Оппенгеймер был научным руководителем «Манхэттенского
проекта» - программы создания первого ядерного оружия, осущественной во
время Второй мировой войны.
Взрыв ядерной бомбы - результат реакции ядерного деления, или ядерного
синтеза, или комбинации обоих процессов. В атомной бомбе обычно
происходит цепная реакция деления, в которой некоторые изотопы урана или
плутония расщепляются на более легкие ядра, высвобождая нейтроны и выделяя
энергию. Часть разрушительной силы термоядерной (или водородной) бомбы
создается реакцией синтеза. В частности, при очень высоких температурах
изотопы водорода сливаются в более тяжелые элементы, выделяя энергию.
Такие высокие температуры достигаются при взрыве атомной бомбы, который
сжимает и разогревает термоядерное горючее.
«Малыш» - таково было кодовое имя атомной бомбы, сброшенной на
японский город Хиросиму 6 августа 1945 г. с бомбардировщика В-29 «Энола Гэй»,
пилотировавшегося полковником Полом Тиббетсом. Длина «Малыша»
составляла около 3 м, и в нем содержалось около 64 кг обогащенного урана. После
сброса бомбы с самолета для определения ее высоты использовались четыре
радиовысотомера. Для наибольшего разрушительного действия бомба должна
была взорваться на высоте 580 м. Когда два из четырех высотомеров послали
сигнал, что бомба находится на нужной высоте, взорвался кордитовый заряд.
Он выстрелил одной массой урана-235 в другую массу, породив
самоподдерживающуюся ядерную реакцию. После взрыва Тиббетс вспоминал «страшное
облако, ...вскипающее, расплющивающееся в ужасный и невероятно
высокий гриб». В результате взрыва погибло 140 000 человек! Примерно половина
умерла сразу, остальные - чуть позже, вследствие облучения. Оппенгеймер
позже заметил: «Глубокие явления науки обнаруживаются не потому, что они
полезны, а потому, что возникает возможность их открыть».
СМ. ТАКЖЕ Доисторический ядерный реактор (2 млрд до н. э.). Электростатический
генератор фон Герике (1660), Закон эффузии Грэма (1829), Динамит (1866), Радиоактивность
(1896), Ядерная энергия (1942), Токамак (1956), Электромагнитный импульс (1962).
Атомная бомба * Малыш* на транспортной тележке. Август 1945 г. Длина * Малыша*
равна трем метрам. Совсем скоро ему предстоит убить 140 000 человек!

\ ι
w\
«■:s.
№
-fe\
■»»
V
4
λ,
Γ
v J
'
f *
.
\l*

Звездный нуклеосинтез
ФредХойл (1915-2001)
♦ Будь смиренным, ибо ты сделан из навоза. Будь великодушным, ибо ты
сделан из звезд». Эта старая сербская поговорка напоминает нам сегодня, что
все элементы тяжелее водорода и гелия не существовали бы во Вселенной в
сколько-нибудь существенных количествах, если бы не были созданы в
звездах, которые однажды умерли, взорвались и рассеяли эти элементы в
космосе. Хотя легкие элементы, такие как водород и гелий, были рождены в первые
несколько минут после Большого взрыва, для последующего нуклеосинтеза
(создания атомных ядер) более тяжелых элементов нужны массивные звезды,
в которых ядерные реакции синтеза шли бы в течение длительного времени.
Взрывы сверхновых быстро создают еще более тяжелые элементы благодаря
интенсивной вспышке ядерных реакций во время взрыва сердцевины
звезды. Очень тяжелые элементы, подобные золоту и свинцу, рождаются при
экстремально высоких температурах и значениях нейтронного потока от взрыва
сверхновых. В следующий раз, когда вы увидите на чьем-то пальце золотое
кольцо, вспомните о массивных звездах и взрывах сверхновых.
Первая теоретическая работа о рождении в звездах тяжелых ядер
появилась в 1946 г. Ее автор астроном Фред Хойл показал, как очень горячие ядра
могут собраться в ядро атома железа.
Сочиняя эту статью, я прикасаюсь к черепу саблезубого тигра,
украшающему мой кабинет. Без звезд не было бы и черепов. Как уже было упомянуто,
большая часть элементов (например, кальций в костях) появились сначала в
звездах, а затем, когда те умирали, были выброшены взрывом в пространство.
Без звезд не было бы никаких сафари и охоты на тигров. Не было бы железа
для их крови, кислорода для дыхания, углерода для их белков и ДНК. Атомы,
рожденные в умирающих звездах, распространились на огромные
расстояния и в конце концов слиплись в планеты вокруг нашего Солнца. Без взрывов
сверхновых не было бы ничего — ни туманных болот, ни компьютерных чипов,
ни трилобитов, ни Моцарта и слез ребенка. Без взрывающихся звезд Рай,
возможно, и существовал бы, но вот Земли не было бы наверняка.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Линии Фраунгофера (1814), Ε = тс2
(1905), Атомное ядро (1911), Токамак (1956).
Луна на фоне солнечного диска. Снимок сделан на четырех частотах
ультрафиолетового света спутником НАСА STEREO-B 25 февраля 2007 г. Так как спутник
находится от Солнца дальше, чем Земля. Луна кажется меньшего размера, чем обычно.

Транзистор
Юлий Эдгар Лилиенфельд (1882-1963), Джон Бардин (1908-1991),
Уолтер Хаузер Браттейн (1902-1987), Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989)
Пройдут тысячелетия, и наши потомки, размышляя об истории человечества,
обязательно отметят день 16 декабря 1947 г. как начало информационной
эры. В тот день физики Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Лабораторий
Белла соединили два верхних электрода с обработанной специальным образом
пластинкой германия, которая лежала на третьем электроде - металлической
пластине, подсоединенной к источнику электрического напряжения.
Когда через один из верхних электродов пропускался слабый ток, через другой
верхний электрод тек гораздо более сильный ток. Так родился транзистор.
Учитывая значимость открытия, реакция Бардина была на удивление
спокойной. Вечером того же дня, войдя домой через кухонную дверь, он бросил
жене: «Сегодня мы открыли что-то важное». И больше - ни слова. Их коллега
Шокли понял огромную потенциальную важность этого устройства и также
внес вклад в исследование полупроводников. Позже, когда Шокли разозлился
на то, что его не включили в патент Лабораторий Белла (там были имена лишь
Бардина и Браттейна), он придумал еще лучшую конструкцию транзистора.
Транзистор - это полупроводниковый прибор для усиления, генерации или
коммутации электрических сигналов. Проводимостью полупроводника
можно управлять подключенным электрическим сигналом. (Видимо, здесь автор
имеет в виду так называемые полевые транзисторы, изобретенные и
запатентованные еще в 1920-30-е гг., но лишь в 1990-е вытеснившие биполярные
транзисторы, созданные в Лабораториях Белла. — Прим. пер.) В зависимости
от конструкции транзистора, напряжение или ток подаются на одну пару
выводов, что меняет ток, текущий через другой вывод.
Физики М. Риордан и Л. Ходсон пишут: «Трудно представить себе
устройство, более важное сегодня, чем микрочип и транзистор, от которого он
произошел. Каждый час люди во всем мире используют их в сотовых телефонах,
банкоматах, компьютерах, автомобилях и светофорах, на телевидении, в
копировальных машинах и факсах и еще в тысячах других электронных устройств.
Несомненно, транзистор - самый важный артефакт XX в. и "нервная клетка"
нашего века электроники». В будущем могут найти практическое применение
быстрые транзисторы, сделанные из графена (углеродных пленок толщиной
в один атом) и углеродных нанотрубок. Заметим, что в 1925 г. Юлий
Лилиенфельд первым запатентовал конструкцию транзистора (полевого).
СМ. ТАКЖЕ Электровакуумные лампы (1906), Квантовое туннелирование (1928),
Интегральные микросхемы (1958), Квантовые компьютеры (1981), Фуллерены (1985).
Первым транзисторным радиоприемником, запущенным в массовое производство,
стала модель Regency TR-1, анонсированная в октябре 1954 г. На рисунке
воспроизведена радиосхема из патента, выданного на имя Ричарда Коха, сотрудника компании,
производившей TR-1.

:o
ι
ι····
«jJjT
ι ·'· 1ЧИФ
<5>
Ш
ι · · 1·Ι·ΙΊ·Ι·,

Ударная звуковая волна
Чарльз Элвуд (Чак) Йегер (р. 1923)
Термин «звуковой удар» обычно относится к звукам, производимым
самолетом, летящим со сверхзвуковой скоростью. Звуковой удар рождается
вытесненным воздухом, сильно сжатым на фронте ударной волны. Примером
природного звукового удара может служить обычный гром, возникающий, когда
молния ионизирует воздух, и тот расширяется со сверхзвуковой скоростью.
Щелчок бича - это небольшая ударная звуковая волна, порождаемая
кончиком кнута, который движется быстрее скорости звука.
Чтобы наглядно представить себе это явление - звуковой удар,
представьте скоростной катер, оставляющий за собой кильватерную волну в форме
буквы «V». Опустите руку в воду. Когда волна дойдет до руки, вы почувствуете
шлепок. Когда самолет летит быстрее скорости звука (быстрее, чем 1 Мах,
т. е. его скорость более 1062 км/ч в холодном воздухе, где обычно летают
реактивные самолеты), фронт ударной волны принимает форму конуса, который
простирается за самолетом. Когда поверхность конуса достигнет вашего уха,
вы услышите громкий хлопок. Не только носовая часть самолета порождает
ударную волну, но также и другие части - такие как хвостовое оперение или
передние кромки крыльев. Звук генерируется все время, пока самолет
движется со скоростью 1 Мах или быстрее. (Распространенное мнение, что хлопок
возникает в момент преодоления самолетом звукового барьера, ошибочно. -
Прим. пер.)
В 1940-х гг. многие полагали, что «преодолеть звуковой барьер»
невозможно. Это мнение основывалось на опыте пилотов в Корее, которые при попытках
разогнать самолет до скорости звука испытывали суровую болтанку.
Несколько летчиков даже погибло, когда их самолеты просто развалились в воздухе.
Первым человеком, официально преодолевшим звуковой барьер, стал
американец Чак Йегер; это произошло 14 октября 1947 г. на экспериментальном
ракетном самолете Bell X-1. На земле звуковой барьер удалось преодолеть лишь
в 1997 г. - на британском реактивном автомобиле. Интересно, что при
приближении к скорости порядка 1 Мах Йегер столкнулся с теми же проблемами,
что и пилоты на корейской войне. Но затем он испытал странное спокойствие,
когда мчался, обгоняя гул и ударную волну, рождаемые его самолетом.
СМ. ТАКЖЕ Эффект Доплера (1842), Уравнение Циолковского для ракеты (1903),
Сверхзвуковой щелчок кнутом (1927), Излучение Черенкова (1934), Наибольшая скорость
смерча (1999).
Эффект Прандтля-Глоерта заключается в появлении конуса пара, иногда окружающего
самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью. На фотографии — реактивный самолет
F/A18 Hornet, преодолевающий звуковой барьер в небе над Тихим океаном.

Голограмма
Деннис (Денеш) Габор (1900-1979)
Голография - метод, используемый для записи, а затем воспроизводства
трехмерного изображения, — была изобретена в 1947 г. физиком Деннисом
Габором. В своей Нобелевской лекции он, рассказывая о голографии, сказал:
♦ Мне тут не нужны ни уравнения, ни абстрактные графики. Конечно, можно
было бы привлечь сколько угодно математики, но суть голографии нетрудно
объяснить и понять, ограничившись лишь физикой явления».
Рассмотрим какой-нибудь объект, например красивый персик. Голограмма
может быть сохранена на фотопленке в форме записи вида персика с многих
точек наблюдения. Для создания пропускающей голограммы используется
делитель, из которого излучение лазера выходит разделенным на опорную и
объектную волны. Опорная волна не освещает персик и направляется
зеркалом прямо на фотопленку. Объектная волна направляется на персик.
Отразившись от персика, она встречается с опорной волной и порождает на
фотопленке интерференционную картину. Последняя состоит из полос и завитушек и
совершенно неузнаваема. После проявления пленки легко восстановить в
пространстве трехмерное (3D) изображение персика, если направить на
голограмму свет под тем же углом, что использовался для опорной волны. Свет будет
отклоняться на интерференционных полосах голограммы, и в результате
дифракции сформируется 3£)-изображение.
«Увидев первую голограмму, — пишут физики Джозеф Каспер и Стивен
Феллер, - вы наверняка почувствуете недоверие и придете в замешательство.
А если сунете руку туда, где, по всей видимости, находится изображенный
предмет, ничего осязаемого вы там не найдете».
В пропускающей голограмме используется свет, проходящий сквозь
проявленную пленку сзади, а в отражающей голограмме источник, освещающий
пленку, находится перед ней. (Иными словами, пропускающую голограмму
надо смотреть на просвет, как слайд, а отражающую — как обычную
фотографию. Тип голограммы зависит от системы записи. - Прим. пер.) Для
рассматривания некоторых голограмм нужен свет лазера, в то время как радужные
голограммы с отражающим покрытием, подобные тем, что обычно применяют
на кредитных карточках, видны в обычном свете. Потенциально возможно
создание технологий голографической памяти высокой емкости для
сохранения большого объема данных.
СМ. ТАКЖЕ Закон преломления Снеллиуса (1621), Условие Брэгга для дифракции на
кристалле (1912), Лазер (1960).
Голограмма на банкноте в 50 евро. Защитные голограммы очень труОно подделать.

^ д;
·'
"' , . ■" ~
>_
• \ ^
4 ν>· ··» .-- ,.>
ч ■ ' :- -. ,.
>""/· Ί* * *
* ?4Λ
·*%
ι · » Ι* -
tf
(ЧлЛ
» ,
Μ
Ι
Ι. *
&
II
im
a\fi-
• *
,V * *■
I
1
>\
■
•%,:
♦
V ч
>
*Шё
'iit
■» 4 . . · I
swsfll{
s ·;-"^
4
Λ .0.

Квантовая электродинамика
Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984),
Син-Итиро Томонага (1906-1979),
Ричард Филлипс Фейнман (1918-1988),
Джулиан Сеймур Швингер (1918-1994)
«Квантовая электродинамика (КЭД), бесспорно, является наиболее точной
из когда-либо созданных теорий, описывающих природные явления, -
пишет физик Брайан Грин. — С помощью квантовой электродинамики физики
смогли подтвердить роль фотонов как "наименьших возможных сгустков
света" и описать их взаимодействие с электрически заряженными частицами в
рамках математически законченной модели, позволяющей получать
убедительные предсказания». (Цит. по: Грин Брайан. Элегантная Вселенная. — М.:
Едиториал УРСС, 2004. - С. 88. - Прим. пер.)
В 1928 г. английский физик Поль Дирак заложил основы КЭД. Позже
теория была усовершенствована и развита в конце 1940-х гг. физиками Ричардом
Фейнманом, Джулианом Швингером и Син-Итиро Томонага. Основная идея
КЭД состоит в том, что заряженные частицы (электроны) взаимодействуют
между собой, испуская и поглощая фотоны, которые переносят
электромагнитные силы. Интересно, что эти фотоны «виртуальны» и не могут быть
обнаружены, хотя и обеспечивают «силу» взаимодействия: поглощая или испуская
фотоны, взаимодействующие частицы изменяют свои скорости и направление
движения. Такие взаимодействия представлены графически и осмыслены с
использованием волнистых линий на диаграммах Фейнмана, которые
помогают физикам рассчитывать вероятности конкретных взаимодействий.
Согласно КЭД, чем большим числом виртуальных фотонов обмениваются
электроны (т. е. чем сложнее взаимодействие), тем меньше вероятность
осуществления такого процесса. Точность предсказаний КЭД удивительна.
Например, расчетное значение собственного магнитного поля электрона
настолько близко к полученному в экспериментах, что при такой же точности
измерения расстояний вы бы определили удаленность Нью-Йорка от Лос-Анджелеса
с точностью до толщины человеческого волоса.
КЭД стимулировала развитие новых теорий - например, квантовой хромо-
динамики (КХД), появившейся в начале 1960-х гг. КХД описывает сильные
взаимодействия, в которых кварки удерживаются вместе из-за обмена
частицами, названными глюонами (от англ. glue - клей. - Прим. пер.). Кварки - это
частицы, из которых состоят протоны, нейтроны и многие другие субатомные
частицы.
СМ. ТАКЖЕ Электрон (1897), Фотоэффект (1905), Стандартная модель (1961), Кварки
(1964), Теория всего (1984).
Художественно модифицированная диаграмма Фейнмана, описывающая аннигиляцию
электрона и позитрона и рождение виртуального фотона, который затем распадается
на новую электрон-позитронную пару. Фейнману так нравились его диаграммы, что он
даже нарисовал их на своем микроавтобусе.

+
г

Тенсегрити
Кеннет Снельсон (р. 1927),
Ричард Бакминстер (Баки) Фуллер (1895-1983)
Древнегреческий философ Гераклит Эфесский писал, что мир - это гармония,
связь натяжения и растяжения. Одним из самых интригующих воплощений
его утверждения является тенсегрити, который его изобретатель Бакминстер
Фуллер описывает как «островки сжатий в океане натяжения».
Представим себе конструкцию, состоящую только из стержней и тросов.
Тросы соединяют концы одних стержней с концами других. Жесткие стержни
никогда не соприкасаются друг с другом. Такая конструкция устойчива по
отношению к силам тяготения. Как же может существовать столь хлипкая на
вид сборка? Структурная целостность конструкции поддерживается
равновесием сил натяжения (т. е. растягивающих сил со стороны тросов) и сил сжатия
(т. е. сил, стремящихся сдавить стержни). К примеру, надавливая на оба
конца пружины, мы сжимаем ее. Когда же мы растягиваем эти концы в разные
стороны, мы создаем натяжение пружины.
В конструкциях, основанных на принципе тенсегрити, сжатые жесткие
распорки стремятся натянуть тросы, которые, в свою очередь, стремятся
сжать распорки. Увеличение натяжения одного из тросов может привести к
увеличению натяжений во всей конструкции, что уравновешивается
увеличением сжатия распорок. Сумма сил, действующих на конструкцию тенсегрити
в любом из направлений, равна нулю. Если бы это было не так, вся структура
сложилась бы, как карточный домик, или наоборот - ее части разлетелись бы
подобно стрелам, выпущенным из лука.
В 1948 г. скульптор и фотограф Кеннет Снельсон создал похожую на
воздушного змея «Иксобразную штуку» (X-Piece) по принципу тенсегрити. Сам
термин тенсегрити для подобных структур позже придумал Бакминстер
Фуллер. Фуллер понял, что прочность и эффективность его огромных
геодезических куполов основаны на структурной устойчивости того же рода, что
уравновешивает механические напряжения повсюду во Вселенной. (В честь
Фуллера полученную в 1985 г. новую форму углерода - 60-атомную молекулу
С60 — называют «фуллереном» или «бакиболом», «шаром Баки». См. статью
«Фуллерены». - Прим. пер.)
В некотором смысле мы сами сложены по принципу тенсегрити: на наши
кости действуют силы сжатия, уравновешенные растянутыми сухожилиями.
Цитоскелет микроскопических живых клеток также напоминает
конструкцию тенсегрити. Сооружения по принципу тенсегрити воспроизводят
некоторые детали каркаса живых клеток.
СМ. ТАКЖЕ Стропила (2500 до н. э.), Арка (1850 до н. э.), Двутавровые балки (1844),
Падающая книжная башня (1955).
Рисунок из патента США 3,695,617 от 1972 г., выданного Г. Могильнеру и Р.
Джонсону на «Головоломку на основе структуры тенсегрити». Жесткие стойки показаны
темно-зеленым цветом. Задача - попытаться раздвинуть скользящие стержни
и вынуть внутренний шар.
396

26
25
66
25
23
s
Λ 2S4
6
У-
24
f
45
27
5
2
^
23
;>
3/
31
22
tz
64
'± (
JO
29
27
7
Г 2/
31
21
'
30
32

Эффект Казимира
Хендрик Бругт Герхард Казимир (1909-2000),
Евгений Михайлович Лифшиц (1915-1985)
Эффектом Казимира чаще всего называют возникновение странной силы
притяжения между двумя незаряженными параллельными пластинами в
вакууме. Один из способов понять, что такое эффект Казимира, — это попытаться
представить себе природу вакуума в соответствии с квантовой теорией поля.
♦Он далеко не пуст, - пишут физики Стивен Ройкрофт и Джон Свейн. -
Вакуум наполнен флуктуирующими электромагнитные волнами, от которых
просто невозможно избавиться. Он как океан - там всегда присутствуют волны,
и остановить их нельзя. Эти флуктуирующие колебания имеют разные длины
волн, и их присутствие означает, что даже в пустом пространстве есть
некоторое количество энергии». Ее называют энергией нулевых колебаний.
Если две параллельные пластинки находятся очень близко друг от друга
(например, на расстоянии нескольких нанометров), то длинные волны не
помещаются между ними и количество энергии вакуума между пластинками
будет меньше, чем снаружи. Это заставит пластины притягиваться друг к другу.
Такое притяжение было впервые предсказано в 1948 г. голландским физиком
Хендриком Казимиром.
Теоретики размышляли над различными приложениями эффекта
Казимира. Например, предполагалось, что его «отрицательная плотность энергии»
может использоваться для укрепления кровли туннелей («кротовых нор»)
между различными областями пространства-времени или же для создания
левитирующих устройств на основе теоретического предсказания
советского физика Евгения Лифшица, утверждавшего, что при некоторых условиях
силы притяжения в эффекте Казимира сменятся силами отталкивания.
Сегодня ученые работают над созданием роботизированных устройств в масштабах
микро- и нанометров, и при создании таких крошечных устройств наверняка
придется учитывать эффект Казимира.
В квантовой теории вакуум действительно рассматривается как море
призрачных виртуальных частиц, то появляющихся, то исчезающих. С этой
точки зрения, эффект Казимира возникает из-за того, что в пространстве
между пластинами находится меньше виртуальных фотонов, поскольку там
запрещены некоторые длины волн. Избыточное давление фотонов снаружи пластин
стремится прижать их друг к другу. Отметим, что силы Казимира можно
интерпретировать и в рамках других подходов без использования представлений
об энергии нулевых колебаний.
СМ. ТАКЖЕ Третье начало термодинамики (1905), «Кротовая нора» как машина времени
(1988), Квантовое воскрешение (через 100 трлн).
Диаметр сферы на изображении, полученном в сканирующем электронном микроскопе,
слегка превышает одну десятую миллиметра. Она движется к (не показанной здесь)
гладкой пластинке благодаря эффекту Казимира. Исследования этого явления
помогают ученым лучше предсказывать поведение частей сверхмалых устройств. (Фото
дано с любезного разрешения У мара Мохидина.)

».·'
f
/
1
I

Путешествие во времени
Альберт Эйнштейн (1879-1955), Курт Фридрих Гёдель (1906-1978),
Кип Стивен Торн (р. 1940)
Что такое время? Возможно ли путешествие во времени? Столетиями эти
вопросы занимали философов и ученых. Сегодня мы знаем точно - путешествия
во времени возможны. Например, ученые доказали, что объект,
перемещающийся с большой скоростью, стареет медленнее, чем объект, покоящийся
в лабораторной системе отсчета. Если бы вы могли полететь в космос на
ракете с околосветовой скоростью, то, вернувшись на Землю, вы бы попали в
будущее, на тысячи лет вперед. Ученые проверили это замедление времени
или эффект его «растяжения» целым рядом способов. Например, в 1970-х гг.
физики использовали атомные часы: летя на самолете, они слегка отставали
от часов, оставшихся на земле. Было показано, что время также значительно
замедляется вблизи очень больших масс.
Устроить путешествия в прошлое гораздо сложнее, но теоретики
придумали множество способов для их осуществления, которые, вроде, не
противоречат никаким известным сегодня законам физики. Большинство этих способов
основаны на сильной гравитации ил и на * кротовых норах » (* червоточинах ») -
гипотетических «кратчайших путях» сквозь пространство и время. Для
Исаака Ньютона время было рекой, текущей прямо. Ничто не могло отклонить
ее. По Эйнштейну же река времени может изгибаться, но никогда не повернет
вспять и не впадет в саму себя, т. е. путешествие во времени невозможно.
Однако в 1949 г. австрийский математик Курт Гёдель показал, что река времени
все-таки может «закольцеваться» и впасть сама в себя. В частности, он нашел
такие поразительные решения уравнений Эйнштейна, которые разрешают
путешествие в прошлое, но во вращающейся Вселенной. Впервые путешествие в
прошлое получило математическое обоснование!
История науки уже давно доказала: если какие-то явления прямо не
запрещены, то часто они действительно происходят. В наши дни число
умозрительных проектов машин времени все время растет, их придумывают в лучших
научных лабораториях. Они основаны на разных, порой весьма безумных идеях,
таких, как, к примеру, «кротовые норы» Торна; петли Готта с участием
космических струн - гигантских складок пространства-времени; раковины
Готта, цилиндры Типлера и ван Сокама, кольца Керра. И кто знает, возможно, в
следующие несколько сотен лет наши потомки познают пространство и время
до такой глубины, которую мы сейчас не можем даже измерить.
СМ. ТАКЖЕ Специальная теория относительности (1905), Общая теория относительности
(1915), Тахиоиы (1967), «Кротовая нора» как машина времени (1988), Гипотеза защиты
хронологии (1992).
Если время подобно пространству, то, быть может, наше прошлое никуда не исчезает,
оно где-то «сзади», словно дом. из которого мы ушли? Если бы вы могли
путешествовать назад во времени, кого из гениев прошлого вы бы навестили?

J-ft
,"1 Jjt»
* .
" ·—
Г-.Г
·■
.■_щ),
/•^ > ■■_._.
■ ί
л
г'
•
ж
"ν,
v.
-*
>--
V-
1
; Л

Радиоуглеродный метод датировки
Уиллард Франк Либби (1908-1980)
♦Если бы вы заинтересовались возрастом какого-то предмета, то
правильным местом для вас был бы Чикагский университет в 1940-х гг., — говорит
писатель Билл Брайсон. - Уиллард Либби как раз тогда разрабатывал
радиоуглеродный метод датировки, который позволил ученым получать точные
сведения о возрасте костей и других органических остатков. Раньше им это
никогда не удвалась...»
Радиоуглеродная датировка основана на измерении количества
радиоактивного изотопа углерод-14 (14С) в образце, содержащем углерод.
Радиоактивный 14С образуется в атмосфере при бомбардировке атомов азота
космическими лучами. Далее 14С поглощается растениями, которыми питаются
животные. Пока животные живут, содержание 14С в их телах примерно равно
его содержанию в атмосфере. Изотоп 14С распадается по известному
экспоненциальному закону, превращаясь в азот-14. Когда животное умирает и не
пополняет более запас 14С из окружающей среды, его тело постепенно теряет
атомы 14С. Измеряя соотношение 14С и обычного углерода в образце, ученые
могут оценить его возраст, если он не превышает 60 000 лет. Более древние
образцы содержат слишком мало 14С для точных измерений. Период
полураспада 14С равен примерно 5730 лет. Это значит, что каждые 5730 лет
количество 14С уменьшается наполовину. Из-за того что количество атмосферного
14С претерпевает во времени небольшие колебания, производится калибровка,
учитывающая этот и другие факторы и повышающая точность датировки.
Количество 14С в атмосфере возросло также в течение 1950-х гг. из-за испытаний
атомного оружия. Применение ускорительной масс-спектрометрии позволяет
определять количество 14С в образцах массой в один миллиграмм.
До изобретения радиоуглеродного метода было очень трудно получить
надежные результаты о возрасте артефактов старше Первого Царства в Египте
(ок. 3000 г. до н. э.). Это весьма расстраивало археологов, жаждавших узнать,
например, когда кроманьонцы раскрасили пещеру Ласко во Франции или
когда закончился последний ледниковый период.
СМ. ТАКЖЕ Компас ольмеков (1000 до и. э.), Песочные часы (1338), Радиоактивность
(1896), Масс-спектрометр (1898), Атомные часы (1955).
Углерод - один из наиболее распространенных в природе элементов, а потому для
радиоуглеродного исследования годятся самые разные объекты - древние скелеты,
найденные археологами, древесный уголь, кожа, шерсть, пыльца, рога и многое другое.

η
» *
•^
J
*
4

Парадокс Ферми
Энрико Ферми (1901-1954), Франк Дональд Дрейк (р. 1930)
В эпоху Возрождения вновь открытые античные тексты, труды античных
мыслителей, озарили Европу светом знания, дали мощный толчок к
развитию естественных наук, породили стремление к интеллектуальному
творчеству, исследованиям и экспериментированию. Представим себе последствия
нашего контакта с инопланетной цивилизацией. Другое, гораздо более
кардинальное Возрождение было бы подпитано богатством ее достижений — в
науке, технике, социологии. Учитывая, что Вселенная и стара, и огромна (в
одной только нашей галактике Млечный Путь 250 млрд звезд), итальянский
физик Энрико Ферми в 1950 г. задал вопрос: «Почему мы еще не связались
ни с одной внеземной цивилизацией?» Парадокс Ферми, как его называют
сегодня, инициировал работы в самых разных областях науки от физики и
астрономии до биологии — их авторы пытаются ответить Ферми.
В 1960 г. астроном Франк Дрейк предложил формулу для оценки числа
внеземных цивилизаций в нашей Галактике, с которыми мы могли бы
вступить в контакт:
N = R*xfpxnexflxfjxfc*L.
Здесь N - число инопланетных цивилизаций в Млечном Пути, с
которыми возможно общение. Например, их технологии создавали бы радиоволны,
которые мы бы ловили. R* — количество звезд, образующихся в год в нашей
Галактике; / — доля звезд, обладающих планетами (были найдены сотни
планет вне Солнечной системы); пе — среднее количество планет земного типа,
потенциально приспособленных для жизни, в расчете на одну звезду с планетной
системой; ft - доля из этих пе планет, на которых зародилась жизнь; /( - доля
тех планет из ft> на которых возникла разумная жизнь. Параметр /с
представляет долю цивилизаций из числа /г, которые развили технологии,
позволяющие по посылаемым в космос сигналам уловить признаки их существования;
L — время испускания такими цивилизациями сигналов, которые мы можем
поймать. Из-за того что значения многих параметров определить очень
трудно, это уравнение, скорее, пригодно для привлечения внимания к сложности
парадокса Ферми, чем для его разрешения.
СМ. ТАКЖЕ Уравнение Циолковского для ракеты (1903), Путешествие во времени
(1949), Сфера Дайсона (1960), Антропный принцип (1961), Жизнь как компьютерное
моделирование (1967), Гипотеза защиты хронологии (1992), Космическая изоляция
(через 100 млрд).
Учитывая, что Вселенная наша и стара, и огромна, итальянский физик Энрико Ферми
в 1950 г. спросил: «Почему мы еще не связались ни с одной внеземной цивилизацией?'»

Фотоэлементы
Александр Эдмон Беккерель (1820-1891),
Калвин Саутер Фуллер (1902-1994)
В 1973 г. британский химик Джордж Портер сказал: «Несомненно, нам
удастся использовать солнечную энергию... Если бы солнечные лучи были
военным оружием, мы бы овладели солнечной энергией уже столетия
назад». И в самом деле, поиски эффективного способа получения энергии из
солнечного света имеют долгую историю. Еще в 1839 г. девятнадцатилетний
французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект:
оказалось, некоторые материалы производят небольшое количество
электрического тока под воздействием света. Однако самый важный прорыв в
использовании солнечной энергии произошел только в 1954 г., когда трое ученых
из Лабораторий Белла - Дэрил Чапин, Калвин Фуллер и Джеральд Пирсон -
изобрели первый практичный кремниевый фотоэлемент для превращения
солнечного света в электрическую энергию. Его коэффициент полезного
действия (КПД) был всего около 6% при прямом освещении. КПД современных
усовершенствованных фотоэлементов выше 40%.
Вы можете увидеть солнечные батареи на крышах зданий или на
автострадах, где они подают питание на дорожные знаки. Такие батареи содержат
фотоэлементы, обычно содержащие два слоя кремния. Фотоэлемент также
имеет антиотражающее покрытие, увеличивающее поглощение солнечного
света. Чтобы гарантировать выработку электрического тока, к верхнему слою
кремния добавляют небольшое количество фосфора, а к нижнему - бора. Эти
добавки приводят к тому, что верхний слой содержит больше электронов,
а нижний — меньше. При соединении двух слоев электроны из верхнего слоя
перемещаются в нижний, создавая в непосредственной близости от места
стыка электрическое поле, препятствующее перетеканию электронов на нижний
слой, в результате чего устанавливается равновесие. Солнечные фотоны,
попадая на фотоэлемент, выбивают электроны из атомов обоих слоев, и
существующее в месте стыка электрическое поле толкает достигшие его электроны
в сторону верхнего слоя. Этот «толчок», или «силу», можно использовать для
перемещения электронов из фотоэлемента в присоединенный металлический
проводник, тем самым генерируя электрический ток. Для электроснабжения
дома этот постоянный ток превращается в переменный с помощью устройства,
называемого инвертором (преобразователем).
СМ. ТАКЖЕ «Зажигательные зеркала» Архимеда (212 до и. э.), Батарея (1800), Топливный
элемент (1839), Фотоэффект (1905), Ядерная энергия (1942), Токамак (1956), Сфера
Дайсона (1960).
СЛЕВА: солнечные батареи дают энергию для оборудования на винограднике.
СПРАВА: солнечные батареи на крыше дома.

^
,ν
; ■ · τ? - ж- ,
ч-,ν ·> · «ΐΗΡί,ν/* «ς .& ■
■Ч-У ^> *$'ν#- 4 '
\·:
<*
'
■■>^ ' ^Г* ·* 'Ч ■*■■

Падающая книжная башня
Мартин Гарднер (1914-2010)
Однажды, идя по библиотеке, вы замечаете стопку книг, выходящую за край
стола. Вы спрашиваете себя, можно ли расположить книги в стопке так,
чтобы верхняя вылезла далеко в комнату (скажем, на пару метров), а нижняя
по-прежнему оставалась на столе? Или такой штабель книг упадет под
собственным весом? Для простоты предполагается, что книги совершенно
одинаковы и что на каждом «этаже» стопки разрешено иметь не более одной книги.
Или, иными словами, каждая книга лежит лишь на одной другой книге.
Эта задача забавляла физиков по крайней мере с начала XIX в.; под
названием Падающей книжной башни она появилась в 1955 г. в American Journal
of Physics. Особое внимание уделил ей Мартин Гарднер, обсуждавший ее
в 1964 г. в журнале Scientific American.
Стопка из η книг не упадет, пока ее центр масс все еще находится над
столом. Более точно, центр масс всех книг, находящихся над произвольной
книгой В, должен лежать на вертикальной линии, «прокалывающей» книгу В.
Любопытно, что нет никаких ограничений на то, сколь далеко стопка может
выдвинуться за край стола. Мартин Гарднер называет этот произвольно
большой выступ парадоксом бесконечного смещения. Для выступа длиной всего
в три книги нужно, чтобы стопка содержала 227 книг! Для навеса в 10 книг
потребуется уже 272 400 600 книг. Ну а чтобы вытянуться на длину 50 книг
(не)падающая башня должна быть построена из 1,5 · 1044 книг. Получена
и общая формула: имея в стопке η книг, можно построить выступ длиной
0,5 χ (1 + 1/2 + 1/3 + ... + 1/л) книг. Этот гармонический ряд расходится очень
медленно и, таким образом, скромное увеличение длины навеса потребует
значительного увеличения числа книг в стопке. Дополнительные захватывающие
исследования этой задачи были проведены после отмены ограничения, чтобы
на каждом «этаже башни» содержалась только одна книга.
СМ. ТАКЖЕ Стропила (2500 до н. э.), Арка (1850 до н. э.), Тенсегрити (1948).
Можно ли расположить большое количество книг в стопке так, чтобы верхняя
выходила далеко в комнату, а нижняя покоилась на столе? Или такая стопка упадет
под собственным весом?

]

Наблюдение отдельного атома
Макс Кнолл (1897-1969), Эрнст Август Руска (1906-1988), Эрвин
Вильгельм Мюллер (1911-1977), Альберт Виктор Крю (1927-2009)
«Исследования Крю открыли окно в новую Лилипутию — мир
фундаментальных строительных кирпичиков природы, — пишет журналист Джон Мар-
кофф. - Они вооружили нас новым мощным методом, позволяющим постичь
архитектуру всего сущего, от живой материи до металлических сплавов».
Мир никогда не «видел» отдельных атомов, пока профессор Чикагского
университета Альберт Крю не применил свою первую успешную модель
сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM). Хотя идея
об элементарной частице вещества была высказана еще в V в. до н. э. греческим
философом Демокритом, атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть
в оптические микроскопы. В1970 г. Крю опубликовал в журнале Science свою
статью «Различимость отдельных атомов», где представил фотографические
изображения атомов урана и тория.
«После конференции в Англии он забыл купить книгу для чтения во
время полета домой, а потому в самолете вытащил лист бумаги и - набросал два
пути усовершенствования тогдашних микроскопов», - пишет Маркофф.
Позже Крю спроектировал улучшенный источник электронов (автоэмиссионную
пушку) для сканирования образцов.
В электронных микроскопах образцы облучаются пучком электронов.
В просвечивающем электронном микроскопе, который изобрели в начале
1930-х гг. Макс Кнолл и Эрнст Руска, электронный пучок проходит через
тонкий образец, а затем полученное изображение увеличивается с помощью
магнитных линз, созданных катушкой с током. В сканирующем
электронном микроскопе применяют электрические и магнитные линзы, помещаемые
перед образцом, что позволяет сфокусировать электроны в небольшое пятно,
которое затем сканирует поверхность. STEM является гибридом обоих этих
подходов.
В 1955 г. Эрвин Мюллер впервые увидел атомы, используя изобретенный
им полевой ионный микроскоп (другое название — автоионный микроскоп).
В этом приборе используется сильное электрическое поле, приложенное к
металлической игле, помещенной в газ. Атомы газа, оказывающиеся вблизи
острия иглы, ионизируются и регистрируются. Физик Питер Неллист пишет:
«Этот процесс с большей вероятностью случается в определенных местах на
поверхности иглы — там, где в атомной структуре имеются ступеньки.
Поэтому получаемое изображение воспроизводит внутреннее атомное строение
образца».
СМ. ТАКЖЕ Электростатический генератор фон Герике (1660), «Микрография» (1665),
Атомная теория (1808), Условие Брэгга для дифракции на кристалле (1912), Квантовое
туннелирование (1928), Ядерный магнитный резонанс (1938).
Изображение очень острой вольфрамовой иглы, полученное в полевом ионном
микроскопе. Небольшие округлые объекты - это отдельные атомы. Некоторые удлиненные
объекты - атомы, двигавшиеся в процессе съемки (занимающей примерно секунду).

>

Атомные часы
Льюис Эссен (1908-1997)
По мере развития технологий часы становились все более точными.
Показания ранних механических часов (таких, например, как часы XIV в. в
Дуврском замке) отклонялись от точного времени на несколько минут в день.
Когда в XVII в. стали широко использоваться маятниковые часы, их точность
позволяла отсчитывать уже не только часы, но и минуты. В XX в. точность
хода кварцевых часов составляла доли секунды в день. В 1980-х гг. цезиевые
атомные часы давали отклонение от точного времени, которое составило бы
меньше секунды за 3000 лет. А в 2009 г. цезиевые фонтанные атомные часы
NIST-F1 шли с точностью до секунды за 60 млн лет!
Атомные часы столь точны, потому что используют периодические
процессы при переходах между двумя разными энергетических состояниями атомов.
Атомы одного и того же изотопа (ядра которых имеют одинаковое число
нуклонов) идентичны везде и всегда, поэтому на их основе можно создать
независимые и совершенно одинаково идущие часы, которые будут синхронно
измерять временные интервалы между событиями. Одной из моделей атомных
часов являются цезиевые часы — в них при некоторой частоте в микроволновом
диапазоне атомы переходят из одного состояния в другое. Атомы цезия
начинают флуоресцировать при естественной резонансной частоте 9 192 631 770 Гц
(число колебаний в секунду). В наши дни эта частота используется для
определения эталона времени — секунды. Показания многих цезиевых часов повсюду
в мире усредняются для получения международной шкалы времени.
Один из примеров применения атомных часов - это GPS (global positioning
system - система глобального определения местоположения). Эта система
использует сеть спутников, позволяющих пользователю узнать свое
местонахождение. Для обеспечения точности спутники должны посылать точно
синхронизированные радиоимпульсы, по которым принимающие устройства
находят свое местоположение.
Первые точные атомные часы были созданы английским физиком
Льюисом Эссеном в 1955 г. В них использовались переходы между энергетическими
уровнями атома цезия. Для повышения точности хода и уменьшения
стоимости в лабораториях по всему миру постоянно изучаются возможности
использования в часах других атомов и ведутся поиски новых методов точного
измерения времени.
СМ. ТАКЖЕ Песочные часы (1338), Годовые часы (1841), Флюоресценция Стокса (1852),
Путешествие во времени (1949), Радиоуглеродный метод датировки (1949).
В 2004 г. ученые Национального института стандартов и технологии США (NIST)
продемонстрировали крошечные атомные часы, внутренние части которых имели
размер зернышка риса. Там находились лазер и ячейка с парами атомов цезия.

