ШЕДЕВРЫ
Н А У Ч Н О -П О П У Л Я Р Н О Й
TlIITrDATVDLI

НАУКУ— ВСЕМ!
Шедевры научно-популярной литературы

М. Е. Перельман

НАБЛЮДЕНИЯ
И ОЗАРЕНИЯ,

или

КАК ФИЗИКИ
ВЫЯВЛЯЮТ
ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ
От Аристотеля
до Николы Теслы

Издание второе

U RSS

МОСКВА

Б Б К 22.3о
Перельман Марк Ефимович
Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы:
От Аристотеля до Николы Теслы. Изд. 2-е. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ »,
2013. — 216 с. (Н А У К У — ВСЕМ! Шедевры научно-популярной литературы.)
Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания чело­
веком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, дейст­
вующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых раз­
мерностей пространства-времени.
Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно те­
ми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только
понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современ­
ной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гени­
альных прозрений.
Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» напи­
саны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся
ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя
посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой миро­
здания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.
Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития
науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Пто­
лемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Мак­
свелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго
до нас.
«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, ко­
торые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой логики:
о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопре­
деленности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной
современной физики раскроется перед читателем.
Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

Издательство «Книжный дом “ Л И Б РО К О М ” ». 117335, Москва, Нахимовский пр-т, 56.
Формат 60*90/16. Печ. л. 13,5. Зак. № ВР-70.
Отпечатано в ООО «Л Е Н А Н Д ». 117312, Москва, пр-т Шестидесятилетия Октября, 11 А , стр. 11.

ISBN 978-5-397-03684-9

© Книжный дом «ЛИ БРО КО М »,
2011,2012

НАУЧНАЯ И УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА
E-mail: URSS@URSS.rn

13536 ГО 168587

9785397036849
785397

36 849

Каталог изданий в Интернете:

http://URSS.ru
Тел ./факс (многоканальный):
+ 7 (499) 724 25 45
URSSI

Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или
передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то элек­
тронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель,
а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разрешения владельца.

Содержание

.......................................

7

п о и с к а х н а у ч н о г о з н а н и я ................................

10

Глава 1. Наблюдения и их упорядочение.....................................

10

Глава 2. Древний м и р .....................................................................

14

Предисловие: как делаются открытия?
Раздел I
О т А р и с т о т ел я до Галилея:
2000 л е т

в

1. Аристарх С а м о с с к и й ...........................................................

15

2. Э р а т о с ф е н ..............................................................................

15

3. А р х и м е д .................................................................................

16

4. П и ф а г о р .................................................................................

17

5. Звуковой р е з о н а н с ? .............................................................

18

6. П р елом ление с в е т а ................................................................

19

7. П т о л е м е й .................................................................................

20

Отступление I. Величайшие и зобр е т ен и я ...........................

21

Глава 3. Эпоха Возрож дения..........................................................

24

1. Великая о ш и б к а .....................................................................

24

2. Л еонардо да В и н ч и ................................................................

24

3. Николай К о п е р н и к ................................................................

26

4. Тарталья и К а р д а н о .............................................................

28

Глава 4. Начало научных исследований

.....................................

30

1. Галилео Г а л и л е й .....................................................................

30

2. Иоганн К е п л е р .......................................................................

32

3. Уильям Г и ль б ер т .....................................................................

35

4. А тм осф ерное д а в л е н и е ........................................................

36

5. Отто фон Г е р и к е ..................................................................

37

6. Блез П а с к а л ь ..........................................................................

39

7. Роберт Б о й л ь .........................................................................

39

8. Роберт Г у к ..............................................................................

40

3

Содержание

9. Г р и м а л ь д и ..............................................................................

41

10. Христиан Г ю й г е н с ...............................................................

42

Глава 5. Теплота и т е м п е р а т у р а ........................................................

45

Раздел II
Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

...

49

..........................................................

49

Глава 1. П арадигма Н ью тон а

1. Оптика Н ь ю т о н а ..................................................................

49

2. Исаак Нью тон: единство ф изического м и р а .................

54

...........................

58

4. Эффекты в р а щ е н и я ..............................................................

3. Д аниил Бернулли: гидроаэродинамика

63

Глава 2. П роисхож дение С олн еч н ой систем ы

..............................

66

....................................................

70

Глава 3. Э л е к т р и з а ц и я .......................................................................

73

Отступление И. Смена в ех

1. П ервы е и с с л е д о в а т е л и ........................................................

73

2. Бенджамин Ф р а н к л и н .........................................................

75

3. О гю ст К у л о н ..........................................................................

78

4. Генри К а в ен д и ш .....................................................................

79

Глава 4. Э лектрический т о к .............................................................

81

1. Луидж и Гальвани и А лессан дро В о л ь т а ............................

81

2. Гемфри Д э в и ..........................................................................

83

3. Георг О м .................................................................................

86

4. Эрстед и А м п е р .....................................................................

87

5. М ай кл Ф а р а д е й .....................................................................

91

Отступление III. Минимальный словарь
Бертрана Рассела ................................................................

96

Глава 5. Теплота и т е р м о д и н а м и к а .................................................

99

1. Паровы е двигатели
2. Теплота как поток

.............................................................

99

................................................................

102

3. Газовые з а к о н ы .....................................................................

104

4. А т о м и с т и к а ............................................................................

107

5. Импульс, энергия, момент

4

.................................................

109

6. Готфрид Вильгельм Лейбниц: ф ункция д е й с т в и я

110

7. Виды энергий

.......................................................................

112

8. Закон сохранения энергии: М айер, Джоуль,
Г е л ь м го л ь ц ...............................................................................

114

Содержание

Глава 6. Второй закон терм одинам ики

..........................................

117

1. Вероятность, информация, эн т р о п и я ................................

117

2. Рудольф Клаузиус

122

................................................................

3. Д ж ейм с Кларк М аксвелл: статистическая физика . . . .

123

4. Вечные д в и га тели ..................................................................

127

5. Лю двиг Б о льц м а н ..................................................................

129

6. Д ж озайя Уиллард Г и б б с ......................................................

132

7. Броуновское движение: Эйнш тейн и Смолуховский

134

. .

8. Н еравновесны е процессы: О н с а г е р ..................................
Глава 7. Волновая оптика . . .

.....................................................

135
137

1. Корпускулы или в о л н ы ? ......................................................

137

2. Томас Ю н г ...............................................................................

139

3. О гю стен Ф р ен ель

................................................................

142

4. Скорость света и проблем а э ф и р а .....................................

145

Глава 8. Электродинамика М а к с в е л л а ..........................................

148

..................................

148

1. Дальнодействие и близкодействие
2. Великие уравнения

.............................................................

150

3. Генрих Г е р ц ............................................................................

154

4. Х ендрик Антон Л о р е н т ц ......................................................

157

Раздел IIP
Наблюдать, чтобы изобретать:
о т э л е к т р о н о в к э л е к т р о т е х н и к е .......................................

160

Глава 1. Спектры, электроны, ат о м ы ............................................

160

1. Ф раунгоф еровы л и н и и .........................................................

160

2. Спектральны й а н а л и з ...........................................................

161

3. Катодные л у ч и .......................................................................

164

4. Рентген и его л у ч и ................................................................

165

5. Дж. Дж. Томсон: открытие э л е к т р о н а ................................

168

Глава 2. Электротехника и р а д и о т е х н и к а ...................................

171

1. Источники электрического т о к а .......................................

171

2. Электрогенераторы и э л е к т р о м о т о р ы .............................

172

3. Хим ические источники т о к а ...............................................

174

4. Т е л е г р а ф .................................................................................

176

5. Т е л е ф о н ...................................................................................

179

6. Томас Э д и с о н ..........................................................................

181

5

Содержание

7. Н икола Т е с л а ..........................................................................

184

8. К о г е р е р ....................................................................................

186

9. И зобретен и е радио

187

10. И оносф ера

..............................................................

............................................................................

189

11. Д иод и т р и о д ..........................................................................

191

Глава 3. Запись изображения, звука и информации

................

193

1. Ф о т о г р а ф и я ............................................................................

193

2. Запись з в у к а ..........................................................................

195

3. К и н е м а т о гр а ф .......................................................................

198

4. Голография

............................................................................

200

5. М агнитны е свойства в е щ е с т в ............................................

202

6. Магнитная память, ф е р р о ги д р о д и н а м и к а ......................

203

Приложение 1. Рейтинги замечательных
экспериментов и великих ф и з и к о в ..................

206

Приложение 2. Некоторые о б о зн а ч е н и я .....................................

209

Заключение

211

......................................................................................

Предисловие: как делаются открытия?

Никто, увы, не мож ет объяснить, как делаю тся открытия или, н еск оль­
ко точнее, как из груды предположений, ясных и совсем неясных или
даже ош ибочны х данных выбираются те, которы е помогаю т выявить
(это слово б олее точно, чем «отк р ы ть») закон природы. Наитие, оза­
рение — это ведь только слова...
Н е следует ли обратиться к авторам открытий? Они-то могут или
долж ны что-то и как-то объяснить?
И вот что говорят самые великие, авторы многих, не одного
и не двух эпохальных открытий.
А льб ер т Эйнш тейн в автобиографии пишет: «О ткры ти е не явля­
ется делом логического мы ш ления», а в другом месте замечает, что
какой-то процесс, по-видимому, происходит в подсознании, без сло ­
весного оформления, и затем как-то выскакивает в сознание.
Великий математик, ф изик и ф илософ А н ри Пуанкаре описывает,
как он приходил к своим открытиям: «С луч аи внезапного озарения,
мгновенного завершения длительной подсознательной работы мозга,
конечно, поразительны. Роль этой подсознательной деятельности ин­
теллекта в математическом открытии мож но считать, по-видимому,
бесспорной». Н о затем он продолжает: «В незапное вдохновение ни­
когда не могло бы прийти без многих дней предш ествую щ их целен а­
правленных усилий, казавшихся в то время соверш енно бесплодными
и направленными по неправильному пути».
В обыденном сознании м ы слитель часто ассоциируется с одно­
именной скульптурой Родена. Н о говорят, что у глубоко задумавш его­
ся гениального Нильса Бора бы л в такие моменты вид клинического
идиота: полностью расслабленная мускулатура лица, опущ енная н иж ­
няя челюсть... Так что прототип Родена рассуждает — возможно, он
перебирает варианты ответа, но отнюдь не открывает нечто новое.
Но если нечто истинно новое возникает в виде смутной идеи,
некоей картинки в подсознании, то скорее всего оно пробьется в со ­
знание в моменты расслабленности, в полудреме или даже во сне.
И действительно, именно об этом говорят многие из тех, кто совер­
шал открытия, изобретал. Значит, логика здесь ни при чем, и машины,
построенные на основе логических программ, никогда не смогут со ­
перничать с людьми.

7

Предисловие: как делаются открытия?

Что ж е делать, если нельзя научить делать открытия?
Н ельзя забывать слова великого Т. А. Эдисона: в лю бом и зоб р ете­
нии 99 % тяжкой работы и 1 % вдохновения. Так что нуж но работать,
тогда мож ет прийти, а мож ет и не прийти вдохновение.
Н о мож но попытаться восстановить условия, в которы х соверш е­
но открытие, и то, как и почему тот или иной ученый, и зобретатель
заинтересовался какой-то п роблем ой и как он подош ел к ее реш е­
нию. Такие примеры могут послужить, отчасти, путеводной звездой
в будущем.
Вот такие примеры автор и попытался собрать в этой книге, от­
мечая при этом и явления, которы е до сих пор не объяснены (может,
они заинтересую т читателя?).
Книга эта не является ни учебником, ни последовательной и с­
торией развития физики. Скорее, это история открытий в физике,
но в ф орме излож ения для чтения, для всех тех — от школьников,
студентов и их преподавателей до психологов и просто лю дей л ю б о ­
знательных, — кто интересуется п роблем ой открытий. (В этом и от­
личие ее от многих популярны х книг, которы е обы чно объясняю т
то, что открыто, не затрагивая психологические проблемы работы
исследователей.) П о это м у в книге нет формул, а отдельные очерки
по возмож ности сделаны независимыми — читать ее м ож но почти
с лю бо го места.
Преподавательский опыт автора показывает, что рассказ о том,
как, каким человеком и почем у бы ло сделано то или иное открытие,
какие трудности приш лось преодолеть, какие проблем ы оно разре­
шило, придает некую эм оциональную окраску ур ок у или лекции —
экзамены показывают несравнимо лучш ее запоминание и понимание
именно этого материала. В нашей книге как раз и собраны подобные
рассказы.
К ром е того, автор убеж ден, что рассказ об эмоционально насы­
щ енны х эпизодах легче проникает в подсознание человека (нечто
вроде резонанса?), а затем схож ая идея м ож ет всплыть, уж е вне воли
индивидуума, во время упорядоченного изучения предмета или даже
во время собственны х исследований. Н о ведь для этого в подсозна­
нии уж е долж ны находиться некие примеры! П оэтом у представляет­
ся, что знание некоторы х деталей истории открытий не мож ет быть
бесполезны м, во всяком случае для будущ их ученых. А может, такие
рассказы и обратят кое-кого из подростков к занятиям наукой?
В последние годы во многих ш кольных программах понизился
статус естественных наук, в том числе физики, в пользу математики
и компьютеров: для чего, мол, запоминать ф ормулировки законов А р ­

8

Предисловие: как делаются открытия?

химеда или Ома, если их мож но в лю бо й момент найти в И нтернете.
Х отелось бы напомнить организаторам просвещения, что, во-первых,
ни одна поисковая система не выдаст вам сведений, если вы сами
не знаете, что надо искать, а во-вторых, и это гораздо важнее, суть
преподавания, скажем, физики состоит в том, чтобы привить н еко­
торы е навыки понимания явлений окруж аю щ его мира, показать воз­
мож ности не ф ормального (как в математике), а реального анализа
всего нас окруж ающего.
Так что ещ е одна задача книги — показать, насколько физика ин­
тересна и увлекательна. Эта книга в некотором смы сле продолж ает
предш ествую щ ую книгу автора: « А почем у это так?» (Кн. 1: Ф изика
вокруг нас в занимательных беседах, вопросах и ответах. М.: URSS,
2012; Кн. 2: Ф изика в гостях у других наук (в занимательных б е с е ­
дах, вопросах и ответах). М.: URSS, 2012). Если в ней рассматривались
повседневные явления и окруж аю щ ие нас предметы, показывалась
роль и возмож ности поиска внутреннего смысла разнородных, каза­
лось бы, проявлений законов физики, то здесь мы обращ аемся к тому,
как наблюдения — возмож но разрозненные, а порой и случайные —
вели к открытию самых общ их законов природы.
Необходимые пояснения. 1. Автор писал о тех разделах физики, которые
ему в той или иной степени близки и знакомы (поэтому в очень ма­
лой степени затронуты физика твердого тела, физика плазмы и т.д.).
2. Опущены вопросы, которые очень сложно изложить без привлечения
математики. 3. Список литературы к проводимому изложению мог бы
по объему сравняться с самой книгой, но поскольку наше изложение
отнюдь не претендует на строгую научность, приведены лишь мини­
мальные ссылки на литературу.
Об иллюстрациях. Великий Резерфорд любил повторять: «Все науки явля­
ются либо физикой, либо собиранием марок» («А77 science is either physics
or stamp collecting»). А поскольку имеется множество почтовых марок
самых разных стран с портретами ученых и даже деталями аппаратуры
и формулами, мы поместили некоторые из них здесь, руководствуясь
при выборе лишь критериями правдоподобия и качества изображения.
Заметим, что в мире найдется более 100 видов марок, посвященных
Эйнштейну, причем некоторые из них напечатаны в странах, где вряд ли
найдутся знатоки его творчества.

Раздел I

От Аристотеля до Галилея:
2000 лет в поисках научного знания

Глава 1

Наблюдения и их упорядочение

Я не роз говорил вам, что когда вы удалите невозможное, то все, что останется, должно быть
правдой — как бы оно ни казалось невероятным.

А. Конан Дойл . Знак четырех
Важнейш ее свойство человека — это стрем ление как-то упорядо­
чить свои впечатления, свой опыт. В более примитивной форме та­
кое стремление характерно для всех животных: так вырабатываются
привычки или условны е рефлексы,
только так и идет у высших ж ивот­
ных процесс обучения детенышей.
П рощ е всего упорядочить опи­
сание тех явлений, которые р егу­
лярно повторяются, например вос­
ход солнца и заход солнца, т. е. поня­
тия дня и ночи. Затем — и это много
слож н ее — идет понимание смены
сезонов: теплы х и холодны х пери о­
дов. С езоны определяю т характер перем ещ ений животных, а от них
зависело выживание лю дей в течение долгих тысячелетий. О собенно
важным стало понимание последовательности сезонов при переходе
от собирательства к регулярном у скотоводству и земледелию .
Так возникало важнейшее д ля познания мира понятие регулярности
и повторяемости явлений, их цикличности. Поэтому первым объектом
человеческого лю бопы тства стало выявление законов движения н е­
бесны х т ел — закладывались начала астрономии: самым простым ка-

10

Раздел I

Глава 1. Наблюдения и их упорядочение

залось ежедневное «движ ен и е» Солнца, гораздо более сложным — его
годовое «дви ж ен и е», и оба они легко увязывались с циклами жизни.
И зм енения фаз Луны прямо не связаны с природными явлени­
ями, зато бросается в глаза периодичность этих изменений. Ф азы
Луны могли играть сущ ественную роль, например, для возм ож ностей
ночной охоты, что привело к членению времени уж е не только на дни
и годы, но ещ е и на лунны е месяцы.
Итак, регулярность движ ений Солнца и, частично, Луны оп ре­
деляла циклы ж изни людей. Н о ночной небосвод украш ают также
неподвиж ные звезды, вращ аю щиеся вместе с небосводом, и планеты,
движ ущ иеся относительно звезд. Спрашивается: а для чего они н уж ­
ны, какова их роль в мире?
В Д ревней Греции лю ди были практичны — они соотнесли с
каждым явлением (каждым ручьем, каждой горой и даже деревом)
своего бога или духа, объяснили рисунок созвездий теми или ины ­
ми мифами и надолго потеряли интерес к дальнейш им обобщ ениям.
В Месопотамии, в Древнем Вавилоне, однако, жрецы этим не удовлетворились: у них возникла идея
_ m

, ____ ______________ ____ _

___

о том, что если С олнце управляет
у ^

миром в целом, то б олее м елкие
н ебесны е тела (звезды, планеты)
тож е бы ли созданы не напрасттттэп эм тттттттттп п п .а о ,, »^ »о
^
J

но — они долж ны управлять дела-

|предположение, что движение небесных тел вли- 1
яет на земную жизнь, получило «подтверждение»
в Ю66 г. Тогда произошло важное событие мировой истории: войска норманнского герцога ВильJ
Y
гельма Незаконнорожденного, прозванного затем
Вильгельмом Завоевателем, переплыли пролив
Ла-Манш, высадились в Англии и быстро ее покорили. Но так как перед этим событием на небе
появилась комета (очередное возвращение коме_
\
^
.
ты Галлея), то завоевание было увязано с ней,
I и астрология расцвела в Европе пышным цветом. I

ми более м елких объектов
отдельны х людей, а так как важней- —
— '
шей для каждого человека является дата его рождения, то его судьба
определяется тем, как в тот момент были располож ены звезды.
Так возникла, наряду с астрономией (от греческого «закон звезд»),
и астрология (от греческого «наука о звездах»). Отметим, кстати,
что подобны е соображения, несколько м енее общие, появлялись, повидимому независимо, в Д ревнем Египте и Древнем Китае, что гово­
рит о схож ем развитии человечества в разных странах.
С о временем астрономия объяснила движ ение планет, стало по­
нятно, что звезды находятся от нас на расстоянии многих световых
лет, что некоторые объекты на н ебе мы видим такими, какими они
были задолго до возникновения человечества, а то даже и до воз­
никновения самой Земли. Тем не м енее газеты регулярно печатают
астрологические прогнозы, а люди, знакомясь, иногда интересую тся:
« А кто Вы по гороскоп у?» — довольно безоби дн ое суеверие, и вряд ли
стоит всерьез с ним воевать.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

11

Глава 1. Наблюдения и их упорядочение

А вот для ученых, настоящ их или будущих, из этой истории сл е­
дую т серьезны е выводы. С одной стороны, основная ц ель науки — это
упорядочение наблю даем ы х явлений, поиск регулярностей в этих яв­
лениях и сведение их к наим еньш ем у чи слу общ их принципов (так мы,
например, объясняем все электрические явления через свойства за­
рядов, но не ставим вопрос «а что такое электрический заряд?» —
заряд существует, и вот таковы его свойства, для ф изики этого д о­
статочно) . И при этом мы долж ны внимательно всматриваться во все
вновь замечаемые явления: их нуж но ли бо увязать с другими, о б ъ ­
яснить через уж е выявленные общ и е законы (такие исследования
называются «норм альной н аукой»), ли бо — если это не получает­
ся — нуж но менять что-то в основны х принципах, т. е. произвести
научную револю цию , создать новую п аради гм у1. Д ля такого резкого
изменения научного мировоззрения необходим о обы чно накопление
какого-то количества противоречий, которы е невозмож но, при всех
ухищ рениях, втиснуть в старые рамки, — своего рода возникновение
критической массы, после которого происходит взрыв.
П оэтом у очень м ногое зависит от того, насколько внимательно
человек всматривается во все его окруж аю щ ее и насколько он м ож ет
встроить вновь замеченное явление в уж е сущ ествую щ ую систему,
объяснить его через известное.
Но, с другой стороны, человек, особен н о если он ученый, долж ен
сохранять известную долю скептицизма, не делать скоропалительных,
хотя и очень приятных для самолю бия, выводов. Один из крупнейш их
ф изиков X X в. М акс Борн, о котором мы не раз будем говорить, писал:
«Ф и зи к и — не револю ционеры , скорее они консерваторы, и только
вы нуж дающ ие обстоятельства побуж даю т их жертвовать ранее х о ­
рош о обоснованны ми представлениями». Так что здесь возникаю т
довольно узкие рамки: не пропустить и не спешить!
Следующая важнейшая особенность научного исследования — это
анализ (от греческого «разложение, расчленение»), т. е. разложение на­
блюдаемого явления или устройства на более простые части — примерно
так, как ребенок разламывает игрушку, чтобы понять, как она устроена.
1Слово «парадигма», в буквальном переводе с греческого, — это «пример, образец».
Но сейчас в науке под этим термином понимают такую модель, которая описывает мно­
жество явлений и которую мировое научное сообщество считает правильной. Смена
парадигм и называется научной революцией, например: революции Коперника, Гали­
лея, Фарадея и Максвелла, Эйнштейна в физике, Дарвина и генетики — в биологии,
глобальной тектоники — в геологии. Наука не может существовать без парадигм —
вспомним старый клич при смене монарха в Средние века: «Король умер. Да здрав­
ствует король!» — так смерть старой парадигмы должна совпадать с рождением новой.
(См. книгу: Кун Т. Структура научных революций. М., 1977.)

12

Раздел I

Глава 1. Наблюдения и их упорядочение

Е с л и анализ проведен правильно и роль каждой части, каждого подпро­
цесса понята, можно провести синтез (от греческого «сочетание, соеди­
н ен и е») — попытаться понять взаимодействие всех частей и выявить
то, что не объясняется свойствами этих частей по отдельности. Н о при
этом нельзя оперировать одной лиш ь логикой — ее возможности огра­
ничены, и, как лю бил повторять известный теоретик и создатель большой
ш колы физиков П. Эренфест, «лю б а я логическая последовательность

ведет к дьяволу», т. е. не позволяет I в ХУШ в. физика состояла из практически незави-1
создать нечто действительно новое.
симых друг от друга механики, гидроаэродинамиЕсли оказывается, что нескольакустики, электричества, магнетизма, оптики,
ко как будто разных явлений предсга- У^ния » «плоте, учения о строении вещ его (атоJ

г

вляются набором схож их простых
процессов, Т О появляется В О З М О Ж ность описать теорию (от греческого «рассматриваю, и сслед ую ») этих
*

r

J

процессов и явлении, которая позволяет уж е предсказывать свойства

мизма). Но вслед за их независимым развитием накупила пора синтеза знаний: первые три объединились в механику Ньютона; затем Фарадей и Максвелл объединили электричество, магнетизм и опти-

« в *лектр0АИНамик»' а эйншгейн "Р"«*яинил

сюда в значительной степени и механику; учения
о теплоте и о строении вещества образовали вместе
статистическую термодинамику и т.д.

явлений до их анализа. А когда на- Зато возникли космология, квантовая механика,
бирается ряд таких теорий «перво- затем квантовая электродинамика и теория поля,
го порядка», то можно и нужно ис- Физика плазмы, ядерная физика, физика элекать общ ие принципы, заменяющие , ментарных частиц. Сейчас как будто намечаются
^

^

возможности свести их в одну общую теорию...

несколько таких теорий одной — I—
— I
теорией следую щ его порядка. Теперь возм ож но уж е провести ло ги ­
ческий анализ науки, показать, насколько необходим о из простейших,
казалось бы, полож ений следую т основны е ф изические т ео р и и 2.
Такой поиск является общ ей тенденцией развития науки — с од­
ной стороны, объем научных знаний все время возрастает, и ставится
вопрос: как ж е его целиком охватить, усвоить, но, с другой стороны,
этот о бъем сокращ ается за счет того, что находятся общ ие принципы,
которы е объединяю т отдельные «н ауки ».
Н о обо всем этом лучш е говорить по ходу описания развития
физики. Пока только скажем, что физика (а в переводе с греческого
это слово означает «п р и р о д а ») лиш ь в последние примерно полвека—
век становится воистину наукой о природе, т. е. начинает объяснять
основны е законы химии (химическая ф изика), биологии (биоф изика),
строения и свойств Земли и ее недр (геоф изика), некоторые, пока
только некоторые, особенности наших чувств (психоф изика).

2 Блестящий анализ такого подхода к развитию физики дан в известной популяр­
ной книге А. Эйнштейна и Л. Инфельда «Эволюция физики» (есть несколько изданий
на русском языке).

Глава 2

Древний мир3

Познание и заблуждение вытекают из одних
и тех же психологических источников.

Э. Мах
Древние греки считали, что л ю б у ю и стину мож но познать рассуж де­
нием и созерцанием, и поэтом у специально ставить опыты не стоит —
это равносильно недоверию к разуму: нуж но лиш ь как следует п о­
рассуждать, и все прояснится. Более того, великий ф илософ Платон
упрекает пифагорейца А рхи та за то, что тот применяет математику
для расчета каких-то устройств: думать, м ол (как в старом анекдоте),
головой нуж но!
При этом, конечно, ж елание объяснить все явления в мире на осно­
ве как мож но меньш его числа основны х принципов приводит к со ­
верш енно несусветным, с соврем енны х позиций, положениям.
Вот как, например, объясняет А р и стотель движ ение т ел после
прекращ ения действия силы: движ ущ ееся тело оставляет за собой
пустоту, туда со всех сторон устрем ляется воздух, заполняю щ ий весь
мир, и продолж ает толкать тело вперед. Н у а так как повсю ду в ми­
ре есть движ ение тел, то А р и стотель выдвигает принцип: природа
не терпит пустоты (этот принцип просущ ествовал до X V II в., мы к н е­
му вернемся в рассказе о Торричелли). Сейчас представляется удиви­
тельным, что А ри стотель и его последователи в течение почти двух
тысячелетий не задумывались над тем, что такой подход не мож ет
объяснить, почем у камень после удара об стенку отлетает назад!
В некоторы х вопросах Аристотель, правда, пош ел дальш е своих
предшественников. Так, ещ е П латон писал, что видим мы потому, что
наш глаз испускает особы е зрительны е лучи, которы е как бы ощ упы ­
вают предмет и возвращ аю т в глаз его образ. А ри стотель возражает:
тогда мы могли бы видеть и в темноте!
3 Наиболее полное изложение истории физики вплоть до начала XIX в. дано в «И с­
тории физики» Ф. Розенбергера (Розенбергер Ф. История физики. В 4 кн. М.: Книжный
дом « A h 6 p o k o m »/ U R S S , 2010).

14

Раздел I

2. Эратосфен

Иногда Аристотель приходит, только на основе наблюдений, к пра­
вильным заключениям. Так он доказывает (книга «О н ебе», 340 до н. э .),
что Земля является шаром: 1) тень Земли, видная во время лунны х
затмений, — круглая; 2) при движении к ю гу Полярная звезда, венча­
ющая ось, вокруг которой вращается Земля, смещ ается вниз, к гори ­
зонту, а если идти на север, то Полярная звезда поднимается. П озднее
к этим фактам добавили ещ е одно наблю дение: когда приближ ается
корабль, то сначала становятся видны верхуш ки мачт, а потом весь
корабль как бы постепенно поднимается из-за горизонта.
Смеш ение правильных и соверш енно фантастических ум озаклю че­
ний — беда античных философов: накопив множество фактов, выдвинув
множество новых идей, они не поняли ещ е необходимости расчетов
и постановки контрольных опытов для проверки своих предположений.

1. Аристарх Самосский
Завоевания Александра М акедонского (IV в. до н. э.) сущ ественно
раздвинули границы доступного грекам мира, что привело к более
ш ирокому взгляду на все окружаю щее. По-видимому, первым, кто понял, что наряду С описаниями нужны и количественные сравнения, бы л
А

г

Г ^ истарх ^

ЗНал, что Луна светит отраж ^]

ным светом и она ближе к Земле, чем Солнце
(об этом говорили затмения Солнца Луной,
когда°„на точно закрывала его диск). Но насколько? Он сообразил, что отношение их рассто-

астроном Аристарх с острова Самос
(310—230 до н. э.).
Расчеты Аристарха были не очень
точны, но дело не в том — он про-

яний до Земли можно оценить таким о6разом:

возгласил принцип измеримости, который стал одним из основны х в науке. П оэтом у самый больш ой кратер
на видимой стороне Луны по праву

НЬ1Й^ eyronbHMK: Луч, идущий от Лунь( к на.

А

когда Луна кажется нам освещенной точно наполовину, т. е. в первой и последней четверти

цикла' и на*°Аится точно в 3®нит^ т° можно

считать, что при этом образуется прямоугольблюдателю, перпендикулярен к линии Луна—
Солнце. Следовательно в таком треугольни-

ке Расстояние Земля—Луна составляет меньший катет, а расстояние Земля—Солнце яв-

назван именем Аристарха. К ром е то- ляет£я гипоте^ зой и заведомо 6ольше. Если
го, он установил длину солнечного го- определить теперь угол между направленияда и первым провозгласил, что Земля ми на Солнце и на Луну, то из этого треугольвращается вокруг оси и обращ ается \ ^ а можно найти отношения расстояний. |
вокруг Солнца, но это уж е на уровне скорее ф илософии, чем науки.
(Заметим, что Аристарха тогда считали богохульником, труды его бы ­
ли уничтожены, и мы знаем о нем только из пересказа Архимеда.)

2. Эратосфен
Первым, согласно одной из легенд, отверг античный подход «тольк о
рассуж дения!» Эратосфен (276—195 до н. э.): он опустил в воду вверх
дном больш ой сосуд, поднырнул и увидел, что внутри остается воздух.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

15

Глава 2. Древний мир

Отсюда бы л сразу сделан вывод, что воздух занимает определенный
объем и обладает упругостью .
Тот же, по-видимому, Эратосфен задумался над тем, почему в июне,
в дни наиболее высокого солнца, в С и ен е (Верхний Египет) солнечны е

I Через

150 лет после Эратосфена Посидоний при- 1 ЛУ41* в поддень освещ аю т дно
думывает другой способ измерения радиуса Земли: глубокого колодца и вертикаль­
ногда по наблюдениям на острове Родос звезда Ка- ный столб вообщ е не отбрасынопус (Сириус) касается горизонта, а Александрии
вает те
севернее, в А лекона видна на высоте в V 48 окружности над гориг
зонтом. А поскольку расстояние между пунктами насандрии, этого не происходит
блюдения приблизительно известно, то отсюда можи тень вертикального столба в
но определить радиус Земли: полученные значения
12,5 раз меньш е его высоты,
____ | П о э т о м у
[оказались близки к результатам Эратосфена.

если Земля плоская, то

из подобия треугольников следует, что расстояние от Земли до Солнца так
относится к высоте столба, как расстояние между Сиеной и Александри­
ей — к длине тени. Но тогда расстояние до Солнца оказывается неправдо­
подобно малым — всего в 12,5 раз больше расстояния между городами,
а длина тени дальше на севере может оказаться слишком уж большой.
И Эратосф ена осеняет: а если Земля не плоская, если она —
шар? Тогда из этих ж е изм ерений м ож но рассчитать диаметр Земли,
и Эратосф ен его определяет, с ош ибкой всего лиш ь примерно в 15%.
(До него Пифагор, А ри стотель и ещ е несколько ф илософ ов предпола­
гали ш арообразность Земли, но о необходим ости доказательств даже
не думали. Заметим, что прославился Эратосф ен больш е всего в ма­
тематике, но его интересы простирались на все области знания, так
что он даже получил прозвищ е Пентапл, т. е м ногоборец.)

3. Архимед
А рхим ед (287—212 до н. э . ) 4 бы л современником Эратосфена. И звест­
ный рассказ гласит, что, опускаясь как-то в наполненную до краев
ванну, он понял, в чем состоит мучавшая его задача, выскочил из во­
ды и голы й с криками «эв р и к а » («н а ш е л ») п обеж ал к царю.
Сейчас, при отсутствии воспоминаний самого Архимеда, можно
предполож ить два объяснения его радости. В то время он бы л занят
слож ной задачей: его родственник Гиерон, царь Сиракуз, подозре­
вал, что ювелир, изготовивш ий ем у золотую корону, зам енил часть
золота серебром; как ж е проверить эти подозрения, не распиливая
корону? Во-первых, А рхим ед мог обратить внимание на то, что в воде
4 Чтобы определить, сколько лет было Архимеду, когда его убил римский солдат
при взятии Сиракуз, надо помнить, что года до нашей эры берутся со знаком минус:
- 2 1 2 - (-287) = 75.

16

Раздел I

4. Пифагор

ем у легче поднимать какой-нибудь тяж елы й
предмет, т. е. предмет как бы теряет в воде
часть своего веса (это наблю дение привело,
после проверок, к его знам енитом у закону:
на всякое тело, погруж енное в жидкость или
газ, действует выталкивающая сила, равная
весу вытесненной им жидкости или газа). С ле­
довательно, сравнивая выталкивающие силы,
действую щ ие на куски золота и серебра, оди­
наковые по весу с короной, и на саму корону,
т. е. взвешивая их при погруж ении в воду,
м ож но выяснить состав последней.
Во-вторых, Архимед, великий геометр,
мог поступить проще: главное — определить
объем короны (это ведь он придумал способы вычисления объем ов
шара, конуса и т.п.). Н о форма короны слишком слож на для расче­
тов, зато, как он мог сообразить в ванне, объем вытесняемой воды
точно равен объ ем у самого погруж енного тела. П оэтом у надо про­
сто измерить количество выливш ейся воды и разделить вес короны
на этот объем, т. е. определить ее плотность. А поскольку плотность
золота (в современны х единицах) составляет 19,3 г/см3, а серебра —
всего 10,5 г/см3, почти вдвое меньше, то м ож но просто сосчитать,
составив пропорцию (это А рхи м ед ум ел), украл ли ю велир золото,
и если украл, то сколько! (Такой метод усовершенствовали в X I—XII вв.
арабские ученые, в том числе великий поэт Омар Хайям.)
Еще одна из легенд об А рхим еде говорит, что во время осады
Сиракуз римлянами он сж ег их корабли с помощ ью зеркал. Недавно,
в 1973 г., его потомки, современны е греки во главе с инж енером Ионанисом Саккасом, реш или проверить легенду: бы ло изготовлено по и з­
вестным образцам 70 полированных медных щитов и 70 солдат одно­
временно, в летний полдень, направили солнечны е «за й ч и к и » на м о­
дели римских кораблей, стоящ ие в порту на расстоянии 55 метров, —
и модели действительно загорелись, притом всего через 3 минуты!
Н у а сообразить, что жар «зай чи ков» от нескольких зеркал скла­
дывается, — это не такая уж проблема для гения! А рхи м ед бы л пол­
ностью реабилитирован!

4. Пифагор
А теперь вернемся несколько назад, к П иф агору (582—500 до н. э.).
Ч и сло легенд, связанных с Пифагором, огромно: помимо знаменитой
теоремы ем у приписываются учение о том, что все в мире определяется

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

17

Глава 2. Древний мир

числами и соотнош ениями м еж ­
ду ними, какая-то ф илософ ская
система с обож ествлением чисел
и почему-то бобов, создание тай­
ного сою за пиф агорейцев и за­
воевание власти в городе К р ото­
не; его считают одним из осн о­
вополож ников астрологии и т. д.
Н о нас и н тер есует только
один из этих рассказов. В нем
говорится, что Пифагор, проходя
мимо кузницы, поразился прият­
ности сочетания звуков при уда­
рах разных молотов по наковаль­
не. Войдя внутрь, он увидел, что
j самый маленький из них вдвое
меньш е самого больш ого, вес второго составля­
ет 2/з от веса этого больш ого, а вес ещ е одно­
го — порядка веса главного молота. О тсю да сра­
зу возникает мысль, что гармоничность звуча­
ния зависит от соотношения весов тел, которые
колеблю тся!
Так что Пиф агора м ож но считать основа­
телем математической ф изики и отцом аку­
стики — той части физики, которая описыва­
ет возникновение, распространение и воздей­
ствие звуков (пока только на органы чувств).

На самом деле высота звука зависит в основном
ном |
не от веса молота, а от веса наковальни — она
играет роль колокола, по которому бьют, поэто­
му, скорее всего, молотами ударяли по разным на­
ковальням, как по разным колоколам. А Пифагор
проверял, вероятно, эти соотношения на шнурах
с подвешенными грузиками, или на струнах разной
длины, или на одинаковых сосудах, наполненных
водой на высоты, относящиеся как 1 : 3Д : У з : V 3.
Но, так или иначе, именно Пифагору принадлежат
наблюдение и описание того, что гармонические ин­
тервалы сводятся к числовым соотношениям между
струнами. После этого открытия стало возможным
при создании музыкальных инструментов рассчиты­
вать длины струн, а не подбирать их для каждого
инструмента по-отдельности. (Заметим, что так бы­
ли открыты и признаны созвучиями только октава,
квинта и терция, для которых числовые соотноше­
ния наиболее просты.)

г

1:л.\л£-Ч!

5. Звуковой резонанс?
И нтересно заметить, что кое-что о звуках, резонансе и действии мощ ­
ных потоков звука, возможно, бы ло известно (если рассматривать
рассказ в библейской «К н и ге И исуса Н авина» (6:19) с позиций ф и зи ­
ки) много раньше.
Когда в период завоевания будущ его Израиля (X IV —XIII вв. до н. э.)
еврейское войско подош ло к городу Иерихону, окруж енном у м ощ ­
ными стенами, то никак не могло его захватить. Тогда И исус Навин
собрал всех трубачей и приказал им одновременно затрубить, а л ю ­
дям — закричать. И распалась стена (так в оригинале, в переводах:
обруш илась стена или даж е все стены) города, и он бы л завоеван.
(И ерихон считается самым древним городом мира, основан в 10—8-м

18

Раздел I

6. Преломление света

ты сячелетиях до н. э., в настоя- I Звуковой резонанс всегда казался каким-то поту-1
щ ее время находится в пределах сторонним явлением и приводил к возникновению
П алестинской автономии.)
многих мифов. Так, в Германии, в местности между
Сейчас очень трудно судить Ко6ленчем и МайН1<ем' Рейн протекает между двух
г/гт

ут-

ГрЯД yjeC0Bf и Гр0МКИй зВуК превращается в мно-

о правдоподобии этого расска- ГОкратное эхо. Именно оно вызвало, по мнению неза. Вред ли мощная, да ещ е не- которых физиков, миф о прекрасной Яорелеи, пооднородная по высоте, стена го- этически воспетой Генрихом Гейне. (Не исключено
рода могла быть разруш ена зву- [ ^ ж е е происхождение и ряда других легенд.) ____ |
ком. Н о вот заметить, что некие, скажем бронзовые, ворота — а они
вполне могли быть в той крепостной стене — как бы слегка дребезжат,
колеблю тся при звуке военного рога, — это, вообщ е говоря, возм ож ­
но. Н у а далее попробовать усилить такие колебания, да впридачу
напугать защитников, — все это представляется не совсем неправдо­
подобным.
Так что, может, именно И и сусу Навину принадлеж ит честь п ер­
вого применения физики в военном деле?

6. Преломление света
Законы отражения света изучались и описывались многими геом ет­
рами, в частности Евклидом вслед за его систематизацией геометрии
(до сих пор, уж е два тысячелетия, и злож ение геометрии почти бук ­
вально следует этому великом у образцу). Правда, о природе света Ев­
клид ничего не знал, и первый постулат его «О п ти к и » ф ормулировался
так: «И спускаем ы е глазами лучи распространяются прям олинейно».
Это заблуждение, однако, не помеш ало выявлению закона отражения,
который наиболее полно бы л сф ормулирован Героном и иногда назы ­
вается его именем (в очень упрощ енной формулировке: угол падения
равен углу отражения).
А вот с преломлением света было послож нее. П рим ерно в 50 г. н. э.
К леом ед впервые обратил внимание на такое явление: если полож ить
на дно непрозрачного сосуда на столе кольцо и постепенно отходить
от стола, то в какой-то момент кольцо целиком скроется за стенкой
сосуда. Н о если в этот момент в сосуд налить воду, то мы снова увидим
кольцо — оно будто поднимается.
Почему? И К леом ед догадывается, что при входе в более плотную
среду, из воздуха в воду, луч света «приближ ается к перпендикуляру
к поверхности», преломляется. И наоборот — при выходе из воды
в воздух он больш е отклоняется от перпендикуляра к поверхности.
П оэтом у луч света, отраж енного от кольца в воде, попадает к нам
в глаз таким, как если бы кольцо находилось выше и дальш е от за­
крывающ его его края сосуда.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

19

Глава 2. Древний мир

Н о законы прелом ления математически оказались слож н ее за­
конов отражения: в первом, так называемом геометрическом, при­
ближ ении они были сф ормулированы только в X V II в. С неллиусом
и Декартом, хотя и по сию пору преподносят немало сюрпризов.

7. Птолемей
Клавдий П толем ей (ок. 87—165) систем атизи­
ровал все астроном ические знания своего вре­
мени в книге «В ели к ое математическое п о­
строение астроном ии». Сочинение это назы­
вали «М э ги с т э » (по гречески — «величайш ее»),
что у арабов превратилось в «А ль м а гест». П то­
лем ей придерживается, конечно, геоц ентри­
ческой концепции: в центре мира находится
Земля, а вокруг н ее вращаются Луна, Солнце,
планеты и весь небосвод. (Кстати, даже много
т ш х Ы Д?со1>ш £$ртп) позж е одним из веских аргументов в п ользу
Зем ли как центра всего мира рассматривалось
то, что, несмотря на ш арообразность Земли, все тела падают в на­
правлении на ее центр: ведь Закон Всемирного тяготения ещ е не бы л
известен.)
Однако простые круговые движения не соответствую т наблю де­
ниям, по которым, например, Ю питер иногда движется как бы в обрат­
ном направлении. П оэтом у — и в этом его величайшая заслуга — Пто| Только в XIX в. знаменитый французский мате-1 лем еи расчленяет движения планет:
матик Ж. Б. Ж. Фурье (1768-1830) нашел спо­ по круговой орбите вокруг Земли
соб, по которому, в частности, почти любую тра­ движется центр некоторого кружка
екторию можно представить формально в виде
(эпицикла), на периф ерии которо­
суммы круговых движений, как в теории Птоле­
мея. Такое представление, однако, имеет смысл го находится Ю питер, а этот эпи­
только тогда, когда число этих составляющих цикл сам вращается вокруг свое­
наименьшее, а для геоцентрической системы го центра. Таким образом, П т о ле­
оно несравнимо больше, чем для гелиоцентри­ мей сводит слож н ое видимое дви­
ческой системы Коперника.
ж ен и е планеты к комбинации двух
простых круговых движений — это первый случай представления
слож ного движения через более простые!
Но последую щ ие, все уточняю щ иеся астрономические наблю де­
ния не укладывались в простую схем у П толем ея с одним эпицик­
лом. П риходилось, например, считать, что по одному такому кружку,
первому эпициклу, вращается центр второго эпицикла, иногда даже
в обратную сторону, а уж е на его периф ерии находится сама планета
и т. д. Система эпициклов становилась слиш ком слож ной.

Отступление I

Величайшие изобретения

Обы чно принимается, что тремя величайшими открытиями или и зо б ­
ретениями в истории человечества были огонь, колесо и алфавит,
к ним мож но и даже нуж но прибавить ещ е книгопечатание. Кто и как
соверш ил эти прорывы, менявшие ход мировой истории?
С огнем все ясно: время от времени лю ди видели огонь, вспы х­
нувший от удара молнии, натыкались на обгоревш ие и более вкусные
тела ж ивотных и т.д. П оэтом у приручение огня могло одноврем ен­
но происходить в разных местах — это не изобретение, а открытие,
и у него много неизвестны х нам авторов.
Теперь поговорим о колесе. Трение качения много меньш е тр е­
ния скольж ения, поэтом у возникает колоссальный выигрыш в затрате
энергии на л ю б о е действие. Н амек на колесо мог быть получен при
случайном прокачивании груза на круглом бревне, потом на си сте­
ме таких подкладываемых катков. Н о переход отсюда к отрезанию
от бревна кругляш ек — предков колес, введение оси и ее закрепление
на движимом предмете — все это требовало подлинной гениальности!
И зобретатель колеса неизвестен, время появления — тоже. Н ай ­
ден ш умерский рисунок саней с колесами, котором у как будто пять
с половиной тысяч лет, но по более достоверным находкам колесо
начали применять в каком-то подобии телег примерно четы ре ты ­
сячи лет том у назад где-то в М алой А зи и или на Ближнем Востоке
(ещ е на пятьсот-тысячу лет молож е первая в мире повозка с колеса­
ми, хранящаяся в историческом м узее в Тбилиси). И, видимо, это ге­
ниальное изобретение бы ло сделано всего однажды: колес не было ни
в одной из так называемых цивилизаций доколумбовской Америки.
А теперь представьте, каково бы ло тащить каменные глыбы для
постройки дворцов или крепостей волоком по бездорож ью ! Да и м ель­
ницу соорудить без колеса невозм ож но (приходится вручную расти­
рать зерна м еж ду камнями), и воду для полива нуж но поднимать вруч­
ную — только колесо позволило начать строить устройства подъема
воды. Так что именно колесо дало возм ож ность интенсиф ицировать
труд лю дей и рабочих животных.
Алф авит тож е бы л придуман лиш ь однажды — по-видимому, гдето в П ередней Азии. Это бы ло гениальное и зобретение и, казалось,

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

21

Отступление I . Величайшие изобретения

совсем не нуж ное: сущ ествовало ведь иероглиф ическое письмо, раз­
витое из рисуночного, им мож но бы ло записать в то время все что
угодно. Н е так уж важно, что ем у надо долго учиться, — государ­
ству и жрецам не требовалось много писцов. К оличество иероглифов,
правда, со временем растет (когда-то писали, что президент Академии
наук Китая поэт Го М о ж н о знал их 100 тысяч!), но зато люди, говоря­
щ ие на разных языках, — китайцы с юга и севера, японцы, корейцы —
могут читать одни и те ж е книги, по разном у произнося слова, совсем
как знаки дорож ного движения, не требую щ и е перевода.
А тут кто-то сум ел анатомировать произносим ы е звуки (ф он е­
мы), разлож ить их на «а то м ы » (согласны е-то отдельно не п роизно­
сятся!) и показать, что этих «ато м ов » не так много — от двадцати
до сорока. М ож н о поэтом у ввести для каждого такого «ато м а » свой
значок и установить правила их сочетания — теперь возм ож но запи­
сать и воспроизвести не см ы сл понятий, как в иероглиф ах (их мож но
трактовать по разному!), а звуки.
Когда таким образом стало возмож ны м записывать тексты, то
возникла проблема их размнож ения, тиражирования. В Древнем Ри­
ме и в средневековы х монастырях усаж ивали десяток-другой писцов
и диктовали текст, получали сколько-то копий, выпускали в продажу
или раздавали «ти р а ж » издания (копии эти не могли быть совсем оди­
наковыми — каждый писец допускал свои описки и ошибки).
П о-видимому ещ е две тысячи лет том у назад, в Китае для очень
важных и коротких сообщ ений придумали другой способ: нуж ный
текст вы резали в зеркальном виде на деревянной доске, доску сма­
зывали краской и с нее печатали на бумагу. С п особ этот очень тру­
доемок и малоэффективен, так как доска быстро стирается (сейчас
так на дереве или металле, прощ е на линолеум е, реж ут гравюры,
при этом экземпляры оттисков нумеруют, так как качество каждого
последую щ его заметно ухудш ается). Естественной рационализацией
этого способа бы л переход к вы резанию отдельных строчек и их по­
следую щ ем у складыванию, а затем к вы резанию и складыванию уж е
отдельных букв.
И вот тут появляется гениальный изобретатель Иоганн Гутенберг
(1401—1468) и задает простой вопрос: а зачем вырезать столько раз одну
и ту ж е букву, которая многократно встречается на странице, — сделаем
формочку для нее и отольем из легкоплавкого металла столько копий,
сколько может понадобиться для страницы или даже для всей книги!
Так, проведя в 1455—1468 гг. множ ество экспериментов и преодо­
лев множ ество препятствий, Гутенберг создал сплав системы свинец—
олово— сурьма, из которого м ож но бы ло отливать в медных формах

22

Раздел I

Отступление I . Величайшие изобретения

наборные шрифты для типографии. Создана технологическая основа
средств массовой информации — и он выпускает первую полностью
печатную книгу, знаменитую М айнцскую Библию, — началась новая
эра в истории человечества, которую часто называют эрой Гутенберга.
Заканчивается ли эра Гутенберга, сменяет ли ее эра И нтернета —
никто сейчас сказать не может. Н о для нашего излож ения важно дру­
гое: изобретение Гутенберга технически вполне могло быть сделано
на полтора тысячелетия раньше. Основная заслуга и урок Гутенбер­
га в том, что он непредвзят о подош ел к достаточно обыденной в то
время технологии изготовления гравюр, всмотрелся в нее и увидел
возможности, мимо которых проходили тысячи людей. Так, как мы
ещ е не раз увидим, соверш аются многие открытия — кто-то обращ ает
внимание на привычные, всем очевидные явления и устройства, но
смотрит на них «другими глазам и»!
Подчеркнем, что Гутенберг и зоб р ел не только книгопечатание —
это бы л первый пример производства соверш енно одинаковых копий
вещ ей по специально изготовленны м матрицам, сейчас именно таким
методом производят все промыш ленные изделия — от шурупов до ав­
том обилей и компьютеров. Таким образом, именно Гутенберга нуж но
считать зачинателем современной промыш ленности.

Глава 3

Эпоха Возрождения

М ы остановились на конце античной эпохи. В последую щ ие почти
полторы тысячи лет развитие наук, в том числе физики, шло очень
медленно: руш ился старый мир, сж игались библиотеки, никто не по­
ощ рял ученых, а временами и попросту запрещ ались лю бы е «ум ств ен ­
н ы е» занятия кроме богословия и славословия повелителям. И в этот
период появлялись лю ди с пытливым умом и ж аждой исследований,
но сведений о них почти не осталось. П оэтом у мы перескочим в конец
X V в., века географ ических открытий.

1. Великая ошибка
Как уж е говорилось, ещ е Эратосф ен определил с небольш ой погреш ­
ностью радиус Земли. Этот результат бы л то ли забыт, то ли сочтен
ошибочным, но по расчетам географ ов X V в. размер Земли оказы ­
вался много меньше. И м енно эта ош ибка позволила итальянскому
географ у Тосканелли нарисовать такую карту, на которой не мог бы
поместиться Тихий океан, и потому, пересекая Атлантику, мож но бы ­
ло прямо попасть в А зию , несколько, правда, увеличенную в размерах,
и в таинственную Японию с ее несметны ми сокровищами, которые
описал, по слухам, ещ е в X III в. М арко П оло.
Х ристоф ор Колумб, ген уэзец на испанской служ бе, опытный м о­
реплаватель, знал, что морские волны приносят иногда к берегам И с­
пании и П ортугалии какие-то неизвестны е растения, какие-то вещи
явно заморского происхождения, ну а карта и рассуждения Тосканел­
ли убедили его в том, что заманчивая А зи я не столь уж далека. И он
уговорил испанских королей организовать экспедицию.
Конечно, А м ерика все равно была бы открыта — не Колумбом,
так кем-нибудь другим, но тут хочется подчеркнуть его веру в воз­
мож ность открытия и его упорство.

2. Леонардо да Винчи
Л еон ар до да Винчи (1452—1519) нередко называю т величайш им ге ­
нием в истории человечества, и в этом нет о собы х преувеличений.

24

Раздел I

2. Леонардо да Винчи

Художник, скульптор, архитектор, инженер и ис­
следователь природы — он вы брал себе латин­
ский девиз Saper vedere («знать, как см отреть»)
и внимательно всматривался во все вокруг, обо
всем составлял собственное мнение, опередив
на столетия остальное человечество. Так, рас­
сматривая полет птиц, Леонардо откры л сущ е­
ствование сопротивления воздуха и подъемной
силы. В его рукописях имею тся зарисовки и про­
екты вертолетов, подводных лодок, парашютов.
Л еонардо поставил ж ивопись на научную
базу: при рисовании необходим о рассмотреть
геометрию фигур и их располож ение, учесть
особенности перспективы (позж е они составили начертательную гео ­
метрию) и роль оптических иллю зий. Револю ционны м бы ло и такое
его реш ение: пейзаж в картине, даж е при изображ ении исторических
фигур, не долж ен быть просто украшением, его роль — создавать на­
строение, соответствовать общ ем у замыслу.
Н е мог он пройти и мимо такого явления, наверняка давно мно­
гими наблюдаемого: если в закрытых оконны х ставнях имеется ма­
ленькая дырочка, то в солнечны й день на противополож ной стене
возникает картинка — и зображ ение того, что происходит снаружи.
И Леонардо изобретает кам еру-обскуру (в буквальном переводе с л а ­
тыни «затем ненное п ом ещ ен и е»), прообраз фотоаппарата: ящик, в п е­
редней стенке которого имеется м аленькое отверстие, а задняя стенка
заменена матовым стеклом, так что, накрывшись с основной частью
ящика непрозрачным покрывалом, мож но видеть на стекле или бум а­
ге освещ енны е предметы перед камерой и точно их копировать5.
Препарируя трупы, Л еонардо глубоко и зучи л анатомию человека,
от нее он переш ел к ф изиологии и намного опередил свое время
в понимании не только строения, но и функций различны х органов.
И вот тут для нас очень важна и поучительна одна из заметок
Леонардо. В то время крестьяне в И талии начали обрабатывать горные
склоны под виноградники и иногда находили громадные окаменевш ие
кости каких-то ж ивотных — снова разгорелся давний спор о том,
5 Заметим, что в отличие от аппаратов со сложным объективом, дающих четкое
изображение только для объектов «в фокусе», изображение в камере-обскуре резко
по всей глубине картинки. Поэтому большие панорамные снимки и сейчас иногда де­
лают аппаратом с пустым отверстием вместо оптического объектива, при этом, правда,
требуются очень длительная выдержка и чувствительные фотоматериалы.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

25

Глава 3. Эпоха Возрождения

ж или ли некогда на Зем ле великаны — лю ди и животные, которые,
по-видимому, не п ом естились в ковчег Н оя и погибли во время потопа.
Леонардо, как видно из его записи, реш ил п роблем у просто: он
знал, что если размер тела увеличивается в два раза, то его объем воз­
растает в восемь раз (два в кубе). Как ж е долж ны при это меняться
размеры, точнее поперечны е сечения, ног, чтобы выдержать такую
тяжесть? На рисунках он показывает, что поперечное сечение б у ­
дет возрастать бы стрее (сейчас легко сосчитать, что пропорционально
степени 1,5, т. е. если размер тела возрастет в два раза, то толщ ина ног
долж на увеличиться в 2,8 раз, почти втрое), и поэтому, например, у та­
кого мега-слона передние и задние ноги скоро долж ны будут слиться
воедино. Таким образом, заклю чает Леонардо, сущ ествую т естествен­
ные границы размеров организмов — великанов быть не может!
Фактически мож но сказать, что Л еонардо изобрел так называ­
емый метод размерностей и подобия, появившийся лиш ь в конце
X V III в., а оф ормленны й — уж е в X X в.

3. Николай Коперник
С развитием наблю дательной астро­
номии стали выявляться во все б о л ь ­
ш ей степени недостатки геоц ентри­
ческой модели Птолем ея, в первона­
чальной ф орм е которой каждой пла­
нете сопоставлялись круговая орбита
и добавочный эпицикл. Н о со време­
нем, с уточнением наблюдательных
данных, приходилось вводить для каж­
дой планеты все новые и новые эпи­
циклы, вращ аю щ иеся по разным орбитам; систем у кругов приходи­
лось все более услож нять — отказаться от круговых траекторий было
невозмож но: ведь по А ри стотелю только круговое движ ение есте­
ственно, т. е. происходит без силовы х воздействий.
М одель критиковали многие: так, известны й астроном, король
Кастилии и Л еон а А льф он с X М удры й (1221 — 1284), даже воскликнул,
что если бы бог посоветовался с ним при создании мира, то получил бы
неплохой совет. Н о ещ е долго, несмотря на накапливающ ие замечания
о недостатках парадигмы Аристотеля, никто не реш ался на разработку
новой концепции.
Однако к X V в., особен н о после захвата Константинополя тур ­
ками (1453), в Италии появляется много беж авш их греческих учены х

26

Раздел I

3. Николай Коперник

и эрудитов, возникает интерес i—
к изучению античных авторов
и, соответственно, к возмож ности их критики — просыпается дух Ренессанса. И менно этот
дух воплотил в себе в наибольшей мере Николай Коперник.
Коперник (1473—1543) полуЧИЛ широкое и глубокое ПО тем
r

J

временам образование: он изу-

—

1

К концу XV - началу XVI века с восстановлением
интереса к античности укрепляется и критический
подход к филологическому анализу текстов. Не избегают такого анализа и переводы Библиии с древнееврейского оригинала. А первые строки Книги Бытия отнюдь не однозначны: «дни творения» можно
переводить и как «зры творения», а это допущение
целиком меняет историю Генезиса. Полностью такой
анализ осуществил Бенедикт Спиноза (1632-1677)
8 «Богословско-политическом трактате» (издан посмертно), но уже ко времени Реформации подобные
I соображениястановятся довольно частыми.
I

чал медицину, математику и аст- 1
—
— 1
роном ию в Польш е, Австрии и Италии, преподавал математику в Ри­
ме, а с 1505 г., вернувш ись в Польш у, посвятил себя, казалось п олн о­
стью, церковной и административной служ бе, но тут в нем пробудился
интерес к астрономии.
Коперник понял, что помимо невероятной слож ности накладыва­
ю щ ихся друг на друга вращ ений (это понимали и многие до него) и м е­
ется и ещ е один, м ож ет быть самый серьезный, недост ат ок системы
Птолемея: для того, чтобы описать суточное вращ ение дальних планет
и самого небесного свода вокруг
i—
— I
Земли, им приходится приписыI Коперник работал над С80ей теорией 36 лет' а on5t 1
г

^

г

вать огромные, совершенно невероятные скорости! К тому же,
что для истинно верующего осо^

ликована она была только по настоянию друзей;

за день д0 смерти ему принесли пробный экземпляр
отпечатанной книги. Он понимал, сколько возраже-

ни* вь|30вет ег° теория и какую бурю она подни-

-

мет: «Хотя я знаю, что мысли философа не зависят
от мнения толпы, что его цель — искать прежде
нии нет ни полслова в Библии: всего истину, насколько Бог открыл ее человеческомог ли Господь упустить такую му разуму, но, тем не менее, при мысли, что моя
несообразность?
теория может многим показаться нелепой, я долго
т-г
тл
колебался, не лучше ли отложить обнародование моП оэтом у Коперник, широко его .фуДа и подобно Пифагору ограничиться одной
образованны й теолог, разраба- I устной передачей его сущности своим друзьям»,

бенно
wcrxnw странно,
c .iF U n n u , об этом враще-

тывает альтернативную модель: —
в центре М ира находится Солнце, а вокруг него вращаются по кру­
говым, опять же, орбитам все планеты, кроме Луны — та вращается
вокруг Земли, а Земля добавочно вращается вокруг собственной оси.
При этом, правда, возникала больш ая трудность — надо бы ло ещ е о б ъ ­
яснить постоянный наклон зем ной оси относительно оси плоскости
эклиптики (плоскость, в которой леж ат орбиты всех планет), т. е. вво­
дить какое-то добавочное движение. С этим затруднением Коперник
не смог справиться, и он ещ е долго считался основным недостатком
новой системы. Затем оказалось, что орбиты планет не являю тся точ­
ными кругами...

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

27

Глава 3. Эпоха Возрождения

Как отнеслись к этой теории лю ди того и б олее позднего врем е­
ни? Великий реф орматор М артин Л ю тер заявил: «Э т о т дурак хочет
перевернуть все астроном ическое искусство». И даж е много позж е
Г. Галилей говорил, что в начале работы «б ы л убеж ден, что новая си ­
стема — чистейш ая глупость». М ен е е дум аю щ ие лю ди ее попросту не
заметили...
М ы долж ны подчеркнуть для дальнейш его две причины возник­
новения геоцентрической теории Коперника: простота описания и по­
нимание невозмож ности огром ны х скоростей движения дальних пла­
нет. Подчеркнем, что принцип наибольшей прост оты, хотя он обы чно
явно не формулируется, является одним из руководящ их во всякой
научной работе.

4. Тарталья и Кардано
Два знаменитых математика, Н икколо Тарталья (1501 —1557) и Д ж ер о ­
ламо Кардано (1501 — 1576), долго оспаривали честь открытия реш ения
кубических уравнений, но нас интересую т другие их работы.
Тарталья первым зам етил такую странность: снаряд, выпущ енный
из орудия горизонтально, в полете непрерывно снижается. А ведь
согласно воззрениям А ри стотеля он долж ен двигаться прям олиней­
но и строго горизонтально, потом переходить на движ ение по дуге
окруж ности вниз и вертикально падать6. Выходит, что А ри стотель
не во всем прав, и м еханику надо строить по-иному.
И Тарталья вводит в ф и зи ку принцип непреры вного сложения д в и ­
жений: летящ ая пуля участвует одновременно в двух движ ениях — она
летит прямолинейно и одновременно непреры вно падает, опускает­
ся вниз.
В это ж е время Кардано выдвигает такой принцип, который сей ­
час кажется соверш енно естественным: лю бой механизм нужно м ыс­
ленно или реально разлагать на прост ейш ие части с тем, чтобы
понять их уст ройст во и функции. И этот свой принцип он прилагает
к конструированию разных механизмов и игрушек, в частности «э к и ­
пажа для императора», в котором вы сокое лицо не будет испытывать
толчков при движ ении кареты по тогдашним ухабисты м дорогам.
Современны й изобретатель взялся бы за дело так: чтобы ум ен ь­
шить силу толчков вверх-вниз, тело в вертикальной плоскости нуж но
6 Несколько лет тому назад в знаменитом популярном журнале Scientific American
были подытожены результаты опроса студентов-гуманитариев университетов в США,
где физика не является обязательным предметом в школе, — и более половины из них
примерно так и нарисовали траекторию полета пули! Можно ли привести лучшие
доводы в пользу обязательности физики в школе?

28

Раздел I

4 . Тарталья и Кардано

прикрепить к верху и к ни зу кареты на пружинах, затем на таких ж е
парах пружин крепить тело к боковым стенкам, к передней и зад­
ней частям кареты, т. е. подвешивать «к р есло им ператора» внутри
кареты на трех парах пружин. И при этом, сам того не зная, он вос­
пользовался бы важнейшим принципом Кардано: всякое колебание
мож но разлож ить на три составляю щ ие (по трем осям пространства,
но к том у времени понятие размерности пространства ещ е не бы ло
введено — фактически его откры л именно Кардано).
Сам Кардано не мог пользоваться такими пружинами — они ещ е
не изготовлялись, поэтом у он крепит тело внутри трех кругов, кото­
рые могут независимо вращаться в трех измерениях, и потому ц ен­
тральное тело не испытывает толчков. Сейчас такая система называ­
ется кардановым подвесом и на ней крепятся, в частности, компасы
и другие изм ерительны е устройства, применяется она и на судах для
успокоения качки. (Заметим, что Кардано оставил лю бопы тную авто­
биографию.)

Глава 4

Начало научных исследований

Я слышу разума внушенья,
Я возрождаюсь и хочу
Припасть к источникам творенья,
Живительному их ключу.

И. В. Гёте. Фауст

1. Галилео Галилей
К концу X V II в.
кой Аристотеля
к опыту.
Важнейшая
(1564—1642). Н о

наука в Европе окончательно порывает со схоласти­
и для нее начинается новое время — время доверия

роль в этом повороте принадлеж ит Галилео Галилею
из всех его м ногочисленны х исследований мы оста­
новимся только на тех, где основную
роль играли наблюдения самых обыч­
ных явлений, игнорируемы х м нож е­
ством лю дей до него.
Как-то, когда 19-летний Галилей
сидел в соборе в П и зе во время
длинной проповеди, служка, заж и­
гавший свечи, неловко толкн ул све­
тильник, свисавший на длинном ка­
нате, и тот начал раскачиваться. Га­
ли лей засек, скольким ударам его пульса соответствует одно полное
колебание светильника, но через некоторое время, когда размах ко­
лебаний заметно уменьш ился, он с удивлением отметил, что число
ударов пульса осталось прежним. О тсю да следовала изохронность,
т. е. независимость периода колебаний маятника от амплитуды!
Д алее он замечает, что все светильники с одинаковой длиной
подвеса, но даже разной массы, соверш аю т колебания с одинаковой
частотой, т. е. период их колебаний зависит только от длины подвеса
и не зависит от массы и ф ормы светильника. Таким образом у ф и­
зиков появился прибор, позволявш ий легко измерять время (до того

30

Раздел I

1. Галилео Галилей

пользовались песочными или водяными часами, у всех они были раз­
ными, что не прзволяло сравнивать результаты разных наблю дений).
П оскольку Галилея назначили проф ессором математики в Пизе,
он, согласно легенде, получил возм ож ность проводить эксперим ен­
ты на знаменитой падающей башне. Здесь он замечает, что, скажем,
кирпич и связка таких ж е кирпичей падают вниз за одинаковое вре­
мя. Вывод: скорость падения не зависит — или почти не зависит —
от массы, некоторая разница возникает из-за сопротивления возду­
ха, но это бы ло понято позже. (С корее всего — это только легенда:
Галилею прощ е бы ло изучать законы падения пуская шары разной
массы по наклонной плоскости — процесс растягивается во времени
и уменьш ается сопротивление воздуха. Бросать кирпичи с башни м ог­
ло быть нуж но только в качестве эф ф ектной демонстрации, которы е
лю би ли в дотелевизионное время.)
На основе своих опытов Галилей смог определить понят ие ускоре­
ния, оставш ееся неизменны м до наших дней. Н о опыты эти привели
к тому, что его, как противника Аристотеля, изгнали из Пизы, тем
не менее он продолжил их в другом i—
— I
^
w
Уже в своих рассуждениях о движении тела, броместе: башня для исследовании уж е I
_
.
r I
™

А

у

не была нужна, достаточно наклонной плоскости. Кстати, время движения шара по всей плоскости,
ПО ее половине и т.д. он измерял

ещ е по объ ем и у воды, выливающ ейся из узкой щ ели в сосуде.
Г а ли лей на этом, конечно, не

шейного горизонтально, Галилеи использует со­
ображения подобия и размерностей: масса шара растет как куб его радиуса, а сопротивление
воздуха - как его поперечное сечение, т. е. как
квадрат, поэтому с уменьшением размеров возрастает роль сопротивления воздуха. По3же он

рассматривает те вопросы, которые сейчас называются сопроматом, теорией поведения кон"РУхчий под напряжением. При этом он, в частности, повторяет тот вывод, о котором думал
де0нардо да Винчи: показывает, почему сухопутные животные не могут достичь размера китов. I

останавливается: н уж но и зуч и ть
д ви ж ен и е тела, брош енного горизонтально. Тут ем у удается о б о б ­
щить наблюдения Тартальи, вывести правило слож ения скоростей
и показать, что траектория такого тела является полупараболой.
И з опытов Галилея интересно описать ещ е один, в котором впер­
вые за почти две тысячи лет была проверена и доказана теория пла­
вания тел А рхимеда (сомнение в ней вызывалось тем, что льдины
плавают по поверхности воды, а в то время, следуя А ристотелю , при­
нимали, что лю б о е вещ ество д олж но при затвердевании уплотняться).
Опыт бы л таков: шарик из воска, как легко проверить, в чистой во­
де тонет, но, добавляя в воду соль, можно добиться того, что шарик
всплывет, а прибавив воду, мож но заставить его снова опуститься.
Таким образом показано, что условия плавания (сплош ных) тел оп ре­
деляются соотнош ением их плотностей с плотностью жидкости.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

31

Глава 4. Начало научных исследований

Н ем ного ранее, и видимо одновременно, несколько оптиков (греческое «оп ти к о с» — зрительны й) начали сооруж ать зрительны е труб­
ки с двумя линзами, которы е в основном использовались как игруш ­
ки: лю ди поднимались на колокольню и рассматривали окрестности
(негодование у многих вызы валось тем, что так м ож но бы ло загляды­
вать в чуж ие окна), правительства пытались засекретить эти приборы,
чтобы использовать для военны х целей. Галилей первым догадался п о­
смотреть в такую трубку на небо, и открытия посыпались лавиной:
горы на Луне, спутники Ю питера, позж е — кольца Сатурна, так что
астрономия была в корне преобразована. П о некоторым сведениям,
он ж е пытался построить первый микроскоп, о других его и зоб р ете­
ниях скажем ниже. Галилею приходилось, конечно, самому строить
свои приборы.
Описать или даже перечислить все достиж ения Галилея в ф изике
и астрономии невозмож но. Н о главное в другом: очевидно ведь, что
пылинки падают м едленнее камня, а Галилей показывает, что нель­
зя слепо доверят ь кажущейся очевидност и. Вот в этом принципе,
в том, что именно Галилей первым показал и доказал необходим ость
опытной проверки всех построений в ф изике и, одновременно, их
детального математического описания, — его непреходящ ая заслуга,
и поэтому именно его мож но считать зачинателем соврем енной опыт­
ной науки.
В 1633 г. Галилей, как известно, бы л осуж ден церковью и объявлен
«узником святой инквизиции» за утверж дение о том, что гели оц ен ­
трическая модель Коперника не противоречит С вящ енном у Писанию
(заметим, что до Галилея все научные сочинения писались на мало д о­
ступной латыни, а он п ереш ел на итальянский язык). Только через
350 лет, в 1984 г., Ватикан по инициативе папы Иоанна-Павла II, п ер е­
смотрев «д е л о » Галилея, признал, что эта модель «н е противоречит»
Библии и учены й бы л «реаби ли ти ров ан »!

2. Иоганн Кеплер
Теперь нуж но перейти к самому, возможно, великом у учен ом у той
эпохи — И оганну К еп лер у (1571 — 1630). Д ля того чтобы понять его
роль в развитии науки 7, нуж но напомнить общ епринятое тогда м не­
ние, что природа и все в ней происходящ ее отраж аю т бож ественную
7 В массовом сознании образ Кеплера затенен драматической историей Галилея.
Поэтому важны посвященные Кеплеру заметки Эйнштейна и великолепное историко­
психологически обоснованное исследование Паули (см. сборник: Паули В. Физические
очерки. М.: Наука, 1975. С 137—175), написанное, правда, под влиянием знаменитого
психолога К. Юнга.

32

Раздел I

2. Иоганн Кеплер

волю, и поэтом у вопрос о причинах явлении просто неум естен и н е­
достоин истинно верующ его. К еп лер бы л первым, кто задал такой
вопрос о движении планет, и он долж ен бы л искать тот путь, на кото­
ром мож но бы ло на него ответить: искать связь на пути религиозны х
символов или найти какую-то новую дорогу. (В первом издании сво­
ей книги «Тайны мироздания» он пишет о душах планет и Солнца,
во втором издании заменяет слово «д уш а » словом «си ла ».)
К еплер бы л ассистентом (фактически и наследником) зам ечатель­
ного астронома-наблюдателя Тихо Браге, проводившего точнейш ие
изм ерения полож ения Солнца
и планет (напомним, что телескопов ещ е не было). В частности, Браге точно установил дни
г

J

равноденствия, зимнего и летнего солнцестояния. Вот эти результаты, вместе со своими собg.

I к xvi веку еще не существовало даже языка науки, |
не была выработана логика доказательств — кому-то
нужно было начать подъем целины, и Кеплер впервь,е 018111 во главУ Угла числен«ь.е соотношения,
математику. Поэтому и расположение планет Солнечнод системы он пытается построить как систему вложенных друг в друга правильных многогранников,
так называемых совершенных тел Платона. Но когда
идеальная система приходит в противоречие с наблюденияни> он отда' т приоритет наблюдениям.

ственными, К еплер сум ел обдумать и обработать.
I—
— 1
Как известно, 21 марта и 21 сентября продолж ительности дня
и ночи точно равны — это дни весеннего и осеннего равноденствий,
они как бы делят год на две части. А вот если сосчитать количество
дней от 21 сентября до 21 марта и потом наоборот, то окажется, что
эти промеж утки не равны: от осеннего равноденствия до весеннего
проходит 181 день, а от осеннего до весеннего — 184 дня, на три дня
больш е!
Практически у всех есть в руках календари, и каждый мог бы
провести эти подсчеты и задуматься над ними. Н о потребовался ге­
ний Иоганна Кеплера, чтобы обратить сер ьезн ое внимание на такой
пустяк и сделать из него весьма далеко идущий вывод, именуемый
сейчас Первым законом Кеплера: все планеты обращ аются вокруг
Солнца по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

33

Глава 4. Начало научных исследований

Гтйхо Браге (1546-1601) был в молодости гулякой]
и известным дуэлянтом, в одном из поединков он
потерял нос и всю жизнь ходил с серебряным протезом. В 1674 г. он был потрясен видом вспыхнувшей
сверхновой звезды и со всей страстью своей натуры
предался астрономии: пользуясь поддержкой короля Дании, а затем короля Чехии, он строит великолепные обсерватории, создает самые совершенные
инструменты и более 20 лет ведет скрупулезные
и весьма трудоемкие астрономические наблюдения.

1__

А основывался К еп лер вот
на чем. Если бы планеты вращадись, как считали и Птолемей,
и К о п ерникг ПО окружностям,
то каждую половину окружности они проходили бы за одинаковое время. Н о поскольку, как
м ы ВИДИМ( это не таК( значит ОНИ

I двигаются не по окружностям,
а по каким-то близким к ним траекториям. Самая ж е близкая к окруж ­
ности плавная кривая — это эллипс, к том у ж е хорош о изученный.
«С л еды геомет рии запечатлены в мире так, словно геометрия была
прообразом м ира», — так говорил сам Кеплер.
Н о это пока только гипотеза, необходим ы труднейшие, особенно
для того времени, м ноголетние наблюдения, свои и покойного Тихо
Браге, (только к концу работы К еп лер и зобретает слабенькую зри ­
тельную трубу!) и расчеты — на бумаге, в столбик!
А теперь насчет тех самых трех дней — это уж е следствие Вто­
рого закона Кеплера, согласно котором у вблизи Солнца, в перигелии,
планеты движутся быстрее, чем на дальней части эллипса, в афелии.
К еп лер — гениальный ученый: он понимает, что лю бы е теории
нуж но проверять на разных объектах. П оэтом у он предпринимает,
уж е со своим примитивным телескопом, невероятны е по слож н о­
сти и точности измерения траекторий спутников Ю питера, незадолго
до того открытых Гали леем 8, и доказывает, что их движения подчи­
няются тем ж е законам, что и движения планет, — теория К еплера
мож ет считаться проверенной! (О слож ности и неожиданности вы­
водов К еплера говорит уж е то, что его соврем енник Галилей с ним
не согласился и продолж ал считать орбиты планет круговыми!)
И что является самым главным в творчестве Кеплера: он бы л п ер­
вым, кто пытался найти универсальны е законы, основанные на зем ­
ной физике, но управляю щ ие и небесны м и телами, — до него вообщ е
не возникало идеи о единстве взаимоотнош ений (пока ещ е нет сил,
понятия которы х ввел Н ью тон) в природе: принималось, что одни
законы действую т на Зем ле и совсем иные — в небесах. О чень пока­
зательно, что книга К еп лера «Н овая астроном ия» им еет подзаголовок
«Н овая ф изика» — так утверж дается их единство.

8 Именно открытие спутников Юпитера показало, что теория Птолемея, гораздо
более развитая к тому времени по сравнению с теорией Коперника, может быть не­
правильной — есть планеты, которые вращаются не вокруг Земли. Этим опровергается
главный тезис старой теории: Земля — центр Мира!

34

Раздел I

3. Уильям Гильберт

Н ельзя не сказать несколько |Конструируя свой телескоп, Кеплер определяет поня-1
слов о К еп лере как о человеке. тие фокуса линзы и выводит ее формулу, фактически
Его мать, абсолю тно неграмот­ создает геометрическую теорию построения изображе­
ний в системе линз, открывает явление полного внут­
ную женщину, обвиняют в кол­
реннего отражения, формулирует основной закон фо­
довстве и привлекают к суду ин­ тометрии (интенсивность освещения падает как квад­
квизиции, что почти наверня­ рат расстояния до источника), помимо того он выявил
ка означает сож ж ение на кост­ роль хрусталика в глазу и создал таким образом тео­
рию видения (наибольшие волнения и споры вызва­
ре. Кеплер, ещ е никому не и з­
ло его заключение о том, что изображение на сетчат­
вестный, пешком, через полови­ ке глаза получается перевернутым: как совместить
ну Германии, добирается до м е­ этот факт с тем, что мы все видим правильно?).
ста суда и — в то время это зву­ Истинного ученого интересует все, что он видит, и Кеп­
чит как чудо — своим страст­ лер обращает внимание на форму падающих снежинок:
ным и логичным выступлением почему они в основном шестиугольные? И в 1611 г. он
пишет трактат «О форме снежинок», где сравнивает
добивается оправдания матери.
их с пчелиными ячейками и зернами граната. С этого
Оценивая заслуги Кеплера, фактически начинается кристаллография. (Кеплер
А. Эйнш тейн писал: «К акой глу- не ставит вопроса о происхождении их лучиков —
бокой была у него вера в та- тогда это было преждевременно, нам удалось прояснить эту проблему уже на основе квантовой теории.)

кую закономерность, если, pa- I
ботая в одиночестве, никем не поддерживаемый и не понятый, он
на протяжении многих десятков лет черпал в ней силы для трудного
и кропотливого эмпирического исследования движения планет и ма­
тематических законов этого дви ж ен и я!»

3. Уильям Гильберт
Свойства магнита притягивать ж елезн ы е предметы было известно
ещ е в Д ревней Греции, китайцы, возможно, пользовались неким п о­
добием компаса. Н о первые серьезны е исследования провел толь­
ко Уильям Гильберт (1544—1603), лейб-м едик королевы Елизаветы I:
как ни удивительно, но только он первым попробовал — как долж ен
бы л бы поступить лю бой лю бознательны й мальчишка — разломать
магнит, распилить его на куски и посмотреть, что из этого получится:
оказалось, что каждая часть также является магнитом.
Затем Гильберт придумал важнейший прибор физики: догадался
подвесить намагниченную иголку на нитку и с ее помощ ью доказал,
что у каждого магнита есть два и только два полюса. (Далее мы упом я­
нем о его соотечественнике П. А. М. Д и р а к е9, который высказал, уж е
в X X в., сомнение в этом утверждении.) При этом одноименные полю са
9 См.: Перельман М. Е. Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы
природы: От кванта до темной материи. М.: URSS, 2012 (далее сокращенно: Перель­
ман М. Е. От кванта до темной материи). Раздел I. Глава 4.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

35

1

Глава 4. Начало научных исследований

отталкиваются, а разноим енны е — притягиваются. Сила притяжения,
как установил Гкльберт, возрастает, если к магниту приделать арма­
туру — чистое ж елезо, которое само не намагничивается, не мож ет
стать постоянным магнитом, а приобретает такие свойства только
в магнитном поле.
Сделав ж елезны й шар и намагнитив его, Гкльберт показал, с по­
м ощ ью иголок, что у этого шара такие ж е свойства, как у Земли, и
потому назвал Зем лю больш им магнитом. (Ранее предполагали, что
магнитная стрелка компаса притягивается к какой-то точке на небе.)
Помимо магнетизма Гильберт занимался и исследованием электри­
ческих явлений. Здесь со времен Ф алеса М илетского (640—550 до н. э.)
бы ло известно только то, что потертый о ш ерсть янтарь притягивает
легкие мелкие тела (соломинки, бумаж ки). Гильберт начал пробовать
наэлектризовывать трением и другие вещ ества и показал, что ещ е
многие из них обладаю т такими ж е свойствами, причем, изобретя
первый электроскоп, он начал количественно сравнивать свойства
этих тел, скорость уменьш ения величины электризации в зависимости
от освещ ения, от влаж ности и т. д. Д ля всех этих свойств он предлож ил
название «элек тр и честв о» от греческого слова «эле к т р о н » — янтарь.
Отметим, что в последующие сто лет к его результатам и изобретени­
ям, поистине гениальным по своей простоте, ничего нового не добавилось.

4. Атмосферное давление
Аристотель, как мы помним, ввел принцип « природа боит ся пуст о­
т ы » и с помощ ью этой боязни пустоты (horror vacui) объясн ял продол­
ж ение движения тел в отсутствии сил. Галилей попытался изм ерить
силу этой самой боязни: он заполнял стеклянную трубку, запаянную
с одного конца, водой, закрывал ее подвижным поршнем и опроки­
дывал, а затем привязывал к порш ню грузики, чтобы измерить, при
какой нагрузке вверху столба воды появится пустое пространство,
т. е. будет преодолена сила боязни пустоты. (Теперь мы, конечно, по­
нимаем, что таким образом изм ерялась сила сцепления столба воды.)
Гэванджелиста Торричелли (1608-1647)71
П Роблема обострилась, когда К стагуляка и танцор, в 19 лет случайно попал ром у и почти слеп ом у Галилею приш ли
на лекцию по математике в Риме — впе- садовники герцога М едичи: у них бы л
чатление было такое, что вся жизнь его
ыт глубокий, метров в 12, колодец,
сразу переменилась — он стал преданным
г
J
г
I учеником, а потом и преемником Галилея. I и ни ОДИН насос почему-то не поднимал

I—

— 1 оттуда воду к поверхности. Разобрать­
ся в проблем е Галилей п опросил своего только что появившегося у ч е­
ника Торричелли. Д олги е раздумья ни к чем у не приводили, пока

36

Раздел I

5. Отто фон Герике

Торричелли не осенило, что вместо 12-метрового столба воды нуж но попробовать проде­
лать опыты с ртутью, которая в 13,6 раз тя­
ж елее, и поэтом у потребуется столб высотой
м еньш е метра (мож но считать, что в этот м о­
мент возник метод моделирования!).
В первом ж е опыте, по поручению Тор­
ричелли его провел в 1643 г. Винченцо Вивиани (1622—1703), в запаянную с одного кон­
ца стеклянную трубку длиной около 1 м ет­
ра была налита ртуть. Вивиани заж ал паль­
цем свободное отверстие, п ереверн ул трубку
и опустил ее вертикально в сосуд с ртутью. Ртуть начала выливать­
ся и остановилась на высоте около 76 см, тут Торричелли осенила
и вторая идея: над ртутью — пустота (сейчас она называется торричеллевой пустотой), а высота столба ртути соответствует давлению
атмосф еры — пресловутая «б о я зн ь пустоты » не при чем!
Ф актически Торричелли соверш енно по-новому использовал за­
кон сообщ аю щ ихся сосудов: уж е давно бы ло известно, что если два
вертикальных сосуда с водой соединить сн и зу трубкой, то вода б у ­
дет м еж ду ними переливаться, пока не установится в обоих коленах
на одном уровне. Если ж е в этих коленах разные жидкости, например
вода и спирт, то высота столба б олее легкой из них оказывается выше:
м ож но думать, что таким образом компенсируется ее легкость.
Н у а если в одном из колен не жидкость, а воздух? Сравним высо­
ты столбов воды и ртути: по наблю дениям садовников вода поднима­
ется только до уровня прим ерно в 10 метров, по измерениям Вивиани
ртуть поднимается на уровен ь в 76 см. Таком образом, соотнош ение
высот где-то около 13—15, что бли зко к отнош ению удельных весов
ртути и воды. Следовательно, м ож но заключить, что в этом опыте од­
ним коленом являлась трубка со ртутью, а вторым — вся атмосфера.
Однако эта идея, идея атм осф ерного давления, была столь нова
и казалась настолько парадоксальной, что потребовалась и зобрета­
тельность многих ученых, чтобы сделать ее естественной и будто само
собой разумею щ ейся.

5. Отто фон Герике
Н аглядно доказать всем у м иру сущ ествование пустоты и роль атмо­
сф ерного давления сум ел дипломат и м ноголетний (в течение 32 лет!)
бургом истр славного торгового города М агдебурга О тто фон Герике
(1602—1686) после того, как он и зо б р ел воздуш ный насос.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

37

Глава 4. Начало научных исследований

«Я изобрел и построил ряд инструментов и приборов для доказа­
тельства существования не признаваемой до сих пор пустоты», — писал
Герике. И опыт, который он пока­
зал членам германского рейхстага
8 мая 1654 г., в наше время про­
ш ел бы первой строкой по всем ми­
ровым каналам телевидения. П р о ­
водился этот опыт, наиболее часто
изображ аем ы й в книгах по истории,
так. И з больш ого медного шара, л е г ­
ко разделяю щ егося на два полуш а­
рия (когда они прикладывались друг к другу, соединение уплотнялось
кожаной прокладкой), выкачивался воздух. Затем в кольца на полуш а­
риях впрягалось с обеи х сторон по восем ь лош адей-тяж еловозов, но —
как их ни погоняли — оторвать полушария друг от друга они не могли.
П осле этого лю бо й ж елаю щ ий открывал кран, воздух со страшенным
грохотом врывался в шар, и тот легко разнимался руками. (Нам-то
сейчас понятно, что привязывать по восем ь лош адей с каждой сто­
роны не обязательно: одну сторон у м ож но бы ло привязать к стене,
| Определяющий вклад Герике внес в акустику: он | но, во-первых, эф ф ект бы л бы
меньше, а, во-вторых, Третий за­
доказал, что звук распространяется только через
среду и может из одной среды переходить в дру­
кон Ньютона ещ е не бы л открыт.)
гую. Для зтого были проведены два остроумных
Помимо первого воздушного
опыта. Во-первых, Герике приучил рыбок в бассей­
не получать крошки хлеба одновременно со зво­ насоса и акустических опытов, Ге­
ном колокольчика (выработал, говоря современ­ рике прославился тем, что он и зоб­
ным языком, условный рефлекс), а потом оказа­ рел электростатическую машину,
лось, что рыбы приплывают на звон и без показа
гигрометр, открыл явления элек ­
крошек, т. е. слышат зтот звон — следователь­
тростатической
индукции, свече­
но, звук из воздуха переходит в воду, в другую
среду. Во втором зксперименте он помещал звеня­ ния при истечении зарядов и т. д.
щий колокольчик под колокол воздушного насоса;
Н о нас сейчас интересует дру­
по мере откачки воздуха звук все слабел — сле­
гое: когда однажды, в 1660 г., п о­
довательно он распространяется только в среде.
казания придуманного им водя­
Интересно отметить, что примерно в то же время
ного
барометра начали резко па­
Торричелли обратил внимание на то, что сквозь
вакуум в верхней части барометра проходит свет, дать, Герике сообразил, что е с ­
т. е. он в отличие от звука распространяется через ли давление воздуха здесь си ль­
пустоту — это заключение вызвало многовековые
но уменьш ается, то скоро в это
| дискуссии и было понято только в XX в.
J
место хлы нут со всех сторон в оз­
душ ные потоки и начнется буря, о чем предупредил всех ж ителей.
Так было полож ено начало научному предсказанию погоды.
Однако научные истины не так просто воспринимаются. Д ля того
чтобы метод Герике стал общ епризнанным, потребовались почти два

38

Раздел I

6. Блез Паскаль

века и катастрофа со множ еством жертв: 2 августа 1837 г. началь­
ник гавани П уэрто-Рико предупредил моряков о невероятно резком
пониж ении показаний барометра и предстоящ ей буре. Они его не по­
слуш ались, и все 33 корабля, стоявшие в гавани, затонули!

6. Блез Паскаль
Блез П аскаль (1623—1662) бы л самым выдающимся вундеркиндом
и одним из самых многосторонних лю дей в истории. Первы е открытия
он сделал в возрасте... 5 лет: отец заш ел с гостями в детскую и увидел,
что мальчик строит на полу треугольники из палочек — оказалось, что
он так сам остоятельно переоткры л ряд начальных теорем геометрии.
П омогая отцу, инспектору по налогам, в длинны х расчетах, он и зобр ел
и построил, по-видимому в 14 лет, первый механический арифмометр,
в 16 лет написал книгу по математике, где и злож и л целый ряд новых
результатов, позж е полож и л начало теории вероятностей. Только три
года, с 1647 по 1650, Паскаль интенсивно занимается физикой, где
ем у принадлеж ит немало открытий, а с 1653 г. он практически полн о­
стью погруж ается в религию , пишет две книги, с которых, по мнению
многих, начинается современная французская литература.
Узнав об опыте Торричелли, Паскаль решает, что воздух под дей­
ствием своего веса долж ен сгущ аться книзу, т. е. атмосф ерное дав­
лен и е долж но падать с высотой. П оэтом у он, человек очень б о л ез­
ненны й и ф изически слабый, просит своего зятя Ф. П ерье соорудить
по описаниям Торричелли два барометра и с одним из них поднять­
ся на гору (второй, для сравнения, остается у подножья). 19 сентября
1648 г. П ер ье осущ ествляет этот опыт (и входит тем самым в историю ):
поднимаясь на гору, он действительно видит непрерывное пониж ение
столбика ртути — гипотеза доказана, давление действительно зависит
от веса столба воздуха. Паскаль публикует б рош ю ру с описанием опы ­
тов: боязни пустоты, пресловутого horror vacui, больш е не сущ ествует!
Н у а зависимость давления от высоты столба воды, ф орм улу для
которой П аскаль вывел, он продемонстрировал при больш ом стечении
знати во главе с королем в г. К лерм он-Ф ерран. В крепкую законопа­
чен ную д убовую бочку, до отказа наполненную водой, была вставлена
тонкая высокая, до третьего этажа, стеклянная трубка; когда в эту
тр убк у б ы л налит с соответствую щ ей высоты всего один стакан воды,
то сорокаведерная бочка не выдержала давления и разорвалась —
зри тели воочию убедились, что давление зависит не от массы воды,
а только от высоты ее столба.

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

39

Глава 4. Начало научных исследований

7. Роберт Бойль
Роберт Б о й л ь (1627—1691), 14-й сын графа Корка, бы л не только выда­
ю щ имся химиком, физиком и ф илософ ом, но и светским человеком,
друж ил с королем Карлом II, который сам интересовался науками
и опытами. П оэтом у Бойль и м ел возм ож ность содержать ассистентов
и лаборантов для выполнения черновой работы в многочисленны х
экспериментах. (Бойль, человек религиозны й, говорил, что боится
ум ереть только потому, что «н а том св ете» все уж е предопределе­
но и нельзя экспериментировать!)
О собенно много однотипных измерений понадобилось, когда Бойль
занялся исследованием давления в газах, до того никем не изучавш е­
гося. Так, однажды, рассказывают, он, отправляясь на бал, поручил
своем у лаборанту продолж ить изм ерять изм енения объем а газа в за­
крытом сосуде при изм енении давления. С бала Бойль вернулся н е­
ожиданно рано и с негодованием обнаружил, что помощ ник спит
в углу, а около него леж и т бумажка с аккуратно выписанными длин­
ными столбиками как будто изм еренны х цифр давлений и объемов.
Разбуж енны й пинками лаборант лепетал, что мерить и не надо, что
произведение объем а на давление постоянно, но был, конечно, с по­
зором изгнан.
И тут Бойль как-то задумался: а вдруг? Началась кропотливая
и долгая работа, но идея, случайно высказанная малограмотным п о­
мощником, оказалась при всех проверках верной. Так возник закон
Бойля— М ариотта. (Второй автор переоткры л его несколько позже,
но в английских книгах и посейчас есть закон Бойля, а во ф ранцуз­
ских — закон Эдма М ариотта (1620—1684), физика и ботаника.)
Бойль разреш ил и старую загадку о том, что легче — вода или лед:
он заполнил водой крепкий руж ейны й ствол, выставил его на мороз,
и через два часа ствол лопнул. Всем стало ясно, что лед при замерзании
расширяется.

8. Роберт Гук
Роберт Гук (1635—1703) начинал научную карьеру ассистентом Бойля.
Затем он стал «куратором опы тов» недавно образованного К ор олев ­
ского общ ества сущ ествую щ ей и сейчас Академии наук Великобрита­
нии. О бязанностью Гука бы ло повторять и перепроверять полученные
общ еством сообщ ения о новых открытиях, а также подготавливать
и демонстрировать членам общ ества (на каждом заседании!) новые
опыты. С одной стороны, это помогло его невероятной разносторон­
ности как ученого, но с другой — вело к спешке, к переклю чению

40

Раздел I

9. Гримальди

с одного начатого исследования на другое, а потом у он зачастую вы­
сказы вал идеи, не успевая их обдумать и исследовать, а потом вел
бесконечн ы е споры о приоритете (в частности, с Н ью тоном о законе
В семирного тяготения).
Гук первым догадался, что для лучш его разглядывания веществ
и предметов под микроскопом их надо разрезать на тонкие слои
и см отреть на просвет. Так, подкладывая под микроскоп все что толь­
ко можно, он открыл, что все растения им ею т клеточное строение,
и придумал само слово «к летк а ». Д алее он микроскопически доказал,
что снеж инки им ею т кристаллическую структуру и т. д.
Еще одна идея, которая сейчас выглядит очень простой, но до Гука ником у не приходила в голову, заклю чается в том, что твердые
тела долж ны под нагрузкой деф ормироваться (всеми принималось,
без проверки, что твердые тела, в отличие от газов и жидкостей,
им ею т всегда н еизм енную форму; напомним, что резина была и зоб ­
ретена много позж е). Д ля проверки этого полож ения Гук исследо­
вал возм ож ность растяж ения твердых т ел под действием нагрузки —
просто-напросто подвеш ивал узки е полоски различны х металлов, при­
креп лял к ниж ней части п олосок чашечку, в которую клались гирьки,
и и зм ер я л (иногда с пом ощ ью микроскопа) величину удлинения. Так
он выяснил, что удлинение всегда прямо пропорционально величине
прилож енной силы — это и есть знаменитый закон Гука. (Гук в то
время не м ог прилож ить такую нагрузку, при которой этот закон
начинает нарушаться, п оэтом у сейчас диаграмму удлинения т ел под
нагрузкой делят на гуковскую и негуковскую части.)
Эти исследования Гука только в 1807 г. уточнил его соотечественник
Томас Ю нг (подробнее о нем — ниже): он выяснил, как коэффициент
Гука зависит от длины и поперечного сечения растягиваемого тела.
Д алее Гук аналогичными опытами доказал, что все вещества при
нагревании расш иряются. (П о зж е бы ло выяснено, что это утверж де­
ние не совсем верно: вода при нагревании от нуля до 4° С сжимается,
отклоняется от этого закона поведение полуметалла висмута и неко­
торы х других, но такие исклю чения очень редки, а объяснения им
бы ли найдены только в X X в.)
Таким образом, Гук явился фактически основополож ником ф изи­
ки твердого тела.

9. Гримальди
Вернемся несколько назад по времени и рассмотрим примечательный
оптический эксперимент, которы й осущ естви л Ф ранческо М ария Гри­
мальди (1618—1663), м онах-иезуит и физик. Эксперимент бы л очень

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

41

Глава 4. Начало научных исследований

прост и многократно до того проделывался: в тем ную комнату через
м аленькое отверстие пропускался луч света, превращавшийся в ком­
нате в конус, так что на экране получался яркий кружок или эллипс.
Это все было хорош о известно.
I Явление дифракции оказалось очень сложным, I
оно много раз переоткрывалось, в том числе Ньютоном; сейчас существует целая область
математической физики - теория дифракции,
отличающаяся особой математической сложностью в решении задач, - до сих пор, за три
с лишним века, несмотря на все усилия и многообразие изучаемых задач, точно и полностью
[удалось решить всего три из них.
_|

^ о вот Гримальди ввел в этот
конус, на довольно больш ом расстоянии от отверстия, палку, тень кой долж на была пересечь яркий
г

гт

круж ок на экране. И неож иданно
оказалось, что, во-первых, тень шир е , чем следовало, исходя из идеи
п р ям оли н ей н ого распространения

света, во-вторых, по обе стороны центральной тени м ож но бы ло за­
метить, в зависимости от яркости солнечного света, одну, две или
три темны е полосы, и, в-третьих, края этих полос были голубоватыми
со стороны центра и красноватыми с противополож ного края.
Когда ж е Гримальди проделал два бли зки х отверстия в ставнях,
то смог заметить много новых особен н остей при перекры тии светлых
кружков на экране: вокруг каждого из них возникали темны е кольца,
места пересечения которы х бы ли светлее обои х колец. В дальнейш их
опытах он м енял формы и размеры отверстий, их сочетания.
Таким образом, Гримальди открыл, что помимо отраж ения (р е­
ф лексии) и преломления (реф ракции) сущ ествует и явление, которое
он назвал дифракцией и которое состоит в частичном огибании све­
том препятствий.

10. Христиан Гюйгенс
Христиан Гюйгенс (1629—1685), гениальны й ф изик и математик, во­
ш ел в историю преж де всего как величайш ий часовых дел мастер
всех времен, который и зоб р ел маятниковые часы, а затем придумал
и часы с пружинным балансиром.
Водяные и песочны е часы сущ ествовали уж е два тысячелетия,
но каждый их экземпляр отличался своими особенностями, своей
«скоростью хода». С олн ечн ы е часы, т. е. вертикальный столбик, тень
которого передвигается с движ ением солнца и показывает время
на начерченном циф ерблате, долж ны иметь много шкал, для каждого
месяца года по крайней мере, и такие часы, конечно, не работаю т
в п лохую погоду и ночью.
Уж е в X III—X IV вв. стали сооруж ать колесные, или механические
часы, в основном баш енные. И х приводили в движ ение тяж елы е ги­
ри на канатах, которы е еж едневно накручивались на верхние валы,

42

Раздел I

10. Христиан Гюйгенс

а спускающ иеся затем вниз грузы вращали системы колес и стрелки.
Н о гири при спуске постепенно ускорялись, и время «начинало течь
б ы стрее».
Когда Галилей открыл изохронность маятника, то ем у стало ясно,
что маятник можно использовать для отмеривания промеж утков вре­
мени. М ож н о было, например, написать, что за время спуска груза
с такой-то наклонной плоскости маятник длиною в 1,5 м соверш ил
пять колебаний, и тогда лю бой другой человек мог повторить этот
опыт и проверить количественную правильность результата. Н о не си ­
деть ж е и считать все время число колебаний: становилось ясно, что
нуж но изобрести и каким-то образом приделать к маятнику счетчик
этих колебаний.
И зобретатели бились над этой проблем ой около семидесяти лет —
и никакого результата. А Гюйгенс реш ил задачу гениально просто
(один из признаков гениального открытия, изобретения — когда оно
соверш ено, то всем кажется, что лю бой м ог бы до этого сам доду­
маться). Для чего, реш ил он, изобретать какой-то счетчик, есть ведь
уж е м еханические часы, они ж е и счетчик: нуж но попросту приделать
такой храповик, «соба чк у», чтобы при каждом колебании маятника,
грузика на длинном стержне, эта собачка разреш ала ведущ ем у ко­
леси ку поворачиваться на один зубец. (И сейчас встречаются такие
самые простенькие часы с гирькой, чаще уж е в наборах детских кон­
структоров, которые в точности повторяют часы Гюйгенса.)
Так была реш ена самая слож - I Оказалось, что обычный маятник изохронен только I
ная на тот момент проблема изме- при очень малых размахах (амплитудах) колебаний,
рительной техники.
* с ростом амплитуды его период колебаний увеЗатем Гюйгенс изобрел часы
с пружинным балансиром, карманные или наручные (здесь его приоритет пытался оспаривать Гук,
и не только он один). Эти часы

личивается- Гюйген£ Решает ЭТУ задач* - сначала

чисто опытным путем, а затем и строго математически: нужно, чтобы с ростом амплитуды уменьшалась эффективная длина маятника, а для этого
можно с его боков поместить «крылья», на ко-

торь,е наяегает часть ни™' так„ ,т0 »ФФе^вная

1

длина ее становится меньше. Расчеты показали,

г

с малым размахом колебании маятника.

смогли реш ить важнейш ую зада- чт0 эти крыдья Д0ЛЖНЬ| иметь форму известной
чу определения полож ения суд- в математике кривой — циклоиды, но метод окана в море: британское адмирал- зался малопрактичным, его используют очень редтейство объявило открытый кон- i
а " большинстве £ЛУ “ ? "Р «™ строят ча£“ .
курс по поиску наилучшего спо- I—
— I
соба определения долготы судна с громадной по том у времени пре­
мией. (Ш ироту можно бы ло определить по углу на солнце в полдень
при наличии заранее рассчитанных таблиц.)
И зобретение пружинных часов эту п роблем у полностью решило.
Если на судне есть точные часы, хронометр, показывающий время

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

43

Глава 4. Начало научных исследований

по гринвичскому меридиану, то определив их показание в полдень
данного места, т. е. в момент, когда тени наиболее короткие, м ож ­
но определить свою долготу: разница в один час означает отличие
от гринвичского меридиана на 15° и т.д. (С олн це описывает полный
круг в 360° за 24 часа, отсюда и получается эта цифра.) Заметим, что
ранее одни и те ж е острова по м ногу раз переоткрывались, а их по­
лож ения на картах отличались на тысячи миль.
Н е подумайте только, что заслуги Гюйгенса ограничиваются ча­
сами, хотя и этого хватило бы для бессм ертия в истории: он развил
волновую теорию света и п редлож ил принцип, который назван его
именем и до сих пор является ф ундаментом всех волновых теорий,
в том числе оптики и акустики.
А вот лю бопы тная и поучительная история, описанная им в одном
письме в 1693 г. В замке Ш антильи под Париж ем Гюйгенс заметил,
что если встать меж ду лестницей и работаю щ им фонтаном, то слы ­
шен звук, напоминающ ий музы кальны й тон: он предположил, что это
происходит вследствие отраж ений от равноотстоящ их ступенек. И з ­
мерив ш ирину ступенек, Гюйгенс делает бум аж ную трубку такой же
длины и находит, что она издает тот ж е тон, — фактически лестница
выделяет из шума фонтана одну резонансную частоту, а Гюйгенс на­
ш ел пример разлож ения шума в акустический спектр.

Глава 5

Теплота и температура

Исследование тепловых явлений началось в физике намного позже, чем
явлений механики, акустики, оптики и даже магнетизма. Первый измери­
тельный прибор построил Галилей: это была, в одном из вариантов, тонкая
стеклянная трубочка с одним открытым концом и шариком на другом
конце. Если в эту трубку поместить каплю воды, то при нагревании
капля будет подниматься вверх, а при охлаждении — опускаться.
Такой прибор мож но назвать термоскопом, он пригоден только
для качественны х исследований: показания зависят от атмосферного
давления, капля со временем высыхает, все размеры прибора произ­
вольны, нет никаких постоянных точек, с которыми можно было бы
сравнивать температуру.
О тто фон Герике, прирожденный изобретатель, чуть усоверш ен­
ствовал термоскоп: шарик внизу он сделал металлическим, присоеди­
н и л к н ем у насос и в момент на- i—
.^ — I
В 1657 г. во Флоренции, герцог которой Ферди-

ступления первы х м орозов выкачивал воздух из шарика так, чтобы
капля остановилась у определенной метки. Но, во-первых, наступ___ ____ __

л ен и е первы х заморозков понятие не слиш ком определенное,
а во-вторых, ш калу нуж но ограничить с двух сторон.
т

_ _____

Какие ж е две температурны е
^

^

точки м ож но взять в качестве реперны х? П редлож ений бы ло много,
Н екий Д аленсе предлагает выбрать

' нандП интересовался науками, была учреждена 1
Академия опытов (Academia del Cfmento), первый научный коллектив в мире. И хотя через
10 лет она была закрыта по требованию папского Рима, за это время флорентийские академики
смогли провестиРмног^ инРтересных опытов. Так,

в частности, они сообразили, что верхний конец
термоскопа, в который вводилась капля подкрашенного спирта, удобно залить сургучом, что
обеспечило долговечность прибора. Во-вторых,
они ввели вторую отметку на шкале — температуру наибольшего летнего зноя во Флоренции. (Любопытно отметить, что академики впервь,е установили постоянство температуры тая-

точки замерзания воды и... плавле- , ния льда' но не сообРазили использовать зту.
г

w

точку как репер для шкалы термометра.)