%

Параллельные миры
Хью Эверетт III (1930-1982), Макс Тегмарк (р. 1967)
Ряд известных физиков предполагают, что существуют вселенные,
параллельные нашей, и что их можно наглядно представить как слоеный торт,
пузырящийся молочный коктейль или почки на бесконечно ветвящемся
дереве. Согласно некоторым теориям, мы могли бы обнаружить эти вселенные по
утечке гравитации из одной вселенной в соседнюю. Например, луч света от
далеких звезд может искривиться под действием поля тяготения невидимых
объектов, принадлежащих параллельной вселенной, находящейся всего в
нескольких миллиметрах от нашей. Идея множественных вселенных не столь
искусственна, как может показаться. Согласно опросу 72 ведущих физиков,
проведенному американским исследователем Дэвидом Раубом и
опубликованному в 1998 г., 58% физиков (включая Стивена Хокинга) верят в тот или
иной вариант теории множественных вселенных.
Существует множество разных теорий параллельных миров. Например,
Хью Эверетт III в своей докторской диссертации «Теория универсальной
волновой функции» строит теорию, в которой вселенная все время «ветвится»
в бессчетное количество параллельных миров. Эта теория называется
многомировой интерпретацией квантовой механики и постулирует, что всякий раз,
когда вселенная («мир») сталкивается с выбором пути на квантовом уровне,
она использует разные возможности. Если такая теория верна, то в огромном
мире могут «сосуществовать» самые разные «миры». В некоторых из них
Гитлер выиграл Вторую мировую войну. Иногда используется термин «мульти-
вселенная» (или калька с англ. «мультиверс»), чтобы подчеркнуть мысль, что
наша Вселенная является лишь частью реальности, охватывающей множество
всевозможных вселенных — мультивселенную.
Если космос бесконечен, то могут существовать идентичные копии нашей
Вселенной с точными копиями нашей Земли и нас самих. Согласно физику
Максу Тегмарку, в среднем ближайшие идентичные копии нашей (видимой)
Вселенной находятся от нас на расстояниях от 10 до 10100 м. Имеется не только
бесконечное число копий вас, читатель, — существует также бесконечное
число копий вариаций на вашу тему. Хаотическая космическая инфляция также
предполагает рождение различных вселенных, в которых, возможно,
существуете и вы, но в измененном виде — сказочно прекрасном или фантастически
безобразном.
СМ. ТАКЖЕ Волновая природа света (1801), Кот Шрёдингера (1935), Антропный
принцип (1961), Жизнь как компьютерное моделирование (1967), Космическая инфляция
(1980), Квантовые компьютеры (1981), Квантовое бессмертие (1987), Гипотеза защиты
хронологии (1992).
Некоторые интерпретации квантовой механики постулируют, что всякий раз
Вселенная, сталкивясь с выбором пути на квантовом уровне, использует разные
возможности. Теория мультивселенной предполагает, что наша наблюдаемая Вселенная лишь
часть реальности, включающей другие миры.

* I
ν

Нейтрино
Вольфганг Эрнст Паули (1900-1958), Фредерик Райнес (1918-1998),
Клайд Лорен Коуэн-мл. (1919-1974)
В 1993 г. физик Леон Ледерман написал: «Нейтрино - мои любимые
частицы. У них нет почти никаких свойств: ни массы (или она очень мала), ни
электрического заряда... и, добавим соли на рану, они не подвержены
сильным взаимодействиям. Недаром их называют неуловимыми. Они и правда
неуловимы — могут пролететь миллионы километров сквозь твердый свинец
практически без единого шанса поучаствовать в каком-нибудь
регистрируемом столкновении».
В 1930 г. физик Вольфганг Паули предсказал нейтрино и описал его
главные свойства (отсутствие заряда и очень малую массу) - так он смог объяснить
потери энергии в некоторых видах радиоактивных распадов. Он
предположил, что эти потери связаны с частицей, ускользающей от регистрации
подобно привидению. Впервые нейтрино были зарегистрированы в 1956 г.
физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Лореном Коуэном в экспериментах на
ядерном реакторе в Южной Каролине.
Каждую секунду через каждый квадратный дюйм (6,5 см2) нашего тела
проходит около 100 млн нейтрино, испущенных Солнцем. И практически ни
одно из них с нами не взаимодействует. Согласно стандартной модели
физики элементарных частиц, нейтрино не имеют массы. Однако в 1998 г. на
подземном детекторе Супер Камиоканде в Японии обнаружили, что на самом деле
они имеют массу, но очень маленькую. В этом детекторе используется
большой объем воды (50 тыс. тонн. — Прим. пер.), окруженный счетчиками черен-
ковского излучения, которое испускается при столкновениях нейтрино с
электронами или атомными ядрами. Детекторы нейтрино должны быть
огромными, поскольку эти частицы так слабо взаимодействуют с веществом, что надо
повысить вероятность их регистрации. Нейтринные детекторы помещают под
землю (Камиоканде находится на глубине около 1 км), чтобы защититься от
других видов фонового излучения - например, от космических лучей.
Сегодня известны три типа (или аромата) нейтрино. Когда нейтрино летят
сквозь пространство, между этими ароматами происходят осцилляции.
Многие годы ученых поражало, что они регистрируют меньше солнечных
нейтрино, чем ожидалось от реакций синтеза, вырабатывающих энергию Солнца.
Однако поток солнечных нейтрино лишь кажется уменьшенным, просто другие
нейтринные ароматы труднее зарегистроировать.
СМ. ТАКЖЕ Радиоактивность (1896), Излучение Черенкова (1934), Стандартная модель
(1961), Кварки (1964).
В Национальной лаборатории им. Ферми близ Чикаго для получения интенсивного
пучка нейтрино используются ускоренные протоны. Это позволяет физикам
наблюдать осцилляции нейтрино на удаленном детекторе (в Миннесоте, на расстоянии
735 км и на глубине 800 м под землей. - Прим. пер.). На фотографии - «рупоры»,
помогающие фокусировать частицы, при распаде которых рождаются нейтрино.

w
9
if
■дай* \i.
** Μ' .
1#
- ^\3а^>^*-
?S*r*
f
\ \
t^» -
„v^
► i
V
■u V^
>-4* i. f >

Токамак
Игорь Евгеньевич Тамм (1895-1971),
Лев Андреевич Арцимович (1909-1973),
Андрей Дмитриевич Сахаров (1921-1989)
Наша планета купается в потоках света и тепла, и все это - благодаря
ядерным реакциям синтеза, идущим на Солнце. А можем ли мы здесь, на Земле,
получать энергию ядерного синтеза и применять ее — без всякой угрозы — для
нужд человечества? На Солнце четыре ядра водорода (четыре протона)
сливаются в ядро гелия. Его масса меньше, чем масса четырех протонов.
Недостающая масса превращается в энергию согласно соотношению Эйнштейна
Ε = тс2. Огромные давления и температуры, необходимые для протекания
на Солнце реакций синтеза, создаются его огромной гравитацией.
Ученые пытаются осуществить ядерные реакции синтеза на Земле,
создавая достаточно высокие температуры и плотности, так что газ, состоящий из
изотопов водорода (дейтерия и трития), становится плазмой, смесью
свободных ядер и электронов. Эти ядра могли бы слиться, образуя ядра гелия и
свободные нейтроны и высвобождая энергию. К сожалению, никакой материал
не выдерживает высоких температур, необходимых для протекания реакций
синтеза. Одно из возможных решений этой задачи — токамак. В токамаке
применяется сложная система магнитных полей, которая сжимает и
удерживает плазму в вакуумной камере в форме тора (бублика). Плазму можно
нагреть магнитным сжатием, микроволновым изучением, электрическим полем
и пучком быстрых нейтральных атомов. Далее плазма циркулирует в
токамаке, не касаясь его стенок. Самый большой в мире токамак ITER сооружается
сейчас во Франции.
Ученые продолжают совершенствовать свои токамаки, ставя целью создать
установку, в которой производится больше энергии, чем затрачивается на
поддержание ее работы. Будь такой токамак построен, он был бы очень выгоден.
Во-первых, легко получить нужное ему (небольшое) количество топлива. Во-
вторых, реакция синтеза не создает проблемы высокорадиоактивных отходов,
которая существует для современных ядерных реакторов деления, где
большой выход энергии сопровождает развал тяжелых ядер (например, урана) на
меньшие части.
Токамак был изобретен в 1950-х гг. советскими физиками Игорем Таммом
и Андреем Сахаровым и усовершенствован Львом Арцимовичем. В наши дни
ученые изучают также возможное инерционное удержание горячей плазмы с
помощью лазерных пучков света.
СМ. ТАКЖЕ Плазма (1879), Ε = тс2 (1905), Ядерная энергия (1942), Звездный
нуклеосинтез (1946), Фотоэлементы (1954), Сфера Дайсона (1960).
Установка NSTX (Национальный сферический тороидальный эксперимент) -
сферический токамак, построенный в Принстонской лаборатории физики плазмы в
сотрудничестве с Национальной лабораторией Оук-Ридж, Колумбийским университетом
(Нью-Йорк) и Университетом шт. Вашингтон (Сиэттл).

-It *■
Γι
\
1 >.
\\ ч
Λ
.·> —■ ^N
«
iPw
■3K-
\ _
. *►
4. »^
'*>-
*"
i
a »
■* /
IT
(7
/
4
К
-\
fl.
.
\
■7'V
/4
^
V

Интегральные микросхемы
Джек Сент-Клэр Килби (1923-2005), Роберт Нортон Нойс (1927-1990)
«Открытие интегральных микросхем было просто неизбежно, - пишет
историк техники Мэри Белле. - Примерно в одно и то же время два независимых
изобретателя, не осведомленных о деятельности друг друга, создали почти
идентичные интегральные микросхемы (ИМС)».
ИМС, или микрочип, - это миниатюрная электрическая цепь на основе
полупроводниковых устройств, применяемая в наши дни в самых разных
электроустройствах — от кофеварок до реактивных истребителей. Электрическое
поле позволяет управлять проводимостью полупроводниковых материалов.
После изобретения монолитных ИМС раздельные ранее элементы -
транзисторы, сопротивления, конденсаторы и все проводники — могут быть размещены
в одном кристалле (или чипе), сделанном из полупроводникового материала.
По сравнению с ручной сборкой схем из отдельных деталей — например,
сопротивлений и транзисторов, - процесс изготовления ИМС более эффективен.
В нем применяется фотолитография — нанесение по трафарету необходимого
геометрического рисунка на поверхности подложки (обычно кремниевой).
Быстродействие ИМС также выше из-за малости компонентов и их плотной
упаковки.
Джек Килби изобрел ИМС в 1958 г. Работая независимо, Роберт Нойс
пришел к ИМС полгода спустя. В качестве полупроводникового материала Нойс
применял кремний, а Килби — германий. Сегодня чипы размером в почтовую
марку могут содержать миллиард транзисторов. Новые возможности и
миниатюризация ИМС, а также их удешевление позволили инженеру Гордону Муру
заявить: «Если бы автомобильная промышленность развивалась столь же
быстро, как полупроводниковая отрасль, то «роллс-ройс» мог бы проехать 200
тыс. км на одном литре бензина, и было бы дешевле бросить его на стоянке,
чем платить за парковку».
Килби изобрел ИМС, когда только начал работать в Texas Instruments.
Было время отпусков, и лаборатории почти опустели. К сентябрю Килби уже
создал работающую модель, а 6 февраля Texas Instruments получила патент.
(Другой изобретатель ИМС, Роберт Нойс, основал в 1968 г. компанию Intel,
где через два года создал в сотрудничестве с Гордоном Муром (р. 1929) первое
полупроводниковое запоминающее устройство. — Прим. пер.)
СМ. ТАКЖЕ Правила Кирхгофа для электрической цепи (1845), Космические лучи (1910),
Транзистор (1947), Квантовые компьютеры (1981).
Внешняя упаковка микрочипов (большая прямоугольная коробка слева), внутри
которой содержатся ИМС с миниатюрными элементами - транзисторами и т. п. Корпус
защищает микросхемы и имеет выходы для подключения модуля к печатной плате.

\>λ
\

Обратная сторона Луны
Джон Фредерик Вильям Гершель (1792-1871),
Уильям Элисон Андерс (р. 1933)
Из-за особенностей гравитационного взаимодействия Земли и Луны время
оборота Луны по орбите вокруг Земли равно времени ее оборота вокруг
собственной оси. К тому же, оба этих вращения происходят в одну сторону, и к
Земле всегда обращена только одна сторона Луны. Вот почему другую сторону
нашего спутника, невидимую с Земли, называют «темной стороной Луны».
В 1870 г. знаменитый астроном сэр Джон Гершель писал, что на обратной
стороне Луны может находиться океан с обычной водой. Позже исследователи
летающих тарелок предположили, что там спрятана база инопланетян.
Какие же в действительности секреты скрывает обратная сторона Луны?
В 1959 г. мы впервые увидели обратную сторону Луны - на фотографии,
полученной советским зондом «Луна-3», а в 1960 г. Академия наук СССР
опубликовала первый атлас обратной стороны Луны. Физики тогда сказали,
что хорошо бы на обратной стороне Луны поставить большой радиотелескоп —
он был бы защищен от всех помех, создаваемых земными источниками.
Обратная сторона Луны на самом деле не всегда темная. Обе стороны — и
повернутая к Земле, и обратная — получают одинаковое количество солнечного
света. Любопытно, что видимая и невидимая нам стороны Луны очень
различаются по виду. В частности, на обращенной к нам стороне Луны много
больших «морей» — относительно гладких областей, напоминавших древним
астрономам моря на Земле. На поверхности же обратной стороны Луны
больше кратеров, она словно разрушена взрывами. Одно из объяснений этого
различия таково: на видимой стороне около 3 млрд лет назад бушевали вулканы,
в результате чего базальтовая лава образовала относительно гладкую
поверхность «морей». Вероятно, кора на обратной стороне была толще и потому
смогла удержать внутри расплавленные материалы. Споры о возможных
причинах различий рельефа на двух сторонах Луны продолжаются...
В 1968 г. человек собственными глазами увидел обратную сторону Луны.
Случилось это во время американской экспедиции «Аполлон-8». Астронавт
Уильям Андерс, совершивший путешествовие к Луне, так описывал свои
впечатления: «Обратная сторона выглядит как куча песка, в которой когда-то
играли мои дети. Она вся изрыта, никакого рисунка, только множество бугров
и ям».
СМ. ТАКЖЕ Телескоп (1608), Кольца Сатурна (1610).
Поверхность обратной стороны Луны - с неровным рельефом и кратерами - совсем
не похожа на ту, что обращена к Земле. Эта фотография сделана в 1972 г.
американскими космонавтами, летавшими на корабле «Аполлон-16».

^ \
■: ". V*
?%.*
/.
■ W
Λ
♦ ,
V
» *
: -.: V
V
/< . у γ у. л
ч ; >
л
5.
"Г
1
>
4
.*
I
1
I
;1>
« «.
.<;.*■■ ί .<
:■*
*·
-♦ «
1
ν^
*ί
4 ■
\.
■V ι ι
/
. w

Сфера Дайсона
Уильям Олаф Стэплдон (1886-1950), Фримен Джон Дайсон (р. 1923)
В 1937 г. британский философ и писатель Олаф Стэплдон описывал в своем
романе «Создатель звезд» огромное искусственное сооружение: «Прошли
тысячелетия... и многие звезды, не имевшие планет, оказались окружены
концентрическими кольцами искусственных миров. Внутренние кольца порой
содержали десятки, а внешние — тысячи искусственных планет,
приспособленных для жизни именно на таком расстоянии от Солнца».
Вдохновленный «Создателем звезд», физик Фримен Дайсон опубликовал
в 1960 г. в престижном журнале Science астроинженерный проект
гипотетической сферической оболочки, которая могла бы окружать звезду и собирать
большую долю ее энергии. По мере эволюции высокотехнологических
цивилизаций такая конструкция очень бы пригодилась им для удовлетворения
непрерывно растущих потребностей в энергии. С тех пор авторы
научно-фантастических романов, физики, преподаватели и студенты размышляют о
возможных свойствах твердой сферы, в центре которой светит звезда, а на
внутренней поверхности могут обитать инопланетяне.
В одном из вариантов сфера Дайсона имеет радиус, равный расстоянию от
Солнца до Земли, а площадь поверхности, стало быть, в 550 млн раз большую,
чем поверхность Земли. Интересно, что результирующая сила притяжения
сферы звездой должна быть равна нулю. В противном случае, если не
регулировать положение сферы, возникнет опасное смещение в сторону звезды.
Любые существа или предметы, обитатели внутренней сферы, тоже не должны
испытывать гравитационного притяжения звезды. В другом варианте
разумные существа остаются жить на планете, а сферу используют только для
собирания звездной энергии. Дайсон оценил, что в Солнечной системе достаточно
планетного материала, чтобы соорудить такую сферу со стенками толщиной
3 м. Он также предположил, что земляне могли бы обнаружить очень далекую
от них сферу Дайсона, потому что она поглощала бы звездный свет и
переизлучала бы энергию с нетипичным спектром в инфракрасной области. Ученые
уже пытаются найти возможные свидетельства существования таких
сооружений по испускаемым ими инфракрасным сигналам.
СМ. ТАКЖЕ Размеры Солнечной системы (1672), Парадокс Ферми (1950), Фотоэлементы
(1954), Токамак (1956).
Художественное изображение сферы Дайсона, которая могла бы окружать звезду и
улавливать большую долю ее энергии. Молнии в сфере представляют процесс
поглощения энергии внутренней поверхностью сферы.

\
^ isw.
\
<v

Лазер
Чарлз Хард Таунс (р. 1915), Теодор Гарольд (Тед) Мэйман (1927-2007)
«Область применений лазерных технологий невероятно широка - от
медицины и бытовой электроники до телекоммуникационных и военных
устройств, — пишет специалист по лазерам Джефф Хет. — Кроме того, лазеры
стали необходимым инструментом в научных исследованиях. Среди
лауреатов Нобелевской премии 18 ученых получили награды за исследования, так
или иначе связанные с лазерами, включая голографию, лазерное охлаждение
и конденсат Бозе—Эйнштейна».
Слово «лазер» является аббревиатурой английского названия Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света посредством
вынужденного излучения. Действие лазера основано на субатомном процессе,
известном под названием вынужденного излучения и впервые рассмотренном
Альбертом Эйнштейном в 1916 г. В этом процессе фотон определенной энергии
вынуждает электрон в атоме опуститься на более низкий энергетический
уровень, в результате чего рождается еще один фотон. Этот вторичный фотон
когерентен, как говорят, с первым, т. е. имеет ту же фазу, частоту, поляризацию
и направление распространения. Если заставить фотоны отражаться таким
образом, чтобы они вновь и вновь возвращались в среду с теми же атомами, то
произойдет усиление вынужденного излучения, и на выходе можно получить
интенсивный световой пучок. Есть лазеры, испускающие как видимый свет,
так и разные виды электромагнитного излучения — рентгеновские,
ультрафиолетовые, инфракрасные лазеры и т. д. и т. п. Выходящий пучок может быть
сильно коллимированным (т. е. иметь очень малую угловую расходимость,
состоять из почти параллельных лучей. — Прим. пер.). Посланный учеными
НАСА с Земли лазерный луч отразился от уголковых рефлекторов,
установленных на Луне астронавтами. На лунной поверхности лазерное световое
пятно имело диаметр около 2,5 км, т. е. угол расхождения пучка действительно
очень мал, если сравнить его с обычным светом карманного фонаря!
В 1953 г. физик Чарлз Таунс с сотрудникам создали первый
микроволновой лазер (мазер), однако не сумели получить непрерывную эмиссию
излучения. В 1960 г. Теодор Мэйман создал первый действующий лазер, который
работал в импульсном режиме. В наши дни лазеры применяются в DVD- и CD-
проигрывателях, в средствах оптоволоконной связи, в считывателях штрих-
кодов, в лазерных принтерах. Другие области применения включают
бескровную хирургию и лазерные прицелы (целеуказатели) для оружия. Ведутся
исследования по созданию лазеров, способных разрушать танки и самолеты.
СМ. ТАКЖЕ Оптический прибор Брюстера (1815), Голограмма (1947), Конденсат
Бозе-Эйиштейна (1995).
Инженер-оптик изучает совместное действие нескольких лазеров, предназначенных
для боевой лазерной системы, которая создается для отражения атак баллистических
ракет. Американский Директорат направленной передачи энергии ведет активные
исследования в области технологий управляемых пучков излучения.

ψ
\
ί
' ι. ■
-
\
\
\
: \

Установившаяся скорость
падения в среде
Джозеф Уильям Киттингер II (р. 1928)
Возможно, многие из вас слышали ужасную историю о монетке-киллере:
если сбросить пенс с верхнего этажа 102-этажного небоскреба Эмпайр-Стейт-
билдинг в Нью-Йорке, она наберет у земли огромную скорость и даже может
кого-нибудь убить, проникнув несчастной жертве в мозг.
К счастью для пешеходов, физика ограничивает скорость монетки и
спасает их от такой страшной кончины. Пройдя в своем падении путь в 152 м,
монетка достигнет максимальной скорости около 80 км/ч. Пуля летит в десять
раз быстрее. К тому же, восходящие потоки замедляют падение монетки, да и
форма у нее не такая, как у пули, а потому она только и сможет, что поранить
кожу. Так что вряд ли пенс способен убить кого-нибудь, даже упав с
последнего этажа Эмпайр-Стейт-билдинг.
Когда некое тело движется в какой-то среде, воде или воздухе, на него
действует сила сопротивления, замедляющая движение. Для тел, свободно
падающих в воздухе, эта сила зависит от квадрата скорости, площади предмета, и
плотности воздуха. Чем быстрее падает тело, тем больше сила сопротивления.
При мере ускорения падающей монетки сила сопротивления в конечном итоге
возрастает до такой величины, что монетка будет дальше лететь с постоянной
скоростью, называющейся установившейся скоростью падения. Это
происходит, когда сила вязкостного сопротивления воздуха и сила тяжести (вес тела)
уравниваются.
Установившаяся скорость парашютиста, раскинувшего руки и ноги в
затяжном прыжке, достигает примерно 190 км/ч. В позе ныряльщика (вниз
головой) он набирает скорость до 240 км/ч.
В 1960 г. американский офицер Джозеф Киттингер достиг самой высокой
скорости свободного падения человека. Он прыгнул со стратостата на большой
высоте (31 300 м), где плотность воздуха мала, и раскрыл свой парашют на
высоте 5500 м. Максимальная скорость падения составила 988 км/ч.
СМ. ТАКЖЕ Ускорение падающих тел (1638), Скорость убегания (1728), Закон Бернулли
в гидродинамике (1738), Крученый мяч в бейсболе (1870), Супермяч (1965).
Парашютисты достигают предельной скорости около 190 км/ч, если в свободном
падении широко раскинут руки и ноги.

ё
4\
\
\
I

Антропный принцип
Роберт Генри Дикке (1916-1997), Брэндон Картер (р. 1942)
♦Когда мы стали больше понимать, что такое космос, — пишет физик Джеймс
Трефил, - обнаружилось, что если бы Вселенная была устроена чуть иначе,
нас бы не было, и никто бы о ней не размышлял. Похоже, Вселенная сделана
специально для нас — Эдемский сад, по самому величественному проекту из
всех возможных».
Хотя это утверждение — предмет нескончаемых дискуссий, антропный
принцип завораживает как ученых, так и неспециалистов. Впервые он был
детально разъяснен в статье астрофизика Роберта Дикке в 1961 г., а позже
развит физиком Брэндоном Картером и другими. Действительно, некоторые
физические параметры выглядят хорошо подогнанными для возникновения
жизни. Например, своим существованием мы обязаны углероду, который был
наработан в звездах еще до образования Земли. Ядерные реакции,
способствующие производству углерода, представляются некоторым исследователям как
раз «оптимально правильными» для его получения.
Если бы все звезды во Вселенной были тяжелее трех солнечных масс, они
бы жили лишь около 500 млн лет, и многоклеточные формы жизни не успели
бы возникнуть. Если бы скорость расширения Вселенной в первую секунду
после Большого взрыва была меньше всего на одну стотысячную от одной
миллионной одной миллионной части, то Вселенная снова бы сжалась, не успев
достигнуть ее нынешних размеров. В то же время Вселенная могла бы
расширяться так быстро, что протоны и электроны никогда бы не соединились и
атомы водорода не образовались. Ничтожно малое изменение силы гравитации
или интенсивности слабых ядерных взаимодействий могло бы помешать
эволюции форм жизни.
Вероятно, существует бесконечное число вселенных, и среди них наша
Вселенная - единственная, допускающая существование основанной на углероде
жизни. Некоторые ученые предполагают, что есть родительские вселенные, от
которых непрерывно отпочковываются дочерние, наследуя набор физических
законов. Этот процесс напоминает эволюцию живых организмов на Земле.
Вселенные со многими звездами могут жить долго и порождать огромное
потомство со множеством звезд. И в таком мире наша наполненная своими
звездами Вселенная выглядит вполне естественно.
СМ. ТАКЖЕ Парадокс Ферми (1950), Параллельные миры (1956), Жизнь как
компьютерное моделирование (1967).
Если бы значения некоторых фундаментальных постоянных были чуть-чуть иными,
на пути возникновения разумной жизни на основе углерода возникли бы огромные
препятствия. Неудивительно, что верующие люди не сомневаются: наша Вселенная
была очень точно отрегулирована, дабы наше появление стало возможным.

4 *
.*'
■
.
'· ■»
' . .·«
·.'.""
. 1·
■ ■ ι
·*._,
. 1 .. '

Стандартная модель
Мюррей Гелл-Манн (р. 1929), Шелдон Ли Глэшоу (р. 1932),
Джордж Цвейг (р. 1937)
«В начале 1930-х гг. физики полагали, что все вещество состоит лишь из
частиц трех видов - электронов, протонов и нейтронов, - пишет научный
журналист Стивен Баттерсби. — Но тут вдруг перед учеными стройными рядами
прошествовали частицы, которых никто не ожидал, — нейтрино, позитрон и
антипротон, мюоны, пионы и каоны, лямбда- и сигма-гипероны... К середине
1960-х гг. физики обнаружили сотню частиц, предполагавшихся
фундаментальными. Это была полная неразбериха».
Стандартная модель — математическая конструкция, в которой
соединились теория и эксперимент. Она объясняет большую часть наблюдаемых
сегодня явлений в физике элементарных частиц. Согласно этой модели, каждая
частица принадлежит одному из двух классов, являясь либо бозоном, либо
фермионом. К фермионам относятся кварки различных сортов (по три кварка
входит в состав протона и нейтрона) и лептоны (например, электрон и
нейтрино, открытое в 1956 г.). Нейтрино очень трудно регистрировать — они имеют
крошечную (но не нулевую) массу и проходят сквозь обычное вещество почти
незаметно. Физики многое узнали об этих субатомных частицах, разбивая в
ускорителях атомные ядра и изучая получающиеся осколки.
Стандартная модель объясняет природу взаимодействий — это обмен
бозонами, например фотоном и глюонами. Бозон Хиггса - единственная
фундаментальная частица, предсказанная Стандартной моделью, которая до сих пор
не обнаружена. (Существование бозона Хиггса было подтверждено физиками
ЦЕРНа в марте 2013 г. (см. примечания в конце) уже после выхода этой книги
в США. — Прим. пер.) Она объясняет, почему другие частицы имеют массу.
В действительности Стандартная модель не полна, так как не включает
гравитацию. Некоторые физики пытаются включить гравитационные
взаимодействия в Стандартную модель и построить теорию Великого объединения
(GUT - great unified theory).
В 1964 г. физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг предложили
концепцию кварков — всего через несколько лет после того, как Гелл-Манн в 1961 г.
сформулировал систему классификации частиц, названную Восьмеричный
путь. В 1960 г. теории объединения физика Шелдона Глэшоу стали первым
шагом на пути к Стандартной модели.
СМ. ТАКЖЕ Теория струн (1919), Нейтрон (1932), Нейтрино (1956), Бозон Хиггса
(«Частица Бога») (1964), Кварки (1964), Суперсимметрия (1971), Теория всего (1984),
Большой адронный коллайдер (2009).
«Космотрон». Это был первый в мире ускоритель, в котором частицы разгонялись до
энергии порядка миллиардов электронвольт (или гигаэлектронвольт - ГэВ). Этот
синхротрон достиг своей проектной энергии 3,3 ГэВ в 1953 г., на нем изучались
свойства субатомных частиц.

, A
**
*_**
HgW*
ι
w ц
t "IV"
\
Гг^
Л

Электромагнитный импульс
В бестселлере Уильяма Форстена «Секундой спустя» автор повествует, как
однажды на большой высоте взрывается ядерная бомба. Она порождает
катастрофический электромагнитный импульс (ЭМИ), который мгновенно
выводит из строя электронные устройства в самолетах, автомобилях,
мобильных телефонах и кардиостимуляторах. Соединенные Штаты погружаются в
темноту — «буквально и метафорически». Еда становится дефицитом, люди
ожесточаются, города горят. Сюжет этот вполне правдоподобен.
Термин ЭМИ обычно относится к электромагнитному излучению,
возникающему при ядерном взрыве и поражающему многие виды электронных
устройств. В 1962 г. США проводили на высоте 400 км над Тихим океаном
ядерные испытания под кодовым названием «Морская звезда - 1»; это
вызвало весьма неприятные последствия на Гавайях - на расстоянии 1445 км.
Погасли уличные фонари. Отключались охранные устройства. Были
повреждены микроволновые линии телефонной компании. Сегодня известно, что даже
одна ядерная бомба, если ее взорвать на такой же высоте над Канзасом,
повлияет на жизнь всей континентальной части США из-за более сильного
магнитного поля Земли над этой страной. Пострадает даже водоснабжение, ведь оно
часто обеспечивается электрическими насосами.
После ядерного взрыва ЭМИ испускается в виде кратковременного
интенсивного всплеска гамма-лучей (электромагнитного излучения высокой
энергии). Гамма-лучи взаимодействуют с атомами молекул воздуха, выбивая их
электроны благодаря эффекту Комптона. Электроны ионизируют атмосферу,
порождая сильное электрическое поле. Эффект воздействия ЭМИ очень
зависит от высоты, на которой взорвана бомба, и от силы магнитного поля Земли в
этом месте.
Заметим, что можно создать ЭМИ, правда, не столь мощный, и без
ядерного оружия — например, при помощи ударно-волнового излучателя,
генератора электромагнитных импульсов, использующего обычную взрывчатку для
ударного сжатия магнитного поля.
Электронное оборудование можно защитить от ЭМИ, поместив его в клетку
Фарадея, т. е. заземленную металлическую клетку, которая направит
электромагнитную энергию в землю.
СМ. ТАКЖЕ Эффект Комптона (1923), Атомная бомба «Малыш» (1945), Гамма-всплески
(1967), Проект HAARP (2007).
Самолет Е-4 (на основе Боинга-747) воздушного командного пункта стратегического
звена проходит испытания на имитаторе электромагнитных импульсов на базе ВВС
США (Киртленд, шт. Нью-Мехико). Е-4 спроектирован так, чтобы выдержать ЭМИ.

V"
.·
л.
I
ι »//
мкшсл
e*

Теория хаоса
Жак Саломон Адамар (1865-1963), Жюль Анри Пуанкаре (1854-1912),
Эдвард Нортон Лоренц (1917-2008)
Богиня Тиамат, грозная героиня вавилонских мифов, повелевала морями и
олицетворяла первозданный Хаос. Хаос стал символом всего неизвестного и
неконтролируемого. В наши дни теория хаоса — это увлекательная и
непрерывно расширяющаяся область науки, которая включает изучение
многочисленных явлений, чувствительных к начальным условиям. Хотя хаотическое
поведение часто кажется «случайным» и непредсказуемым, оно следует
строгим математическим правилам, выводимым из уравнений, которые можно
сформулировать и исследовать. Один из важных научных методов,
помогающих в изучении хаоса, — компьютерная графика. От игрушек с огоньками,
мерцающими по случайным законам, до сгустков и завихрений сигаретного
дыма — хаотическое поведение всюду иррегулярно и беспорядочно. Можно
назвать и другие его примеры: погодные условия, неврологическая и
сердечная деятельность, фондовый рынок и некоторые электрические
компьютерные сети. Теория хаоса также часто используется и в современном
изобразительном искусстве.
В науке существуют некоторые известные и простые примеры хаотических
физических систем. Например, тепловая конвекция в жидкостях, панельный
флаттер в сверхзвуковых самолетах, колебательные химические реакции,
динамика жидкости, рост народонаселения, соударения частиц с периодически
колеблющейся стенкой, различные движения маятников и роторов,
нелинейные электрические цепи и изогнутые балки.
Первые работы по теории хаоса появились в начале XX в., когда
математики Жак Адамар и Анри Пуанкаре стали изучать сложные траектории
движущихся тел. В начале 1960-х гг. Эдвард Лоренц, математик и метеоролог из
Массачусетского технологического института, использовал некую систему
уравнений для моделирования конвекции в атмосфере. Несмотря на простоту
его формул, он быстро обнаружил один из признаков хаоса: очень небольшие
изменения в начальных условиях приводили к непредсказуемым и
различным результатам. В своей работе 1963 г. Лоренц объяснял, что взмах крыльев
бабочки в одной части мира может позже повлиять на погоду в другой,
удаленной на тысячи километров. Вот почему сейчас, говоря о подобной
чувствительности, мы произносим: «Эффект бабочки».
СМ. ТАКЖЕ Демон Лапласа (1814), Самоорганизованная критичность (1987), Наибольшая
скорость смерча (1999).
СЛЕВА: согласно вавилонской мифологии, Тиамат родила драконов и змей.
СПРАВА: теория хаоса включает в себя широкий круг явлений, чувствительных
к начальным условиям. На иллюстрации показана часть Мандельбульба математика
Даниэля Уайта - компьютерная графика, трехмерный аналог множества Мандель-
брота. Она демонстрирует сложное поведение простых математических систем.

>

Квазары
Мартин Шмидт (р. 1929)
«Квазары относятся к наиболее загадочным объектам во Вселенной из-за их
малого размера и колоссального выделения энергии, — пишут ученые на
сайте hubblesite.org. - Квазары не намного больше нашей Солнечной системы,
но испускают в 100 или 1000 раз больше света, чем целая галактика,
содержащая сто миллиардов звезд».
Квазары были окутаны тайной в течение десятилетий. В наши дни
большинство ученых полагают, что это очень мощные и далекие галактики со
сверхмассивной черной дырой в центре, которая извергает энергию по мере
того, как в нее втягивается окружающее вещество. Первые квазары,
открытые с помощью радиотелескопов, принимающих радиоволны из космоса, не
ассоциировались ни с каким видимым объектом. В начале 1960-х гг.
астрономы наконец обнаружили слабо светящиеся объекты, соответствовавшие этим
странным источникам. Их назвали квазизвездными радиоисточниками или,
для краткости, квазарами. Спектр излучения этих объектов, интенсивность
которого менялась на разных длинах волн, поначалу приводил ученых в
замешательство. Однако в 1963 г. голландец Мартин Шмидт сделал
выдающееся открытие — он доказал, что спектральные линии принадлежат простому
водороду, но они сильно сдвинуты к красному краю спектра. Такое красное
смещение, вызванное расширением Вселенной, означало, что квазары — части
очень далеких и древних галактик (см. статьи «Закон Хаббла» и «Эффект
Доплера»).
Сейчас известно более 200 тыс. квазаров, и большинство из них не
испускают радиоизлучения. И хотя квазары кажутся тусклыми из-за большой
удаленности (от 780 млн до 28 млрд световых лет), на самом дели они самые яркие и
мощные источники энергии из известных нам во Вселенной. Подсчитано, что
квазар может проглотить 10 звезд в год, или 600 планет земного типа в
минуту, а затем «заглохнуть», когда закончатся окружающие его газ и пыль. В этот
момент галактика, содержащая квазар, становится обычной галактикой.
Квазары, вероятно, чаще встречались в ранней Вселенной, когда у них было
гораздо больше запасов «пищи» (окружающего их вещества), чем сейчас.
СМ. ТАКЖЕ Телескоп (1608), Черные дыры (1783), Эффект Доплера (1842), Закон
Хаббла о расширении Вселенной (1929), Гамма-всплеск (1967).
В центре изображенной на рисунке галактики - квазар или растущим черная дыра,
извергающая энергию. Астрономы, использующие космические телескопы NASA
«Шпитцер» и «Чандра», открыли подобные квазары в целом ряде удаленных галактик.
Рентгеновское излучение представлено здесь белыми лучами.

W «
• J

Лавовая лампа
Эдвард Крэйвен Уолкер (1918-2000)
Лавовая лампа (патент США 3,387,396) - декоративный светильник в виде
прозрачного сосуда с плавающими внутри каплями. Она включена в эту
книгу из-за своей распространенности и потому что в ней реализуются простые,
но очень важные законы физики. Многие преподаватели используют лавовую
лампу во время лекций для демонстраций, опытов и обсуждений таких тем,
как тепловое излучение, конвекция и теплопроводность.
Лавовая лампа были изобретена англичанином Эдвардом Крэйвеном Уол-
кером в 1963 г. Бен Айкенсон, автор книги о технических изобретениях,
пишет: «Ветеран Второй мировой войны Уолкер воспринял жаргон и стиль
жизни хиппи, "детей цветов". Частично Томас Эдисон, частично Остин Пауэре
(персонаж комедийных фильмов, британский суперагент, пародия на
Джеймса Бонда. - Прим. пер.), Уолкер был нудистом в психоделический период
Великобритании, а впридачу обладал здравым смыслом и хорошими
способностями к маркетингу. Известны его слова: "Если вы купите мою лампу, вам не
понадобится покупать наркотики" ».
Чтобы сделать лавовую лампу, надо найти две несмешивающиеся
жидкости, которые, как масло и вода, не сольются и не перемешаются. Одна из
конструкций состоит из 40-ваттной лампы накаливания, которая нагревает снизу
высокий конический стеклянный сосуд с водой и каплями смеси парафина и
четыреххлористого углерода (тетрахлорметана). При комнатной температуре
воск слегка плотнее воды. Когда лампа в основании нагревает устройство,
парафин расширяется (быстрее воды) и плавится. При уменьшении удельного
веса парафина его сгустки поднимаются вверх, а затем, остывая, тонут.
Металлическая спираль в основании лампы служит для улучшения тепловой
конвекции и уменьшения поверхностного натяжения капель парафина,
чтобы они могли снова собраться на дне.
Сложное и непредсказуемое движение сгустков парафина в лавовой лампе
использовалось как генератор случайных чисел, и такое применение указано
в патенте США 5,732,138, выданном в 1998 г.
В 2004 г. лавовая лампа убила 24-летнего Филиппа Квинна, когда он попы
тался нагреть ее в кухонной печи. Лампа взорвалась, и осколок стекла
пронзил его сердце.
СМ. ТАКЖЕ Закон Архимеда (250 до н. э.), Закон Стокса для вязкой жидкости (1851),
Поверхностное натяжение (1866), Лампа накаливания (1878), Лампа черного света (1903),
Дурацкая замазка (1943), Пьющая птичка (1945).
Лавовая лампа демонстрирует простые, но важные физические законы, и многие
преподаватели используют ее для опытов и обсуждений во время уроков.

Бозон Хиггса («Частица Бога»)
Роберт Браут (1928-2011), Питер Уэйр Хиггс (р. 1929),
Франсуа Энглер (р. 1932)
♦Бродя в 1964 г. по шотландским нагорьям, - пишет научный обозреватель
Джоан Бейкер, — физик Питер Хиггс размышлял, как частицы могут обрести
свои массы. И однажды он пришел к "одной хорошей мысли", как сам об этом
позже сказал. Частицы кажутся более массивными, потому что они
замедляются, плавая в силовом поле, которое сейчас называется "полем Хиггса".
Квант этого поля — бозон Хиггса, который лауреат Нобелевской премии Леон
Ледерман назвал "Частицей Бога"».
Элементарные частицы группируются в две категории: бозоны (частицы,
переносящие силовое взаимодействие) и фермионы (частицы, составляющие
вещество, — такие как кварки, электроны и нейтрино). Бозон Хиггса —
единственная частица, предсказанная стандартной моделью, которая до сих пор
не открыта. Ученые надеются, что на Большом адронном коллайдере —
ускорителе частиц высоких энергий в Европейском центре ядерных исследований
ЦЕРН — могут быть получены экспериментальные свидетельства его
существования. (И они были действительно получены в марте 2013 г. — Прим. пер.,
см. также примечания в конце книги.)
Представим для наглядности поле Хиггса как вязкий мед, который
прилипает к движущимся в нем безмассовым фундаментальным частицам и
таким образом придает частицам массу. На очень ранних стадиях эволюции
Вселенной, как предполагают теоретики, все фундаментальные взаимодействия
(т. е. сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные) были
объединены в одной суперсиле. По мере охлаждения Вселенной возникли
различные силы. Физикам удалось объединить слабые и электромагнитные силы в
единое * электрослабое» взаимодействие. Возможно, когда-нибудь будет
построена теория, объединяющая все фундаментальные взаимодействия. Более
того, физики Питер Хиггс, Роберт Браут и Франсуа Энглер предположили, что
сразу после Большого взрыва родившисея частицы не имели массы. Когда же
Вселенная стала остывать, появился бозон Хиггса и связанное с ним поле.
Некоторые частицы (например безмассовый фотон) могут пролететь сквозь
липкое поле Хиггса, не подхватывая массы, зато другие увязают в нем, подобно
муравьям в патоке, и становятся тяжелее.
Бозон Хиггса может быть тяжелее протона более чем в сто раз, а потому для
его обнаружения необходим большой коллайдер частиц - чем выше энергия
столкновения, тем массивнее получаются осколки.
СМ. ТАКЖЕ Стандартная модель (1961), Теория всего (1984), Большой адронный
коллайдер (2009).
Компактный мюонный соленоид (CVS) - детектор частиц, он расположен под землей в
большой пещере, выкопанной на площадке Большого адронного коллайдера. Этот
детектор используется для поисков бозона Хиггса и прояснении природы темной материи.