ния коровьего масла, знаменитый I—
— I
астроном Галлей — температуры глубоких подвалов и кипения спир­
та, Н ью тон вы бирает для своего термометра точку таяния льда и тем ­
пературу человеческого тела и т. д.
Первым мастером, построившим более или менее совершенный спи­
ртовой, а затем и ртутный термометры бы л Д. Г. Фаренгейт (1686—1736).

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

45

Глава 5. Теплота и температура

I Фаренгейт открыл замечательное явление переохла-1 АЛ51 их градуирования он помеждения воды: как-то он долго кипятил воду в стек- щ ал каждый терм ом етр в такую
лянном сосуде, затем быстро его запаял и выставил см есь воды, льда и нашатыря
на мороз. Утром он с удивлением увидел, что нек
к
J «
смотря на сильный сильный холод вода в запаянном
сосуде не замерзла, но когда он отломал запаянный
кончик трубки, то вода замерзла почти мгновенно,
(Мы к таким явлениям вернемся позже - в XX в. их
стали использовать для создания приборов, в котоI
юч I
рых исследуются свойства элементарных частиц1и).

I

„ ж„ ллжх, , ™ , ллг™ хххл
г

или соли, замерзание которой сог

ответствовало сам ом у сильном у
холод у суровой зимы 1709 г. в
Голландии, эта точка обознача-

лась как 0 (Фаренгейт, по-ви\
г
— I димому, считал, что больш их х о ­
лодов не мож ет бы ть). Затем терм ом етр помещ ался человеку подмыш­
ку, и это температура обозначалась как 96°, тогда точка кипения во­
ды соответствует 212°. (Ш кала Ф аренгейта до сих пор используется,
в основном в англоязычных странах, градусы в ней обозначаются как °F.)
Наконец около 1740 г. Р. А. Ф . Реом ю р (1683—1757) стал градуи­
ровать спиртовые терм ом етры по двум постоянным точкам: таяния
льда и кипения воды, а ш калу при этом д ели л от 0° до 80°. Ц и ф ­
ру 80 он вы брал потому, что спирт, по его измерениям, расш ирялся
при таком нагреве на 0,08 первоначального объема. М н оги е учены е
стали вскоре этот довод отвергать и критиковать шкалу Реом ю ра (о бо ­
значаемую на кое-где сохранивш ихся терм ом етрах как °R), и вскоре
шведский ф изик А. Ц ельси й (1701 — 1744) ввел стоградусную шкалу.
Первоначально у него лед таял при 100°, вода кипела при 0°, но вско­
ре шкалу перевернули, и она приняла привычный для нас вид. При
введении метрической системы мер бы ло реш ено называть ее шкалой
центиградов и поэтом у сохранить обозначания °С, но ввиду тож де­
ства первой буквы фамилии Ц ельсия с этим обозначением за шкалой,
по-видимому навсегда, осталось название «Ш к а ла Ц ельси я ».
С ледую щ ий важный вклад в учение о теплоте внесли через н е­
сколько десятилетий, когда терм ом етры уж е вошли в обиход, Ж . А. Д е ­
лю к (1727—1817) и Дж. Блэк (1728—1799). Д елю к провел очень простой
опыт: он поставил на плиту сосуд со льдом и терм ом етром в нем, тем ­
пература начала повышаться, но, как только лед стал таять, ее повыш е­
ние остановилось, и она стала снова расти лиш ь тогда, когда весь лед
растаял. Схож ая картина наблю далась и при кипении воды: тем пера­
тура не повышалась, пока вся вода не выкипала. Аналогичны е опыты,
несколько более точные, одновременно проводил и Блэк, они показа­
ли, что для перехода из одного агрегатного состояния в другое (сейчас
чаще говорят о фазовы х переходах первого рода) нужна, при неи зм ен ­
ной температуре, определенная энергия, расходуемая (при плавлении
10 См ..Перельман М. Е. От кванта до темной материи. Раздел III. Глава 4.

46

Раздел I

Глава 5. Теплота и температура

или кипении) на разрыв связей м еж ду частицами вещества. Э ту эн ер­
гию позж е стали называть скрытой теплотой перехода.
Как очень часто бывает, продвиж ение в ф изике оказалось свя­
занным с усоверш енствованием способов измерения. Таким новым
способом при исследовании тепловы х явлений стал ледяной калори­
метр, предложенный совместно великим химиком, фактически даже
основополож ником химии, А. Л. Лавуазье и великим астрономом и ма­
тематиком П. С. Лапласом в конце X V III в. И х калориметр был, в прин­
ципе, очень прост: нагретое до определенной температуры тело п о­
мещ али в измерительный сосуд со льдом и определяли по количеству
растаявшего льда теплоту, выделенную телом. Так удалось определить
теплоты, необходимы е для нагревания тел, т. е. удельные теплоем ко­
сти, теплоты горения веществ и т.д. (Лю бопы тно отметить, что в ходе
этих исследований, прерванных револю цией, было, в частности, обна­
ружено, что при кипении воды пар заряжается полож ительно, а сосуд,
в котором он образовывался — отрицательно. Явление это, позж е под­
твержденное Фарадеем, до сих пор не объяснено.)
Н о все эти факты мало говорили о природе самой теплоты. П р о ­
ще всего бы ло принять, что теплота — это некий особы й вид вещ е­
ства, ф логистон (теплород), который может переходить от одного тела
к другому или содержаться в скрытой ф орме в некоторых вещ ествах
и выделяться из них при горении.
Первый удар по этой теории нанес Бенджамин Томпсон ( 1 7 5 3 —
1814). Американец по рождению, он бы л в числе немногих сооте­
чественников, выступивших на стороне А нглии против независим о­
сти С Ш А . П оэтом у после поражения англичан он беж ал в Европу и,
пройдя через множество приключений, поступил на служ бу в армию
Баварского королевства. Там он получил (или присвоил себе, мнения
историков различны ) т и т ул граф а I Занимаясь изучением тепловых явлений, Рум- 1
Румф орда. Н о как физик он вош ел форд как-то надолго оставил на огне плотно
в историю под этим именем.
закрытый сосуд с мясом и вдруг обнаружил,
Однажды, в 1798 г., Румф орд по- 410
не только мясо но и в значим

тельной степени кости, т. е. он фактически от­
КрЬ1Я принцип, на котором созданы современные скороварки, котлы под давлением и т. д.
( рУмФ°РД' в частности, предложил варить так
~ г~
~
«суп для бедняков» — из костей, собранных
нило самой блестящ
ей
из
идеи
теп\
I
\
I
^
"
I у богатых и разваренных под давлением).
J

^

^

пал в арсенал, когда там высверливали в бронзовы х болванках-стволах
орудийные каналы, и тут его осе-

лород, предположим, мож ет перели- I—
— I
ваться из одного тела в другое, но ведь тут холодны е стволы сверлили
холодными ж е сверлами — никаких переливов нет, а тепло появ­
ляется, причем даже при сверлении тупым сверлом, когда стружки
и отверстия не возникают и вообщ е ничего ни в болванке, ни в свер-

От Аристотеля до Галилея: 2000 лет в поисках научного знания

47

Глава 5. Теплота и температура

ле не меняется! Значит, тепло возникает в процессе трения — это бы л
первый, по сути дела, удар по теории флогистона.
Следую щ ий, и реш ающий, удар бы л нанесен Г. Дэви (о нем —
ниже): он зимою в толстых, вряд ли пропускаю щ их ф логистон пер­
чатках тер друг о друга два куска льда, и они расплавились! Откуда
здесь бы ло взяться теплороду? Н уж н о бы ло признать, что теплота,
помимо горения, мож ет порож даться и трением.
Оставим сейчас на время вопросы термометрии, стоит только от­
метить, что проблемы определения температуры остаются наиболее
слож ными в изм ерительной технике: до сих пор точность ее реги ­
страции — наинизшая из изм ерений всех ф изических величин.

Раздел II

Неувядающая классика:
от Ньютона до Максвелла

Глава 1

Парадигма Ньютона

Hypotheses non fin g o 1.

И. Ньютон

1. Оптика Ньютона
описать заслуги Ньютона
(1643—1727) перед наукой трудно: он
фактически создатель классической
физики (механики, земной и небес­
ной, оптики) и математического ана­
лиза (независимо от Г. Лейбница). П о ­
этому остановимся лишь на некото­
рых из его открытий и попытаемся
понять, как Ньютон мог прийти к ним.
В ш кольные годы он много занимался тем, что сейчас назва­
ли бы моделированием: строил солнечны е часы, маленькие ветряные
и водяные мельницы и т. п., поэтому, вероятно, он, с одной сторо­
ны, заинтересовался всем общим, что бы ло м еж ду ними, а во-вторых,
приобр ел навыки работы с разными материалами, что и пригодилось
ем у в дальнейшем.
Общ ая и, особенно, математическая подготовка Н ью тона при
поступлении в университет бы ли явно недостаточными, но он так
быстро догнал и перегнал своих соучеников, что уж е через два года,
П олностью

1Гкпотез не измышляю — лат.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

49

Глава 1. Парадигма Ньютона

I Рене Декарт (1596-1650), современник мушкетеров
1Александра Дюма, искал — как и они — приключений, поэтому нанялся в одну из германских армий
и как-то провел во время похода всю холодную ночь
без сна, сидя на стуле внутри громадной деревенской печи. Тогда-то, как он потом рассказывал, возникла идея о том, что можно геометрические теоремы доказывать алгебраически: для этого он придумал, впервые, системы координат — это был первый
большой прорыв в математике со времен древних
греков, в физике, помимо работ по оптике, ввел понятие силы, инерции, сформулировал закон сохранения импульса, стремился построить картину мира
как совокупности движения больших и малых частиц
(вихрей); считается основоположником философии
Нового времени. Декарт был апостолом свободы человеческого разума и его способностей, он писал, что
на истину «натолкнется скорее отдельный человек,
чем целый народ», а всякое знание нужно проверять с помощью «света естественного разума».

1

в ^0 Л е т ' начал помогать своем у
руководителю, проф ессору ма­
тематики Барроу, в издании его
книги по ге0метрии, а к 26 годам
,

_

занял кафедру, которую Барроу
ем у уступил .
Экспериментальны е исследования Н ью тон начал с оптики,
_
,
^
В пеРвом параграфе «О п ти к и »

он провозглашает: «М о е намерение в этой книге — не объясн я т ь СВОЙСтва света гипотезами,
но излож ить и Доказать ИХ ОПЫтами и рассуж ден и ям и ».
Что ж е к началу его работ
было ИЗВестно о свете? Закон от-

I ражения света знали ещ е в древ­
ности, закон преломления света при его переходе из одной среды
в другую бы л экспериментально проверен и сформулирован Виллебрордом С неллиусом (1591 —1626), но опубликован позже, уж е в ма­
тематической форме, в книге Рене Декарта без ссылки на Снеллиуса.

Г ^ р Ферма (1601-1665), юрист по образованию, п ^ П
работал всю жизнь в судебной системе, но при этом являлся автором замечательных исследований по математике, которые, как правило, сообщал в письмах своим

° ба э т и х за к о н а м оГ Г бы ть вы '

ведены из замечательного принципа 3, установленного П ьером
ф ерма: « Природа всегда следует

т пш ш й ш куф ш .. но НьюI на Великая теорема Ферма из области теории чисел). I тон, по-видимому, этого прин1
—
— 1 ципа не знал.
Н е зная, по-видимому, и об исследованиях Гримальди, Н ью тон
повторяет их — и здесь ясно проявляю тся различия м еж ду талантом
и гением: одни и те ж е наблю дения талант фиксирует, описывает,
а гений делает их основой новой теории.
Итак, Н ью тон прорезает маленькое отверстие в ставнях окна
и превращает всю затем ненную комнату в лабораторны й прибор.
2 Возглавлять кафедру математики Кембриджского университета, которую занимал
Ньютон, и сейчас считается самой большой честью для физика-теоретика в Англии.
С 1977 г. это место занимал Стивен Хокинг, о котором мы еще будем говорить.
3 Принцип Ферма — это первый из так называемых вариационных принципов, ко­
торые обобщают множество уравнений и теорий выражением типа: из всех допустимых
законами сохранения событий наиболее вероятными (или единственно возможными)
являются те, которые соответствуют минимуму (иногда максимуму) некоторой опреде­
ленной функции.

50

Раздел II

1. Оптика Ньютона

На пути луча он устанавливает стеклянную призму, а за ней — экран
и рассматривает полученный спектр. Первый вопрос — является раз­
лож ение света в спектр случайным или закономерным? Второй п риз­
мой Н ью тон собирает все или часть лучей разных цветов вместе и так
доказывает, что белы й свет действительно содерж ит в себе все эти
цвета (этот вопрос уж е много десятилетий яростно обсуждался, но н и ­
кому не приш ло в голову, что его мож но реш ить так просто, складывая
лучи, т.е. обратным преобразованием спектра!).
Д алее Н ью тон доказывает, что показатели прелом ления лучей
разного цвета различны: покатель прелом ления — наименьший для
красных лучей и наибольш ий для фиолетовых, тем самым Н ью тон
основывает теорию дисперсии света (в современном понимании — за­
висимости показателя прелом ления от частоты ). Д ля этого он с пом о­
щ ью экрана, в котором сделана маленькая дырочка, выделяет из спек­
тра отдельные лучи и, рассматривая их прохож дение через вторую
призму, показывает, что, во-первых, они далее уж е не разлагаются
на какие-либо цвета, т. е. являются первичными, а во-вторых, углы
отклонения для разных цветов различны. (Этот эксперимент Н ью тон
назвал «experim entum cm cis », в буквальном переводе — «крестный эксперимент», а в переносном значеНИИ, вошедшем с тех пор в литераТУРУ'

ч
« р е ш а ю щ и й о п ы т » .)

На этой основе Н ью тон смог
наконец объяснить то разлож ение
света в капельках воды в атмосфе-

Г^~ладавший от природы пораэительно тонк^ 1
зрением, Ньютон понял, что спектр солнечного света содержит бесконечное количество от-

тенков (°nblTHble цветоведы различают и называют до 10 тысяч, в рекламе новых моделей
телевизоров — кто ее там проверит! — нередко фигурирует и 65 тысяч оттенков, а можно,
в принципе, назвать с тем же отсутствием основания и больше), но для удобства он разделил
спектр на семь основных цветов — такое деле­
ние и сейчас принято в большинстве языков,

ре, которое приводит к появлению
радуги. П оскольку в лю бой стек- хотя все мы, конечно, различаем, например,
лянной линзе или даже в их ком- пунцовый, алый, карминный, багряный, пурбинации, как думал Ньютон, фокус- , пурнь,й и т; я" но
краткости объединяем их
«

в «красный».

ные расстояния из-за явлении дис- I—
— I
персии для разных частей спектра различны (так называемая хром а­
тическая аберрация — от латинского «отк лон ен и е») и, как ем у каза­
лось, — и гении ош ибаются! — этот недостаток неустраним, то п оэто­
м у невозмож но построить идеальный телескоп с линзами. И Н ью тон
строит своими руками телескоп-реф лектор, т. е. зеркальный телескоп,
в котором нет линзового объектива, и потому нет хроматической абер ­
рации (1671, этот телескоп хранится в м узее Королевского общ ества).
И менно с этого телескопа, а не с ф ундаментальных исследований,
начинается широкая слава Ньютона, проф ессора математики 29 лет:
его телескоп, размером чуть б олее 20 см, оказался эквивалентным

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

51

Глава 1. Парадигма Ньютона

I После исследований, проведенных с призмами, I линзовому телескопу-рефрактору с
I ..--------------------------------------------Ньютон переходит к изучению оптических явле­

д ли н ой тр уб ы б о л е е пяти м етров!
И Ньютон немедленно избирается чле­
ном Королевского общества. (Отметим,
что и дальше Ньютон совершенствовал
этот тип телескопа, искал и находил
новые составы для отливки зеркал,
способы их полировки.)
Н ью тон принимал, беря за осн о­
ву явления прям олинейного распро­
странения света, что свет — это п о­
ток частиц, корпускул, поэтом у ем у
приш лось придумывать очень слож ­
ный механизм объяснения этого яв­
ления, в который не стоит вдаваться.
О бъяснить всю совокупность подоб­
ных явлений смогла теория Гюйген­
са, считающая свет волновым явле­
При пропускании через эту систему одно­ нием (в X X в. оба подхода были о б ъ ­
цветных лучей возникает такая картина: че­ единены в квантовой теории). С оглас­
рез центр системы свет свободно проходит, а
но волновой теории, световые вол­
при удалении от центра начинается чередо­
вание темных и светлых колец (их называют ны, отраж енные от обеи х поверхно­
| «кольцами Ньютона»).
| стей тонкой пленки или зазора м еж ду
телами, складываются (интерф ериру­
ют), за счет чего м огут усиливаться или ослабляться. Н уж но отметить,
что по ш ирине колец Н ью тон мог точно рассчитать расстояния меж ду
телами в данной точке, и до сих пор такой метод определения малых
расстояний является одним из точнейш их и используется в и зм ери ­
тельной технике.
Н уж но остановиться ещ е на одном, тогда казавшемся незначи­
тельным, наблю дении Нью тона. Ранее бы ло выяснено, что поскольку
уго л меж ду лучом и перпендикуляром к поверхности в более плотной
среде меньше, т. е. свет в б олее плотной среде как бы «приж им ается
к перпендикуляру», то не все траектории световых лучей могут при
подходе изнутри к поверхности, скажем, воды преломиться и продол­
житься в воздухе. Пусть, например, луч идет из воды в воздух так, что
угол м еж ду лучом и перпендикуляром к поверхности равен 20°. Выйдя
из воды, луч меняет направление распространения, и угол м еж ду л у ­
чом и перпендикуляром в воздухе будет больш е, порядка 27°. Если ещ е
сильнее отклонять луч в воде от перпендикуляра, то при угле в 49° луч,
вышедший в воздух, будет скользить по поверхности, а при дальнейшем
ний в тонких пленках. Этими вопросами уже
занимались Бойль и Гук (они восторженно пи­
шут о красоте получаемых цветов, но даже не ду­
мают об их природе и расчетах). Было ясно, что
трудности здесь начинаются с приготовления,
нарезания таких пленок или их осаждения из
растворов — Ньютон, что для него естествен­
но, придумывает новый и самый простой
способ: стеклянная линза (чечевица), выпук­
лая только с одной стороны, прижимается
этой выпуклой стороной к плоской стеклян­
ной пластинке. При этом в центральной точ­
ке линза плотно прижата, а при удалении от
центра расстояние между линзой и пласти­
ной начинает возрастать; зная радиус линзы,
эти расстояния легко рассчитать. Можно за­
ливать в эти промежутки различные жидко­
сти и, получая таким образом пленки пере­
менной толщины, исследовать изменение их
оптических характеристик.

52

Раздел II

1. Оптика Ньютона

увеличении утла свет, идущ ий из воды, будет только отражаться от по­
верхности — в воздух луч не выйдет. Это явление называется полным
внутренним отраж ением и, как вы яснилось во второй половине X X в.,
ведет к удивительным техническим прилож ениям.
Так, если световые лучи распространялись внутри стекла, то они
долж ны полностью возвращаться в исходную среду, претерпевать
полное внутреннее отраж ение на чистых поверхностях и отражаться
б езо всяких потерь — в отличие от зеркал, где потери при отраж е­
нии неизбеж ны . И менно поэтом у по тонком у волоконном у световоду,
в котором лучи все время подходят изнутри к его поверхности под
углом, больш им критического, свет м ож ет распространяться на гро­
мадные расстояния — это так называемые волоконные световоды,
соединяю щ ие ныне все материки и успеш но конкурирую щ ие с элек ­
трическими линиями, передаю щ ими информацию.
Изучая это явление, Ньютон, однако, замечает, что свет, претерпе­
вающий полное внутреннее отражение, частично, на очень малое рассто­
яние, выходит из стеклянной пластины в м есте отраж ения луча и за­
тем снова заходит вовнутрь, описывая в воздухе какую -то непонятную
траекторию. Это м имолетное наблю дение затем много раз переоткрывалось: иногда его называли эф ф ектом Зелени, вновь заметивш его его
в 1910-х гг., сейчас чаще — эф ф ектом Гуса— Хансена, подробно и с­
следовавших его в 1947 г. Называю т это явление наруш енным полным
внутренним отраж ением, и на его основе уж е в наше время строится,
начиная с 1990-х гг., так называемая оптика бли ж н его поля.
Оптическими исследованиями Н ью тон занимался до 1675 г., ко­
гда у него разгорелся жаркий спор с Гуком по вопросу о приоритете,
и Н ью тон реш ил ничего не публиковать при ж изни Гука — он все­
гда очень болезн ен н о воспринимал критику своих работ. П оэтом у его
«О п ти к а » вышла в свет только в 1704 г. («Л ек ц и и по оптике» о п уб ­
ликованы посмертно, в 1728 г., о бе книги есть в русском переводе).
Отметим, что вопреки своем у девизу — не строить гипотез — Н ь ю ­
тон в конце своей «О п ти к и » приводит целы й список предполож ений,
только называет их не гипотезами, а «воп росам и »: ясно ведь, что без
выдвижения предполож ений проводить исследования невозмож но.
Н уж но сказать, что Н ью тон вообщ е не торопился с публикация­
ми: он скрупулезно и многократно проверял свои наблю дения и рас­
четы, откладывал старые работы, так как увлекался новыми, и, кроме
того, считал, по-видимому не без оснований, что не им еет соперников
и на много опереж ает свое время. П оэтом у его великое математиче­
ское изобретение, диф ф еренциальное и интегральное исчисление,
пролеж ало в столе вплоть до появления аналогичных статей Г. Л е й б ­

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

53

Глава 1. Парадигма Ньютона

ница, что и привело затем к м ноголетней полемике о приоритете —
спорили не сами ученые, а их ученики.

2. Исаак Ньютон:
единство физического мира
Во всех школах изучение механики базируется на трех законах Н ью ­
тона. О Первом мы уж е говорили, Второй закон (их, как имена со б ­
ственные, предпочтительно писать с больш ой буквы) связывает уско­
рение, точнее изм енение импульса, с действием силы. Является ли
именно такое описание явлений единственно возможным? Гениаль­
ный Генрих Герц, о котором мы ещ е будем говорить, показал, что
мож но построить всю механику вообщ е не вводя понятия силы, а это
означает, что Н ью тон заставил весь мир говорить — и весь мир гово­
рит и будет говорить — на таком языке, который он придумал и ввел:
попробуйте-ка обходиться в разговоре б ез слова «с и ла ».
Теперь Н ью тон переходит к тому, что мож но бы ло бы назвать
принципом единст ва мира. Сейчас как-то трудно даж е представить
себе, что в то время не бы ло оснований думать, что законы, управля­
ю щ ие явлениями на Земле, долж ны распространяться и на небесны е
явления (на горний мир, как когда-то говорили) — планеты движутся
вокруг Солнца по кеплеровым эллипсам, но кто и где видел эллипсы,
по которым могли бы двигаться тела на Земле?
Гипотеза, которую выдвинул Ньютон, — одна из самых смелых,
возмож но самая смелая в истории физики: он предположил, что Н е ­
беса (после первоначального бож ественного толчка) управляю тся т е­
ми ж е законами, которы е он и зучал в земны х условиях. А для доказа­
тельства этого предполож ения нуж но показать, что законы Кеплера
являются лиш ь частным случаем законов земной физики, законов
притяжения.
М ож н о думать, что именно движ ение брош енны х т ел могло на­
вести Нью тона на выявление закона притяж ения и исследование его
особенностей 4. К этом у времени Н ью тон уж е поверил в свой первый
4 Хронологически можно рассказать о яблоке, падение которого якобы привело
Ньютона к идее о законе Всемирного тяготения. Но этот рассказ слишком известен
и к тому же, вероятно, апокрифичен: опубликован он впервые Вольтером со слов то ли
племянницы Ньютона, то ли ее мужа, людей, мало в науке и ее истории разбираю­
щихся. Но самому Вольтеру принадлежат громадные заслуги в популяризации идей
Ньютона во Франции, а значит и во всей Европе. При этом в занимательно и доступно
написанной книге о ньютоновой механике ему нужны были пикантные подробности,
«оживляж», говоря по-современному. Говорят, что сам Ньютон на вопрос о том, как он
открыл этот закон, отвечал: «Я думал об этом», но не уточнял, сколько лет.

54

Раздел II

2. Исаак Ньютон: единство физического мира

закон, закон инерции. (С хож и е рассуждения были ещ е у Галилея,
но он считал, что тела, на которые не действую т силы, долж ны —
и здесь он соглашался с Ари стотелем — двигаться по окружности,
и именно так, по его мнению, вращаются планеты, поэтом у Галилей
не поверил в эллипсы Кеплера. Инерция прямолинейного движения
впервые была постулирована Р. Декартом.)
Рассуждения Нью тона могли идти по такому пути: чем больш е
горизонтальная скорость брош енного тела, тем дальш е оно пролетит,
и если бы Земля была плоской, то при лю бо й горизонтальной скорости
тело в конце концов упало бы вниз. Н о поскольку Земля круглая, то
горизонтальное (по отнош ению к начальной точке) движение удаляет
его от поверхности, а свободное падение — приближает. С ледова­
тельно возмож но такое сочетание этих двух движений, которое —
в результате слож ения обои х движений в каждой точке — приводит
к вращ ению по кругу или движ ению по иной кривой.
Гениальная догадка Ньютона, самая плодотворная во всем его
творчестве, состоит в том, что зем ное притяж ение действует не только
вблизи самой Земли, но простирается вдаль, во всяком случае до Луны.
Н о тогда возникает загадка: почем у ж е Луна не падает на Землю ?
Н ью тон реш ает п роблем у так. П оскольк у скорость Луны и звест­
на, то известно, какой путь она проходила бы в единицу времени по
касательной к орбите в отсутствии притяж ения Земли. Теперь, зная
на сколько за это ж е время Луна отош ла от прямолинейного пути,
м ож но попробовать рассчитать, какая сила на нее действует по на­
правлению к Земле. При движении по окружности, как проверял
Н ью тон (ещ е ранее Гюйгенс), сила натяжения веревки, на которой
крутят грузик, обратно пропорциональна длине веревки. Н о сила тя­
готения мож ет по-иному зависеть от расстояния — надо попробовать
лю бы е степени такой зависимости: эвристическим моментом здесь
м ож ет служ ить согласование с Третьим законом Кеплера, связы ваю ­
щим периоды обращ ения планет с их средним расстоянием до Солнца.
А такое сравнение оставляет только одну возм ож ность — сила притя­
ж ения долж на быть обратно пропорциональна квадрату расстояния
(такую идею, без доказательств, чуть ранее высказывал Гук; по Гали­
лею , эта сила вообщ е не долж на была бы зависеть от расстояния, так
как он принимал, что ускорение свободного падения есть величина
постоянная).
Ясно, что сила притяж ения долж на как-то зависеть от ф и зи че­
ских характеристик обои х т ел — Земли и Луны. Н о от каких именно
характеристик и как зависеть? Рассуждать здесь мож но так: в выра­
ж ение для ц ентрострем ительной силы, определяем ое Вторым законом

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

55

Глава 1. Парадигма Ньютона

Ньютона, входит один параметр — масса вращ аю щ егося тела; Третий
закон К еплера определяет какую-то константу, единую для всех пла­
нет, а это единство определяется только параметрами Солнца; из срав­
нения обоих выражений м ож но думать, что эта константа — масса
Солнца. Отсюда мож но предположить, что сила тяготения определя­
ется обеими массами.
Н ью тон гордо провозглаш ал: «Гипотез не строю », но скорее это
бы л полемический прием, лучш е бы ло бы сказать: «Н е ввож у их без
крайней к том у н еобходи м ости » — гипотезы в его рассуждениях, ко­
нечно, присутствуют. И одна из них — это предполож ение, что сила
тяготения пропорциональна массам тел, т. е. именно тем характери­
стикам, которы е обуславливают, согласно его Второму закону, ин ер­
цию (эту гипотезу, равенство гравитационной и инерционной масс,
через два с лиш ним столетия А. Эйнш тейн ввел как основную в общ ей
теории относительности ).
М ож н о подойти к этой теории Н ью тона несколько по-иному
и считать, что его величайшая заслуга ш ире и состоит в некотором
объединении физики и геометрии. Д ело вот в чем: если рассматри­
вать, скажем, деревянный кубик, то у него есть три измерения: длина
основания, ширина и высота — все они равноценны и просто меня­
ются местами, если кубик перевернуть. А вот с движущ имися телами
на Земле полож ение иное: по двум горизонтальным направлениям т е­
ло может, при отсутствии трения, двигаться равномерно, по инерции,
а по вертикальному направлению — нет: движ ение будет ускоренное
при падении или замедленное при подъеме вверх.
Значит ли это, что вертикальное и горизонтальны е направления
различны по своим ф изическим свойствам? Д о Н ью тона так и счи­
талось, а вот он предположил, и это бы ло самым главным, что все
направления в пространстве одинаковы (как в геометрии!), а разли ­
чия вызваны тем, что в вертикальном направлении, и только в нем,
действует какая-то сила, которую он назвал силой Всемирного тяго­
тения и законы действия которой см ог определить. (С ледую щ ий шаг
в этом направлении сделал через два с лиш ним века А. Эйнштейн:
в его теории тяготения мир стал ещ е более геометричным, но под­
чинялся уж е не геометрии Евклида, которой пользовался Ньютон,
а более слож ной геометрии Римана.)
Н ью тон считал, и это для его времени бы ло единственно возм ож ­
ным, что пространство повсю ду в мире им еет одни и те ж е свойства
и во всех его точках время течет одинаково — такой подход называется
теорией абсолют ного прост ранст ва-врем ени и, как увидим, бы л и з­
менен только в теории относительности. Тяготение, считал Ньютон,

56

Раздел II

2. Исаак Ньютон: единство физического мира

распространяется во всей Вселен- I Современники Ньютона рассказывали, что ср е- 1
студентов
Кембриджа пои
при появлении учеуче­
ной мгновенно, это полож ение так- ди
ям m
/лемтов Кембоиджа
ж е меняется в теории отн оси тель­ ного можно было услышать: «Вот идет чело­
век, который написал такую книгу, что в ней
ности, и его только недавно удалось ни он и никто другой ничего не понимают!»
проверить экспериментально.
С особенно большим трудом усваивался Третий
Говоря о гении такого масштаба закон Ньютона, закон равенства сил действия
и такого влияния на ход истории, как и противодействия: даже гениальный Гюйгенс
не понял этот закон и возражал против его фор­
Ньютон, нельзя не подумать о том, мулировки, которая без труда внедрялась уже
что служ ило основой его м ировоз­ через 100-150 лет в головы восьмиклассников.
з р ен и я 5. Представляется, что осн о­ (До сих пор приходится сталкиваться с изобре­
вой всей его деятельности бы ло ж е­ тателями вечных двигателей и тому подобных
устройств, которые почему-то думают, что про­
лание упорядочить и свести к м и­ тиводействие наступает несколько позднее са­
нимальной, как сейчас бы сказа­ мого действия, и за этот промежуток, полага­
ли, аксиоматической базе строение емый ими какой-то «временной зазор», что-то
всей Вселенной. И менно поэтом у такое можно сотворить...)
п осле заверш ения построения м е­ В чем же тут дело? Заметим, что физика Ари­
стотеля была гораздо ближе к нашим наблюде­
ханики и оптики он сосредотачива­
ниям, к нашему опыту. Мы ведь действительно
ет все усилия на химии, но, не сумев видим, что тяжелые тела падают вниз, а огонь
систематизировать свои наблю де­ стремится вверх, что солнце всходит и заходит;
ния и опыты, практически ничего а кто видел инерционное движение — с неизменяющейся скоростью? Опыты, на которые ссы­
о них не публикует (Н ью тон при
лались Галилей и Ньютон, нужно было мыслен­
этом сослался на пожар в лаборато­ но продолжать, экстраполировать ко все мень­
рии, в котором сгорели его записи). шему влиянию каких-то факторов (например,
О чень много времени и сил Н ь ю ­ трения), а это очень не просто.
тон уделяет, после окончания сво­ Можно сказать, что принятие парадигмы Ньютона
их исследований по физике, т ео ло ­ требовало изменения всего стиля мышления, а та­
кое изменение во взрослом, сформировавшемся
гии, склоняясь при этом к ариан­
уже сознании, и тем более в подсознании, почти не­
ству, т. е. к отрицанию бож ествен ­ возможно (потом мы увидим, что с таким же сложной сущ ности Иисуса: это упрощ а- | ностями в мир входила парадигма Эйнштейна).____
ет р елигиозную догматику. Д алее
Н ью тон пытается рационализировать би блей скую хрон ологи ю и со ­
поставить ее со всеобщ ей и сто р и ей 6, разработать универсальны й
язы к и т. д. (М н е посчастливилось видеть и даже держ ать в руках
5 Эта проблема наиболее полно рассмотрена в книге: Койре А. Очерки истории
философской мысли. М.: URSS, 2004.
6 Первая написанная работа Ньютона относится к теологии, равно как и последние.
По совершенно непонятным причинам большинство из них до сих пор не опубликованно: большая часть его архива находится сейчас в Национальной библиотеке Израиля
вместе с архивом Эйнштейна. (По последнему опросу общественного мнения в Ан­
глии, проведенному в 2002 г., в десятку величайших соотечественников попали, наряду
с Ньютоном, Дарвином и Шекспиром, политические деятели — королева Елизавета I,
У. Черчилль, О. Кромвель, флотоводец Нельсон, а также принцесса Диана и Джон Лен-

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

57

Глава 1. Парадигма Ньютона

рукописи Н ью тона — длиннейш ие листы с аккуратными колонками
расчетов; легко представить сколько времени и терпения требовалось
для этих подсчетов — вручную, б ез помощ ников и ассистентов.)
Н ью тон великолепно понимал свою роль в истории, поэтом у ем у
абсолю тно не была нужна и, вероятно, претила общ ественная слава.
Н о если он вы полнял какие-то государственные обязанности, то от­
носился к ним так ж е серьезно, как и к научным исследованиям. Так,
благодаря систематичности и строгости своего рационалистическо­
го мировоззрения, он см ог сыграть основную роль в упорядочении
монетарной системы Англии: создать новые машины, разработать
принципы градации монет и т. д. В парламенте Нью тон, много лет
представлявший свой университет, выступил, как известно, только
один раз, попросив закрыть окно, из которого дуло; тем не м енее он,
не афишируя того, заставил парламент принять немало важных п о­
становлений. Так же, б ез внеш них эффектов, он много лет руководил
и работой Королевского общества.

3. Даниил Бернулли: гидроаэродинамика
Н ью тон рассматривал в основном такие проблемы, в которы х участ­
вуют всего два тела, которы е м ож но считать точечными (и склю че­
ние — некоторы е задачи трения, которы е Н ью тон исследовал). П е ­
реход к задачам многих т ел первым осущ ествил в 1738 г. великий
математик и механик Д аниил Б ер н улли 7, создатель гидродинамики
и один из основополож ников теории вероятностей. О н впервые начи­
нает рассматривать газы как совокупность колоссального количества
маленьких частиц, находящ ихся в хаотическом движении.
Бернулли объясняет давление как следствие ударов этих частиц
о стенки сосуда и на этой основе выводит закон Бойля— Мариотта. Он
понимает разницу меж ду тем пературой и теплом: теплота заставляет
частицы двигаться быстрее, а разница температур заставляет тепло
течь от одного тела к другому. (В этих работах он фактически ввел
понятие работы и коэффициента п олезн ого действия.)
Самой плодотворной, однако, стала его работа по гидродинами­
ке. В ней Бернулли определяет кинетическую и потенциальную эн ер­
гии единичного объем а жидкости (называет он их — в соответствии
нон — вряд ли англичане, при таком наборе мнений, расщедрятся на полное собрание
сочинений Ньютона.)
7 Точнее, Даниил I Бернулли (1700—1782).

58

Раздел II

3. Даниил Бернулли: гидроаэродинамика

с принципами Лейбница, о которых I династия Бернулли — десять выдающихся ма- 1
скажем ниже, когда будем рассмат- тематиков, несколько из них, без сомнения, геривать «дискуссию о силе», — живой ниальны — представляет собой единственный
и мертвой силами). Затем он ф а к т - в ИСТ0»,ИИ СЛУчай насявдпмнно передающейГ

^

'

чески постулирует закон сохранения
полной энергии при течении жидкости (хотя такой закон был уста..... .................................. .....................
новлен и признан лишь через сто
^
^

с лишним лет) и на этой основе доказывает свою знаменитую теорему О ТОМ, ЧТО С ростом скорости те-

чения уменьш ается давление вбок.
3

Бернулли выводит этот результат математически, но как могла у
него возникнуть идея о существовании такого явления? Еще Паскаль
^

w

ся гениальности в последовательном ряде по«олений: историкам приходится придавать им,
как царствующим монархам, порядковые номе-

Ра (Яков
П' Иоганн I, П, Ш). На протяжении более двухсот лет кафедрой математики
*
ч
в университете Базеля (Швейцария) заведовали только Бернулли, но рамки одного города им
были тесны, и многие из них работали в других странах, в частности, Даниил I восемь лет
проия в Петербпурге: там же жили некот.орое
время Николаи П и Якоб П. История зтои семьи представляет собой неразрешимую загадку
для биологов и психологов: помимо генетически- »идимо, обусловленной передачи таланта,

нужно °™етить' 4X0 иногда им' живу,цим в раз-

ных странах, одновременно приходили в голову

установил, что в покоящейся жид- одни и те же идеи, из-за чего потом возникали
кости давление во все стороны оди- |споры о приоритете.
|
наково — ведь если бы оно было
разным, то обязательно возникли бы течения. Н о в потоке, конечно,
давление вперед долж но быть больше, и встает вопрос: а долж но ли
чем-то компенсироваться это увеличение давления в одну сторону?
И Бернулли разрешает загадку: должно убывать боковое давление!
Эта теорема (точнее, закон, потому что он покоился на шатких
в то время основаниях) ведет к громадному количеству эффектов. Так,
из нее следует, что быстрый поток жидкости (или газа) долж ен втяги­
вать в себя, поскольку в нем давление меньше, близкие предметы —
это наблюдается, например, в случае смерча или тайфуна. Если в в оз­
духе летит вращающийся вокруг оси снаряд или мяч, то он частично
увлекает с собой воздух, и потому на одной его стороне скорость
воздуха больше, а на другой — меньше, значит давления на них раз­
ные, и летящ ее тело уклоняется вбок; именно поэтом у иногда удается
в ф утболе забить «кручен ы й » мяч с углового прямо в ворота, а в ар­
тиллерии необходимо учитывать такое уклонение (этот эф ф ект бы л
подробно исследован только в 1852 г. Г. Г. М агнусом и носит его имя).
С этой теорем ой связан и знаменитый парадокс 8 Д 'А ла м бер а —
Эйлера: если в текущ ую идеальную жидкость погрузить абсолю тно
Парадокс — по-гречески «неожиданный», «странный». Это логически правильное
суждение, которое на первый взгляд кажется совершенно невероятным, противореча­
щим всему прежнему опыту. Разрешение возникающих парадоксов — один из основ­
ных способов развития науки.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

59

Глава 1. Парадигма Ньютона

Наиболее плодотворным явилось использование закона Бернулли в авиации. В первых конструкциях
самолетов братьев Райт (1903) крыло делалось с некоторым наклоном, углом атаки, и позтому давление
воздуха на него создавало такую вертикальную составляющую, которой хватало для преодоления веса
аппарата (сейчас такая схема используется только
в конструкциях злеронов, рулей высоты). Схема зта,
конечно, очень непрактична, ведь наклоненное крь,ло ведет к большему встречному давлению и тормозит весь самолет. Однако, как показал Николай
Егорович Жуковский (1847-1921), можно вообще
обойтись без наклона: если крыло самолета снизу плоское, а верхняя его поверхность выпуклая, то
3
*
*
*
воздух будет обтекать верхнюю часть с большей скоростью, чем нижнюю, — давление Бернулли на нижнюю плоскость будет выше, чем на верхнюю, и воз^никнет подъемная сила!
|

гладкое тело, например шар, то,
п оскольку ЖИДКОСТЬ будет ОДИнаково обтекать его со всех стои смыкаться после него, давГ

ление на этот шар СО всех СТО-

рон одинаково, т. е. на него никакие силы не будут действовать,
и он

ен
”

№ттся в

ЖИД-

п

КОСТИ б ез сопротивления. Разреш ение этого парадокса состоит
в TOMf
нуж но учитывать вяз,

кость жидкости v(она частично
увлекается телом, и потом у ее
плотность перед телом и за ним
различны) и возм ож ность обра­

зования в ней вихрей.
Н аличие вязкости приводит, как и трение при движении по по­
верхности, к диссипации (от латинского «р а ссеи в а н и е») энергии и им­
пульса течения, частично передаваемых другим телам. П ри этом все
течения подразделяются на два класса: лам инарное (от латинского
«сло и ст ы й ») и турбулентное (латинское «в и хр ев ой »),
В исследование ламинарных течений особы й вклад внес Ж ан -Л уи М ари П уазейль (1799—1869), а случилось это так. Врач по профессии,
он заинтересовался вопросами кровотока, но кровь — жидкость вязкая,
и течет она по узким сосудам различных диаметров, так что важно
выяснить, что происходит при переходе из одних сосудов в другие.
Первым течение вязкой жидкости рассматривал ещ е Ньютон, опре­
деляя вязкость как некоторое внутреннее трение м еж ду плоскими слоя­
ми жидкости. Пограничный слой, непосредственно прилегающ ий к по­
верхности, как считал Ньютон, практически не течет, а у следую щ их
слоев скорость постепенно возрастает; количество жидкости, которое
мож ет протечь, определяется при этом разностью давлений на входе
и выходе канала, площ адью сечения канала и особы м коэф ф ициен­
том, зависящим от свойств жидкости и названным коэф ф ициентом
динамической вязкости (он, в честь П уазейля, измеряется в пуазах).
Но закон Н ью тона относился только к течению по плоским, и при­
том широким, каналам. П оэтом у П уазей ль начинает моделировать
кровеносны е сосуды трубками разного диаметра и устанавливает,
сначала экспериментально, а затем и строго математически, такой
парадоксальный факт: количество вязкой жидкости, которое мож ет
пройти через трубку, очень сильно зависит от диаметра последней —

60

Раздел II

3. Даниил Бернулли: гидроаэродинамика

при уменьш ении диаметра трубки в два раза ее пропускная сп особ­
ность уменьш ается в 16 раз, т. е. пропорционально четвертой степени.
П оэтом у при разделении сосудов на более мелкие их суммарное сеч е­
ние долж но сущ ественно возрастать: так, площадь сечения (просвет)
всех капилляров организма в сотни, а то и в тысячи раз больш е п ло­
щади сечения аорты. (Отметим, что до сих пор остается загадкой,
какая часть давления в капиллярах кровеносного русла обеспечивает­
ся не нагнетательной работой сердца, а колебаниями стенок сосудов,
и чем эти колебания вызываются.)
При этом, отметим, П уазейль не забы л своей профессии врача и
разработал способ измерения кровяного давления с помощью мано­
метра, который до сих пор является одним из важнейших диагности­
ческих методов. Таким образом, П уазей ль основал новую область ис­
следований в биофизике, которая сейчас называется гемодинамикой.
Следую щ ий важный шаг в этом направлении сделал Д ж ордж Габ­
риэль Стокс (1819—1903): он теоретически установил, что при м едлен­
ном падении гладкого шара в вязкой жидкости сила сопротивления
пропорциональна скорости шара и его радиусу.
Эти два закона, П уазейля и Стокса, интересны с общ ей точки
зрения ещ е и тем, что они как бы бросаю т вызов ф изической интуи­
ции. Казалось бы, сопротивление движ ению долж но быть пропорци­
онально поперечному сечению падающего шара, а оно оказывается
вовсе не таким: оно пропорционально радиусу, т. е. квадратному кор­
ню из сечения! С другой стороны, пропускная способность трубки
тоже, казалось бы, должна быть пропорциональна величине ее сеч е­
ния, а она зависит от квадрата сечения. Таким образом, эти явления
показывают пределы возм ож ностей интуитивного рассмотрения ф и­
зических явлений.
Вихревое, турбулентное движ ение жидкости намного слож нее
ламинарного. Д о сих пор, например, далеко не все понятно в природе
образования смерчей.
И зучение вихревого движения имеет, помимо научного, и значи­
тельны й технический интерес. Д ело в том, что на образование вихрей
тратится очень много энергии, поэтом у одна из основных задач кон­
структоров — улучш ение обтекаемости самолетов и кораблей, чтобы
помешать возникновению вихрей. (В этой связи интересно отметить
парадоксальное на первый взгляд явление: сопротивление, а следова­
тельно и потери энергии при движении, у подводных кораблей могут
быть меньше, чем у надводных, так как надводные корабли вызывают
при движении образование на поверхности волн, больших, чем созда­
ваемые подводными кораблями в толщ е воды. С этим связана и загадка

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

61

Глава 1. Парадигма Ньютона

очень высокой скорости плавания
дельфинов: иногда предполагается,
что у них в кож е есть такие м уску­
лы, которы е создаю т колебания ко­
жи, препятствую щ ие образованию
вихрей, а следовательно и лиш них
потерь энергии, добавочного соп ро­
тивления воды. А недавно (в 2010 г.)
предлож ен такой способ борьбы с
турбулентностью : навстречу потоку
направляется второй поток с вра­
щ ением в противополож ную сторо­
ну — они гасят друг друга.)
О собого рассмотрения требую т
Следующий класс явлений открыл инженер АнриФилибер-Гаспар Дарси (1803-1858), Занимаясь явления сверхзвуковых скоростей:
строительством водных систем в городе Дижон при скоростях движущихся тел, пре­
(Франция), он заметил, что пропускная способ­
вышающих скорость звука. Такое
ность труб и каналов, по которым течет вода, зави­
сит от гладкости их стенок. Тогда он начал пропус­ превы ш ение означает, что м олек у­
кать воду через трубы, заполняемые гравием, пес­ лы воздуха не будут успевать раз­
ком и т. п., и так выяснил основные законы прони­ летаться перед летящ им снарядом
цаемости пористых сред при протекании (фильтра­
или самолетом, т. е. создадут перед
ции) жидкости через них. Законы Дарси стали осно­
вой расчета движения грунтовых вод, а затем газа ним плотную «воздуш ную подуш­
и газо-нефтяных смесей в породах и технологи­ ку». Следовательно передняя часть
ческих устройствах. Проницаемость различных
аппаратов, движущихся со сверхзву­
| пород и слоев измеряется в единицах д а р с и . |
ковыми скоростями, долж на быть
не обтекаемой формы, а иметь возм ож ность «р а зр еза т ь » эти более
плотные образования, откидывать их в стороны. П ервы е исследова­
ния сверхзвуковы х волн провел с помощ ью скоростной ф отографии
Эрнст М ах (1838—1916), поэтом у скорость звука в воздухе называют
числом М аха (около 1200 км/час) и говорят, что скорость ракеты рав­
на, например, 2М.
Однако сверхзвуковые или ударные волны образую т не только л е ­
тящие тела. Самый простой пример — это волны, образую щ иеся при
всевозможных взрывах. И зучение ударных волн весьма далеко от завер­
шения и представляет больш ие трудности, особенно если учитывать, что
в такой волне возникают магнитные и электрические поля, возможно
резкое повышение температуры, могут происходить различные хими­
ческие реакции, ионизоваться атомы и молекулы и т. д. (Огромный
вклад в изучение этих явлений внес Я. Б. Зельдович, но о нем — н и ж е9.)
| Течение вязких жидкостей, например нефти или |
смесей компонентов в ходе многих технологических
процессов, выделилось в особую дисциплину, на­
зываемую реологией (от греческого «реос» —
поток) или динамикой течений неньютовских жид­
костей (насмешники называют ее «физикой кана­
лизационных труб», но с этим наименованием луч­
ше быть осторожным!). Сложность исследований
состоит в том, что в таких системах нужно учиты­
вать возможность возникновения сжатий и дефор­
маций «жидкостей» при наличии в них твердых
составляющих, при химических реакциях и т.д.
В этой области пробовали свои силы многие
выдающиеся физики, и поэтому в ней разрабо­
таны модели Сен-Венана, Максвелла, Кельвина,
но более общей теории все еще нет.

См.: Перельман М. Е. От кванта до темной материи. Раздел II. Главы 2—4.

62

Раздел II

4. Эффекты вращения

4. Эффекты вращения
Н ью тон в своей основополагаю щ ей книге по механике не пользуется
производными и интегралами, которые сам ж е и изобрел. П р ои схо­
дило это, по-видимому, потому, что он не х отел усугублять трудно­
сти читателей, которые привыкли к значительно б олее громоздким,
но привычным геометрическим методам доказательств. М ож н о д у­
мать, что по той ж е причине он в основном ограничивается в своей
книге прямолинейным движением, хотя уж е тогда можно было дока­
зать, что законы вращения, если рассматривать материальную точку,
ф ормально очень близки к законам прямолинейного движения; но ес­
ли рассматривать не точку, а вращ ение протяженного тела, то нуж но
учитывать, на каком расстоянии от будущ ей оси вращения действует
сила (ясно ведь, что если линия силы проходит через ось вращения,
то эта сила не может повернуть т е л о ). П оэтом у для случая вращения
вместо силы нуж но рассматривать момент силы, т. е. произведение
действую щ ей силы на плечо, кратчайшее расстояние от линии дей­
ствия силы до оси, вокруг которой тело мож ет вращаться. А сохран е­
ние момента силы легко приводит ко Второму закону Кеплера.
Если ж е рассматривать вращение, например, тяж елого волчка, то
нуж но учесть, что разные точки тела находятся на разных расстоя­
ниях от оси, и поэтому моменты си л для них различны. П ом им о того
возникают ослож нения такого вида: если запустить волчок так, чтобы
его ось оставалась строго вертикальной (кончик оси волчка, напри­
мер, вращается в маленьком углублении и не скользит по поверхно­
сти), но после этого слегка толкнуть его верхуш ку в одном или, лучше,
в двух направлениях — под углом друг к другу, то помимо вращения
волчка вокруг оси его вершина начинает колебаться (совершать нута­
ции) и описывать некоторую слож ную кривую. Таким образом можно
заставить волчок участвовать одновременно в нескольких вращениях,
слож ение которых приводит к весьма замысловатым фигурам.
Н о ведь этот класс явлений относится не только к игрушкам. Так,
Земля в целом вращается вокруг своей оси, но кроме того она вра­
щается вокруг Солнца и, вместе с Луной, вокруг их общ его центра
тяжести — таким образом, Земля участвует сразу в трех вращ ени­
ях. А ведь кроме того нуж но учесть, что Земля далека от идеально
твердого тела, некоторые массы в ее недрах и на поверхности могут
перемещ аться — с приливами, с ветрами, с течениями...
Расчеты таких движений можно проводить лиш ь методами выс­
шей математики. Первыми за них взялись великие математики Д а­
ниил Бернулли и Леонард Эйлер, но исследования затянулись весьма
надолго, и даже книга «Теория волчка» Ф ели кса Клейна и Арнольда

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

63

Глава 1. Парадигма Ньютона

| Леонард Эйлер (1707-1783), швейцарец, прожив- | Зоммерф ельда, вышедшая в 1910—
1923 гг. в четы рех томах, далеко
ший и проработавший 32 года в Петербурге, напи­
сал за свою жизнь около 850 научных работ (опуб­ не исчерпала всех возмож ностей.
ликовано было около 550), в том числе целый
Н аи более наглядны и практи­
ряд книг по математике, механике, астрономии,
физике, а также по морской навигации и баллисти­ чески важны особенности вращ е­
ке. Эйлер является основоположником целого ния, связанные вот с чем. П ри рас­
ряда новых направлений в математике; с 1909 г. см отрении законов Н ью тона пред­
в Швейцарии и России совместно издается пол­
полагается, что человек, их н аблю ­
ное собрание его трудов, рассчитанное на 72
дающий,
сам ни в каких движ ени­
тома и до сих пор не завершенное.

ях (кроме равномерного прям оли­
нейного) не участвует, находится в покое. И м енно к такой системе
применим Первы й закон Ньютона, закон инерции, и такая система
называется инерциальной. Однако при рассмотрении многих явлений
приходится учитывать то, что они происходят на Земле, которая вра­
щается, по крайней мере вокруг своей оси. Такая система называется
неинерциальной, и во многих случаях оказывается необходимы м уч и ­
тывать связанные с этим вращ ением эффекты.
Самым, вероятно, издавна заметным из этих эф ф ектов долж ен
бы л бы стать такой. Во всех реках, текущ их в С еверном полушарии
по направлению к экватору, правый бер ег крутой, т. е. он размывается
течением, а левы й — пологий, на нем откладываются осадки (Волга,
Днепр, Дон), в Ю ж ном полуш арии — наоборот; а у рек, текущ их п ре­
имущ ественно в ш иротном направлении (Амазонка, Хуанхэ, Дунай,
Кура), размытые и неразмы ты е части берегов встречаются с обеи х
сторон в зависимости от пород, через которы е протекает река. Это
явление называется законом Бэра и бы ло установлено, без объ ясн е­
ния, ещ е в 1857 г. (автор его — известны й ф и зи олог К. М . Бэр) и как-то
не привлекало к себе особого внимания, пока в 1926 г. А. Эйнш тейн
не написал маленькую популярную статью с его объяснением (им е­
ется русский перевод в IV том е собрания его сочинений).
А дело вот в чем. Каж дое тело на поверхности Земли, вращаясь
вместе с ней, обладает составляю щ ей скорости по направлению этого
вращения. Составляю щ ая эта равна нулю на полю сах и максимальна
для тел на экваторе, т. е. она долж на нарастать (смотрим на глобус!)
при «сп уск е» с С еверного полю са к экватору. Н о у частиц воды в реке,
которы е «сп уск аю тся» так вниз, скорость меньше, чем нуж на на их
новом месте, поэтом у они отстаю т от частиц берега, движ ущ ихся
с запада на восток, и ударяют в западный бер ег русла реки. Таким
образом, закон Бэра — это типичный инерционный эффект.
Н о гораздо раньше такие эффекты были выявлены в артиллерии:
при стрельбе в северном или ю жном направлениях снаряды уклонялись

64

Раздел И

4. Эффекты вращения

от вертикальной плоскости пуш- |Больше всего денег на свои исследования ученые, |
ка — направление на цель в раз- как правило, получали и получают от военных, коные стороны, а при направлении Т°РЬ,М эти разработки были или казались нужныстрельбы в широтном направле- мм- Ну а ученые “-нуждены были заниматься такиw

^

таких отклонений не было.
П оэтому исследования таких эффектов щедро оплачивались воНИИ

T„ rwTT^
J

енными: нуж но ведь рассчитать

отк лон ен и я в зависим ости от
географического расположения
пушки, угла вылета снаряда относительно меридиана, скорости,
^

г

ми исследованиями: так, автор известных учебников
по ВЬ|Сшей математике Р. 0. Кузьмин на своих лекциях (первая половина XX в.) любил повторять: «Этот
интеграл взять нельзя, но, если военное ведомство
прикажет, мы его возьмем!» Военные, в особенк
ности артиллеристы, и сами пробовали разобраться
в проблемах баллистики. Любопытно отметить, что
Наполеон Бонапарт в молодости занимался наукой:
он написал две статьи по механике движения снаря-

,

астволеорудия " моментвь,стрелаибыл из6ран

во Французскую академию еще до прихода к власти

дальности полета.
К0 Нце жизни, на острове Святой Елены, он очень
Таким вот о бр а зом бы ла сожалел, что его научная карьера прервалась).
установлена, помимо пары им­
пульс и сила, ещ е одна пара ф изических величин, которая описывает
эффекты вращения: момент силы и момент импульса. О собен н ую
важность эта вторая пара приобрела в астрономии.
С понятиями инерциальны х и неинерциальны х систем связан
знаменитый опыт Ж . Б. Л. Ф ук о (1819—1868). В 1851 г. он первым
догадался провести такую простую демонстрацию: если подвесить
на длинной нити груз и заставить его колебаться в какой-то п лоско­
сти, то, поскольку направление силы веса этого груза не меняется
при вращении Земли (всегда направлено к ее центру), плоскость ко­
лебаний маятника долж на сохранять свое направление относительно
«сф еры неподвиж ных звезд» и поэтом у поворачиваться в обратную
сторону относительно вращения Земли.
Опыт этот произвел громадное впечатление на ш ирокую п убли ­
ку и как бы подтвердил для нее наглядно геоцентричнскую модель
Коперника. Л ю бопы тно заметить, что такой простой опыт мог вполне
быть проведен на два столетия раньше, но — никто не догадался!

Глава 2

Происхождение Солнечной системы

Некогда это было парадоксом,
но наш век это доказывает.

У. Шекспир. Гамлет
Ньютон, человек глубоко верующий, принимал, по-видимому, что п ро­
исхож дение Солнца и планет вокруг него описано без подробностей,
но достаточно авторитетно и полно в Библии: материя из первона­
чального хаотического облака устрем илась под действием Всемирно­
го притяж ения к центру, к Солнцу, а затем ангелы, по воле Господа,
каждую планету толкнули, придав ей круговое движение. Д алее пла­
неты закрутились, как колесики в часах, по орбитам, предписанным
Законом Всемирного тяготения, и так и продолж аю т крутиться по пра­
вилам, выявленным Кеп лером и объясненны м Н ью тоном — часовой
механизм действует безотказно. А Нью тон, повторим, и збрал себе де­
виз: «Гипотез не изм ы ш ляю », — и вопрос происхож дения С олнечной
системы в печати не рассматривал.
П ервой яркой демонстрацией правильности описания планетной
системы по К еп лер у— Н ью тон у бы ло очередное появление в 1758 г.
кометы Галлея. П оявление это бы ло предсказано Эдмондом Галлеем
(1656—1742), который сум ел рассчитать ее орби ту и показал, что ком е­
ты 1531, 1607 и 1682 гг. — одно и то ж е тело. С тех пор и по настоящ ее
время комета Галлея регулярно появляется примерно каждые 75 лет.
Еще более убедительны м для всего мира доказательством победы кос­
м ологии Нью тона бы ло открытие в 1846 г. планеты Нептун, обнару­
ж енной точно на месте, рассчитанном У. Леверье: тогда говорили, что
она найдена «н а кончике пера», и ее открытие долго популяризиро­
валось как величайш ее достиж ение человеческого гения.
Д о того возникло, было, сом нение в универсальности законов
Кеплера. П о наблюдениям в Париж ской обсерватории, получалась
какая-то несуразица со спутниками Ю питера: их регулярны е затм е­
ния запаздывали почти на 22 минуты при наибольш ем расстоянии
м еж ду Землей и Ю питером по сравнению со временем наступления

бб

Раздел II

Глава 2. Происхождение Солнечной системы

затмений при наименьшем рассто­ | Лапласу принадлежит знаменитое утверждение: |
янии меж ду ними. Означает ли это если задать положение и скорости всех тел
в какой-то момент времени, то законы меха­
наруш ение законов Кеплера?
ники позволят рассчитать все их будущее — эту
Загадку разреш ил О. К. Ремер позицию называют лапласовским детерминиз­
(1644—1710): он предположил, что мом. По-видимому, сам Лаплас думал при этом
скорость света конечна и эти 22 ми­ лишь о нескольких телах (и при том неизмен­
ных), например, о Солнце и планетах. Но и для
нуты (точнее, 16 мин) нужны для про­
такого их числа задача по сей день оказалась
хождения светом расстояния, рав­ практически невыполнимой. Для большого же
ного диаметру земной орбиты. Его количества тел (например, молекул в объеме
предполож ение было сперва встре­ газа), пришлось развивать вероятностный под­
ход, в основании которого, кстати, лежит огром­
чено в штыки, но новые более тщ а­ ный вклад и самого Лапласа.
тельны е наблюдения подтвердили,
На современников огромное впечатление про­
что таким образом можно спасти извела возможность перерасчета лунных затме­
универсальность законов Кеплера. ний. Так, древнегреческий историк Фукидид пи­
сал, что экспедиция войск Афин против города
(В будущем, как мы увидим, повы­
Сиракуз в 413 г. до н. э. провалилась потому, что
ш ение точности измерений скоро­ была задержана и-за лунного затмения, пред­
сти света привело в X X в. к рево­ вещавшего беду. Историки долго посмеивались
над этим сообщением, однако расчеты показа­
лю ции в физике.)
ли, что действительно оно произошло в том го­

Всеобщая вера в правильность ду. Таким образом, возник новый метод про­
гелиоцентрической модели и ее опи- верки
__г.....исторических сообщений с помощью...
сания по К еп леру— Н ью тон у требо- |астрономии,
вала реш ения вопроса о п роисхо­
ждении Солнечной системы на какой-то иной, небиблейской основе.
Первым, по-видимому, на это реш ился Рене Декарт, в 1644 г. пред­
положивший, что вся Солнечная система образовалась из первичной
пылевой или газовой туманности, имевш ей ф орм у диска (это м они­
стическая теория, т. е. принимается, что вся система образовалась
одновременно). В 1745 г. Ж . Л. Л. Бюффон (1707—1788), естествоис­
пытатель и писатель, постарался в своей громадной «Естественной
и стории» (36 томов!) описать и объяснить все наблю даемые в мире
явления. Он выдвигает дуалистическую модель: в ранее возникш ее
Солнце врезается комета и от него, вследствие удара, отрываются ка­
кие-то части, из которых формирую тся планеты.
В это ж е примерно время, в 1755 г., великий философ Иммануил
Кант (1724—1804) предлагает такую космогоническую гипотезу: вся сол­
нечная система возникла из облака газа. Частицы газа сталкивались
Друг с другом, соединялись и уплотнялись, это привело как к воз­
никновению центрального светила — Солнца, так и к последую щ ей
фрагментации остатков газа, их объединению в планеты (Канту при­
надлежат гордые слова: «Д айте мне материю и я построю из нее м и р»).

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

67

Глава 2. Происхождение Солнечной системы

I—

^

— I Однако Кант не мог провести ни-

Лаплас убежден во всесилии математики: ко1гда после своего переворота 1799 г. Наполеон 1 каких Расчетов, которые МОГЛИ бы
Бонапарт, считавший себя учеником Лапласа, подтвердить и уточнить его гипотеназначает его министром внутренних дел, то 3y f и е е надолго забыли.
Лаплас разрабатывает руководство для судей
Н езависим о от Канта схож ую
по применению теории вероятностей при рас*
смотрении запутанных дел (уже через три меся- н ебулярн ую (от латинского «н ебуца математика пришлось переводить на другую л а » — туманность) ги п отезу выдвиработу — думается, что и сейчас схожая попыт- гает в 1796 г. великий математик
^окончилась бы так же).
_ | и м е х а н и к П ь е р д а п л а с (174 9 - 1827)

в книге «И зло ж ен и е системы мира».
Н ебулярную гипотезу, однако, ничто не меш ало разрабатывать
строго математически, и когда император Н аполеон спросил у Лапласа
(император пож аловал ем у сначала титул графа, а затем маркиза),
почему в его многотомном «Трактате о н ебесн ой м еханике» нигде
г~
„
я
I не упоминается Бог, Лаплас отве-

Важно отметить, что как теория Канта—Лапласа, \
так и все последующие не смогли ответить на
один важнейший вопрос: почти вся масса Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце,
а вот большая часть момента вращения прим
ходится на планеты. Между тем их совместное образование должно было бы распределить
этот момент пропорционально величинам масс.
Эта проблема до настоящего времени остается
. чуть ли не самой болезненной в механике Сол-.
нечной системы.

~

тил: «С и р, я в этой гипотезе не нужд аю сь»
Развитие ф изики в X X в. выЛТТТЛ

явило ещ
е одну
п^
роблем у
по всем
^
^
/
расчетам С олн це сущ ествует около
10 млрд лет, а Земля — от 4 до 5 млрд
Лет Следовательно, они не могли
~

образоваться одновременно, из еди'—
— ' ного облака. Нуж ны новые модели.
Ф изик и популяризатор Дж. X. Джинс (1877— 1946) предлож ил при­
ливную модель: мимо Солнца проходит некое массивное тело и возник­
шая приливная волна вырывает из него «я з ы к » вещества, распадаю­
щийся затем на планеты. Н о при этом, как говорилось, основная часть
энергии вращения долж на была бы содержаться в Солнце, чего нет.
М атем ати к и и сслед ов а т ель А р к ти к и О тто Ю льев и ч Ш м идт
(1891—1956) выдвинул в 1944 г. так называемую м етеоритную теорию
происхож дения планет: ранее образовавш ееся С олн це проходило ч е­
рез газо-пылевое облако и захватило его. Первоначально в облаке, где
и так могли присутствовать довольно крупные тела-метеориты, про­
исходило объединение этих тел, налипание на них газа и пылинок.
Затем такие планетезим али («п ла н ет к и ») стали объединяться.
Эта модель м ож ет объяснить и строение колец Сатурна, открытых
Галилеем ещ е в начале X V II в. и представляю щ их удивительное зр ели ­
ще: планета кажется окруж енной тремя сплош ными концентрически­
ми кольцами, состоящ ими из вещ ества неизвестной природы. Лаплас
доказал, что они не могут быть твердыми — иначе бы силы притяжения

68

Раздел II

Глава 2. Происхождение Солнечной системы

их разорвали. Проведя слож ный математический анализ, М аксвелл
убедился, что они не могут быть и жидкими, и приш ел к заклю ч е­
нию, что подобная структура мож ет быть устойчивой только в том
случае, если состоит из роя не связанных м еж ду собой метеоритов:
устойчивость колец обеспечивается их притяж ением к Сатурну и вза­
имным движением планеты и метеоритов. (В X X в. схож ие, но более
тонкие кольца обнаруж ены и у Ю питера: по-видимому, они все сф ор­
мировались из той части первичных облаков, которая не успела войти
в состав самой планеты, а из-за ее притяжения не могла и уйти от нее.)
Знаменитый физик Ханнес А льф вен (1908—1996, Н обелевская
премия 1970), создатель магнетогидродинамики, уч ел роль электро­
магнитных си л и предлож ил в 1975 г., совместно со своим учен и ­
ком Г. Аррениусом, новую модель возникновения планетарной си ­
стемы из облака типа облаков Шмидта. В этой модели наибольш ую
роль играют уж е магнитные поля, которые ранее всеми игнориро­
вались, а также межатомные, меж м олекулярны е п р о ц е ссы 10. Теория
А льф вена— Аррениуса предсказывает, в частности, определенный х и ­
мический состав разных планет и поэтом у мож ет быть эксперим ен­
тально проверена при достиж ении этих планет, однако пока ещ е рано
говорить о заверш ении модели С олнечной системы.
Основная трудность разработки таких моделей заключается вот
в чем. Ф изики привыкли иметь дело с повторяющимися явлениями:
если что-то недосмотрели или если надо изменить начальные условия,
то опыт мож но повторить, перепроверить. А тут, видите ли, мы имеем
дело с единичным, невоспроизводимым явлением — вот если можно
будет (думается, что это дело не столь далекого будущ его) детально
сравнить нашу планетную систем у с системами вокруг других звезд,
то проблем у реш ить будет легче! (Заметим, и поговорим об этом п оз­
ж е 11, что ещ е много слож нее полож ение с общ ей Космогонией: с чем
сравнивать процесс рождения Вселенной?)

10 Нам удалось показать, что при этом нужно учитывать и так называемые скрытые
теплоты конденсации веществ.
11 См ..Перельман М. Е. От кванта до темной материи. Раздел IV. Глава 2.

Отступление I I

Смена вех

М ы почти не упоминали о роли ф илософ ов в развитии физики, между
тем, она была значительна. И тут в первую очередь надо вспомнить
Ф. Бэкона с провозглаш ением ф изики «м атер ью всех наук» и с его
девизом «Знание — си ла » (оригинал « scientia potentia est» — м но­
гозначней, так как говорит о возм ож ностях науки). Эксперименты
Бэкон называл «допросом, учиненным природе», и считал, что только
так приобретается истинное знание — последователей Бэкона приня­
то называть эмпиристами (от греческого «эм п ей р и а » — опыт). И м ен­
но Бэкон в «Н ов о й А тлан ти де» реком ендовал планом ерную организа­
цию условий научных исследований: следуя его идеям в Англии начало
формироваться научное сообщ ество, а во Ф ранции — издаваться зна­
менитая «Э нц иклопеди я».
Гфрэнсис Бэкон (1561-1626) долгие годы б ^ П
лордом-канцлером Англии при короле Якове I.
Обвиненный в коррупции, Бэкон удалился в свое
имение и за очень короткий срок написал гениальные философские труды, в том числе утопию «Новая Атлантида». Ряд историков считает,
что он является истинным автором произведений, изданных под именем Шекспира. По иронии
судьбы, взгляды и творения Ф. Бэкона во многом продолжают мысли его однофамильца монаха Роджера Бэкона (1214-1292), математика,
естествоиспытателя и философа, которому при[писывают, в частности, изобретение пороха.
|

В следую щ их поколениях Рене Декарт, а позж е и Л ей бн и ц считали, что физику, как и математинуж но строить на аксиоматиJ

\

ческой основе, т. е. выдвигать н е­
кие основны е полож ения и иро­
верять на опыте их следствия —
ПрИверЖенцев такой методологии
^

^

называли рационалистами (латинское «р а ц и он а ли з» — разумное),
ф и зи к и не м огли п о лн о стью

п ри соед и н и ться ни к одному из
этих альтернативных течений. Так, X. Гюйгенс пишет: «В ф изике
не бывает точны х доказательств, и первопричины мож но узнать толь­
ко по их следствиям». А в другом месте он добавляет, что каждое
подтверждение укрепляет полож ение выдвинутой гипотезы, но не д о­
казывает окончательно ее истинность — это именно тот принцип, ко­
торый принят современной наукой.
Ньютон, казалось, примыкает к аксиоматическому направлению.
С изданием в 1687 г. «М атем ати чески х начал натуральной ф и лосо­
ф и и » он заверш ил создание основ классической механики. Это, ко­
нечно, не означало конца механики как науки: Н ью тон соверш енно

70

Раздел II

Отступление И . Смена вех

не затрагивал проблем механики сплош ной среды, механики жидко­
сти, газа, пористых сред и т. д. Да и в рассмотренной им механике
точечных тел до конца была реш ена лиш ь проблема движения двух
тел (выведены законы Кеплера). Д аж е задача трех тел (например, п ол­
ное рассмотрение движений системы Солнце, Земля и Луна) до сих
пор не реш ена в полном объем е — есть некоторые частные реш ения
и разработаны различные приближ енны е методы, так что численны е
реш ения нуж ной степени точности после появления мощных ком пью ­
теров вполне доступны. Д алее оказалось, что и основные уравнения
теории можно формулировать по-разному, поэтом у Эйлер, Бернул­
ли, Лагранж, Лаплас, Гаусс, Гамильтон, Якоби, Герц и многие другие
внесли огромный вклад в развитие механики. Работы в этой области
продолжаются и поныне, но — и это необходим о подчеркнуть — о б ­
щ ее м ировоззрение механики (ее парадигма) осталось таким, каким
его создал и излож ил в своей книге Ньютон.
Однако в оптике его подход уж е иной и в этом плане менее зна­
чителен: здесь ещ е не накоплено такое количество фактов, которое
позволило бы замахиваться на общ ую теорию . Н аи более плодотвор­
ная для того времени волновая теория Гюйгенса не была принята
Н ью тоном и, под его влиянием, многими физиками — было как будто
две оптики: континентальная и британская.
«Н о, — как писал Эйнштейн, — только Н ью тон у удалось найти
основу для логического и математического обоснования явлений, под­
тверждаемых опытом. М ож н о бы ло рассчитывать, что из основ нью ­
тоновской механики с течением времени будут выведены все явления.
Так думали ученики Нью тона (они были в этом уверены больше, чем
их учитель) и его последователи вплоть до конца X V III в.»
Наименее определенным было Г Г популярной литературе некогда было за^1
положение в области электричества: дено давать векам особые названия по иаибонесколько разрозненны х наблюде- *«е характерным тенденциям их развития: был
ний — и никакого сходства с ме- Век Великих географических открытий. Век Ре„

тт

формации, XVIII в. называли Веком Просвеще'
.
12
ния^ а XIX — Веком пара и электричества ,
опыта с электричеством, но далее к которым мы и подошли, но сперва немного
эту область исследований как буд- |о предыстории.
[

ханикои. Н ью тон провел
один-два
^
м м

то и не замечал. Н о отсюда следует,
что такая соверш енно неисследованная область, terra incognita, мож ет
таить в себе наибольш ее число открытий, на первый взгляд каж у­
щихся не очень значительными, несущественными, но которые затем
12 В 1960—1970 гг. начали уже придумывать название для XX в. Наибольшее одобре­
ние тогда вызвало такое: «Век атома, презерватива и футбола». Не придется ли называть
XXI в. «Веком интернета и террора»?

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

71

Отступление И . Смена вех

м огут привести к новым взглядам

Наука как производительная сила далеко не всеми |
понимается. Рассказывают, что как-то, в 1970-х гг., на мир и повлиять на всю ж изнь
многолетний министр финансов СССР В. Ф. Гарбузов, общества.
обеспокоенный «непомерными» запросами уче­
Начало этих исследований и
ных, спросил во время какого-то приема видно­
общ ие изм енения в ж изни общ е­
го физика Л. А. Арцимовича: «Все же, что такое
наука?» Язвительный Арцимович ответил, что нау­ ства позволяю т историкам науки
ка — зто способ удовлетворения собственного лю­ утверждать, что вслед за Первой
бопытства за счет государства. На следующий же научной револю цией X V II в., наи­
день комиссия Минфина явилась в ФИАН (Физи­
б олее ярко проявивш ейся в твор­
ческий институт АН СССР, где работали тогда пять
честве
Галилея и Ньютона, к нача­
нобелевских лауреатов) с проверкой посещаемо­
сти, основного, по их мнению, критерия честной л у X IX в. наступает пора Второй
работы: подозрения Гарбузова оправдались — да­ научной револю ции. И если ра­
леко не все сотрудники оказались на месте в рабо­
н ее наука являлась, за малым и с­
чее время, а нобелевский лауреат И.Е.Тамм играл
с кем то в шахматы! Сутью работы никто из про­ клю чением (орудия Архимеда, ча­
веряющих не интересовался и скандал удалось за­ сы Гюйгенса), источником лиш ь
н я ть не без труда.
чистого знания, то теперь она на­

чинает становиться производитель­
ной силой. П ервое такое ее проявление — мобилизация учены х на о б ­
служ ивание государственных задач во времена Ф ранцузской рево­
лю ции 1789—1794 гг. и п оследую щ их войн. Наука выходит в сф еру
производства и рождается новая область деятельности, постепенно
объединяю щ ая учены х и практиков, — технология. Больш е всего та­
кому объединению способствовали успехи химии, а затем достижения
физики — теплотехники и электротехники.

Глава 3

Электризация

1. Первые исследователи
С ледую щ им после Гильберта физиком, занявшимся электризацией,
б ы л Герике. Здесь опять ж е проявился его и зобретательский стиль
мыш ления: вместо того, чтобы натирать кусочек какого-нибудь в ещ е­
ства, он догадался соорудить специальное устройство — шар из серы
величиной «в детскую голов у » насаживается на ось и вращается, на­
тираясь при этом просто рукой экспериментатора. Так Герике получа­
ет намного больш ие заряды и даж е показывает, что они передаю тся
по льняной нитке на расстояние «б о ль ш е локтя », а наэлектризован­
ный шар н екоторое время слабо светится в темноте.
Н еск олько б о л ее систем атические опыты с электричеством про­
водил Ф. Гауксби (1666—1713). О н д елал шары, как и Герике, но из раз­
ных материалов и в конце концов остановился на стеклянном, что
сущ ественно облегчи ло всю работу (шар по п реж н ем у натирался ру­
кой) и п озволило получать ещ е больш и е заряды. О н уж е наблю дал
искры длиной в дю йм и такое свечение наэлектризованного шара,
«п р и котором мож но читать».
Еще больш их успехов доби ли сь С. Грей (1666—1736) и Ш. Ф. Д ю ф э
(1698—1739). Грей установил, что электричество передается не всеми
телами: в его опытах оно проходило по льняной нити и по м еталли ­
ческой проволоке, но не проходило по шелковинке, поэтом у он смог,
подвешивая тела на ш елковы х нитях, надолго сохранять их электри за­
цию. Таким образом он откры л явление электропроводности и нам е­
ти л разделение всех т е л на проводники и непроводники (и золятор ы ).
А сравнивая электризацию массивного и такого же, но полого д ер е­
вянного кубика, он убедился, что они электри зую тся одинаково, т. е.
показал, что все заряды сосредотачиваю тся на поверхности.
Д ю ф э достиг наибольш ей известности как ботаник, но в те тричеты ре года, когда он занимался опытами с электричеством, он п е­
р еп р овер и л и несколько уточ н и л выводы Грея, доказал (это бы ло со ­
всем не очевидно), что электризация не зависит от цвета предметов.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

73

Глава 3. Электризация

Но главные его достиж ения — это вы деление двух типов электриче­
ства, стеклянного и см оляного (1733), первые, как будто, наблю дения
того, что одноименны е заряды отталкиваются, а разноим енны е притя­
гиваются (этот принципиальный факт потом не раз переоткрывался).
Еще он показал, что если к заряж енном у телу подносить нейтральное,
то оно сперва притягивается, а после соприкосновения начинает от­
талкиваться (явление электростатической индукции, но его ещ е надо
было объяснить). Д ю ф э также провел впечатляю щ ую демонстрацию
электрических явлений: человека подвеш ивали на ш елковы х шнурах,
заряжали с помощ ью льняной нити от вращ аю щ егося и натираемого
стеклянного шара, а затем из его тела извлекали длинны е искры!

I

0 электростатической машине вспомнил через двести I
Далее усилиями многих люлет Роберт Ван де Грааф (1901-1967) — он догадался, дей электрическую (точнее, элекчто для накапливания зарядов их нужно просто вводить тростатическую) машину удалось
внутрь шара, а оттуда они сами перейдут на его поверх«
г а
усовер
ш ен ствовать: оказалось,
ность. Генератор Ван де Граафа устроен так: заряды,
*
^
получаемые трением на обычной электростатической Ч Т О совсем не обязательно натимашине, переносятся на транспортер, непрерывно дви- рать шар рукой — Д Л Я Э Т О ГО М О Ж жущуюся шелковую ленту, которая заходит через изо- но приспособить подушечки, прилированное отверстие внутрь большого металлического
J
шара; там ее касается проводник, щетка, соединенная жимаемые к шарам; затем выс поверхностью; все заряды выходят на поверхность Я С Н И Л О С Ь , Ч Т О заряды О Т шара
шара и там накапливаются. К 1931 г. Ван де Гра- удобнее отводить металлическиаф построил такой генератор с шарами диаметром
.
. 4,5 м, которые давали напряжение более мил- ми трубками (позднее - проволиона вольт и еще долго использовались в ядер- Л О К О Й ), особен н о если подвешиной физике. Авторы этого поразительно остроумного вать эти проводники на шелкоускорителя, или электростатического аккумулятора,
ВЫ Х Н И ! ЛЛ(
гордились тем, что «полная стоимость материалов,
пошедших на его изготовление, равнялась приблиН о вернемся пока что назительно 100 долларам» (современные ускорители зад. Уж е после первых опытов
I обходятся в десятки миллиардов долларов).
___ | с зарЯдами встал вопрос: как И Х

сохранять? П осле опытов Грея
было ясно, что заряды на проводнике надо как-то изолировать от дру­
гих тел. Н о в каком проводнике их м ож но накопить, как осущ ествить
такое устройство?
Э ту задачу случайно реш ил П итер ван М уш ен брук (1692—1761)
из Лейдена: он подводил электричество к гвоздю, опущ енном у в стек­
лянную банку с водой, которая и долж на была сохранять заряды.
Но когда кто-то из присутствую щ их дотронулся до банки, то получил
сильнейш ий удар; известие мгновенно распространилось по Европе,
и повсюду стали проводиться опыты, иногда весьма опасные, с «л е й ­
денскими банками» (сам М уш енбрук, испытавший такой удар, заявил,
что не согласится на повторение даж е за ф ранцузскую корону).

74

Раздел II

2. Бенджамин Франклин

Опыты и усовершенствования I с усовершенствованием электрических машин и, |
п ровод и ли сь м нож еством лю дей , особенно, лейденских банок опыты с ними станоВскоре бы ло замечено, что величи- вились светским развлечением: люди, взявшись
н а зар я д а н е з а в и с и т о т то го , к а к а я
^ ^

жидкость налита внутрь, ее мож но
даже заменить насыпанной дробью
и, в конце концов, жидкость вообще мож но изъять, а внутренню ю
^

~

аа Р*ки; обРа10,ы/ али иепочку череэ которую
банки (или уже батареи банок) разряжались,
и каждый испытывал какой-то удар, разнообразящий, по-видимому, тогдашний неторопливый
Ри™ жизни. Цепочка могла прерываться какимнибудь проводником, и таким образом .ыяснялись его свойства, цепочку проводили на больI шие длины, например, через Темзу и т. д.

поверхность обклеить тонкими листами металла, станиолем. Н о ещ е 1
—
— 1
до того металлом, а позднее станиолем стали покрывать наруж ную
сторону — конструкция лейденской банки была завершена.
Н аиболее интересные исследования вы полнил в те годы в П ари­
ж е аббат Ж ан-Антуан Н олле (1700—1770): он провел электричество
через цепочку в 180 человек. Н о кроме этих демонстраций он открыл
очень важную особенность зарядов — они скорее стекали с острия,
чем с тупых предметов. Н олле понял, что электричество получается
не от трения, а переходит от натирающей подушечки и следовательно,
от соединенной с ней земли. О н также усовершенствовал, фактиче­
ски и зоб р ел электроскоп: это стеклянная банка, через пробку которой
внутрь проведен металлический штырь, на наружном его конце есть
м еталлический шарик, а на внутреннем укреплены две легкие бум аж ­
ные полоски. Когда верхний шарик заряжается, то заряды текут вниз
и полоски, заряжаясь одноименно, расходятся на угол, зависящий
от величины заряда, что уж е допускает его измерения.
Отметим также, что Н олле первым стал изучать воздействие элек ­
тричества на растения и животных, в частности пытался применять
его в медицине. Помимо исследований по электричеству Н олле от­
кры л целый класс новых явлений: если разделить сосуд перегородкой
из свиного пузыря, одну сторону заполнить водой, а другую чистым
спиртом, то через некоторое время окажется, что вода проходит через
перегородку к спирту, а спирт в обратную сторону пройти не мож ет —
перегородка является полупроницаемой. Это явление, названное о с­
мосом, играет, как много позж е выяснилось, громадную роль во всех
ж изненны х процессах и используется во многих приемах химической
технологии.

2. Бенджамин Франклин
Больш ой вклад в исследования электрических явлений внес Бенджа­
мин Ф ранклин (1706—1790), физик, философ, дипломат, один из «отцов-основателей» Соединенных Штатов (поэтому его портрет украшает

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

75

Глава 3. Электризация

100-долларовую купю ру) — человек, просла­
вившийся своими заслугами в самых разных
областях деятельности. Его эпитаф ией п ослу­
ж и л латинский стих, который мож но п ереве­
сти как «В ы рвал у богов молнию, а у тира­
нов — скипетр».
Ф ранклин всего два года учился в школе
и все знания п ри обр ел самостоятельно, начав
с работы учеником в типограф ии и книжной
лавке. П о этой ли причине или нет, но он бы л
человеком с абсолю тн о свободным мы ш лени­
ем, старался дойти до всего своим умом, под­
вергая плоды размыш лений проверке опы ­
том. Так, с самого начала электрических и с­
следовании он задумался над тем, почем у это все сохраняю т заряды
обязательно в банке: она ведь пустая. П оэтом у он берет ли ст стекла,
прижимает с двух сторон м еталлические пластины и показывает, что
такое устройство, фактически, соврем енны й плоский конденсатор,
ничуть не хуж е — б олее того, эти конденсаторы много легче изготов­
лять, собирать в батареи и т. д.
Н о главное, Ф ранклин понял механизм зарядки всех таких уст­
ройств: он принимал, что сущ ествует только один «с о р т » электриче­
ства (унитарная теория), какая-то невесомая сущность. Два его на­
блю даемы х типа, см оляное и стеклянное, он обозначил как избы ток
или недостаток этого электричества, как «п лю с и м инус», а поэтом у
появление зарядов одного знака на обкладке конденсатора вызыва­
ет утекание в зем лю таких ж е зарядов (этой «сущ н о с ти ») с другой
обкладки и ведет к тому, что конденсатор в целом заряжается. Это
утверж дение он доказы вал серией простых, но убедительны х опытов
и, в частности, тем, что знак заряда на каждой из обкладок мож но
менять. (О бозначения Ф ранклина сохранились по настоящ ее время,
хотя давно известно, что сущ ествует именно два типа зарядов.)
Наука интересовала Ф ранклина преж де всего своими практиче­
скими применениями (он больш е всего гордился изобретенны м и им
экономичными печами). П оэтом у он, возм ож но и не зная предполо­
ж ения Грея об электрическом характере молнии, решил, что п осколь­
ку ее действие похож е на разряд конденсатора, то м ож но получать
электрические заряды из облаков. О тсю да возникла идея громоотвода
(точнее бы ло бы «м олн и еотв од », 1750), которую он публично доказал
через три года с помощ ью воздушного змея: от змея, запущ енного в гро­
зовое облако, заряд по проводящей веревке дош ел вниз — Франклин

76

Раздел II

2. Бенджамин Франклин

предусмотрительно держ ал ве- I к сожалению для науки, Франклин, самый знамени-1
ревку через привязанный шел- тый человек своей страны, в дальнейшем все вреК О В Ы Й шнурок — и дал электримя УДелял политике: был представителем Штатов
в Лондоне, послом во Франции, принимал участие

ческую искру от металлического в составлении «Декларации независимости» и дейключа на конце веревки в землю, ствующей до сих пор Конституции, основал ПенсильП оэтом у он тут ж е предла- |ванский университет, заседал в Конгрессе и т. д.
|
гает сооруж ать на этой основе
громоотводы, причем замечает, что концы их долж ны быть заострены
для лучш его стекания зарядов, накопившихся в Земле. Практическая
ценность громоотводов была довольно быстро понята, и они ш ироко
распространились. (Опыты с извлечением зарядов из облаков при ­
вели к одной из первых жертв среди физиков: искрой из неудачно
устроенного разрядника в 1753 г. в П етер бур ге бы л уби т проф ессор
Г. В. Рихман.)
Л ю боп ы тн о описать ещ е одно наблю дение Франклина: однажды
он п ролил немного масла у поверхности бассейна и вдруг заметил,
что легкая рябь, пробегавшая по воде, успокоилась. Он, конечно, стал
ли ть масло уж е прямо в воду i—
л

л

™лтттт-»т~х

и убедился в том, что эта тончайшая пленка действительно замедляет колебания поверхности,
Так были открыты силы поверхкостного натяжения, а моряки
получили неоднократно описанный в романах метод кратковрем енного уменьш ения высо-

—

1

Устройства громоотводного типа применялись, по-види-

I Д , не0С0Ран0( ^

в древнос^ Так< известн0> ^

I

Иерусалимский храм, построенный царем Соломоном
в X в. до н.э. на возвышении и простоявший много
столетий, многократно подвергался ударам молнии, но
ни разу не загорелся, хотя и был в основном деревянньи^
енитьР31уего
подчеркиваемую
историками, можно лишь тем, что крыша храма была
позолочена, т. е. металлизирована, и на ней, чтобы отпУгивать птиц, были установлены многочисленные острия, а для сбора дефицитной дождевой воды с нее
спускались бронзовые трубы, уходящие под землю в водосборники и поэтому одновременно являвшиеся зазем-

ты в о лн .
Воззрения Франклина, в особенности его унитарная теория |лением, громоотводами.

____________ |

электричества, вызвали возра­
ж ения многих современников. О пиш ем одно из них, принадлеж а­
щ ее Р. С им м еру (1759). Симмер, по его собственным словам, приш ел
к своей теории так: по моде того времени, он носи л на ногах две
пары ш елковы х чулок, черны е и белы е, одну поверх другой, и вот,
снимая их поодиночке, он заметил, что чулки сильно н аэлектри зо­
ваны, причем чулки одного и того ж е цвета сильно отталкиваю т­
ся, а разного цвета — притягиваются. П оэтом у он допустил, что
во всех нейтральны х телах содерж ится равное число зарядов о б о ­
их типов, а электризация означает удаление из тела или добавление
в него зарядов только одного типа (дуальная теория). Разряд, согласно
Симмеру, представляет собой движения обоих типов зарядов, и именно

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

77

Глава 3. Электризация

п оэтом у при прохож дении раз­
ряда через бум агу края отвер­
стия остаю тся загнутыми в обе
стороны. При этом в дуальной
теории нет необходимости, как
в унитарной теории Франклина,
рассматривать силы отталкива­
ния м еж ду частицами материи.
П роблем а отталкивания предста­
влялась особенно сложной, так
как в ньютоновской теории Все­
мирного тяготения, как подозре­
вали тогда, чем-то схож его со
взаимодействием зарядов, ф и­
гурировало только притяжение.
Н у а совсем запутали ф и зи ­
ков новые наблюдения. Во-пер­
вых, в 1703 г. с острова Ц ей лон
были привезены кристаллы драгоценного минерала турмалина, и ока­
залось, что при нагревании кристалла с одного края он электри зу­
ется — и притом безо всякого трения; объяснения этого эффекта
приш лось ждать почти два века. Во-вторых, А. Вольта, о котором мы
будем говорить ниже, обнаруж ил такое явление: если с заряж енного
плоского конденсатора Ф ранклина снять м еталлические обкладки, то
стеклянная пластина остается заряженной, причем в обратном на­
правлении, так что мож но налож ить новые пластины, и конденсатор
снова окажется заряженным. На этом эф ф екте Вольта построил при­
бор для получения зарядов, который он назвал электроф ором.

| Рассказывают, что явление, описанное Саммером, I
оказалось однажды в 50-60-х гг. XX в. предметом
серьезного детективного расследования. В Лондо­
не, в некоей очень закрытой лаборатории, где ве­
лись какие-то военные исследования, начали проис­
ходить странные вещи: самые точные электронные
приборы к 12, а затем к 3 часам пополудни вдруг
начинали беспричинно врать, но потом сами по себе
приходили в норму. Поиски скрытых коммунистов
(«холодная война»!) или других агентов ни к че­
му не приводили. Так продолжалось до Рождества,
когда остававшиеся на работе сотрудники замети­
ли, что безобразия неожиданно прекратились. Этот
факт и новое начало нарушений работы приборов
с концом школьных каникул дали ключ к разгад­
ке: в расположенном неподалеку женском пансио­
не воспитанниц снабдили модным нижним бельем
из синтетической ткани, так что когда они раздева­
лись, готовясь к дневному сну, и затем вновь одева­
лись, накопленное статическое электричество разря­
жалось и, как ему полагается, излучало радиоволны. |

3. Огюст Кулон
Ш арль-О гю стен Кулон (1736—1806) бы л военным инженером, строил,
по долгу службы, мосты, в частности подвесные, долж ен бы л констру­
ировать и строить повозки. П о это ­
му он заинтересовался сравнением
трения скольж ения и трения каче­
ния. Проведя множество простых,
но четких экспериментов, он сф ор­
мулировал законы трения (почти все
работы Кулон проводил там, где вы­
нужденно, по погоде, прерывалась
его работа инж енера и поэтом у он

78

Раздел II

4. Генри Кавендиш

долж ен бы л ограничиваться простейш ими приборами). С ледую щ ей
серией его исследований стало изучен и е закручивания нитей — м е­
таллических, ш елковы х и др. — в зависимости от материала, формы,
величины нагрузок, угла поворота. Выявление всех этих законом ерно­
стей позволило ем у построить крутильны е весы с небывалой до того
точностью изм ерения малы х величин си л (1784).
И тут возникла идея, которая его обессм ертила: п оскольку им е­
ется такой прибор, то м ож но изм ерить си лу взаимодействия точеч­
ных электрических зарядов при изм енениях их величин и расстоя­
ний м еж ду ними (1785). Зависимость оказалась очень простой: как
и в случае Закона Всемирного тяготения, сила взаимодействия о б ­
ратно пропорциональна квадрату расстояния м еж ду зарядами и пря­
мо пропорциональна произведению их величин — это закон Кулона,
основной закон электростатики. Однако — и это принципиальное от­
ли чие от случая тяготения — для зарядов сущ ествует как притяжение,
так и отталкивание.
Д алее Кулон переш ел к исследованиям магнетизма — его крутиль­
ные весы естественно бы ло использовать как магнитометр. Н о ведь
у каждого магнита есть два полю са: как ж е изм ерить взаимодействие
отдельны х полю сов друг с другом? Кулон поступил очень просто: он
намагнитил длинны е тонкие спицы, настолько длинные, что если при­
лож ить их концами вдоль одной линии, то влиянием дальних концов
м ож но пренебречь или, точнее, беря разные, все больш ие длины,
м ож но его учесть. Таким образом Кулон см ог изм ерить си лу взаи­
модействия двух как бы отдельны х полю сов магнита: зависимости
оказались того ж е типа, что при взаимодействии электрических заря­
дов — это магнитный закон Кулона, основной закон магнитостатики.

4. Генри Кавендиш
Генри Кавендиш (1731 — 1810) — одна из самых трагических и стран­
ных ф игур в истории науки: аристократ, внук двух герцогов, нелюдим,
б олезн ен н о застенчивый, придирчивый к своим результатам, скрупу­
лезн о аккуратный; он соверш ил множ ество открытий экстракласса
в ф изике и в химии, но в учебники вош ло только одно из них.
Ч ер ез много лет п осле смерти ученого его племянник герцог Д е ­
вонш ирский попросил своего родственника, гениального Дж. К. М а к с­
велла, просм отреть оставш иеся бумаги. М аксв елл затратил на их ана­
ли з и проверку два или три года.
Оказалось, что Кавендиш откры л закон Кулона до Кулона — он
показал, что электрическое поле внутри заряженной сф еры равно нулю,
а это означает, что оно убывает обратно пропорционально квадрату

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

79

Глава 3. Электризация

— I расстояния. Д алее он получил для

Кавендиш устроил великолепную домашнюю лабораторию, куда никто не допускался, работы
свои он с некоторого времени вообще перестал
кому-либо показывать, чтобы не ввязываться
. споры. Еду к дверям лаборатории приносили
слуги, стучали и убегали, одежду и обувь шили
без примерок по старой, с отметками о нужных
расширениях. Во время редких поездок в Лондон он ходил по мостовой, считая, что лучше
[столкнуться с лошадью, чем со знакомым. _ |

^

протекания зарядов основные характеристики будущего закона Ома
(в отсутствие приборов для измерен и й т (ж о в QH м е
и х ^ б о по силе
г

УА^ра на себе, либо по интенсивности вскрикивания камердинера,
державшего в руках концы проводОВ), провел первые опыты по элек­

трохимии и т. д.
П ом им о того он вы вел законы электроем кости и определил ди­
электрические восприимчивости ряда веществ. Как писал М аксвелл
уж е в 1870-х гг.: «Е го изм ерения емкости заставили нас попотеть в Кавендишской лаборатории, преж де чем достигли точки, где он остано­
вился».
Рассмотрение бумаг показало, что к том у времени никем не бы л
повторен лиш ь один опыт Кавендиша — проверка с помощ ью кру­
тильны х весов Закона Всемирного тяготения и вычисление на этой
основе гравитационной постоянной. Этот опыт и вош ел во все у ч е б ­
ники. Родственники Кавендиша открыли в Кембридж е, где он н еко­
гда учился, лабораторию его имени, которую возглавляют, начиная
с Максвелла, самые знаменитые ф изики Англии.

Глава 4

Электрический ток

1. Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта
Л уидж и Гальвани (1737—1798), п ро­
ф ессор ф изиологии в Болонье, гото­
вил для лекц ионны х демонстраций
препараты мышц лягуш ек. Н ек ото­
ры е из них уж е суш ились на балконе.
Вдруг к нем у с криком вбеж ала ж е ­
на: лягуш ачьи лапки, покачиваемые
ветром, дергаются как у ж ивы х л я ­
гушек! П р оф ессор вы скочил на б а л­
кон — лягуш ачьи лапки дергались,
но не все, а те, которые, вися на медных крючках, касались ж е ­
лезн ой проволоки. Так, согласно легенде, бы ло открыто «ж и в отн о е»,
по определению Гальвани, электричество. В статье самого Гальвани
описывается, как эти лапки, леж авш ие на столе, дергались, когда их
касался кондуктор (проводник) работавш ей электростатической ма­
шины (1786).
Само это явление не могло казаться очень уж удивительным, так
как судороги при ударе током от лейденских банок бы ли известны.
Н о в результате длительн ы х опытов на протяж ении 11 лет, Гальвани
установил, что наблю даем ы е явления не являю тся судорогами при
прохож дении тока от машины или из-за воздействия атм осф ерного
электричества на балконе: ток, в отличие от разряда конденсатора,
вырабатывается непреры вно самой мышцей, и поэтом у его нуж но
назвать «ж ивотны м электричеством ».
И вот тут коренилась трагическая ошибка: увлеченны й идеей
о том, что электричество вырабатывается ж ивотной мышцей, Гальвани
с самого начала принял, что металлы являю тся просто проводниками
и ничем иным, а прим енение разны х металлов, их соединений дикто­
валось только их разной проводим остью и удобством опыта. И хотя он
заметил, что наибольш ую си лу токи обретаю т при соединении двух
разных металлов в цепи, и даже описал результаты таких наблюдений,

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

81

Глава 4. Электрический ток

|Так или иначе, возможность существования элек- 1 н о ' тем не м ен ее» не придал И М знатрического тока, а не только разрядов первым чения. В первой статье 1791 г. Гальобнаружил Гальвани, и его имя обессмертили вани пиш ет о том, почем у он реш ил
не только гальванические явления в живой при-

nnnfl
vnTe и
м «отт
роде, но м
и uaaeauuulB
названные в
в лгл
его uerTU
честь, хотя

-

опубликовать
описание своих явно
J
незаверш енны х опытов: «...У меня
Не хватит на это ни времени, ни до-

крытые или изобретенные другими, гальванические элементы, гальванометры, гальванопластика и т.д. Для анализа открытых явлений нутттт
TV „ тжж „
_
r
J суга, ни умственны х сил, я п р ед ло­
жен был ученый совершенно другого типа, и он
J
J
г
I сразу же явился.
I ч ел п о льзу дела своем у естествен-

1
—

— 1ном у ж елан и ю ».
А лессандро Вольта (1745—1827), проф ессор университета в Падуе,
бы л к этом у времени автором ряда открытий, точнее наблюдений. Он
изобрел, как уж е говорилось, электроф ор, несколько усоверш енство­
вал электроскоп, описал проект электрического телеграфа, и сследо­
вал, помимо того, тепловое расш ирение воздуха, явления диффузии.
Н о главное дело его жизни, его несколько звездных лет, были впереди.
Узнав об исследованиях Гальвани, он сразу же, в 1792 г., берется
за их повторение, но в первы х ж е работах отмечает, что для возникно­
вения «ж ивотного электричества» (Вольта пока ещ е согласен с таким
названием) необходим о соединение двух разных металлов. П ервы е
опыты, он ведь не физиолог, Вольта проводит... на собственном язы ­
ке: две монеты, например оловянная и серебряная, пом ещ ались одна
на язык, а вторая под язык; когда он соединял их проволочкой, язык
начинало щипать или во рту возникал кислы й вкус, который сохра­
нялся все время пока монеты были соединены. «Э т о показывает, что
переход электрической материи с одного места на другое прои схо­
дит непрерывно, таким образом, — подчеркивает Вольта, — это ток,
а не кратковременный разряд». Н у а при перестановке монет местами
кислый вкус меняется на щ елочной — вот вам и клю ч к будущ ем у
определению направления тока. Затем аналогичные опыты он прово­
дит на своих глазах, прикладывая к ним м еталлические электроды,
и чуть не лиш ается зрения.
На следую щ ий год Вольта уж е пишет о том, что такие ж е р езуль­
таты мож но получить с влажными предметами, например бумагой,
к которой с двух сторон прилож ены разнородные металлы, соединяе­
мые проволокой: «В этом и заклю чается главное откры тие». В 1794 г.
он открыто и реш ительно отказывается от идеи и названия «ж и вотн ое
электричество», утверждает, что электризация возникает при контак­
те двух разных веществ, причем заряды концентрирую тся на концах
такой цепи, и приводит список металлов по степени возрастания их
способности давать заряды (ряд Вольта).

82

Раздел II

2. Гемфри Дэви

Но если работы Гальвани вы­
I В конце 1801 г. Вольта рассказывает о своих опытах |
звали всеобщ ий интерес и их и демонстрирует изготовленный им столб в Пари­
стали повторять все, кто только же на заседании Национального института (тогдаш­
мог, то появление статей Вольта ний аналог Академии наук) в присутствии Перво­
го консула Н. Бонапарта, по предложению которого
привело к ож есточенной поле­
учреждается специальная Большая премия и Золо­
мике о природе электрического тая медаль, тут же присуждаемые А. Вольта (позже,
тока, о его связи с живым вещ е­ уже в роли императора, Наполеон дарует ему граф­
ством. Реш ительный успех Воль­ ский титул). Но это были, по сути дела, последние
работы А. Вольта: он совершенно не владел матема­
та наступил тогда, когда он по­
тикой, необходимой для дальнейших исследований,
строил свой знаменитый столб: даже противился ее применению; позже он публи­
круглые медные или серебряные кует лишь небольшие и ничем особенным не выда­
пластинки чередовались с таки­ ющиеся исследования о природе молнии и условиях
[ возникновения града.
|
ми ж е цинковыми пластинками,
а меж ду ними были пролож ены
кружки картона, пропитанные водой или слабой щелочью. Этот воль­
тов столб, по сути дела, почти ничем не отличается от современны х
батареек (в них медные или серебряны е кружки заменены угольны м
стержнем, несколько изменен состав электролита и добавлены вещ е­
ства, поглощ ающ ие те выделения, которые ранее «отравляли » вольтов
столб, заставляли часто его разбирать и чистить электроды). Как пи­
сал Д. Араго, «этот столб из разнородных металлов, разъединенны х
небольш им количеством жидкости, составляет снаряд, чудеснее ко­
торого человек никогда не изобретал, не исключая даже телескопа
и паровой маш ины».
Открытия Вольта полож или начало науке об электрическом токе.
Токи ж е в живых системах, исследование которых тогда временно
приостановилось, преподносят ученым немало сю рпризов по сей день.