I/ ^
Γ»
1 - <-
4 4."
V
•v ( ν v*
-'V
V
%
\
4
**
ψΛ
"■· ' /
<
\
\
N
ι
4
I
4
*,
/·
.1411 I
**\
l>
A
JUS LIFTLUX 153-12
U
4
V
Ik
41
^ с
i
л
ν, >.

Кварки
Мюррей Гелл-Манн (р. 1929), Джордж Цвейг (р. 1937)
Добро пожаловать в зоопарк элементарных частиц! В 1960-х гг. теоретики
поняли, что родственные взаимоотношения между различными частицами
(например, протонами и нейтронами) могут быть объяснены, если
предположить, что они на самом деле не элементарны, а состоят из других, меньших
частиц, называемых кварками.
Имеется шесть видов (или ароматов) кварков: верхний, нижний,
очарованный, странный, истинный и прелестный. В сравнительно
стабильных частицах встречаются только верхний и нижний кварки, и они
наиболее распространены во Вселенной. Частицы, состоящие из более
тяжелых кварков, рождаются в столкновениях при высоких энергиях.
(Частицы, построенные из кварков, называются адронами. Заметим, что
другой класс частиц, называемых лептонами, куда входит, в частности, электрон,
не состоят из кварков.)
Гипотеза кварков была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-
Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 г. К 1995 г. эксперименты на
ускорителях частиц принесли доказательства существования всех шести видов
кварков.
Кварки несут дробный электрический заряд. Например, заряд
нижнего кварка равен —1/3, а заряд верхнего +2/3 (в единицах заряда электрона).
Нейтроны — частицы с нулевым электрическим зарядом - состоят из
одного верхнего кварка и двух нижних, а положительно заряженный протон —
из двух верхних кварков и одного нижнего. Кварки прочно связаны мощными
короткодействующими силами — их называют цветными силами. Они
переносятся частицами, которые называют глюонами, а теорию, описывающую эти
сильные взаимодействия кварков и глюонов, — квантовой хромодинамикой.
Гелл-Манн заимствовал слово «кварк» у Дж. Джойса, из романа «Поминки по
Финнегану», когда перечитывал абсурдистскую песню со строчкой «Три
кварка для мистера Марка».
Сразу после Большого взрыва Вселенная была наполнена кварк-глюонной
плазмой, так как температура была слишком высока для существования адро-
нов. Джуди Джоунс и Уильям Вильсон пишут: «Кварки вызывают огромный
интерес. Их существование означает, что природа трехлика. ...С одной
стороны, они — крупинки бесконечности, а с другой — строительные кирпичики
Вселенной. И наконец, кварки символизируют науку как таковую — ее
исключительные амбиции и высшую степень недоступности».
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Плазма (1879), Электрон (1897),
Нейтрон (1932), Квантовая электродинамика (1948), Стандартная модель (1961).
Ученые используют эту фотографию (слева) следов частиц в пузырьковой камере
Национальной лаборатории в Брукхейвене как доказательство существования
очарованных барионов (частица из трех кварков). Нейтрино влетело снизу (показано
пунктиром на правом рисунке) и столкнулось с протоном. В столкновении родились другие
частицы, которые оставили следы в камере.

>^
XI
/e

Нарушение СР-инвариантности
Джеймс Уотсон Кронин (р. 1931), Вал Логсден Фитч (р. 1923)
Вы, я, птицы и пчелы живут сегодня благодаря нарушению СР-инва-
риантности и различным законам физики — их несомненному влиянию на
соотношение вещества и антивещества во время Большого взрыва, с
которого началась эволюция нашей Вселенной. В результате СР-нарушения
в субатомном царстве возникла асимметрия между частицами и
античастицами.
Многие важные концепции в физике проявляют себя в форме симметрии -
например, когда в физических экспериментах какие-то характеристики
сохраняются, т. е. остаются постоянными. С-симметрия означает, что законы
физики должны оставаться теми же (инвариантными), если мы поменяем
местами частицы и античастицы - например, изменив знаки электрических
зарядов и других квантовых чисел. Технически буква «С» (от англ. charge -
заряд) означает симметрию относительно операции зарядового сопряжения.
Р-симметрия относится к симметрии относительно замены левого на правое.
Или, более точно, относительно обращения знака всех трех пространственных
координат, замены х, у, ζ на -х, -у, -г соответственно. Использование здесь
буквы «Р» связано с англ. parity - четность. Сохранение пространственной
четности означает: если отразить какую-то реакцию в зеркале, ее скорость
не изменится. Например, продукты распада атомных ядер должны вылетать
вверх и вниз одинаково часто.
Однако в 1964 г. физики Джеймс Кронин и Вал Фитч открыли, что
некоторые частицы, называемые нейтральными каонами, не подчиняются
СР-симметрии, согласно которой должно образовываться равное число частиц
и античастиц. Оказалось, ядерные реакции, порожденные слабым
взаимодействием (ответственным за радиоактивные распады элементов), нарушают
комбинированную симметрию СР. Нейтральные каоны могут превращаться
в свои античастицы, в которых каждый кварк заменен на соответствующий
антикварк, и наоборот, но вероятности этих превращений в обоих
направлениях различаются.
Во время Большого взрыва нарушение СР-инвариантности и другие, пока
неизвестные, взаимодействия, происходящие при высоких энергиях, привели
к наблюдаемому ныне во Вселенной преобладанию вещества над
антивеществом. Без таких взаимодействий тогда родилось бы почти одинаковое число
протонов и антипротонов, которые затем бы полностью аннигилировали, и не
из чего было бы получать материал для звед и планет.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.). Радиоактивность (1896), Антивещество
(1932), Кварки (1964), Теория всего (1984).
В начале 1960-х гг. пучок из протонного синхротрона AGS в Брукхейвенской
Национальной лаборатории и показанные на фотографии детекторы помогли доказать
нарушения комбинированной четности - зарядовой С и пространственной Р. Это
открытие принесло Джеймсу Пронину и Валу Фитчу Нобелевскую премию по физике (1980).

-
14
■a*
^ ,
\r
n
i\
V
Ιλ
v:\
>' 4.
\\
• i*
w *
* ^
s
* V,-

Теорема Белла
Джон Стюарт Белл (1928-1990)
В статье «Парадокс Эйнштейна—Подольского—Розена» мы обсуждали кван
товую сцепленность (или запутанность), означающую глубокую связь
между квантовыми частицами — например, между двумя электронами или
двумя фотонами. Никакая частица не имеет определенного значения спина
до измерения. Если пара частиц сцеплена, некоторые изменения с одной из
них мгновенно отражаются на состоянии другой, даже если, например, одна
из частиц находится на Земле, а вторая улетела на Луну. Подобная
сцепленность настолько парадоксальна, что Альберт Эйнштейн счел ее дефектом
квантовой теории. Одна из возможностей обойти ее — отнести это явление на
счет каких-то неизвестных «скрытых локальных переменных», что
означало бы выход за рамки традиционной квантовой механики. В таком случае на
частицу действовало бы только ее непосредственное окружение. Эйнштейн не
признавал, что воздействие отдаленных событий на локальные может быть
передано мгновенно или быстрее скорости света.
Однако в 1964 г. физик Джон Белл показал, что никакая физическая
теория с локальными скрытыми переменными никогда не сможет воспроизвести
все предсказания квантовой механики. Нелокальность физического мира
следует как из теоремы Белла, так и из экспериментальных результатов,
получаемых с начала 1980-х гг. В сущности, Белл показал, что частица на Земле
и частица на Луне, если вернуться к нашему примеру, имеют определенные
значения спина. Могут ли в таком случае быть воспроизведены предсказания
квантовой механики для различных способов, какими ученые на Земле и Луне
измеряли бы спин этих частиц? Белл доказал математически, что
статистические распределения получаемых результатов отличались бы тогда от
предсказываемых квантовой механикой. Иными словами, частицы не могут иметь
определенных значений спина. Это противоречит выводам Эйнштейна, а
предположение, что Вселенная локальна, оказывается неверным.
Философы, физики и мистики интенсивно эксплуатировали теорему
Белла. Физик Фритьоф Капра пишет: «Теорема Белла нанесла сокрушительный
удар по позиции Эйнштейна, доказав, что представление о реальности как
состоящей из отдельных частей, соединенных локальными связями,
несовместима с квантовой теорией... Теорема Белла показала, что во Вселенной все
принципиально взаимосвязано, взаимозависимо и неотделимо друг от друга».
СМ. ТАКЖЕ Принцип дополнительности (1927), Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
(1935), Кот Шрёдингера (1935), Квантовые компьютеры (1981).
Философы, физики и мистики интенсивно эксплуатировали теорему Белла, которая,
по-видимому, доказывала, что Эйнштейн ошибался и все в космосе принципиально
взаимосвязано, взаимозависимо и неразделимо.

1.
и*
,* L*
t~·
f\
Ml'
I"
HIH,
*
Ι'ϊ

Супермяч
♦Бух, бах, трах! — восторгался автор одной из статей журнала Life,
вышедшего 3 декабря 1965 г. - Хотите - верьте, хотите - нет, но этот шар скачет
по залу, будто живой. Несомненно, супермяч — самый прыгучий из всех
когда-либо существовавших сфероидов. Как обезумевший кузнечик, он носится
по ломаным линиям, которые напоминают самые причудливые диаграммы
американских психологов».
В 1965 г. химик Норман Стингли из калифорнийской компании Wham-O,
занимавшейся производством игрушек, сделал из упругого синтетического
материала, получившего название зектрон, удивительный супермяч. Если его
выпустить из рук с высоты плеч, он может подпрыгнуть почти на 90%
первоначальной высоты и продолжить прыгать на твердой поверхности около
минуты (подпрыгивания теннисного мяча длятся всего лишь 10 секунд). На
языке физики его коэффициент восстановления е, определяемый как отношение
скоростей после и до отскока, лежит в диапазоне 0,8 - 0,9. (Можно сравнить
с теннисным мячом (е = 0,55) или с баскетбольным и футбольным мячами
(е = 0,64 - 0,65). - Прим. пер.)
Супермяч был выпущен в продажу ранним летом 1965 г., и уже к осени бо
лее шести миллионов таких мячей прыгало по всей Америке. Советник
президента США по национальной безопасности Макджордж Банди послал пять
дюжин мячей в Белый дом, чтобы позабавить его служащих. Секрет
супермяча - полибутадиен, синтетический каучук, состоящий из длинных
эластичных цепочек атомов углерода. При нагревании полибутадиена при высоком
давлении в присутствии серы химический процесс вулканизации
превращает эти длинные цепочки в более долговечный материал. Крошечные мостики
серы между цепочками определяют гибкость материала и долю энергии,
переходящую в движение при отскоке. Для увеличения перекрестных связей до
бавляют и другие химикаты, например диортотолигуанидин (ДОТГ).
Что произойдет, если уронить супермяч с вершины небоскреба Эмпайр
Стейт-билдинг? Пролетев около 100 м (или 25—30 этажей), мяч достигнет
установившейся скорости падения, примерно равной 113 км/ч для мяча радиусом
2,5 см. В предположении, что е = 0,85, скорость отскока будет равна примерно
97 км/ч. Это соответствует высоте подъема 24 м (или 7 этажей).
СМ. ТАКЖЕ Крученый мяч в бейсболе (1870). Ямки на мяче для гольфа (1905),
Установившаяся скорость падения в среде (1960).
Если супермяч выпустить из рук с высоты плеч, он подпрыгнет почти на 90%
первоначальной высоты и продолжит прыгать на твердой поверхности около минуты. Его
коэффициент восстановления лежит в диапазоне от 0,8-0.9.

Реликтовое излучение
Арно Аллан Пензиас (р. 1933), Роберт Вудро Вильсон (р. 1936)
Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое
излучение) — это электромагнитное излучение, наполняющее космос. Оно
является остатком ослепительной вспышки, с которой во время Большого взрыва
13,7 млрд лет назад началась эволюция нашей Вселенной. По мере ее
расширения и остывания увеличивалась длина волны фотонов высоких энергий
(в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного излучения), так что
сейчас это излучение сдвинулось в область микроволн низких энергий.
В 1948 г. космолог Георгий Гамов с коллегами высказал предположение,
что это микроволновое фоновое излучение можно обнаружить. В 1965 г.
физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лаборатории Белла в Нью-Джерси
измерили загадочный избыток микроволнового шума, который был
отождествлен с тепловым излучением при температуре около —270 °С (3 К). После того
как исследователи исключили все мыслимые источники подобного фонового
«шума», включая голубиный помет на больших внешних антеннах, они
убедились, что действительно наблюдают самое древнее излучение во Вселенной.
Открытие реликтового излучения свидетельствовало в пользу модели
Большого взрыва. Отметим, что фотонам требуется время, чтобы достичь Земли из
отдаленных уголков Вселенной, а потому, когда бы мы ни посмотрели в небо, мы
видим прошлое.
Более точные измерения были сделаны на космической обсерватории СОВЕ
(Cosmic Background Explorer), смонтированной на спутнике серии «Экспло-
рер», запущенном НАСА в 1989 г. Температура реликтового излучения
оказалась равной -270,26 °С (2,735 К). Были измерены также небольшие
флуктуации интенсивности фонового излучения, соответствующие зарождению во
Вселенной таких образований, как галактики.
Удача в науке очень важна, недаром Билл Брайсон пишет: «Хоть
Пензиас и Вильсон и не искали реликтовое излучение, не поняли, что именно они
обнаружили, когда наткнулись на него, не интерпретировали и не описали
свои результаты в научных публикациях, они все-равно получили в 1978 г.
Нобелевскую премию по физике». Подсоедините свою антенну к
какому-нибудь аналоговому телевизору, убедитесь, что он не настроен ни на какую
телевизионную станцию и «около 1% мельтешения на экране приходится на долю
этого древнего остатка от Большого взрыва. В следующий раз, когда вы будете
жаловаться, что по телевизору не передают ничего интересного, вспомните -
зато вы всегда можете наблюдать рождение Вселенной».
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Телескоп (1608), Спектр
электромагнитного излучения (1864), Рентгеновские лучи (1895), Закон Хаббла о расширении
Вселенной (1929), Гамма-всплеск (1967), Космическая инфляция (1980).
Рупорная рефлекторная антенна в Лаборатории Белла в Холмделе, шт. Нью-Джерси,
была построена в 1959 г. для приема радиосигналов со спутников. Используя это
устройство. Пензиас и Вильсон обнаружили реликтовое излучение.

■Ά *
ψ'
ι -»·Μ
ft.
\-ί
β
Ι
Ι
»· ^
«■*
■ν

Гамма-всплеск
ПольУльриш Вийяр (1860-1934)
Гамма-всплески — это внезапные интенсивные вспышки гамма-лучей,
которые имеют наибольшую энергию среди всех разновидностей света. «Если
бы ваши глаза могли видеть гамма-лучи, — пишут астробиолог Питер Уорд и
астроном Дональд Браунли, - то примерно один раз за ночь вы бы увидели,
как освещается небо. Но наши органы чувств не замечают эти отдаленные от
нас события». Однако если бы гамма-всплески когда-нибудь случились
поближе к Земле, то «вы бы прожили после этого одну минуту, а в следующую
или были бы уже мертвы, или умирали бы, отравленные радиацией».
Исследователи предполагают, что массовое вымирание живых организмов,
случившееся 440 млн лет назад в поздний ордовикский период (палеозойской эры. -
Прим. пер.), было вызвано гамма-всплеском.
До недавнего времени гамма-всплески были одной из самых больших
загадок астрономии высоких энергий. Они были открыты случайно в 1967 г.
американскими военными спутниками, следившими за соблюдением СССР
договора о запрете атмосферных испытаний ядерного оружия. За гамма-
всплеском, который длится обычно несколько секунд, следует, как правило,
долгоживущеее послесвечение на более длинных волнах. В наши дни физики
считают, что большинство гамма-всплесков связано с попаданием на Землю
узкого луча мощного излучения, испускаемого во время взрыва сверхновой,
когда вращающаяся массивная звезда коллапсирует в черную дыру. Пока все
наблюдавшиеся гамма-всплески приходили к нам из-за пределов нашей
галактики Млечный Путь.
Ученые еще не определили механизм, способный привести к выбросу за
несколько секунд такого же количества энергии, какое Солнце способно
испустить за все время своего существования. Исследователи НАСА предполагают,
что при коллапсе звезды возникает взрывная волна, распространяющаяся в
теле звезды со скоростью, близкой к скорости света; при столкновении этой
взрывной волны с звездным веществом и рождаются гамма-всплески.
В 1900 г. химик Поль Вийяр открыл гамма-лучи, изучая радиоактивность
радия. В 2009 г. астрономы обнаружили гамма-всплеск от взрыва мега-звезды,
который произошел не более чем через 630 млн лет после того, как Большой
взрыв около 13,7 млрд лет назад породил нашу Вселенную. Таким образом,
этот обнаруженный гамма-всплеск пришел от самого отдаленного из когда-
либо наблюдавшихся объектов, который существовал в сравнительно
малоизученный период жизни нашей Вселенной.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Спектр электромагнитного излучения
(1864), Радиоактивность (1896), Космические лучи (1910), Квазары (1963).
Фотография звезды Вольфа-Райе WR-124 и туманности вокруг нее, полученная
с помощью космического телескопа «Хаббл». Этот класс звезд может генерировать
длительные гамма-всплески. Звезды Вольфа-Райе - большие звезды, которые быстро
теряют массу из-за сильного звездного ветра (истечения вещества из звезды в
межзвездное пространство. - Прим. пер.).

Жизнь
как компьютерное моделирование
Конрад Цузе (1910-1995), Эдвард Фредкин (р. 1934),
Стивен Вольфрам (р. 1959), МаксТегмарк (р. 1967)
По мере того как мы все больше узнаем о Вселенной и учимся моделировать
сложнейшие явления на компьютерах, даже серьезные ученые стали
задумываться над вопросом о реальности природы. Может быть, мы живем в
компьютерной модели?
В нашем собственном небольшом районе Вселенной мы уже создали
компьютеры, способные моделировать жизнеподобное поведение с помощью
программ и математических формул. В один прекрасный день мы, вероятно,
создадим разумные существа, живущие в виртуальном пространстве,
смоделированном компьютером, - столь же сложном и трепещущем, как лес под дождем.
Возможно, мы сумеем смоделировать и саму реальность... А вдруг существа,
более развитые, чем мы, уже занимаются этим где-то во Вселенной?
И если число таких моделей превышает число вселенных? Астроном
Мартин Рис предположил, что в этом случае «в одной вселенной множество
компьютеров, создающих множество таких моделей» и,
стало быть, очень вероятно, что мы — вид искусственной жизни.
Рис пишет: «Если мы принимаем идею мультивселенной..., то
отсюда вполне логично следует, что существа в некоторых из
этих вселенных достигли такого уровня, что способны
частично смоделировать самих себя. Но тогда мы можем находиться в
одном из звеньев нисходящей бесконечной последовательности
таких компьютерных моделей. Мы не знаем, где заканчивается
реальность... и не знаем, каково наше место в этом
величественном ансамбле вселенных — реальных и смоделированных».
«В конечном счете, внутри компьютеров могут быть созданы
целые виртуальные миры, — пишет астроном Пол Дэвис. — Их
разумные обитатели и не заподозрят, что являются моделями, продуктами чьей-
то технологии. В каждом реальном мире может быть создано огромное
количество виртуальных миров. И в некоторых из них могут быть созданы машины,
моделирующие свои собственные виртуальные миры, и так до бесконечности».
Другие ученые — Конрад Цузе, Эд Фредкин, Стивен Вольфрам и Макс Тег-
марк — предполагают, что физическая вселенная работает как клеточный
автомат или дискретный вычислительный механизм, или даже может быть чисто
математической конструкцией. Гипотеза, что вселенная является цифровым
компьютером, была впервые выдвинута немецким инженером Цузе в 1967 г.
СМ. ТАКЖЕ Парадокс Ферми (1950), Параллельные миры (1956), Антропный принцип
(1961).
Поскольку компьютеры становятся все более мощными, возможно, когда-нибудь мы
сумеем смоделировать целые миры и саму реальность. Но кто знает, а вдруг более
продвинутые существа где-то во Вселенной уже сделали это?

\
ι
*ъ
■' ■*■■■;&
■*■ ♦
^ «*
/
1

Тахионы
Джеральд Фейнберг (1933-1992)
Тахионы — гипотетические субатомные частицы, летящие быстрее скорости
света. «Хотя большинство современных физиков оценивают вероятность
существования тахионов лишь немногим больше вероятности существования
единорогов, - пишет физик Ник Херберт, - исследование свойств этих
гипотетических частиц не было полностью бесполезным». Поскольку эти
частицы могут путешествовать в прошлое, профессор-электронщик Пол Наин
юмористически замечает: «Если когда-нибудь тахионы будут обнаружены, то
за день до этого в газетах должна появиться заметка от первооткрывателей,
объявляющая, что тахионы будут открыты завтра».
Специальная теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна не
запрещает объектам двигаться быстрее скорости света. Скорее, она утверждает, что
ничто, движущееся медленнее света, никогда не сможет двигаться быстрее,
чем свет (т. е. со скоростью, превышающей примерно 299 000 км/с). Но
объекты, двигающиеся быстрее скорости света, в принципе могут существовать, так
как они никогда не двигались медленнее света. Рассуждая таким образом,
разделим все объекты на три класса: всегда двигающиеся медленнее света,
всегда летящие точно со скоростью света (фотоны) и всегда двигающиеся быстрее
света. В 1967 г. американский физик Джеральд Фейнберг придумал для этих
гипотетических частиц слово тахион — от греческого «тахис», «быстрый».
Одна из причин, почему частицы, двигающиеся с досветовой скоростью,
не могут перейти «световой барьер», состоит в том, что, согласно специальной
теории относительности, масса и энергия объекта растет и становится
бесконечно большой по мере приближения его скорости к скорости света. Этот рост
хорошо проверен в экспериментах по физике высоких энергий. Тахионы не
сталкиваются с такой проблемой, поскольку они никогда не двигались с
досветовой скоростью.
Возможно, тахионы родились в момент Большого взрыва, с которого
началась эволюция нашей Вселенной. Но мгновение спустя они должны были
нырнуть в прошлое к моменту образования Вселенной и снова потеряться в
первозданном хаосе. Если бы тахионы рождались в наши дни, физики
обнаружили бы их в ливнях космических лучей или в записях столкновений частиц
в ускорителях.
СМ. ТАКЖЕ Преобразования Лоренца (1904), Специальная теория относительности
(1905), Космические лучи (1910), Путешествия во времени (1949).
Тахионы порой появляются в научно-фантастической литературе. Если
инопланетянин, созданный из тахионов, станет приближаться к вам, вы увидите его до того,
как он выйдет из своего космического корабля. Изображение пришельца, вылезающего
из корабля, дойдет до вас позже, чем его тело, передвигающееся быстрее света.

■ з?:
». ■ , ■ *
1 ·. . l ' " ■
' ^ ^ *i.
I"
*:
•4 *
' &
:ч
>.-
Ce
Ki
t
я:
Г
e:
1
f
'"■t
■ i
- *
■4
.
I
I .
Γι Ι
4
I л ' '
Ι » Hi>
1 »
1 »F
V·
1 ι
'■
•i! S
' L
·■*.
£i
I
I''·'
ι ■ s " η
Ι·-... ι ' a ί 'k
»Λ·. , ■·
■
■h· г
ι ■' t
ι
""■•'"τ4-
С- *"
'a
ι
■Μ
¥ _ -.4 .
*-■ -; «. -
•β/,
■
-a
»
■ **■■■■-«ir ν-·.. , * -' .;'**-»-1;

Колыбель Ньютона
Эдм Мариотт (ок. 1620-1684), Вильгельм Якоб Гравезанд (1688-1742),
Саймон Преббл (р. 1942)
Колыбель Ньютона завораживала преподавателей физики и их учеников с
конца 1960-х гг., когда она получила широкое распространение. Это
устройство сконструировал английский актер Саймон Преббл, он же придумал и
его название (для варианта в деревянной рамке), а в 1967 г. фирма Преббла
запустила его в продажу. Современная версия колыбели Ньютона состоит из
пяти или семи металлических шаров, подвешенных на нитях таким образом,
что они могут колебаться в одной плоскости вдоль направления движения.
Все шары имеет одинаковый размер и в состоянии покоя соприкасаются друг
с другом. Если отклонить и затем отпустить крайний шар, он столкнется с
покоящимися шарами и остановится, а шар на другом конце отклонится и
пойдет вверх. В этом процессе сохраняются как импульс, так и энергия; его
детальное описание требует сложного анализа взаимодействия шаров.
Когда отклоненный шар сталкивается с неподвижными, создается ударная
волна, распространяющаяся вдоль шаров. Соударения такого рода
демонстрировались еще в XVII в. французским физиком Эдмом Мариоттом. Голландский
физик и философ Вильгельм Гравезанд также изучал столкновения в
экспериментах на устройстве, подобном колыбели Ньютона.
Сегодня колыбель Ньютона делают самых разных
размеров. Например, одна из крпунейших моделей состоит из 20
шаров для боулинга массой 6,9 кг каждый, подвешенных на
тросах длиной 6,1 м. На другом конце этой шкалы находится
♦ квантовая колыбель Ньютона», созданная физиками
университета штата Пенсильвания. Их статья, которая так и
называлась — «Квантовая колыбель Ньютона», - опубликована
в 2006 г. в журнале Nature. Авторы пишут: «Применение
колыбели Ньютона к квантово-механическим частицам создает
призрачную атмосферу. Помимо простых отражений, эти
частицы могут также проходить друг сквозь друга».
Многочисленные ссылки на колыбель Ньютона
появляются в American Journal of Phyiscs, ориентированном на
учителей физики. Это означает, что колыбель Ньютона все еще представляет
интерес для образовательных программ. (В России также в лекционных
демонстрациях до сих пор используется это устройство. — Прим. пер.)
СМ. ТАКЖЕ Сохранение импульса (1644), Ньютоновские законы движения и закон
всемирного тяготения (1687), Сохранение энергии (1843), Маятник Фуко (1851).
При движении шаров в колыбели Ньютона сохраняются как импульс, так и энергия.
Детальное описание происходящих процессов требует сложного анализа
взаимодействия шаров.

Метаматериалы
Виктор Георгиевич Веселаго (р. 1929)
Сумеют ли ученые когда-нибудь создать плащ-невидимку, подобный
устройству, делающему невидимыми военные корабли ромуланцев в сериале
«Звездный путь»? Для решения этой трудной задачи уже сделаны некоторые
первые шаги. Создаются искусственные вещества — метаматериалы,
мелкомасштабная структура которых сконструирована так, что позволяет управлять
электромагнитными волнами весьма необычным образом.
До 2001 г. ученые знали только материалы с положительным
показателем преломления (от этого параметра зависит угол отклонения луча света).
Но в 2001 г. физики из Университета штата Калифорния в Сан-Диего описали
необычный композитный материал с отрицательным показателем
преломления, что существенно меняло закон преломления Снеллиуса.
Этот материал сделан из смеси фибергласса, медных колечек и проволочек,
способных сфокусировать свет в новом направлении. Первые испытания
показали, что микроволны выходят из него прямо в противоположном
направлении, чем следовало из закона Снеллиуса. Пока физический курьез, но
когда-нибудь метаматериалы приведут к появлению новых конструкций антенн
и других электромагнитных устройств. Теоретически пластинка материала с
отрицательным показателем преломления может действовать как
суперлинза, создавая изображения исключительной четкости.
Большинство первых экспериментов проводились с микроволнами.
Но в 2007 г. физик Генри Лезек со своей группой добился отрицательного
показателя преломления для видимого света. Чтобы создать устройство,
действующее так, будто оно сделано из материала с отрицательным показателем
преломления, эта группа соорудила призму из металлических слоев,
пронизанных лабиринтом каналов с размерами порядка нанометров. Впервые в
истории ученые придумали, как заставить видимый свет отклониться в
направлении, прямо противоположном обычному преломлению при переходе из
одной среды в другую. Некоторые физики полагают, что со временем это
явление приведет к появлению оптических микроскопов, в которые можно будет
разглядеть даже молекулы, или к созданию защитного покрытия, делающего
объект невидимым. Впервые метаматериалы были теоретически предсказаны
советским физиком Виктором Веселаго в 1967 г. В 2008 г. ученые сообщили
о сетчатой структуре, которая имеет отрицательный показатель преломления
для лучей в ближнем инфракрасном диапазоне.
СМ. ТАКЖЕ Объяснение радуги (1304), Закон преломления Снеллиуса (1621), Призма
Ньютона (1672), Чернейшая чернота (2008).
Художественное изображение изгибания луча света в метаматериале, созданном
учеными, сотрудничающими с Национальным научным фондом США. Слоистые
метаматериалы могут отклонять свет в таком направлении, в каком свет никогда
не преломляется в обычных веществах.

Неосвещаемая комната
Эрнст Габор Штраус (1922-1983), Виктор Л. Кли-мл. (1925-2007),
Джордж Токарски (р. 1946)
Американская писательница Эдит Уортон однажды написала: «Есть два
способа давать свет: быть свечой или зеркалом, которое ее отражает». Закон
отражения в физике гласит, что угол, под которым волна падает на зеркало,
равен углу, под которым она отражается. Представим себе, что мы в темной
комнате с плоскими стенами, и все они - зеркальные. В комнате много углов
и боковых проходов и коридоров. Если я зажгу свечу в какой-то точке, то
сможете ли вы ее увидеть независимо от формы комнаты и того, за каким углом
или в каком коридоре вы стоите? Эту же задачу сформулируем в терминах
бильярда: можно ли попасть в лузу из любой точки на многоугольном столе?
Если мы с вами окажемся в комнате, имеющей форму буквы Г, то вы уви-
дете мою свечу независимо от того, где мы с вами оба стоим. Свет будет
отражаться от разных стен и в конце концов доберется до вашего глаза. Но можно
ли представить себе такую сложную многоугольную комнату, что в ней будет
точка, которой свет никогда не достигнет? (В нашей задаче мы считаем, что
человек прозрачен для света, а свеча - точечный источник.)
Эту задачу впервые опубликовал математик Виктор Кли в 1969 г., хотя она
уже была известна в 1950-х гг., — в те годы математик Эрнст Штраус уже
размышлял над подобными задачами. Кажется невероятным, но никто не знал ее
ответа вплоть до 1995 г., именно тогда канадец Джордж Токарски из Альберт-
ского университета нашел такую не полностью освещаемую комнату и
опубликовал ее план. У его комнаты было 26 стен. Позже Токарски нашел вариант с
24 стенами, и это — наименьший не освещаемый полностью многоугольник,
известный в настоящее время. Ученые пока не знают, существует ли в природе
многоугольник с меньшим числом сторон, обладающий такими же
свойствами.
Имеются и другие задачи, связанные с отражением света. В 1958 г.
профессор математической физики Роджер Пенроуз с коллегами показали, что не-
освещаемые области существуют и в некоторых комнатах с кривыми стенами.
СМ. ТАКЖЕ «Зажигательные зеркала· Архимеда (212 до н. э.), Закон преломления
Снеллиуса (1621), Оптический прибор Брюстера (1815).
В 1995 г. математик Джордж Токарски предложил эту не освещаемую полностью
26-угольную комнату. В ней имеется место, откуда свеча не может осветить другую
точку в комнате.

~Г> > V^i-X1 %
-p:
Ли с
- S^ijrttf :S4
гй
JV-ifi.
*1l
t
Λ/
£3*^
4i _. ■ JajsTvJ^L -Λ
i*

Суперсимметрия
Бруно Зумино (р. 1923), Бундзи Сакита (1930-2002),
Юлиус Весе (1934-2007)
♦Физики колдуют над теорией материи, и кажется, что эта теория просто
взята из сценария "Звездного пути", - пишет журналист Чарлз Зайфе. — Она
предполагает, что у каждой частицы имеются еще не открытые двойники,
теневые суперпартнеры-близнецы, чьи свойства, однако, сильно отличаются от
свойств известных нам частиц... Если суперсимметрия действительно
существует, эти... частицы могут образовывать экзотическую темную материю...
из которой состоит почти вся наша Вселенная ».
По теории суперсимметрии (СУСИ), у каждой частицы стандартной
модели имеется более тяжелый двойник. Так, кварки (крошечные частицы, из
которых построены, например, протоны и нейтроны) должны иметь тяжелых
партнеров — это частицы, названные скварками (сокращение от
«суперсимметричный кварк»). Суперсимметричный партнер электрона называется сэлек-
троном. Среди отцов СУСИ - физики Б. Сакита, Ю. Весе и Б. Зумино.
Частично стимулом к появлению СУСИ стали чисто эстетические
соображения — она устанавливает симметрию между свойствами известных частиц.
Если бы СУСИ не существовало, то, как пишет Брайан Грин,
♦это было бы подобно тому, как если бы Бах, сочинив
множество переплетающихся тем, образующих гениальное полотно
музыкальной симметрии, вдруг забыл бы про финальный, все
разрешающий, аккорд». СУСИ является также важным
свойством теории струн, в которой некоторые из
фундаментальных частиц (например, кварки и электроны) представляются
в виде невероятно крошечных одномерных объектов,
называемых струнами.
Научный журналист Анил Анантасвами пишет:
«Ключевым моментом теории является предположение, что в бульоне
частиц сверхвысоких энергий в ранней Вселенной частицы и
их суперпартнеры были неразличимы. Каждая пара сосуществовала как
единый объект, не имеющий массы. В процессе расширения и остывания
Вселенной эта суперсимметрия была нарушена. Частицы и их суперпартнеры пошли
разными путями и превратились в различные частицы — каждая со своей
собственной массой».
А Зайфе приходит к заключению: «Если эти теневые частицы не будут
обнаружены, то теория суперсимметрии останется просто математической
игрушкой. Подобно модели Вселенной Птолемея, она будет объяснять, как
функционирует космос, при этом не отражая истинную реальность».
СМ. ТАКЖЕ Теория струн (1919), Темная материя (1933), Стандартная модель (1961),
Большой адронный коллайдер (2009).
Согласно теории суперсимметрии (СУСИ), каждая частица Стандартной модели
имеет массивного «теневого» партнера. В условиях сверхвысоких энергий ранней
Вселенной частицы и их суперпартнеры были неразличимы.

Космическая инфляция
Алан Харви Гут (р. 1947)
Теория Большого взрыва утверждает, что 13,7 млрд лет назад наша
Вселенная была чрезвычайно плотной и горячей и с тех пор пространство
непрерывно расширяется. Однако эта теория неполна, так как не объясняет некоторых
наблюдаемых в космосе особенностей. В 1980 г. физик Алан Гут
предположил, что через Ю-35 с после Большого взрыва началось раздувание
Вселенной, которая за какие-то Ю-32 с увеличилась в размерах на 30 или даже
на 50 порядков (т. е. в 1030 или 1050 раз - больше, чем за все последующие
13,7 млрд лет). Сегодня наблюдаемая температура реликтового излучения
в космосе всюду примерно одинакова, хотя расстояния между отдаленными
областями видимой нам Вселенной столь велики, что не могут быть
связаны друг с другом. Объяснение дает инфляционная модель Вселенной (от лат.
inflation — раздувание), согласно которой эти области когда-то находились в
непосредственной близости и имели одинаковую температуру, но затем
удались друг от друга быстрее скорости света.
Кроме того, инфляция объясняет, и почему Вселенная в целом совершенно
♦плоская» - в том смысле, что параллельные лучи света остаются
параллельными, кроме отклонений вблизи тел с сильным тяготением. Любая кривизна в
ранней Вселенной при быстром раздувании должна была бы сгладиться,
подобно тому, как исчезают «морщины» на мяче, когда его поверхность
растягивается при накачивании. Через 10~30 с после Большого взрыва инфляционный
период закончился, и Вселенная продолжила расширяться уже не так поспешно.
Микроскопические квантовые флуктуации во время инфляционной стадии
увеличились до космических размеров и стали зародышами
крупномасштабных структур во Вселенной. «Инфляционная теория всегда будет поражать
космологов, - пишет научный журналист Джордж Массер. - Из нее следует,
что гигантские образования вроде галактик возникли из малюсеньких
случайных флуктуации. Телескопы становятся микроскопами: физики, глядя в
небеса, видят истоки мира». А Алан Гут говорит, что инфляционная теория
позволяет нам «размышлять над захватывающими вопросами, к примеру,
сможет ли какая-то сверхпродвинутая цивилизация воссоздать Большой взрыв
или не происходят ли и сегодня Большие взрывы где-то вдали от нас».
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Реликтовое излучение (1965), Закон
Хаббла о расширении Вселенной (1929), Параллельные миры (1956), Темная энергия
(1998), Космологический Большой разрыв (через 36 млрд), Космическая изоляция (через
100 млрд).
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) - спутник, запущенный НАСА в 2001 г.
с целью измерения температуры реликтового излучения. Созданная по данным WMAP
карта показывает: фоновое излучение, рожденное в ранней Вселенной 13,7 млрд лет
назад, распределено в космосе довольно равномерно. Согласно инфляционной теории,
нерегулярности, видимые на рисунке, - зародыши будущих галактик.

\,
>
•"Ч
•'-Ч$«, ~
-1
л
* ^
л •?
·_«
Τ*^ -. '*-■■■·.

Квантовые компьютеры
Ричард Филлипс Фейнман (1918-1988), Дэвид Элиезер Дойч (р. 1953)
Одним из первых выдвинул идею квантового компьютера Ричард Фейнман.
В 1981 г. он задался вопросом, насколько миниатюрными могут стать
компьютеры. Фейнман знал, что, когда компьютеры достигнут размеров атомов
и молекул, заработают странные законы квантовой механики. Физик Дэвид
Дойч в 1985 г., представив, как работали бы такие компьютеры, понял, что
вычисления, которые на обычных компьютерах потребовали бы фактически
бесконечного времени, на квантовых компьютерах можно сделать очень
быстро.
Вместо обычного двоичного кода, где информация представляется либо
«О», либо «1», квантовый компьютер использует ςτ-биты (читается «кубиты»,
от quantum bits), которые могут быть нулем и единицей одновременно.
Кубиты образуются квантовыми состояниями частиц, например спиновыми
состояниями отдельных электронов. Суперпозиция состояний позволяет
квантовому компьютеру одновременно испробовать каждую возможную комбинацию
ςτ-битов. В системе из тысячи ςτ-битов в мгновение ока можно было бы
перебрать параллельно все 21000 возможных решений, безмерно превзойдя по
производительности обычные компьютеры. Чтобы почувствовать величину числа
2Ю00 (равного примерно 10301), заметим, что вся видимая часть Вселенной
содержит всего 1080 атомов.
Физики Майкл Нильсен и Айзек Чуанг пишут: «Соблазнительно
отмахнуться от квантовых вычислений как от еще одной завиральной идеи в
истории компьютерной эволюции, которая останется в прошлом. ...Но это было бы
ошибкой. Квантовые вычисления - это абстрактная парадигма для процесса
обработки информации, и она может иметь огромное число различных
технических применений ».
Конечно, предстоит еще много серьезных испытаний на пути к созданию
квантового компьютера. Малейшие воздействия или загрязнения со стороны
окружающей среды могут нарушить его работу. «Эти квантовые инженеры...
должны будут прежде всего ввести информацию в систему, — пишет автор
научно-популярных книг Брайан Клегг, — затем запустить работу компьютера
и, наконец, вывести результат. Ни один из этих шагов не является
тривиальным... Это все равно, как пытаться составить сложный пазл в темноте да еще
со связанными за спиной руками».
СМ. ТАКЖЕ Принцип дополнительности (1927), Парадокс Эйнштейна-Подольского-
Розеиа (1935), Параллельные миры (1956), Интегральные микросхемы (1958), Теорема
Белла (1964), Квантовая телепортация (1993).
В 2009 г. физики Национального института стандартов и технологий (США)
продемонстрировали надежную квантовую обработку информации в ионной ловушке
(в левой части фотографии). Ионы задерживаются внутри темной щели. Изменяя
напряжение, приложенное к каждому из золотых электродов, ученые могли
перемещать ионы между шестью зонами в ловушке.