2. Гемфри Дэви
Статьи Гальвани и Вольта вызвали ажиотаж в научных кругах мира:
изготовить вольтов столб нетрудно, а сколько всего можно поп робо­
вать с ним сделать!
Самые, на наш взгляд, интересные исследования провел в п ер­
вый период Гемфри Дэви (1778—1829). Дэви — самоучка, начинал он
учеником аптекаря, точнее фармацевта, и поэтом у заинтересовался
химией. Опыты его всегда отличались простотой и убедительностью ,
к том у ж е он проводил их очень быстро, работая параллельно с н е­
сколькими установкам и13. О первом из них, проведенном задолго
13 Обратим внимание на книгу знаменитого физико-химика (и некогда ярого врага
атомизма) Вильгельма Оствальда (ОствальдВ. Великие люди. СПб.: 1910), начинаю­

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

83

Глава 4. Электрический ток

до начала исследований по электричеству и доказавшем, что тепло
мож ет порождаться трением, мы уж е говорили.
Теперь остановимся на одном его изобретении, спасшем м но­
ж ество человеческих ж изней. В те времена, как иногда происходит
и сейчас, в шахтах, а их бы ло м нож ество в Англии, нередки были
взрывы метана. Ш ахтеры брали в шахты канареек, как будто п ре­
дупреж давш их о появлении газа, но все равно где-то скапливалось
достаточно газа для взрыва от огня н еи збеж н ой под зем лей свечки...
Ш ахтеры обратились к Дэви, сам ом у выдающ емуся английскому
ученому. И тут он сразу вспомнил по своем у аптекарскому опыту,
что пламя не взрывает сахарную пудру, если она леж и т не прямо
на огне, а на тонкой сеточке. Дэви п редлож и л такое устройство: свеча
со всех сторон окруж ена металлической сеткой, метан постепенно
просачивается внутрь и потом у сгорает, но не взрывается, а наруж у
сильный жар и не выходит.
С тех пор уж е почти два столетия лампа Дэви остается самой
безопасной для работы в газоопасны х местах. (Отметим, что в лю бы х
электрических системах всегда сущ ествует вероятность возникнове­
ния случайной искры, которая м ож ет поджечь метан, лампа Дэви
в этом отнош ении и сейчас безопаснее.)
Еще одно его и зобретен и е Дэви: он придумал способ получения
высокого вакуума. Д ело в том, что работа откачивающ его насоса обы ч­
но состоит в том, что к откачиваемому сосуду присоединяю т расш и­
ряющ ийся объем, так что весь газ распределяется теперь в больш ем
объеме, его плотность падает; затем добавочный объем отсоединя­
ют, выгоняют оттуда сж атием воздух, снова присоединяю т к сосуду,
снова расш иряют и т.д. О тсю да очевидно, что полностью вакуумировать сосуд невозм ож но и увеличение степени разреж ения требует
все больш его числа циклов.
Дэви придумывает такой способ: сосуд перед вакуумированием
заполняется углекислы м газом, а после м еханической откачки остат­
ки газа поглощ аются едким калием, находящ имся в сосуде. Этот спо­
соб — химическое вакуумирование — применяется до сих пор.
Н аибольш ую известность принесли Дэви исследования по элек­
тричеству. Одним из первы х он соорудил мощный, в 250 пар пласти­
нок, вольтов столб и начал в 1800 г. проводить с ним опыты.
Первым из них было разложение воды, получение по-отдельности
на двух электродах кислорода и водорода. При этом Дэви доказал, что во­
щуюся с биографии Дэви и содержащую также биографии Ю. Р. Майера, М. Фарадея,
Г. Гельмгольца и ряда химиков. В этой книге Оствальд пытается исследовать различия
в психологическом складе ученых и то, как эти различия отражались в их работах.

84

Раздел II

2. Гемфри Дэви

дорода выделяется вдвое больше, чем кислорода, т. е. установил ф ормулу
воды. Затем он начал разлагать в такой электрохимической ванне различ­
ные вещества и открыл металлические натрий и калий (позже и другие
элементы). Так была основана новая дисциплина — электрохимия.
В 1807 г., соорудив ещ е больш ую батарею, в 2000 пар соединенных
последовательно пластинок Дэви продемонстрировал электрическую
дугу меж ду концами угольны х электродов и назвал ее вольтовой дутой:
это бы л впервые полученный источник мощ ного света без видимого
горения и высокой температуры. (Такую дугу ранее, в 1802 г., н аблю ­
дал в П етербурге с помощ ью батареи из 2100 элементов В. В. Петров
(1761 —1834). Он ж е провел с ней целый ряд электрохим ических и с­
следований, оставшихся, к сожалению , мало известными.)
Расскажем вкратце об использовании вольтовой (электрической)
дуги. Помимо техники электросварки — она по сей день практически
не изменилась — сразу ж е возникла идея использования вольтовой
дуги для освещения.
П римерно в то время впервые разрабатывались светильники, от­
личные от свечей и фитилей, плавающ их в масле. В 1783 г. инж енер
Арган изобретает керосиновую лам пу с фитилем, подсасывающим
горю чее через капилляры к м есту горения. В 1803 г. У. М эрдок при­
спосабливает к ней стеклянную «тр у б у », усиливаю щ ую приток воз­
духа — конструкция лампы завершена. В это ж е время ряд изобрета­
телей пытается создать приборы для газового освещ ения и — встре­
чает резкий отпор со стороны консервативных п роф есси он алов 14.
В 1816 г. Т. Друммонд изобретает новый светильник: струи водорода
и кислорода направляются на мишень из извести и сжигаются там —
раскаленная мишень дает яркий свет, неотличимый от дневного.
Но непрерывно продолжаю тся попытки приспособить к освещ е­
нию вольтову дугу, возникаю щ ую м еж ду двумя угольны ми стерж ня­
ми. Основная проблема состоит в том, что угли постепенно сгораю т
и дуга тухнет — расстояние м еж ду ними нуж но непрерывно и очень
точно поддерживать постоянным. Если просмотреть техническую л и ­
тературу того времени, она переполнена описаниями все новых и н о­
вых устройств для поддержания дуги. Десятки, а то и сотни патентов
14 По поводу возможностей газовых светильников Французская академия в 1797 г.
постановила: «Проект следует отвергнуть прежде всего потому, что, как всем извест­
но, ни одна лампа без фитиля гореть не может», а известный физик У. X. Волластон
в 1803 г. писал: «Фантасты, которые хотят освещать улицы светящимся газом в трубках,
могут с таким же успехом освещать Лондон куском Луны» (из коллекции проф. X. Соколина, «Семь дней» от 12.09.2002). Мы еще не раз столкнемся с явлением инерции
мышления, мешающей непредвзято рассмотреть новые возможности, противоречащие
старым представлениям.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

85

Глава 4. Электрический ток

использую т, казалось бы, все м ы слим ы е и нем ы слим ы е ф изические
эффекты, технические соображ ения — и все без особого толка. Р е­
ш ение проблем ы оказалось гениально простым и остроумным, его
наш ел в 1875 г. и нж енер П. Н. Яблочков. (О б этом расскаж ем ниже,
при рассмотрении проблем освещ ения.)

3. Георг Ом
П родолж ая свои исследования, Дэви в 1821 г. установил, что сопротивлен и е проводника зависит от его длины, поперечного сечения и тем ­
пературы. Д альнейш ее и зучен и е этих зависим остей ослож н ялось тем,
что гальванические элем енты бы стро хим ически загрязнялись и на­
пряж ение на них, как мы бы сейчас сказали, бы стро падало.
Новы е возм ож ности появились с неож иданной стороны. В том ж е
1821 г. Томас Иоганн З ееб ек (1770—1831) откры л следую щ ий эффект:
если один контакт двух м еталлов (З еебек начал с пары м едь—висмут)
нагревать или охлаждать, то м еж ду двумя другими концами возникает
электрическое напряж ение, м ож но вклю чить этот элем ент в цепь,
и по ней потечет ток. Явление это бы ло названо терм оэлектричеством .
Ток, даваемый терм оэлем ентом , зависел, при постоянной паре
металлов, только от разницы тем ператур и поэтому, как выяснилось,
идеально подходил для исследования протекания постоянного тока
по цепи. (П ри этом, конечно, н уж но бы ло предполож ить,а это бы ло
совсем не тривиально, что все токи — и от батарей и от т ер м оэлем ен ­
тов — одной природы.)
И м енно эта особен н ость терм оэлем ентов, как сообр а зи л Георг
Сим он Ом (1787—1854), п озволяет проводить б олее точны е измерения,
чем мог сделать Дэви с его мощ ными батареями. В озм ож ностей у Ома
бы ло мало: он бы л скромны м ш кольным учителем и только в 62 года
п олучил звание и м есто п роф ессора университета (при этом, как бы
в оправдание старой поговорки «н е т пророка в своем отечестве»,
только после того как К оролевское общ ество в Л он дон е наградило
его своей высш ей наградой, медалью К опли).
Главным в работе и разм ы ш лениях О ма бы л метод аналогий: он
представлял себ е электрический ток как некоторы й поток в цепи. П о ­
сле того как он установил, что сила тока не меняется вдоль цепи, эта
аналогия стала для него руководящ ей. П ри этом сила тока является
аналогом количества протекаю щ ей воды, а в качестве аналога ум ен ь­
ш ения высоты русла канала он ввел понятие падения напряж ения
на каждом участке цепи.
Обладая, в отличие от Дэви, сер ьезн ой математической подго­
товкой, Ом сумел, вначале опытным путем, а затем и теоретически

86

Раздел II

4. Эрстед и Ампер

вывести ф ормулу для сопротивления проводников. П осле этого он свя­
зал меж ду собой величину напряжения, силы тока и сопротивления
(закон Ома для участка цепи), затем ввел понятие электродвиж ущ ей
силы (Э Д С ) как полной разницы высот м еж ду истоком и устьем реки
и на этой основе вывел ф орм улу для тока в полной цепи (ф орм у­
ла Ома).
Законы Ома и сейчас являются основой электротехники. И х толь­
ко несколько обобщ и л в 1857 г. на случай слож ны х цепей Г. Р. К ирхгоф
(два правила Кирхгофа).

4. Эрстед и Ампер
Ханс Кристиан Эрстед (1777—1851) сначала занимался фармакологией и химией, затем стал проф ессором физики провинциального
тогда Копенгагенского университета, читал лекции и демонстрировал
на них опыты по физике.
Как-то весной 1820 г. он гото- Г и м ен ее дюжины людей наблюдали до Эрстеда]
вился к лекции в препараторской, действие электрического тока на компас, но ни­
где на столе леж али все его нехит- кому не пришла в голову идея о том, что это
рые приборы: он соорудил доволь- ток создая магнитное поле! Д°6авим- что "®ч™
-

-

но больш ую электрическую батарею («вольтов с т о лб ») и х отел показать студентам такие удивительные
явления как нагрев проволоки то-

, __

ком - без огня! И вдруг он заметил,
что, как только замыкается электрическая цепь, дергается стрелка
леж ащ его неподалеку компаса. Зна-

во всех подобных случаях после фиксации открь1ТИЙ находияись люди, которь|е вмдеЛи все

ю же самое раньше, точнее видели, но не увидели, не поняли новизны, не смогли ее оценить!
Уже по крайней мере лет двадцать как мощные
вольтовы батареи стали широко доступны и, конечно свяэь магнетизма с электричеством пы-

тались установить (популярнейший тогда философ Ф. В. Шеллинг утверждал на лекциях, что
«электричество есть разломанный магнетизм»),
„ н
о
для этого пропускали ток через магнитную
чит, реш ил он, на компас действу- |етрелку помещали ее в элеКтролит и т.д.
I

ет теплота от проволоки и поставил 1
—
— 1
меж ду ними экран, но стрелка продолжала дергаться, даже поворачи­
ваться при перемене направления проводов. Эрстед забы л обо всех
делах: он изыскивал и последовательно уби рал все возмож ны е при­
чины такого влияния, но ничего не помогало — ток продолж ал дей­
ствовать на стрелку.
Тогда ещ е всеми принималось, что два типа явлений, электриче­
ские и магнитные, не могут иметь м еж ду собой ничего общ его, есть,
мол, две такие «тонкие м атерии» — электрическая и магнитная, их
избы ток или недостаток и создает соответствую щ ие явления. А тут
получалась какая-то связь...
Эрстед сразу предположил, что это электрический ток создает
магнитное поле (в первой статье он, правда, ещ е писал, что только

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

87

Глава 4. Электрический ток

в случае, если проволока раскалена,
если происходит «электрический кон­
фликт»; отметим, что до того он м но­
го лет искал и не находил связь м еж ­
д у электричеством и магнетизмом).
Откры тие Эрстеда бы ло совер­
ш енно неожиданным (как озарения
Гальвани, Рентгена, Беккереля, Р е­
зерф орда и открытия сверхпрово­
димости, «странных» частиц в X X в.).
И необычность его заключалась в том,
что возникали силы, которы е только поворачивали стрелку, а не при­
тягивали ее к какому-нибудь центру — все известны е силы, гравита­
ционные и электрические, ведут ведь именно к притяжению, а эти
только к повороту! Таким образом, здесь проявлялся совсем новый
класс явлений!
П осле оцепенения, вызванного новизной явления, все, кто только
мог, кинулись повторять опыт Эрстеда, благо, как оказалось, для этого
вовсе не требовалась мощная батарея. Так, сразу ж е после получе­
ния этого известия Д ом иник-Ф рансуа А раго (1786—1855) изобретает
электромагнит: наматывает изолированную проволоку на ж елезн ы й
стерж ень и пропускает через нее ток.
А сам Эрстед отправился в научное турне, рассказывать о своем
открытии: требовался непосредственны й показ, убеж денность сви­
детелей о п ы т о в 15. В научной столице мира П ариж е на его докладе
присутствовал Ам пер — с этого начался новый период в теории элек ­
тричества, точнее уж е электромагнетизма. (Рассеять недоверие к по­
явлению совсем нового типа взаимодействия — вращ аю щ его — бы ло
нелегко. Рассказывают, что великий математик и астроном Лаплас
дождался выхода ассистента А м пера после показа опыта и спросил:
« А не Вы ли это, молодой человек, подталкивали п ровод?»)
А ндре-М ари А м пер (1775—1835) получил чисто домаш нее воспи­
тание: после казни отца во время револю ции они с матерью беж а­
ли в какое-то захолустье, но мать сум ела переправить туда хорош ие
книги, и А м пер погрузился в ф илософ ию и историю (математикой,
по всем доступным источникам, он полностью овладел уж е к 12 го ­
дам). Когда револю ционны й пы л в стране спал, их навестил некий
15 Эрстед продолжал работать, в частности, в области термоэлектричества. Он сыг­
рал огромную роль в становлении науки и образования в Дании, очень помог великому
сказочнику Г. X. Андерсену. Как писал Эрстед: «Знание законов природы является
основной частью всех человеческих знаний и, следовательно, всей культуры».

88

Раздел II

4. Эрстед и Ампер

друг отца, человек образованный I написав ряд работ по ботанике и переехав в Па-1
и имеющий отношение к наукам. риж, Ампер решает, что многоооразие
'
форм листьев
Гуляя с подростком по окрест­ и цветков требует математического описания, и по­
степенно переключается на исследования по геомет­
ностям гость ур он и л лорнет, А м ­
рии, да так основательно, что в 1814 г. избирается
пер поспеш ил поднять его и, н е­ в Парижскую академию как геометр.
нароком глянув через него, ув и ­ С внешней точки зрения ничто не благоприятствовало
дел совсем иной мир: оказалось, его работе: жил он в унизительной бедности, жена ушла,
что он очень близорук, но это­ оставив ему трехмесячного сына Жан-Жака. Ампер
го никто не замечает. С о б р е­ сам выкормил ребенка, работая с ним на руках, сти­
рая и убирая. Жан-Жак стал известным историком
тением очков Ам пер погрузил­ и филологом, членом Академии, но, чтобы их разли­
ся в пиршество красок и форм чить, во Франции до сих пор отца называют Великий
цветов — он реш ил стать бота­ Ампер. И еще один штрих: отец и сын, оба влюби­
лись в красавицу мадам Рекамье, хозяйку знамени­
ником.
того литературного салона, но отец, к которому она

Доклад Эрстеда буквально |6ылаближе по возрасту, отошел в сторону...
п еревернул его жизнь, он мгно- 1
—
венно уловил скрытые связи явлений и за две или три недели б еш е­
ной, без сна и отдыха, работы создал ц елое здание электродинамики,
как назвал А м пер новую дисциплину (работа Эрстеда стала извест­
на в Париж е в ию ле 1820 г., а первый доклад Ам пера о его теории
состоялся уж е 18 сентября того ж е года). Эрудит, человек с глубокой
интуицией и отточенной логикой, он понял главное: если ток протека­
ет вдоль бесконечного прямого провода, то создаваемое им магнитное
поле должно, по соображ ениям симметрии, сохранять неизменными
свои характеристики вдоль провода. П оэтом у сущ ествует лиш ь одна
возможность: если провести м ы сленно сечение, перпендикулярное
проводу, то на такой плоскости поле долж но идти как бы концентри­
ческими кругами — ничего иного геометрия не позволяет.
С другой стороны, поле постоянного магнита им еет причудливую
форму, зависящ ую от его размеров, изгибов, степени намагниченно­
сти, полож ения той стрелки на ниточке, которой пользовался ещ е
Гильберт. П оэтом у количественно измерять взаимодействие постоян­
ного магнита с полем тока трудно, если практически вообщ е возм ож ­
но. Да это и не нуж но — мож но взять два провода, у каждого свое
магнитное поле, их величины и располож ение проводов легко менять
и измерять силы взаимодействия м еж ду проводами.
Так Ам пер доказывает — математически, преодолевая колоссаль­
ные трудности, и на опыте, — что параллельные провода, по которым
токи текут в одну сторону, притягиваются, а при противополож но
направленных токах отталкиваются. Он наматывает провод с током
на катушку и показывает, что возникающее магнитное поле полно­
стью идентично полю постоянного магнита — такую катушку он назвал

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

89

Глава 4. Электрический ток

I

В одном важнейшем эксперименте Ампера постигла I соленоидом (от греческого « С О неудача: он как-то заметил, что при подключении л е н » — трубка). Также А м пер
тока к прямому проводу свободно висящее непода- изобретает и строит новые измелеку медное кольцо шевельнулось и приписал это тому, рительные приборы. Он проводит
что в кольце возбудился ток, но оставил это наблюдение
без внимания. В то время, в 1822 г., он оставляет экс- опыты дома на самодельных припериментальную работу и полностью сосредотачивается борах, и помогает ему Т О Л Ь К О нана построении теории электродинамики — продолжить чинающий ф изик О. Ф р ен ель),
экспериментальные исследования смог только ФараТеперь Ам пер полагает, что
дей. (Ампер и Фарадеи регулярно переписывались,
г
г
но как-то не смогли понять друг друга: у них были никаких специфических магнит1слишком разные стили мышления.)
| ных сил, изученны х ранее Куло­

ном, вообщ е нет: внутри посто­
янного магнита находятся маленькие замкнутые кружки-цепи, по ко­
торым текут постоянные токи (молекулярны е токи Ампера), и если
они упорядочены, направлены в одну сторону, то тело является магни­
том. Возражает он и против старого представления Гильберта о Земле
I— — I как большом магните: дело в том,
Исследования по электричеству заняли у Ампера | ГОВорит Ампер, что где-то в Земле
около четырех лет, самых насыщенных и плодотворг
ных в его жизни. После он возвращался к электриче- текут с востока на запад сильные
ству лишь эпизодически: изобрел некоторые новые токи, которые и создают земное
приборы, в частности электромагнитный телеграф, магнитное поле — именно такое
затем разрабатывал проблемы механики, проводил представление и стало общеприоптические опыты и т. д. Не оставляя своего давнего
r
w
г
интереса к философии, Ампер пытается объединить нятым, ХОТЯ И сейчас продолжавсе естественные науки на общей методологической ются критические исследования
базе, построить иерархию наук. Тут он далеко опере- и обсуждения этого явления16.
___________________ ___________
жает свой век, предлагая общее основание для всех
^
с
Современники с недоверием
наук — «кибернетику» (от греческого слова, обог
м
*
значающего кормчего, рулевого). Этот термин был и явным неодобрением отнеслись
независимо возрожден именно в том же значении к построенной Ам пером элек| Н Винером спустя век после Ампера.
| тродинамике, слишком уж ре­

шительно он лиш ил их столь при­
вычной «магнитной ж идкости»: теория Ам пера была ведь настоящей
революцией, она упразднила целую область физики. П онадобилось
много времени и долж но бы ло вырасти новое поколение физиков,
чтобы полностью воспринять новую парадигму. В 1873 г. гениаль16 Сейчас такие объяснения дает теория земного динамо. При этом сохраняются
две трудности: во-первых, ось земного магнитного поля не совпадает с осью Земли,
а во-вторых, все земное поле иногда, в среднем примерно раз в 200 тыс. лет, пропадает
и возобновляется, возможно, в противоположном направлении, через, по-видимому,
несколько сот лет. Но в период отсутствия магнитного поля поток заряженных частиц
солнечного излучения уже не отклоняется в стороны и может усиливать процессы
биологических мутаций в живом мире Земли, поэтому возникновение новых видов
растений и животных может идти скачками, в соответствии с ходом изменений в маг­
нитосфере. Эти проблемы еще очень мало изучены.

90

Раздел II

5. Майкл Фарадей

ный М аксвелл, соверш ивший следую щ ий револю ционны й поворот,
в «Трактате об электричестве и м агнетизм е» напишет: «Теория и опыт
как будто в полной силе и законченности вы лились сразу из головы
„Н ью тон а электричества"».

5. Майкл Фарадей
Ученый должен быть готов выслушивать любое,
даже самое фантастическое, предположение.

М. Фарадей
Когда уж е в конце ж изни у Г. Дэви спрашива­
ли какое из своих открытий он считает важ­
нейшим, он отвечал, что это открытие Ф ара­
дея. И действительно, 30—60-е гг. X IX в. про­
шли для развития физики под именем Ф ар а ­
дея, и если вы не знаете, кто открыл то или
иное явление в области электромагнетизма,
отвечайте: Фарадей — вероятность попасть
в цель при этом наибольшая. (Аналогично
с изобретениями, там нуж но с такой ж е ве­
роятностью отвечать: Эдисон.)
М ай кл Ф арадей (1791 —1867) проучился
в ш коле три или четы ре года. В 13 лет он по­
ступил учеником к переплетчику, п рочел популярную книж ку по х и ­
мии, которую долж ен бы л переплести, а также некоторы е статьи
в Британской энциклопедии и сам проделал описанные там опыты.
Х озяин разреш ил ем у посещ ать по вечерам общ едоступны е лекции
по химии, а услышав четы ре лекции Г. Дэви, Ф арадей их записал, п е­
р еп лел и отнес самому Дэви. П осле первого ж е разговора Д эви понял,
что перед ним необы чны й талант, и, отправляясь в 1813 г. в поездку
по Европе, взял с собой Фарадея, оф ициально в роли камердинера.
Дэви к этом у времени бы л столь знаменит, что все вою ю щ ие то ­
гда стороны обеспечили ем у свободный проезд, так что вместе с ним
Фарадей смог посетить основны е научные центры Европы. Фарадей
сопровож дал своего патрона на все лекции и во все лаборатории, за­
тевая нередко более горячие дискуссии, чем Дэви. С толь независим ое
поведение камердинера не нравилось леди Дэви, и Фарадею приш лось
раньше уехать обратно, но завязавшиеся знакомства, ж ивое общ ение
с активно работаю щ ими химиками и физиками, детальный осмотр
лабораторий (до реж има полной секретности бы ло ещ е далеко, все

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

91

Глава 4. Электрический ток

учены е чувствовали себя членами единого научного братства) — все
это дало Ф арадею больш е стимулов к исследованиям, чем могло бы
принести рутинное стандартное о б у ч е н и е 17.
П о возвращении в 1815 г. из Европы, Фарадей начинает исследо­
вания по химии в лаборатории Королевского института в Лондоне. Н а­
иболее значительными из них бы ли исследования каталитического дей­
ствия платины (ускорения целого ряда хим ических реакций вблизи
поверхности платины, которая сама при этом не изменяется), обнару­
жение ряда новых органических веществ, в том числе открытие б ен ­
зола, тетрахлорэтилена, сж иж ение хлора и некоторы х других газов.
Н о не эти исследования были главными: Фарадей бы л зачаро­
ван открытием Эрстеда, тем, что электрический ток создает магнит­
ное поле. С о своей блистательной ф изической интуицией он не мог
не предположить, что долж ен сущ ествовать и обратный эф ф ект —
магнитное поле долж но вызывать появление тока! И он его нашел,
но на поиск этого явления, «превращ ения магнетизма в электриче­
ство», у него уш ло ровно десять лет.
Экспериментировать тогда бы ло нелегко: никто не производил
нуж ные ем у медные провода, и у ж тем б олее никто не наносил на них
изоляцию . П оэтом у Фарадей сам вытягивал проволоку чуть ли не киГ7Т
I лометрами, а жена (детей у них

I

У физиков есть полунасмешливое определение: эксперимент «по методу Фарадея, или методом тыка»,
когда в работающую, установку в надежде на чудо
засовывается нечто совсем несообразное, логически
необъяснимое, и чудо, надо сказать, иногда происхоJ
*
дит, иногда так и совершаются открытия. Подобным
образом в 2001 г. в Японии решили почему-то —
никаких оснований к тому не было — проверить
на сверхпроводимость диборит магния и... севершили открытие!

^

3

не бы ло) терпеливо обматывала
вручную эти километры шелковой нитью! А затем он на_______
. ____________ „ _______
матывал проволоку на катушки
*
3
3

разной формы, так И С Я К помещ ал около них магниты и беж ал в соседню ю комнату К О Т ^

к
| дельно стоящему, чтобы ничего
не мешало, гальванометру. А прибор упорно молчал, годами молчал.
(Каждый эксперимент, удачный и неудачный, Ф арадей подробно за­
писывал, вместе они составили около 30 серий с более чем тремя ты ­
сячами параграфов, т. е. отдельных опытов, и публиковались в ж ур ­
нале «Ф и ло со ф ск и е сообщ ен и я» вплоть до 1885 г. под общ им назва­
нием «Э ксперим ентальны е исследования по электричеству». Такую
необы чную и подробную ф орм у записей Фарадей объяснял своей

17 Здесь, все же, надо добавить, что столь необычный способ получения образова­
ния пригоден только и только для гениев определенного рода: отсутствие подготовки
по математике в какой-то степени мешало Фарадею, и хотя его мышление и способ из­
ложения были очень четкими и последовательными, их математическая формализация
существенно упростила бы и саму работу, и ее понимание читателями.

92

Раздел II

5. Майкл Фарадей

исключительно слабой памятью, пг~
требовавшей от него особой аккуратности. Эти записи изданы порусски в трех объемистых томах,
и по ним мож но проследить и его
озарения, и гигантский неустанный труд, неизбы вное терпение.)
Н о вот однажды в 1831 г. ем у
почему-то приш лось перенести

г

Рассказывают, что когда король Георг IV, прославившийся разве что своим бракоразводным процессом и стремлением стать законодателем мод, осматРивал «“ ставку Королевского общества и остановился
у стенда Фарадея с приборами, показывающими это
ЯВЛвние, он насмешливо спросил: «Ну и что полезного можно отсюда извлечь?». Фарадей ответил:
«Государь, можно это явление обложить налогом».

|

Представьте себе какие налоговые суммы следовало бы
платить в настоящее время, когда все, все без исключения электрические и электронные устройства работают
I на ш о в е явления электромагнитной индукции!
I

прибор в ту ж е комнату, где были
катушки и магниты. И тут асси- 1
—
— 1
стент краем глаза заметил, что стрелка ш евельнулась в тот момент,
когда магнит двигался, входил в катушку. Оказалось, что ток возни­
кает тогда и только тогда, когда изменяется магнитное поле вокруг
проводника! Это и было открытие эф фекта электромагнитной ин­
дукции, на котором работаю т все электромоторы, генераторы и т. д.,
открытие, означавшее начало новой эры, эры электричества! (Н еза ­
висимо, но чуть позж е это явление откры л в С Ш А Д ж озеф Генри
(1797—1878), буквально наступавший на пятки Ф арадею в своих от­
крытиях: экстратоки, первый электромотор, явление самоиндукции,
единица измерения которой носит его имя.)
Экстратоки Фарадей открыл в 1835 г. В момент вклю чения ц е­
пи или ее выключения резко, скачком меняется сила тока и/или его
напряжение, и только через некоторое время они принимают стацио­
нарные значения — проходят так называемые переходны е процессы.
Это явление часто приводит к тому, что в моменты включения про­
исходят аварии в цепях (сгораю т из-за больш его тока электролампы
и т.п.). Н есколько позж е Эмилий Христианович Л енц (1804—1865),
физик, работавший в П етербурге, объясн и л это явление по аналогии
с законом инерции Ньютона: цепь как бы сопротивляется изм енению
ее состояния и в ней возникает ток, противополож ны й тому, который
изменяется (закон Ленца).
К о времени исследований Фарадея сущ ествовало больш ое коли ­
чество «разн ы х электричеств»: трибоэлектричество (получаемое тр е­
нием), «ж и в отн о е» по Гальвани, гальваническое — в батареях Вольта,
термоэлектричество, «м агн и тн ое» в опытах самого Фарадея. И совсем
не бы ло очевидно, что все это разные грани одного и того ж е явле­
ния — необходимо было навести некий порядок, доказать их сходство,
ли бо четко выявить разницу м еж ду ними. И Фарадей доказывает их
тож дественность (1833).

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

93

Глава 4. Электрический ток

I По числу своих открытий Фарадей, по-видимо-1
му, абсолютный чемпион. Он был очень религиозен, принадлежал к какой-то крохотной протестантской секте, скромен. Он отказался от дворянского титула, а в конце жизни, вспомнив
молодость, переплел все свои почетные дипломы и грамоты в колоссальный том (Фарадей
был избран в 86 академий и научных обществ
всего мира) и отдал их, чтобы не держать дома,
1 ^
с
к
в Королевское общество.

О сновны е аргументы для этого
он черпает в электрохимии: все эти
«электри ч еств а» ведут к одинаковым воздействиям на растворы К И С „

и

г

г

лот» Щелочей, солеи. В этих ж е опытах Ф арадей доказывает дискретн ы й характер электричества — это
„ _______________

,_

не жидкость, переливаю щ аяся из
^
^
I— — I одного сосуда (тела) в другое, а со ­
вокупность «отд ельн ы х» частиц, природа которы х была установлена
лиш ь к самому концу века. П ри этом он ф орм улирует основны е за­
коны электролиза и вводит столь привычные сейчас названия: катод,
анод, ион (соответственно от греческих «сп уск », «п уть вверх», «и д у ­
щ ий»), электрод, электролит, электролиз (в них к корню «э л е к т р о »
добавляются греческие «о д о с » — дорога, «л и т о е » — растворенный,
«л и з и с » — растворение) — Фарадей всегда советуется с коллегамилингвистами из Королевского общества, введенные им термины очень
точны и входят практически без изм енений во все языки мира.
В 1837 г. Фарадей показывает, что все диэлектрики в электри ­
ческом поле поляризую тся, т. е. им ею щ иеся в них заряды (их на­
зывают связанными) выстраиваются (обы чно поворачиваются), так,
чтобы противостоять внеш нем у полю. Это явление уменьш ает силы
взаимодействия меж ду противополож ны ми обкладками конденсатора
и потому разреш ает значительно увеличивать заряд на нем (сейчас —
в сотни тысяч раз, что позволяет строить миниатю рные устройства).
Затем он эксперим ентально доказывает закон сохранения элек ­
трического заряда.
Следую щ ий этап — магнетизм. К том у времени известно лишь,
что ж елезо намагничивается и м ож ет превратиться в постоянный
магнит. Этими ж е свойствами обладаю т ещ е три элемента: никель,
кобальт и гадолиний, а также некоторы е сплавы (самые сильны е по­
стоянные магниты изготовляю т сейчас из сплава самарий-кобальт)
и их вместе называют ферромагнетиками. А как остальные вещества?
Фарадей показывает, что все сущ ествую щ ие вещества м ож но раз­
делить на два класса: парамагнетики, которы е втягиваются с той или
иной силой в магнитное поле в момент его возникновения (слабо,
например, калий, натрий, сильно — все ферромагнетики), и диамаг­
нетики, которы е при образовании такого поля из него выталкиваются
(медь, пламя свечи). Эти различия мож но объяснить тем, возможно,
слабым полем, которое вызывается (индуцируется) в них внешним
полем, согласую щ имся с ним или ем у противостоящим.

94

Раздел II

5. Майкл Фарадей

И наконец, Фарадей показывает, что магнитное поле может пово­
рачивать плоскость поляризации света (об этом магнитооптическом
эф ф екте Фарадея скажем ниже).
П о мнению А. Эйнштейна, самой оригинальной и плодотворной
идеей Фарадея бы ло введение концепции поля, электрического и маг­
нитного: «Н ад о иметь могучий дар научного предвидения, чтобы рас­
познать, что в описании электрических явлений не заряды и не части­
цы описывают суть явлений, а скорее пространство меж ду зарядами
и частицами». Для описания полей Фарадей ввел их изображ ение
с помощ ью силовы х линий (точнее, он считал их реально сущ ествую ­
щими), что фактически было эквивалентно математическому описанию.
Исследования и открытия Фарадея открывают прямую дорогу
к теории М аксвелла, но нам сначала лучш е рассмотреть полож ение
в других областях нашей науки.

Отступление III

Минимальный словарь Бертрана Рассела

Если спросить у любого человека, что означает слово «энергия» и ко­
гда оно появилось, то вряд ли многие смогут на эти вопросы ответить.
Начнем с происхож дения самого слова. П о гречески слово «э н е р ­
ги я» — это «деятельн ость», впервые оно бы ло уп отреблено Т. Ю нгом
(о нем мы ещ е будем говорить) в 1807 г., а в б олее систематической
форме его ввел в ф изику инж енер и ф изик Уильям Ранкин (1820— 1872)
в 1853 г.; до того использовали, в основном, плохо определенное по­
нятие «ж ивая сила».
Теперь поговорим о см ы сле слова «эн ер ги я ». Интуитивно понят­
но, что если у тела есть энергия, то оно м ож ет соверш ить работу, т. е.
мож но определить энергию через соверш аем ую работу. Н у а теперь
[любопытно отметить, что в русский яз^к]
слово «энергия», ныне столь привычное,
вошло позже и употребление его произ­
водных долго не было нормированным. Так,

поставим вопрос по-другому: а что такое «р а бо т а »?

Единственное возможное определе­
ние будет таким: работа — это процесс,
сопровождающий переход энергии из
одного вида в другой. Например, поднимаем камень наверх, совершая работу, и наша биологическая энергия
переходит в потенциальную энергию камня и в нагрев нашего организма.
П охож их примеров можно привести множество, и все они показывают,
что работу мы вынуждены определять через энергию, а энергию —
через работу. Таким образом, получается замкнутый логический круг —
невозможно найти четкие определения основных физических величин!
Э ту парадоксальную ситуацию детально анализирует в книге « Ч е ­
ловеческое п ознание» (1948) великий математик, ф илософ и писатель
лорд Бертран Р а с с е л 18.

18 Полностью: лорд Бертран Артур Уильям Рассел, 3-й герцог Кингстон, виконт
Эмберли и Ардсалла (1872—1970). Славу и признание ему принес уже знаменитый
трехтомник Principia Mathematica (совместно с А. Н. Уайтхедом, 1903), ставший Библи­
ей математической логики. Затем последовали многочисленные книги по философии,
часто становившиеся бестселлерами, труды по политическим проблемам, даже худо­
жественные произведения (Нобелевскую премию по литературе он получил в 1950 г.
за книги по философии). Рассел был пацифистом, выступал против любых войн и даже
дважды попадал за это в тюрьму, но в 1939 г. он понял, что война бывает неизбежной

96

Раздел II

Отступление I I I . Минимальный словарь Бертрана Рассела

Рассел ввел понятие «минимального слова­
ря». Для того чтобы начать определять какието понятия, нуж но сперва принять некоторые
слова без определения, интуитивно, и только
потом, на их основе, можно будет построить
определения других понятий. Т. е. полож ение
здесь такое ж е как, скажем, в геометрии: мы
ведь не определяем там, что такое «точ к а »
и «ли н и я ». Часто говорят, например, такие
тагст
Ц ’ГТгТ I N D I A
слова: «точка это то, что не им еет разм еров»,
но эти слова бессмысленны, потом у что до т о ­
го не дали определения понятию «р а зм е р ».
Ф илософ ы , пишет Рассел, много веков лом аю т копья в попытке
дать определение понятию времени. Н аилучш ее из этих определений,
по его мнению, принадлеж ит блаж енном у Августину, одному из отцов
западного христианства (IV —V вв. н. э.): «Я хорош о понимаю, что такое
время, пока меня об этом не спрашивают. Н о я ничего не м огу ответить
на вопросы, когда их задаю т».
,—
— ,
В чем ж е причина этих труд- |Помимо выявленных Расселом несуразиц с опреде-1
w0 ^

ностеи? Эти трудности, говорит
Рассел, в принципе нельзя пре­
одолеть: ничего нельзя объяснить
без т ого, чтобы не принять р а ­
нее какие-то аксиомы. П о это ­
му давайте договоримся, что н е­
которое, по возможности, наи­
меньш ее число слов мы не будем
определять вообщ е — примем,
что их определение невозм ож ­
но, а их смы сл можно и нуж но
понимать и принимать на инту­
итивном уровне. К таким словам
относятся: «вр ем я», «простр ан ­
ство», «эн ер ги я » (или «р а бота»,

лениями понятий есть и другая, но более искусствен-

ная проблема: МЬ| не можем дать точного определе.

ния и тому, что такое физика. Вернее, единственное
непротиворечивое определение должно звучать так:
«Физика — это то, чем занимаются физики». Таким
образом, оказывается, что физика — это не какойто ограниченный набор исследуемых явлений и ве­
щей, а совокупность методов исследований со свои­
ми выработанными практикой приемами и критери­
ями правдоподобия.

Эрнст Мах когда-то говорил, что существуют лишь две
науки: физика, которая изучает мир вне нас, и пси­
хология, которая изучает мир внутри нас. Но сейчас
получается, что физик может вторгаться и в психо­
логию и, например, в экономику или политологию
(Мах вообще не считал их наукой), оставаясь при
этом физиком, т. е. используя иные, чем принято,
критерии поиска истины. (Можно сказать, что имен­
но так поступил Андрей Дмитриевич Сахаров в своей
они ведь определяются друг че- I общественно-политической деятельности.)
I

рез друга), «заря д», «м атер и я» 1
—
— 1
и некоторые другие, не из области физики, например «сч а стье», « л ю ­
бовь», «Б о г». Н о при этом мож но и нуж но описать, по-возможности,
все свойства и проявления явлений, определяемы х этими словами.
и фашизм надо уничтожить. П осле окончания Второй мировой войны Рассел вместе
с А. Эйнштейном организовал антивоенное движение ученых.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

97

Отступление I I I . Минимальный словарь Бертрана Рассела

Таким образом, Рассел показал, что м нож ество вековых споров
м еж ду ф илософ ами — и не только м еж ду ними — сводится лиш ь
к тому, какие слова принять б ез определения и как на этой основе
определить другие слова. Это бы л грандиозный шаг в построении
теории познания, а следовательно, и в построении всех наук.
Вернемся к ф изике и, следуя Расселу, не будем пытаться опреде­
лить то, что определить невозмож но, а перейдем к описанию свойств
энергии и других важ нейш их ф изических величин и к тому, как эти
свойства открывались.

Глава 5

Теплота и термодинамика

1. Паровые двигатели
Ф ормально, первый паровой двигатель построил ещ е Герон А лексан ­
дрийский в I—II вв. н. э.: это бы л эолипил (от греческого « э о л » —
ветер) — по-видимому, реактивная турбинка, по оси которой пода­
вался пар или горячий воздух, выходящий через косо располож енны е
щ ели-сопла. Аналогичное устройство, названное сегнеровым колесом,
соорудил уж е в X V III в. Янош Андрош С егнер (1704—1777). И сп о льзо ­
вались они, фактически, как игрушки и серьезного влияния на т ех ­
нику не оказали.
Соверш енно иным путем пош ел Д ени Папин (1647—1712), ученик
и ассистент Бойля и Гюйгенса. Папин изучал зависимость давления
газов от температуры и обнаружил, в частности, что с пониж ением
давлении вода кипит при все бо- |возможно, первая попытка соорудить работаю-1
л ее низкой температуре. В 1681 г. щую паровую машину для откачки воды из шахт
Папин и зоб р ел паровой котел, за- была предпринята неким Соломоном де Ко (прил _______________ ____ близительно 1576-1620). Он соорудил закры„
7
.
*
J
^
J
ты и металлический шар с водой, в котором быклапан: на крышку клапана давил ла доходящая почти до дна длинная выводная
рычаг с грузиком, так что передви- трубка. Когда шар нагревался, образующийся

крытыи сосуд, в котором бы л уж е
^

гая этот грузик можно было регу-

паР Давил на В°ДУ и вгонял ее в трубку, так что
она поднималась наверх и выливалась. Когда

лировать наибольш ее давление па- давление падал0 по другой тру6ке нахадящей_
ра в котле. В 1695 г. Папин вводит I ся сбоку, вода должна была всасываться в шар.
вместо котла цилиндр с поршнем.
Предлагаемая им машина, однако, инж енерно беспомощна: в цилиндр
заливается немного воды, он ставится на огонь и пар поднимает пор­
шень; если затем закрепить порш ень на месте, снять цилиндр с огня
и освободить поршень, то пар в цилиндре сконденсируется, давление
упадет и порш ень пойдет вниз, совершая работу. (Папин был неудер­
жимым изобретателем: он проектировал пароход, повозку с двигателем,
подводную лодку и т. д., но ни одно предложение не довел до конца.)
Проект Папина усоверш енствовал Н ью ком ен в 1705 г.: не надо
снимать цилиндр с огня и т.д., достаточно облить его холодной водой

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

99

Глава 5. Теплота и термодинамика

и пар внутри сконденсируется. С х о ­
ж ие машины и зобретались и други­
ми, в каком-то количестве они даже
были изготовлены и успеш но под­
нимали воду из шахт.
Н о настоящую паровую машину
создал только Д ж ейм с Уатт (1736—
1819). О н некоторое время учился
в Л он дон е у инструментального ма­
стера, а в 20 лет откры л в Глазго мастерскую , где и зготовлял и чинил
разные ф изические приборы. Н еобходи м ость разбираться в о соб ен ­
ностях самых разных устройств, додумывать причины их неполадок
и возмож ности переделок — все это и дало ем у неоценимый и зоб р е­
тательский опыт. Н уж но ещ е отметить, что на него особен н о повли­
яли взгляды Дж. Блэка, который как раз тогда ставил в Глазго опыты
по определению скрытой теплоты кипения.
Как-то к Уатту попала в починку модель паровой машины Н ью ко­
мена. М одель он исправил, но и после того не перестал думать о таких
машинах. Идея паровой машины возникла у Дж. Уатта в 1765 г. (вне­
запно, как он потом подчеркивал, во время прогулки, и здесь ж е у него
слож илось полное представление о том, что надо сделать).
Преж де всего, его возм ущ ало поливание цилиндра холодной во­
дой — он-то знал от Блэка какова величина напрасно теряем ой теп ­
лоты конденсации! Так что он соорудил специальный конденсатор,
где выходящий из цилиндра пар конденсировался и вы деляю щ ую ­
ся энергию мож но бы ло утилизировать для подогрева воды перед
кипением, во-вторых, он понял ещ е один недостаток машины: если
при движ ении в одну сторон у на порш ень давил пар, то обратно его
гнал холодны й воздух. П оэтом у он закры л цилиндр крышкой сверху
и соорудил парораспределительную коробку: пар поперем енно давил
на одну и на другую стороны поршня, холостого хода у него не было.
Теперь возникла задача превращ ать прям олинейное (вверх-вниз)
движ ение штока поршня во вращ ательное — и он и зобретает так
называемый параллелограмм Уатта, до сих пор, наряду с коленчатым
валом, используемы й для такого преобразования.
Затем надо бы ло как-то регулировать скорость работы машины,
не допускать ее чрезм ерного ускорения, разгона. И Уатт изобретает
так называемый центробеж ны й регулятор, первое в мире устройство
с отрицательной обратной связью: вращ ение передается от главной
оси на маленькую вертикальную ось, на которой висят два стерж ен ь­
ка с грузиками на концах, когда ось вращается, грузики на своих

100

Раздел II

1. Паровые двигатели

стерж еньках приподнимаются, и если подъем становится ч резм ер­
ным, то рычаг, отходящий от места их крепления, уменьш ает доступ
пара в машину — это замечательное устройство, используем ое по сей
день, стало первым работающ им автоматом в истории!
Затем следует смягчить рывки машины при переклю чении на­
правления пара, и Уатт изобретает маховик: тяж елое колесо, инерция
вращения которого стабилизирует рывки машины и вращ ение кото­
рого, кроме того, служ ит для запуска машины в работу. (О техн и че­
ских трудностях, с которыми приш лось столкнуться Уатту, говорит его
письмо брату: он с восторгом сообщает, что ем у изготовили больш ой
цилиндр и порш ень к нем у так точно, что м еж ду стенкой и поршнем
с трудом пролезает кое-где лиш ь м изинец!)
Уж е при постройке первы х машин Уатт понял, что нуж но ввести
какую-то оценку возмож ностей их работы. Для этого он использует
количество работы, которую машина мож ет произвести в единицу
времени — мощность. А поскольку наибольш ей работоспособности
можно ждать от лошади, то эту новую величину он предлагает и з­
мерять в лош адиных силах. (К силе, конечно, эта величина прямого
отнош ения не имеет, подразумевается способность лошади интен­
сивно работать короткое время. В международной системе единиц
мощ ность измеряется, в честь изобретателя, в ваттах.)
Вся эта совокупность изобрете- i—
— 1
Лл
Любопытно привести некоторые возражения пре­
нии заняла v Уатта
около 11 лет, иI
.
«
I
у

'

в 1775 г. он получает патент сроком
на 25 лет на изготовление паровой
машины. И если вначале паровая ма-

тив проекта железной дороги того времени. В книГе Д.Ларднера «Паровая машина с разъяснениями и картинками» (1830) читаем: «Путешествие

по Рельсам на большой скорости совершенно невозможно, поскольку пассажиры не смогут дышать и упрут от удушья», а в постановлении
качки В О Д Ы , то через три года О Н при- Баварского королевского медицинского совета
способил ее для чеканки монет, а О
Т1837 г. говорится: «Движение со скоростью
вскоре она заработала на мельнице. больше 40 км в час неминуемо вызовет сотрясеУж е в 1807 г Робеет Ф у л т о н
ние. мозга и « ^ ш е ст в и е , а У публики, находяуж е в юи/ г. гюоерт Мултон
щеися возле такои дороги, — головокружение
строит на ее основе первый пароход. I и тошноту» (из коллекции X. Сокол ина).
I

шина использовалась только
kjj iwj для отui

С 1814 г., Джордж Стефенсон начи- —
—
нает приспосабливать паровые машины к сухопутному транспорту, а в
1825 г. открывает первую ж елезную дорогу. (Необходимо отметить, что
вся изобретательская деятельность идет еще практически без научного
обоснования: Стефенсон не рассчитывает процесс движения, не знает,
видимо, законов трения, открытых Кулоном, и поэтому его первая
дорога содержит третий рельс, зубчатый, по которому зубчатое колесо,
вращаемое машиной, должно двигать паровоз вперед, и только случайная
поломка этого колеса во время испытаний показывает его ненужность.)

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

101

Глава 5. Теплота и термодинамика

I—

^

— I

Паровая машина Уатта очень

Конструкция Уатта была столь совершенна, что ^
1паровая машина не претерпела в дальнейшем 1 быстро распространилась по всепринципиальных изменений. После нее, с разры- му миру, она сыграла исключительвом в сто лет и усовершенствованием техники, Ную роль в истории человечества,
появились только паровые турбины — реактив- произвела настоящую революцию:
ная Парсонса (1884) и активная Лаваля (1889),
.г
_
используемые сейчас, в основном, на тепловых
^атта вся Работа выполнялась
электростанциях, но уже наступала и новая эра, лишь за счет мускульной энергии
I эра двигателей внутреннего сгорания.
J человека и животных (единствен-

ное небольш ое исклю чение — вет­
ряные и водяные мельницы), а тут оказалось возможным, затратив
некоторую работу на добы чу топлива, получить сейчас ж е или через
лю бой промеж уток времени, в этом ж е или в лю бом ином м есте н е­
ограниченный по сути дела источник энергии, работы.
Началась, как говорят историки, Первая промыш ленная рев олю ­
ция с ее убы стрением темпов ж изни и развития, с нарастающим
увеличением, кстати, разрыва м еж ду промыш ленным Западом и все
б олее отстающ им от него Востоком.
Вторая револю ция происходит сейчас, и если первая револю ция
уменьш ила зависимость общ ества от затрат ф изической работы л ю ­
дей, то вторая — с ее автоматизацией, изобретен и ем и внедрением
«и н теллектуальн ы х» устройств — ум еньш ает зависимость производ­
ства и обслуж ивания от «ч еловеческого ф актора» вообще. К чем у все
это приведет, не началась ли уж е с возникновением Интернета Третья
революция, мож но только гадать.

2. Теплота как поток
М ы уж е говорили, что опыты Румф орда и Дэви опровергали теорию
ф логистона (теплорода), особой тонкой «м атер и и », носителя и п ере­
носчика теплоты, говорили мы и о связи теплоты и механической
работы. Тем не менее, и это лю бопы тно, представление о теплороде
продолж ало играть, иногда, п олезн ую роль (в таком случае говорят
об эвристическом — способствую щ ем успеш ном у вы бору начально­
го направления работы — значении идей, которы е затем могут быть
и отброш ены ).
Вот такую эвристическую ценность теплорода использовал Ж ан
Батист Ж о зе ф Ф ур ье (1768—1830). Идея его подхода состояла в том,
что перенос теплоты мож но представить как поток некоторой «м ате­
ри и » по аналогии с течением жидкости (законы гидродинамики были
уж е неплохо изучены Д аниилом Бернулли и Леонардом Э йлером ) или
как ток в электрической цепи и построить на этой основе теори ю рас­
пространения тепла. П ри этом теплопроводность разных т ел можно

102

Раздел II

2. Теплота как поток

бы ло сравнивать с электропроводностью или с пропускной сп особ­
ностью каналов, а нагрев т ел — с накоплением воды в водоемах или
зарядов в конденсаторе.
Отсюда, в частности, сразу ж е следовало, что скорость передачи
тепла тем выше, чем больш е разница температур м еж ду двумя телами.
А это, в свою очередь, означало, что коэф ф ициент полезного действия
(К П Д ) тепловы х машин долж ен определяться разницей температур
на входе и выходе пара из рабочего цилиндра.
О бщ ность рассмотрения привела к тому, что вышедшая в 1822 г.
«Аналитическая теория теп лоты » Ф урье, подытожившая его исследо­
вания, на многие годы, вплоть до настоящ его времени, определила,
несмотря на ф изическую неверность основного положения, развитие
теплотехники.
Отметим здесь же, что эта аналогия и в настоящ ее время игра­
ет важ нейш ую эвристическую роль. Во-первых, часто используется
вы раж ение «теп ловой п оток» и ф ормулы его описывающ ие, а вовторых, вместо того, чтобы рассчитывать и строить модель, скажем,
слож ной системы распределения тепла или оросительной системы,
м ож но построить ее электрический аналог — это несравнимо проще.
Затем, меняя величины сопротивлений, ем костей и т. п., м ож но соста­
вить оптимальную сх ем у располож ения и особен н остей всех частей
будущ ей теплотехнической или гидравлической системы. (Это метод
аналогового моделирования, а сейчас даж е не обязательно строить
такую модель «в н а тур е» — ее можно, в свою очередь, смоделировать
на компью тере.)
Любопытно, что в пользу аналогии, использованной Фурье, говорил
и закон, найденный экспериментально к 1818 г. Дюлонгом и Пти: они
установили тесную связь между теплопроводностью множества твердых
и жидких веществ и их электропроводностью — они прямо пропорцио­
нальны друг другу и их отношение линейно растет с температурой.
И только в X X в. этот закон бы л понят: он справедлив для таких тел, в
которых теплопроводность связана в основном с движением электронов,
которым описывается и основная часть электропроводности.
Теперь мы мож ем перейти к исследованиям гениального Сади
Карно, такж е основанным на понятиях теплового потока.
Карно понял, что как саму машину, так и последовательность ее
действий нуж но «разлож и ть» на систему простых составных частей
и простых операций — такой подход, теперь кажущийся естественным,
был впервые введен именно им, и в этом его непреходящая заслуга.
П оэтом у Карно так описывает идеальную тепловую машину: она
состоит из нагревателя, рабочего устройства и холодильника — рабочее

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

103

Глава 5. Теплота и термодинамика

| Никола Леонард Сади Карно (1796-1832, имя в честь | устройство подучает тепло от на­
персидского поэта XIII в. Саади), офицер француз­ гревателя, преобразует его в ра­
ской армии — сын известного математика Лазара боту, а излиш ек отдает холодиль­
Карно, члена Конвента и организатора армий Фран­
нику и возвращ ается в перво­
ции в период Революции, министра внутренних дел
начальное
состояние — завер­
во время «ста дней» Наполеона, а затем эмигранта.
Племянник Сади Карно, тоже Сади Карно, был прези­ шается цикл, а всю работу л ю ­
дентом Франции в конце XIX в., он нашел и опубли­ бой машины м ож но рассматри­
ковал многие рукописи своего дяди, способствовал
вать как последовательность та­
популяризации его идей.