\
•
1

Квазикристаллы
Роджер Пенроуз (р. 1931), Дан Шехтман (р. 1941)
Я часто вспоминал о квазикристаллах, когда читал у Иезекииля (1 : 22)
описание свода, простертого над головами живых существ, который
сравнивается с «изумительным кристаллом». В 1980 г. квазикристаллы потрясли
физиков сочетанием порядка и непериодичности: они не имеют трансляционной
симметрии, т. е. сдвинутая копия узора никогда не совпадет с оригиналом.
Наш рассказ начинается с мозаики Пенроуза. Плитки в форме простых
геометрических фигур (двух разных ромбов), уложенные сторона к
стороне, могут покрыть плоскость узором, так что нигде не окажется зазоров или
перекрываний, и узор не будет периодически повторяться, как это
происходит с квадратными кафельными плитками на полу ванной комнаты. Мозаика
Пенроуза, названная так по имени ее изобретателя Роджера Пенроуза, имеет
осевую симметрию пятого порядка. Такой же вид вращательной симметрии у
пятиконечной звезды. Если повернуть всю мозаику на 72°, ничего не
изменится. Известный популяризатор науки Мартин Гарднер пишет: «Можно
построить мозаики Пенроуза с высокой симметрией, ...однако большинство мозаик,
как и сама Вселенная, представляют собой смесь порядка и неожиданных
отклонений от него, способную кого угодно поставить в тупик. Когда мозаики
расширяются, они всегда стремятся повторить себя, но это им так никогда и
не удается». (Цит. по книге: Гарднер М. От мозаик Пенроуза к
надежным шифрам./перев. Ю. Данилова. — М.: Мир, 1993. — С. 20. -
Прим. пер.)
До открытия Пенроуза большинство ученых полагало, что
создать кристаллы с пятеричной симметрией нельзя. Но позже были
открыты квазикристаллы, обладающие замечательными свойствами.
Например, металлические квазикристаллы плохо проводят тепло,
их можно использовать как скользкое антипригарное покрытие.
В начале 1980-х гг. ученые размышляли о вероятности того, что
атомная структура некоторых кристаллов может быть основана на
непериодической решетке. В 1982 г. материаловед Дан Шехтман с
помощью электронной микрофтографии открыл непериодическую
структуру в алюминиево-марганцевом сплаве. Она обладала
отчетливой симметрией пятого порядка, напоминающей мозаику Пенроуза.
$
СМ. ТАКЖЕ «Шестиугольная снежинка» Кеплера (1611), Условие Брэгга для
дифракции на кристалле (1912).
Λ
, СЛЕВА (вверху): гексагональная (шестиричная) симметрия пчелиных сот
периодична. СЛЕВА (внизу): обобщение мозаики Пенроуза и возможная
модель квазикристалла на основе двадцатигранной (икосаэдрической)
мозаики, составленной из двух ромбоэдров (фото любезно представлено Эдмундо
Харрисом). СПРАВА: мозаика Пенроуза. составленная из двух простых
геометрических фигур (ромбов), которые покрывают плоскость без зазоров и
перекрытий, так что узор не будет периодически повторяться.

i
Я-.
\
V
\
t ι
JL * τ Г
л
^
Γ--
\
*

Теория всего
Майкл Борис Грин (р. 1946), Джон Генри Шварц (р. 1941)
«Я бы очень хотел дожить до того дня, когда вся физика сведется к одной
формуле, столь элегантной и простой, что она легко поместится на
футболке», — сказал однажды физик Леон Ледерман. «Таким образом, впервые
в истории физики, — пишет физик Брайан Грин, — у нас будет единая
теория, которая сможет объяснить все фундаментальные особенности, лежащие
в основе строения Вселенной... и свойства фундаментальных частиц и сил,
посредством которых эти частицы взаимодействуют между собой». (Цит.
по книге: Грин Б. Элегантная Вселенная. - М.: Едиториал УРСС, 2004. -
С. 19-20. - Прим. пер.)
Теория всего должна бы по идее объединить четыре фундаментальные силы
природы, а именно (в порядке убывания их интенсивности): 1) сильные
ядерные взаимодействия, которые связывают частицы в ядрах, удерживают
кварки внутри элементарных частиц и обеспечивают сияние звезд; 2)
электромагнитные силы между электрическими зарядами и между магнитами; 3) слабые
ядерные взаимодействия, ответственные за радиоактивные распады
элементов; 4) гравитационные силы, привязывающие Землю к Солнцу. Около 1967 г.
физики показали, что электромагнетизм и слабые ядерные силы
объединяются в одно электрослабое взаимодействие.
Одним из возможных, хотя и не бесспорных, кандидатов на Теорию всего
является М-теория, которая постулирует, что Вселенная имеет десять
пространственных и одно временное измерение. Идея о дополнительных
измерениях может также помочь разрешить проблему иерархии взаимодействий -
объяснить, почему гравитация настолько слабее других сил. Гравитация
в этой теории «утекает» в другие пространственные измерения за пределами
обычных трех. Если бы удалось построить Теорию всего, объединив все четыре
силы в одном коротком уравнении, это помогло бы физикам понять, возможна
ли машина времени и что происходит в центре черных дыр. Как образно
выразился астрофизик Стивен Хокинг, это дало бы нам способность «читать мысли
Бога».
Статья о Теории всего несколько произвольно датирована 1984 г., когда
благодаря Майклу Грину и Джону Шварцу произошел прорыв в теории
суперструн. М-теория, обобщающая теорию струн, была развита в 1990-е гг.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Уравнения Максвелла (1861), Теория
струн (1919), Квантовая электродинамика (1948), Стандартная модель (1961), Бозон Хиг-
гса (1964), Браны Рэндалл-Сандрама (1999).
Ускорители дают информацию о субатомных частицах, что помогает физикам
разрабатывать Теорию всего. На фотографии - генератор Кокрофта-Уолтона, когда-то
использовавшийся в Брукхейвенской Национальной лаборатории для начального
ускорения протонов перед их инжекцией в линейный ускоритель, а затем в синхротрон.

1 ':
ι
:

Фуллерены
Ричард Бакминстер (Баки) Фуллер (1895-1983),
Роберт Флойд Кёрл-мл. (р. 1933),
Харольд (Гарри) Уолтер Крото (р. 1939),
Ричард Эррет Смолли (1943-2005)
Каждый раз, думая о фуллеренах, я шутливо представляю себе команду
микроскопических футболистов, играющих этими углеродными молекулами в
форме мяча и забивающих голы на научных полях. Бакминстерфуллерены
(или бакиболлы, или С60 для краткости), состоящие из 60 атомов углерода,
были открыты в 1985 г. химиками Робертом Кёрлом, Харольдом Крото и
Ричардом Смолли. Каждый атом углерода сидит в углу одного пятиугольника и
двух шестиугольников. Фуллерены назвали в честь инженера и изобретателя
Бакминстера (Баки) Фуллера, который построил сетчатые конструкции
вроде геодезического купола, вспомнившегося открывателям С60. Впоследствии
бакиболлы обнаружили буквально всюду - от свечной сажи до метеоритов.
Исследователи научились внедрять отдельные атомы в структуру С60, словно
птиц в клетки. Так как С60 охотно принимают и отдают электроны, они
непременно найдут применение в батареях и электронных устройствах. Первые
цилиндрические углеродные нанотрубки были изготовлены в 1991 г. Они
довольно прочны и в будущем могут стать электропроводниками молекулярных
размеров.
Кажется, что бакиболлы всегда находятся в центре внимание. Фармоколо-
ги пытаются использовать С60 и их производные для направленного
транспорта лекарств и борьбы с подавления вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).
Фуллерены представляют теоретический интерес с точки зрения своих кван-
товомеханических и сверхпроводящих свойств. В 2009 г. химик Юнфен Дженг
с коллегами открыли удобные способы промышленного производства «баки-
проволоки», соединяя бакиболлы подобно нитке жемчуга. Согласно журналу
Technology Review, «фуллереновая проволока будет востребована в самых
разных областях — в биологиии, электрических, магнитных и оптических
системах... Вероятно, они могут быть чрезвычайно эффективными поглотителями
света из-за большой поверхности молекул и способности проводить
электроны, выбитые из них фотонами. Они, возможно, будут использоваться и в
электронике, соединяя молекулярные печатные платы».
В 2009 г. ученые создали новый материал с высокой проводимостью.
Его кристаллическая решетка состоит из отрицательно заряженных фуллере-
нов, между которыми движутся положительно заряженные ионы лития.
Ученые продолжают эксперименты с этой и сходными структурами — а вдруг они
когда-нибудь станут «суперионными» материалами для батарей будущего...
СМ. ТАКЖЕ Батарея (1800), Соотношение де Бройля (1924), Транзистор (1947).
Бакминстерфуллерен (или бакиболл, или Св0 для краткости) состоит из 60 атомов
углерода. Каждый углеродный атом сидит в углу одного пятиугольника и двух
шестиугольников.

ν
\

Квантовое бессмертие
Ганс Моравец (р. 1948), Макс Тегмарк (р. 1967)
Ошеломляющая концепция квантового бессмертия и связанные с ней идеи
прозвучали в работах инженера Ганса Моравеца в 1987 г. и позже - физика
Макса Тегмарка. Эта концепция основана на многомировой интерпретации
квантовой механики, обсуждавшейся в статье «Параллельные миры». Она
утверждает, что всякий раз, когда Вселенная («мир») сталкивается с
необходимостью выбора пути на квантовом уровне, она следует разным
возможностям, расщепляясь на множественные вселенные.
По словам поборников квантового бессмертия, многомировая
интерпретация означает, что в сущности мы можем жить вечно. Представьте, что вы
сидите на электрическом стуле. Почти во всех параллельных вселенных
электрический стул убьет вас. Однако есть небольшой набор альтернативных
вселенных, в которых вы каким-то образом выживаете. Например, вышел из
строя какой-то компонент электрической цепи, когда палач включил
рубильник, т. е. вы продолжаете жить в одной из вселенных, где электрический стул
оказался неисправен. С вашей личной точки зрения, вы живете практически
вечно.
Рассмотрим мысленный эксперимент. Только не пытайтесь проделать его
у себя дома! Итак, вы находитесь в своем подвале рядом с молотом, который
приводится в действие распадом радиоактивного атома. В каждом сеансе этого
эксперимента с шансом 50 на 50 молот может раздробить вам череп, и вы
умрете. Если верна многомировая интерпретация квантовой механики, то
всякий раз, проводя сеанс, вы разделитесь между вселенной, где молот сработал
и вы умерли, и другой вселенной, где молот остался неподвижным, а вы —
живым. Проведя эксперимент тысячу раз, вы с удивлением находите себя
живым. Во вселенной, где молот сработал, вы мертвы. Но, с точки зрения того
вашего выжившего двойника, эксперимент с молотом продолжается. И снова
в каком-то одном из множества миров существует ваш выживший двойник.
Если многовариантная интерпретация верна, вы однажды заметите, что,
похоже, не умрете никогда!
СМ. ТАКЖЕ Кот Шрёдингера (1935), Параллельные миры (1956), Квантовое воскрешение
(через 100 трлн).
По словам поборников квантового бессмертия, мы можем навсегда избавиться от
встречи со смертью - существует небольшое количество вселенных, в которых мы
продолжаем жить. Таким образом, мы по сути обретаем бессмертие.

Самоорганизованная критичность
Пер Бак (1948-2002)
♦Рассмотрим множество электронов или кучу песка, ведро с жидкостью, сеть
из упругих пружин, экосистему или сообщество дилеров на фондовом
рынке, — пишет специалист в области математической физики Хенрик Йенсен. —
Каждая из этих систем состоит из многих элементов, которые
взаимодействуют между собой посредством некого обмена - силами или информацией...
Существует ли какой-то упрощающий механизм, порождающий поведение,
характерное для широко класса систем? »
В 1987 г. физики Пер Бак, Чао Танг и Курт Визенфельд обнародовали
свою концепцию самоорганизованной критичности (СОК) — частично в ответ
на вопросы такого сорта. СОК часто иллюстрируется примером лавины,
возникающей в куче песка. Одна за одной, песчинки падают на кучу, пока она
не достигнет стационарного критического состояния, в котором ее крутизна
флуктуирует вблизи некого постоянного угла. В этом состоянии каждая новая
песчинка способна внезапно вызвать лавину любого размера. Хотя некоторые
численные модели поведения песка демонстрируют наличие СОК, поведение
реальных песчаных куч иногда выглядит иначе. В известном эксперимента
с рисовой кучей (Осло, 1995) самоорганизованная критичность наблюдалась
для продолговатых рисовых зерен, а для круглых зерен - нет.
Таким образом, СОК может быть чувствительна к деталям
системы. Когда Сара Грумбахер с коллегами использовала для
изучения лавин крошечные железные и стеклянные шарики,
СОК была найдена во всех случаях.
Самоорганизованную критичность искали повсюду — от гео-
* < физики до эволюционной биологии, экономики и космологии.
С ней могут быть связаны многие сложные явления, когда
малые изменения приводят к внезапной цепной реакции в
системе. Ключевым элементом СОК являются степенные
распределения. Для песчаных куч отсюда следует, что крупных лавин
будет намного меньше, чем небольших. Например, мы можем ожидать
ежедневно одну лавину из 1000 песчинок, но 100 лавин из 10 песчинок, и т. д. В
самых разнообразных контекстах сложные структуры или сложное поведение
систем можно описать, пользуясь довольно простыми правилами.
СМ. ТАКЖЕ Блуждающие волны (1826), Солитон (1834), Теория хаоса (1963).
СЛЕВА: ученые изучали СОК, наблюдая за стабильностью образования рисовой кучи.
СПРАВА: исследования показали, что в снежных лавинах может наблюдаться
самоорганизованная критичность. Соотношение между частотностью лавин и их размерами
полезно для определения риска их схода.

«Кротовая нора»
как машина времени
Кип Стивен Торн (р. 1940)
Как уже говорилось в статье «Путешествие во времени», машина времени
Курта Гёделя, предложенная в 1949 г., функционирует в гигантских
пространственных масштабах — вся Вселенная должна вращаться, чтобы она
заработала. Другой способ путешествовать во времени — космические
«кротовые норы» (или «червоточины») из субатомной квантовой пены, их
предложил Кип Торн с коллегами в 1988 г. в статье, опубликованной в престижном
журнале Physical Review Letters. Они описали «кротовую нору»,
соединяющую различные области, существующие в разные периоды времени. Таким
образом, «кротовая нора» может соединять прошлое с настоящим, а
поскольку путешествие сквозь «кротовую нору» почти мгновенно, через нее
можно попасть в прошлое. В отличие от устройства из романа Герберта Уэллса
«Машина времени» «кротовая нора» Торна требует столь огромного
количества энергии, какое наша цивилизация не научится, вероятно, получать еще
много-много лет. Тем не менее Торн с оптимизмом утверждает в своей статье:
«Из единственной "кротовой норы" далеко продвинувшаяся цивилизация
построит машину для путешествий в прошлое».
Проходимая «кротовая нора» Торна могла бы быть создана
расширением субмикроскопических «кротовых нор», которые существуют в квантовой
пене, наполняющей все пространство. При расширении туннеля один из его
входов ускоряется до чрезвычайно большой скорости относительно другого,
а затем возвращается назад ко второму входу. Есть и другой способ —
переместить устье «кротовой норы» к очень сильному гравитационному полю, а
затем вернуть его на прежнее место. В обоих случаях эффект замедления
времени приведет к тому, что в движущемся входе в нору пройдет меньше времени,
чем во входе, который покоился относительно вашей лаборатории. Например,
часы в ускорявшемся входе могут показывать 2012 год, а в неподвижном -
2020 год. Если вы войдете в устье в 2020 г., то выйдете из другого,
переместившись в 2012 год. Однако нельзя уйти в прошлое к дате, предшествующей
времени создания машины времени на «кротовой норе». Трудность с ее
созданием состоит в том, что придется поддерживать открытой горловину (самое
узкое место норы), для чего требуется значительное количество отрицательной
энергии (ассоциируемой с экзотической материей). В наше время это
технически невыполнимо.
СМ. ТАКЖЕ Эффект Казимира (1948), Путешествие во времени (1949), Гипотеза защиты
хронологии (1992).
Художественный образ «кротовой норы» в пространстве. Она может работать и как
короткий проход в пространстве, и как машина времени. Два устья (входа) «кротовой
норы» показаны желтым и синим цветом.

f: V. . ·.
I
'•'; ι. V'·
ч ..«■«
^рШ"
Ш *

Телескоп «Хаббл»
Лайман Стронг Спитцер-мл. (1914-1997)
Сотрудники Научного института космического телескопа пишут: «С ранних
дней астрономии, со времен Галилея, астрономы преследовали одну цель —
увидеть больше, увидеть дальше, увидеть глубже. Запуск в 1990 г.
космического телескопа "Хаббл" продвинул человечество к одному из величайших
достижений на этом пути».
К сожалению, изображения, получаемые при наблюдениях в наземные
телескопы, искажаются земной атмосферой, она частично поглощает некоторые
диапазоны электромагнитного излучения и заставляет звезды мерцать.
Орбита космического телескопа «Хаббл» лежит вне атмосферы, а потому с его
помощью получаются изображения высокого качества.
Свет, приходящий с небес, отражается от вогнутого главного зеркала
телескопа (диаметром 2,4 м) и попадает на меньшее по размеру зеркало, которое
затем фокусирует изображение через отверстие в центре главного зеркала.
Далее свет идет к различным приборам для регистрации видимого,
ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Развернутый с помощью космических
челноков НАСА, «Хаббл» имеет размер междугороднего автобуса. Он
получает питание от солнечных батарей, а для стабилизации его положения и
наведения на цель в космосе применяются гироскопы.
Многочисленные результаты, полученные на «Хаббле», привели к
крупным открытиям в астрофизике. С его помощью ученым удалось точно измерить
расстояния до переменных звезд цефеид, что позволило определить возраст
Вселенной гораздо точнее, чем раньше. «Хаббл» обнаружил протопланетные
диски, которые, видимо, являются зародышами новых планет; галактики в
разных стадиях эволюции; оптические двойники гамма-всплесков в
отдаленных галактиках. Он прояснил природу квазаров, позволил найти внесолнеч-
ные планеты, вращающиеся вокруг других звезд. На нем было обнаружено
существование темной энергии, которая, как сейчас представляется, заставила
Вселенную ускоренно расширяться. Анализ данных с «Хаббла» показал
наличие гигантских черных дыр в центрах галактик и позволил найти корреляции
масс этих черных дыр с другими свойствами галактик.
В 1946 г. американский астрофизик Лайман Спитцер-мл. обосновывал и
продвигал идею космической обсерватории. Мечты ученого сбылись еще при
его жизни.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.), Телескоп (1608), Небулярная гипотеза
(1796), Гироскоп (1852), Переменные звезды цефеиды и размеры Вселенной (1912), Закон
Хаббла о расширении Вселенной (1929), Квазары (1963), Гамма-всплеск (1967), Темная
энергия (1998).
Астронавты Стивен Л. Смит и Джон М. Грюнсфельд, заменяющие гироскопы внутри
космического телескопа «Хаббл». кажутся такими маленькими на его фоне!

'.I
* -ν
"*&■.
* »-'
".Λ
41
i
Ъ*Г
■^<- ч
fUC
r^'iV1* >~
IT 1
lit
f ■'' — - '- f
"^ ι Vf
ι _ — ,..
I-
■»λι ■*,
^r
*i
■» IJ
Τ * V.
"-V,\m,,-
ν
V

Гипотеза защиты хронологии
Стивен Уильям Хокинг (р. 1942)
Если возможно путешествие в прошлое, то как избежать различных
парадоксов (к примеру, вы отправляетесь в прошлое и убиваете свою бабушку,
тем самым прежде всего отменяя собственное рождение)? Известные законы
физики не запрещают путешествий в прошлое и могут быть осуществлены
при помощи гипотетических технологий с использованием «кротовых нор»
(кратчайших путей сквозь пространство и время) или сильных
гравитационных полей (см. статью «Путешествие во времени»). Но если путешествия
в прошлое возможны, то почему мы не знаем никаких свидетельств о таких
путешественниках? Писатель-фантаст Роберт Силверберг (в рассказе «Вверх
по линии». — Прим. пер.) ярко обрисовал потенциальную проблему, которую
могут создать путешествующие во времени: «Миллиарды туристов,
устремившихся в прошлое, наводнят Святую Землю, дабы стать свидетелями
Распятия, они хлынут в Турцию и Аравию, а затем - в Индию и Иран... Но
изначально при этом событии подобных масс людей не было... Наступит час,
когда мы целиком завладеем прошлым. Мы заполоним собою все наши "вчера" и
вытесним оттуда своих собственных предков».
Частично из-за того, что мы никогда не встречали туристов,
прибывших к нам из будущего, физик Стивен Хокинг
сформулировал гипотезу защиты хронологии, которая предполагает,
что законы физики препятствуют созданию машины времени,
особенно в макроскопическом масштабе. В наши дни
продолжаются дискуссии о смысле этой гипотезы и о том, верна она или
нет. Быть может, парадоксов удастся избежать из-за случайного
стечения обстоятельств, цепочки событий, которые помешают
вам убить собственную бабушку, если вы отправитесь в прошлое?
Или же путешествия в прошлое будут запрещены каким-то
фундаментальным законом природы, имеющим, например,
отношение к квантово-механическим аспектам гравитации?
И вероятно, что даже если путешествия во времени
возможны, наше прошлое останется прежним, ибо в тот самый момент,
когда некто отправится назад во времени, он тут же попадет в
параллельную вселенную. Изначальная вселенная остается не
потревоженной, а в новой уже будет все, что сотворит в ней
путешественник.
СМ. ТАКЖЕ Путешествие во времени (1949), Парадокс Ферми (1950), Параллельные
миры (1956), «Кротовая нора» как машина времени (1988), Стивен Хокинг в «Звездном
пути» (1993).
Стивен Хокинг сформулировал гипотезу защиты хронологии, которая предполагает,
что законы физики препятствуют созданию машины времени, особенно в
макроскопическом масштабе. Сегодня дискуссии о смысле этой гипотезы продолжаются.

Ъ °ο"
t
<5
·*ο *
'Ч
с^
\

Квантовая телепортация
Чарлз Беннет (р. 1943)
В сериале «Звездный путь», когда капитан должен ускользнуть из опасной
ситуации на какой-то планете, он командует инженеру на космическом
корабле: «Излучи-ка меня вверх!» Через секунду капитан исчезает с планеты и
появляется вновь на корабле. До недавнего времени телепортация вещества
была чистой фантастикой.
В 1993 г. компьютерщик Чарлз Беннет с коллегами предложил подход, в
котором квантовое состояние частицы может быть передано на расстояние при
помощи квантовой сцепленности (обсуждавшейся выше в статье «Парадокс
Эйнштейна—Подольского—Розена»). Если пара частиц (например, фотонов)
оказывается сцепленной, некоторые изменения с одной из них немедленно
отражаются на другой. При этом не играет роли, находятся ли эти частицы
на расстоянии сантиметров друг от друга или же разделены
межпланетными расстояниями. Беннет предложил метод сканирования и передачи части
информации о квантовом состоянии частицы ее отдаленному партнеру —
второй такой же частице. Ее состояние изменится в соответствии с полученной
информацией, и она окажется в состоянии первой частицы. А первая
частица перейдет при этом в какое-то другое состояние. Хотя мы лишь передали
на расстояние состояние первой частицы, можно считать, что она чудесным
образом перепрыгнула на новое место. Если две частицы одного вида имеют
одинаковые квантовые свойства, они неразличимы. В этом методе телепорта-
ции имеется стадия, когда информация посылается по обычному каналу связи
(например, по лазерному лучу). Поэтому такая телепортация не будет
происходить быстрее скорости света.
В 1997 г. ученые телепортировали фотон, а в 2009 г. телепортировали
состояние иона иттербия другому такому же иону, который находился на
расстоянии метра от первого. Квантовая телепортация человека или хотя бы вируса
выходит далеко за пределы наших сегодняшних возможностей.
Когда-нибудь квантовую телепортацию будут использовать для облегчения
дальнодействующей связи в квантовых компьютерах, выполняющих
некоторые виды задач, например как шифрование вычислений или поиск
информации, гораздо быстрее обычных компьютеров. Квантовые компьютеры могут
использовать q-биты, находящиеся в состоянии суперпозиции, подобно
монетке, которая одновременно ложится вверх и решкой, и орлом.
СМ. ТАКЖЕ Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (1935), Кот Шрёдингера (1935),
Теорема Белла (1964), Квантовые компьютеры (1981).
Физики уже телепортировали фотон, а также информацию между двумя отдельными
атомами (ионами иттербия), находившимися в не связанных между собой полостях.
А вдруг когда-нибудь, спустя столетия, ученые научатся телепортировать и людей?

\
►.I'

Стивен Хокинг в «Звездном пути»
Стивен Уильям Хокинг (р. 1942)
Согласно опросам, Стивен Хокинг считается «самым известным ученым»
начала XXI в., потому мы и посвящаем ему отдельную статью в этой книге.
Подобно Эйнштейну, Хокинг прочно вошел в массовую культуру, он появлялся
во многих телевизионных шоу, включая сериал «Звездный путь: следующее
поколение», где играет самого себя. Крупные ученые чрезвычайно редко
становятся иконой масскульта, поэтому заголовок настоящей статьи отражает
значимость Хокинга и в таком аспекте.
Стивеном Хокингом найдены многие закономерности, связанные с
черными дырами. Он определил, например, скорость испарения черной дыры
Шварцшильда массой М: она может быть записана как AM/at = -С/М2, где
С - постоянная, а ί - время. Другой закон Хокинга — о температуре черной
дыры: она обратно пропорциональна ее массе. Физик Ли Смолин пишет:
«Черная дыра с массой горы Эверест по размеру была бы не больше атомного ядра,
а ее температура была бы, как в центре звезды».
В 1974 г. Хокинг выяснил, что черные дыры должны термически
рождать и испускать субатомные частицы. Этот процесс известен как
излучение Хокинга. В том же году он был избран в лондонское Королевское
общество, став самым молодым его членом. Черные дыры, испускающие
излучение Хокинга, в конечном счете испаряются и исчезают. В период
1979-2009 гг. Хокинг был Лукасовским профессором математики
в Кембриджском университете. Этот пост некогда занимал Исаак
Ньютон.
Хокинг пришел к выводу, что Вселенная не имеет края или
границы в мнимом времени, откуда следует, что «начало Вселенной
полностью определялось законами физики ». В интервью немецкому
еженедельнику Der Spiegel от 17 октября 1988 г. он говорил:
«Возможно, начало Вселенной определяется научными законами..., и
потому, чтобы понять, как начался мир, совсем не обязательно
обращаться к Богу. Это не доказывает, что Бога нет, но лишь то, что Бог
не необходим».
СМ. ТАКЖЕ Ньютон как источник вдохновения (1687), Черные дыры (1783),
Эйнштейн как источник вдохновения (1921), Гипотеза защиты хронологии
(1992).
СЛЕВА: в «Звездном пути» Стивен Хокинг играет в покер с голографическими
образами Ньютона и Эйнштейна. СПРАВА: президент США Обама беседует с Хокингом
в Белом доме перед награждением Хокинга Президентской медалью Свободы (2009).
Хокинг почти полностью парализован из-за тяжелой болезни - бокового амиотрофиче-
ского склероза.

4
'

Конденсат Бозе-Эйнштейна
Шатьендранат Бозе (1894-1974), Альберт Эйнштейн (1879-1955),
Эрик Аллин Корнелл (р. 1961), Карл Эдвин Виман (р. 1951)
Агрегатное состояние холодного вещества, называемое конденсатом Бозе-
Эйнштейна (или бозе—эйнштейновским конденсатом — БЭК), проявляет
удивительные свойства: его атомы теряют индивидуальность и объединяются в
нечто целое. Чтобы понять природу БЭК, представим себе колонию муравьев,
состоящую из ста особей. Понижаем температуру до 170 миллиардных
Кельвина — это холоднее, чем в глубоком космосе. Каждый муравей
трансформируется в облачко, которое затягивает всю колонию. И каждое такое
муравьиное облачко перекрывается со всеми другими, так что колония превращается
в одно плотное облако. Отдельных насекомых больше нет. Но если повысить
температуру, муравьиные облачка разделятся, и мы снова увидим сотню
муравьев, спешащих по своим муравьиным делам как ни в чем не бывало, будто
ничего предосудительного с ними не случилось.
Конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние очень холодного газа бозонов,
частиц, которые имеют право занимать одинаковые квантовые состояния. При
низких температурах их волновые функции могут перекрываться, и даже на
макроскопических масштабах проявляются интересные квантовые эффекты.
Теоретически предсказанный физиками Шатьендранатом Бозе и Альбертом
Эйнштейном в 1925 г., БЭК был получен в лаборатории — физиками Эриком
Корнеллом и Карлом Виманом — только в 1995 г. Они использовали
охлажденный почти до абсолютного нуля газ из атомов рубидия-87 (являющихся
бозонами). Соотношение неопределенности Гейзенберга говорит, что при
уменьшении скорости атомов их положение становится неопределенным, а
потому они конденсируются в один гигантский «суператом», ведущий себя как
единое целое — своего рода квантовый ледяной куб. В отличие от
настоящего льда БЭК очень хрупок и легко разрушается, превращаясь в обычный газ.
Несмотря на это, бозе-эйнштейновский конденсат все больше и больше
исследуется в различных областях физики, включая квантовую теорию,
сверхпроводимость, замедление световых импульсов и даже моделирование черных
Дыр.
Чтобы замедлить атомы и поймать их в ловушку, ученые получают
ультранизкие температуры, используя лазеры и магнитные поля. Лазерный пучок
может оказывать давление на атомы, замедляя их и тем самым охлаждая.
СМ. ТАКЖЕ Соотношения неопределенностей Гейзенберга (1927), Сверхтекучесть (1937),
Лазер (1960).
В выпуске журнала Science от 14 июля 1995 г. ученые из Объединенного института
лабораторной астрофизики (JILA) сообщили о создании бозе-эйнштейновского
конденсата. На графиках показаны успешные превращения в конденсат (синие пики). JILA
относится к Национальному институту стандартов и технологии и к Университету
шт. Колорадо в г. Баулдер (США).

f
• > :
-w,
■·■!
Ч
Г/
,,'Лг
I
1
/
?
vv
45
,♦» *

Темная энергия
♦Странная вещь случилась со Вселенной около пяти миллиардов лет назад, —
пишет научный журналист Деннис Овербай. — Расширение космоса
ускорилось, и галактики стали разбегаться друг от друга еще быстрее, словно Бог
включил антигравитационную машину». Вероятно, причина тому — темная
энергия, форма энергии, пронизывающая все пространство и заставляющая
Вселенную расширяться с все возрастающей скоростью. Темной энергии
столько, что на нее приходится около трех четвертей полной массы—энергии
Вселенной. Как заметили астрофизик Нил де Грасс Тайсон и астроном
Дональд Голдсмит, «если бы космологи сумели объяснить, откуда берется
темная энергия... они могли бы объявить всем, что раскрыли фундаментальный
секрет Вселенной».
Свидетельства о существовании темной энергии появились в 1998 г. во
время астрофизических наблюдений некоторых далеких сверхновых
(взрывающихся звезд), которые бегут от нас в ускоренном темпе. В том же году
американский космолог Майкл Тернер придумал термин темная энергия.
Если бы ускоренное расширение Вселенной продолжалось, галактики вне
нашего локального галактического суперкластера уже не были бы видны,
потому что скорость их удаления превысила бы скорость света. В некоторых
сценариях темная энергия в конечном итоге уничтожает Вселенную в
космологическом Большом разрыве, когда все вещество (в разных видах — от атомов до
планет) будет разодрано. Однако даже без Большого разрыва Вселенная может
стать пустой (см. статью «Космическая изоляция»). Тайсон пишет: «Темная
энергия... в конце концов подорвет возможность последующих поколений
понять свою Вселенную. Если только современные астрофизики по всей
галактике не сохранят замечательные записи, ...будущие астрофизики ничего не
узнают о внешних галактиках... Темная энергия не позволит им прочесть целые
главы книги о Вселенной. А нам сейчас тоже не хватает знаний о некоторых
частях Вселенной, о той, какой она была раньше. Таким образом, нам только и
остается, что искать ответы, а вот найдем ли мы их? Может, никогда...».
СМ. ТАКЖЕ Закон Хаббла о расширении Вселенной (1929), Темная материя (1933),
Реликтовое излучение (1965), Космическая инфляция (1980), Космологический Большой
разрыв (через 36 млрд), Космическая изоляция (через 100 млрд).
Космическая обсерватория SNAP (Supernova Acceleration Probe) - совместный проект
НАСА и министерства энергетики США, - предназначена для измерения темпа
расширения Вселенной и для изучения природы темной энергии.

\

Браны Рэндалл-Сандрама
Лиза Рэндалл (р. 1962), Раман Сандрам (р. 1964)
Теория бран Рэндалл-Сандрама (AS) пытается решить проблему иерархии
взаимодействий, т. е. ответить на вопрос, почему гравитационные
взаимодействия настолько слабее прочих фундаментальных взаимодействий -
электромагнитных, сильных и слабых. И хотя силы тяготения кажутся могучими,
вспомним, что электростатические силы, действующие на натертый
воздушный шарик, достаточны, чтобы удержать его на стене и преодолеть
притяжение целой планеты. Согласно .RS-теории, гравитация слаба, потому что
сконцентрирована в другом измерении.
Статья физиков Лизы Рэндалл и Рамана Сандрама об иерархии больших
масс и дополнительном измерении была опубликована в 1999 г.
Свидетельством вызванного ею интереса в научном сообществе является тот факт, что в
следующее пятилетие доктор Рэндалл была самым цитируемым
физиком-теоретиком в мире. Рэндалл стала первой женщиной, получившей бессрочный
контракт на физическом факультете Принстонского университета.
Чтобы понять суть .RS-теории, представим себе наш обычный мир с его
тремя пространственными измерениями и одним временным как огромную
занавеску для душа, которую физики называют браной (от слова «мембрана»,
которое зарезервировано для двумерных поверхностей. - Прим. пер.). Мы с вами,
подобно водяным каплям, живем на «занавеске», не подозревая, что
неподалеку в ином пространственном измерении находится другая брана. Именно на
этой скрытой бране в основном и располагаются гравитоны - элементарные
частицы, ответственные за гравитацию. Другие виды частиц стандартной
модели - электроны и протоны - находятся на видимой бране, где разместилась
наша Вселенная. Гравитация на самом деле столь же сильна, как и остальные
взаимодействия, но она «разбавляется», когда «просачивается» в нашу
видимую брану. Фотоны, которые мы воспринимаем глазом, принадлежат
видимой бране, и потому скрытую брану мы видеть не можем.
До сих пор никто еще не обнаружил гравитон. Однако, возможно,
эксперименты на ускорителях с частицами высоких энергий позволят ученым
открыть гравитон и, кто знает, получить свидетельства существования дополни
тельных измерений.
СМ. ТАКЖЕ Общая теория относительности (1915), Теория струн (1919), Темная
материя (1933), Параллельные миры (1956), Стандартная модель (1961), Теория всего (1984),
Большой адронный коллайдер (2009).
АТЛАС - детектор частиц Большого адронного коллайдера - используется для поиска
данных, относящихся к происхождению массы и доказывающих существование
дополнительных измерений.

г'
*
.а
i" Ik
'ί
ί1
:-t
τ
:
/\
■1ч
• ■ 1 ι
41
- 1- ' ν
Γ' ι -
1
Ί . '**.
1 1
*ε·>Κ
Κ',
. *
■ У. ·
\*
ч·
V
*
Ι
■·\
*
;,ч
w ii *

Наибольшая скорость смерча
Джошуа Майкл Аарон Райдер Вурман (р. 1960)
Вымышленное путешествие Дороти, героини сказки Л. Ф. Баума, в
Волшебную Страну Оз не является чистой фантастикой. Смерчи (или торнадо) - одна
из самых разрушительных природных стихий. Когда американские
первопоселенцы продвинулись к Центральным равнинам и впервые встретились
со смерчами, ходили разговоры о бизонах, унесенных вихрем. Относительно
малое давление внутри вращающегося вихря приводит к охлаждению и
конденсации водяного пара, из-за чего воронка становится видимой.
3 мая 1999 г. ученые зарегистрировали самый быстрый смерч, в котором
скорость ветра около земли достигала 512 км/ч. Команда метеорологов во
главе с Джошуа Вурманом следила за развивающейся грозовой суперячейкой -
грозовым облаком, сопровождаемым вращающимся восходящим воздушным
потоком (мезоциклоном) на высоте нескольких километров. С помощью
смонтированного на грузовике радара, использующего эффект Доплера, Вурман
посылал микроволновые импульсы в сторону грозы над Оклахомой. Волны,
отраженные от капель дождя и других частиц в атмосфере, изменяли свою
частоту, что позволило ученым точно измерить скорость ветра на высоте
примерно 30 м над землей.
При грозах обычно возникают восходящие потоки воздуха. Ученые
продолжают искать ответ на вопрос, почему эти потоки в одних случаях
закручиваются в вихри, а в других — нет. На поднимающиеся воздушные массы
действуют ветры, дующие с другого направления. В образующейся воронке смерча
появляется область пониженного давления, куда устремляются воздух и пыль.
Хотя воздух в смерче поднимается вверх, его воронка образуется из
грозового облака и растет вниз к земле по мере формирования смерча. Большинство
смерчей наблюдается в Аллее торнадо в центре США (между Скалистыми
горами и горной системой Аппалачи в штатах Техас, Канзас и Оклахома. — Прим.
пер.). Смерчи могут зарождаться, когда теплый воздух вблизи поверхности
земли попадает в ловушку, образованную холодным атмосферным воздухом
на высоте. Более тяжелый холодный воздух окружает теплую область,
которая быстро поднимается. Торнадо иногда возникают, когда теплый влажный
воздух из Мексиканского залива сталкивается с холодным сухим воздухом со
Скалистых гор.
СМ. ТАКЖЕ Барометр (1643), Блуждающие волны (1826), Эффект Доплера (1842),
Погодный закон Бёйса-Баллота (1857).
Торнадо, наблюдавшийся 3 мая 1999 г. группой VORTEX-99 в центральной Оклахоме.

Проект HAARP
Оливер Хевисайд (1850-1925), Артур Эдвин Кеннелли (1861-1939),
Гульельмо Маркони (1874-1937)
Если верить апологетам теории заговора, то комплекс исследования
ионосферы и полярных сияний с помощью высокочастотного воздействия (HAARP)
является совершенно секретной противоракетной системой,
разрушительным средством воздействия на погоду и на системы связи в мировом
масштабе, или устройством, способным управлять рассудком миллионов людей.
Правда о HAARP не столь пугающая, но она не становится от этого менее
захватывающей .
HAARP - экспериментальный проект, финансируемый частично ВВС,
ВМФ и Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским
разработкам (DARPA) США. Его задача - способствовать изучению
ионосферы, одного из внешних слоев атмосферы. Массив из 180 антенн,
расположенных на Аляске на участке площадью 4000 м2, полностью вошел в строй в
2007 г. Комплекс HAARP использует высокочастотные передатчики, которые
излучают радиоволны мощностью 3,6 млн ватт в ионосферу (она начинается
на высоте около 80 км над землей). Эффекты нагревания ионосферы
изучаются затем на земле с помощью чувствительной аппаратуры HAARP.
Процессы, происходящие в ионосфере, влияют на гражданские и военные
системы связи. В этой части атмосферы солнечный свет рождает заряженные
частицы (см. статью «Плазма»). Аляска выбрана для размещения комплекса
HAARP еще и потому, что она предоставляет для изучения широкий выбор
условий в ионосфере, включая северное полярное сияние. Ученые могут
настроить посылаемый HAARP сигнал так, чтобы возбудить протекание токов
в нижних слоях ионосферы, которые посылают низкочастотные волны назад
на Землю. Эти волны проникают глубоко в океан и могут использоваться ВМФ
для управления подводными лодками независимо от глубины их погружения.
В 1902 г. Гульельмо Маркони организовал трансатлантическую
радиосвязь - весь мир тогда был потрясен: оказалось, радиоволны могут огибать
земной шар. В 1902 г. инженеры Оливер Хевисайд и Артур Кеннелли
независимо друг от друга предположили, что в верхней части атмосферы существует
проводящий слой, способный отражать радиоволны назад на Землю. В наши
дни ионосфера способствует дальней радиосвязи, однако воздействие на нее
солнечных вспышек может привести к глушению сигнала.
СМ. ТАКЖЕ Северное полярное сияние (1621), Плазма (1879), Зеленый луч (1882),
Электромагнитный импульс (1962).
СЛЕВА: высокочастотные антенны HAARP. СПРАВА: результаты работ,
проводимых в рамках HAARP, могут улучшить качество связи с подводными лодками,
плывущими в глубинах океана.

*й*
— - V, *.щ_
•.--;·ι· *.

Чернейшая чернота
Все созданные руками человека материалы - даже асфальт и древесный
уголь — отражают какое-то количество света. Но это не мешало фантастам
мечтать об абсолютно черном веществе, которое поглощало бы все цвета
светового спектра и ничего бы не отражало. В 2008 г. стали появляться
сообщения о группе американских ученых, которые создали «чернейшую черноту»,
суперчерноту - * наичернейший» материал, когда-либо известный науке.
Этот экзотический материал был получен из углеродных нанотрубок,
которые напоминают свернутые в цилиндры пластиночки углерода толщиной в
один атом. Теоретически абсолютно черный материал должен поглощать свет
любой длины волны, падающий на него под любыми углами.
Ученые из Политехнического института Ренсселера и университета
Раиса изготовили и исследовали микроскопическое покрытие из таких
нанотрубок. В определенном смысле мы можем считать, что «шероховатости» этого
покрытия были устроены так, чтобы минимизировать отражение света.
Черный защитный слой из крошечных нанотрубок отражает лишь 0,045% всего
падающего на него света. Этот черный материал более чем в сто раз чернее
самой черной краски! Такая «абсолютная чернота» может быть использована
когда-нибудь для невероятно эффективного улавливания солнечной энергии
или для создания сверхчувствительных оптических инструментов. Чтобы
уменьшить отражение света от суперчерного материала, ученые сделали его
поверхность беспорядочно неровной и шероховатой. Значительная часть
света «захватывается» в крошечных щелях между неплотно упакованными
прядями покрытия.
Первые исследования суперчерного материала проводились с видимым
светом. Однако интересны и материалы, которые задерживают или сильно
поглощают электромагнитное излучение других длин волн — они могут
когда-нибудь найти применение для защиты военных объектов от обнаружения.
Поиски технологии производства чернейшей черноты продолжаются.
В 2009 г. исследователи из Лейденского университета продемонстрировали
тонкий слой нитрида ниобия (NbN), являющийся ультра-абсорбентом: при
некоторых углах падения он поглощает почти 100% света. В том же 2009 г.
японские ученые сообщили о материале из углеродных нанотрубок, который
поглощал почти каждый фотон в широком диапазоне длин волн.
СМ. ТАКЖЕ Спектр электромагнитного излучения (1864), Метаматериалы (1967),
Фуллерены (1985).
В 2008 г. ученые создали самый темный материал из всех известных на тот момент.
Покрытие из углеродных нанотрубок более чем в 100 раз темнее краски на черном
спортивном автомобиле. Поиски чернейшей черноты продолжаются.