ких циклов. В идеальной маши­
не температуры нагревателя и холодильника постоянны, в рабочем
устройстве потерь нет.
При этом Карно впервые вы­
| Один цикл работы тепловой машины состоит из че-1
тырех стадий: на первой стадии в цилиндр начина­ двигает принцип: работа произ­
ет поступать пар, повышая его температуру до тем­ водится только при переходе теп­
пературы нагревателя, пар этот, на второй стадии,
ла от более нагретого тела к м е­
гонит поршень вверх, но при этом температура па­
ра вследствие его расширения понижается (это ра­ н ее нагретом у — этот принцип
бочий ход), на третьей стадии, когда температура превратится скоро во Второй за­
пара, в идеальной машине, сравняется с температу­ кон термодинамики (П ервы й —
рой холодильника, нужно открыть клапан и начать
это закон сохранения энергии,
выгонять отработанный пар (при этом вырабатыва­
Третий
говорит о невозм ож н о­
ется некоторая теплота, но она неизбежно погло­
щается холодильником), затем цилиндр отключает­ сти охладить тело точно до аб­
ся от холодильника, но поршень продолжают опус­ солю тн ого нуля).
кать до исходного состояния — это четвертая ста­
А н али з Карно сы грал гро­
дия. Итак, на первой стадии цилиндр получил теп­
лоту от нагревателя, на третьей — отдал ее частично мадную роль во всем дальней­
холодильнику, на первых двух стадиях производил шем развитии техники, о со б ен ­
работу, на остальных потреблял энергию. Однако по­ но тепловы х машин, в том чис­
требляемая энергия меньше производимой работы, л е двигателей внутреннего сго­
[ так как происходит при более низкой температуре. |
рания, но о них позж е.

3. Газовые законы
Выше мы уж е говорили о связи м еж ду изм енениям и объем а газа
и давления внутри него, о законе Бойля— Марриотта.
П ом им о лабораторны х опытов, изм енения давления газа н а блю ­
дались, со времен Паскаля, при подъем е вверх, в горы. Долго, однако,
не удавалось выяснить закон этого изменения, но дело здесь бы ло
не столько в физике, сколько в математике: Лаплас, введя простое
предполож ение о том, что чем больш е плотность газа, тем бы стрее
она меняется с высотой, вы вел так называемую баром етрическую
ф орм улу (1821). П о сле этого оказалось, что обы чный барометр м ож но
отградуировать в шкале высот подъема над уровнем моря, так п о­
явился альтиметр (вы сотомер), используем ы й до настоящ его времени.

104

Раздел II

3. Газовые законы

Серьезны м шагом в иссле- | исследование нагрева газов и их теплопроводности |
довании газов стали многочис­ оказалось более трудоемким. Большую роль, как го­
ленны е опыты Ж озеф а Луи Гей- ворят, сыграл некий рабочий на оружейном заводе:
заряжая с помощью нагнетательного насоса духо­
Л ю ссака (1778—1850): он устано­
вое ружье, он заметил такой его нагрев, что на­
вил, что коэффициент теплово­ чал зажигать трут от этого ствола — явление, когда
го расширения, при постоянном о нем узнали, показалось настолько странным, что
давлении, одинаков для всех га­ Парижская академия отказывалась в него верить,
пока опыт не был повторен в ее собрании. (Вооб­
зов и составляет 1/273 их перво­ ще говоря, такой скептицизм был не очень понятен,
начального, т. е. при 0 °С, о б ъ е ­ ведь Ж. А. Ц. Шарль (1746-1823) еще в 1787 г. уста­
ма (почти одновременно такие новил, что с изменением температуры в постоянном
объеме давление газа возрастает. Может быть по­
опыты провел и Дж. Дальтон).
этому, во искупление недоверия, Шарль в 1816 г.
Таким образом, оказалось, был избран президентом Академии.)
|
что поведение газов определяет­
ся тремя законами: Бойля— Мариотта, Ш арля и Гей-Люссака, и в каж­
дом из них принималось, что один из параметров — температура,
давление или объем — постоянен. Естественным казалось попытаться
объединить их в одну формулу,
.—
— .
Объединить три закона в один удалось в 1834 г. Бенуа
чтобы можно было менять все
Полю Эмилю Клапейрону (1799-1864). Он подошел
три величины.
к задаче, по аналогии с обратимым циклом Кар­
Д алее К лапейрон попытался но, следующим образом. Давайте проведем мыс­
выявить применимость газовых ленный эксперимент с идеальным газом: зафикси­
законов к такой области, где воз­ руем один из параметров, например температуру,
и будем (1 этап) в соответствии с законом Бойля—
можно замерзание газов — эти Марриотта изменять давление и объем при посто­
исследования, продолж енны е и янной температуре; затем зафиксируем полученную
углубленные уж е в следующем по­ промежуточную величину объема (2 этап) и, ме­
колении Р. Клаузиусом, привели няя температуру, согласно закону Шарля, приведем
давление к начальному уровню в том же объеме;
к знаменитой формуле Клапейро­ теперь, при постоянном давлении (3 этап), с по­
на— Клаузиуса, связывающей и з­ мощью закона Гей-Люссака, вернемся к исходному
менения параметров газа со скры­ состоянию — таким образом, мы осуществили за­
мкнутый цикл процессов, в результате которых ни­
той теплотой конденсации.
чего не изменилось. Математическое описание этого
Клапейрон имеет еще одну за­ цикла и приводит к формуле Клапейрона, объеди­
слугу перед физикой: он ввел так няющей все газовые законы (и несколько обобназываемые индикаторные диа- |щенной Д. И. Менделеевым)
граммы — графики для двух п е­
ременных, рассматриваемых как две координаты при разных, но по­
стоянных в каждом случае значениях третьего параметра. И х нагляд­
ность очень пригодилась последую щ им исследователям и послуж ила
примером для внедрения наглядных представлений в физику.
Следующ ий шаг в этой теории сделал Уильям Томсон, лорд Кельвин
(1824—1907). Согласно закону Гей-Люссака при температуре -2 7 3 °С
формальный объем газа долж ен бы л бы стать равным нулю. Точнее,

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

105

Глава 5. Теплота и термодинамика

|Титула лорда Уильям Томсон был удостоен в 1892 г., I ДОЛЯМИ был бы стать равным нулю
в основном за работы по проведению трансатлан- межмолекулярный объем или, с потического телеграфа (он хотел было принять титул зиций м олекулярной теории, все
лорд Кабель, но королева Виктория не согласи- движ ения м олекул Д О Л Ж Н Ы прелась и пришлось удовольствоваться названием ру­
чейка, протекающего по территории университета,
через который будущий лорд в молодости любил
прыгать). Из-за этого титула происходили нередко недоразумения: часть его многочисленных результатов называется формулами Томсона, часть —
формулами Кельвина, и поэтому лорда Кельвина
как-то пытались обвинить в плагиате у У.Томсона!
Лорду Кельвину принадлежит и знаменитая тирада, произнесенная в докладе об успехах физики XIX в.: он заявил, что физика уже закончена,
все выяснено, все открыто, на горизонте осталось
лишь два небольших облачка - непонятный опыт
Майкельсона— Морли и какая-то загвоздка с черным излучением. Через несколько месяцев вторая
из них привела к квантовой теории Планка, а первая, через пять лет, к теории относительности ЭйнI штейна. Так началась новая физика.

1
—

кратиться, а следовательно должна исчезнуть и возм ож ность извлечь И З такого газа какую бы
то ни б Ь1ЛО энергию . Э ту точку
г

J

J

(ее более точное значение равно
минус 273,16 °С ) Кельвин назвал
абсолю тны м нулем температуры
и, сохранив величину одного тра­
дуса ПО ш кале Цельсия, ввел абсолю тн ую ш калу температур, названную позднее шкалой Кельвина, градусы которой обозначаю тся

как

oR

,

0 п ро сто
»

к

без

значка «гр а д ус»).
С введением абсолютной тем ­
пературы газовые законы (зако­
ны идеального газа) приобрели компактный и наглядный вид. С м о­
лекулярной точки зрения эти законы предполагают, что газ — это
совокупность отдельных «ш ари ков», стукаю щ ихся о стенки, скорость
«ш ариков» растет с тем пературой (отсюда заключают, что тем пера­
тура определяется средней кинетической энергией этих частиц) и,
конечно, такие «ш ари ки » равномерно заполняю т лю бо й объем, куда
они получат доступ (газ расш иряется).
Поэтому ясно, что газовые законы никак не могут описывать плотные
газы: в них молекулы могут при ударе слипнуться, и уж тем более эти
законы не могут описать конденсацию газа, при которой основную роль
должно играть их взаимодействие (взаимное притяжение).
Решить эту проблем у смог, в первом приближ ении, И оханнес Дидерик Ван дер Ваальс (1837—1923). Рассуж дал он, примерно, таким
образом: ф ормула Клапейрона показывает, что произведение давле­
ния на объем, деленное на абсолю тн ую температуру, пропорциональ­
но плотности газа, т. е. числу частиц в единице объема. Н о взаимо­
действие м еж ду частицами долж но быть пропорционально не числу
частиц, а числу тех связей м еж ду ними, которое мож ет установить­
ся. Допустим, что у нас есть сто частиц, тогда, как легко посчитать,
число возмож ны х попарных связей равно произведению 100 на 99, де­
ленном у на два (аналогичное число получится, если посчитать сколько
— 1

106

Раздел II

4. Атомистика

партий долж но быть сыграно в
| По Ван дер Ваальсу жидкое состояние как бы про-1
турнире, если все сто участни­ должает газовое, поэтому оно отлично от твердого
ков будут играть друг с другом состояния, в особенности кристаллического, в кото­
по одной партии), если ж е рас­ ром все атомы или молекулы располагаются (или
сматривать возмож ность связей должны располагаться) в строго определенном по­
рядке. Оказалось, однако, что ситуация не так про­
трех м олекул в одну, то это чис­ ста: многие явления в жидкостях больше согласуют­
ло надо ещ е умнож ить на 98 ся с ее квазикристаллической структурой (приставка
и разделить на 3, четы рех — «квази» означает «якобы»), т. е. в жидкости где-то,
умнож ить ещ е на 97 и разделить на какое-то время возникает упорядоченность, за­
тем пропадает, как бы переносится в другое место
на 4 и т. д. (все эти рассуждения и т. д. Такую теорию предложил и начал строить за­
следую т из ш кольной комбина­ мечательный физик-теоретик Яков Ильич Френкель
торики). Н у а поскольку число (1894-1952). Заметим, однако, что теория жидкого
____ |
м олекул очень велико, то вме­ [ состояния еще очень далека от завершения!
сто таких ум нож ений мож но по­
просту считать, что число попарных взаимодействий пропорциональ­
но квадрату плотности, тройных взаимодействий — ее кубу и т. д.
Тогда к клапейроновскому произведению давления на объем, деленному
на абсолю тную температуру, и пропорциональному плотности должны
быть добавлены слагаемые, пропорциональные квадрату плотности, ее
кубу и т.д. (такое выражение называют вириальным разложением).
При этом первый вириальный коэф ф ициент — это просто коэф ­
ф ициент Клапейрона, второй можно, в принципе, рассчитать по рас­
сеянию частиц друг на друге, с третьим мороки ещ е больше: даже в на­
стоящ ее время большая часть усилий химиков-теоретиков сводится
к расчетам этих самых вириальных коэффициентов (точнее, второго,
изредка третьего и, как рекорд, четвертого) для различных сред.
Свое уравнение Ван дер Ваальс смог представить и в более наглядном
виде, похожем на уравнение Клапейрона, где только из полного объема
газа надо вычесть собственный объем молекул (нельзя ведь думать, что
при абсолютном нуле они исчезнут!), а к наруж ному давлению добавле­
но давление м олекул друг на друга. И это, достаточно все ж е простое
уравнение описывает не только газ, но и жидкость и, главное, неко­
торые черты перехода меж ду ними (Н обелевская премия 1910)!

4. Атомистика
Слово «атом и зм » относилось первоначально к лю бо м у учению, пред­
ставляю щ ему вещь, понятие, звук и т.д. как состоящ ие из каких-то
далее неделимых частей (от греческого «а-том а» — то, что нельзя
разделить). Ввели это представление древнегреческие ф илософ ы ещ е
в V в. до н. э., но с наукой оно первоначально никак не соотносилось,
оставаясь чисто ф илософ ской доктриной.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

107

Глава 5. Теплота и термодинамика

М ы уж е говорили о том, что
Д аниил Бернулли смог рассмот­
реть давление как следствие уда­
ров каких-то частиц о стенки со ­
суда и на этой основе доказал
закон Бойля— М ариотта (вывод
эмпирических закономерностей
на основе атомистической гипо­
тезы мож но рассматривать как
некоторое подтверж дение этой
гипотезы ). Однако теория Бер­
Отметим, что в 1785 г. Лавуазье, ярый противник
флогистона, устроил «судебный процесс» над ним, нулли оставалась, несмотря на его
по решению которого провели церемонию сожжения безусловны й авторитет, практи­
книги Г. Шталя — основоположника этой теории.
чески неизвестной вплоть до на­
чала X IX в. Д ело в том, что в те
годы химия была намного популярней физики, а работы Бернулли
пестрели математическими значками, химикам тогда, как правило, непо­
нятными. Помимо того, авторитет Ньютона, считавшего, что частицы
газа сцеплены друг с другом, и успехи теории теплорода, объяснявшие
множество явлений, — все это, казалось, делало излиш ней трудную для
чтения работу Бернулли, написанную на совсем другом уровне.
I—
— I
П олож ение начало меняться
Дальтон был самоучкой и поэтому старался тщатель­
к концу X V III в. с появлением ко­
но проверять все опыты, о которых читал. Но ему
никак не удавалось повторить опыты Ньютона с раз­ личественного направления в х и ­
ложением белого света призмой: на месте красной мии, созданного главным обра­
полосы он видел серую. Позже он выяснил, что та­ зом Антуаном Лораном Лавуазье
кой недостаток свойствен и другим людям, и это яв­
(1743— 1794) при деятельном уча­
ление стало называться дальтонизмом (чаще всего
не различают красный и зеленый цвета). Исследова­ стии его ж ены М ари-Анн. Н аи ­
ния дальтонизма легли в основу современной теории б олее важным из этих и ссле­
цветового зрения, по которой в глазу имеются три дований бы ло установление на
вида колбочек, воспринимающих три основных цве­
основе строгих количественных
та, и палочки, отличающие наличие или отсутствие
света вне зависимости от его окраски. У Дальтона изм ерений закона сохранения
один из видов колбочек отсутствовал, именно по- массы в хим ических реакциях.
| этому красная полоска казалась ему серой.
____ | При этом Лавуазье составил п ер­
вый список хим ических элем ен ­
тов, неизменно переходящ их в ходе реакций из исходны х вещ еств
в одно конечное, в 1789 г. он насчитал 23 таких вещ ества (элемента).
Вскоре Д ж он Дальтон (1766—1844) установил, что атомы опреде­
ленного элемента имею т одинаковые ф изические характеристики вне
зависимости от того, в какое соединение они входят (это утверж дение
не совсем точное, но различия во времена Дальтона выявить бы ло ещ е
| Лавуазье был казнен в период разгула революционно-1
го террора как бывший (по наследству от отца) откуп­
щик сбора налогов. Кто-то в момент его казни на гильо­
тине сказал, что слетела голова, подобную которой
Франции придется ждать столетия. Заметим, что са­
мым яростным гонителем ученых в годы революции
был Марат, человек, который до революции дол­
го пытался добиться признания своих совершенно
бредовых «научных теорий». Такое поведение лже­
ученых (неудачных поэтов, историков и т. п.), по-видимому, закономерно, и оно ярко проявлялось как
в советские времена, так и в гитлеровской Германии.

108

Раздел II

5. Импульс; энергия, момент

невозмож но). Затем в 1803 г. он ввел понятие атомного веса, составил
первую таблицу элементов, придумал для них обозначения, которые,
однако, оказались неудачными и бы ли забыты.
Если принять атомно-молекулярную точку зрения, то естественно
считать, что давление газа — это результат ударов молекул о стенки
сосуда. Н у а что произойдет, если в сосуде есть несколько типов молекул,
смесь газов? Наиболее простым было бы слож ение их давлений. Дальтон
проверяет эту гипотезу и доказывает ее правильность: давление смеси
газов равно сумме давлений ее составляющих (закон Дальтона).
Д алее этот закон обобщ ает А м едео Авогадро (1776—1856), ю рист
по образованию, который в возрасте 24 лет начал самостоятельно
изучать математику и физику. О н рассматривает, какие объем ы газов
могут полностью прореагировать i—
— I
ж ™ ™ .*
АРУГО (
I
Р
Р»
водорода И кислорода, получен-

А РУГ

ных элек тр оли ти ческ и , н уж н о
взять, чтобы газы полностью преv тт

»

вратились в воду). На этой основе в 1811 г. он открывает важнейш ий для физики и химии за-

Представления Авогадро, вначале не обратившие
„а себя должного внимания, были реанимированы
около I860 г. итальянским химиком Станислао Канниццаро (1826-1910), который установил разницу
меж*У томным весом (масса атомов, число которых
равно числу Авогадро, сейчас определяется по таб-

' ице Менд' леева)

' молекулярнь,и весом, опред е .

ляемым относительными долями атомов разного тиобразующих молекулу.
|

кон: в равных объем ах газов при
одинаковом давлении содерж ится равное число м олекул (закон А в о ­
гадро, число м олекул в одной грамм-молекуле также называют числом
Авогадро).
Теперь нам следует перейти к таким понятиям, как работа и эн ер­
гия, которы е раньше только упоминались.

5. Импульс, энергия, момент
В 1668 г. Лондонское К оролевское общ ество п редлож ило своим членам
разработать теорию механического удара тел. Тогда ж е и в следую щ ем
году на это предлож ение откликнулись трое ученых: геом етр Д ж он
Валлис (учитель Ньютона), математик и архитектор К ристоф ер Рен
(1632—1723), построивш ий 53 церкви, в том числе знаменитый собор
святого Павла в Лондоне, и Христиан Пойгенс.
Результаты этих работ вызвали широкую, продолж авш ую ся б олее
двух веков дискуссию о силе. С уть ее заклю чалась в следую щ ем: всем
ясно, что всякие изменения состояния т е л и их движения вызываются
действую щ ими силами, но что при этом играет роль — величина силы
и длительность ее действия или ж е величина силы и длина пути,
на протяж ении которого она действует на тело?

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

109

Глава 5. Теплота и термодинамика

На умы ученых, и не только уч е­
ных, в то время сильно влияло карте­
зианство — философ ская система, со­
зданная великим Декартом. Все стро­
ение мира и всех его отдельных ча­
стей Декарт требовал объяснять с по­
мощ ью законов механики: даже ж и ­
вотные и растения — это тож е м еха­
низмы, только очень тонкие, слож но
устроенные. Однако, кто-то ж е д ол­
ж ен бы л привести все эти механизмы
в движение. Это, по Декарту, и сделал Бог, который таким образом
ответственен за первый толчок. Н о такой толчок определяется силой
и временем ее действия, эту величину Декарт и его последователи
называют количеством движения и требуют, чтобы ее величина, как
и все, что исходит от Господа, сохранялась.
Сейчас в русской, французской и немецкой литературе коли­
чество движения обычно называют импульсом, а в английской —
моментом. Импульс определяю т через величину силы и время ее дей­
ствия, при этом он оказывается произведением массы тела на его ско­
рость. В точном соответствии с мы слью Декарта импульс сохраняется
и по величине, и по направлению своего действия (направленности
сам Декарт не учитывал).

I Все трое ученых, занявшихся ударом, основы-1
вались на сохранении импульса, но несколь­
ко улучшили рассуждения Декарта. Так, Вал­
лис учел, что импульс сохраняется и по на­
правлению, и отсюда рассчитал углы, под
которыми разлетаются после удара шары.
Рен сформулировал такие же законы уда­
ра без объяснения. А вот, гениальный Гюй­
генс не только учел направления импульса,
но и рассмотрел потери, как мы теперь бы
сказали, кинетической энергии шаров, если
[ удар не совсем упругий.
|

б. Готфрид Вильгельм Лейбниц: функция действия
Cum deus calculat, fit mundus.
(Как Бог вычисляет, так мир делает.)

Лейбниц
Говоря о гениях эпохи, нельзя не остановиться, хотя бы кратко, на ф и­
гуре Лейбница.
Барон Готфрид Вильгельм Л ей бн и ц (1646—1716) начинал свою де­
ятельность как юрист, но когда в 22 года он приехал в Париж, и нтел­
лектуальную столицу тогдаш него мира, то заинтересовался математи­
кой, которую соверш енно не знал. Изучая ее, он изобрел, независимо
от Ньютона, диф ф еренциальное и интегральное исчисление, не при­
дав этому существенного значения: « У меня много таких пустяков», —
заявил он, когда друзья настояли на публикации его револю ционного
математического метода.

110

Раздел II

6. Готфрид Вильгельм Лейбниц: функция действия

П осле этого Л ейбниц переш ел I в течение всей жизни Лейбниц изобретал различ-1
к физике. Как он написал позж е: ные механизмы, например: построил ветряную
«Д в е вещ и оказали мне услугу: во- мельницу, которая качала воду на вершину горы,
первых, ТО, ЧТО Я бы л самоучкой, конструировал часы ИТ
.д. В промежутке Лейбниц
J„

r

а во-вторых, то, что в каждой науке, едва приступив к ней, часто
не вполне понимая общ еизвестнее, Я искал новое».
П ервую С В О Ю работу П О физике Л ейбниц публикует в 1686 г.
В ней О Н спорит С Декартом и Д О казывает, что во всех процессах
'
^ ^
сохраняется не произведение мас.

тела на скорость (импульс), а
произведение массы на квадрат
скорости. Сейчас эту величину наСЫ

зывают кинетической энергией, а
ж w

,

создал законченную философскую систему, в ее
основу он положил замечательный принцип: «ничего не может случиться без причины», — кото-

РЬ|Йможно назвать принципом причинности (или
принципом достаточного основания) и который
является основой современной науки, отвергающей возможность «чудес». Большую роль сыграло в будущем и его представление о корнях интеллектуальной деятельности: «Чувства нам не­
обходимы для того, чтобы мыслить. Если бы у нас
*
*
3
не было чувств, мы не могли бы думать».
Помимо того, Леибниц считается одним из основоположников геологии, его перу принадлежат
значительные труды по языкознанию, истории
и по его первой специальности — юриспруден-

ции <все этоЛ емя он оставался на £ЛУжбе “

дипломатом, библиотекарем герцогства Ганновер,

то, как Л еибниц ее выводил (рас- I ЮрИдИческим советником герцога).
I
сматривая произведение массы па- 1
—
— I
даю щ его тела на высоту падения) определяю т через переход потен­
циальной энергии в кинетическую.
Н о Л ейбниц не знает таких слов и вводит понятия ж ивых и м ерт­
вых сил. «М ер тв ы е си лы » — это те, которы е не приводят к и зм е­
нениям движения, а для таких сил, при действии которых скорости
возрастают, он выбирает название «ж и вы е си лы ».
Однако картезианцы, сторонники Декарта, неустанно возражают:
Л ей бниц не учитывает длительности действия силы, а ведь от этой дли ­
тельности зависит величина скорости тела! И Л ей бн и ц вводит в 1669 г.
новое понятие — дейст вие — в простейш ем случае это, в соврем ен­
ных обозначениях, произведение энергии на время ее изменения.
Введение этого понятия м ож но оценить как гениальное прозрение:
сам Л ейбниц пока не знает, как им распорядиться, но уж е в 1743 г.
Ж а н Д аламбер (1717—1783), математик, механик и один из создате­
лей знаменитой французской «Э н ц и клоп ед и и », показывает, что целы е
классы задач в механике тел, газов и ж идкостей сводятся к поискам
наибольш их и наименьш их значений функции действия. В X IX в. та­
кого рода принципы (принципы наименьш его действия) были п олож е­
ны в основу всей механики, а в 1900 г. М акс Планк предположил, что
величина действия не мож ет меняться произвольно, она изменяется
только скачками, и отсюда началось развитие квантовой теории. С о ­
временное излож ение почти лю бы х разделов теоретической физики

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

111

Глава 5. Теплота и термодинамика

начинается, как правило, с положения: запишем функцию действия
в таком-то виде и потребуем, чтобы для осущ ествимы х явлений она
достигала максимума или минимума (сокращ енно — экстремума).

7. Виды энергий
Н о мы остановились на том, что учены е разных направлений выдвига­
ли в качестве основного одно из двух понятий — импульс или «ж и в ую
си лу», т. е. энергию. Сложность, по-видимому, состояла и в том, что в
то время была известна и механическая, и тепловая энергия, но они
ещ е считались соверш енно разными величинами.
В свою очередь механическая энергия мож ет быть подразделена
на кинетическую, т. е. энергию, определяем ую скоростями движ е­
ния тел (от греческого слова «ки н ем а » — движение, отсюда, кстати,
образовано и слово «кинем атограф » — запись движения, сокращ ен­
но — «к и н о »), и потенциальную (от греческого «п отен ц и я» — воз­
можность), которая как бы отсрочена, но в лю бой момент мож ет
перейти в кинетическую — это энергия поднятого тела, сжатой или
растянутой пружины и т. д. О собы е слож ности понимания вызывала
механическая энергия, связанная с вращением тел, а также энергия
колебаний, например звуковая.
Затем к списку энергий прибавилась энергия разделенных элек ­
трических зарядов и энергия электрического тока. Н ельзя бы ло оста­
вить без внимания и световую энергию.
В итоге было установлено, что все эти виды энергии можно опи­
сывать одинаково и что долж ен иметь место закон сохранения полной
энергии замкнутой системы (на его истории мы остановимся ниже).
Но прав был не только Лейбниц. Оказалось, что прав бы л и Декарт —
наряду с законом сохранения энергии имеет место и закон сохранения
полного импульса замкнутой системы (точнее, этот закон записывается
в виде трех равенств — импульс сохраняется и по направлению, т. е.
по отдельности по всем трем осям пространства). Именно из закона
сохранения импульса можно вывести три закона Ньютона.
К этим законам нуж но добавить ещ е два.
Один из них — это закон сохранения момента импульса. П р о ­
стейш ий пример этого закона показывает быстро крутящийся вол­
чок — его можно ударять, он мож ет перемещаться, но направление
его оси, если она изначально была вертикальной, остается неи зм ен ­
ным. И менно этим законом объясняется устойчивость быстро катя­
щ егося двухколесного велосипеда — оси вращающихся колес стре­
мятся сохранить свою горизонтальную направленность и при этом,
чем тяж елее обод колеса, тем выше, при одной и той ж е скорости, его

112

Раздел II

7. Виды энергий

устойчивость. (Этот закон, опять [^ назы ваем ы й закон сохранения массы, установл^ ]
же, записывают в виде трех ра- ный Лавуазье при экспериментальных исследованивенств — соответственно трем ях химических реакций (ранее схожие соображеВ О З М О Ж Н Ы М направлениям О С И .)
ния вь,сказь,вал М. В. Ломоносов), является, на са_

w

П оследнии закон сохранения — это закон сохранения полож ения центра масс (центра тяж ести) замкнутой системы: ни’

J

мом деле, приближенным: согласно теории относительности А. Эйнштейна (1907) должна сохраняться
лишь полная энергия, одна из компонент которой
пропорциональна массе покоя. Однако изменения

массь| в о6ычнь,х химических реакциях етоль ма'

лы, что ими всегда можно пренебречь и исходить
I в расчетах из«закона сохранения массы».
I

какими вн утренним и си лам и
н ел ь зя сдвинуть с места центр 1
—
— 1
масс системы. Самый простой пример этого закона таков: если вы
сидите в неподвижной лодке на спокойной воде, то при переходе,
например, с носа на корму сама лодка сдвигается в противоположном
направлении так, чтобы общ ий центр масс системы «лодка + человек»
остался на месте. П о той ж е причине, если прыгнуть с лодки на пристань,
то сама лодка при этом отскочит назад. Этот закон показывает, что
нельзя построить такой двигатель, который смог бы, находясь в замкну­
той объеме, двигать ракету или экипаж вперед: при лю бом движении
в пустоте вперед какое-то количество вещ ества долж но двигаться
назад, и чем выше его скорость, ■—
— I
тем бы стрее долж на лететь и pa- I Амаяия Эмм.и н*тер (1882" 1935> 'известнь,й Mf eMa* |
in

,

кета . И м енно поэтом у фантасты, а иногда и серьезны е инж енеры думаю т о строительстве
таких ракет, у которы х назад буr

J

тик, крупнейшим алгебраист своего времени, работала
, Геттингене в Германии, откуда после прихода Гитлера
К
власти как еврейка была вынуждена бежать в США,
вероятно, покончила самоубийством. Ее брат, тоже

” этематик' фриц нётер ^^рировал в СССР, вскоре
был арестован и пропал без вести. Имя Эмми Нетер
потоки I увековечено в названии кратера на Луне.
I
J

дут вылетать световые
(ф отонны е ракеты).
1
—
— 1
В электродинамике добавляется ещ е закон сохранения электри­
ческого заряда, в теории поля появляю тся и другие законы сохранения
того ж е типа, но о них — п о з ж е 20.
П олностью п роблем у законов сохранения (без зарядов и сим м ет­
рий) смогла реш ить Эмми Н ётер (1918). Она предлож ила и доказала
следую щ ую замечательную теорем у: если принять известны е законы
механики, то закон сохранения энергии точно соответствует ровном у
течению времени (т. е. его наруш ение означало бы, что время двига­
ется какими-то скачками), закон сохранения импульса соответствует
19 Смешно и печально, что временами, казалось бы, серьезные люди начинают
«изобретать» двигатели, которые, находясь целиком в замкнутом спутнике, могут ку­
да-то передвигать его центр тяжести. Последний пример — пресловутая «гравицаппа»,
разрабатывающаяся в России к 2010 г.
20 См.:Перельман М Е. От кванта до темной материи. Раздел IV. Глава 1.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

113

Глава 5. Теплота и термодинамика

возмож ности равномерного пространственного переноса (вне поля
тяготения), закон сохранения момента импульса — равномерному
повороту, закон сохранения полож ения центра масс — возмож ности
произвольного выбора начальной точки отсчета координат; и больш е
никаких законов сохранения быть не может!

8. Закон сохранения энергии: Майер, Джоуль, Гельмгольц
В первые десятилетия X IX в. бы ло уж е ясно, что сущ ествую т несколько видов энергии: механическая, тепловая (опыты Румфорда и Д э ­
ви показали, что теплорода не сущ ествует и можно получать тепло

I Уильям Фридрих Вильгельм Гершель (1738-1822) I за счет механической энергии), элек­
трическая (нагрев проволоки током),
световая (в 1800 г. Уильям Гершель
открыл сущ ествование инфракрас­
ного, т. е. находящ егося ниже крас­
ной части спектра, теплового и злу­
чения Солнца, нагреваю щ его пом е­
щ енный в него термометр). К аза­
лось бы, все ф изики долж ны сра­
зу ж е взяться за исследования ко­
личественны х соотнош ений меж ду
этими типами энергий.
Однако, как это ни странно, но
важнейший закон физики, закон со­
хранения энергии, устанавливался
почти одновременно тремя людьми,
не физиками по профессии. Создается впечатление, что профессиона­
лам гораздо труднее отойти от уж е усвоенны х представлений, что им
мешает какая-то инерция мышления (мы ещ е вернемся к этой сер ьез­
ной психологической проблем е).
Х р о н о ло ги ч еск и первы м из них б ы л Ю ли ус Р о бер т М а й ер
(1814—1878), врач по профессии. В 1840—1841 годах он в качестве
судового врача принимал участие в длительном плавании на остров
Ява. К концу путеш ествия он обратил внимание на то, что венозная
кровь у матросов в ю ж ны х широтах гораздо светлее, чем была север­
нее. А поскольку потемнение крови при переходе из артерий в вены
связано с процессами окисления, т. е. с затратами на работу, в частно­
сти, на выработку организмом тепла, то М ай ер заключил, что работа,
производимая человеком, долж на быть пропорциональна количеству

переехал из германии в Англию в 19 лет. пона­
чалу он готовил себя к карьере музыканта, ком­
позитора и учителя музыки. Увлекшись астро­
номией, он изобрел и построил лучший для то­
го времени телескоп-рефлектор с 12-метровой
трубой и с зеркалом диаметром 122 см, в 1781 г.
открыл планету Уран, чем вдвое расширил раз­
меры Солнечной системы — до него на зтом ме­
сте 17 раз отмечалось наличие «звезды», но ни­
кто не заподозрил в ней новую планету! Гер­
шель первым наметил контуры нашей Галакти­
ки и открыл движение всей Солнечной системы
в ней, установил существование двойных звезд
и т. д. Во всех работах ему деятельно помогала
сестра Каролина Лукреция (1750-1848), продол­
жившая его работу (открыла 8 комет и 14 туман­
ностей). Она стала первой женщиной, избранной
в Королевское общество. Знаменитым астрономом
и физиком стал и его сын Джон Фредерик Уильям
1792-1871), о котором еще скажем ниже.
I

114

Раздел II

8. Закон сохранения энергии: Майер, Джоуль, Гельмгольц

потребляем ого вещества — работа пропорциональна потребляемой
химической энергии и вырабатываемой тепловой энергии (1840).
К этом у заклю чению он приш ел внезапно — это бы ло озарение,
п оскольку до того он не только не занимался ф изикой, но даж е не учил
ее в университете и как будто вообщ е ею не интересовался. Ч ер ез год,
вернувш ись в Нидерланды, он знакомит друзей со своими взглядами
на параллельность явлений химии и ф изики и только сейчас начи­
нает изучать физику. П олн остью свои наблю дения и заклю чения он
опубликовал только в 1845 г. (предварительная статья вышла в 1842 г.)
и присоединил к ним теоретический, на основе цикла Карно, расчет
механического эквивалента теплоты. Споры и дискуссии с местными
учеными привели его к психическом у заболеванию (возможно, уж е
ранее начавшемуся), так что Р. Ю. М ай ер на много лет бы л помещ ен
в психиатрическую больницу...
Джеймс Прескотт Д ж оуль (1818—1889) был по специальности пиво­
варом, удачливым и ум елы м промыш ленником, самоучкой, хотя в ю н о ­
сти короткое время занимался с Дж. Д альтоном ф изикой и химией.
Н е оставляя своих комм ерческих .—
— I
занятий, он чрезвычайно аккурат- I Далее Джо*ль занимался своясттвами гааа "Р" |
Г

J

но проводил и ф изические исследования. Начал он с попыток создать
дешевый электродвигатель с помол-._____рения газа — если
„

щ ью вольтовой батареи, но оказа^

Л О С Ь , Ч Т О цинк в ней быстро окисляется (по оценке Д ж оуля прокорм
рабочей лошади обходится дешев-

ле частой замены цинка
в батаре^
у

его расширении и совместно с У. Томсоном (лордом кельвином) открыл эффект охлаждения газа при его медленном расширении. Они придумали остроумную систему замедления расшипросто оттягивать поршень
r
v
в каком-то сосуде или быстро открывать кран
в откачанный заранее сосуд, то это механическое действие уже ведет к некоторому нагреву,
поэтому Джоуль и Томсон пускали газ в откачанный сосуд, вход в который закрывала порик
к
к
стая п е ре г 03р 0д Ка; га з медленно
просачивался
и глубЖе охлаждался.
I

ях). П ерейдя к количественным измерениям, он начал с исследований —
—
теплового действия электрического тока и в 1840 г. экспериментально
вывел ф орм улу зависимости вы деляемого тепла от силы тока, п рохо­
дящ его через проволоку из разных металлов (в 1842 г. эту ф орм улу
несколько уточнил Э. X. Денц) — это закон Д ж оуля— Ленца. Таким
образом Д ж оуль доказал, что электрическая энергия количественно
соответствует тепловой энергии (напомним, что возм ож ность полу­
чения электрической энергии за счет тепловой была открыта ещ е в
1821 г. Зеебеком — это так называемый терм оэлектрический эффект).
В связи с этими открытиями лю бопы тно отметить, что все н уж ­
ное для них бы ло в руках Г. Ома, опытного и образованного физика,
уж е к 1821 г., задолго до начала исследований Джоуля: сейчас за­
кон Д ж оуля— Ленца так и выводится прямо из закона Ома. Н уж ен

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

115

Глава 5. Теплота и термодинамика

| Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц |
(1821-1894). Происходя из очень бедной се­
мьи, он мог получить есплатное образование
только в военно-медицинском корпусе, откуда
вышел в звании помощника полкового лекаря
с обязательством пожизненной военной служ­
бы. Занимаясь медициной, Гельмгольц создал
теорию трехцветного зрения и теорию слуха
(в частности, выяснил различия между шумом
и чистым тоном), изобрел ряд приборов, ис­
пользуемых до сих пор в офтальмологии и ла­
рингологии (налобное зеркало, освещающее и
одновременно позволяющее рассматривать ис­
следуемый орган, и другие), развил первую
теорию прохождения нервного импульса (по­
лучил, что его скорость порядка 160 км/час),
разработал количественные методы физиоло­
гических исследований. Имя Гельмгольца носит
целый ряд институтов офтальмологии в мире,
в том числе в Москве. По просьбе практически
всех научных учреждений мира, король Пруссии
освободил его от военной службы, и Гельмгольц
смог полностью отдаться научным исследовани­
ям: помимо названного ему принадлежат термо­
динамическая теория химических реакций, тео­
рия колебательных процессов в электрических
цепях, теория образования вихрей в жидкости,
значительные работы по математике, метеоро| логин, популярные работы по философии.
[

был, ф актически, крохотн ы й ш а­
ж ок — а его пришлось ждать почти
двадцать лет! Остается признать, что
такой «ш аж ок», объединяющ ий раз­
ные, казалось, области физики, тр е­
бует какой-то особой направленно­
сти интеллекта, его свеж ести или
гениальности.
О бъединение электрической и
тепловой энергий, признание их тож ­
дественности требовало проведения
количественных сравнений с ними
механической энергии. (О том, что
механическая работа ведет к выде­
лен и ю тепла, знали уж е Румф орд
в 1798 г. и Г. Дэви в 1799 г., но ни­
каких количественных изм ерений
они не проводили.)
Дж оуль сум ел провести к 1843 г.
четыре различных эксперимента, в
которых механическая энергия под­
нятого груза полностью превращ а­
лась, благодаря трению, в тепло, нагревая при этом выделенный объем

воды. Это позволило ем у с больш ой
точностью определить механический эквивалент теплоты, т. е. количе­
ство механической работы, необходимой для производства единицы
тепловой энергии. (П оэтом у единица работы в М еж дународной си­
стеме единиц называется его именем: джоуль.)
Наконец, несколько позж е них
проблем ой сохранения энергии за­
нялся Герман Гельмгольц. В 1847 г. он
математически обосновал этот за­
кон, распространив его на механи!
ческие (в том числе — и это очень
важно и ново — на акустические),
тепловые, электрические и ф и зи о­
логические процессы.
М о ж н о сказать, что работой Г ельм гольц а ф ормальное станов­
ление закона сохранения энергии было закончено, в рамках терм о­
динамики он стал именоваться Первым принципом.

Глава б

Второй закон термодинамики

1. Вероятность, информация, энтропия
И звестны й писатель Ч ар лз П. Сноу, ф изик по первой специально­
сти, предлож ил в наш умевш ей некогда книге «Д в е культуры » тест
на общ ую культуру, в котором на равных основаниях фигурировали
вопросы (для англичан, подчеркнем!) о знании произведений Ш ек с­
пира и о знании второго закона (или принципа, начала) термодина­
мики. В первый раз С н о у сделал такое заявление в 1959 г. в почетной
Ридовской лекции в Кембридж е; хотя, говорят, ещ е в 1873 г. очередно­
го ридовского лектора предупреж дали «н е говорить о втором начале
термодинамики как о чем-то давно известном культурным людям, ко­
торы е не слыш али даж е о первом начале». Сноу, по-видимому, считал,
что объяснить его довольно просто, и именно поэтом у — к униж ению
профанов — провозгласил, что незнание Второго начала равносильно
незнакомству с Ш експиром. Реакция его коллег по литературе бы ­
ла, как и следовало ожидать, вполне термодинамической; «холодн ой
и отрицательной» — и лиш ь утвердила С н оу в убеж дении, что они
неисправимы е и косны е противники науки.
Особая важность второго закона термодинамики состоит в том,
что область его действия отнюдь не ограничивается тепловыми про­
цессами: он является, по сути дела, основой теории эволю ции и всей
Вселенной, и ж изни на Земле, теории хранения и передачи инф ор­
мации, а следовательно — одной из основ таких разных наук как
экология, психология и вы числительная техника, разреш ает многие
давние проблем ы ф илософ ии и т. д. И м енно поэтом у тест Ч. С ноу
представляется вполне обоснованным.
Главная особенность этого закона в том, что он носит вероятност,ный характер. П опробуем его проиллю стрировать.
М о ж н о задать такой наивный вопрос. Допустим, вы уш ли и оста­
вили свою квартиру не убранной: сущ ествует ли вероятность того, что
к ваш ему приходу п ол сам собой подметется, пы ль с м ебели исчезнет,
а посуда в раковине вымоется?

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

117

Глава б. Второй закон термодинамики

Строго говоря, нельзя ска­
| Для того, чтобы всеобъемлющий характер второго |
зать, что вероятность такого со ­
закона термодинамики стал яснее с самого начала,
мы нарушим более или менее выдерживавшийся ис­ бытия точно равна нулю даже
торический стиль изложения и начнем с общеизвест­
в отсутствие домовых и гноми­
ных истин и простых примеров.
С житейской точки зрения Второй закон термодина­
мики можно рассматривать как квинтэссенцию пес­
симизма, как обобщение таких прописных истин:
«Порядок сам собой не сохраняется»,
«Все вещи когда-нибудь ломаются, но никогда сами
собой не чинятся» ,
« Ломать — не строить» и т. п.
Все эти трюизмы можно было бы обобщить фразой:

ков. Так как атомы — что в пы­
линке, что на экране телев и зо­
ра — колеблю тся хаотически, то
в какой-то момент они могут так
согласованно дернуться, что пы­
линка сама полетит в м усорное
ведро. Н о вероятность этого ни­
чтож но мала.

Точно также сама по себе
не склеится поломанная чашка,
книги на полках сами не улягут­
ся
по порядку, руины не превра­
которая уже близка к строгой формулировке второго
закона.
тятся в преж ний дворец, размы ­
Но закон не конкретизирует, когда именно произой­ тый берег не восстановит ф ор­
дет это самое «разупорядочивание», т.е. когда сло­ мы и т. д. Уж е отсюда мы д олж ­
маются часы или автомобиль, перемешаются все
ны сделать такой практический
книги на полке, перестанет работать чье-то серд| це, придет в запустение великий город и т. д.
| вывод: все процессы в природе
идут так, что упорядоченность
вещ ей уменьшается, хаотичность в целом возрастает (это и есть одна
из ф ормулировок Второго начала)21.
А теперь такой вопрос. Изучая механику и электричество, мы все
время оперируем понятием энергии: если есть энергия, то м ож ет быть
произведена работа и т. д. Достаточно ли этого понятия для описания
всех происходящ их явлений, в том числе тепловых?
«Всякая упорядоченная система, не контролируемая
или не подкрепляемая извне, приходит (стремится)
со временем к разупорядочиванию»,

Рассмотрим такой пример: мячу сообщ или два раза одинаковую
энергию, но в первый раз его нагрели, передали ем у тепловую эн ер­
гию, а во второй раз его бросили, сообщ или ем у кинетическую эн ер­
гию. Ясно, что несмотря на равенство энергий, они могут вести к со ­
Отметим, что уже эти рассуждения доказывают невозможность путешествия
в прошлое: в прошлом многие вещи, сейчас поломанные, были целыми. Значит, для вос­
становления того периода, в котором вы хотели бы появиться, они сами собой должны
починиться. Но поскольку это невозможно, то и путешествия назад с его нарушени­
ями причинности (кто-то убивает своего прадедушку и потому не должен появиться
в будущем) невозможны — это тоже следствие Второго закона! Особая формальная
ценность этого заключения в том, что все законы механики математически обратимы,
т. е. в них можно изменить знак времени, что должно соответствовать путешествию
в прошлое. Таким образом, только Второй закон возвратил в физику причинность.

118

Раздел II

1. Вероятность, информация, энтропия

верш енно различным проявлениям. Какую ж е нуж но придумать ха ­
рактеристику для различения этих случаев?
Давайте вспомним, что все тела состоят из атомов и молекул, и чем
выше температура нагретого мяча, тем больше средняя амплитуда и ско­
рость их колебаний в теле. Н о у молекул летящего мяча скорость тоже
выше: к тепловой скорости колебаний добавляется скорость полета.
И вот тут следует уловить разницу: у м олекул мяча скорости в основ­
ном направлены в одну и ту ж е сторону, т. е. м енее хаотичны, а в на­
гретом теле они соверш енно хаотичны по направлениям, и, нагревая
мяч, мы лиш ь увеличили хаотичность колебаний молекул. Значит, в л е ­
тящ ем мяче выше упорядоченность. (П о ином у мож но бы ло сказать,
что летящ ем у мячу, помимо энергии, сообщ ен ещ е и импульс.)
И ещ е пример попрощ е. И з одного и того ж е количества кирпичей
мож но построить дворец, несколько бараков или оставить их в куче.
И ли чуть по-иному: одно и то ж е количество атомов углерода мож ет
при одной и той ж е температуре, т. е. энергии, составлять кучку са­
жи, сверкаю щ ий алмаз, кусок графита, ф уллерены (о которы х будем
говорить далее). Как и чем изм ерить их различие? Д ля этого нужна,
очевидно, информация не только о суммарной энергии, но и о сте­
пени упорядоченности кирпичей или атомов (потом мы скажем ещ е
о различии в энергиях связи этих элементов).
Ф актически эти примеры показывают, что одного только опреде­
ления количества вещ ества (и свойств каждого элемента, атома или
кирпича) и их суммарной энергии недостаточно для описания м но­
жества происходящ их явлений: нуж но определить еще, как структу­
рированы элементы, на что пош ло их количество или их энергия, как
изм енились вероятности взаимного располож ений атомов в теле или
кирпичей в строении. Н еобходи м а ещ е и инф ормация о других ха ­
рактеристиках вещества.
Итак, напрашивается следую щ ий вывод: необходим о научиться
как-то изм ерять инф ормацию о внутренних характеристиках сред, ве­
ществ, состояний, о взаиморасполож ении составных частей (мы остав­
ляем в стороне проблем ы эстетических оценок и далее будем говорить
только о б олее просты х характеристиках).
Д ля того, чтобы подойти к введению меры информации, рассм от­
рим такой пример: попробуем сравнить два длинны х свитка со зна­
ками или буквами на незнакомом языке. На одном знаки нанесены
обезьяной, стучавш ей по клавиатуре компьютера, а в другом содер­
жится какой-то осмысленны й, возможно, заш ифрованный текст. Как,
не зная языка, определить, какой текст напечатан обезьяной, а ка­
кой — сознательны м сущ еством или созданной им программой?

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

119

Глава б. Второй закон термодинамики

Ответ вы мож ете легко припомнить: нуж но воспользоваться тем,
что разные буквы появляются в осмысленном тексте с разной часто­
той. Так, в английском тексте буква « е » самая частая и встречается
в среднем в 258 раз чаще, чем буква « г » (на таком различии основан
I—
—j-! рассказ «Золотой ж ук» Эдгара А. По,
|Затертые эпитеты («осень золотая», «мудрый) родоначальника детективного жанвождь») и легко предугадываемый поворот изложения сразу уменьшают информационную ценность статьи или стихотворения, а редкое, или
точнее, неожиданное сравнение увеличивают ее.
Значит, чем новее, чем неожиданнее сравнение,
с
'
« к
тем больше его информационная и, как правило,
эмоциональная ценность.

г "

Ра)' в тексте ж е обезьяны вероят­
ность их появления — одного по­
рЯдка. А это означает и в более сложных сдучаях, что, чем текст дальш ел
J

от беспорядка, от хаоса (при ко—
—
тором все буквы примерно одина­
ково часты), т. е. чем больш е в нем организованности, тем больш е
информации он может содержать.
Итак, чем ниже вероятность произошедшего события, тем более цен­
на информация о нем. Сообщение, например, о том, что некие малоиз­
вестные А и В ехали в автобусе в центр города, никого не заинтересует,
а вот сообщение о том, что с ними вместе была английская королева или
что туда их доставили пришельцы с Альдебарана — это сенсация.
Таким образом, мож но вывести основной принцип репортажа:
«Чем менее вероят но произош едш ее событие, тем важнее (ц ен ­
нее) информация о нем ».
Отсюда уж е можно заключить, что мера информации о собы тии
должна быть обратно пропорциональна вероятности этого события.
I
1
И вот такая странность историI Клодэлвуд Шеннон (1916-2001) - инженер и ма-1 ко-психологического порядка: хотя
тематик, основоположник теории информации. Начинал с конструкций электромеханических счетных
машин. Ввел понятие информации и разработал методы ее расчета для дискретных и непрерывных
систем, установил аналогию между информацией
и энтропией, ввел использование двоичной системы и единицы измерения информации (бит).

Уж Давно. На основе именно таких

Теория информации привела к серьезной перестройке таких наук, как психология и лингвистика, значение ее методов в государственном управлении, воценном деле, экономике очевидно.
|

соображений Клод Ш еннон ввел в
1948 г. в математику понятие меры
информации, связанное с вероятносгью событий: информация в лю бом

все приведенные рассуждения об
информации могли быть рассмотрены сотни лет назад, их серьезное обсуж дение началось не так
J

сообщении обратно пропорциональ­
на его вероятности (для удобства расчетов рассматривают не саму вероят­
ность, а ее логарифм, но это не принципиально). На этой основе возникло
новое научное направление — кибернетика, основанная Винером.
Итак, понятно, что нужна мера структурной организованности
состояния, называемая «ин ф орм ац и ей », и она должна определяться

120

Раздел II

1. Вероятность, информация, энтропия

вероятностью данного состояния, Г ^ в е р т Винер (1894-1964) — известный матГ]
точнее
тлтт1тлл
быть обратно пропорцио- матик, работал над расчетами сложных электрических систем, рассчитывал в годы воины оптимиза­
нальна этой вероятности.

Как от этих достаточно вольных цию устройств противозенитной обороны, а затем,
занявшись методами расшифровки кардиограмм
соображений вернуться к физике?
и другими проблемами кардиологии, решил, что
Рассмотрим такой простейший нужно найти нечто общее между техническими сис­
пример упорядоченности и ее (обра­ темами и живыми организмами. Этим общим, по его
мнению, является сбор, хранение и переработка
тимого) восстановления в процессе,
информации, контроль над ее изменениями. Сбор
точно описываемом физикой. Пусть и обработку информации можно, в принципе,
у нас в сосуде, разделенном пополам делать вручную (так, собственно, и работали не­
перегородкой, находятся по отдельно­ когда статистики), но к тому времени подоспело
создание первых электронно-вычислительных
сти два газа: гелий и аргон. Если мы
машин (ЭВМ), и в задачи кибернетики вошло
вытащим перегородку, газы быстро еще и создание принципиально новых вычисперемешаются, их упорядоченность Длительных устройств и программ их работы.
|
исчезнет. А как ее восстановить?
П опробуем рассуждать с позиций закона сохранения энергии:
для того, чтобы восстановить п реж нее состояние, т. е. снова разделить
газы, нуж но произвести определенную работу, затратить энергию.
Тогда естественнее всего предположить, что при соединении газов
это тепло выделяется, т. е. см есь газов нагревается.
Оказывается, что так и есть: при
смеш ении выделяется теплота см е­ | Ехидный вопрос: когда растет какое-то живое |
существо, то упорядоченность (и информация)
шения. Ее величину, д еленную на в нем возрастает. Не противоречит ли такое
температуру, только вы раж енную в убывание энтропии Второму закону?
единицах эн ер ги и 22, называют эн ­ Да, действительно: когда организм растет, то атомы
тропией (по гречески, «п рев ращ е­ и молекулы в нем выстраиваются в каком-то поряд­
ние, поворот в...»). Иными слова­ ке — хаос, или энтропия, уменьшается. Но ведь
ми, энтропия, умнож енная на тем ­ происходит этот рост за счет переработки питатель­
ных веществ, упорядоченность в которых при этом
пературу, показывает затраты эн ер­ уменьшается. Так что применять Второй закон мож­
гии, необходимой для восстановле­ но только к замкнутой системе, изолированной
от всего окружающего, и только применительно
ния упорядоченности системы.
к такой системе можно утверждать, что в ней
П
п ооэтом
э т о м у Второй
второй закон м
мож
ож но i
.
,
хаотичность возрастает, энтропия растет!
ф ормулировать и так: энтропия си- I—
— I
стемы никогда сама по себ е не убы ­
вает (т. е. система сама собой не упорядочивается, сам по себе беспорядок
может лишь увеличиваться, в крайнем случае, сохраняться прежним).
Температуру обычно измеряют в градусах той или иной шкалы, но так как она
является мерой кинетической энергии, то в общих рассуждениях часто удобно рассмат­
ривать ее в энергетических единицах. Для этого температуру умножают на постоянную
Больцмана к = 1, 38 х 10-23Д ж К -1 , введенную и названную так М. Планком, именно
такую «энергетическую» температуру мы будем подразумевать в этом разделе.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

121

Глава б. Второй закон термодинамики

И эта энтропия, с точностью до ненуж ны х нам множителей, сов­
падает с логарифмом вероятности, т. е. с мерой информации! Точнее,
оказалось удобнее отличать их знаком: м еру информации называют
иначе негэнтропией, т. е. энтропией, взятой со знаком минус, и по­
этом у когда информация в системе убывает, то энтропия, мера ее
хаотичности, растет.
Остается только пояснить, почему эту самую м еру информации
или энтропию (логарифм вероятности) нуж но умножать на температуру
(в терминах энергии). У ж е в том примере с разделением газов, о котором
ранее говорилось, можно было заметить, что чем выше скорости молекул,
тем слож нее отделять их друг от друга; таким образом, ум н ож е­
ние величины энтропии на кинетическую энергию каждой молекулы
(она пропорциональна температуре) показывает те затраты энергии,
ту работу, которая нужна для восстановления порядка в смеси газов.
Теперь можно вернуться к тому как эти понятия возникали в физике.