Большой адронный коллайдер
Британская газета Gardian пишет: «В погоне за невообразимым физика
частиц стала невероятной. Чтобы выявить мельчайшие фрагменты Вселенной,
надо построить самую большую установку в мире. Чтобы воспроизвести
первые миллионные доли секунды после рождения Вселенной, нужно
сосредоточить энергию в непредставимо малом пространстве». Популяризатор
науки Билл Брайсон пишет: «В физике частиц секреты Вселенной разгадыва-
ются очень просто — ученые заставляют частицы сталкиваться и наблюдают,
что при этом вылетает. Это похоже на то, как если бы мы выстрелили друг
в друга швейцарскими часами и потом пытались понять, как они работают,
изучая осколки ».
Большой адронный коллайдер (LHC), построенный Европейской
организацией ядерных исследований (ЦЕРН, Женева), — самый большой в мире
ускоритель частиц, на котором они разгоняются до самых высоких в мире энергий.
Он спроектирован для встречных столкновений между пучками протонов
(относящихся к классу адронов - частиц, участвующих в сильных ядерных
взаимодействиях). Под действием мощных электромагнитов протоны вращаются
по кольцу LHC внутри вакуумного канала, увеличивая свою энергию с
каждым оборотом. В магнитах используется явление сверхпроводимости, и при
их эксплуатации применяется большая система охлаждения жидким гелием.
В сверхпроводящем состоянии электрическое сопротивление проводов и
сочленений очень мало.
Кольцо LHC расположено в туннеле длиной 27 км под границей между
Францией и Швейцарией. Ускоритель строился с целью обнаружить и изучить
свойства бозона Хиггса (называемого также «Частицей Бога»). Благодаря
взаимодействию с этой гипотетической частицей другие частицы приобретают
свои массы. На LHC также могут быть открыты частицы, предсказываемые
суперсимметрией, - более тяжелые партнеры обычных частиц (например,
сэлектроны — суперсимметричные партнеры электронов). Кроме того, с
помощью LHC ученые надеются найти свидетельства существования дополни
тельных пространственных измерений помимо известных нам трех обычных
При столкновении двух пучков в LHC воспроизводятся некоторые условия,
существовавшие, по всей видимости, сразу после Большого взрыва. Группы
физиков анализируют продукты столкновения пучков, используя специально
разработанные детекторы. В 2009 г. на LHC были зарегистрированы первые
протон-протонные столкновения.
СМ. ТАКЖЕ Сверхпроводимость (1911), Теория струн (1919), Циклотрон (1929),
Стандартная модель (1961), Бозон Хиггса (1964), Суперсимметрия (1971), Браны
Рэндалл-Сандрама (1999).
Монтаж калориметра АТЛАС на LHC. Видны восемь тороидных магнитов,
окружающих калориметр, позже они были перемещены в середину детектора. Этот
калориметр измеряет энергии частиц, рожденных в столкновениях протонных пучков
в центре детектора.

С ->
л
"-Л
I-
«I
I.
•
. ч
ч
V
J _
fer
--
Ч7«
«

to
ч
о
Я
о
Ч
Космологический Большой разрыв
Роберт Р. Колдуэлл (р. 1965)
Конец нашего мира зависит от многих факторов, и среди них — степень
влияния темной энергии на расширение Вселенной. Один из возможных
сценариев такой: ускорение будет продолжаться в том же темпе, подобно тому,
как автомобиль проходит каждый следующий километр пути со скоростью
на 1 км/ч больше, чем скорость на предыдущем километровом отрезке. Все
галактики в конечном итоге будут разбегаться друг от друга со скоростью,
которая может превысить скорость света, так что каждая галактика
останется одна в темной Вселенной (см. статью «Космическая изоляция»). Далее
погаснут все звезды — будто свечи, медленно догорающие на именинном торте.
Однако в других сценариях эти «свечи» просто разлетятся на части, когда
темная энергия разрушит в конце концов Вселенную в Большом разрыве,
который раздерет все вещество от субатомных частиц до планет и звезд. Однако
если бы порождаемый темной энергией эффект отталкивания был каким-то
образом «выключен», то в космосе победила бы гравитация и Вселенная скол-
лапсировала бы в Большом сжатии.
Физик Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа (США) и его
коллеги впервые опубликовали гипотезу Большого разрыва в 2003 г. В этой
работе предполагалось, что Вселенная расширяется в нарастающем темпе.
Одновременно размер наблюдаемой части Вселенной сокращается и, в результате,
достигает субатомных масштабов. Хотя точная дата этой трагической гибели
мира остается неопределенной, в одном из примеров из работы Колдуэлла
говорится о конце Вселенной примерно через 22 млрд лет, считая с
сегодняшнего дня.
Если Большой разрыв действительно произойдет, то примерно за 60 млн
лет до него гравитация так ослабнет, что не сможет удерживать вместе
отдельные галактики. Примерно за три месяца до финала силы тяготения перестанут
действовать и в нашей Солнечной системе. Земля взорвется за 30 минут до
конца. Атом будет разодран за 10"19 с до всеобщего конца. И, наконец, Большой
разрыв преодолеет ядерные силы, которые связывают кварки в нейтронах и
протонах.
Заметим, что в 1917 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею
антигравитационного отталкивания в форме космологического постоянной, добавив ее в
уравнения тяготения, чтобы обеспечить существование статических, не
зависящих от времени решений.
СМ. ТАКЖЕ Большой взрыв (13,7 млрд до н. э.). Закон космического расширения
Хаббла (1929), Космическая инфляция (1980), Темная энергия (1998), Космическая
изоляция (через 100 млрд).
Во время Большого разрыва планеты, звезды и все вещество будут разодраны на части.
506

?
>л
>'.-■'
V ■>
ч

to
Η
η
Я
η
Η
Космическая изоляция
Клайв Стейплз Льюис (1898-1963), Геррит Л. Версхур (р. 1937),
Лоуренс Максвелл Краусс (р. 1954)
Шансы, что какая-нибудь внеземная цивилизация вступит в физический
контакт с нами, вероятно, чрезвычайно малы. Астроном Геррит Версхур
считает, что если внеземные цивилизации пребывают, подобно нашей, в состоянии
младенчества, то в пределах видимой Вселенной в данный момент их не
больше 10 или 20, и разделяют их расстояния порядка 2000 световых лет. «В
сущности, мы одиноки в нашей Галактике», - говорит Версхур. Между прочим,
К. С. Льюис, англиканский богослов (и писатель, автор «Хроник Нарнии». —
Прим. пер.) предположил, что большие расстояния, разделяющие разумную
жизнь во Вселенной, - форма божественного карантина, «препятствующего
распространению духовной инфекции от падших видов».
Контакт с другими галактиками в будущем может еще более осложниться.
Даже если не произойдет космологического Большого разрыва, расширение
нашей Вселенной отодвинет галактики друг от друга быстрее скорости света,
делая их невидимыми для нас. Наши потомки обнаружат, что живут в
скоплении звезд, образованном гравитационным притяжением ближних галактик,
объединенных в одну супергалактику. Это скопление будет располагаться в
бесконечном и на вид статичном мраке. Небо не станет полностью темным,
потому что звезды в супергалактике будут видны, но телескопы, заглядывающие
за ее пределы, не увидят ничего. Физики Лоуренс Краусс и Роберт Шеррер
пишут, что через 100 млрд лет Земля окажется в «одиночном плавании » через
супергалактику — «звездный островок посреди бескрайней пустоты». В конечно
итоге, превратившись в черную дыру, исчезнет и сама супергалактика.
Пока что нам никак не удается встретить инопланетян. Возможно, это
объясняется тем, что жизнь в космосе — явление очень редкое, а межзвездные
перелеты очень трудны. Есть и другое объяснение: нас окружают множество
следов инопланетного разума, но мы их просто не распознаем. В 1973 г.
радиоастроном Джон Болл предложил гипотезу зоопарка. Он писал: «Идеальный
зоопарк (или заповедник, где сохраняется дикая природа) — это место, где
представители фауны не взаимодействуют с его смотрителями и не подозревают об
их существовании».
СМ. ТАКЖЕ Галактика Черный Глаз (1779), Черные дыры, (1783), Темная материя
(1933), Парадокс Ферми (1950), Темная энергия (1998), Космологический Большой
разрыв (через 36 млрд), Увядание Вселенной (через 100 трлн).
На этом изображении, полученном на телескопе «Хаббл». прекрасно видна пара
сталкивающихся галактик Antennae («Антенны»). Наши потомки однажды могут
обнаружить, что живут в сгустке звезд одной супергалактики, образованной, благодаря
гравитации, из нескольких близлежащих галактик.
508

о
ο
4
Увядание Вселенной
Фред Адаме (р. 1961), Стивен Уильям Хокинг (р. 1942)
Поэт Роберт Фрост писал: «Одни говорят: мир погибнет в огне // Другие - в
ледовой могиле». Окончательная судьба нашей Вселенной зависит от ее
геометрической формы, поведения темной энергии, количества вещества и
других факторов. Астрофизики Фред Адаме и Грегори Логлин полагают, что
однажды звезды, галактики и даже черные дыры исчезнут и наш, ранее
наполненный звездами, космос превратится в огромный океан субатомных частиц.
В одном из сценариев смерть Вселенной развертывается в нескольких актах.
В нашу эпоху астрофизическими процессами движет энергия, генерируемая в
звездах. Вселенной уже 13,7 млрд лет, но большинство звезд только-только
начали светиться. Увы, все звезды умрут через 100 трлн лет, а формирование
новых остановится, потому что в галактиках будет исчерпан газ — сырье, из
которого они рождаются. И тогда закончится многозвездная эра.
Во время второй эры Вселенная продолжит расширяться, а запасы энергии
и число галактик будут сокращаться, как и сгустки вещества в центрах
галактик. Начнут преобладать коричневые карлики — объекты, которым не хватило
массы, чтобы вспыхнуть, как звезды. В этот период силы тяготения сблизят
выгоревшие остатки мертвых звезд, и возникнут сверхплотные образования
вроде белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. В конечном итоге и
они все разрушатся вследствие распада протонов.
Третья эра — эпоха черных дыр. Гравитация превратит целые
галактики в невидимые сверхмассивные черные дыры. Благодаря излучению
энергии (испарению черной дыры), описанному астрофизиком Стивеном Хокин-
гом в 1970-х гг., черные дыры когда-нибудь потеряют свои огромные массы.
Черная дыра с массой большой галактики полностью испарится примерно за
1098-10100лет.
Что же останется, когда закончится и третья эра? Что наполнит
космическую пустоту? Смогут ли выжить какие-либо существа? Конечным состоянием
нашей Вселенной может оказаться простирающееся всюду море электронов.
СМ. ТАКЖЕ Черные дыры (1783), Стивен Хокинг в «Звездном пути» (1993), Темная
энергия (1998), Космологический Большой разрыв (через 36 млрд).
Художественное изображение открытых в 2006 г. коричневых карликов, связанных
гравитационными силами.
510

о
Я
о
Η
is
Квантовое воскрешение
Людвиг Эдуард Больцман (1844-1906)
О
Итак, судьба Вселенной неизвестна. Некоторые теории постулируют
непрерывное рождение вселенных, постоянно «вырастающих» из нашей. Давайте
на ней, на нашей Вселенной, и сосредоточимся. Одна из возможностей
состоит в том, что она будет расширяться вечно, при этом расстояния между
частицами будут расти. Такой конец представляется печальным, не так ли? Однако
даже в пустой Вселенной, говорит квантовая механика, должны
существовать случайные флуктуации. Частицы будут выпрыгивать из вакуума, будто
ниоткуда. Обычно такие явления не часты, и большие флуктуации случаются
редко. Но частицы все же будут возникать, и спустя достаточно длительное
время обязано появиться нечто крупное - например, атом водорода или даже
небольшая молекула вроде этилена Н2С = СН2. На первый взгляд ничего
особенного, но если у нас впереди бесконечность, мы можем и подождать, и кто
знает, что мы увидим — почти все способно появиться на свет! Большая часть
окажется бесформенной грязью и экскрементами, но время от времени будет
рождаться ничтожное число чего-то стоящего - к примеру, муравьи,
планеты, люди или мозги из золота размером с планету Юпитер. Если верить
физику Кэтрин Фриз, то и вы вновь придете в этот мир. Квантовое воскрешение
ожидает нас всех. Так возрадуйтесь!
В наши дни некоторые ученые полагают, что наша Вселенная может быть
заполнена болъцмановским разумом (мозгом) — свободно плавающими в
пространстве мозгами. Конечно, появление больцмановского мозга -
чрезвычайно маловероятное событие, и вряд ли он появился за 13,7 млрд лет
существования нашей Вселенной. Согласно одной из оценок физика Тома Бэнкса, веро-
аятность тепловой флуктуации, приводящей к появлению мозга, равна числу е
(примерно 2,7), возведенному в степень -1025. Однако если бесконечно
большое пространство будет существовать бесконечно долго, есть шанс, что эти
жуткие мыслящие объекты возникнут.
Сегодня число статей о последствиях появления больцмановского мозга
непрерывно растет. А началось все в 2002 г., с публикации Лизы Дайсон, Мэтью
ЧКлебана и Леонарда Сасскинда. В ней утверждалось, что мыслящий объект
скорее может возникнуть в результате
тепловых флуктуации, чем как продукт
космологии и эволюции.
СМ. ТАКЖЕ Эффект Казимира (1948), Квантовое
бессмертие (1987).
Больцмановский мозг, или разум, возникший
в результате тепловой флуктуации, может
однажды завладеть нашей Вселенной, превзойдя
в количественном отношении суммарный
интеллект всей разумной жизни, возникшей до него
в результате естественной эволюции.

x-_
■'.- ■■·>'
··. ·
•
к.
- ..' ·». .

Примечания и список
дополнительной литературы
Я составил этот список, чтобы указать материалы, которые я использовал в работе над
книгой. Известно, сайты в Интернете приходят и уходят. Иногда они меняют адреса или
полностью исчезают. Приведенные здесь сетевые адреса были источником ценной
информации на тот момент, когда писалась эта книга.
Если вы полагаете, что я просмотрел интересный или поворотный момент в физике,
дайте мне знать, пожалуйста. Зайдите на мой сайт pickover.com и отправьте мне письмо
по электронной почте с объяснением того или иного открытия и его влияния на развитие
физики. Возможно, последующие издания книги будут содержать больше замечательных
подробностей, включая сюжеты об экзопланетах, спутниках на геосинхронных орбитах,
каустиках, термометрах, эффектах Зеемана и Штарка, волновом уравнении д u/dt =c V~w
(которое изучали Жан Лерон Д'Аламбер, Леонард Эйлер и др.), матричной механике,
открытии мезона (частицы, состоящей из кварка и антикварка), лэмбовском сдвиге, первой
теореме Нётер и уравнении теплопроводности ди I dt = aV и .
Общеобразовательная литература
Baker, J. 50 Physics Ideas You Really Need to
Know. London: Quercus, 2007.
Tallack, P., ed. The Science Book. London: Wei-
denfeld & Nicolson, 2001.
Trefil, J. The Nature of Science. NY: Houghton
Miffl in, 2003.
Nave, R. Hyperphysics. tinyurl.com/lq5r.
Wikipedia Encyclopedia, www.wikipedia.org.
Книги К. Пиковера
В разных статьях * Великой физики» я часто
использовал собственные книги, чтобы дать
дополнительную информацию, но в целях
экономии места не ссылался на них в списке
примечаний, приведенном ниже. Как сказано в
разделе «Благодарности», книга *От Архимеда до
Хокинга* содержит много сведений,
дополняющих статьи о законах физики, так что
читатель может обратиться к ней за более полным
изложением.
Pickover, С. Black Holes: A Traveler's Guide,
Hoboken, NJ: Wiley, 1996.
Pickover, C. The Science of Aliens. NY: Basic
Books, 1998.
Pickover, С Time: A Traveler's Guide. NY: Oxford
University Press, 1998.
Pickover, C. Surfing Through Hyperspace. NY:
Oxford University Press, 1999.
Pickover, С The Stars of Heaven. NY: Oxford
University Press, 2001.
Pickover, C. From Archimedes to Hawking. NY:
Oxford University Press, 2008.
Pickover, С The Math Book. NY: Sterling, 2009.
Введение
American Physical Society, tinyurl.com/
ycmemtm.
Simmons, J. Doctors and Discoveries. Boston,
MA: Houghton Mifflin, 2002.
13,7 млрд лет до н. э., Большой взрыв
Chown, M. The Magic Furnace. NY: Oxford
University Press, 2001.
NASA, tinyurl.com/ycuyjj8.
Hawking, S. A Brief History of Time. NY: Bantam
Books, 1988.
[Прим. перев.1 Впервые модель
расширяющейся Вселенной предложил еще в 1922 г.
российский и советский математик и физик Александр
Фридман (1888-1925). Работа, присланная из
Петрограда и опубликованная в самом важном
физическом журнале того времени, немецком
Zeit fur Physik, привлекла внимание и вызвала
возражения Эйнштейна, который позже
признал правоту Фридмана.
«Александр Александрович Фридман», http://
tinyurl.com/a9loz9w «Вселенная Фридмана»,
http: //tinyurl .com/b4bpg6z
Здесь и далее в квадратных скобках —
примечания переводчика.
514 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Фридман А. А. Избранные труды. - Μ.: Наука,
1966. - С. 229-322, http://tinyurl.com/b6x27yx]
Черные алмазы, 3 млрд лет до н. э.
Гипотезы о происхождении черных алмазов
многочисленны и противоречивы.
Garail, J., et al. Astrophysical J. 653: L153; 2006.'
Tyson, P., tinyurl.com/3jbk8.
[«Карбонадо», http://tinyurl.com/bzpym4a]
Атлатль, 30 000 лет до н. э.
Elpel, Т., tinyurl.com/ydyjhsb.
[«Копьеметалка», http://tinyurl.com/aluo29r
В Youtube можно найти множество
видеороликов, демонстрирующих применение копьеметал-
ки (атлатля). Например, http://www.youtube.
com/watch?v=EYas53pGGKg или http://www.
youtube.com/watch?v=BkK2vEZ5bTk]
Стропила, 2500 г. до н. э.
Moffett, Μ., Fazio, M., Wodehouse, L. A World
History of Architecture. London: Lawrence
King Publishing, 2003.
Компас ольмеков, 1000 г. до н. э.
Carlson, J. Science, 189: 753; 1975.
[С позиций физики магнитный полюс,
расположенный под льдами канадской Арктики,
должен считаться «южным», поскольку он
притягивает северный полюс стрелки компаса.
Как сообщалось в печати, при испытаниях оль-
мекский брусок отклоняется на 35,5 градусов к
западу от направления на север. Некоторые
исследователи считают этот артефакт не
целенаправленно изготовленным компасом, а
элементом декоративного орнамента.
«Сенсация на пустом месте», http://sv-rasseniya.
narod.ru/booki/mexico/29.html]
Арбалет, 341 г. до н. э.
Gedgaud, J., tinyurl.com/y989tq8.
Wilson, Т., tinyurl.com/lcc6mw.
Багдадская батарейка, 250 г. до н. э.
ВВС, tinyurl.com/6oal.
Архимедов винт, 250 г. до н. э.
Hasan, H. Archimedes. NY: Rosen Publishing
Group, 2006.
Rorres, C, tinyurl.com/yfe6hlg.
Эратосфен измеряет Землю, 240 г. до н. э.
Hubbard, D. How to Measure Anything. Hoboken,
NJ, 2007.
[Алгоритм нахождения простых чисел
называется теперь решетом Эратосфена, http://
tinyurl.com/yjhemon].
Блок, 230 г. до н. э.
Haven, К. 100 Greatest Science Inventions of
All Time. Westport, CT: Libraries Unlimited,
2005.
Механизм с острова Антикнтер, 125 г. до н. э.
Merchant, J., tinyurl.com/ca8ory.
[«Антикитерский механизм», http://tinyurl.
com/yag2kn]
Реактивный двигатель Герона, 50 г. н. э.
Quart. J. Sci., tinyurl.com/yamqwjc.
Огни Святого Эльма, 78 г. н. э.
Callahan, P. Tuning in to Nature. London: Rout-
ledge and Kegan Paul, 1977.
[В отличие от моряков физики называют это
явление «коронным разрядом». В начале статьи
автор цитирует письмо Дарвина к своему
учителю проф. Джону Хенслоу (1796-1861) . Более
подробное и впечатляющее описание Дарвин
оставил в знаменитой книге «Путешествие
натуралиста вокруг света на корабле "Бигль"»
(запись от 5 июля 1832 г., http://www.bibliotekar.
ru/darvin/6.htm ): «В другую ночь мы оказались
свидетелями великолепной картины
естественного фейерверка: на верхушке мачты и концах
рей сверкали огни Святого Эльма, а форма
флюгера обозначалась так, словно он был натерт
фосфором. Море так сильно светилось, что
пингвины, плавая, оставляли за собой огненные следы,
а мрак небес на короткие мгновения разрывался
яркими вспышками молний».]
Пушка, 1132 г.
Bernal, J. Science in History. Cambridge, MA:
MIT Press, 1971.
Kelly, J. Gunpowder. NY: Basic Books, 2004.
Вечный двигатель, 1150 г.
[На самом деле мысленный эксперимент, о
котором пойдет речь ниже, еще в 1912 г. был
проанализирован польским физиком Марианом
Смолуховским (1872-1917), одним из
создателей теории броуновского движения. Через
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 515

полвека Ричард Фейнман обсуждал его в своих
знаменитых лекциях. Поэтому принято
называть это воображаемое устройство «Броуновской
трещоткой» или «Трещоткой Смолуховского-
Фейнмана».
М. v. Smoluchovski. Phys. ZS, 13, 1069-1079,
1912. Перевод см. в сборнике статей:
Эйнштейн Α., Смолуховский М. Броуновское
движение. - М.: ОНТИ, 1936. Мысленный
эксперимент с храповичком обсуждается в §§ 20-21
статьи Смолуховского «Доступные наблюдению
молекулярные явления, противоречащие
обычной термодинамике», с. 192- 195.
Немец М. «Мариан Смолуховский -
всесторонняя личность//Квант. 2012. № 3. http://
elementy.ru/lib/431741 ]
Требушет, 1200 г.
[Епископ Иоанн подробно описывает в
«Сказании о чудесах Св. Димитрия Солунского»
применение камнеметов аваро-славянским войском
при осаде Солоники в конце VI в.: «На
следующий день они наконец воспользовались
камнеметами. Они были четырехугольными,
широкими в основании и суживающимися к верхушке,
на которой имелись очень массивные цилиндры,
окованные по краям железом, к которым были
пригвождены бревна, подобные балкам
большого дома, имевшие подвешенные сзади пращи, а
спереди — прочные канаты, с помощью которых,
натянув их разом по сигналу книзу, запускали
пращи. Взлетавшие вверх [пращи] непрерывно
посылали огромные камни, так что и земля не
могла вынести их ударов, а тем более постройка
человеческая. <...> Наследующий день они опять
доставили те же камнеметы, покрытые вместе с
досками, как мы уже говорили, свежесодранными
шкурами, и, поставив их ближе к стене, метали
горы и холмы, стреляя в нас. Ибо кто назвал бы
как-нибудь иначе эти невыразимо огромные
камни?» (Цит. по книге: Свод древнейших
письменных известий о славянах». - М.: Восточная
литература РАН, 1995.-т. И.-С. 11-120.)]
Объяснение радуги, 1304 г.
Lee, R., Fraser, A. The Rainbow Bridge.
University Park: PA, 2001.
[В связи с научными объяснениями
возникновения радуги следует отметить вклад
архиепископа Марка Антония де Доминиса (1560-1624),
опубликовавшего свой труд в 1611 г. и
скончавшегося в застенках инквизиции, а также
философа и ученого-естествоиспытателя Рене
Декарта (1596-1650), создавшего количественную
теорию радуги в 1637 г., и великого Исаака
Ньютона, дополнившего в своей «Оптике» (1704)
теорию де Доминиса и Декарта объяснением
причин возникновения цветов радуги и их порядок.
Статьи в русской Википедии:
«Радуга», http://tinyurl.com/aoqkjk4
«Марк Антоний де Доминис», http://tinyurl.
com/bxpk57n
« Рене Декарт», http://tinyurl.com/abxnexy
«Исаак Ньютон», http://tinyurl.com/b471w2e
Nussenzweig. Moyses. The Theory of the
Rainbow. - Scientific American, April 1977, v. 236,
No. 4, p. 116-127. Перевод: Нуссенцвейг Х.
Теория радуги//Успехи физических наук - 1978. -
125, вып. 3. - С. 527-547.]
Песочные часы, 1338 г.
Mills, Α., etal. Eur. J. Phys. 17: 97; 1996.
[Упомянутые в статье часы в Москве были
сооружены как часть презентации новой модели
автомобиля BMW. Конструкция была сделана
из акрилового стекла и стояла на Красной
площади пару дней. Сам автомобиль размещался
в верхней сфере и был скрыт более чем 180 000
серебристыми металлическими,
имитирующими песок. Шарики постепенно падали в нижний
конус, пока новый BMW 7-й серии не открылся
полностью в момент торжественной церемонии.
См. фото и видео на сайте: http://tinyurl.com/
Ь5т2г4к]
Гелиоцентрическая система мира, 1543 г.
O'Connor, J., Robertson, E., tinyurl.com/
yhmuks4.
Mysterium Cosmographicum («Тайна мира»),
1596 г.
Gingerich, О. Dictionary of Scientific Biography/
Gillispie, C, ed. NY: Scribner, 1970.
De Magnete («О магните»), 1600 г.
Keithley, J. The Story of Electrical and Magnetic
Measurements. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE
Press, 1999.
Reynolds J., Tanford, C.//Tallack, P., ed., The
Science Book. London: Weidenfeld & Nicolson,
2001.
[Поэтическое описание представлений о
магнитной горе, разрушающей своим притяжени-
516 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ем корабли, можно найти в арабских сказках
(Книга тысячи и одной ночи. - М.: Худ. лит.,
1958. - Т. 1. - С. 135-136 (перевод М. А. Салье):
«А завтра к концу дня мы достигнем горы из
черного камня, которую называют Магнитная
гора (а вода насильно влечет нас к ее подножию),
и наш корабль распадется на части, и все гвозди
корабля полетят к этой горе и пристанут к ней,
так как Аллах великий вложил в магнитный
камень тайну, именно ту, что к нему стремится все
железное».]
Телескоп, 1608 г.
Lang, К., tinyurl.com/yad22mv.
Brockman, J., ed. The Greatest Inventions of the
Past 2000 Years. NY: Simon & Schuster, 2000.
Законы Кеплера для движения планет, 1609 г.
Gingerich, О., Dictionary of Scientific Biography,
Gillispie, С, ed., NY: Scribner, 1970.
Кольца Сатурна, 1610 г.
Courtland, R., tinyurl.com/yf4dfdb.
Sagan, С Pale Blue Dot. NY: Ballantine, 1997.
[Галилей описал кольца как «уши» Сатурна,
потому что малая разрешающая способность его
телескопа не позволила ему увидеть все кольцо,
но только его края.]
«Шестиугольная снежинка» Кеплера, 1611 г.
В снежинках могут возникать и другие
симметрии - например, трехлучевая.
1621, Закон преломления Снеллиуса
[Закон преломления Снеллиуса определяет
такой путь между двумя точками,
расположенными в разных средах, чтобы свет преодолел его за
наименьшее время. Нетрудно показать, что при
любом другом маршруте затраченное время
будет больше. В этом проявляется определенная
«экономность» природы. В физике подобная
концепция называется принципом наименьшего
действия. Впервые его сформулировал в 1744 г.
французский математик и астроном Пьер Луи де
Мопертюи (1698-1759), который вывел из него
законы отражения и преломления света.
Концепция оказалась универсальной. В дальнейшем
принцип наименьшего действия уточнялся и
развивался в работах математиков Эйлера, Ла-
гранжа и Гамильтона. Успешно применяется в
различных областях физики, в том числе в
квантовой механике и квантовой теории поля.
«Пьер Луи де Мопертюи», http://tinyurl.com/
aoqrjuj
«Принцип наименьшего действия», http://
tinyurl.com/b8dqpkk]
Северное полярное сияние, 1621 г.
Angot, A. The Aurora Borealis. London: Kegan
Paul, 1896.
Hall, C, Pederson, D., Bryson, G. Northern
Lights. Seattle, WA: Sasquatch Books, 2001.
Ускорение падающих тел, 1638 г.
Среди первых исследователей ускорения
падающих тел были Николай Орезмский и Доминго де
Сото.
Cohen, I. The Birth of a New Physics. NY: Norton,
1985.
Барометр, 1643 г.
[В барометрах-анероидах нет
движущейся жидкости. Отсюда и название -
слово «анероид», что значит «безводный»,
происходит от греч. «нирон» - вода, и
отрицательной частицы «а». Однако использование
воды в барометрах непрактично, так как при
нормальном атмосферном давлении
уравновешивающий его столб воды имеет высоту более 10
метров. Ртуть в 13,6 раз тяжелее,
соответственно уменьшается высота столбика в барометре.
Впрочем, в 1657 г. бургомистр немецкого города
Магдебурга Отто фон Герике предсказывал
погоду с помощью водяного барометра,
прикрепленного к наружной стене его трехэтажного дома.
«Оттофон Герике», http://tinyurl.com/amo5gpl]
Закон упругости Гука, 1660 г.
[К. Пиковер пишет, что Ньютон не любил Гука
и убрал его портрет из Королевского общества.
А крупнейший советский и российский
математик В. И. Арнольд делает даже более сильное
утверждение в своей книге «Гюйгенс, Барроу,
Ньютон и Гук» (М.: Наука, 1989. С. 39): «Только
после смерти Гука, в 1703 г. Ньютон согласился
занять пост президента Королевского общества.
И одним из первых актов Ньютона на этом
посту было уничтожение всех инструментов
умершего Гука, а также его бумаг и портретов. Так
что теперь Королевское общество располагает
портретами всех своих членов, кроме Гука. Ни
одного изображения Гука, который был членом,
куратором и секретарем Королевского общества,
не сохранилось». В других источниках, однако,
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 517

утверждается, что эта легенда не имеет
документального подтверждения и что неизвестно,
существовал ли портрет Гука вообще, и в
Королевском обществе, в частности.]
Электростатический генератор фон Герике,
1660 г.
Brockman, J., ed. The Greatest Inventions of the
Past 2000 Years. NY: Simon & Schuster, 2000.
Gurstelle, W. Adventures from the Technology
Underground. NY: Three Rivers Press, 2006.
Газовый закон Бойля, 1662 г.
Закон Бойля иногда [а в русской литературе
всегда] называют законом Бойля-Мариотта,
потому что французский физик Эдм Мариотт
(1620-1684) открыл его независимо от Бойля, но
не публиковал свои результаты до 1676 г.
«Микрография», 1665 г.
Westfall, R. Dictionary of Scientific Biography/
Gillispie, C, ed. NY: Scribner, 1970.
Трение Амонтона, 1669 г.
Истинная площадь соприкосновения какого-то
тела с поверхностью составляет малую часть от
кажущейся площади контакта. Тело
соприкасается с другим телом крошечными неровностями,
и площадь контакта растет с увеличением
прижимающей силы. Леонардо да Винчи не
опубликовал свои данные, и потому поначалу его
открытия не нашли признания.
[Утверждая, что принцип работы колеса состоит
в замене трения скольжения на меньшее трение
качения, К. Пиковер впал в довольно
распространенное заблуждение. Сделанное
утверждение справедливо для подшипников или
катка, подкладываемого под перемещаемый груз.
Принцип же действия колеса основан на законе
рычага. Большой радиус обода колеса и малый
радиус втулки, надетой на ось вращения,
играют роль плеч рычага, позволяя выиграть в силе
ценой проигрыша в пройденном пути. Из-за того
что плечи рычага свернуты в окружности, его не
надо возвращать в рабочее положение - он
перманентно в нем находится. Колесо - это рычаг
непрерывного действия, что делает его самым
гениальным изобретением человечества.
Никто в живом мире не использует вращательное
движение для передвижения, если не считать
бактерий, жгутики которых работают как
пропеллер (гребной винт). Так что человек не мог
подсмотреть колесо в окружающем его мире.
И не во всех цивилизациях сумели его открыть -
колеса не знали государства доколумбовой
Америки, аборигены Австралии, племена Южной
Африки. Изобретение колеса относят к пятому
тысячелетию до нашей эры. К сожалению, автор
не нашел ему места на страницах «Великой
физики».
«Колесо», http://tinyurl.com/6fzew
Калашников Н. П., Смондырев М. А. Основы
физики. Т. 1. - М.: Дрофа, 2003. С. 130-134.]
Размеры Солнечной системы, 1672 г.
Haven, К. 100 Greatest Science Inventions of
All Time. Westport, CT: Libraries Unlimited,
2005.
[Говоря об измерениях Кассини, имеет смысл
пояснить, что они были сделаны в год
великого противостояния, когда Марс располагался
на небосводе в диаметрально противоположной
Солнцу точке, т. е. Марс, Земля и Солнце
находились на одной линии. Поэтому расстояние от
Земли до Марса, измеренное Кассини и Рише,
оказалось равно разности расстояний этих
планет от Солнца. А из третьего закона Кеплера
уже было известно отношение этих расстояний,
определенное по отношению периодов их
вращения вокруг Солнца. Зная разность двух чисел и
их отношение, с помощью школьной алгебры
легко найти оба этих числа, т. е. расстояния от
Солнца как Марса, так и Земли. Определив
расстояние от Солнца хотя бы одной планеты, по
третьему закону Кеплера можно найти его для
всех других планет.]
Призма Ньютона, 1672 г.
Douma, Μ., http://tinyurl.com/ybu2k7j.
Таутохронный спуск, 1673 г.
Darling, D. The Universal Book of Mathematics,
Hoboken. NJ: Wiley, 2004.
Pickover, С The Math Book. NY: Sterling, 2009.
[Термин «таутохрона» происходит от греч. та-
уто (тавто) - то же самое, и хронос - время.
Так, линия скорейшего спуска называется
брахистохроной от брахистос - самый короткий.]
1687, Ньютоновские законы движения
и закон всемирного тяготения
[Ньютоновское «Бог создал все в соответствии с
числом, весом и мерой» - парафраз изречения,
лежащего в русле греческой эстетики, но припи-
518 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

сывающегося царю Соломону: «Но Ты все
расположил мерою, числом и весом» (Книга
премудрости Соломона, 11, 21). Толковая Библия
(Петербург, 1908-1910, 1913) в комментарии к
этом месту говорит, что «весы и мера - обычные
образы для обозначения точнейшего
распределения и соразмерности».]
Ньютон как источник вдохновения, 1687 г.
Cropper, W. Great Physicists. NY: Oxford
University Press, 2001.
Gleick, J. Isaac Newton. NY: Vintage, 2004.
Koch, R., Smith, С New Scientist, 190: 25; 2006.
Hawking, S. Black Holes and Baby Universes. NY:
Bantam, 1993.
[Латинская эпитафия на могиле Ньютона в
Вестминстерском аббатстве в Лондоне заканчивается
словами: «Пусть смертные радуются, что
существовало такое украшение рода человеческого.»]
Скорость убегания, 1728 г.
[Говоря, что при запуске с экватора в восточном
направлении скорость убегания равна примерно
10,7 км/с относительно поверхности Земли,
автор имеет в виду, что недостающую до 11,2 км/с
скорость около 0,5 км/с (500 м/с) в восточном
направлении стрела уже получает, вращаясь
вместе с Землей. При запуске на запад, против
вращения Земли, стреле пришлось бы придать
скорость около 11,7 км/с]
Лейденская банка, 1744 г.
Первая лейденская банка была частично
наполнена водой. Позже обнаружилось, что
стеклянная банка вовсе не необходима, и две пластины
могут быть разделены вакуумом и накапливать
заряд. Георг Матиас Бозе (1710-1761) тоже
одним из первых придумывал разные варианты
лейденской банки. Из-за того что банки
великолепно сохраняли электрический заряд,
считалось, что они могут «уплотнять» -
конденсировать электричество.
[Однако емкость конденсатора прямо
пропорциональна диэлектрической проницаемости
вещества между пластинами. Для стекла ε = 5
или даже ε = 10. Стекло между обкладками
конденсатора не необходимо, но при его
использовании количество накопленного заряда при том же
напряжении на конденсаторе возрастет в 5 или
10 раз.]
McNichol, Т. AC/DC, San Francisco. CA: Jossey-
Bass, 2006.
Воздушный змей Бена Франклина, 1752 г.
Подробности о спорах вокруг экспериментов
Франклина и информацию о его
предшественниках см. у I. В. Cohen and W. Isaacson.
Chaplin, J. The First Scientific American. NY:
Basic Books, 2006.
Hindle, B. Foreword//I. B. Cohen's Ben Franklin's
Science. Cambridge: MA, Harvard University
Press, 1996.
Isaacson, W. Benjamin Franklin. NY: Simon &
Schuster, 2003.
[Среди ученых, пострадавших при
исследовании грозовых разрядов, - русский физик
академик Георг Вильгельм Рихман (1711-1753),
погибший от шаровой молнии.]
Эффект «черной капли», 1761 г.
Эффект «черной капли» наблюдается также и с
Меркурием, который фактически не имеет
атмосферы. Поэтому делается вывод, что
атмосфера наблюдаемого тела за этот эффект не
ответственна.
Bergman, Т. Philos. Trans., 52: 227; 1761.
Pasachoff , J., Schneider, G., Golub, L. Proc. IAU
Colloquium, 196: 242; 2004.
Shiga, D., tinyurl.com/yjjbtte.
[To же самое прохождение Венеры, что и
упомянутый в тексте Бергман, наблюдал 6 июня
1761 г. в Петербурге М. В. Ломоносов,
обнаруживший «тонкое, как волос, сияние» между
краями Венеры и Солнца и сделавший на этом
основании вывод о существовании у Венеры
«знатной воздушной атмосферы». В статье
«Явление Венеры на Солнце» (Ломоносов М. В.
ПСС, т. 4. - М.-Л.: АН СССР, 1955. С. 367-369)
Ломоносов дал описание еще одного
наблюдавшегося эффекта, сопроводив его рисунками:
«При выступлении Венеры из Солнца, когда
передний ее край стал приближаться к
солнечному краю и был (как просто глазом видеть
можно) около десятой доли Венерина диаметра,
тогда появился на краю Солнца пупырь (смотри
А, фиг. 1), который тем явственнее учинился,
чем ближе Венера к выступлению приходила
(смотри фиг. 3 и 4). <...> Вскоре оный пупырь
потерялся, и Венера показалась вдруг без края
(смотри фигуру 5)». Сравнение сделанного
Ломоносовым рисунка Венеры со срезанным
сегментом у внутреннего края солнечного диска с
приведенной здесь фотографией «черной капли»
при прохождении Венеры в 2004 г. позволяет
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 519

сделать вывод, что речь идет об одном и том же
явлении.
Джеймс Кук, наблюдавший прохождение
Венеры через 8 лет, оставил лишь короткую запись от
3 июня 1769 г.: «Мы ясно видели атмосферу или
дымку вокруг планеты, которая сильно мешала
определению моментов касания (краев солнца и
планеты), особенно двух внутренних касаний.
Наблюдения велись д-ром Соландером, м-ром
Грином и мною; записи о моментах касания
отличались друг от друга больше, чем мы
ожидали.» (перевод Я. М. Света в книге: Кук Джеймс.
Плавание на «Индеворе» в 1768-1771 гг. - М.:
Географгиз, 1960. - С. 93). Наблюдения
проводились на о. Муреа во Французской Полинезии.
К сожалению, Чарльз Грин, астроном
экспедиции, позже умер в плавании, заразившись
дизентерией, и в его черновиках никто не сумел
разобраться.]
Закон Боде для расстояний планет от Солнца,
1766 г.
Средние орбитальные расстояния Нептуна и
Плутона от Солнца составляют 30,07 а. е. и
39,5 а. е., соответственно. Это сильно
расходится с предсказываемыми значениями 38,8 а. е.
и 77,2 а. е. (Любопытно, что 38,8 а. е. близко к
реальному значению 39,5 а. е. для Плутона, как
будто закон Боде пропускает местоположение
Нептуна.)
Фигуры Лихтенберга, 1777 г.
Hickman, В., tinyurl.com/ybneddf.
[Несмотря на несомненный вклад в физику,
ученый и публицист Георг Лихтенберг,
удостоенный вниманием К. Пиковера, более известен
своими афоризмами, например: «Острый ум -
увеличительное стекло; остроумие -
уменьшительное* или «Книга - это зеркало; и если в него
смотрится обезьяна, то из него не может
выглянуть лик апостола ». ]
Галактика Черный Глаз, 1779 г.
O'Meara, S. Deep-Sky Companions. NY:
Cambridge University Press, 2007.
Darling, D., tinyurl.com/yhulfpd.
[Шарль Мессье - автор каталога туманностей
и звездных скоплений, в современной версии
которого сегодня насчитывается 110 объектов,
и 60 из них открыты самим Мессье. Галактика
Черный Глаз по этому каталогу имеет
обозначение М64, а знаменитая галактика Туманность
Андромеды - М31. Первым номером в
каталоге (Ml) идет Крабовидная туманность - остаток
взрыва сверхновой звезды.]
Черные дыры, 1783 г.
В квантовой физике возможны процессы
рождения короткоживущих пар частиц, которые
«мерцают» - возникают на очень малое
время и затем снова исчезают. Излучение черных
дыр - это процесс рождения таких виртуальных
пар частиц на краю горизонта событий черной
дыры. Приливные силы тяготения черной дыры
растаскивают виртуальные частицы, тем самым
подпитывая их энергией. Одна из частиц пары
поглощается черной дырой, а оставшаяся
уносится во Вселенную.
Закон Кулона в электростатике, 1785 г.
[За 13 лет до Кулона этот же закон был найден
экспериментально Генри Кавендишем (1731-
1810), эксцентричным аристократом (отец -
герцог Девонширский, мать - дочь герцога
Кентского), проводившим научные исследования в
собственной лаборатории у себя дома и редко
публиковавшим свои результаты. Кавендиш
изучал взаимодействие электрических зарядов
совсем другим методом, чем Кулон, и добился
гораздо большей точности измерений. Рукописи
Кавендиша долгие годы хранились в его семье,
и о многих его открытиях, среди которых
закон Кулона, закон Ома и другое, стало известно
лишь в 1879 г., когда его работы были
опубликованы Максвеллом. См. также статью
«Кавендиш взвешивает Землю».
«Генри Кавендиш», http://tinyurl.com/a5edtso]
Газовый закон Шарля, 1787 г.
[В отечественной литературе принято называть
законом Шарля пропорциональность
давления абсолютной температуре при постоянном
объеме: Ρ = аТ, а обсуждаемую здесь изобару
V = аТ - законом Гей-Люссака.]
Небулярная гипотеза, 1796 г.
К ранним вариантам небулярной гипотезы
можно отнести идеи (1734) теолога и теософа
Эммануила Сведенборга.
Кавендиш взвешивает Землю, 1798 г.
[Результаты Кавендиша сделали возможным
определение масс планет и Солнца, по ним
нетрудно рассчитать и значение гравитационной
520 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

постоянной в законе всемирного тяготения, что
и было сделано позже. Однако мало кто знает,
что идея этого опыта принадлежит Джону Ми-
челлу (см. статью «Черные дыры»),
сконструировавшему также крутильные весы, но он умер,
не успев поставить опыта. Его установка
перешла к Кавендишу, который усовершенствовал
прибор и выполнил эксперименты.]
«Эксперимент Кавендиша», http://tinyurl.com/
bjlcpx3
Батарея, 1800 г.
Brain, Μ., Bryant, С, tinyurl.com/a2vpe.
Guillen, M. Five Equations that Changed the
World. NY: Hyperion, 1995.
Волновая природа света, 1801 г.
Tallack, P., ed. The Science Book. London:
Weidenfeld & Nicolson, 2001.
Moring, G. The Complete Idiot's Guide to
Understanding Einstein. NY: Alpha, 2004.
Фурье-анализ, 1807 г.
Pickover, С. The Math Book. NY: Sterling, 2009.
Ravetz, J., Grattan-Guiness, I. Dictionary of
Scientific Biography/Gillispie, C, ed. NY:
Scribner, 1970.
Hassani, S. Mathematical Physics. NY: Springer,
1999.
Газовый закон Авогадро, 1811 г.
[Число Авогадро NA = 6,0221367 · 10".
Атомный вес водорода равен единице, так что в одном
грамме атомарного (одноатомного) водорода
содержится N атомов. Стало быть, масса атома
водорода равна 1 г/N' — 1,66 · 102" кг. А это, в свою
очередь, - масса протона, ядра атома водорода.]
Демон Лапласа, 1814 г.
Markus, M. Charts for Prediction and Chance.
London: Imperial College Press, 2007.
Оптический прибор Брюстера, 1815 г.
Baker, С. Kaleidoscopes. Concord, CA: C&T
Publishing, 1999.
Land, E. J. Opt. Soc. Am. 41: 957; 1951.
[Увлечение калейдоскопом не обошло и Россию.
Баснописец А. Измайлов писал в 1818 г.:
«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!»]
Стетоскоп, 1816 г.
В начале 1850-х гг. Артур Лиред и Джордж Кам-
ман изобрели бинауральные стетоскопы с двумя
наушниками. Заметим, что чем сильнее
натянута диафрагма, тем выше ее собственная частота
колебаний, и тем эффективнее она работает на
высоких частотах. Способность раструба
собирать звук пропорциональна, грубо говоря, его
диаметру. Большие диаметры также
эффективнее при улавливании низких частот. Кожу
пациента тоже можно превратить в натянутую
диафрагму, надавливая на нее воронкой. Высокие
частоты ослабляются слишком длинными
трубками. Другие физические принципы
функционирования стетоскопа обсуждаются в книгах:
Constant, J. Bedside Cardiology. NY: Lippincott
Williams & Wilkins, 1999.
Porter, R. The Greatest Benefit to Mankind. NY:
Norton, 1999.
Парадокс Ольберса, 1823 г.
Ольберс - не первый, кто поставил этот вопрос.
Заметим, что лорд Кельвин дал
удовлетворительное решение парадокса в 1901 г. Заметим также,
что в бесконечной видимой Вселенной небо было
бы очень ярким, но не бесконечно ярким. За
пределами какого-то расстояния поверхности звезд
казались бы сомкнувшимися и покрывали бы все
небо, экранируя звезды, находящиеся за ними.
Кроме того, сами звезды имеют конечное время
жизни, и это тоже следует учитывать.
Парниковый эффект, 1824 г.
Friedman, Т. Hot, Flat and Crowded. NY: Farrar,
Straus and Giroux, 2008.
Gonzalez, J., Werthman, Т., Sherer, T. The
Complete Idiot's Guide to Geography. NY:
Alpha, 2007.
Sagan, C. Billions and Billions. NY: Ballantine,
1998.
Tallack, P., ed. The Science Book. London:
Weidenfeld & Nicolson, 2001.
Закон Ампера в теории электромагнетизма,
1825 г.
[Связь между магнитным полем и создающим
его электрическим током называется законом
Био-Савара-Лапласа. Его роль в
магнитостатике подобна роли закона Кулона в
электростатике. А имя Ампера носит совсем другой закон
(1820), определяющий силу, действующую на
проводник с током в магнитном поле. Комбина-
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 521

ция законов Ампера и Био-Савара-Лапласа
позволяет узнать силу взаимодействия двух
электрических токов. Соответствующая формула
также называется законом Ампера.]
Блуждающие волны, 1826 г.
Lehner, S. Foreword to Smith, C. Extreme Waves.
Washington DC: Joseph Henry Press, 2006.
Броуновское движение, 1827 г.
Ранние исследования броуновского движения
проводили также Торвальд Тиль, Луи Башелье
и Ян Ингенхауз.
[Независимо от Эйнштейна теорию
броуновского движения как случайного процесса
разработал в 1906 г. польский физик Мариан Смолу-
ховский (1872-1917). Основное соотношение
теории, связывающее подвижность частиц с
коэффициентом диффузии и температурой среды,
называется уравнением Эйнштейна-Смолухов-
ского (см. также примечание к статье «Вечный
двигатель»).]
Сол итон, 1834 г.
Girvan, R., tinyurl.com/ychluer.
[Филиппов А. Т. Многоликий солитон. -
2-е изд. - М.: Наука, 1990. - (Библиотечка
«Квант»).]
Гаусс н магнитный монополь, 1835 г.
Традиционные уравнения Максвелла
допускают существование электрического заряда, но
не магнитного. Однако возможно обобщить эти
уравнения с тем, чтобы включить в теорию и
магнитные заряды тоже. Более того, некоторые
современные подходы требуют существования
монополей. В 2009 г. были обнаружены
магнитные монополи в спиновом льду, но они имеют
совсем другое происхождение, нежели
монополи, рассмотренные в работе Дирака, и навряд ли
внесут вклад в развитие объединенных теорий
физики частиц.
[Название «закон Гаусса для магнетизма» не
является общеупотребительным. Во-первых, в
математической дисциплине, называемой
векторным анализом, существует математическая
теорема, которую в русской литературе
принято называть теоремой Гаусса-Остроградского.
Она связывает поток какого-либо векторного
поля через замкнутую поверхность с
источниками поля внутри этой поверхности. В частном
виде теорема появилась впервые в работе
Гаусса в 1813 г. Общее доказательство дал русский
математик Михаил Васильевич Остроградский
(1801-1862). В своем «Трактате об
электричестве и магнетизме» сам Максвелл отмечает его
вклад: «Видимо, эта теорема впервые была
доказана Остроградским в докладе, прочитанном в
1828 г., но опубликованном в 1831 г.» (Maxwell
J. С. A Treatise on Electricity and Magnetism.
V. I, 2nd ed. Oxford, 1881, примечание на с. 117).
Четыре уравнения Максвелла - это
квинтэссенция опытных данных, их математическая
формулировка. Два из них не связаны с
теоремой Гаусса - Остроградского: одно описывает
магнитные свойства тока (закон Био-Савара-
Лапласа), другое - закон электромагнитной
индукции Фарадея. Два оставшихся уравнения
являются применением теоремы
Гаусса-Остроградского опять же для описания данных
опыта. Одно из них утверждает, что поток
электрического поля через замкнутую поверхность
пропорционален заряду внутри нее - это обобщение
закона Кулона. Второе уравнение говорит о
равенстве нулю потока магнитного поля через
замкнутую поверхность, что и означает
отсутствие в природе магнитных зарядов. Это
единственное из уравнений Максвелла, которое не
ассоциируется ни с каким экспериментальным
открытием, магнитные монополи не
обнаружены. И потому оно остается в научной литературе
безымянным.]
Звездный параллакс, 1838 г.
[Название спутника Hipparcos - акроним от
англ. High Precision Parallax Collecting Satellite,
т. е. «Спутник для сбора высокоточных
параллаксов». Оно созвучно с именем
древнегреческого астронома Гиппарха (Hipparchus),
составителя первого в Европе звездного каталога.]
Топливный элемент, 1839 г.
В 1959 г. инженер Ф. Бэкон
усовершенствовал топливный элемент, показав, каким
образом можно получить значительное количество
электричества. Заметим, что в автомобиле,
использующем топливный элемент, газообразный
водород на самом деле не сжигается. В
водородных топливных элементах применяется
протон-обменная мембрана (ПОМ), через которую
проходят протоны. Твердооксидный топливный
элемент вырабатывает энергию из нагретого
воздуха и углеводородов. При оксилении топлива
остаются вода и электроны. Электролитом
служит твердый оксид (керамика).
522 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Закон течения жидкости Пуазёйля, 1840 г.
Этот закон иногда называют законом Хагена-
Пуазёйля. Немецкий физик Г. Хаген сделал
аналогичное открытие в 1839 г.
Закон Джоуля для теплового действия
электрического тока, 1840 г.
На самом деле немецкий физик Юлиус фон Май-
ер(1814-1878)открыл механический эквивалент
тепла раньше Джоуля. Но его статья была плохо
написана и сначала осталась незамеченной.
[Процитируем краткую биографию Юлиуса
Роберта фон Майера (1814-1878) с сайта http://
tinyurl.com/9wqujrc. «Работы Майера долго
оставались незамеченными: первая статья не
была опубликована вообще, вторая увидела свет
в не читаемом физиками химическом журнале,
третья - в частной брошюре. Вполне понятно,
что открытие Майера не дошло до физиков, и
закон сохранения энергии открывали независимо
от него и иными путями другие авторы. <...>
Майер, вынужденный отстаивать свой
приоритет в открытии закона сохранения энергии,
делал это в спокойном и достойном тоне, скрывая
ту глубокую душевную травму, которая была
нанесена ему "мелкой завистью цеховых
ученых" и "невежеством окружающей среды", по
словам К. А. Тимирязева. Достаточно сказать,
что в 1850 г. он пытался покончить жизнь
самоубийством, выбросившись из окна, и остался на
всю жизнь хромым. Его травили в газетах,
обвиняли скромного и честного ученого в мании
величия, подвергли принудительному
"лечению" в психиатрической больнице».
Независимо от Джоуля, закон теплового
действия тока также открыл в 1842 г. русский
физик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865).
В отечественной литературе принято название
закон Джоуля-Ленца.
«Закон Джоуля-Ленца», http://tinyurl.com/
2vr97wc]
«Эмилий Христианович Ленц», http://tinyurl.
com/acry4cp]
Годовые часы, 1841 г.
Hack, R. Hughes. Beverly Hills, CA: Phoenix
Books, 2007.
Волоконная оптика, 1841 г.
[Сердечник фотонно-кристаллического
волновода не обязан иметь большой показатель
преломления, он может быть даже полым. В результате
дифракции на периодической микроструктуре
образуются так называемые запрещенные зоны,
т. е. свет определенных длин волн не будет
выпускаться наружу.]
Эффект Доплера, 1842 г.
Seife, С. Alpha and Omega. NY: Viking, 2003.
Сохранение энергии, 1843 г.
Angier, N. The Canon. NY: Houghton Mifflin,
2007.
Trefil, J. The Nature of Science. NY: Houghton
Mifflin, 2003.
[Говоря об истории закона сохранения энергии,
невозможно не отметить вклад немецкого врача
Юлиуса Роберта фон Майера (1814-1878),
который в работах 1841-1842 гг. первым указал на
эквивалентность затрачиваемой работы и
производимого тепла; он же позже теоретически
рассчитал механический эквивалент тепла. Работы
эти долго оставалась незамеченными. См.
примечание к статье «Закон Джоуля для теплового
действия электрического тока».]
Двутавровые балки, 1844 г.
Около 1750 г. было найдено уравнение Эйлера-
Бернулли, связывающее приложенную
нагрузку и изгиб упругой балки. В 1848 г. Ф. Зорес
наладил во Франции прокат двутавровых балок из
кованого железа.
Peterson, С, tinyurl.com/y9mv4vo.
Gayle, M., Gayle, С. Cast-iron Architecture in
America. NY: Norton, 1998.
Kohlmaier, G., von Sartory, В., Harvey, J. Houses
of Glass. Cambridge, MA: MIT Press, 1991.
Открытие Нептуна, 1846 г.
В 2003 г. были найдены документы, из которых
вытекает, что традиционная история о
замечательном предсказании местоположения
Нептуна содержит преувеличения, и эти
«предсказания» часто менялись.
Kaler, J. The Ever-Changing Sky. NY: Cambridge
University Press, 2002.
[В статье в Википедии (http://tinyurl.com/
a7bgd6s) подробно рассказано об открытии
Нептуна, о Леверье, Адамсе и их
предшественниках. В частности, сказано, что уже в первой
половине 1830-х гг. в научном сообществе
сложилось мнение о существовании
трансурановой планеты.]
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 523

Второе начало термодинамики, 1850 г.
Французский физик С. Карно в 1824 г. нашел,
что эффективность преобразования тепла в
механическую работу зависит от разницы
температур между нагревателем и холодильником.
Другие ученые - Клод Шэннон и Рольф Ландауэр -
показали, что Второе начало и представления об
энтропии применимы также к системам связи и
теории информации. В 2010 г. ученые
Университета Твенте (г. Энсхед, Голландия) провели
эксперимент, в котором шарики отскакивали
от крыльев ветряной мельницы. Одна из сторон
каждого крыла была мягче другой, и мельница
начала вращаться. Конечно, эта машина не
нарушила Второго начала - большая часть энергии
шариков терялась на тепло и создание звука.
Скользкость льда, 1850 г.
Работа Майкла Фарадея опубликована в 1859 г.
Однако многие ученые выражали сомнения в
отношении данного им объяснения.
Маятник Фуко, 1851 г.
Davis, H. Philosophy and Modern Science.
Bloomington, IN: Principia Press, 1931.
[В Исаакиевском соборе в Ленинграде в период
1931-1986 гг. демонстрировался маятник Фуко
на подвесе длиной 98 м. Такая длинная нить
облегчала наблюдение за перемещением маятника
в моменты его максимального отклонения. В
настоящее время этот маятник демонтирован.]
Гироскоп, 1852 г.
В наши дни созданы крошечные гироскопы, в
которых вибрационный элемент используется
для указания направление движения объекта.
Вибрационный элемент стремится сохранить
плоскость колебаний во время вращения его
подвеса.
Hoffmann, L. Every Boy's Book of Sport and
Pastime. London: Routledge, 1897.
Уравнения Максвелла, 1861 г.
Математические теории и формулы
предсказывали явления, которые были подтверждены
лишь годы спустя. Например, уравнения
Максвелла предсказали радиоволны. Все четыре
уравнения в слегка иных обозначениях имелись
в его работе 1861 г. «О физических силовых
линиях». Заметим, что уравнения Максвелла
можно обобщить так, чтобы допустить
возможность существования «магнитных зарядов» или
магнитных монополей, аналогичных
электрическим зарядам. Например, второе уравнение
примет вид V ■ В - 4πρ , где рт - плотность этих
магнитных зарядов.
Crease, R., tinyurl.com/dxstsw.
Feynman, R. The Feynman Lectures on Physics.
Reading, MA: Addison Wesley, 1970.
[Генрих Герц, первооткрыватель
электромагнитных волн, существование которых следует из
уравнений Максвелла, писал о них так: «Трудно
избавиться от чувства, что эти математические
формулы живут независимой жизнью и
обладают своим собственным интеллектом, что они
мудрее, чем мы сами, мудрее даже, чем их
первооткрыватель, и что мы извлекаем из них больше,
чем было заложено в них первоначально».
Возражения о применении к уравнениям
Максвелла названий «Закон Гаусса» и «Закон
Ампера» см. в примечаниях к статьям «Гаусс и
магнитный монополь» и «Закон Ампера в теории
электромагнетизма ». ]
Динамит, 1867 г.
Bown, S. A Most Damnable Invention. NY: St.
Martin's, 2005.
Bookrags, tinyurl.com/ybr78me.
[Идея о том, что мощное оружие сделает войны
невозможными, возникала и до Нобеля.
Американец Роберт Гатлинг (1818-1903),
изобретатель многоствольной скорострельной пушки
(1862), также считал, «что если война сделается
еще ужаснее, то народы потеряют наконец охоту
прибегать к оружию». С появлением и
наращиванием ядерного арсенала появилась доктрина
«взаимного гарантированного уничтожения»
(1960-е гг.).]
Демон Максвелла, 1867 г.
Максвелл опубликовал эту идею в 1867 г., а в
1871 г. познакомил с ней публику в книге
«Теория теплоты». В 1929 г. Лео Сцилард также
помог изгнать демона аргументами,
апеллирующими к затратам энергии, необходимым для
получения информации о молекулах.
Leff, Η., Rex, A. Maxwell's Demon 2. Boca Raton,
FL: CRC Press, 2003.
Открытие гелия, 1868 г.
Жансена и Локьера поначалу высмеивали, ведь
никакой другой элемент не был найден
исключительно благодаря внеземным данным. Гелий
может рождаться в радиоактивных распадах.
524 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Garfinkle, D., Garfinkle, R. Three Steps to the
Universe. Chicago, IL: University of Chicago
Press, 2008.
Крученый мяч в бейсболе, 1870 г.
В 1959 г. Л. Бриггс также провел эксперименты
в аэродинамической трубе. Неровности на
поверхности мяча способствуют созданию
воздушного вихря. Снижение мяча происходит вдоль
всей траектории полета, но из-за гравитации и
вращения вертикальная компонента скорости
намного больше (снижения намного быстрее)
при приближении мяча к «дому». Возможно,
первый крученый мяч в игре был подан
Уильямом «Кэнди» Каммингсом в 1867 г. в Ворчесте-
ре, шт. Массачусетс.
Adair, R. The Physics of Baseball. NY:
HarperCollins, 2002.
Радиометр Крукса, 1873 г.
[Давление света, следующее из теории
электромагнетизма Максвелла, было
экспериментально обнаружено в Московском университете в
1900 г. выдающимся русским физиком Петром
Николаевичем Лебедевым (1866-1912). Его имя
носит Физический институт имени П. Н.
Лебедева РАН - один из крупнейших
научно-исследовательских центров страны. Памятник
П. Н. Лебедеву установлен на ступенях
Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.]
Лампа накаливания, 1878 г.
Заметим, что лампы накаливания имеют много
различных достоинств, например они могут
работать при низком напряжении, в частности, в
фонариках.
[Русский электротехник и изобретатель
А. Н. Лодыгин (1847-1923) получил патент
на лампу накаливания с угольным стержнем
в 1874 г., а в 1890-х гг. Лодыгин изобрел и
получил патент на лампу с нитями накала из
тугоплавких металлов - вольфрама и молибдена.
В 1906 г. патент был продан Лодыгиным
компании General Electric, и первая американская
коммерческая лампа с вольфрамовой нитью
была произведена по этому патенту. Лодыгин
же предложил закручивать нить в спираль и
первым, видимо, использовал газонаполненные
лампы, применив для этой цели азот. Будучи
связан с народниками, Лодыгин эмигрировал в
Европу, где провел 23 года с 1884 г. по 1907 г.
Вернувшись в Россию, Лодыгин снова
эмигрировал после Февральской революции 1917 г. -
на этот раз в США, где и жил до самой смерти.]
Эффект Холла, 1879 г.
Электрический ток, текущий по проводнику,
создает магнитное поле, которое можно
измерить с помощью холловских датчиков, не
прерывающих тока. Холловские датчики
применяются в электронных компасах.
Пьезоэлектрический эффект, 1880 г.
В 1881 г. Габриэль Липпман предсказал
обратный пьезоэлектрический эффект, в котором
приложенное к кристаллу электрическое поле
вызывает его деформацию. Пьезоэлектрический
эффект наблюдается не только в кристаллах, но
и в керамиках - неметаллических твердых
материалах, изготовляемых при помощи обжига.
McCarthy, W. Hacking Matter. NY: Basic Book,
2003.
[Обратный пьезоэлектрический эффект - пример
применения выдвинутой в 1881 г. французским
физиком Габриэлем Липпманом (1845-1921)
теоремы об обратимости физических явлений,
согласно которой, зная о существовании
некоторого физического явления, мы можем предсказать
существование и величину обратного эффекта.
Интересно также отметить, что Липпман
получил в 1908 г. Нобелевскую премию за
разработку метода получения цветных изображений на
основе интерференции (1891). В цветной
фотографии метод не используется из-за сложности,
зато он получил дальнейшее развитие при
создании голографии (см. статью «Голограмма»).
«Габриэль Липпман», http://tinyurl.com/
bd4gurm]
Военные тубы, 1880 г.
Self, D., tinyurl.com/yfbgv97.
Stockbridge, F., Pop. Sci., 93: 39; 1918.
Гальванометр, 1882 г.
Гальванометры с подвижной катушкой также
создавались Иоганном Швайггером в 1825 г. и
Леопольдо Нобили в 1828 г. А вот еще два
важных имени в истории гальванометра - Марсель
Депре и Анри Ампер.
Wilson, J. Memoirs of George Wilson. London:
Macmillan, 1861.
[Следует также отметить, что еще до Гаусса
русский офицер, дипломат, историк и изобретатель
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 525

барон Павел Львович Шиллинг фон Канштатт
(1786-1837) в октябре 1832 г. публично
демонстрировал свой электромагнитный телеграф -
также с отклоняющейся стрелкой.
«Гальванометр», http://tinyurl.com/by4t9ra
«Шиллинг, Павел Львович», http://tinyurl.
com/atl7y3k]
Зеленый луч, 1882 г.
[В известной книге Я. И. Перельмана
«Занимательная физика» рассказывается об этом
оптическом явлении и, в частности, об условиях его
наблюдения. Если садящееся Солнце имеет
красный цвет, это означает, что атмосфера
недостаточно чиста и сине-зеленые лучи сильно
рассеиваются, так что «поймать» зеленый луч вряд ли
удастся. Но его можно наблюдать, если Солнце на
закате яркое и обычного светло-желтого цвета.
Сообщалось также о редких случаях
наблюдения зеленого луча от Луны и Венеры, и даже
(однажды) от Юпитера - см. кн.: Миннарт М. Свет
и цвет в природе. - М.: Физматгиз, 1959. Там
же рассказано об аналогичном явлении
«зеленого прибоя» у берегов Суматры, когда гребешки
низких волн на горизонте кажутся наблюдателю
зелеными, а также о существовании
«красного луча», возникающего по тем же физическим
причинам, что и зеленый.]
Опыт Майкельсона-Морли, 1887 г.
Trefi 1, J. The Nature of Science. NY: Houghton
Mifflin, 2003.
Рождение килограмма, 1889 г.
Brumfiel, G., tinyurl.com/n5xajq.
Рождение метра, 1889 г.
Galison, P. Einstein's Clocks, Poincar's Maps. NY:
Norton, 2003.
Гравитационная градиометрия Этвёша, 1890 г.
Kirly, P., tinyurl.com/ybxumh9.
Катушка Теслы, 1891 г.
PBS, tinyurl.com/ybs88x2.
Warren, J. How to Hunt Ghosts. NY: Fireside,
2003.
Термос, 1892 г.
Levy, J. Really Useful. NY: Firefly, 2002.
Рентгеновские лучи, 1895 г.
В 2009 г. был изобретен первый в мире
рентгеновский лазер. Он позволяет получить
импульсы рентгеновских лучей продолжительностью
всего в две миллионных доли наносекунды.
Отметим, что Никола Тесла наблюдал
рентгеновские лучи раньше Рентгена.
Haven, К. 100 Greatest Science Inventions of
All Time. Westport, CT: Libraries Unlimited,
2005.
Закон Кюри, 1895 г.
Закон Кюри справедлив лишь для
определенного диапазона значений Bfxl. Для железа
температура Кюри равна 1043 К.
Радиоактивность, 1896 г.
Hazen, R., Trefil, J. Science Matters. NY: Anchor,
1992.
Battersby, S.//Tallack, P., ed. The Science Book.
London: Weidenfeld & Nicolson, 2001.
Электрон, 1897 г.
ΑΙΡ, tinyurl.com/42snq.
Sherman, J. J. J. Thomson and the Discovery of
Electrons. Hockessin, DE: Mitchell Lane, 2005.
Масс-спектрометр, 1898 г.
Изменяя напряженность магнитного поля,
можно направить к детектору ионы с разными
значениями отношения т/г. В 1918 г. Артур
Джеффри Демпстер построил первый современный
масс-спектрометр, точность которого
превосходила все предыдущие конструкции.
Davies, S.//Defining Moments in Science/Steer,
Μ., Birch, Η., and Impney, Α., eds. NY:
Sterling, 2008.
Лампа черного света, 1903 г.
Rielly, E. The 1960s. Westport, CT: Greenwood
Press, 2003.
Stover, L. Bohemian Manifesto. NY: Bulfinch,
2004.
[Еще одно из известных применений лампы
черного света - установление подлинности банкнот,
имеющих флуоресцирующие метки, и
выявление у преступников купюр, предварительно
меченых правоохранительными органами.]
Уравнение Циолковского для ракеты, 1903 г.
Kitson, D.//Defining Moments in Science/Steer,
Μ., Birch, Η., and Impney, Α., eds. NY:
Sterling, 2008.
526 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[По другим данным Циолковский вывел это
уравнение в мае 1897 г. Следует отметить, что
уравнение Циолковского следует из решения
основного уравнения механики движения тела
переменной массы, полученного и
исследованного Иваном Всеволодовичем Мещерским
(1859-1935) в его магистерской диссертации,
защищенной в Петербургском университете
в 1897 г., см. http://www.spbstu.ru/history/
rec tors/mecshersky. html
«Формула Циолковского», http://tinyurl.com/
a9ktbko
«Иван Всеволодович Мещерский», http://
tinyurl.com/apgdb5b
«Директор Политехнического института
И. В. Мещерский», http://tinyurl.com/bz5p9e9 ]
Преобразования Лоренца, 1904 г.
В 1905 г. Эйнштейн вывел преобразования
Лоренца из исходного предположения своей
специальной теории относительности - скорость света в
вакууме постоянна в любой инерциальной
системе отсчета. Эти преобразования рассматривали
также и другие физики: Джордж Френсис Фиц-
джеральд, Джозеф Лармор и Вольдемар Фогт.
[В современной терминологии говорят не о
зависимости массы от скорости, но о
релятивистском выражении для импульса ρ частицы:
mv
ρ = — вместо привычного в классической
физике ρ = mv. Соответственно, не употребляют
термина «масса покоя», но говорят просто
«масса», и вместо обозначения т0 используют т.]
Специальная теория относительности, 1905 г.
[Говоря о специальной теории
относительности (СТО), невозможно не упомянуть о
великом французском математике Анри Пуанкаре
(1854-1912), старшем брате Раймона Пуанкаре,
президента Франции во времена Первой
мировой войны. Независимо от Эйнштейна Анри
Пунакаре дал точную формулировку
преобразований Лоренца (сам Лоренц получил их в
приближенном виде), еще в 1898 г. сформулировал
принцип относительности, распространив его не
только на явления механики, в 1900 г. говорил
об относительности одновременности двух
событий, а в 1905 г. развил свои идеи в статье «О
динамике электрона», предварительный вариант
которой вышел чуть раньше основной статьи
Эйнштейна, а полный - позже, в 1906 г. Наряду
с Эйнштейном, Анри Пункаре следует считать
одним из классиков и основоположников
релятивистской (основанной на СТО) физики.
В СТО при переходе к другой системе отсчета
пространственные и временные координаты
преобразуются друг через друга. Рихард Вагнер
будто предвидел появление такой теории. В его
последней опере «Парсифаль» (1882) мудрый
рыцарь Гурнеманц говорит об обители Св. Грааля:
«Ты видишь, сын мой, здесь время становится
пространством» (Du siehst, mein Sohn, гит Raum
wird hier die Zeit). Немецкий математик Герман
Минковский (1864-1909) дал геометрическую
интерпретацию, провозгласив в 1908 г., что
«отныне пространство само по себе и время само по
себе должны обратиться в фикции и лишь
некоторый вид соединения обоих должен еще
сохранить самостоятельность». Это соединение
называется ныне пространством Минковского или,
на языке математики, четырехмерным
псевдоевклидовым пространством. Пространство
Минковского - это «вместилище» таких теорий, как
квантовая электродинамика, Стандартная
теория, квантовая хромодинамика.
«Анри Пуанкаре», http://tinyurl.com/b7j48es
«Герман Минковский», http://tinyurl.com/
bz94l5n
Принцип относительности. - М.: Атомиздат,
1973. (Сборник работ по СТО, включающий
основополагающие публикации А. Пуанкаре,
Г. А. Лоренца, Дж. Лармора, Г. Минковского,
а также статьи по истории создания СТО.)]
£ = /исМ905 г.
Farmelo, G. It Must be Beautiful. London: Granta,
2002.
Bodanis, D. Ε = тс2, NY. Walker, 2005.
[В энергию излучения Солнца превращается
около 4 млн τ в секунду. По оценкам в одном
кубическом метре в центре Солнца выделяется
мощность всего около 300 ватт. Это на порядок
меньше удельного (на единицу объема)
тепловыделения человека. Удельное тепловыделение
всего объема Солнца еще на два порядка
меньше. Такое «экономное» расходование ядерного
топлива позволит Солнцу гореть еще несколько
млрд лет, что не может не радовать человечество.
«Солнце» http://tinyurl.com/d9dtbt5 ]
Фотоэффект, 1905 г.
Lamb, W., Scully, M. Jubilee Volume in Honor of
Alfred Kastler. Paris: Presses Universitaires
de France, 1969.
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 527

Kimble, J., et al. Phys. Rev. Lett. 39: 691; 1977.
[Эйнштейн создал теорию фотоэффекта,
опираясь на три его закона, установленные
экспериментально. Впервые явление фотоэффекта в
металлах заметил Генрих Герц в 1887 г, за 10 лет
до открытия электрона! Независимость энергии
выбиваемых электронов от интенсивности света
обнаружил русский физик Александр
Григорьевич Столетов (1839-1896), изучавший
фотоэффект в период 1888-1891 гг.
Пропорциональность энергии фотоэлектронов частоте
падающего света и существование красной границы
фотоэффекта открыл в 1902 г. немецкий физик
Филипп Эдуард Антон фон Ленард (1862-1947).
История открытия фотоэффекта, связанная с
именами других исследователей, детально
изложена в английской версии Википедии, см.
http://tinyurl.com/5tfqdt.
См. также:
«Фотоэффект», http://tinyurl.com/bbo8rjn
«А. Г. Столетов», http://tinyurl.com/aqsyy8h ]
Третье начало термодинамики, 1905 г.
Trefil, J., The Nature of Science. NY: Houghton
Mifflin, 2003.
Счетчик Гейгера, 1908 г.
Bookrags, tinyurl.com/y89j2yz.
Космические лучи, 1910 г.
Когда космические лучи взаимодействуют с
межзвездным газом в Галактике, возникает
гамма-излучение, которое может достичь
детекторов на Земле.
Pierre Auger Observatory, tinyurl.com/y8eleez.
Сверхпроводимость, 1911 г.
Baker, J. 50 Physics Ideas You Really Need to
Know. London: Quercus, 2007.
How Stuff Works, tinyurl.com/anb2ht.
[Трудно объяснить отсутствие в статье о
сверхпроводимости хотя бы упоминания имен
советских ученых, в первую очередь Николая
Николаевича Боголюбова (1909-1992), Виталия
Лазаревича Гинзбурга (1916-2009) и Льва
Давидовича Ландау (1908-1968).
Рекорд среди так называемых
высокотемпературных сверхпроводников принадлежит пока
открытому в 1993 г. в МГУ им. М. В.
Ломоносова соединению HgBa2Ca2Cu308 с критической
температурой-138 °С (135 К).
« Высокотемпературная сверхпроводимость »,
http://tinyurl.com/a2asgfa]
Атомное ядро, 1911 г.
В 1909 г. Резерфорд руководил экспериментом
на золотой фольге, который провели Ганс Гейгер
и Эрнест Масден.
Gribbin, J. Almost Everyone's Guide to Science.
New Haven, CT: Yale University Press, 1999.
Вихревая дорожка Кармана, 1911 г.
Chang, I., Thread of the Silkworm. NY: Basic
Books, 1996.
Hargittai, I. The Martians of Science. NY: Oxford
University Press, 2006.
Туманная камера Вильсона, 1911 г.
[Поместить камеру Вильсона в магнитное поле
предложили в 1927 г. советские физики Петр
Леонидович Капица (1894-1984) и Дмитрий
Владимирович Скобельцын (1892-1990). В
пузырьковых камерах след от ионизирующей
частицы виден, потому что перегретая жидкость
вскипает на ее пути.]
Переменные звезды цефеиды и размеры
Вселенной, 1912 г.
Leavitt, Η., Pickering, E. Harvard College
Observatory Circular, 173; 1, 1912.
Условие Брэгга для дифракции на кристалле,
1912 г.
[Работа Брэггов была опубликована в 1913 г.
В том же году эту формулу вывел независимо от
Брэгга Георгий Викторович Вульф (1863-1925),
поэтому в отечественной литературе она
известна как условие Брэгга-Вульфа.]
Атом Бора, 1913 г.
В 1925 г. Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Па-
скуаль Йордан создали матричную механику -
одну из эквивалентных формулировок
квантовой механики.
Goswami, A. The Physicists' View of Nature, Vol.
2. NY: Springer, 2002.
Trefil, J. The Nature of Science. NY: Houghton
Mifflin, 2003.
Опыт Милликена с масляными каплями, 1913 г.
Милликен также облучал капли
рентгеновскими излучением, что меняло ионизацию молекул
в капле и, соответственно, ее полный заряд.
528 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Tipler, P., Llewellyn, R. Modern Physics. NY:
Freeman, 2002.
Теория струн, 1919 г.
См. примечания к статье «Теория всего».
Atiyah, M. Nature, 438, 1081; 2005.
Эйнштейн как источник вдохновения, 1921 г.
Levenson, Т. Discover, 25: 48; 2004.
Ferren, В. Discover, 25: 82; 2004.
Опыт Штерна-Герлаха, 1922 г.
Опыт Штерна-Герлаха проводился с
нейтральными атомами. Если бы вместо них
использовались ионы или свободные электроны,
изучаемое отклонение под действием магнитного поля
маскировалось бы более сильным отклонением
вследствие ненулевого электрического заряда.
Gilder, L. The Age of Entanglement. NY: Knopf,
2008.
Неоновая реклама, 1923 г.
Hughes, Η., West, L. Frommer's 500 Places to See
Before They Disappear. Hoboken, NJ: Wiley,
2009.
Kaszynski, W. The American Highway, Jefferson.
NC: McFarland, 2000.
Эффект Комптона, 1923 г.
[Автор не вполне точен. Связь энергии и частоты
Ε = hf - это соотношение Планка, обобщенное
Эйнштейном на распространение света, а связь
энергии электромагнитного излучения с его
импульсом Е=рс известна и в классической теории
электромагнетизма. Отсюда и следует
соотношение ρ = hf /с между импульсом и частотой
фотона. Связь энергии и массы Ε = тс2 также
использовалась позже при расчете эффекта Комптона,
а именно при применении законов сохранения
энергии и импульса к столкновению фотонов с
электронами. И фигурирующая в данном
контексте масса т - это масса электрона.]
Соотношение де Бройля, 1924 г.
Baker, J. 50 Physics Ideas You Really Need to
Know. London: Quercus, 2007.
[Нобелевская премия за независимое
открытие дифракции электронов на кристаллах была
присуждена в 1937 г. Клинтону Дэвиссону и
почему-то не упомянутому автором
английскому физику Джорджу Паджету Томсону (1892-
1975).]
Принцип запрета Паули, 1925 г.
Massimi, M. Pauli's Exclusion Principle. NY:
Cambridge University Press, 2005.
Watson, A. The Quantum Quark. NY: Cambridge
University Press, 2005.
Волновое уравнение Шрёдингера, 1926 г.
Макс Борн интерпретировал ψ как амплитуду
вероятности.
Miller, A.//Farmelo, G. It Must be Beautiful.
London: Granta, 2002.
Trefil, J. The Nature of Science. NY: Houghton
Mifflin, 2003.
Принцип дополнительности, 1927 г.
Cole, К. First You Build a Cloud. NY: Harvest,
1999
Gilder, L. The Age of Entanglement. NY: Knopf,
2008.
Wheeler, J. Physics Today, 16: 30; 1963.
[Принцип дополнительности относится скорее
к философии естествознания и философской
теории познания, чем непосредственно к
физике. Соотношения Планка-Эйнштейна Ε = hf и
де Бройля λ = h/p выражают корпускулярные
свойства фотона (энергию Ε и импульс р) через
волновые характеристики света (частоту f и
длину волны λ). Постоянная Планка h (т. е.
квантовая теория) связала волновое и корпускулярное
описания микромира, которые в силу нашего
макроскопического опыта - показаний наших
органов чувств и приборов - кажутся нам
несовместимыми. Оба этих описания принадлежат
классической физике, к ней же относятся наши
органы чувств и приборы. В квантовой же
физике каждое из них дополняет другое, и для
полного понимания квантовых явлений необходимы
оба описания. Будучи принципиально
классическими, они отрицают друг друга, но
утверждать, что одно из них более истинно, чем другое,
нельзя.]
Сверхзвуковой щелчок кнутом, 1927 г.
McMillen, Т., Goriely, A. Phys. Rev. Lett., 88:
244301-1:2002.
McMillen, Т., Goriely, A. Physica D, 184: 192; 2003.
Уравнение Дирака, 1928 г.
Wilczek, F.//Farmelo, G. It Must Be Beautiful.
NY: Granata, 2003.
Freeman, D.//Cornwell, J. Nature's Imagination.
NY: Oxford University Press, 1995.
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 529