2. Рудольф Клаузиус
Свой знаменитый анализ работы паровой машины С. Карно проводил
на основе теории теплорода. П оэтом у его необходим о было избавить
от родовых пятен и переф ормулировать на основе понятий энергии
и работы. За эту очень не простую задачу взялся Рудольф Ю лиус Эма­
нуэль Клаузиус (1822—1888, это латинизированная форма имени, ина­
че — Рудольф Готлиб), человек очень организованный, последователь­
ный и упорны й в работе. К лаузи усу удалось скрупулезно точно сф ор­
мулировать принцип эквивалентности теплоты и работы, а проведен­
ный анализ цикла Карно показал, что при получении работы за счет
тепловой энергии неизбеж ны потери этой энергии (ее рассеяние,
по выражению У. Томсона), и поэтом у коэф ф ициент полезного дей­
ствия (К П Д ) реального устройства никогда не мож ет равняться 100%.
Аккуратно и последовательно рассматривая на основе газовых
законов все возмож ны е процессы превращ ения тепловой энергии
в механическую работу, Клаузиус ввел понятия обратимого и н ео б ­
ратимого циклов: в обратимом (изоэнтропическом) цикле нет потерь,
а в необратимом эти потери неизбеж ны . Необратимы ми являются,
например, смеш ение разных газов или одинаковых газов с различной
температурой, расш ирение газа в пустоту, его сгорание.
Для той части энергии, которая как бы теряется и выпадает
из дальнейш их процессов, Клаузиус и предлагает название «эн т р о ­
пия», стараясь подобрать слово, наиболее бли зкое по звучанию к ново­
м у тогда ещ е терм ину «эн ер ги я ». П осле этого Клаузиус ф ормулирует
Второе начало термодинамики сначала в частном виде («Теплота сама

122

Раздел II

3. Джеймс Кларк Максвелл: статистическая физика

по себе не м ож ет перейти от б олее холодного тела к б олее нагретом у»,
1850), затем в общ ей форме, но только для обратимы х процессов (1854)
и, наконец, для необратимы х процессов (1856) в следую щ ем, чрева­
том бесчисленны ми дискуссиями выражении: « Энтропия Вселенной
стремится к максимуму» 23.
Д ля обоснования введенных понятий нуж но как-то связать их
со свойствами частиц, из которы х состоят газы, и Клаузиус начина­
ет строить кинетическую теори ю газов, т. е. рассматривать все их
свойства через столкновения от- I Важнейшую роль и сейчас играет уравнение Кла- 1
дельны х частиц. (Работы Д. Бер- пейрона— Клаузиуса, связывающее, хотя и не сон улли столетн ей давности бы ли . всем точно' скрытые теплоты фазовых переходов
практически забыты.) Тут он по- [стермодинамическими параметрами средь,. _ |
нимает, что на самом деле скорости и энергии отдельных частиц могут
различаться, но делает очень упрощ аю щ ее предполож ение, что доста­
точно рассмотреть средние значения их скоростей или кинетической
энергии и на этой основе определить средню ю д ли н у свободного про­
бега частиц меж ду последовательны ми столкновениями (соударения­
ми), т. е. фактически определить сф еру их взаимодействия, а отсюда
и величину давления газа на стенки сосуда. Такой подход позволяет
ем у переписать в современной ф орме уравнение Ван дер Ваальса, т. е.
связать введенные коэф ф ициенты со взаимодействием м олекул газа
(мы уж е указывали, что такие исследования продолж аю тся и сейчас).

3. Джеймс Кларк Максвелл: статистическая физика
Основная ткань исследования — это фанта­
зия, в которую вплетены нити наблюдения,
рассуждения, измерения и вычисления.
Д ж . К. М а к с в е л л

П о опросам физиков о роли ученых в построении нашей науки, первые
три места определяются обычно так: Эйнштейн, Ньютон, Максвелл.
При этом основной заслугой М аксвелла принимают, как правило, по­
строение теории электромагнитного поля, но даж е если бы он никогда
23 Из такого положения вытекает, что Вселенная не могла существовать вечно, ибо
так же, вечность тому назад, должна была прийти к тепловой смерти. Еще ранее,
из-за эффекта «рассеяния тепла», У. Томсон (Кельвин) и Г. Гельмгольц делали вывод
о неизбежной «тепловой смерти» Вселенной. Широкое обсуждение проблемы стиму­
лировалось и появлением теории эволюции Дарвина в 1858 г. (Обсуждение проблемы
тепловой смерти продолжим в рассказе о космологии.)

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

123

Глава 6. Второй закон термодинамики

ничего не писал о полях, его роль в создании статистической физики
все равно выводила бы его в первые ряды гениальных физиков.
Д ж еймс Кларк М аксвелл (1831 —1879)24, шотландец, воспитывал­
ся дома под руководством отца (мать рано скончалась), образованного
и обеспеченного джентльмена, лю би теля наук, полностью посвятив­
ш его себя воспитанию единственного сына. Увлекался в детстве стро­
ительством моделей, чтением, писал ш уточные стихи. В 14 лет при­
думал методы черчения эллипсов (метод М аксвелла — вычерчивание
эллипса с помощ ью двух булавок, воткнутых в стол, и накинутой
на них петли из нитки — стал общ епринятым) и других кривых. П е р ­
вую его статью зачитывал на заседании Эдинбургского королевского
общ ества сам председатель — автор бы л слишком юн. Затем М аксвелл
учился в университетах Эдинбурга и Кембриджа, отнюдь не избегая
радостей студенческой ж изни того времени.
В 1859 г. М аксвелл фактически основывает статистическую ф и­
зику (само название он предлож ил в 1878 г.): он понимает, что не все­
гда мож но ограничиваться рассмотрением только средних скоростей
движения м олекул газа, как это делал Клаузиус. П оэтом у он разби­
рает вопрос об их распределении по скоростям, т. е. вводит в ф изику
понятие вероятности как обоснование и способ расчета значений тер ­
модинамических величин.
Для чего это нужно? В статистике народонаселения, например,
важно знать не только средний доход граждан, но и то, сколько из них
живет много лучш е среднего уровня, каков процент бедны х и т. д., или
знать не только средний возраст жителей, но и количество ш кольни­
ков и пенсионеров по-отдельности. В ф изике полож ение сходное:
нужно, например, выяснить какая часть м олекул из общ его их коли ­
чества имеет скорости, достаточные для осущ ествления химических
реакций и т. п. Вот такого рода вопросы и мож ет реш ить распределе­
ние Максвелла, ставшее образцом для построения других статистиче­
ских теорий.
Н еобходим о отметить, что первый вариант этого распределения
он вывел, будучи студентом, прямо на экзамене в ответ на вопрос,
заданный ем у известным физиком Стоксом, который сам до того
пытался, но не смог вывести распределение м олекул по скоростям.
В теории Клаузиуса учитывались только кинетические энергии
м олекул как некоторых шариков, бесструктурны х частиц. Н о М акс­
велл понимает, что эти «ш ари ки » могут иметь какую-то структуру,
24 Замечание для поклонников нумерологии: Ньютон родился в год смерти Галилея,
предположения которого он развил, Эйнштейн — в год смерти Максвелла, теории
которого смог обобщить.

124

Раздел II

3. Джеймс Кларк Максвелл: статистическая физика

и поэтом у часть энергии м ож ет идти, например, на вращения ато­
мов, образую щ и х молекулы, превращ аться в энергию относительны х
колебаний их составляю щ их. П оэтом у М аксв елл уточняет понятие
«степ ен ей свободы » молекул: каждая м олекула газа им еет три по­
ступательны е степени свободы (в соответствии с тремя возмож ны ми
направлениями импульса), сверх того она м ож ет иметь степени сво­
боды вращ ения вокруг своих осей симметрии (если они ест ь ), а также
степени свободы колебаний своих составных частей — и на каждую
такую степень свободы приходится одинаковая энергия.
Закон равнораспределения энергии по степеням свободы (этот
закон позж е уточнен Больцманом) является основой всего статисти­
ческого подхода к тепловы м явлениям, он позволяет не ограничивать­
ся газом атомов или простейш их молекул, как приходилось делать
Клаузиусу, а рассматривать лю бы е их композиции.
М аксвелл уверен в справедливости Второго закона термодинами­
ки. О н выражает его суть так: «В торой закон настолько ж е справедлив,
как утверж дение о том, что вылив в океан стакан воды, вы никогда
не см ож ете заново собрать ту ж е воду в свой стакан».
Затем М ак свелл рассматривает проблем ы ф изической кинетики,
т. е. движения и соударения молекул. Здесь ем у удается начать по­
строение теории явлений переноса (иногда их называют транспорт­
ными процессами). Основными для этой теории являю тся три свой­
ства газов и жидкостей: 1) теплопроводность, т. е. передача энергии
среде; 2) вязкость, или внутреннее трение, т. е. зам едление течения
или вращ ения газа или жидкости, связанное с передачей среде ча­
сти импульса; 3) диффузия, т. е. передача из одной среды в другую
массы, обусловленная, как мы теп ерь знаем, переходом атомов или
м олекул из одной среды в другую, проникновением их в меж м олекулярные промеж утки второй среды. (Все эти явления изучаются,
конечно, и в ф изике твердого тела, но мы ее не рассматриваем.)
Как мож но измерить вязкость? Естественно поступить таким о б ­
разом: будем пропускать газ или ж идкость ч ерез длинную тонкую
и прямую капиллярную трубку; если давление на одном конце б оль ­
ше, чем на другом (когда трубка стоит вертикально такое давление
определяется высотой столба, весом находящ егося в ней вещества),
то в ней возникает течение. Тогда вязкость определяется как величи­
на, обратно пропорциональная скорости течения.
Вязкость оказалась (и продолж ает оставаться) «тверды м ореш ­
ком » для физиков. Так, оказалось, что сущ ествую т три свойства этого
явления, которы е как бы противоречат ф изической интуиции. Во-пер­
вых, интуитивно мож но бы ло предположить, что поскольку вязкость

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

125

Глава 6. Второй закон термодинамики

жидкости примерно в 100 раз больш е вязкости газов, то вязкость газов
долж на возрастать с увеличением их плотности — однако на опыте
оказалось, что она не зависит от их плотности. Во-вторых, по анало­
гии с жидкостью можно бы ло предполагать, что вязкость газов должна
убывать с ростом температуры (вспомним как облегчается перелива­
ние меда при нагревании) — но оказалось, что она растет. В-третьих,
можно бы ло думать, что при добавлении к вязкому газу другого газа
с меньш ей вязкостью их общая вязкость уменьш ится (добавление во­
ды к сиропу понижает вязкость смеси) — однако оказалось, что если,
например, к углекислом у газу добавить водород (его вязкость мала),
то вязкость смеси только возрастает!
П ервы е два из этих противоречий разреш ил М аксвелл. Вязкость
газа зависит, по его теории, не только непосредственно от плотности,
но и от той длины, которую пробегает молекула между столкновени­
ями, а эта длина, естественно, уменьшается с ростом плотности (столкно­
вения происходят чаще). Поэтому зависимость от плотности в целом
сокращается, и вязкость перестает от нее зависеть (для очень сжатых
или слож ны х газов такая зависимость, конечно, снова возникает). Ве­
роятность столкновений возрастает с увеличением скорости молекул,
а значит, и температуры, поэтом у вязкость растет с температурой.
Гмаксвелл, как и Фарадей, был глубоко религиозен-]
он даже выступал против теории эволюции Дарвина,
считая, что жизнь не могла появиться сама — она
должна была быть сотворена. Но религиозность или
ее отсутствие никогда не влияли на научную деятельность. Так, квантовую механику создавали глубокорелигиозные Планк и Гейзенберг, довольно индифферентные к религии Шредингер и де Бройль,
агностик Эйнштейн, пламенный атеист Дирак — и все
они глубоко уважали друг друга.

I—

Получив такие результаты,
М аксвелл реш ает проверить их
экспериментально — дома, с помощ ью ТОЛько жены. Для этого
„

он придумывает такой прибор:
в замкнутом сосуде с газом раскручивается диск на оси и измеряется время еш остановки,
^

— I (Этот диск используется для и з­
мерения вязкости до сих пор, в 1951 г. именно на нем Э. Д. Андроникашвили, наш преподаватель, провел известны е опыты по определению
вязкости жидкого гелия.)
Н о М аксвелл занят не только этими проблемами (и электродинами­
кой, которой будет посвящен специальный раздел ниже): он не может
пропустить мимо ничего из того, что видит. Так, вспоминая свои дет­
ские увлечения, строительство моделей, в том числе паровой машины
Уатта, он разрабатывает теорию регулятора Уатта и поэтом у считается,
в числе прочего, классиком теории автоматического регулирования.
В то ж е время М аксвелл с удовольствием выступает с популяр­
ными лекциями, пишет статьи и превосходную книж ку по элем ен ­
тарной физике, придумывает и сам строит остроумные модели для

126

Раздел II

4. Вечные двигатели

таких лекций. Так, до сих пор и спользую тся волчки Максвелла: на их
диск наносятся сектора разного цвета, которы е при вращении скла­
дываются, и так доказывается, в частности, слож ны й состав белого
цвета, д ополнительность некоторы х цветов и т.д. А в 1861 г. он о су­
щ ествил и продемонстрировал первую в мире цветную ф отограф ию
(слож ением на экране трех и зображ ений в трех основны х цветах)!
П ревосходны его модели крутящ ихся и поднимаю щ ихся из-за этого
вверх волчков: создается впечатление, что ем у нравится играть и у в ле­
кать этими играми других.
М ы уж е писали о том, что М аксв елл посвятил несколько лет раз­
бору, воспроизведению и публикации опытов Г. Кавендиша. П о эт о ­
м у он руководит организацией и строительством при Кембридж ском
ун иверситете Кавендиш ской лаборатории (целы х три года!) и ста­
новится ее первым директором. (Лаборатория открывается в 1874 г.,
теперь М а к свелл мог бы ставить в ней и собственны е опыты, которые
ранее приходилось проводить дома.) П осле него пост директора зани­
мали такие великие учены е как лорд Рэлей, Дж. Дж. Томсон, Э. Р езер ­
форд, затем Л. Брэгг, Н. Мотт, Б. Пипард, в этой лаборатории не только
бы ли сделаны эпохальны е ф изические открытия — в ней, в частности,
была разработана теория наследственного вещества, Д Н К, и проведе­
ны другие би ологи чески е исследования.
Примерно тогда ж е в 1875 г. М аксвелл высказывает совершенно ере­
тическую для того времени мысль: он считает, что атом — это не просто
неделимый шарик, он должен обладать некоей внутренней структурой.
Н о М аксвелл полностью занят своими обязанностями: директорство,
разбор рукописей Кавендиша, — а жить ем у осталось очень мало...
Если м ож но бы ло бы проводить сравнения с гениями искусства,
то М а к свелл — это М оцарт или Раф аэль физики. Кажется, что он все
делает как бы играючи, легко и непринуж денно. О нем его коллеги
писали, что он бы л единственным ученым в истории, у которого нет
и не могло быть ош ибок в работах: «О н просто не ум ел ош ибать­
с я !». Ч тен и е статистических работ М аксвелла Л. Больцман сравнивал
с прослуш иванием симф онии с интродукцией, блистательны м разви­
тием темы и неожиданным, но оглуш ительны м финалом, когда все
вдруг становится на свои места.

4. Вечные двигатели
Вечным двигателем называется устройство, которое, будучи однажды
приведено в движение, продолж ило бы это движ ение беспреры вно
без затрат дополнительной энергии и позволи ло бы использовать д о­
полнительно получаемую энергию в других устройствах.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

127

Глава б. Второй закон термодинамики

Такие устройства изобретались
преподавание принципов термодинамики |
в школьных курсах, ни бесчисленные публика­ неоднократно. Насколько известно,
ции, рассказывающие о невозможности вечных первое устройство этого типа было
двигателей и высмеивающие их изобретателей,
разработано и даже как будто по­
не могут полностью уничтожить это экзотиче­
ское племя. Автору не раз приходилось стал­ строено в X III в. французским ар­
киваться с его представителями вживую: все хитектором Виларом Хоннекуром.
они, как правило, пишут (или, возможно, писа­ Более известны машины, постро­
ли раньше) письма в правительство с обещани­
енные Эдвардом Сомерсетом, мар­
ями неслыханно поднять промышленность, обо­
роноспособность или сельское хозяйство и т. д. кизом Ворчестерским (1601 — 1667),
Такое письмо из правительства направляется и Дж. Э. Э. Бесслером -О рф иреусом
в Академию наук («разобраться и доложить!»),
(1680—1745). О бе они внушали б оль­
по инстанциям доходит до дежурного на этот
шие надежды, так как продолж али
раз физика-теоретика: отвечать нужно, и повозможности так, чтобы не ввязываться в пере­ работать в течение долгого врем е­
писку и не вызвать обвинений в хамстве...
ни. Казалось, ещ е чуть-чуть поста­

I Ни

Хорошо еще, если предлагают проект именно
вечного двигателя. А то сейчас приходится иметь
дело с более «образованными» изобретателями-ниспровергателями основ: то кто-то, види­
те ли, радикально усовершенствовал цикл Кар­
но, обнаружил потоки некоей энергии из ка­
ких-то «геопатогенных зон» или из собствен­
ной ванной комнаты, изобрел какие-то совер­
шенно оригинальные микролептоны или скукоI женность пространства и т.д. и т.п. Тяжко!
I

раться, уменьш ить трение, и сп оль­
зовать другие материалы — и мечты
осуществятся. Однако ничего не по­
лучалось...
В 1775 г. Академия наук Ф р а н ­
ции постановляет, что впредь ни­
какие проекты вечных двигателей
-

^

рассматриваться не б уд ут25. Вскоре
1
— — 1 аналогичные постановления прини­
мают патентные агентства других стран. Н у а с утверж дением закона
сохранения энергии вопрос об устройствах, черпаю щ их энергию ни­
откуда, о вечных двигателях первого рода, казалось, отпал навсегда.
Н о тут науку начали захлестывать вечные двигатели второго рода,
которые вовсе не нарушают закон сохранения энергии. И по-видимому,
первый проект рассмотрел... сам М аксвелл — он ведь ум ел шутить!
М ы уж е знаем, что молекулы в газе имею т разные скорости,
больш е и меньше средней, так попробуем использовать эту их о соб ен ­
ность. Возьмем, например, два одинаковых закрытых сосуда с газом
при одной и той ж е температуре и соединим их трубкой, а в трубке
устроим клапан и поставим около него «ст ор о ж а » с таким задани­
ем: если слева подлетает быстрая молекула, то сторож пропускает
ее вправо, а если медленная, то не пропускает; с правой стороны,
наоборот, влево пропускает только медленные молекулы, а быстрые
Стоит отметить, что одновременно Академия приняла и другое постановление:
впредь не будут рассматриваться никакие сообщения о будто бы падающих с неба
камнях (метеоритах), потому что им неоткуда взяться на небе — вспомните поговорку:
«От великого до смешного — один шаг».

128

Раздел II

5. Людвиг Больцман

отгоняет. Таким образом в правом сосуде концентрирую тся быстры е
молекулы, в левом — медленные, т. е. возникает разность температур,
на которой м ож ет работать какое-нибудь устройство, например, тер ­
моэлемент, дающ ий ток.
Итак, если сторож а — их называют «дем онам и М аксвелла» —
будут исправно работать, то м ож но получить вечный источник ра­
боты без наруш ений закона сохранения энергии. П ри этом, правда,
нарушается второй закон термодинамики, т. е. эти самые демоны, про­
водя сепарацию м олекул по скоростям, восстанавливают некоторую
их упорядоченность.
Конечно, детальные расчеты всех возм ож ны х конструкций «д е ­
м онов» показывают, что затраты энергии на них всегда больш е воз­
м ож ны х выигрыш ей от их работы. П оэтом у оба принципа термоди­
намики 26 м огут ф ормулироваться так:
1. Вечный двигатель пер вого рода невозможен.
2. Вечный двигатель вт ор ого рода невозможен.

5. Людвиг Больцман
Теперь от классически ясного гения М аксв ел­
ла нуж но перейти к трагической истории Л ю ­
двига Больцмана (1844—1906), его научного
наследника и продолж ателя. Больцман как бы
явился для того, чтобы создавать проблем ы
для окруж аю щ их и для самого себя, ставить
неразреш им ы е вопросы, создавать парадок­
сы и инициировать вековые дискуссии.
Основная слож ность, с которой столк­
нулся Больцман и с которой ем у приш лось
воевать всю жизнь, — это обоснованность
вероятностного подхода к описанию явлений
природы. И возраж ения его противников психологически были впол­
не объяснимы : физики всегда гордились тем, что их наука мож ет
с лю бо й степенью точности рассчитать все, что м ож ет произойти,
а тут, видите ли, идет разговор о том, что м ож ет произойти почти все
что угодно, и мож но лиш ь оценить вероятности того или иного буду­
щ его состояния — не наука, а какая-то карточная игра (даже сейчас,
26 Заметим, что обычно вводится еще и третий принцип термодинамики: Энтропия
любой системы при абсолютном нуле стремится к нулю. Смысл его в том, что при
абсолютном нуле все движения, зависящие от температуры, должны быть заморожены.
Принцип этот ввел Вальтер Нернст (1864—1941), лауреат Нобелевской премии по химии
(1920).

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

129

Глава 6. Второй закон термодинамики

и притом даж е некоторы е математики, считают вероятность чем-то
нестрогим, ненаучным, приблизительны м ).
П оэтом у мож но сказать, что Больцман поневоле восстал против
старой парадигмы Н ью тона и Лапласа о строгом и всеобъем лю щ ем
характере ф изических законов, позволяю щ ем производить точные
расчеты будущ его. И ем у приш лось выдержать немало битв, но он
не отступал и на одной из последних своих лекций сказал: «Таким
образом, я предстаю перед вами как реакционер, человек отсталый
и, в отличие от лю дей сегодняшних, сохранивш ий верность старым
классическим доктринам».
Вопрос сущ ествования или не сущ ествования атомов бы л в то
время, скорее, вопросом интуиции или веры: прямое доказательство,
как увидим, следует только из работ Эйнш тейна и См олуховского
1905 г. Если атомов нет, то все рассуждения о статистической ф изике
не верны, если ж е атомы сущ ествую т и их действительно так много,
то рассчитывать их характеристики м ож но только статистически.
Больцман всею душ ой поверил в мощ ь выдвинутой М аксвеллом
идеи вероятностного рассмотрения газовых законов (напомним ещ е
раз, что такая идея в первый раз, но на слиш ком ранней ступени
развития как физики, так и теории вероятностей, была предлож ена
Д. Бернулли). П оэтом у он начинает с пересм отра и уточнения макс­
велловского распределения м олекул по скоростям, учитывая при этом
и их потенциальную энергию (распределение Больцмана, 1866).
П ри этом Больцман встречается с такой трудностью: как оп ре­
делить, например, среднее значение скорости молекулы? Здесь есть
ф ормально две возмож ности: м ож но записывать в течение долгого
времени величины скорости одной молекулы, а затем взять их среднее
значение (усреднение по времени), а м ож но в один какой-то момент
времени записать скорости больш ого числа м олекул и так определить
их среднее (усреднение по ансамблю ). Всегда ли эти два метода дадут
одну и т у ж е цифру?
Больцман выдвигает так называемую эргодическую гипотезу (1871):
эти средние значения равноценны! И вот уж е почти полтора века идут
поиски доказательства этой гипотезы — ее справедливость доказана
пока только для некоторых частных случаев: дело в том, что такое пред­
полож ение необходим о не только в кинетической теории газов, оно
является базисны м для практически всех применений теории вероят­
ностей и фактически вы лилось в специальный раздел математики.
В 1872 г. Больцман выдвигает так называемую Н -теорему: он стро­
ит некоторую функцию для неравновесного, т. е. м огущ его изм енять­
ся состояния газа (этим начинается построение неравновесной терм о­

130

Раздел II

5. Людвиг Больцман

динамики, Д О Т О Г О рассматривались I н-теорема Больцмана до сих пор является осно- I
только равновесные состояния), и по- вой построения неравновесной термодинамики
казывает, что эта функция, близкая и Д° сих П°Р вызывает яростные споры, в частк понятию энтропии, со временем мо- ности' в ™слелние
"Р°™в нее и с новой
Z.

_

жет только убывать. В его уравнение В Х О Д И Т производная Э Т О Й функции, И таким образом определяется понятие производства энтропии,
скорости ее роста со временем.
С вое кинетическое уравнение
Больцман вывел из законов механики, а эти законы допускаю т изменение
знака времени, т. е. н
на
рав“
и укли

трактовкой всей проблемы необратимости выступал известный бельгийский физик и физикохимик Илья Романович Пригожин (1917-2003,
родился в Москве, Нобелевская премия по хи-

мии 1977>: он Развимл те°Рию самооргани-

зации сложных систем из хаоса, в том числе
столь сложных, которые привели к возникновению жизни. По теории Пригожина, с которой

далеко не все согласны27, вероятность возникновения, скажем, сложных органических моле­
кул при столкновениях атомов много выше, чем
по т е 0 р ИИ Больцмана, и поэтому отпадает давняя загадка о том, могла ли самостоятельно за[ родиться жизнь на Земле.
|

ной основе можно, зная скорости
и полож ения всех частиц, рассчитать как их поведение в будущем,
так и то, как они себя вели в прошлом. Как ж е из таких обрати­
мых уравнений получается необратим ое уравнение, в котором энтро­
пия только и только растет? И вот вам второй парадокс (парадокс
Дешмидта— Ц ерм ело), фактически следую щ ий из первого: сущ еству­
ет знаменитая теорема возврата Ан ри Пуанкаре (о нем ещ е будем
говорить), согласно которой механическая система долж на — время
не оговаривается — пройти через все состояния, допускаемые зако­
нами сохранения. А Больцман говорит о необратимы х изменениях,
соответствую щ их росту его Н-ф ункции!
Больцману приходится отбиваться — он безусловно верит в спра­
ведливость Второго закона и потом у дает вероятностную трактовку
всем эти понятиям: он определяет энтропию через вероятность со ­
стояний си стем ы 28, т. е показывает как рассчитать сколько разных
возм ож ностей (скоростей и координат) сущ ествует для м олекул газа
при данной температуре. На этой основе он показывает, что Вто­
рой закон носит вероятностный характер: на лекции Больцман кладет
на стол кирпич и вычисляет вероятность того, что все его атомы дер­
нутся в одну сторону и кирпич сам собой полетит вверх.
27 О нынешнем накале страстей в связи с работами Пригожина хорошо говорят
слова известного итальянского физика Карло Черчиньяни в его книге о Больцмане:
«Блестящий стилист, Пригожин пишет фразы, которые могут прийтись по душе фи­
лософам, неспециалистам и, к сожалению, некоторым ученым, но информированных
ученых озадачат».
28 На памятнике, установленном на могиле Больцмана, высечена эта формула, правда
в форме, приданной ей позже Максом Планком (возможно поэтому на могиле М. План­
ка тоже высечена его основная формула).

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

131

Глава 6. Второй закон термодинамики

ГГ"

r

I

Следую щ им предметом возра-

Противники Больцмана считали, что вся приро„
^
1да - это огромная система энергетических по- 1 ж ении против В З Г Л Я Д О В Больцмана
токов, их описание и есть предмет науки, а все является вопрос о тепловой смеростальное излишне (некоторые философы не- ти мира: М Ы уж е говорили, Ч Т О Э Т О Т
брежно, просто по ходу рассуждений и без обос- ВОПрОС возник даж е ранее полной
новании, сообщали, что вообще не стоит говог
™
рить и о материи — есть ведь понятие энергии), ф ормулировки Второго закона терМожно думать, что особой популярности тако- модинамики — когда ж е мир д ол­
го образа энергии способствовало появление ж ен прийти к полном у равновесию,
энергетических и осветительных электрических т 0 R
во в с е х 0ГО ч а с т я х
систем в 1900-х гг., Оствальд даже свою виллу назвал «Энергия». Бойцовский темперамент на установиться одна И та ж е темБольцмана не позволял ему, в отличие от дру- пература и почему до сих пор этого
гих физиков, пропускать мимо ушей нападки Не произош ло? Больцман обходит
на его детище, но они, конечно, расшатывали
п роблем у так: да, конечно, мир
его нервную систему: не раз высказывалась доJ
\
г
гадка, что эти последние битвы и привели его Должен приити к тепловом у рав|к самоубийству.
J новесию, но могут ведь сущ ество­

вать и флуктуации (от латинского
«ф луктуац и о» — колебания), временные случайные отклонения от с о ­
стояния равновесия. Вот весь наш мир и является такой гигантской
флуктуацией — ответ не очень вразумительный, но лучший бы л дан
только в общ ей теории относительности.
И наконец, самая ожесточенная дискуссия, выпавшая на его до­
лю, — дискуссия о реальности существования атомов: в самом начале
X X в. «ги п о теза » существования атомов отнюдь, как это ни странно
выглядит сейчас, не казалась необходимой. М ногим ученым казалось,
и они все ещ е имели на то основания, что б ез нее, без каких-то невиди­
мых составляющих, вполне мож но обойтись: не стоит вводить новые
сущ ности без абсолю тной к том у необходимости (этот принцип назы­
вается «бритвой Оккам а» в честь предложивш его его средневекового
ф илософ а). П оэтом у против нее резко возраж али не только модные
тогда философы, но и знаменитый ф изик Эрнст Мах, и выдающийся
ф изико-химик Вильгельм Оствальд (1853—1932, Н обелевская премия
по химии 1909), автор теории электролитической диссоциации и х и ­
мической кинетики — реальность существования атомов он признал
только в 1908 г., Э. М ах — даже несколько позже.

б. Джозайя Уиллард Гиббс
Человек, который мог бы помочь Больцману в его сражениях, ж и л
по другую сторону Атлантического океана и обладал соверш енно
иным темпераментом — это Дж озайя Уиллард Гиббс (1839—1903). Он
родился и всю ж изнь провел в городке Н ью -Х ейвен (исключая три го­
да учебы в университетах Европы, куда он поехал с сестрами), так что

132

Раздел II

6. Джозайя Уиллард Гиббс

его дом, колледж, где он учился, Й ель­
ский университет, где преподавал,
и кладбище, на котором упокоился,
находились все на расстоянии н е­
скольких сот метров друг от друга.
Ж и л он вместе с двумя бездетны ­
ми сестрами и муж ем одной из них,
бы л исключительно пунктуален, все­
гда идеально аккуратен и д об р о ж е­
лателен. Начинал он с преподавания латыни и только потом получил
кафедру математики, свои работы печатал в местном журнале, кото­
рый почти никто не читал, а известен стал только незадолго до см ер­
ти. Гиббс даже не бы л членом Ам ериканского ф изического общ ества
и никогда не выступал со своими работами на научных совещаниях:
творил он, казалось, только для себя — его ж и зн ь протекала в идеаль­
ной, как сказали бы поэты, «баш не из слоновой кости» — хотя всю
значимость своих работ он великолепно понимал. В отличие от почти
всех современников, Гиббс очень мало писал, так, за целы х 13 лет (с 1890
по 1903 гг.) он написал всего восем ь н ебольш и х статей и одну книгу.
Гиббс стал основателем хим ической термодинамики. Д о него рас­
сматривались лиш ь одноф азны е и однокомпонентны е системы с п о­
стоянным числом частиц, а он сум ел обобщ и ть эти понятия на ш иро­
кий круг систем.
Одним из самых замечательны х его исследований стало прави­
ло фаз (1875—1878). Фазами, по Гиббсу, называются различны е аг­
регатные состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное; число
их, которое одновременно присутствует, — это число терм одинам и­
ческих степеней свободы данной системы. Если ж е имеется см есь
вещ еств (обозначим их число буквой С ), и каждое из них м ож ет при­
сутствовать в разных фазах, то общ ее число степеней свободы си ­
стемы м ож ет быть достаточно больш им (обозначим его число буквой
Р ) . Буквой ж е F обозначим число независим ы х переменных, опи­
сы ваю щ их систем у (это так называемые интенсивны е переменные:
давление, температура, процентны й состав смеси). С этими п ерем ен ­
ными правило фаз Гйббса определяется ф ормулой: F = С - Р + 2.
Посмотрим, что это правило означает. П усть имеется одно вещ е­
ство в единственной ф азе (безразлично — твердой, жидкой или газооб­
разной), т. е. С = Р = 1, тогда его состояние определяется двумя
параметрами, например температурой и давлением, которые могут при­
нимать лю бы е значения. Н о если фаз две (например, вода и лед), то
свободным остается только один параметр, т. е. при заданном давлении

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

133

Глава б. Второй закон термодинамики

I—

— I сущ ествует только одна строго

Гиббс представил свои результаты в очень практичной и удобной для расчетов геометрической форме
(иногда их выделяют в геометрическую термодинамику)/ поэтому его диаграммы до сих пор широко
используются при расчетах свойств сплавов и химических соединении. (Отметим, что его первые труды
по таким диаграммам успел заметить Максвелл, повторил их, использовал в своей работе и очень тепло
^благодарил за них Гиббса незадолго до смерти.)
|

определенная температура, при
которой обе фазы могут находиться в равновесии. А вот если
таки х ф аз
\

г

(
\

™

«

} TQ
гп

никакой свободы уж е нет: есть
единственная комбинация температуры и давления, так назы­

ваемая тройная точка, при которой все три фазы находятся в равновесии (для воды +0,01 °С при
соответствую щ ем давлении).
В 1902 г. публикацией книги «О сн овн ы е принципы статистиче­
ской м еханики» Гиббс заверш ил создание классической статистиче­
ской физики.

7. Броуновское движение: Эйнштейн и Смолуховский
Первые работы Альберта Эйнштейна относятся к статистической фи­
зике: не зная работ Гиббса, он, независимо, к 1904 г. в значительной
степени их воспроизвел. При этом, конечно, полного совпадения
I—
— I и не могло быть. Так например,
| А. Эйнштейн изобрел и запатентовал целый ряд н о- 1 Эйнш тейн вводит, наряду с мевых технических устройств, например (совместно
с Л. Сциллардом) практичный электрохолодильник,
^работающий без электромотора.

-

ханическими степенями свободы, также и электромагнитные
степени свободы: каждое и зо ­
лированное тело долж но содержать такой случайный электрический
заряд, энергия которого в среднем равна, при данной температуре,
энергии лю бой механической степени свободы. На использовании
этих зарядов сначала сам Эйнштейн, а позж е А. Ф. И оф ф е пытались
даже построить электрические генераторы нового типа.
Заинтересовавш ись м олек улярн о-ки н ети ческ ой теорией, Э й н ­
штейн обдумывает, как наглядно доказать существование атомов и мо­
лекул, проводит соответствую щ ие расчеты, а потом узнает, что такое
явление... известно уж е около 80 лет, но до сих пор количественно
не объяснено (качественное объяснение предлож ил ещ е в 1876 г. и з­
вестный физикохимик Р. У. Рамзай).
А история здесь такова. И звестный ботаник Роберт Броун описал
в 1827 г. наблю даемое в сильный микроскоп хаотическое движение
мелких частиц в воде. Началось все с того, что он изучал пы льцу
растений под микроскопом, а для того чтобы она не разлеталась, по­
мещ ал ее в каплю воды. Д виж ение частиц пыльцы доказывало, по его

134

Раздел II

8. Неравновесные процессы: Онсагер

тогдашним убеж дениям, ЧТО она
относится к ж ивотному миру, и
ЧТО растения теряю т способно.

___ _
^

____

____ _ _____ .
^ г

сти к движ ению по мере роста.

„ 1900 г. математик Луи Башелье провел аналоойо]
между броуновским движением и колебаниями цен
на финансовых рынках. В 1923 г. аналогия с броуновским движением позволила Норберту Винеру постро.
к кj
к
ить теорию случайных процессов, сейчас широко приI меняемую в физике, биологии, экономике и т.д.
I

Н о затем ОН реш ил как-то окрасить частички пыльцы и для это- 1
—
— 1
го очень тонко растолок краску, кармин. И вдруг оказалось, что ча­
стицы кармина так ж е «та н ц ую т» в воде, как и клетки пыльцы. Рас­
сказывают, что в поисках объяснения богобоязненны й Броун дош ел
до такого святотатства, что разм олол крош ку м ощ ей какой-то святой,
чтобы исследовать, не дух ли святой вызывает эти движения неж ивы х
частичек. Н о все, абсолю тно все частицы одинакового размера «та н ­
ц евали» одинаково. О бъяснения не было, и Броун так и опубликовал
свое сообщ ение без него.
Точное объяснение последовало только в 1905 г., и дали его в том
знаменательном для науки году А ль б ер т Эйнш тейн и, независимо,
М ариан С молуховский (1872—1917), ученик Больцмана: частички пля­
шут потому, что их хаотично ударяют м олекулы воды, и именно этот
эф ф ект впервые точно доказывает самое сущ ествование молекул. Эту
теорию экспериментально проверил Ж а н Батист П еррен (1870—1942,
Н обелевская премия 1926) и отсюда оп редели л число Авогадро, т. е.
количество атомов в грамм-молекуле вещества, м ассу атомов и т. д.
Так была наконец разреш ена многовековая проблем а непреры в­
ности или дискретности вещества, т. е. показано наличие некоторых
частиц, последних кирпичиков, сохраняю щ их его характеристики. Д а­
лее возникла новая проблема: расщ епление этих самых, казалось бы,
последних «кирпичиков» и вы яснение их структуры и свойств.
Будет ли когда-нибудь заверш ен этот поиск?

8. Неравновесные процессы: Онсагер
Три закона классической термодинамики описывают взаимосвязь м еж ­
ду свойствами систем в состоянии равновесия. В них ничего не го­
ворится о времени или скоростях реакций. Согласно первом у началу
термодинамики (закону сохранения энергии в применении к терм о­
динамическим процессам) энергия одного вида мож ет быть превра­
щена в энергию другого вида, но не м ож ет появляться или исчезать.
Второе начало термодинамики определяет, м ож ет ли та или иная х и ­
мическая реакция происходить спонтанно, и устанавливает энтропию
(меру беспорядка) системы. Третье начало термодинамики описывает
расчет констант равновесия.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

135

Глава б. Второй закон термодинамики

Н о это не исчерпывает всех возмож ностей. Когда, например, х о ­
лодный кусок сахара растворяется в горячем чае, тепло переходит
от горячего тела к холодному, и в то ж е время молекулы сахара рас­
творяются в жидкости. С помощ ью статистической механики, осн о­
ванной на законах движения, Л аре О нсагер (1903—1976, Н обелевская
премия по химии 1968) показал, как одновременно протекаю щ ие р е­
акции влияю т друг на друга, что описывается его соотнош ениями
взаимности. О н также доказал, что соотнош ения взаимности пред­
ставляют собой математический эквивалент более общ его принципа:
скорость возрастания энтропии в связанных необратим ы х процессах
минимальна.
Его теоретическое описание необратим ы х процессов, о п убли ко­
ванное в 1931 г., не бы ло в то время воспринято всерьез. Более того,
когда он представил эту работу в Н орвеж ский технологический ин­
ститут в Тронхейме в качестве докторской диссертации, она была
признана неприемлемой. Н о со времени окончания Второй мировой
войны эти соотнош ения (в настоящ ее время иногда называемые чет­
вертым началом термодинамики) начали получать признание благо­
даря том у значению, какое они имели для физики, химии, биологии
и технологии.
П о сле переезда из Н орвегии в С Ш А в 1928 г. О нсагер бы л на­
значен преподавателем химии в университете в Балтиморе. О бучая
первокурсников, он обнаружил, что не в состоянии читать лекции
на том элементарном уровне, какой для них подходит, и вскоре бы л
уволен. А когда он читал лекции в Университете Брауна в Провиденсе
(штат Род-Айленд), его студенты в ш утку называли этот курс «первы й
норвеж ский услож ненны й ». П осле ликвидации долж ности, которую
он занимал, Онсагер поступил работать на химический факультет
Й ельского университета, но вскоре администрация обнаружила, что
у него нет степени доктора ф илософ ии. Х им ический факультет пред­
лож ил, чтобы Й ельский университет присудил О нсагеру эту степень
за новую статью, где он излагал математические обоснования своих
исследований слабы х электролитов. Каф едры хим ического и ф и зи че­
ского факультетов заявили, что они недостаточно компетентны, чтобы
оценить эти тезисы, и передали их на математический факультет. Толь­
ко в 1935 г. О нсагеру была присуждена докторская степень по химии.
Свои знаменитые соотнош ения он первоначально не публиковал,
а написал их во время доклада на доске: они цитировались ещ е до вы­
хода статьи.

Глава 7

Волновая оптика

1. Корпускулы или волны?
В главе о Н ью тоне мы упом янули о его теории света как потока очень
малых частиц, «к ор п уск ул» (в переводе с латыни — частичка). Еще
ранее Р. Гук пытался объяснить свет как бы стры е колебания, распро­
страняющ иеся в какой-то среде, но он не см ог вывести отсюда законы
отраж ения и прелом ления и объяснить появление разных цветов.
Христиан Пойгенс восхищ ался экспериментальной стороной ра­
бот Н ью тона по оптике, но резко вы ступил против их объяснения
как потока корпускул. П ойгенс выставляет такие возраж ения против
теории Ньютона:
1) если свет — это поток корпускул, то он не м ож ет распростра­
няться прямолинейно в среде, так как корпускулы долж ны испы ­
тывать отклонения, притяж ения к частицам среды;
2) если свет — это поток корпускул, то два пучка света не могли бы
свободно пересекаться, проходить друг через друга — корпускулы
долж ны бы ли бы друг с другом взаимодействовать29.
А в п о льзу волновой теории, по Пойгенсу, говорит то, что:
1) огонь и его пламя светятся, но они, очевидно, состоят из быстро
колеблю щ ихся частиц, которы е могут, вследствие своих колеба­
ний, возбуж дать волны, поэтом у и свет долж ен быть волновым
процессом;
2) свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предме­
ты, т. е. разъединять их части, приводить их в движ ение относи­
тельно друг друга, и это «слу ж и т убедительны м признаком движ е­
ний, по крайней мере, для истинной ф и лософ и и ». Эти и схож ие
аргументы, говорит Пойгенс, показывают, что «н ель зя сомневать­
ся в том, что свет состоит в движ ении какого-то вещ ества».
29 Интересно заметить, что оба эти возраж ения сейчас могут быть сняты. О ба яв­
ления: «п ри тяж ение» к частицам вещества и влияние двух потоков друг на друга —
существуют, но становятся заметными только при очень больш их интенсивностях, в те
времена недостижимых. Так что критика Гкойгенса, в принципе, неправильна!

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

137

Глава 7. Волновая оптика

Теперь, естественно, возникает вопрос: что это за вещество, точ­
нее, что это за среда, колебаниями которой передаются световые
волны? Световы е волны м огут рассматриваться по аналогии со звуко­
выми волнами, но звук — это известно со времен Отто фон Герике —
не проходит через пустоту, а свет — проходит! П оэтом у необходим о
предполож ить сущ ествование какой-то особой, очень тонкой мате­
рии, эфира, заполняю щ его всю Вселенную, волны в котором и явля­
ются светом.
Как ж е возникают волны в эфире? Гюйгенс начинает с рассмот­
рения пламени. Каждая горящая частица, каждая колеблющ аяся точка
Гсуществование некоего эфира

п о с т у л и ^ ]

вали еще философы Древней Греции. Напомним, что в ходе становления физики
неоднократно вводили разные «тонкие ма"
к
« к
. терпи» для объяснения тепловых, электриI ческих и магнитных явлений.

пламени заставляет колебаться частиЦЫ окруж аю щ его эфира, т. е. создает

свою собственную волну, а каждая ча_

-

_

__________

стица эфира, которой достигла эта вол^

^

^

г

п

на. начинает в такт с ней колебаться
и поэтом у становится, в свою очередь,
центром другой, меньш ей волны. П оэтом у волновое движение распро­
страняется так же, как распространяется пламя, от частицы к частице
с помощ ью вторичных (сф ерических) волн. Сейчас мы сказали бы,
что энергия каждой из последую щ их волн очень мала, но так как эти
волны приходят со всех точек первоначальной волны, то они сум ­
мируются у нас в глазу — это и есть главный принцип, введенный
Гюйгенсом: в итоге слож ения всех вторичных волн остается только
их огибающ ая (как бы суммирующ ая их импульсы).
При таком подходе уж е нет необходимости в световых лучах,
пропадает наглядность изображ ения луча как прямой линии, но Гюй­
генс выводит на основе своего принципа слож ения вторичных волн
законы отражения и прелом ления волн.
К азалось бы, по аналогии со звуком, содержащим разные часто­
ты, и анализом, проведенной ещ е Пифагором, Пойгенс долж ен бы л бы
рассмотреть так разные цвета (наше ухо раскладывает звуки по их то ­
ну, т. е. по частоте, призма аналогично раскладывает белы й свет), но он
не считает свою теорию универсальной и пишет, что «явлен и е окра­
шивания остается ещ е весьма таинственным из-за трудности объ ясн е­
ния этого разнообразия цветов с помощ ью какого-либо ф изического
механизма». П оэтом у он вообщ е не рассматривает проблемы цвета.
Зато Гюйгенс сум ел рассмотреть такое явление. В 1669 г. Эразм
Бартолин из Копенгагена обнаружил, что луч света, проходящ ий ч е­
рез кристалл исландского известкового шпата, раздваивается — один
из этих лучей позднее бы л назван обыкновенным, а второй — н е­
обыкновенным, причем сущ ествует только одно направление, вдоль

138

Раздел П

2. Томас Юнг

которого такого разделения не происходит (открытие двойного луч е­
прелом ления полож ило начало новом у направлению исследований —
кристаллооптике). Повторяя наблю дения Бартолина, Гюйгенс обнару­
ж и л чрезвычайно важную их особенность: обы кновенный луч, выпу­
щ енный из одного кристалла и пущ енны й в направлении необы кн о­
венного луча второго кристалла, полностью им гасился, и наоборот,
в направлении обы кновенного луча не проходил необыкновенный.
Тогда Гюйгенс решил, что световым волнам нужно, в отличие от зву­
ковых, приписать ещ е одну характеристику — у них есть «разн ы е
стороны ». Н о это замечание Гюйгенса, сделанное как-то мимоходом,
скоро бы ло забыто.
Теории Н ью тона и Гюйгенса приводили к различным результа­
там для скорости света в среде: согласно Ньютону, она долж на была
возрастать при переходе в б олее плотную среду, а по Гюйгенсу, —
убывать. Н о до возмож ности провести такие изм ерения бы ло ещ е
далеко, и авторитет Н ью тона пока побеждал.
Однако постепенно накапливались факты, не укладываю щ иеся
в корпускулярную теорию . К одном у из них вело дальнейш ее и з у ­
чение двойного лучепрелом ления некоторы х кристаллов, которое ч е­
рез много лет после Гюйгенса начал Этьен Л уи М а лю с (1775—1812),
выпускник знаменитой П оли техн и ческой ш колы в Париже, и н ж е­
нер-капитан, активный участник наполеоновских войн. Как-то раз
в 1808 г. он сидел под вечер в Л ю ксем бур гском саду, крутил в руках
прихваченный зачем-то из института больш ой прозрачный кристалл
известкового шпата и рассматривал через него дворец. Н о тут блесн ул
отраж енный от окна солнечны й луч, М алю с инстинктивно заслон и л­
ся от него кристаллом и вдруг заметил, что при поворотах меняется
интенсивность проходящ его ч ерез него света, а при некоторы х у г ­
лах поворота появляется второе и зображ ен и е Солнца. Дома, вращая
кристалл, он начал рассматривать отраж ение пламени свечи от воды
в тазике. Той ночью он понял, что у света долж на быть ещ е одна ха­
рактеристика, от которой зависит прохож дение света через кристалл,
интенсивность его отраж ения и т. д.
Так бы ло открыто явление поляризации света и установлен закон
М алю са, определяю щ ий поляризацию отраж енны х световых лучей.

2. Томас Юнг
А вторитет Ньютона, подкрепленны й впечатляю щ ими достиж ениями
науки X V III в., бы л столь велик, особен н о в Англии, что выступить п ро­
тив каких-либо из его утверж дений мог ли бо дилетант, не связанный
догматами стандартного образования, ли бо бунтарь по натуре. (Как

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

139

Глава 7. Волновая оптика

писал С. И. Вавилов в известной биограф ии Ньютона: «В о всех спорах
И. Н ью тон неизменно выходил победителем, даж е в тех случаях, когда
он бы л совсем не прав».) П оэтом у опроверж ение корпускулярной т ео ­
рии света выпало на долю дилетанта Т. Ю нга и мятеж ного О. Ф ренеля.
Томас Ю нг (1773—1829) экспериментировал не только со светом,
но и с самим собой: он бы л убежден, что не сущ ествует узко направ­
ленной талантливости и, видимо, реш ил доказать это своей жизнью.
Явный вундеркинд, он в 2 года бегло читал, в 4 цитировал наизусть
английских классиков, к 8 годам овладел проф ессией токаря, к 14 —
высшей математикой (притом, по книге Нью тона), вы учил м нож е­
ство языков. Затем Ю нг начал изучать медицину, но не успокоился
и во время учебы в Геттингенском университете выступал под псев­
донимом в цирке, вольтижируя на конях и балансируя на проволоке.
Ю нг писал музыку, играл на всех инструментах (и зобрел и изготовил
новые), получал призы как танцор на балах, писал картины и стихи
(выставлялся и печатался), взялся за расш иф ровку египетских и ер о­
глифов и добился некоторых успехов (используя его результаты, эту
работу довел до конца Ж . Ф. Ш ампольон).
г~ ~

I

Теория трехцветного зрения почти полтора века
оставалась умозрительной, хотя, после Гельмгольца, и общепринятой. Экспериментально доказать ее удалось только к концу XX в., когда стало возможным определить спектр света,
отражаемого сетчаткой: оказалось, что он действительно состоит только из трех цветов.

I

В 21 год он бы л избран членом
Королевского общ ества за С В О И работы по строению и работе глаза:
он открыл свойства хрусталика из,

менять свою кривизну, т. е. фокусI ное расстояние, и аккомодировать­
ся (приспособляться) к разглядыва­
нию предметов на разных расстояниях. П оэтом у он установил причи­
ны близорукости и дальнозоркости, а также астигматизма. П озж е Ю нг

изучает анатомическое строение сетчатки и выдвигает теорию трех
видов чувствительных колбочек глаза и, соответственно, трехцветную
теорию зрения, усоверш енствованную затем Г. Гельмгольцем.
Д алее Ю нг занимается акустикой, оптикой, механикой — он уточ­
нил закон Гука и ввел понятие модуля сжатия и растяжения тел («м о ­
дуль Ю нга» в теории упругости). Его интересую т зоология и астро­
номия. К ром е того, он объясняет особенности зем летрясений появле­
нием волн, которые затем были названы сейсмическими, руководит
изданием «М ор ск о го календаря» — справочника для моряков, рабо­
тает советником по мерам и весам при парламенте, а в 1826 г. выводит
ф ормулу для составления таблиц смертности, необходимы х в страхо­
вом деле.
Н о осн овн ы е его д ости ж ен и я связаны с акусти кой и оптикой.