Закон Хаббла о расширении Вселенной, 1929 г.
Huchra, J., tinyurl.com/yc2vy38.
[Утверждение об ответственности эффекта
Доплера за космологическое красное смещение
неточно, здесь все дело именно в расширении
пространства. Если за время путешествия к нам
света, испущенного далекой галактикой,
пространство расширилось, то вместе с ним
расширился и испущенный цуг световых волн, т. е.
увеличилась длина волны, которую
зафиксирует приемник. Линейная зависимость скорости
разбегания точек пространства от расстояния
между ними получена Александром Фридманом
в 1922 г. в Петрограде решением уравнений
общей теории относнтельностн (см. примечания и
ссылки к статье «Большой взрыв»).]
Циклотрон, 1929 г.
Dennison, N.//Defining Moments in Science.
Steer, M., Birch, H., and Impney, Α., eds. NY:
Sterling, 2008.
Herken, G. Brotherhood of the Bomb. NY: Henry
Holt, 2002.
[Первый в Европе циклотрон был построен
в Радиевом институте в Ленинграде в самом
начале 1937 г. Его диаметр составлял 1 м, а
энергия протонов достигала 4,5 МэВ, что было
вполне сравнимо с действующим на тот момент
циклотроном в Беркли диаметром 27 дюймов
(68 см) и энергией протонов 5 МэВ. Правда,
уже к осени того же года американцы
модифицировали ускоритель - диаметр был увеличен
до 37 дюймов (94 см), а энергия протонов -
до 8 МэВ.]
Белые карлики и предел Чандрасекара, 1931 г.
Благодаря аккреции вещества из ближайших
звезд масса белых карликов увеличивается. При
приближении массы к пределу Чандрасекара
возрастает число реакций синтеза, что может
привести к взрыву сверхновой типа 1а, который
разрушит звезду.
Нейтрон, 1932 г.
В процессе бета-распада свободный нейтрон
превращается в протон, испуская электрон и
антинейтрино.
Cropper, W. Great Physicists. NY: Oxford
University Press, 2001.
Oliphant, M. Bull. Atomic Scientists, 38: 14; 1982.
[Еще в 1930 г. проникающее неионизирующее
излучение, возникающее при бомбардировке
бериллия альфа-частицами было обнаружено
немецким физиком Вальтером Боте (1891-1957),
который посчитал его потоком жестких гамма-
квантов. Такого же мнения придерживались
супруги Жолио-Кюри, сделавшие удивительное
открытие - оказалось, что это излучение
выбивает из тонкой парафиновой пластинки протоны
высоких энергий. Лауреат Нобелевской премии
по физике Стивен Вайнберг пишет в своей
книге «Открытие субатомных частиц» (М.: Мир,
1986. С. 199): «Если по предположению
супругов Жолио-Кюри испускаемое бериллием
излучение действительно имеет электромагнитную
природу, то ядра бериллия должны выделять
в десять раз больше энергии, чем имели
альфа-частицы, порождающие эти лучи. Супруги
Жолио-Кюри даже усомнились, соблюдается ли
в этих процессах закон сохранения энергии».
Чэдвик проанализировал данные по рассеянию
этого излучения на мишенях из других
материалов, и обнаружил, что под действием излучения
из мишени вылетают не только протоны, но и
ядра других элементов. Сравнивая их скорости,
он пришел к выводу, что излучение состоит из
тяжелых нейтральных частиц с массой,
близкой к массе протона. Он же назвал новую
частицу «нейтроном». Как пишет историк науки
А. Н. Вяльцев в книге «Открытие элементарных
частиц. Нуклоны и антинуклоны» (М.: Наука,
1984, с. 89), «Первенство Чедвика в
установлении реакции α + 9Ве —* |2С + η тем
многозначительнее, что оно буквально было вырвано им
у немецкой и французской групп
исследователей». В упомянутой книге С. Вайнберга
приводятся слова блестящего итальянского физика
Этторе Майораны (1906-1938), услышавшего о
наблюдении супругами Жолио-Кюри быстрых
протонов отдачи: «Нет, ты только посмотри на
этих идиотов: они открыли нейтральный протон
и даже не поняли этого». Говоря об
исследованиях в США в 1942 г. цепной реакции, автор,
видимо, имеет в виду пуск первого ядерного реактора
в Чикаго под руководством эмигрировавшего
итальянского физика, лауреата Нобелевской
премии 1938 г. Энрико Ферми (1901-1954).
Теоретические исследования ядерной цепной
реакции проводились и ранее, в том числе в 1939 г.
советскими учеными Юлием Борисовичем Ха-
ритоном (1904-1996) и Яковом Борисовичем
Зельдовичем (1914-1987), будущими создателя-
530 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ми ядерного оружия в СССР - см. примечания к
статье «Ядерная энергия».]
Антивещество, 1932 г.
В 2009 г. ученые обнаружили рождение
позитронов в грозовых разрядах.
Baker, J. 50 Physics Ideas You Really Need to
Know. London: Quercus, 2007.
Kaku, M. Visions. NY: Oxford University Press,
1999.
Темная материя, 1933 г.
Темная материя может быть также
обнаружена по гравитационному линзированию, когда
галактические кластеры своим тяготением
искривляют путь световых лучей от находящихся
за ними звезд.
McNamara, G., Freeman, К. In Search of Dark
Matter. NY: Springer, 2006.
[По современным оценкам лишь 4,4% массы
Вселенной приходится на обычное вещество,
около 23% - на темную материю, а остальные
72% с лишним - на еще более загадочную
темную энергию.]
Нейтронные звезды, 1933 г.
Нейтроны в недрах нейтронных звезд
образуются, когда огромные силы тяготения как бы
вдавливают электроны в протоны.
Излучение Черенкова, 1934 г.
[В отечественной литературе часто говорят об
эффекте Вавилова -Черенкова, отмечая роль
Сергея Ивановича Вавилова (1891-1951), научного
руководителя П. А. Черенкова, по чьей
инициативе были проведены эти экспериментальные
исследования. Теоретическое объяснение
излучению Черенкова дали в 1937 г. советские
физики Игорь Евгеньевич Тамм (1895-1971) и Илья
Михайлович Франк (1908-1990). Интересно, что
Арнольд Зоммерфельд (1869-1951) рассмотрел в
1904 г. движение в эфире заряженной частицы со
скоростью, превышающей скорость света, и
пришел к выводу, что она должна излучать. Однако
после создания специальной теории
относительности понятие эфира было отброшено, движение
быстрее скорости света в вакууме было признано
невозможным, и об этой работе забыли. Арнольд
Зоммерфельд был учителем пяти Нобелевских
лауреатов по физике и химии (В. Гейзенберг, П.
Дебай, В. Паули, Л. Полинг и X. Бете), но сам
такой чести не удостоился, хотя неоднократно
был номинирован. Излучение Черенкова
нашло практическое применение в черенковских
счетчиках - детекторах элементарных частиц,
использующихся в физике высоких энергий,
ядерной физике и астрофизике. Ими были
оборудованы, например, нейтринные обсерватории,
где изучались нейтрино, испущенные Солнцем.]
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена,
1935 г.
Хотя в нашем примере мы говорили о спине, для
демонстрации этого парадокса могут быть
использованы другие наблюдаемые
характеристики, например поляризация фотонов.
Кот Шрёдингера, 1935 г.
Moring, G. The Complete Idiot's Guide to
Understanding Einstein. NY: Alpha, 2004.
Сверхтекучесть, 1937 г.
Сверхтекучесть была найдена у двух изотопов
гелия, одного изотопа рубидия и одного изотопа
лития. Гелий-3 становится сверхтекучим при
другой температуре и по другим причинам,
нежели гелий-4. Оба изотопа не затвердевают даже
при самых низких из достигнутых температур
(при обычном давлении).
[Здесь нельзя не отметить феноменологическую
теорию сверхтекучести (1941 г., Нобелевская
премия в 1962 г.) Льва Давидовича Ландау
(1908-1968) и микроскопическую теорию
сверхтекучести (1947) Николая Николаевича
Боголюбова (1909-1992). ]
Ядерный магнитный резонанс, 1938 г.
Ernst, R. Foreword to NMR in Biological Systems.
Chary, K., Govil, G., eds. NY: Springer, 2008.
Ядерная энергия, 1942 г.
Weisman, A. The World Without US. NY: Mac-
millan, 2007.
[Расщепление ядра урана при бомбардировке его
нейтронами открыли в декабре 1938 г. немецкие
физики Отто Ган (1879-1968) и Фриц Штрасс-
ман (1902-1980). Их результаты были
опубликованы 6 января 1939 г. Отто Ган немедленно
проинформировал об этом Лизе Майтнер,
своего друга и многолетнего сотрудника, которая к
тому времени нелегально бежала от нацистов в
Швецию, где ее как раз в этот момент навестил
на рождественских каникулах ее племянник
Отто Фриш, работавший в Копенгагене. Вернув-
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 531

шись туда, Фриш с помощью камеры Вильсона
проверил выводы о делении ядер урана на более
мелкие осколки. Уже 11 февраля 1939 г. они
опубликовали теоретическое обоснование
результатов Гана и Штрассмана. Сама Лизе Майт-
нер позже говорила: «Открытие расщепления
ядра Отто Ганом и Фрицем Штрассманом
стало началом новой эпохи в истории человече
ства. Научное достижение, лежавшее в основе
этого открытия, потому кажется мне столь
необыкновенным, что оно было достигнуто
чисто химическим путем, без всяческой тео
ретической наводки». ...Это удалось с помощью
необычайно хорошей, просто фантастически
хорошей, химической работы Гана и Штрасс
мана. на которую в те времена больше никто
не был способен. Позже американцы научились.
Но тогда Ган и Штрассман были действа
тельно единственными». Цит. по Википедии,
http://tinyurl.com/b7bbvwk. В 1944 г. Отто Ган
получил Нобелевскую премию по химии.
В СССР теоретические расчеты цепной реакции
деления урана провели в 1939 г. Я. Б. Зельдович
и Ю. Б. Харитон. Оценки критической массы
урана были в то время завышенными, и все же
Г. X. Франк-Каменецкий писал в мае 1940 г. в
научно-популярном журнале «Природа» (№ 5,
с. 22-33): «Из этих расчетов, которые на первый
взгляд приводят к пессимистическим выводам,
видно, однако, по какому пути можно идти для
осуществления цепной реакции. Достаточно
повысить в уране концентрацию изотопа U235,
чтобы реакция оказалась возможной. Если, с
другой стороны, в качестве замедлителя вместо
водорода использовать дейтерий, то поглощения
в замедлителе практически не будет, и реакция,
очевидно, также будет осуществима. Оба пути
кажутся сейчас довольно фантастическими,
если вспомнить, что для осуществления
реакции необходимы тонны урана. Однако
принципиально возможность использования
внутриядерной энергии открыта.»]
Дурацкая замазка, 1943 г.
Честь изобретения «дурацкой замазки» иногда
оспаривается в пользу других людей, среди
которых Эрл Уоррик из Dow Corning Corporation.
Fleckner, J., tinyurl.com/ydmubcy.
Пьющая птичка, 1945 г.
Sobey, Ε., Sobey, W. The Way Toys Work. Chicago,
IL: Chicago Review Press, 2008.
Атомная бомба «Малыш», 1945 г.
Вторая атомная бомба «Толстяк» была взорвана
над Нагасаки через три дня после Хиросимы.
В «Толстяке» использовался плутоний-239, а
имплозивная схема подрыва - как у бомбы
«Троица», испытанной в пустыне Нью-Мехико.
Через шесть дней после бомбардировки Нагасаки
Япония капитулировала.
Транзистор, 1947 г.
Riordan, Μ., Hoddeson, L. Crystal Fire. NY:
Norton, 1998.
[Более подробно о вкладе Юлиуса Лилиенфель-
да в электронику можно прочесть по адресу:
http://tinyurl.coni/aezlmrb. Об изобретателях
транзистора в Европе см. статьи http://tinyurl.
com/d9c76sm и http://tinyurl.com/ajb8n4g.]
Звуковой удар, 1947 г.
[Скорость самолета влияет на ширину (угол
раствора) конуса ударной волны.
Что касается эффекта Прандтля-Глоерта, то
он, вообще говоря, не связан непосредственно
со сверхзвуковой скоростью объекта. В
Википедии ( http://tinyurl.com/at4uo9h) сказано:
«Существует распространенное заблуждение, что
возникновение облака из-за эффекта
Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент
самолет преодолевает "звуковой барьер".
Проявление этого эффекта зависит от
соотношения между скоростью самолета, влажностью
воздуха и температурой последнего. В
условиях нормальной или слегка повышенной
влажности облако образуется только при больших
скоростях, близких к скорости звука. В то же
время при полетах на малой высоте и в
условиях очень высокой влажности (например, над
океаном) этот эффект можно наблюдать и при
скоростях, значительно меньших скорости
звука. Иногда это явление наблюдается у быстрых
автомобилей. · ]
Голограмма, 1947 г.
Теория голографии Габора опередила появление
лазерных источников света. В голограмме можно
создать иллюзию движения, если экспонировать
голографическую пластинку много раз при
разном положении объекта. Интересно, что
пластинку можно разбить на мелкие кусочки, и каждый
из них воспроизведет изображение
оригинального объекта. Голограмма - это запись фазы и
амплитуды света, отраженного от объекта.
532 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Kasper, J., Feller, S. The Complete Book of
Holograms. Hoboken, NJ: Wiley, 1987.
[B 1962 г. советский ученый Юрий Николаевич
Денисюк (1927-2006) изобрел способ записи
голограммы в трехмерных средах - на
фотопластинку с толстым слоем эмульсии.
Интерференция опорной и предметной волн возникает в
толще эмульсии. При освещении пучком обычного
света такие отражательные голограммы как бы
сами выбирают нужные длины волн и
восстанавливают цветное объемное изображение,
практически неотличимое от самого объекта. Метод был
зарегистрирован в СССР в качестве открытия.]
Квантовая электродинамика, 1948 г.
Лэмбовский сдвиг - это небольшая разница в
энергии двух состояний атома водорода,
вызванная взаимодействием электрона с вакуумом.
Экспериментальное наблюдение лэмбовского
сдвига привело к созданию теории
перенормировок и современной квантовой электродинамики.
Greene, В. The Elegant Universe. NY: Norton,
2003.
QED, Britannica, tinyurl.com/yaf6uuu.
[Быть может, стоит подчеркнуть, что диаграммы
Фейнмана - это не просто наглядные картинки,
но удобный и общепринятый способ записи
алгоритма для последующих математических
вычислений, весьма порой трудоемких. Существуют
определенные правила (Фейнмана) построения
таких диаграмм. При этом каждой линии и
вершине на диаграмме соответствуют вполне
конкретные математические выражения.]
Тенсегрити, 1948 г.
В 1949 г. Б. Фуллер придумал конструкцию в
форме икосаэдра, основанную на принципах
тенсегрити. Ранние исследования подобных
структур проводил также Карл Иогансон.
Старинные парусники, где использовались канаты,
идущие к вертикальным стойкам, тоже могли
строиться по принципам тенсегрити. Фуллер
получил много ключевых патентов на тенсегрити.
Цитоскелет клетки состоит из молекулярных
стоек и цепочек, соединяющих рецепторы на
поверхности клетки с ее центральным ядром.
[Сам термин «тенсегрити» - неологизм,
образованный от английских слов tension -
напряжение, натяжение и structural integrity -
структурная целостность. Иногда его переводят как
«напряженная целостность». Употребляется в
архитектуре, биологии и философии. Жители
Москвы имеют возможность увидеть в
Сокольниках купол Фуллера диаметром 64 м и
высотой 30 м, построенный по его проекту для
Американской национальной выставки в 1959 г. и
ставший ее «гвоздем».
Карл Вольдемарович Иогансон (1890-1929) -
латвийский и советский
художник-конструктивист. Высказывалось мнение, что его
«самонапряженные конструкции» предвосхитили идеи
тенсегрити (см в Википедии, http://tinyurl.
com/bul8gy4.)]
Эффект Казимира, 1948 г.
Эффект точно измерен в 1996 г. физиком
Стивом Ламоро. Один из ранних экспериментов был
проведен Маркусом Спаарнеем в 1958 г.
Reucroft, S., Swain, J. tinyurl.com/yajqouc.
Klimchitskaya, G., et al., tinyurl.com/yc2eq4q.
[Сила притяжения в эффекте Казимира очень
мала. Так, проводящие пластинки площадью
1 см2, расположенные на расстоянии 0,5 мкм,
притягиваются с силой 2 микроньютона. С
такой силой притягивается к Земле масса 0,2
миллиграмма. Но на расстоянии 10 нм, что в сто раз
больше размеров атома, давление наружного
вакуума на пластины уже станет больше
атмосферного и составит 930 мм рт. ст.
В статье «Эффект Казимира» в Википедии
(http://tinyurl.com/9vngp) рассказывается:
«Явление, схожее с эффектом Казимира,
наблюдалось еще в XVIII в. французскими моряками.
Когда два корабля, раскачивающихся из
стороны в сторону в условиях сильного волнения, но
слабого ветра, оказывались на расстоянии менее
приблизительно 40 метров, в результате
интерференции волн в пространстве между кораблями
прекращалось волнение. Спокойное море между
кораблями создавало меньшее давление, чем
волнующееся с внешних бортов кораблей. В
результате возникала сила, стремящаяся
столкнуть корабли бортами».]
Радиоуглеродный метод датировки, 1949 г.
Для датировки очень старых горных пород
применяются другие методы - например,
калий-аргоновая датировка.
Bryson, В. A Short History of Everything. NY:
Broadway, 2003.
[Радиоизотопное датирование, см. http://
tinyurl.com/bw9coap]
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 533

Парадокс Ферми, 1950 г.
[В статье «Уравнение Дрейка» в Википедии
(http://tinyurl.com/ydr55dx) приводятся
оценки самого Дрейка, согласно которым N = 10.
Далее значения кое-каких параметров уточнены по
современным данным, кое-какие оставлены как
у Дрейка - в частности, оценка времени жизни
технической цивилизации L = 10 000 лет. В
результате получено пессимистическое значение
N = 0,002.]
Фотоэлементы, 1954 г.
Процесс добавления к кремнию примесей
(например, фосфора) называется легированием
(или допированием). Кремний, легированный
фосфором, является полупроводником л-типа
(от слова negative - отрицательный). Свойства
проводимости кремния радикально меняются
при легировании. Среди других материалов,
используемых в фотоэлементах, следует отметить
арсенид галлия. [Арсенид галлия - химическое
соединение галлия и мышьяка. Этот
полупроводник по масштабам использования в
промышленности уступает лишь кремнию и германию].
Падающая книжная башня, 1955 г.
Walker, J. The Flying Circus of Physics. Hoboken,
NJ: Wiley, 2007.
Наблюдение отдельного атома, 1955 г.
О сканирующем туннельном микроскопе
написано в статье «Квантовое туннелирование».
Заметим также, что атомно-силовой микроскоп,
созданный в 1980-х гг., - это другой вариант
сканирующего микроскопа высокого
разрешения. В нем меняющаяся сила между
поверхностью образца и зондом приводит к отклонению
упругой консоли (кантилевера) в соответствии с
законом Гука.
Crewe, Α., Wall, J., Langmore, J., Science, 168:
1338; 1970.
Markoff , J., tinyurl.com/ya2vg4q.
Nellist, P., tinyurl.com/ydvj5qr.
Атомные часы, 1955 г.
В 2010 г. среди наиболее точных «хранителей
времени» были «оптические часы». В них
использовались атомы (например, алюминий-27),
частоты колебаний которых лежат в диапазоне
видимого света, а не в микроволновой области.
[В августе 2011 г. появилось сообщение, что
сегодня самые точные часы в мире - цезиевые
атомные часы NPL-CsF2 в Национальной
физический лаборатории Великобритании,
точность хода которых составляет одну секунду
за 138 млн лет (см. сайт НФЛ http://tinyurl.
com/6bwnxns.]
Параллельные мнры, 1956 г.
[Многомировая интерпретация квантовой
механики не предполагает наличия других миров,
такое название не вполне точно. Согласно этой
теории, реально существует лишь единственный
и единый мир, но разделение его на
наблюдателя и наблюдаемый объект неоднозначно. В этом
смысле существуют разные варианты, в каждом
из которых есть свой наблюдатель, получающий
свой результат наблюдения.]
Нейтрино, 1956 г.
Помимо Солнца, существуют и другие
источники нейтрино: ядерные реакторы,
атмосферные нейтрино (рождающиеся во
взаимодействии космических лучей с атомными ядрами),
сверхновые и нейтрино, рожденные в Большом
взрыве. Нейтринная обсерватория «Ледяной
кубик» - это нейтринный телескоп, недавно
построенный глубоко во льдах Антарктиды.
Lederman, L., Teresi, D. The God Particle. Boston,
MA: Mariner, 2006.
[http://ru.wikipedia.org/wiki/IceCube]
Токамак, 1956 г.
В реакции синтеза участвуют изотопы
водорода - дейтерий и тритий. Нейтроны, рожденные
в реакции, покидают токамак и поглощаются
окружающими стенками, что приводит к их
нагреванию. Отходы реакции синтеза не могут
быть использованы для создания ядерного
оружия. Одно из магнитных полей в токамаке
создается внешним электрическим током, текущим
по катушке, намотанной на «бублик». Меньшее
магнитное поле генерируется электрическим
током, протекающим вокруг тора в плазме.
[Слово токамак - это аббревиатура русского
названия Тороидальная КАмера с МАгнитны-
ми Катушками. Первый токамак был построен
в СССР в 1956 г. После достижения в 1968 г. на
токамаке Т-3 рекордной температуры плазмы в
10 млн градусов такие установки стали строить
и в других странах. ITER - английская
аббревиатура названия «Международный
термоядерный экспериментальный реактор». Это
совместный проект стран ЕС (через ЕВРАТОМ), Индии,
Китая, Южной Кореи, России, США и Японии.
534 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Температура плазмы в ITER должна составить
100 млн градусов.
ITER, http://tinyurl.com/2d57p5r]
Интегральные микросхемы, 1958 г.
Bellis, Μ., tinyurl.com/y93fp7u.
Miller, M., tinyurl.com/nab2ch.
Лазер, 1960 г.
С развитием лазеров ассоциируются имена
многих исследователей, включая Николая Басова,
Александра Прохорова, Гордона Гулда и многих
других.
[Следующий шаг после Эйнштейна, приведший
к созданию лазеров, сделал советский физик
Валентин Александрович Фабрикант (1907-1991),
еще в 1939 г. сформулировавший принцип
усиления электромагнитного излучения при
прохождении сред с инверсной населенностью
уровней, лежащий в основе квантовой электроники.
В 1951 г. Фабрикант с двумя сотрудниками
получили в СССР свидетельство на открытие способа
усиления с помощью вынужденного излучения.
В мае 1952 г. на Всесоюзной конференции по
радиоспектроскопии Николай Геннадиевич Басов
(1922-2001) и Александр Михайлович Прохоров
(1916-2002) сделали доклад о принципиальной
возможности создания усилителя излучения на
основе молекул аммиака, который они назвали
«молекулярным генератором». В 1954 г.
аммиачные мазеры были сделаны Басовым и
Прохоровым в Физическом институте им. П. Н.
Лебедева АН СССР в Москве и независимо группой
Таунса в Колумбийском университете в Нью-
Йорке, США, за что в 1964 г. Басов, Прохоров
и Таунс вместе получили Нобелевскую премию.
О менее известных страницах истории
изобретения лазера см. статью «Забытые отцы лазера»,
http://tinyurl.com/d32ottn, где, в частности,
рассказано об «одиссее» Гордона Гулда.]
Установившаяся скорость падения в среде,
1960 г.
[В октябре 2012 г. австрийский парашютист
Феликс Баумгартнер (р. 1969) прыгнул со
стратостата с высоты 39 045 м, пролетел в свободном
падении 36 529 м, достигнув предельной
скорости 1342,8 км/ч, что превысило скорость звука.]
Антропный принцип, 1961 г.
Hawking, S. A Brief History of Time. NY: Bantam
Books, 1988.
Trefil, J. The Nature of Science. NY: Houghton
Mifflin, 2003.
Стандартная модель, 1961 г.
Открытие Шелдоном Глэшоу способа объединить
электромагнитные и слабые взаимодействия
стало одним из первых шагов к Стандартной
модели. Стивен Вайнберг и Абдус Салам также
внесли значительный вклад. Говоря о субатомных
частицах, отметим, что в 1935 г. Хидеки Юка-
ва предсказал существование пи-мезона
(«пиона») - переносчика сильных взаимодействий
между нуклонами, соединенными в атомное
ядро. Глюоны переносят взаимодействия между
кварками и косвенно вовлечены в создание сил,
связывающих протоны и нейтроны.
Battersby, S.//Tallack, P., ed. The Science Book.
London: Weidenfeld & Nicolson, 2001.
[Объединенная теория электрослабых
взаимодействий, переносимых безмассовым фотоном
(обычные электромагнитные взаимодействия)
и тройкой очень массивных бозонов W", W и Z"
(слабые взаимодействия) была создана в
работах Шелдона Глэшоу (р. 1932), Абдуса Салама
(1926-1996) и Стивена Вайнберга (род. 1933),
которые втроем и получили за нее Нобелевскую
премию в 1979 г. Большое отличие
электромагнитных взаимодействий от слабых, хотя они и
описываются в рамках единой математической
схемы, объясняется наличием бозона Хиггса,
взаимодействие с которым генерирует массы
W', W и Z0 (см. ниже примечание к статье
«Бозон Хиггса»).]
Квантовая хромодинамка (КХД) - теория
сильных «цветовых» взаимодействий кварков
посредством обмена глюонами - также является
частью Стандартной модели, но как отдельная
теория. Объединение электрослабых
взаимодействий с сильными (цветовыми) ставилось
как цель теорий Великого объединения. Однако
многие физики считают бессмысленным
объединение трех фундаментальных взаимодействий
без четвертого - гравитации. Создание
квантовой теории гравитации позволило бы, быть
может, прийти к Теории всего.]
Электромагнитный импульс, 1962 г.
Publishers Weekly, tinyurl.com/62ht4pp.
Теория хаоса, 1963 г.
Pickover, С. The Math Book. NY: Sterling, 2009.
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 535

[Мандельбульба - калька с англ. неологизма
Mandelbulb, где начало слова произведено от
фамилии Мандельброта, а вторая часть
означает нечто округлой формы - луковицу, грушу,
колбу. Бенуа Мандельброт (1924-2010) -
французский и американский математик, создатель
фрактальной геометрии.]
Квазары, 1963 г.
Hubblesite, tinyurl.com/yadj3by.
Лавовая лампа, 1963 г.
Ikenson, В., Patents, NY: Black Dog & Leventhal,
2004.
[Процессы, происходящие в лавовой лампе на
разных стадиях после ее включения, подробно
и понятно разобраны в брошюре: А Варламов.
«Тайна волшебной лампы» (журнал «Квант»,
1986, № 7, с. 15, http://tinyurl.com/9qcsq97.]
Бозон Хиггса («Частица Бога»), 1964 г.
Многие физики внесли важный вклад в
развитие механизма Хиггса: Франсуа Энглер, Роберт
Браут, Филипп Уоррен Андерсон, Карл Ричард
Хаген, Томас Киббл, Стивен Вайнберг и Абдус
Салам.
Baker, J. 50 Physics Ideas You Really Need to
Know. London: Quercus, 2007.
[В июле 2012 г. две группы экспериментаторов
в Европейской организации ядерных
исследований (ЦЕРН) в Женеве сообщили об
обнаружении на Большом адронном коллайдере частицы,
чье поведение совместимо со свойствами бозона
Хиггса. Масса ее оказалась примерно в 125 раз
больше массы протона. Чтобы убедиться, что
новая частица - действительно бозон Хиггса,
понадобились дополнительные сеансы на
коллайдере. Последние подтверждения были
получены весной 2013 г., и осенью того же года Хигге
и Энглер получили Нобелевскую премию.]
Кварки, 1964 г.
Jones, J., Wilson, W. An Incomplete Education,
NY: Ballantine, 1995.
[В первоначальной модели число ароматов
кварков равнялось трем (верхний, нижний и
странный). Частицы с другими кварками были
обнаружены позже: с очарованным - в 1974 г., с
прелестным - в 1977 г., и с истинным - в 1995 г.
Данные, полученные на ряде детекторов в
ЦЕРНе (Женева), позволяют сделать вывод, что
открыты уже все кварковые ароматы, и других
видов кварков в природе не существует.]
Нарушение СР-инвариантности, 1964 г.
Нарушение СР-инвариантности представляется
недостаточным, чтобы объяснить асимметрию
между веществом и антивеществом во
Вселенной. Эксперименты на ускорителях могут
выявить другие источники нарушения СР, помимо
открытого в 1964 г.
[До 1956 г. сохранение пространственной
четности Ρ считалось фундаментальным законом
природы. В 1956 г. Ли Чжэндао (р. 1926), Янг
Чжэньнин (р. 1922) и By Цзяньсун (1912-1997)
обнаружили нарушение Р-инвариантности в
слабых взаимодействиях. Это открытие
отмечено в 1957 г. Нобелевской премией — ее получили
Ли и Янг. В 1957 г. советский физик Лев
Давидович Ландау (1908-1968) выдвинул идею
сохранения комбинированной четности СР. Образно
говоря, СР-инвариантность означала бы, что
характер протекания реакции не изменится, если
ее отразить в зеркале и одновременно заменить
частицы на античастицы. Открытие Кронина и
Фитча означало нарушение и этой симметрии.
В то же время в квантовой теории существует
доказанная теорема СРТ-инвариантности, где Τ
означает операцию обращения времени. Иными
словами, любой процесс не изменится, если его
отразить в зеркале, заменить частицы на
античастицы и наоборот, и пустить задом наперед.
Нарушение СР автоматически означает
нарушение обратимости времени уже на микроуровне.
Связь барионной асимметрии Вселенной с
нарушением СР-инвариантности еще в 1967 г.
обсуждал Андрей Дмитриевич Сахаров (1921 -1989).
Подобное явление не содержится в Стандартной
модели, но возникает естественным образом в
теориях Великого объединения. Впрочем,
рассматриваются и другие механизмы, но хотя они и
выглядят маловероятными, вопрос до конца не решен.]
Теорема Белла, 1964 г.
Albert, D., Galchen, R., tinyurl.com/yec7zoe.
Карга, F. The Tao of Physics. Boston, MA: Shamb-
hala, 2000.
Супермяч, 1965 г.
Smith, W., tinyurl.com/ykay4hh.
Реликтовое излучение, 1965 г.
В 1965 г. Р. Дикке, Д. Пиблс, П. Ролл и Д. Уил-
кинсон дали теоретическое объяснение резуль-
536 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

тату А. Пензиаса и Р. Вильсона и объявили, что
микроволновое фоновое излучение является
реликтом Большого взрыва. По данным,
собранным спутником WMAP, который был запущен
НАСА в 2001 г., была составлена карта
флуктуации температуры распределения
микроволнового излучения на небесной сфере. Воздушный
шар с телескопом «Бумеранг», запускавшийся
над Антарктикой в 1997, 1998 и 2003 гг., также
проводил наблюдения реликтового излучения.
Bryson, В. A Short History of Everything. NY:
Broadway, 2003.
Гамма-всплеск, 1967 г.
Ward, P., Brownlee, D. The Life and Death of
Planet Earth. NY: Macmillan, 2003.
Melott, Α., et al. Intl. J. Astrobiol. 3:55;2004.
NASA, tinyurl.com/4prwz.
Жизнь как компьютерное моделирование,
1967 г.
Davies, P., tinyurl.com/yfyap9t.
Reese, M., tinyurl.com/yke5b7w.
[Идея о бесконечной последовательности
смоделированных виртуальных миров была
высказана Станиславом Лемом еще в 1960 г. в
рассказе «Странные ящики профессора Коркорана»
(цикл «Из воспоминаний Иона Тихого»). В нем
профессор Коркоран, которого многие
считают безумцем, приводит Иона Тихого в свою
лабораторию и показывает железные ящики
с электронными мозгами, живущими в своем
виртуальном мире. Один - великий ученый,
создающий теорию тяготения, другой видит себя
влюбленной семнадцатилетней девушкой,
третий - священник, утративший веру в бессмертии
души. И есть среди них безумец, усомнившийся
в реальности своего мира и считающий себя и
других железным ящиком, стоящим на полке в
запыленной лаборатории. И он приходит к той
же мысли о бесконечной иерархии виртуальных
миров: «Но тогда возможно и то, что хозяин
запыленной лаборатории, в которой мы стоим на
полках, - сам тоже ящик, построенный другим,
еще более высокого ранга ученым, обладателем
оригинальных и фантастических концепций...
И так до бесконечности. Каждый из этих
экспериментаторов - творец своего мира, этих
ящиков и их судеб, властен над своими Адамами и
своими Евами, и сам находится во власти
следующего бога, стоящего на более высокой
иерархической ступени».]
ПРИМЕЧАНИЯ И
Тахионы, 1967 г.
К идее тахионов причастны также другие
ученые: А. Зоммерфельд, Дж. Сударшан, О.-М. Би-
ланюк и В. Десфанд. Странным образом тахионы
при увеличении скорости теряют свою энергию.
Если тахион израсходует всю энергию, он будет
двигаться с бесконечной скоростью и
одновременно находиться в каждой точке своей
траектории. Частицы, которые могут находиться в таком
неестественном состоянии «вездесущности»,
называются «трансцендентными» частицами.
Herbert, N. Faster Than Light. NY: New
American Library, 1989.
Nahin, P. Time Machines. NY: Springer, 1993.
[По правде говоря, никогда не встречал
термина «трасцендентные частицы». Однако
тахионы действительно выходят за пределы нашего
опыта. Масса тахиона должна быть мнимой
величиной (точнее, квадрат массы должен быть
отрицательным). С ростом скорости энергия
тахиона убывает и, наоборот, растет при замедлении.
При приближении к скорости света она
возрастает до бесконечности, и «перебросить» тахион
в мир досветовых скоростей так же невозможно,
как переправить обычную частицу в мир
сверхсветовых скоростей, т. е. световой барьер
существует и для тахионов, и разница лишь в том,
что для обычных частиц скорость света является
барьером сверху, а для тахионов - снизу!]
Колыбель Ньютона, 1967 г.
Kinoshital, Т., et al. Nature, 440: 900; 2006.
Неосвещаемая комната, 1969 г.
Darling, D. UBM. Wiley, 2004.
Pickover, С. The Math Book. NY: Sterling, 2009.
Stewart, I. Sci. Am. 275: 100; 1996.
Stewart, I. Math Hysteria, OUP, 2004.
Суперснмметрия, 1971 г.
В списке ученых, внесших вклад на ранних
стадиях развития теории суперсимметрии, X. Мия-
зава, Ж.-Л. Жерве, Ю. А. Гольфанд и Е. П. Лих-
тман [(два последних - из Физического
института им. П. Н. Лебедева РАН)], Д. В. Волков и
В. П. Акулов [(оба - из Харьковского физико-
технического института)] и Ю. Весе.
Легчайшие СУСИ-частицы - возможные кандидаты на
роль темной материи. СУСИ предполагает, что
каждой известной субатомной частице материи
должна соответствовать во Вселенной частица,
переносящая взаимодействие, и наоборот.
СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 537

Seife, C. Alpha and Omega. NY: Viking, 2003.
Greene, B. The Elegant Universe. NY: Norton,
2003.
Ananthaswamy, Α., tinyurl.com/yh3fj r2.
Космическая инфляция, 1980 г.
В теорию инфляции внесли вклад также П. Стейн-
хардт и А. Альбрехт. [Независимо от них важные
усовершенствования в инфляционную модель
Вселенной внес и советский физик Андрей
Дмитриевич Линде (р. 1948), ныне работающий в
США.] Инфляция объясняет, почему не был
открыт магнитный монополь. Монополи могли
образоваться в Большом взрыве и затем
рассредоточиться во время инфляционного расширения,
причем тогда их плотность упала настолько, что
они стали практически ненаблюдаемыми.
Guth, A. The Inflationary Universe. NY: Perseus,
1997.
Musser, G. The Complete Idiot's Guide to String
Theory. NY: Alpha, 2008.
Квантовые компьютеры, 1981 г.
Среди других ученых, внесших важный вклад в
квантовые вычисления, - Чарльз Беннет, Жиль
Брассар и Питер Шор.
Clegg, В. The God Effect. NY: St. Martins, 2006.
Kaku, M. Visions. NY: Oxford University Press,
1999.
Kurzweil, R. The Singularity is Near. NY: Viking,
2005.
Nielsen M., Chuang, I. Quantum Computation and
Quantum Information. NY: Cambridge
University Press, 2000.
[Идея использования квантовых вычислений
впервые была высказана в 1980 г. советским
математиком Юрием Ивановичем Маниным
(р. 1937) в его монографии «Вычислимое и
невычислимое» (М.: Советское Радио, 1980).]
Квазикристаллы, 1982 г.
В 2007 г. ученые опубликовали в журнале
Science свидетельства того, что мозаики Пенроуза
существовали в исламском искусстве за пять
столетий до их открытия на Западе. А
математик-любитель Роберт Амман открыл мозаики
этого типа независимо от Пенроуза и примерно
в то же самое время.
Pickover, С. The Math Book. NY: Sterling, 2009.
Gardner, M. Penrose Tiles to Trapdoor Ciphers.
Freeman, 1988.
Lu, P., Steinhardt, P. Science, 315: 1106; 2007.
Penrose, R. Bull, of the Inst. Math. Applic, 10:
266; 1974.
Senechal, M. Math. Intell., 26: 10; 2004.
Теория всего, 1984 г.
Заметим, что в современных квантовых теориях
силы возникают в результате обмена
частицами. Например, обмен фотонами между двумя
электронами порождает между ними
электромагнитные силы. Ученые думают, что во время
Большого взрыва все четыре силы были в
действительности одной силой, и только когда
Вселенная остыла, эти четыре силы разделились.
Greene, В. The Elegant Universe. NY: Norton,
2003.
Kaku, M. Visions. NY: Oxford University Press,
1999.
Lederman, L., Teresi, D. The God Particle. Boston,
MA: Mariner, 2006.
Фуллерены, 1985 г.
Графен, напоминающий шестиугольную сетку
атомов углерода, потенциально может найти
множество приложений. Частично это связано
с тем, что при некоторых условиях электроны
двигаются в графене быстрее, чем в кремнии.
Technology Review, tinyurl.com/nae4o7.
[В 2010 г. «за новаторские эксперименты по
исследованию двумерного материала графена»
Нобелевская премия по физике была
присуждена выходцам из России, работающим ныне в
Манчестере, - Андрею Константиновичу Гейму
(р. 1958) и Константину Сергеевичу Новоселову
(р. 1974).]
Квантовое бессмертие, 1987 г.
Теорию квантового бессмертия также
предложил Бруно Маршаль.
Самоорганнзованная критичность, 1987 г.
Бенуа Мандельброт в своих исследованиях
фракталов обратил внимание на
многочисленные примеры степенных поведений
корреляционных функций. Такое сложное поведение
скорее присуще всей фрактальной системе, чем
отдельным ее компонентам.
Frette, V., et al. Nature, 379: 49; 1996.
Grumbacher, S., et al. Am. J. Phys., 61: 329;
1993.
Jensen, H. Self-Organized Criticality. NY:
Cambridge, 1998.
538 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

«Кротовая нора» как машина времени, 1988 г.
Петля обратной связи из виртуальных частиц,
циркулирующая в кротовой норе, может
разрушить ее раньше, чем она будет использована как
машина времени.
Телескоп «Хаббл», 1990 г.
[Научный институт космического телескопа -
организация, основанная НАСА для
управления телескопом «Хаббл» и проведения на нем
научных исследований. Занимается также
разработкой и реализацией проекта
космического телескопа следующего поколения «Джеймс
Вебб», запуск которого намечен на 2018 г.]
Гипотеза защиты хронологии, 1992 г.
Silverberg, R. Up the Line. NY: Del Ray, 1978.
Квантовая телепортация, 1992 г.
См. также работы G. Brassard, L. Smolin,
W. Wootters, D. DiVincenzo. C. Crpeau, R. Jozsa,
A. Peres, и других. В 2010 г. ученые телепорти-
ровали информацию между фотонами на
расстоянии около пятнадцати километров.
Стивен Хокинг в «Звездном пути», 1993 г.
Smolin, L. Three Roads to Quantum Gravity. NY:
Basic Books, 2001.
Конденсат Бозе-Эйнштейна, 1995 г.
Вольфганг Кеттерле получил конденсат из
атомов натрия-23. Он смог наблюдать квантово-ме-
ханическую интерференцию между двумя
различными конденсатами.
Темная энергия, 1998 г.
Overbye, D., http://tinyurl.com/y991s7r.
Tyson, N. The Best American Science Writing
2004, D. Sobel, ed. NY: Ecco, 2004.
Tyson, N.. Goldsmith, D. Origins. NY: Norton,
2005.
Проект HAARP, 2007 r.
Эффекты воздействия передатчиков HAARP на
атмосферу могут существовать от нескольких
секунд до нескольких минут, прежде чем
полностью рассеяться. В мире существуют и другие
проекты исследования ионосферы, но проект
HAARP уникален широким набором
оборудования. Антенны HAARP достигают в высоту
22 м.
Streep, Α., tinyurl.com/4n4xuf.
Чернейшая чернота, 2008 г.
Yang, Z., et al. Nano Lett. 8: 446; 2008.
Большой адронный колландер, 2009 г.
LHC - это синхротронный ускоритель.
Bryson, В., tinyurl.com/yfh46jm.
[В создании и монтаже калориметра АТЛАС
участвовали ученые Объединенного института
ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне
(Московская обл.). Сотрудничество ОИЯИ и ЦЕРН
в этом проекте началось в 1994 г., к середине
2006 г. калориметр был полностью собран и
ожидал в подземном экспериментальном зале на
глубине 100 м первых протон-протонных
столкновений на LHC.
В июле 2012 г. две группы экспериментаторов,
работавших на LHC, сообщили об обнаружении
частицы, чье поведение совместимо со
свойствами бозона Хиггса (см. примечание к статье
«Бозон Хнггса».]
Космологический Большой разрыв,
36 млрд лет спустя
В наши дни физики не уверены в
необходимости существования темной энергии. Некоторые
рассматривают возможности объяснений,
включающих невидимые измерения или
параллельные вселенные, влияющие на нашу. В сценарии
Большого разрыва темная энергия также
считается иллюзорной. В другой модели за 10-27
секунд до Большого разрыва Вселенная
превратится в бесчисленное множество маленьких
отдельных вселенных.
Caldwell, R., Kamionkowski, M., Weinberg, N.
Phys. Rev. Lett., 91: 071301; 2003.
[После того как наблюдения подтвердили
модель Фридмана нестационарной
эволюционирующей Вселенной, отсутствие статических
решений у исходных уравнений Эйнштейна не
рассматривалось более как недостаток теории, и
необходимость в так называемом лямбда-члене
отпала. До 1997 г. никаких достоверных
указаний на отличие космологической постоянной от
нуля не существовало.]
Космическая изоляция, 100 млрд лет спустя
Krauss, L., Scherrer, R. Scient. Amer., 298: 47;
2008.
Verschuur, G. Interstellar Matters. NY: Springer,
1989.
ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 539

Увядание Вселенной, 100 трлн лет спустя
Физик Андрей Линде утверждает, что процесс
бесконечного раздувания Вселенной
подразумевает ее бесконечное «самовоспроизведение»,
потому что квантовые флуктуации будут
порождать новые вселенные. Он пишет:
«Существование таких процессов означает, что Вселенная
никогда не исчезнет, как целое. Одни ее части
могут коллапсировать, жизнь в нашей части
Вселенной может погибнуть, но всегда будут
существовать какие-то другие части Вселенной,
где жизнь будет возникать снова и снова...».
Adams, F., Laughlin, G. The Five Ages of the
Universe. NY: Free Press, 2000.
Квантовое воскрешение,
более 100 трлн лет спустя
Banks, Т., tinyurl.com/yjxapye.
540 ПРИМЕЧАНИЯ И СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Указатель
Авогадро, газовый закон, 150-151, 521 Брюстер, оптический прибор, 156-157, 521
Амонтон,трение, 100-101,518 Бумеранг, 22-23
Ампер, закон, 168-169, 521
Антивещество, 312, 346, 360-361, 446, 531
Антикитера, механизм с острова, 48-49
Антропный принцип, 430-431
Арбалет, 32-33
Арка, 28-29
Архимед,
блоки,44
винт, 40-41
закон плавучести тел, 38-39
зажигательные зеркала, 46-47
Атлатль, 20-21,515
Атом, наблюдение, 410-411, 534
Атом Бора, 318-319
Атомная бомба «Малыш», 384-385, 532
Атомная теория, 148-149
Атомное ядро, 308-309, 528
Атомные часы, 412-413, 534
Атомный силовой микроскоп, 534
Багдадская батарейка, 34-35
Барометр, 88-89,517
Батарея, 34-35, 140-141, 202, 476.
См. также Топливный элемент
Белл, теорема, 448-449
Белые карлики, 354-355, 530
Бернулли, закон гидродинамики, 116-117
Бёйса-Баллот, погодный закон, 218-219
Блок, 44-45
Блуждающие волны, 170-171
Боде, закон для планет, 124-125, 520
Бозе-Эйнштейн, коденсат, 492-493, 539
Бозон Хиггса, 432, 442-443, 504, 536
Бойль, газовый закон, 96-97, 518
Больцман, уравнение для энтропии, 240-241
Больцмановский разум, 512
Большой адронный коллайдер, 442, 504-505,
539
Большой взрыв, 14, 232, 350, 386, 430, 444, 446,
452, 468, 488, 540
Большой разрыв, 494, 506-507, 508, 539
Бор, Нильс, 318-319, 342-343
Бор Нильс, модель атома, 318-319
Браны Рэндалл-Сандрама, 496-497
Броуновское движение, 174-175, 522
Брэгг, условие дифракции на кристалле,
316-317
Ван де Грааф, генератор, 94-95
Вечный двигатель 58-59, 382, 515
Вихревая дорожка Кармана, 310-311
Военные тубы, 250-251
Воздушный змей Бена Франклина, 120-121,
519
Волны
световая, 142-143, 146-147
блуждающие, 170-171
солитон, 180-181
Волоконная оптика, 194-195, 523
Время, путешествие во времени, 400-401,
482-483.
См. также Специальная теория
относительности
Вселенная, размеры, 314-315
Вселенная, увядание, 510-512
Вселенные, параллельные, 414-415
Вязкость, 188, 212-213, 374, 380
Газовые законы, 96-97, 134-135, 144-145,
150-151,518,521
Галактика Черный глаз, 128-129, 520
Галилей,Галилео, 72-73, 76-77, 86-87, 210
Гальванометр, 252-253, 526
Гамма-всплески, 454-455, 484
Гейгер, счетчик, 300-301, 372
Гейзенберг, соотношение неопределенностей,
154,318,340-341, 348, 492
Гейзенберг, Вернер, 338, 340-341
Гелий,открытие, 232-233, 524
Гелиоцентрическая система мира, 66-67
Генри, газовый закон, 144-145
Гироскоп, 214-215, 484, 524
Глюоны, 394, 432, 444
Годовые часы, 192-193
Голограмма, 392-393, 533
Гольф, ямки на мяче, 294-295
Гравитационная градиометрия, 262-263
Гравитация, закон, 74, 108-109, 138, 204, 262
Графен, 388, 538
Дайсон, сфера, 424-425
Движение, законы, 48, 50, 86, 108
Двутавровые балки, 200-201, 524
де Бройль, соотношение 334-335, 529
УКАЗАТЕЛЬ 541

Демон Лапласа, 154-155
Джоуль, закон для теплового действия
электрического тока, 190-191, 523
Динамит, 228-229, 524
Дирак, уравнение, 346-347
Дифракция на кристалле, 316-317
Доплер, эффект, 196-197
Дополнительность, принцип, 342-343, 529
Дурацкая замазка, 380-381, 532
De Magnete (Гильберт), 70-71, 516
Е = тс2, 290-291, 527
Жизнь как компьютерное моделирование,
456-457, 537
Закат, зеленый луч, 254-255, 526
Звездный нуклеосинтез, 386-387
«Звездный путь», 490-491
Звук
эффект Доплера, 196-197
звуковой удар, 390-391, 532
стетоскоп, 158-159
камертон, 112-113
Земля,размеры и вес 42-43, 138-139
Излучение, законы, 278-279
Изоляция,космическая, 508-509
Импульс, 90-91, 108, 214, 312, 332, 334, 340,
460-461
Индукция, электромагнитная, 178-179
Интегральные микросхемы, 420-421
Инфляция, космическая, 468-469, 538
Кавендиш взвешивает Землю, 138-139, 520
Казимир, эффект, 398-399, 533
Калейдоскоп, 156-157
Камертон, 112-113
Камера Вильсона, 312-313, 528
Карбонадо, 16
Карно, тепловая машина, 166-167
Квазары, 438-439, 484
Квазикристаллы, 472-473, 538
Квантовая механика. См. также Теорема
Белла, Излучение черного тела. Атом
Бора, Хромодинамика, Принцип
дополнительности. Эффект Комптона,
Соотношение де Бройля, Уравнение Дирака,
Парадокс Эинштейна-Подольского-Розе-
на. Соотношения неопределенностей Гей-
зенберга. Параллельные миры. Принцип
запрета Паули, Фотоэффект, Кот Шрё-
дингера. Волновое уравнение Шрёдингера,
Опыт Штерна-Герлаха, Волновая
природа света
бессмертие, 478-479
воскрешение, 512-513
квантовая электродинамика, 394-395, 533
компьютеры, 470-471, 538
сцепленность, 370, 448, 488
телепортация, 488-489, 539
туннелирование, 348-349
Кварки, 148, 324, 394, 432,444-445, 466,474, 536
Кеплер, Иоганн, 10, 48, 68-69, 74-75, 78-79,
110,517
Килограмм, рождение, 258-259
Кинетическая теория, 220-221, 240
Кирхгоф, правила для электрической цепи,
202-203
Клотоида, 280-281
Колыбель Ньютона, 460-461
Компас, 30-31, 70, 84,168,214
Комптон, эффект, 332-333, 529
Компьютерное моделирование, 456-457
Копенгагенская интерпретация квантовой
механики, 340,370, 372
Коперник, Николай, 66-67, 110, 184
Космические лучи,304-305, 528
Космология
Большой взрыв, 14-15, 162, 232, 278, 350,
386, 430, 444, 446, 452, 454, 468, 514
Большой разрыв, 494, 506-507, 508, 539
изоляция,508-509, 539
инфляция,414, 468-469
расширение Вселенной, 350-351
реликтовое излучение, 72, 452-453
Криптография, 370
Кристаллы,78-79,80-81,316, 420, 472-473
«Кротовая нора» как машина времени,
482-483,539
Крукс, радиометр, 238-239
Крученый мяч в бейсболе, 234-235, 525
Кулон, закон в электростатике, 132-133, 521
Кюри, закон, 270-271, 526
Кюри, Мария, 272-273
Кюри, Поль-Жак, 248-249
Кюри, Пьер, 248-249, 270-271
Лавовая лампа, 440-441
Лазер, 392, 426-427, 492, 535
Лампа накаляивания, 242-243, 525
Лампа электровакуумная, 298-299
Лейденская банка, 118-119, 519
Лед, скользкость, 208-209, 524
Лестница Иакова, 356-357
Линии Фраунгофера, 152-153
542 УКАЗАТЕЛЬ

Лоренц, преобразования, 286-287, 527
Луна,обратная сторона, 422-423
Лэмбовский сдвиг, 533
М-теория, 474
Магнетизм, закон Кюри, 270-271
Магнитный монополь, 182-183,522
Магнитный резонанс, 376-377
Майкельсон-Морли, опыт, 256-257
Максвелл, Джеймс Клерк, 168, 178, 222-223,
230-231,238,522, 524
Максвелл, демон, 230-231, 524
Максвелл, уравнения, 222-223, 524
«Малыш», атомная бомба, 384-385
Манхэттенский проект, 176, 378, 384
Масс-спектрометр, 276-277, 526
Матричная механика, 318, 338
Маятник,106,192,210-211
Мезоны, 514
Метаматериалы, 462-463
Метр, рождение метра, 260-261
Милликен, опыт с масляными каплями, 320-321
«Микрография», 98-99
Mysterium Cosmographicum (Кеплер), 68-69
Нарушение СР-инвариантности, 446-447, 536
Небулярная гипотеза, 136-137, 520
Нейтрино, 362, 416-417, 432, 534
Нейтрон, 18, 148, 300, 328, 358-359, 378, 432,
444, 530
Нейтронные звезды, 364-365, 531
Неоновая реклама, 330-331
Неосвещаемая комната, 464-465
Нептун, открытие, 204-205, 523
Ньютон, Исаак, 110-111, 519
закон всемирного тяготения, 74, 108-109,
138, 204, 262
законы движения, 48, 50, 86, 108, 518
световые волны, 142
скорость убегания, 114-115
об орбитах и о Боге, 136
призма, 104-105
Роберт Гук, 92
колыбель, 460-461
Общая теория относительности, 322-323
Огни Святого Эльма, 54-55, 515
Ольберс, парадокс, 162-163, 521
Ольмеки,компас, 30-31, 515
Ом, закон для электрической цепи, 172-173
Относительность
специальная теория, 256, 288-289,290,292,
326, 346, 458, 527
общая теория,130,262, 292, 322-323, 326
Падающая книжная башня, 408-409
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена,
370-371, 531
Параллакс звезд, 184-185, 522
Параллельные миры, 414-415, 534
Парниковый эффект, 164-165
Паули, принцип запрета, 336-337, 354, 364
Песочные часы, 64-65, 516
Пи-мезон (пион), 535
Плавучесть тел, 38
Плазма, 54, 244-245, 330, 354, 368, 418, 444
Планеты,
законы движения, 48, 74-75
размеры/расстояния, 42-43, 102-103,
124-125, 138-139.
См. также Вселенная, размеры
Поверхностное натяжение, 226-227
Погода, 218-219
Позитрон, 302, 312, 346, 360, 432
Поляризация света, 156-157
Преломление, 62, 84-85,462
Призма, 104-105,236,254,462
Пуазёйль, закон, 188-189, 523
Пульсары, 72, 364
Пушка, 56-57
Пьезоэлектрический эффект, 248-249, 525
Пьющая птичка, 382-383
Радар, 112, 196, 250, 298, 498
Радиоактивность, 176, 272-273, 290, 300, 372
Радиоуглеродный метод датировки, 402-403,
533
Радиометр, 238-239, 525
Радуга, 62-63, 104, 516
Ракета, уравнение Циолковского, 284-285, 526
Расширение Вселенной, 350-351
Реактивный двигатель Герона, 50-51
Реликтовое излучение, 72, 452-453, 536
Рентгеновские лучи, 268-269, 526
Рэлеевское рассеяние, 236-237
Самоорганизованная критичность, 480-481,
538
Сатурн, открытие колец, 76-77, 517
Сверхзвуковой щелчок кнутом, 344-345
Сверхпроводимость, 306-307,528
Сверхтекучесть, 232, 374-375, 531
Свет
волновая природа, 142-143
волоконная оптика,194-195
зажигательные зеркала, 46-47
УКАЗАТЕЛЬ 543

зеленый луч, 254-255
лампа черного света, 282-283
лампа накаливания, 242-243
неосвещаемая комната, 464-465
преобразования Лоренца, 286-287
поляризация,156-157
рэлеевское рассеяние, 236-237
спектр электромагнитного излучения,
224-225
сонолюминесценция, 368-369
триболюминесценция, 80-81
флюоресценция, 216-217
фотоэффект, 292-293
Северное полярное сияние, 84-85
Синтез, ядерная реакция, 290, 348, 358, 368,
378,384,418-419,534
Сифон,36-37
Сканирующий туннельный микроскоп, 348
Скорость убегания, 114-115, 519
Скорость, установившаяся, 428-429
Снежинки, 78-79, 517
Смерч, скорость, 498-499
Солитон, 180-181
Солнечная система, размеры, 102-103, 518
Солнечные часы, 24-25
Сонолюминесценция, 368-369
Сохранение импульса, 90-91
Сохранение энергии, 198-199
Специальная теория относительности, 256,
288-289, 346, 527
Спуск,таутохрона, 106-107
Стандартная модель, 432-433, 442, 466, 496,
535
Стетоскоп, 158-159, 521
Стоке, закон для вязкой жидкости, 212-213
Стоке, флюоресценция, 216-217
Стропила, 26-27
Струны, теория 324-325, 466, 474
Сцепленность, квантовая, 370, 448, 488
Супермяч,450-451
Суперсимметрия, 466-467,504,537
Тахионы,458-459, 537
Таутохронный спуск, 106-107, 518
Телескоп, 72-73, 136, 314-315, 354-355,
484-485,539
Темная материя,362-363, 466, 531
Темная энергия, 484, 494-495, 506
Тенсегрити, 396-397, 533
Теория всего, 474-475, 538
Тепловая эффузия, 238
Теплопроводность, 160-161
Термодинамика, второе начало, 58, 166, 198,
206-207,230, 240, 524
Термодинамика, законы, 58, 166, 190, 206-207,
230, 240, 296, 524
Термодинамика, третье начало, 296-297
Термос, 266-267
Тесла, катушка, 264-265, 356
Течение жидкости, закон Бернулли, 116-117
Течение жидкости, закон Пуазёйля, 188-189
Тициус-Боде, закон для планет, 124-125
Токамак,418-419, 534
Топливный элемент, 186-187, 522
Тормозное излучение, 302-303
Транзистор, 388-389
Требушет, 60-61, 516
Трение, 52, 86, 100-101, 106, 208, 212, 374
Триболюминесценция, 80-81
Триод, электровакуумный, 298-299
Туннелирование, 348-349
Ударная звуковая волна, 390-391
Упругость, закон Гука, 92-93, 517
Ускорение падающих тел, 86-87
Установившаяся скорость падения, 212, 428-429,
450,535
Фарадей, закон электромагнитной индукции,
178-179
Фейнман, Ричард, 58-59, 222, 394-395,
470-471
Ферми, парадокс, 404-405, 534
Фигуры Лихтенберга, 126-127, 520
Флюоресценция, 216-217
Фотоэлементы, 406-407, 534
Фотоэффект, 292-293, 332, 527
Франклин, Бенджамин, 120-121
Фуко, маятник Фуко, 214-215, 524
Фуллерены, 476-477, 538
Фурье, закон теплопроводности, 160-161.
См. также Парниковый эффект
Фурье-анализ, 146-147
HAARP, проект, 500-501, 539
Хаббл, закон о расширении Вселенной,
350-351, 530
«Хаббл», телескоп, 136, 314-315, 354-355,
484-485, 539
Хаос, теория, 436-437, 535
Хиггс, бозон, 432, 442, 504
Хокинг, Стивен, 14, 110, 130, 414, 474, 486-487,
490-491, 510
Холл, эффект, 246-247, 525
544 УКАЗАТЕЛЬ

Хронология, гипотеза защиты, 486-487
Хромодинамика, 394, 444
Цефеиды,314-315
Циклотрон, 352-353,530
Чандрасекар, предел, 354-355
Часы,106,192-193, 288, 392, 412-413.
См. также Солнечные часы. Песочные часы,
Πутешествие во времени
Черенков, излучение, 366-367,416,531
Черное тело, закон излучения, 278-279
Черные алмазы, 16-17
Черная капля, эффект, 122-123, 519
Чернейшая чернота, 502-503
Черные дыры, 10, 130-131, 364, 438, 474, 484,
490,510, 520
Черный свет, лампа, 282-283
Шарль, газовый закон, 134-135, 520
Шестерни, 52-53
«Шестиугольная снежинка» Кеплера, 78-79
Шрёдингер, волновое уравнение, 338-339, 346
Шрёдингер, кот, 372-373
Штерн-Герлах, опыт, 328-329, 529
Щелчок кнутом, 344-345
Эйнштейн, Альберт, 326-327
теорема Белла, 448
коденсат Бозе-Эйнштейна, 492-493
Броуновское движение, 174-175
Ε = тс1, 290-291
ядерная энергия, 378-379
гравитационная градиометрия Этвёша, 262
парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена,
370-371
общая теория относительности, 322-323
лазер, 426
преобразования Лоренца, 286-287
о Максвелле, 222
фотоэффект, 292-293,332
специальная теория относительности, 256,
288-289, 346
путешествие во времени, 400-401
Электрические цепи, 202-203
Электрический ток, тепловое действие, 190-191
Электричество, закон Ома, 172-173
Электродинамика, закон Ампера, 168-169
Электромагнитное излучение,спектр, 224-225
Электромагнитный импульс, 434-435
Электрон, 274-275
Электростатика, закон Кулона, 132-133
Электростатический генератор, 94-95
Энергия,закон сохранения, 198-199
Энергия нулевых колебаний, 296-297
Эратосфен, 42-43
Энтропия, уравнение Больцмана, 240-241
Этвеш, гравитационная градиометрия, 262-263
Эффузия, закон Грэма, 176-177
Ядерная энергия, 378-379,531
Ядерный магнитный резонанс, 376-377
Ядерные реакции синтеза в звездах, 386-387
Ядерный реактор, доисторический, 18-19
УКАЗАТЕЛЬ 545

Иллюстрации
Качество некоторых иллюстраций, которые я отобрал для этой книги, оказалось не очень
высоким, а потому я позволил себе их обработать с помощью специальных методов,
добавив яркости и цвета там, где это было необходимо; дабы сделать картинки более
информативными, выделил нужные детали. Надеюсь, мне это простится, поскольку мною
двигала цель сделать книгу не только интересной, но и красивой. Мне очень хочется, чтобы
ее читали и физики, и лирики.
© Clifford A. Pickover: с.111,399,469
NASA: с. 19 NASA/WMAP Science Team; с. 21
NASA; с. 75 NASA; с. 81 NASA/JPL/ Space
Science Institute and D. Wilson, P. Dyches, and
С Porco; с 107 NASA/JPL; с 113 NASA/ JPL-
Caltech/Γ. Pyle (SSC/Caltech); с 119 NASA;
с 133 NASA and The Hubble Heritage Team
(AURA/STScI); с 141 NASA/JPL-Caltech/T.
Pyle(SSC); с 185 HiRISE, MRO, LPL(U. Arizona),
NASA; с 189 NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC);
с 191 NASA/JPL-Caltech; с 223 NASA; с 267
NASA/JPL/University of Texas Center for Space
Research; с 281 NASA/JPL; с 289 NASA; с 301
NASA, ESA and The Hubble Heritage Team
(STScI/AURA); с 307 NASA; с 315 Bob Cahalan,
NASA GSFC; с 319 NASA, the Hubble Heritage
Team, and A. Riess (STScI); с 359 R. Sahai and
J. Trauger (JPL), WFPC2 Science Team, NASA,
ESA; с 367 NASA/Swift Science Team/Stefan
Immler; с 369 NASA; с 391 NASA/Wikimedia;
с 427 Apollo 16 Crew, NASA; с 443 NASA/JPL-
Caltech; с 457 NASA; с 459 NASA, Y. Grosdidier
(U. Montreal) et al., WFPC2, HST; с 473 NASA,
WMAP Science Team; с 489 NASA; с 513 NASA,
ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/
AURA)-ESA/Hubble Collaboration; с 515 NASA,
ESA, and A. Feild (STScI)
Взято с сайта Shutterstock.com:
с. 5 © Eugene Ivanov; с. 17 © Catmando; с. 18
© Maksim Nikalayenka; с. 27 © Sean Gladwell;
с 31 © Roman Sigaev; с 33 © zebra0209; с 42
© Zaichenko Olga; с 43 © Andreas Meyer;
с 49 © lebanmax; с 56 © Hintau Aliaksei;
с 57 © Tischenko Irina; с 61 © William Attard
McCarthy; с 65©Lagui; с 67©Graham Prentice;
с 69 © Chepko Danil Vitalevich; с 76 © Mike
Norton; с 79 © Christos Georghiou; с 86 © Roman
Shcherbakov; с 93 © Tobik; с 95 © Graham Taylor;
с 97 © Steve Mann; с 101 © Rich Carey; с 105
© Harper; с 109 © YAKOBCHUK VASYL; с 115
© Awe Inspiring Images; с 117 © Tatiana Popova;
с 129 © Patrick Hermans; с 135 © Andrea Danti;
с 145©STILLFX;c. 149©TischenkoIrina; с 151
© Ulf Buschmann; с 15 3 © ynse; с 15 5 © jon le-
bon; с 158 (lower) © Sebastian Kaulitzki; с 159
© Solvod; с 160 © Bill Kennedy; с 163 © Martin
KubA?Ajt; с 164 © Brian Weed; с 165 © Norman
Chan; с 167 © Noel Powell, Schaumburg; с 169
© Oleg Kozlov; с 171 © Ronald Sumners; с 173
© Kenneth V. Pilon; с 175 © Mana Photo;
с 176 © S1001; с 177 © Teodor Ostojic; с 179
© anotherlook; с 180 © Kletr; с 187 © Awe
Inspiring Images; с 192 © Elena Elisseeva; с 193
© Sebastian Kaulitzki; с 195 © coppiright; с 197
© bezmaski; с 199 © Jim Barber; с 203 © iofoto;
с 209 © Diego Barucco; с 211 © Tischenko Irina;
с 212 © Mark Lorch; с 213 © kml; с 215 © Ellas
Design; с 217 © Gorgev; с 220 © Jose Gil; с 225
© Shchipkova Elena; с 227 © John R. McNair;
с 229 © Johnathan Esper; с 230 © Joseph Calev;
с 231 © Mark William Penny; с 233 © Dmitri
Melnik; с 234 © Konstantins Visnevskis; с 239
© Stephen McSweeny; с 241 © nadiyasergey;
с 245 © Yellowj; с 247 © Allison Achauer; с 249
© ErickN; с 251 © nikkytok; с 253 © Tatiana
Belova;c.257©ScottTSlattery;c.261©Jessmine;
с 263 © WitR; с 265 © Chad McDermott; с 271
© Maridav; с 273 © Lee Torrens; с 279 © Jhaz
Photography; с 283 © beboy; с 285 © Marcio Jose
Bastos Silva; с 287 © exOrzist; с 293 © patrick
hoff; с 299 © FloridaStock; с 305 © Alex;
с 309 © Perry Correll; с 313 © Chepe Nicoli;
с 320 © immelstorm; с 321 ©Mopic; с 323
© 1236997115; с. 327 © Mark R.; с 329 © Ivan
Cholakov Gostock-dot-net; с 335 © Norman
Pogson; с 339 © Alegria; с 341 © EML; с 344
© garloon; с 347 © Eugene Ivanov; с 361
© Geoffrey Kuchera; с 375 © -baltik-; с 377
© Olga Miltsova; с 381 © Carolina K. Smith,
M.D.; с 385 © Kesu; с 387 © Ken Freeman;
с 405 © JustASC; с 407 © Vladimir Wrangel;
с 409 © photoBeard; с 410 © Dwight Smith;
546 ИЛЛЮСТРАЦИИ

с. 411 © Otmar Smit; с. 413 © 2happy; с. 419
© Sandy MacKenzie; с. 425 © Sandro V. Maduell;
с 433 © Joggie Botma; с 435 © red-feniks; с 440
© f. AnRo brook; с 445 © Huguette Roe; с 453
© argus; с 455 © Todd Taulman; с 460 © Bruce
Rolff; с 461 © Tonis Pan; с 463 © Alperium;
с 464 © ErickN; с 465 © Martin Bech; с 470
© Petrunovskyi; с 471 © Andrejs Pidjass; с 476
(upper) © Tischenko Irina; c. 481 © sgame;
с 483 © Linda Bucklin; с 484 © Elena Elisseeva;
с 485 © Evgeny Vasenev; с 487 © edobric;
с 490 © Mopic; с 491 © Tischenko Irina; с 493
© Markus Gann; с 494 © Anton Prado PHOTO;
c. 505 © danilo ducak; с 507 © Olaru Radian-
Alexandru; с 511 © sdecoret; с 516 © iDesign;
с 517 © Jurgen Ziewe
flpyrHe:c.28©istockphoto.com/akaplummer;c.29
© istockphoto.com/SMWalker; с 35 Wikimedia/
Ryan Somma; с 39 Stan Sherer; с 51 Wikimedia/
Bjorn Appel; с 53 Rien van de Weijgaert, www.
astro.rug.nl/-weygaert; с 55 John R. Bentley;
с 71 Sage Ross/Wikimedia; с 77 © Allegheny
Observatory, University of Pittsburgh; с 82-83
Wikimedia/Beltsville Agricultural Research
Center, US Dept. of Agriculture/E.
Erbe, С Pooley; с 85 N. С. Eddingsaas & К. S.
Suslick, UIUC; с 87 Shelby Temple; с 89 US
Air Force/J. Strang; с 91 Softeis/Wikimedia;
с 99 Joan O'Connell Hedman; с 127 Jan Herold/
Wikimedia; с 131 Bert Hickman, Stoneridge
Engineering, www.capturedlightning.com; с 134
Teja Krasek, http://tejakrasek.tripod.com;
с 137 © Bettmann/CORBIS; с 147 Wikimedia;
с 161 Mark Warren, specialtyglassworks.com;
с 168 Wikimedia; с 181 J. E. Westcott, US
Army photographer; c. 186 Wikimedia; с 201
Wikimedia; с 205 ©Justin Smith/Vikimedia/CC-
By-SA-3.0;c.219StephaneMagnenat/Wikimedia;
с 221 Hannes Grobe/AWI/Wikimedia; с 235
John Olsen, openclipart.org; c. 237 US Navy;
с 243 ©istockphoto.com/iceninephoto; с. 259 Mila
Zinkova; с 269 ©istockphoto.com/islel603; с. 275
Heinrich Pniok/Wikimedia; с 277 ©istockphoto.
com/PointandClick; с 297 U.S. Army/Spc.
Michael J. MacLeod; с 303 Wikimedia; с 311,
317 Courtesy of Brookhaven National Laboratory;
с 331 Wikimedia; с 333 Frank Behnsen/
Wikimedia; с 337 Lawrence Berkeley National
Laboratory/Wikimedia; с 349 ©istockphoto.
com/ STEVECOLEccs; с 353 Randy Wong/
Sandia National Laboratories; с 357 NARA;
с 363, 365 Courtesy of Brookhaven National
Laboratory; с 371 Idaho National Laboratory;
с 373 К. S. Suslick and K. J. Kolbeck, University
of Illinois; с 379 Alfred Leitner/Wikimedia;
с 382 Wikimedia; с 383 Ed Westcott/US Army/
Wikimedia; с 389 NARA/Wikimedia; с 395 U.S.
Navy photo by Ensign John Gay/Wikimedia; ρ 397
Heike Lochel/ Wikimedia; с 403 Courtesy of Umar
Mohideen, University of California, Riverside,
CA; с 415 Courtesy the American Institute of
Physics/M. Rezeq et al., J. Chem. Phys.; с 417
NIST; с 421 Fermilab National Accelerator; с 423
Courtesy Princeton Plasma Physics Laboratory;
с 431 The Air Force Research Laboratory's
Directed Energy Directorate; c. 437 Courtesy of
Brookhaven National Laboratory; с 439 National
Archive/U.S. Air Force; с 441 Daniel White;
с 447 CERN; с 449, 451 Courtesy of Brookhaven
National Laboratory; с 467 Keith Drake/NSF;
с 475 J. Jost/ NIST; с 476 (lower) courtesy
of Edmund Harriss; с 477 Wikimedia; с 479
Courtesy of Brookhaven National Laboratory;
с 495 Official White House Photostream; с 497
NIST/JILA/CU-Boulder/ Wikimedia; с 499
Lawrence Berkeley National Lab; с 501 CERN;
с 503 OAR/ERL/NOAA's National Severe Storms
Laboratory (NSSL); с 504 HAARP/US Air Force/
Office of Naval Research; с 509 CERN
ИЛЛЮСТРАЦИИ 547

Содержание
Введен
ие 6
13,7 млрд лет до н. э. Большой взрыв 14
3 млрд лет до н. э. Черные алмазы 16
2 млрд лет до н. э. Доисторический
30 000
20 000
3000 г.
2500 г.
1850 г.
1000 г.
ядерный реактор 18
лет до н. э. Атлатль 20
лет до н. э. Бумеранг 22
до н. э. Солнечные часы 24
до н.э. Стропила 26
до н. э. Арка 28
до н. э. Компас ольмеков 30
341 г. до н. э. Арбалет 32
250 г. до н. э. Багдадская батарейка 34
250 г. до н. э. Сифон 36
250 г. до н. э. Закон Архимеда 38
250 г. до н. э. Архимедов винт 40
240 г. до н. э. Эратосфен измеряет
Землю 42
230 г. до н. э. Блок 44
212 г. до н. э. «Зажигательные зеркала»
Архимеда 46
125 г. до н. э. Механизм с острова Антики-
50 г.
50 г.
78 г.
1132 г.
1150 г.
1200 г.
1304 г.
1338 г.
1543 г.
1596 г.
1600 г.
1608 г.
1609 г.
1610 г.
1611 г.
1620 г.
тера 48
Реактивный двигатель Герона 50
Шестерни 52
Огни Святого Эльма 54
Пушка 56
Вечный двигатель 58
Требушет 60
Объяснение радуги 62
Песочные часы 64
Гелиоцентрическая система
мира 66
Mysterium Cosmographicum
(«Тайна мира») 68
De Magnete(*0 магните») 70
Телескоп 72
, Законы Кеплера для движения
планет 74
. Кольца Сатурна 76
, «Шестиугольная снежинка»
Кеплера 78
. Триболюминесценция 80
1621г.
1621 г.
1638 г.
1643 г.
1644 г.
1660 г.
1660 г.
1662 г.
1665 г.
1669 г.
1672 г.
1672 г.
1673 г.
1687 г.
1687 г.
1711 г.
1728 г.
1738 г.
1744 г.
1752 г.
1761 г.
1766 г.
1777 г.
1779 г.
1783 г.
1785 г.
1787 г.
1796 г.
1798 г.
1800 г.
1801 г.
1803 г.
1807 г.
1808 г.
1811 г.
1814 г.
1814 г.
Закон преломления Снеллиуса 82
Северное полярное сияние 84
Ускорение падающих тел 86
Барометр 88
Сохранение импульса 90
Закон упругости Гука 92
Электростатический генератор фон
Герике 94
Газовый закон Бойля 96
«Микрография» 98
Трение Амонтона 100
Размеры Солнечной системы 102
Призма Ньютона 104
Таутохронный спуск 106
Ньютоновские законы движения
и закон всемирного тяготения 108
Ньютон как источник
вдохновения 110
Камертон 112
Скорость убегания 114
Закон Бернулли
в гидродинамике 116
Лейденская банка 118
Воздушный змей
Бена Франклина 120
Эффект «черной капли» 122
Закон Боде для расстояний планет
от Солнца 124
Фигуры Лихтенберга 126
Галактика Черный Глаз 128
Черные дыры 130
Закон Кулона в электростатике
132
Газовый закон Шарля 134
Небулярная гипотеза 136
Кавендиш взвешивает Землю 138
Батарея 140
Волновая природа света 142
Газовый закон Генри 144
Фурье-анализ 146
Атомная теория 148
Газовый закон Авогадро 150
Линии Фраунгофера 152
Демон Лапласа 154
548 СОДЕРЖАНИЕ

1815 г. Оптический прибор Брюстера 156
1816 г. Стетоскоп 158
1822 г. Закон теплопроводности
Фурье 160
1823 г. Парадокс Ольберса 162
1824 г. Парниковый эффект 164
1824 г. Тепловая машина Карно 166
1825 г. Закон Ампера в теории
электромагнетизма 168
1826 г. Блуждающие волны 170
1827 г. Закон Ома для электрической
цепи 172
1827 г. Броуновское движение 174
1829 г. Закон эффузии Грэма 176
1831 г. Закон электромагнитной
индукции Фарадея 178
1834 г. Солитон 180
1835 г. Гаусс и магнитный моноПоль 182
1838 г. Звездный параллакс 184
1839 г. Топливный элемент 186
1840 г. Закон течения жидкости
Пуазёйля 188
1840 г. Закон Джоуля для теплового
действия электрического тока 190
1841г. Годовые часы 192
1841г. Волоконная оптика 194
1842 г. Эффект Доплера 196
1843 г. Сохранение энергии 198
1844 г. Двутавровые балки 200
1845 г. Правила Кирхгофа для
электрической цепи 202
1846 г. Открытие Нептуна 204
1850 г. Второе начало термодинамики 206
1850 г. Скользкость льда 208
1851 г. Маятник Фуко 210
1851 г. Закон Стокса для вязкой
жидкости 212
1852 г. Гироскоп 214
1852 г. Флюоресценция Стокса 216
1857 г. Погодный закон
Бёйса-Баллота 218
1859 г. Кинетическая теория 220
1861 г. Уравнения Максвелла 222
1864 г. Спектр электромагнитного
излучения 224
1866 г. Поверхностное натяжение 226
1866 г. Динамит 228
1867 г. Демон Максвелла 230
1868 г. Открытие гелия 232
1870 г. Крученый мяч в бейсболе 234
1871г. Рэлеевское рассеяние 236
1873 г. Радиометр Крукса 238
1875 г. Уравнение Больцмана
для энтропии 240
1878 г. Лампа накаливания 242
1879 г. Плазма 244
1879 г. Эффект Холла 246
1880 г. Пьезоэлектрический эффект 248
1880 г. Военные тубы 250
1882 г. Гальванометр 252
1882 г. Зеленый луч 254
1887 г. Опыт Майкельсона-Морли 256
1889 г. Рождение килограмма 258
1889 г. Рождение метра 260
1890 г. Гравитационная градиометрия
Этвёша 262
1891 г. Катушка Теслы 264
1892 г. Термос 266
1895 г. Рентгеновские лучи 268
1895 г. Закон Кюри 270
1896 г. Радиоактивность 272
1897 г. Электрон 274
1898 г. Масс-спектрометр 276
1900 г. Закон излучения абсолютно
черного тела 278
1901 г. Клотоида (спираль Корню) 280
1903 г. Лампа черного света 282
1903 г. Уравнение Циолковского для
ракеты 284
1904 г. Преобразования Лоренца 286
1905 г. Специальная теория
относительности 288
1905 г. Е = тс2 290
1905 г. Фотоэффект 292
1905 г. Ямки на мяче для гольфа 294
1905 г. Третье начало термодинамики 296
1906 г. Электровакуумные лампы 298
1908 г. Счетчик Гейгера 300
1909 г. Тормозное излучение 302
1910 г. Космические лучи 304
1911 г. Сверхпроводимость 306
1911 г. Атомное ядро 308
1911г. Вихревая дорожка Кармана 310
1911 г. Туманная камера Вильсона 312
1912 г. Переменные звезды цефеиды
и размеры Вселенной 314
СОДЕРЖАНИЕ 549

1912 г.
1913 г.
1913 г.
1915 г.
1919 г.
1921 г.
1922 г.
1923 г.
1923 г.
1924 г.
1925 г.
1926 г.
1927 г.
1927 г.
1927 г.
1928 г.
1928 г.
1929 г.
1929 г.
1931 г.
1931 г.
1932 г.
1932 г.
1933 г.
1933 г.
1934 г.
1934 г.
1935 г.
1935 г.
1937 г.
1938 г.
1942 г.
1943 г.
1945 г.
1945 г.
1946 г.
1947 г.
1947 г.
1947 г.
Условие Брэгга для дифракции
на кристалле 316
Атом Бора 318
Опыт Милликена с масляными
каплями 320
Общая теория относительности 322
Теория струн 324
Эйнштейн как источник
вдохновения 326
Опыт Штерна-Герлаха 328
Неоновая реклама 330
Эффект Комптона 332
Соотношение де Бройля 334
Принцип запрета Паули 336
Волновое уравнение
Шрёдингера 338
Соотношения неопределенностей
Гейзенберга 340
Принцип дополнительности 342
Сверхзвуковой щелчок
кнутом 344
Уравнение Дирака 346
Квантовое туннелирование 348
Закон Хаббла о расширении
Вселенной 350
Циклотрон 352
Белые карлики и предел
Чандрасекара 354
Лестница Иакова 356
Нейтрон 358
Антивещество 360
Темная материя 362
Нейтронные звезды 364
Излучение Черенкова 366
Сонолюминесценция 368
Парадокс Эйнштейна-
Подольского-Розена 370
Кот Шрёдингера 372
Сверхтекучесть 374
Ядерный магнитный резонанс 376
Ядерная энергия 378
Дурацкая замазка 380
Пьющая птичка 382
Атомная бомба «Малыш» 384
Звездный нуклеосинтез 386
Транзистор 388
Ударная звуковая волна 390
Голограмма 392
1948 г.
1948 г.
1948 г.
1949 г.
1949 г.
1950 г.
1954 г.
1955 г.
1955 г.
1955 г.
1956 г.
1956 г.
1956 г.
1958 г.
1959 г.
1960 г.
1960 г.
1960 г.
1961г.
1961 г.
1962 г.
1963 г.
1963 г.
1963 г.
1964 г.
1964 г.
1964 г.
1964 г.
1965 г.
1965 г.
1967 г.
1967 г.
1967 г.
1967 г.
1967 г.
1969 г.
1971г.
1980 г.
1981 г.
1982 г.
1984 г.
1985 г.
1987 г.
Квантовая электродинамика 394
Тенсегрити 396
Эффект Казимира 398
Путешествие во времени 400
Радиоуглеродный метод
датировки 402
Парадокс Ферми 404
Фотоэлементы 406
Падающая книжная башня 408
Наблюдение отдельного атома 410
Атомные часы 412
Параллельные миры 414
Нейтрино 416
Токамак 418
Интегральные микросхемы 420
Обратная сторона Луны 422
Сфера Дайсона 424
Лазер 426
Установившаяся скорость падения
в среде 428
Антропный принцип 430
Стандартная модель 432
Электромагнитный импульс 434
Теория хаоса 436
Квазары 438
Лавовая лампа 440
Бозон Хиггса
(«Частица Бога») 442
Кварки 444
Нарушение
СР-инвариантности 446
Теорема Белла 448
Супермяч 450
Реликтовое излучение 452
Гамма-всплеск 454
Жизнь как компьютерное
моделирование 456
Тахионы 458
Колыбель Ньютона 460
Метаматериалы 462
Неосвещаемая комната 464
Суперсимметрия 466
Космическая инфляция 468
Квантовые компьютеры 470
Квазикристаллы 472
Теория всего 474
Фуллерены 476
Квантовое бессмертие 478
550 СОДЕРЖАНИЕ

1987 г. Самоорганизованная
критичность 480
1988 г. «Кротовая нора» как машина
времени 482
1990 г. Телескоп «Хаббл» 484
1992 г. Гипотеза защиты хронологии 486
1993 г. Квантовая телепортация 488
1993 г. Стивен Хокинг в «Звездном
пути» 490
1995 г. Конденсат Бозе-Эйнштейна 492
1998 г. Темная энергия 494
1999 г. Браны Рэндалл-Сандрама 496
1999 г. Наибольшая скорость смерча 498
2007 г. Проект HAARP 500
2008 г. Чернейшая чернота 502
2009 г. Большой адронный
коллайдер 504
36 млрд лет спустя. Космологический
Большой разрыв 506
100 млрд лет спустя. Космическая
изоляция 508
100 трлн лет спустя. Увядание
Вселенной 510
Более 100 трлн лет спустя. Квантовое
воскрешение 512
Примечания и список дополнительной
литературы 514
Указатель 541
Иллюстрации 546
СОДЕРЖАНИЕ 551

250в t 'mix вех
в истории физики включая:
больш ц- 1рдлет «Сол
д п. ъ.) - djiuis »230 до . э'
(1643) (Ньютоновские законы
Черные дыры (V783* · Па
Уравнения Макс: rina (1В61 1ам
Ракета Циолковского (1903) · Эй
относительности (19* >)-«-Bej: про
Атомная бомба {1945; · Транзите
вселенные (1956) · Тёмная 'торок
Квантовые компьютеры il плерс.
Большой адронный ко/ шер
Квантовое воскреи ние (спустя более 10(
1>
ия
«Великая физика» - у ное π
оинаясгени 1ьных прозрений древних мыс и
.и будущем нашей Вселенной Поразил
к τ . прекр .но иллюстрированные, го- г
nDOHHKHVTbB >мы 'ные тайны при|
аслах
ЛольХалперн ,
«Коллаи
α щь vlKu анны ■ w-=
ргедго интеллекта, слое _ -юго
- настоящий сад научных
) наука сделала для нас?
Пиков* ι pai
:нныхми(
за-из ной нам р« льн _тью
7ne New York Times
Клиффорд Пиковер j.ei одня один из самых глубокид эигинальных мыслителей в мире.
lournal of Recreational Mathematics
Книга Пикоррра несомненно расширит кругозор лю ловека.
Ар .. Кларк
БаккиФуллер- гениален, Артур Г Кларк- рпревос щит их обоих.
WIRED
ISBN 978 5-9963-0517-
9"785996 505179