140

Раздел II

2. Томас Юнг

Как музыкант Ю нг знал, что г ~
В О З М О Ж Н Ы усиления и ослабления звука, которы е нуж но учитывать при оркестровке. Н о знания эти ограничивались у музы-

J

J

„

Получив степень доктора медицины и став обладателем небольшого наследства, Юнг открывает маленькую частную клинику, в которой работает до конца
жизни, совмещая эту работу со всеми увлечениями.

I

В " едицине Юнга интересовали проблемы лечения
туберкулеза, он занимался изучением функционироВания сердца, работал над созданием классификации болезней.
I

кантов практическими указаниями по взаимному располож ению исполнителей в оркестре,
по настройке инструментов в зависимости от того, как они звучат
в различны х сочетаниях, и т. п. Ю нг реш ил впервые количественно
исследовать вопрос усиления и ослабления звука при налож ении зву­
ковых волн, прямой и отраж енной — тут, видимо, понадобился его
абсолю тны й слух и ум ение создавать чистые тона. Д ля обозначения
этого явления он предлож ил терм ин интерференция (от латинских
«и н т е р » — меж ду и «ф е р е н с » — переносящ ий) и объясн и л его сло ­
ж ением (суперпозицией) колебаний.
Явление это казалось парадоксальным: звук гасит звук в некоторых
точках пространства! Н о ведь звук переносит с собой энергию —
куда ж е девается эта энергия? Оказывается (Ю нг ещ е не мог это из­
мерить, такие измерения смог осущ ествить лиш ь Гельмгольц через
полвека), если в какой-то точке интенсивность звука убывает до нуля,
то в точке максимума она возрастает не в два, а в четыре (!) раза. Закон
сохранения энергии выполняется не по отдельным точкам пространства,
а только если рассмотреть сумму энергий по некоторой поверхности.
В 1801 г. он реш ает проверить возм ож ность существования ана­
логичной интерф еренции света (мож ет ли свет гасить свет?), но для
этого нуж ны две точно одинаковые волны — как их создать? Создать
два одинаковых источника зву- ГГТЛЛ, 1Л
„
„

I

I В 1807 Юнг выпускает «Курс лекции по натуральИ0% фИЛОсофии и механическому искусству» в двух
томах (он читал его с 1801 по 1803 в Королевском
обществе), где обобщил результаты своих иссле___________________
л„ ж
дований по физической оптике, впервые рассмотисточника света — это удалось м
<
J
рел механическую работу как величину, пропорциотолько к концу X X в. с помо- нальную энергии, и предложил термины «энергия»
щ ью тщ ательно отрегулирован- |и «физическая оптика».
|

ка не так уж трудно
достаточНО хорошего музыкального слуха, а вот два точно одинаковых

ных лазеров.
Однако Ю нг находит гениальное реш ение (1802): в темном экра­
не прокалывается острием тонкой булавки крохотное отверстие —
проходящ ий через него световой поток расш иряется в конус, конус
этот делится пополам тонкой проволокой и таким образом получаются
как бы два источника. Н о на экране они даю т не два отдельных и зо б ­
ражения, а накладываются друг на друга — возникает система темных

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

141

Глава 7. Волновая оптика

и светлых полос (Гримальди и Н ью тон использовали гораздо больш ие
отверстия: свет, проходящ ий через них, становится уж е некогерент­
ным, как бы теряет свою однородность, и это уменьш ает его способ­
ность интерферировать). В следующ ем, ещ е более тонком экспери­
менте Ю нг создает два отверстия на миллиметровом расстоянии друг
от друга, они освещ аются монохроматическим светом через призму,
и на втором экране исследуется налож ение световых пучков, прош ед­
ших через отверстия. Эти два световых потока действительно интер­
ферируют, т. е. в одних местах усиливают, а в других гасят друг друга
так же, как звуковые волны. Ю нг делает вывод: свет — это волны!
В 1803 он попытался объяснить дифракцию света, высказал ги­
п отезу о поперечности световых колебаний, открыл интерф еренцию
ультраф иолетовы х лучей. П оскольку в интерф еренционны х картин­
ках, которые Ю нг получал с лучами разного цвета, расстояния меж ду
темными и светлыми полосками были разными, то он впервые смог
измерить длины волн света разных цветов.
Но... никто в А нглии ем у не верит — здесь царит культ Н ью то­
на и корпускулярная теория! Подтверждение теории Ю нга пришло
из Франции, вековечного соперника Англии.

3. Огюстен Френель
О гю стен Ф р ен ель (1788—1827), дорож ны й инж енер по специальности,
бы л убеж денны м роялистом, т. е. противником Наполеона. П оэтом у
после возвращ ения императора с острова Эльба в 1815 г. он бы л
уволен со служ бы и отправился в городок Матье, где на доступном
ем у оборудовании занялся исследованием тени от разных предметов,
т. е., говоря языком физики, явления дифракции света.
Повторяя, по сути дела, опыты Гримальди X V II в., но с более тон­
кими предметами, он сравнивал особенности тени, отбрасываемой
проволокой, находящ ейся на пути лучей, и обнаруж ил образование
полос (темных и светлых) не только снаружи, но и внутри этих т е­
ней. При этом оказалось, что тень (точнее, полутень) от прямого края
экрана не содержит таких полос. Отсюда Ф р ен ель заключил, что внут­
ренние полосы образую тся при налож ении света, огибаю щ его прово­
лок у с двух сторон, т. е. переоткры л принцип интерференции, никак
не укладывающ ийся в рамки корпускулярной теории.
Ф р ен ель быстро пишет две короткие заметки о своих наблю де­
ниях, посылает их в Академию наук, и в том ж е 1815 г. (Н аполеон
разбит при Ватерлоо и гонения на роялистов кончились) его пригла­
шают в Париж рассказать об этих экспериментах.

142

Раздел II

3. Огюстен Френель

Вскоре произош ло прим ечательное событие: по окончании вой­
ны возобновились заграничные поездки ученых, и известный ф изик
Д оминик Ф рансуа Араго поехал в Лондон. Здесь он присутствует в го­
стях у Томаса Ю нга и рассказывает том у об опытах Ф ренеля. Ю нг
внимательно слуш ает и только согласно кивает головой, но его жена
выходит из комнаты, приносит и раскрывает перед гостями книгу
мужа: французы с удивлением видят рисунки, почти буквально сов­
падающие с теми, что они принесли показать, и которыми хотели
удивить Ю нга!
П олучив книги Юнга, Ф р ен е ль модиф ицирует его опыт: он разде­
ляет световой поток на два не с помощ ью ды рочек в экране (они каж ­
дый раз получались разн ы м и ), а специальны ми устройствами — двумя
зеркалами с очень малым углом м еж ду ними или двумя слегка раздви­
нутыми призмами. Эти устройства («зер к а ла Ф р е н е л я » и «би п ри зм а
Ф р е н е л я ») позволяю т строго количественно изм ерять особенности
процесса интерф еренции. Таким образом, волновая теория мож ет
уж е проверяться не только на истинность вообщ е (верна она или
не верна), но и количественно, во всех подробностях.
И Ф р ен е ль — в отличие от Ю нга у него солидная математическая
подготовка — принимается за теорети ческое обоснование волновой
гипотезы Гюйгенса. В основу своего подхода он кладет принцип ин­
терф еренции: в каждую точку на пути волны приходят элементарны е
волны, возбуж денны е всеми точками предш ествую щ ей огибаю щ ей,
но их импульсы направлены под углом друг к другу; Ф р ен ель склады­
вает все эти импульсы (они интерф ерирую т) и в результате получает
суммарный импульс, направленный по ход у луча, т. е. доказывает,
что принцип Гюйгенса (отны не он именуется принципом Гюйгенса—
Ф рен еля ) действительно объясняет прям олинейное распространение
света.
Теперь он м ож ет строить понятные геом етрические картинки:
на огибаю щ ей чертятся маленькие кружочки с радиусом, равным д ли ­
не волны, и рассматривается, как эти кружочки складываются друг
с другом. П ри этом становится, например, ясно, что если отверстие
в экране столь мало, что в нем м ож ет поместиться только один кру­
жок (зона) Ф ренеля, то он уж е ни с чем интерф ерировать не будет,
и потому свет от такого отверстия равномерно пойдет во все сторо­
ны — это диффракция на предельно малом отверстии. Теперь можно
рассмотреть отверстие величиной в две, три и т. д. зон Ф р ен еля и рас­
считать, даж е геометрически, как будет распределена интенсивность
света на экране. Если ж е отверстие меньш е такой зоны Ф ренеля, то
вторичная волна на нем вообщ е образоваться не может, и свет как

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

143

Глава 7. Волновая оптика

будто вообщ е через него не пройдет — этот вопрос, кстати, не столь
прост, он исследуется и сей ч а с30.
В 1818 г. Ф р ен ель представляет свою теори ю дифракции на кон­
курс Париж ской академии наук по теории света (на конкурс представ­
лены также работы великого математика П. Лапласа и других по кор­
пускулярной теории). Во время доклада А раго в академии о работах
Ф рен еля по волновой теории знаменитый математик С. Д. Пуассон
заявил, что если Ф р ен ель прав, то в центре тени шарика на экране,
при некотором удалении, долж но было бы, вследствие слож ения оги ­
баю щ их волн, появиться светлое пятно, что, конечно же, невозможно.
Страсти так накалились, что вызвали швейцара, взяли у него вместо
шарика больш ую пуговицу, подвесили ее на нитке и провели опыт.
На экране появилось светлое пятнышко! Волновая теория мгно­
венно победила! П о единодуш ному предлож ению комиссии, Акаде­
мия наук присудила премию Ф рен елю , а в 1823 г. он бы л избран ее
членом.
П осле этого Ф р ен ель переш ел к исследованию явлений поляриза­
ции света, которые не объяснялись корпускулярной теорией. Ф р ен ель
начал с попыток добиться интерф еренции двух лучей, обы кновенного
и необыкновенного, но ничего не получалось — лучи вели себя так,
будто они соверш енно различны. Ф р ен ель упорствовал, придумывал
новые и новые схемы опыта, однако ем у никак не удавалось добиться
интерф еренции этих лучей.
Эта неудача ещ е в 1815 г. натолкнула Ам пера на мы сль о том,
что колебания эфира происходят в двух плоскостях перпендикулярно
направлению луча, и он предлагал Ф р ен елю ее проверить, но Ф р е ­
нель все ещ е старался доказать, что световые волны, как и звуковые,
являются продольными.
Звуковые волны — это волны сжатия и разрежения, которые
распространяются в среде вдоль направления звука. Однако если
резко ударить, например, по длинном у ж елезн ом у стерж ню (рель­
су), то внутри него побегут продольны е волны, а по поверхности —
поперечные, то же самое мож но наблюдать, бросив камень в воду,
только здесь поверхностны е волны ясно видны, а продольные, по л и ­
нии падения камня, заметить слож нее. Итак, звук может возбуж дать
поперечные волны, но только вдоль свободных поверхностей. Н о ведь
30 Теория Ф ренеля очень приблизительна, а расчеты дифф ракционны х картин —
одна из самых сложны х проблем современной теоретической физики. Во второй поло­
вине X X в. выделилось даже особое направление исследований — квазиоптика, которая
рассматривает оптические явления, объяснимые геометрическими лучами, к которым
добавляются некоторые диффрагированные, т. е. огибающие препятствия лучи.

144

Раздел II

4. Скорость света и проблема эфира

эф ир казался непрерывной средой, поэтом у как-то естественнее ка­
залось придумать продольны е волны в нем.
Юнг, узнав в 1817 г. об опытах Ф р ен еля и А раго с поляризован­
ным светом, так ж е начал думать о поперечны х колебаниях, но они
казались ем у понятием чисто фантастическим, бессм ы сленны м с п о­
зиций механики, к которой старались, вводя волны, свести оп ти ку
И только в 1821 г. Ф рен ель, проверив все возм ож ности и не найдя
другого пути интерпретации поляризационны х явлений, реш ился при­
нять теорию поперечности колебаний. Гипотеза поперечности смогла,
как детально показал сам Ф рен ель, объяснить основны е свойства по­
ляризованного света.
Однако из поперечности колебаний следовало, что эфир, эта тон­
чайшая и невесомая «м атер и я», долж ен одновременно быть тверж е
стали, так как только такие твердые тела м огут передавать попереч­
ные колебания. Гипотеза Ф р ен еля представлялась почти безумной.
И даж е его друг и защитник Ф. А р а г о 31, человек см елы й (он в 1815 г.
собрался бы ло беж ать с Н аполеоном от англичан в прерии Америки,
к индейцам), ф изик без научных предрассудков, не наш ел возм ож ­
ным разделить ответственность за эту странную ги потезу и отказался
подписать представленную Ф р ен елем статью.
С 1821 г. Ф р ен е ль продолж ал свой путь в одиночку, и это бы л
путь, полный побед.
П о теории Ф ренеля, эф ир заполняет всю Вселенную и пронизы ­
вает все тела. Когда световая волна переходит из эфира в пустоте
в эфир, содержащ ийся в теле, или наоборот — из тела в пустоту, то
на поверхности раздела часть волны (зависящая от длины волны, п о­
ляризации и угла входа) проходит, а часть поворачивает обратно — это
знаменитые ф ормулы Ф ренеля, которы е сохранили свой вид до на­
ш их дней применительно к не слиш ком мощным световым потокам.

4. Скорость света и проблема эфира
Волновая теория Гюйгенса— Ю нга— Ф р ен еля казалась столь полной,
что довольно долго даже не возникало мысли о необходим ости ее
прямой проверки путем изм ерения скорости света в разных средах.
Однако А раго не успокаивался, и по его инициативе были все ж е про­
ведены измерения скорости света в воде и в воздухе: А. И. Л. Ф и зо
31 Ф ран суа Араго написал «Б иограф ии знаменитых астрономов, физиков и геомет­
р о в » {Араго Ф. Биограф ии знаменитых астрономов, ф изиков и геометров: В 2 т. М.:
РХД, 2000).

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

145

Глава 7. Волновая оптика

(1819—1893) и Ж . Б. Л. Ф ук о (тот, который показал с помощ ью маятни­
ка вращ ение Земли) провели, соответственно, в 1849 и 1850 гг. такие
измерения. Скорость света в воде составила 2/3 от скорости света
в воздухе в полном соответствии с волновой теорией.
Победа, одержанная Ю нгом и Ф ренелем , казалась полной, но она,
как всегда в науке, поставила новую проблему: а что такое эфир?
Основной ф илософ ской предпосылкой физики X IX в. бы л по­
стулат о том, что все ф изические явления представляют собой лиш ь
различны е проявления одной и той ж е сущ ности — это идея «ед и н ­
ства ф изических си л». Пусть для распространения света приходится
вводить некую среду, эфир, но этот эфир долж ен обладать определен­
ными механическими свойствами, и нуж но их выявить.
Первое, что сразу бросается в глаза, — это вопрос о движении
планет сквозь эфир: сколь бы тонок он ни был, но определенное
сопротивление движ ению эфир, если он неподвижен, долж ен оказы ­
вать, т. е. все небесны е тела долж ны в нем замедляться, а сам эфир
от этого трения нагреваться! Н о ведь замедление не наблюдается?
И что такое нагревание эфира?
А мож ет быть, эфир увлекается движущ имися телами, например
Землей, и потому вместе с ней вращаются и какие-то слои эфира?
В эти годы разрабатывались многочисленные теории эфира, м ож ­
но сказать, что ни один ф изик-теоретик второй половины X IX в.
не прош ел мимо этой проблемы. П остепенно становилось ясно, что
без экспериментальных исследований проблема не разрешима: н уж ­
но выяснить хотя бы, увлекается эфир Землей в ее вращении или нет.
В статье «Э ф и р » в девятом издании Британской энциклопедии
М аксвелл пишет, что ли бо планеты увлекаю т с собой эфир, ли бо
проходят сквозь эфир, «как вода проходит через ры боловную сеть,
которую тянет за собой лодка». Для разреш ения проблемы нужно,
по его мнению, измерить скорость солнечного света при движении
прибора на Земле навстречу лучу, т. е. ранним утром (скорости света
и Земли долж ны складываться) и в полдень, когда скорость вращения
Земли перпендикулярна направлению лучей.
Этот эффект, однако, долж ен быть очень слабым: по расчетам
М аксвелла, разница долж на быть порядка квадрата отношений скоро­
сти Земли к скорости света в пустоте, т. е. порядка одной стом иллион­
ной от скорости света, от 300000 км/с! (Представьте себе измерение,
скажем, расстояния от М осквы до П етербурга с точностью до одной
десятой толщ ины человеческого волоса!)
Честь постановки подобных опытов, слож нейш их и точнейш их
для своего времени, и реш ения этой проблемы принадлежит А льб ер ту

146

Раздел II

4. Скорость света и проблема эфира

М айкельсону, посвятившего В С Ю | Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931, Нобелев-1
жизнь разработке и созданию ская премия 1907, первая в США) родился в Рос­
все более и б олее точны х опти­ сии, в раннем детстве был перевезен в США. Отец
содержал придорожную харчевню в Калифорнии,
ческих приборов.
там один из постояльцев объяснил любознательно­
М айкельсон начал свои и з­ му, но очень бедному юноше, что он может полу­
мерения скорости света в 1878 г. чить бесплатно высшее образование, если обратит­
и уточнил их, после изобретения ся к президенту США. Майкельсон прошел пешком
нового прибора (звездный интер­ из Калифорнии в Вашингтон, зарабатывая по доро­
ге работой на огородах. Президент У. Грант, которого
ферометр М айкельсона), в 1887 г. юноша подстерег на прогулке, добился специального
в исследованиях, проведенных решения Конгресса о приеме Майкельсона на учебу
совместно с химиком Э. У. Мор- в Морскую академию за государственный счет. В пе­
риод учебы он отличался в науках, успехи в судово­
ли (1838— 1923) — поэтому знаме­
ждении были ниже. После нескольких лет службы
нитый эксперимент часто назы ­ на флоте Майкельсон в 1881 г. был отправлен в бес­
вается опытом М айкельсона—
срочный отпуск для продолжения научной работы.
М ор ли (М айкельсон уточнял его Помимо известного опыта Майкельсон смог впер­
вые измерить радиус звезды (Бетельгейзе, 1920),
и дальше, последние измерения
выявить тонкую структуру спектральных линий, соон провел
в 1923 г.).
.■^здать
зталон
метра
д.* i\
К теории
*
м 111 D wоптический
ii I
a iu / iv n m
v ip n и
n т.
i « ft
а«У | / п л отно-,
v in y - .
Опыт дал отрицательный ре- |сительности сам он относился скептически.
зультат: скорость света во всех
направлениях постоянна и равна 300 000 км/с! Получалось, что ско­
рость Земли не добавляется и не вычитается из нее — результат
полностью противоречил всем имевшимся теориям.
А как ж е тогда быть с эфиром?
Преж де чем начать разбираться с этим вопросом, нам нуж но
вернуться к развитию учения об электричестве.

Глава 8

Электродинамика Максвелла

1. Дальнодействие и близкодействие
Д о Ньютона, точнее до его закона Всемирного тяготения, принима­
лось, что все процессы взаимодействия тел сводятся к их прямому
контакту: ударило одно тело другое — вот вам и взаимодействие, да­
ж е зрение сводилось то ли к ощупыванию предмета лучом из глаза,
то ли к попаданию в глаз каких-то частиц. Это были типичные теории
близкодействия.
Теория тяготения Ньютона ввела совершенно иные представления:
две массы притягиваются друг к другу безо всякого контакта, через пус­
тое пространство — никакая среда между ними не нужна. При этом под­
разумевается, что если бы (правда, неизвестно как) одна масса измени­
лась, то вторая немедленно на сие изменение откликнулась бы. Это —
теория дальнодействия, «действия на расстоянии» без посредников.
Сам Н ью тон понимал неопределенность такого подхода и шат­
кость единственного аргумента — ф ормулы для силы Всемирного
тяготения. Он писал: «Н епонятно, каким образом неодушевленная
косная материя, без посредства чего-либо иного, что нематериально,
могла бы действовать на другое тело без взаимного прикосновения.
< ...> Э т о мне кажется столь больш им абсурдом, что я не представляю
себе, чтобы кто-либо, владеющий способностью компетентно мыслить
в области вопросов ф илософ ского характера, мог к этом у прийти».
Н о к началу X IX в. появились добавочные «аргум ен ты ». Зако­
ны Кулона для сил взаимодействия м еж ду электрическими зарядами
и магнитными полюсами (они первоначально рассматривались в пу­
стоте) имели такой ж е вид, что и закон Всемирного тяготения: каза­
лось, что никакие промеж уточны е посредники не нужны, силы мгно­
венно передаются через пустоту — дальнодействие и только.
Такой ж е вид, ни от чего в промеж уточной среде не зависящий,
имели формулы, выведенные А м пером для взаимодействия токов. П о ­
этому теория (точнее, парадигма) дальнодействия, которая была при­
нята не сразу, но закрепилась со временем в умах, стала догматом,
от которого нелегко отойти.

148

Раздел II

1. Дальнодействие и близкодействие

Напомним, однако, что закон Кулона бы л ранее него открыт,
но не опубликован Генри Кавендишем, который выяснил, что сила
взаимодействия меж ду зарядами зависит от свойств пром еж уточной
среды. П озднее, независимо, это открытие бы ло повторено Ф араде­
ем, который ввел специальную характеристику среды — диэлектри­
ческую проницаемость.
И еще: в электростатике Кулона были неподвижные заряды, в элек­
тродинамике А м пера ф игурировали лиш ь постоянные токи, т. е. К у­
лон и А м п ер не рассматривали явлений, обусловленны х ускорением
зарядов. А Ф арадей начал изучать и другой класс явлений: изменения
электрического тока со временем, I уже через год после открытия в 1831 г. явления I
т. е., на современном языке, явления, электромагнитной индукции (кстати, в том году
о б у с л о в л е н н ы е ус к о р ен и ем (точ- Р°АИЯСЯ Максвелл) Фарадей передает в КороJ

нее, изм енением направления скорости) зарядов.
Фарадей вводит понятие элекЛ

___

трического поля, т. е. чего-то пром еж уточного в пространстве меж д у зарядами, которое м ож но еделать В И Д И М Ы М С П О М О Щ Ь Ю порошка из кристалликов диэлектрика —

левское общество запечатанный конверт с надписью «новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского
общества». Конверт этот был вскрыт в 1938 г.,
через 106 лет, и как оказалось, Фарадей уже тогдаР в а832 г., ясн0 предсгавлял себе, что индуктивные явления распространяются в пространстве с некоторой (большой) скоростью, причем

в виде воян' п0 анаяогии с распространением
звука и света.
Фарадей, видимо, хотел, как еще было принято

в поле порош инки выстраиваются
в силовы е линии (в магнитном поле для такой визуализации нуж ны

ждения оставить за собой честь открытия этих
волн: он писал, что «в настоящее время, на-

в £яучае )КСпериментального подтвер.

ж елезн ы е опилки). Вначале Ф ара-

£КОЯЬКО мне извес™°' никто из *ченьи,х' кроме
меня, не имеет подобных взглядов». Но откры-

деи даж е считает эти силовы е ли- I тие еМу не удал0СЬ/ и письмо осталось в архиве.
нии вполне реальными: он говорит ■—
—
об их натяжении, сж имании ими поля и т.д. (Кстати, несмотря на
свою условность, такая терм инология сохранилась до сих пор.)
Н о теперь нуж но бы ло как-то формализовать, обобщ ить громад­
ный экспериментальны й материал, накопленный, в основном, Ф ара­
деем, и увязать его с математическим аппаратом электродинамики
Ам пера и ее развитием великими математиками — Лапласом, Гаус­
сом, П уассоном, Коши.
М а к свелл так писал о Фарадее: «М о ж е т быть, для науки явля­
ется счастливым обстоятельством то, что Ф арадей не бы л собствен ­
но математиком, хотя он бы л в соверш енстве знаком с понятиями
пространства, времени и силы. П оэтом у он не пытался углубляться
в интересные, но чисто математические исследования, которы х тр е­
бовали его откры тия», зато он «см о г согласовать идеи с открытыми

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

149

Глава 8. Электродинамика Максвелла

им фактами и создать, если не технический, то естественный язык
для выражения своих результатов».
Такие проблемы, как развитие идей близкодействия, требовали
работы теоретика. Без такого обобщ ения, даже восхищ аясь экспери­
ментальными результатами Фарадея, ф изики не могли принять идей
близкодействия и новой парадигмы своей науки — понятия электро­
магнитного поля.

2. Великие уравнения
Теория Максвелла — это уравнения Максвелла.

Генрих Герц
С электрическими явлениями М аксвелл столк­
нулся в раннем детстве при устройстве в за­
городном доме системы фантастических для
того времени электрических звонков и, со ­
гласно письмам матери, необычайно ими за­
интересовался. Далее, при чтении научной
литературы, огромный интерес вызвали у н е­
го наглядные картинки силовых линий Ф ара­
дея — они отвечали картинному, геом етри­
ческом у представлению явлений, свойствен­
ному Максвеллу, и поэтом у естественными стали поиски симметрий
в этих представлениях, попытки их упорядочить, выливш иеся в си ­
стем у уравнений.
Система четы рех уравнений, выводу которой М аксвелл посвя­
ти л почти половину своей короткой жизни, исследуется уж е почти
полтора века. Говоря об этой системе, Лю двиг Больцман приводил
восторж енные слова Фауста: «Н ачертан этот знак не Бога ли рукой?».
Им посвящены десятки, если не сотни тысяч, научных работ, на их
основе созданы домашняя и промыш ленная электротехника и элек­
троника, радио- и телевизионная техника, компьютеры с Интернетом,
и конца потоку их применений не видно.
М ы не будем выписывать эти уравнения, но рассмотрим их смы сл
и постараемся понять, как М аксвелл их вывел (точнее, будем говорить
о некоторой их модификации, проведенной Г. Герцем и О. Хевисайдом,
но для нас этот вопрос не сущ ествен ). О бы чно уравнения М аксвелла
записывают в определенном, хотя и не канонизированном, порядке.
Н о мы начнем с более простых из них, относящ ихся к статическим
полям.

150

Раздел II

2. Великие уравнения

Третье уравнение иногда на­ | Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) — величайший
зывается теоремой Гаусса: из это­ математик первой половины XIX в., современни­
го уравнения вытекает закон К у ­ ки называли его королем математики. В области
физики Гаусс вывел основную теорему электроста­
лона и его обобщения на лю бое
тики (1839), создал первую систему физических
количество неподвижных зарядов, единиц (CGS или СГС, от названий сантиметр-граммрасположенных произвольным об­ секунда), построил вместе с В. Э. Вебером первый
разом, а также закон сохранения электромагнитный телеграф, пришел к мысли о ко­
нечной скорости распространения электромагнитных
электрического заряда. При этом
взаимодействий (1845), но не опубликовал ее.
I
из него следует, как установил Л а ­
плас, что закон Кулона выполняется в том и только том случае, если
пространство имеет три измерения — эта проблема, проблема разм ерно­
сти пространства, как увидим, возникает в современной космогонии.
Ч етвертое уравнение схож е с третьим, но относится к магнит­
ным полям, и из него следует магнитный закон Кулона. А по ф орме
записи его отличие от третьего уравнения состоит в том, что маг­
нитных зарядов не существует, есть только парные полюса, которые
в сумме как бы компенсируется, и поэтом у м ож но было бы сф орм у­
лировать закон их «сохран ен и я »: в лю бом замкнутом пространстве
общ ее количество «сев ер н ы х » полю сов равно количеству «ю ж н ы х »
(их обозначаю т как N и S ).
Великий ф изик X X в. П о ль Дирак (подробнее о нем н и ж е 32) счи­
тал, что одним из критериев истины является красота математических
выражений, и поэтому четвертое уравнение ем у не нравилось — ка­
кое-то оно несимметричное. Н у а так как ещ е одним эвристическим
аргументом в поисках истины м ож ет служ ить выражение «все, что
не запрещ ено, мож ет сущ ествовать», то в 1931 г. он выдвинул гипотезу
о существовании частиц нового типа, магнитных монополей, облада­
ю щ их только одним полю сом. И если в обы чной электродинамике
сущ ествую т только электрические заряды, а магнитные полю са в оз­
никают (попарно!) при их движении, то монополи Дирака, только N
или только S, долж ны при движении вызывать появление двух (про­
тивополож ны х) электрических зарядов. С тех пор неустанно ведется
поиск монополей (почти все другие предсказания Дирака сбы лись) —
очень уж красивой станет теория, если они появятся, но, возможно,
для этого нуж ны более мощ ные ускорители — работа пока продол­
жается, так как запреты их существования тож е не выявлены.
Второе уравнение М аксвелла — это обобщ ен и е закона электро­
магнитной индукции Фарадея: оно показывает, что изм енение магнит­
ного поля создает вихревое электрическое поле, а такое поле в зам кну­
32 См.: Перельман М . Е. О т кванта до темной материи. Раздел I. Глава 4.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

151

Глава 8. Электродинамика Максвелла

том проводнике и является электрическим током. При этом уравнение
учитывает и закон Ленца, так как электрический ток, в свою очередь,
порож дает вторичное магнитное поле (это уж е согласно первом у урав­
нению), которое противодействует изм енению своего «прародителя»,
основного магнитного поля — это как бы инерция, как будто совокуп­
ность полей противодействует всем возможным изменениям. На са­
мом деле это уравнение, как и первое, является векторным, т. е. мож ет
быть записано в виде трех уравнений, относящ ихся к трем простран­
ственным координатам по-отдельности, но запись с помощ ью векто­
ров и компактнее, и позволяет лучш е понять его смы сл — это заслуга
Гиббса и Хевисайда, которые ввели такие удобные обозначения.
П ервое уравнение включает в себя закон Ампера, т. е. показывает,
что лю бой электрический ток создает вокруг себя вихревое магнит­
ное поле, но сверх того здесь содержатся наиболее глубокие открытия
М аксвелла. О но показывает, что долж ен существовать эффект, о б ­
ратный закону электромагнитной индукции Фарадея: не только ток,
но и изменение электрического поля, даже в отсутствие тока, долж но
порождать вихревое магнитное поле. Так, например, если электриче­
ские заряды колеблю тся около своих полож ений равновесия, то то ­
ка — в среднем — нет, но наряду с этим переменным электрическим
полем долж но возникать и перем енное магнитное поле. Это перем ен ­
ное магнитное поле долж но вызвать в проводнике, пусть простран­
ственно удаленном, переменный ж е электрический ток, тот опять со ­
здаст магнитное поле и т. д., т. е. эти самые первичные колебания д олж ­
ны, возможно, постепенно затухая, распространяться в пространстве!
Но так как подобные передачи возмущ ений (в ф изике изменения
стационарных равновесий, особенно если они небольш ие и не п о­
стоянные, называют возмущ ениями) происходят в пустом прост ран­
ст ве, то значит они передаются через эфир. Это тот ж е эфир, что
введен для световых волн, или какой-то другой?
Фарадей ранее показал, что электрическое поле вызывает в ди­
электрике, например меж ду пластинами конденсатора, появление д о­
бавочного поля, а мож ет быть, возникает и ток смещ ения (название
связано с тем, что в поле заряды в теле могут колебаться и смещаться
друг относительно друга, среда мож ет поляризоваться). Н о тут появ­
ляется ещ е как бы добавочный «ток см ещ ения», и происходит это
в пустоте, где нет никаких зарядов.
И тут сразу, конечно, возникает вопрос: а с какой скоростью
передается этот ток смещения, эти колебания эфира от тела к телу?
В уравнение входит постоянная, определяю щ ая скорость п ер е­
дачи тока смещения, и тут — совсем уж неожиданно! — оказалось,

152

Раздел II

2. Великие уравнения

что для совпадения с известны- |Максвелл тратит много сил и времени на создание I
ми и хорош о проверенными за- механических моделей единого эфира с вращающиконами названная постоянная мися шестернями и сложными передачами между
_
г

__________ними — никому психологически не удается полнос
стью избавиться от полученных в детстве и юности
рости света в пустоте.
представлений... Но надо работать, и еще в 1858 г.
Значит ли это, что свет то- в одном из своих стихотворений (они не предназна-

доджна численно равняться скоп

же является электромагнитным
-

чались к печати) Максвелл пишет:
«Если все мы в покое пребудем,

колебанием, что в нем присут- смысл бытия навсегда пропадет,
ствуют электрическое и магнит- А спокойными — в камне мы будем,
ное поля, непрерывно перехо- |Когда радость со смертью уйдет» 33.
дящие друг в друга? Единствен­
ным на тот момент экспериментальным фактом в п ользу такого пред­
полож ения мог служ ить эф ф ект вращ ения плоскости поляризации
света в магнитном поле, открытый Фарадеем: магнитное поле не м ог­
ло бы влиять на свет, если м еж ду ними нет ничего общ его.
Н о при таком распространении полей оказывается, что направле­
ния напряж енностей и электрического, и магнитного полей перпен­
дикулярны направлению своего распространения, т. е. мало того, что
уравнения дают реш ения в виде волн с той ж е скоростью — электро­
магнитное поле распространяется в пространстве, как и свет, в виде
поперечны х волн.
Убеж денный в универсальности своих уравнений, М аксв елл пи­
шет, что «св ет есть электромагнитное в озм ущ ен и е» (1865). Точно
так же, как сущ ествую т излучения световые, долж ны существовать
и «и злучения электромагнитны е» — дальнодействия больш е нет, по­
ля, введенные Фарадеем, осущ ествляю т все электромагнитны е взаи­
модействия, оптика является частью электродинамики. (Заметим, что
такое заклю чение на основе лиш ь равенства численны х значений
скоростей не является строгим. П оэтом у данное заклю чение нуж но
считать гениальной догадкой М аксвелла, подтверж денной экспери­
ментально много позж е.)
Н о главное им сделано — в ф изике стало на одну сам остоятель­
ную дисциплину меньше, введена новая парадигма, парадигма поля
Ф арадея— М аксвелла, явившаяся образцом для развития всех п осле­
дую щ их полевы х теорий, основы соврем енной физики. И как сам
М аксвелл писал о других: «Всякий великий человек является един­
ственным в своем роде. В историческом шествии учены х у каждого
из них своя задача и свое определенное м есто», — это место остается
за Д ж еймсом Клерком М аксвеллом навсегда.
33 Цит по кн.: Карцев. В. М аксвелл. (Ж З А . № 539.) М .: М олодая ГЪардия, 1974.

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

153

|

Глава 8. Электродинамика Максвелла

3. Генрих Герц
В 1820 г. Ф еликс Савар (1791 — 1841), военный хирург, переклю чивш ий­
ся на занятия физикой, совместно с Ж аном-Батистом Био (1774—1862)
сразу после сообщ ения Эрстеда установил закон, определяю щ ий на­
пряж енность магнитного поля прямого тока. А в 1826 г. он обнаруж ил
странное явление: если разряж ать лейденскую банку через катушку
с проволокой, внутри которой помещ ены стальные иголки, то иголки
намагничиваются — это естественно, но некоторые из них намагни­
чиваются в разные стороны. К этом у наблю дению Савара в 1842 г.
вернулся Дж. Генри: оказалось, что если брать длинны е иголки, то они
намагничиваются в одном направлении, а вот мелкие — иногда в раз­
ных направлениях. Почему?
Ответ дался не так легко: в конце концов Генри понял, что един­
ственная возмож ность объяснения состоит в том, что ток в катушке
переменный — конденсатор разряжается, затем перезаряжается в о б ­
ратном направлении, снова разряж ается и т. д., но каждый такой цикл
проходит с потерей энергии (он думал только о потерях на нагрева­
ние), т. е. с затуханием. Степень намагничивания иголок зависит от их
длины и поэтому некоторые из них могут сохранять свою намагни­
ченность при перемене направления тока, а часть перемагнитится
в обратном направлении.
Теорию таких колебательны х процессов в колебательном кон­
туре (конденсатор, закороченный на катушку) начал разрабатывать
в 1847 г. и уточнил в 1869 г. Герман Гельмгольц.
Отметим, что в 1877 г. М аксвелл пишет о Гельмгольце статью,
восторгаясь его ролью в открытии и утверждении закона сохранения
энергии и его работами по акустике. С толь ж е друж ественно относит­
ся и Гельмгольц к Максвеллу, но по-иному — к его электродинамике:
в развитых Гельмгольцем теориях электролитических ячеек, диспер­
сии света в области поглощ ения и даже разряда в колебательном
контуре сущ ествование поля, как ем у кажется, не является н еобхо­
димым. П оэтом у Гельмгольц хочет проверить, точнее, опровергнуть
теорию М аксвелла экспериментально и поручает это своему новому
ученику.
Им стал Генрих Рудольф Герц (1857—1894), блестящ ий исследова­
тель, проф ессор уж е в 28 лет (отметим, что Герц долго сомневался
в своих возмож ностях и даже два года проучился на инж енерном от­
делении, но потом все ж е переш ел на физику).
Герц осущ ествляет тончайший для своего времени эксперимент:
делаются два абсолю тно тож дественных устройства — круглый виток

154

Раздел II

3. Генрих Герц

провода, на концах которого при­
креплены две параллельны е пласти­
ны, образую щ ие конденсатор (виб­
ратор Герца).
Если этот конденсатор быстро
зарядить, то он начинает разряж ать­
ся через кольцо. Ток разряда в коль­
це — переменный: он нарастает, а за­
тем убывает, создавая перем енное
магнитное поле, которое возбуж дает в кольце ток Ленца, текущ ий
в противополож ном направлении — конденсатор перезаряжается, по­
сле чего начинается новый цикл. Н о поскольку при прохож дении тока
неизбеж ны потери хотя бы на нагрев, то вся последовательность цик­
лов очень быстро затухает.
И вот Герц, регулируя расстояние м еж ду пластинами конденсато­
ра, добился того, что когда такой колебательны й процесс происходил
в одном вибраторе, то одновременно он начинался, резонансным о б ­
разом, во втором вибраторе, находящ емся от первого на определен­
ных расстояниях (это явление регистрировалось по искорке, проска­
кивающ ей во втором конденсаторе). Таким образом, Герц осущ ествил
передачу радиоволн от излучателя (передатчика) и их прием р езо ­
нансным приемником. А проведенные при этом измерения длин волн
излучения (у его вибраторов — в районе 60 см), определение их поля­
ризации, свойств отражения, прелом ления и т. п. явилось фактически
не только подтверж дением теории Максвелла, но и началом радио­
техники как науки (1888)34.
Подтвердив теорию Максвелла, Герц так охарактеризовал ее:
«Н е л ь з я изучать эту удивительную теорию , не испытывая по вре­
менам такого чувства, будто математические ф ормулы ж ивут со б ­
ственной ж изнью, обладаю т собственным разумом — кажется, что
эти формулы ум нее нас, ум нее даж е самого автора, как будто они
дают нам больш е, чем в свое время бы ло в них залож ен о».
Изучая теорию М аксвелла, Герц как гениальный ученый переде­
лы вал и переписывал ее в соответствии со своими взглядами и вку­
сами. Знаменитый ф изик М акс Борн позднее справедливо говорил
34 В 1895 г. Петр Николаевич Лебедев (1866— 1912) смог осуществить такие экспери­
менты на волнах длиной в 6 и 4 мм. Н о еще больш ее значение имели его эксперименты
1899 и 1907 гг., в которых он смог непосредственно измерить давление света на газы
и твердые тела, т. е. доказал, что световые (электромагнитные) волны несут с собой
не только энергию, но и импульс. (Сейчас проводятся эксперименты по созданию «с в е ­
товых парусов» для движения космических кораблей этим давлением.)

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

155

Глава 8. Электродинамика Максвелла

I Рассказывают, что когда один из студентов I ° «новом обосновании» Герцем максспросил Герца: «Какое практическое значе- ведловской теории электромагнитного
ние имеет Ваш эксперимент?» — профес- поля, о том, что он придал ей закон-

I

сор пожал плечами и скаэал: «Никакого».
Если бы ему довелось прожить дольше,
то, возможно, Герц нашел бы практическое
применение своему открытию, но получилось так, что оно было осуществлено через
год после его кончины. Первая телеграмма, отправленная по «беспроволочном? телеграфу» А. С. Поповым, состояла из двух
с
л
о
в
: «Генрих Герц». Его именем названа
единица частоты герц, а электромагнитные
волны долго назывались «волнами Герца».

ч е н н ы й м а т е м а т и ч е с к и й о б л и к . ТаК | о н

уточнил вывод волнового уравнения из
уравнений М аксвелла и задумался над
такой, казалось бы, ф ормальной про~

блемои: пеРвые Ава Уравнения, как мы
говорили, векторные, т. е. каждое из них
может быть разложено на три уравнения _ всего имееМ шесть уравнений,

I соответствую щ их двум векторам, на­
пряженностям электрического и магнитного полей. Н е слишком ли
это много, ш есть уравнений? Для описания волн нуж но ведь только
три или четыре, и Герц придумывает такую величину (вектор Герца),
через который можно проще, хотя и не во всех случаях, записать
систему Максвелла. Этот путь продолж ал развиваться и дальше: при­
думывались новые величины, с введением которых уравнения ста­
новились проще. Одна из таких величин, так называемый векторпотенциал, стал основным в квантовой электродинамике. Н о подоб­
ные методы все ещ е продолжали считаться математическим трюком.
И вдруг, в 1959 г. Якир Ааронов (р. 1932) и Давид Бом (1917—1994)
теоретически показывают, что этот самый вектор-потенциал — чисто
формальная, как казалось — конструкция, долж ен проявлять весьмд
необы чны е свойства: в некоторой области, где и электрическое и маг­
нитное поля равны нулю, но сам он от нуля отличен, на электроны
должны действовать некоторые силы — его траекторию, например,
они долж ны заворачивать. Все эти предсказания подтвердились экс­
периментально: оказалось, во-первых, что уравнения М аксвел \а дей­
ствительно, как говорил Герц, «ум н ее их создателей», а во-вторых,
что разделение электромагнитного поля на два составляю щ их поля,
электрическое и магнитное, не является единственно возможным.
I—
— I
П о ходу работы, Герц ещ е
| Герц равно владел как теорией, так и навыка
- 1 выяснил что заряд конденсатеобходимыми для экспериментатора. В одном из писем он писал: «За день можно придумать опытов
и работ больше, чем сделать за год», — а в другом: «Я тружусь совершенно так же, как фабричный
рабочий, потому что я тысячу раз повторяю каждое
движение руки. Так, я часами только и делаю, что
сверлю отверстия одно подле другого, гну жестяные
| полосы, потом часами лакирую их и так далее».
|

156

г

Ра возрастает при его освещ ении ультраф иолетом — так бы л
открыт внешний фотоэффект,
к несча
ген и альн ы й
физик безнадеж но за болел (туберкулез тогда не лечился) и д ол­
жен бы л оставить эксперимен-

Раздел II

4. Хендрик Антон Лорентц

тальную работу. Во время болезн и он см ог реш ить исклю чительно
важную теоретическую задачу: доказал, что, в отличие от подхода
Ньютона, всю механику мож но построить б ез введения понятия силы.
Генрих Герц б ы л всесторонне талантлив. В ш кольные годы он
отличался выдающимися способностям и к языкам: помимо древних
и основны х европейских языков он так глубоко усвои л арабский, что
его настойчиво уговаривали посвятить себя ориенталистике. На п о­
хоронах его наставник в токарном искусстве сказал, что он не знает
каким Герц бы л физиком, но в его ли це мир потерял гениального т о ­
каря и мастера...

4. Хендрик Антон Лорентц
Уравнения Максвелла ничего не говорят о стро­
ении вещества, в котором происходят элек­
тромагнитные процессы (сам М а к св елл уста­
новил только, что диэлектрическая проницае­
мость вещ еств долж на совпадать с квадратом
их показателя преломления). Связь этих урав­
нений со свойствами среды последовательно
начал выявлять голландский ф изик Х ендрик
А нтон Л орентц (1853—1928).
П ервой его работой в этом направлении
стало установление связи м еж ду показателем
преломления вещ ества (отнош ение скорости света в пустоте к скоро­
сти света в среде) и его п оляризуем остью : чем больш е поляризуем ость
и плотность среды, тем больш е времени световые волны долж ны за­
трачивать при своем прохож дении ч ерез среду на эти процессы и п о­
том у тем меньш е будет их скорость (1878).
П о иронии истории, это ж е соотнош ение несколько ранее и вне
теории М аксвелла установил датский ф изик Л ю дви г Валентин Л о ­
ренц (1829—1891). П оэтом у полученный результат называется ф орм у­
лой Л ор ен ц — Лорентца. С учетом уравнений М аксвелла, ее м ож но
переписать для диэлектрической проницаемости, и тогда она совпа­
дет с известной ранее в теории электричества ф орм улой К лаузиуса—
М оссоти. Такое совпадение, кстати, ещ е раз подтверждает главное
открытие М аксвелла — электром агнитную природу света.
Основным в этом соотнош ении представляется то, что оно следует
из предполож ения (тогда это бы ло только предполож ением ) о нали­
чии в среде заряж енны х частиц, которы е м огут колебаться (в т е о ­
рии К лаузиуса— М оссоти предполагалось лиш ь см ещ ение зарядов).

Неувядающая классика: от Ньютона до Максвелла

157

Глава 8. Электродинамика Максвелла

С 1880 г. научные интересы Л орентца связаны главным образом с ки­
нетической теорией газов, описывавшей движение молекул, и с уста­
новлением соотнош ения м еж ду их температурой и средней кинетиче­
ской энергией. Получив в этой области ряд важнейш их соотнош ений
и уяснив для себя возможности описания наблю даемых свойств ве­
ществ через особенности движений и взаимодействий молекул, он,
естественно, реш ает пойти аналогичным путем и в электродинамике.
Лорентц принимает предположение Джорджа Стони (1874) о том,
что должны существовать какие-то элементарные заряженные частицы,
для которых Стони в 1891 г. придумал слово «элек тр он ». Но как увя­
зать сущ ествование таких частиц с уравнениями М аксвелла? К 1892 г.
Лорентц решает, что если эта гипотеза справедлива, то нуж но прямо
из нее и из существования атомов (что ещ е предстояло доказать, но он
в этом уж е уверен) вывести основны е уравнения: если такой вывод
получится, то будет доказано сущ ествование электронов, п олож итель­
ных и отрицательных (Лорентц пока их всех называет электронами).
Он выводит фундаментальную формулу, определяю щ ую силу воз­
действия магнитного поля на движ ущ ую ся заряж енную частицу (сила
Лорентца). Эта сила, в частности, определяет, как отклоняются заря­
женны е частицы, испускаемые Солнцем, в магнитном поле Земли,
и описывает тем самым полярные сияния. А если предположить, что
электрический ток и есть движ ение электронов в проводнике, то рас­
смотрение их движения с учетом магнитного поля ведет к закону
Ампера.
Так Лорентц строит электронную теорию, уравнения которой на­
зывают сейчас уравнениями Л орентца— М аксвелла, и которая, при
усреднении по всем частицам, переходит в униф ицированную систе­
му уравнений М аксвелла.
Н о электронная теория мож ет вести и к другим, новым р езуль­
татам. Введенные Л орентцем электроны могут, если они находятся
в атомах, колебаться в них. А каждый колеблю щ ийся электрический
заряд долж ен излучать электромагнитные волны той ж е частоты, что
и его частота колебаний. И м енно эти частоты, утверж дает Лорентц,
долж ны определять спектральные линии Фраунгоф ера. Н о как это
доказать?
И Лорентц решает, что в магнитном поле к собственным колеба­
ниям электронов долж ны добавляться колебания, вызванные полем.
Энергии этих колебаний долж ны складываться, когда электрон колеб­
лется в направлении поля, и вычитаться, если колебания происходят
в противоположном направлении. П оэтом у каждая спектральная ли-

158

Раздел II

4. Хендрик Антон Лорентц

ния долж на в магнитном поле раздвоиться, а расстояние м еж ду ком­
понентами долж но быть пропорционально прилож енном у полю.
Такой эксперимент ставит в 1896 г. П итер Зееман (1865—1943, от­
метим, что он — сын деревенского священника — только в 27 лет смог
поступить в университет) в том ж е Л ейденском университете: теория
полностью подтверждается, компоненты разделенны х линий поляри­
зованы в полном соответствии с предсказаниями теории, и Зееман
делит с Л орентцем Н обелев ск ую прем ию 1902 г. «в знак признания
выдающ егося вклада, который они внесли своими исследованиями
влияния магнетизма на излучен и я». Эф ф ект Зеемана (у Л орентца
слиш ком много достижений, чтобы к каж дому добавлять его имя) яв­
ляется с тех пор одним из самых известны х в физике.
К азалось бы, теперь естественно повторить такой ж е экспери­
мент в электрическом поле, однако И оганн Ш тарк (1874—1957, Н о б е ­
левская премия 1919) проводит его лиш ь в 1913 г. — несколько более
слабое расщ епление спектральных линий в электрическом поле
называется эффектом Штарка.
Н о перед Лорентцем маячит

I

Хотя г д л о р е н т ц

$ыл «чистым» теоретиком, именно

I

ему после ухода на пенсию правительство доверило
научную подготовку гигантского (аналогичного нет

■ миРе д0 сих П0Р!> пРоекта 0СУшени" залива 3юдеР-

зее, и проект, значительно увеличивший территорию

еще более сложная проблема —
был успешно и в срок осуществлен. (Это
проблема эфира: что это такое, ка- не единственный пример, начисто опровергающий
ковы его свойства? П очему опыт |мнение о непрактичности ученых.)
|
Майкельсона— М орли дает такой
противоречивый результат? И Л орен тц принимает в 1904 г. странное,
казалось бы, но единственно возм ож ное объяснение — независимо
от него к такому ж е объясн ен и ю приш ел и Д ж ордж Ф. Ф итцдж еральд
(1851 —1901) — все тела сокращ аю тся в направлении своего движ е­
ния, время, с ростом скорости, начинает течь медленнее, и величина
этого сокращ ения зависит от скорости движения (соответствую щ ие
ф ормулы Эйнштейн, их обосновавш ий, называет преобразованиями
Лорентца).
В это ж е время такие идеи высказывает и гениальный ф ран­
цузский математик А нри Пуанкаре (1854—1912), но, как и Лорентц,
он не вкладывает в них ф изического содержания: для него эти пре­
образования (в несколько расш иренной ф орм е их часто называют
преобразованиями Пуанкаре) — не более чем математический трюк,
вызванный обстоятельствами. И м енно поэтом у автором теории отно­
сительности является все ж е один лиш ь А ль б ер т Эйнштейн.

Раздел I I I

Наблюдать, чтобы изобретать:
от электронов к электротехнике

Глава 1

Спектры, электроны, атомы

1. Фраунгоферовы линии
П о преданию, юный неграмотный углеж ог из лесов Ш варцвальда Й о ­
зеф Ф раунгоф ер (1787—1826), впервые попавший в город, неожиданно
увидел витрину аптеки со стеклянными шарами, заполненны ми кра­
сочными жидкостями. Эта картина так его поразила, что он не вер­
нулся к наследственной проф ессии приготовления древесного угля,
а остался в городе, освоил в 13 лет грамоту, выучился и стал оптикоммехаником, затем руководителем, а потом и владельцем оптической
мастерской, а в 1823 г. даже проф ессором М ю н хен ского университета.
Ф раунгоф ер усоверш енствовал способы варки стекол различны х
видов, что улучш ило качество оптических приборов, а также придумал
новые способы обработки оптических линз, и зобр ел и построил н о­
вые приборы: первый спектрограф, ахроматический микроскоп и т.д.
В отличие от Ф ренеля, он изучал дифракцию не на круглых отвер­
стиях, а на системе щ елей (дифракция Ф раунгоф ера), что позволило
ем у создать дифракционные реш етки — ими проводить разлож ение
света в спектр удобнее, чем п р и зм о й *.
С о времен Ньютона нередко в солнечном спектре, если его удава­
лось широко развернуть, замечали какие-то темны е линиии, но их при­
писывали дефектам призм. Первым наличие постоянных черны х л и ­
ний в солнечном спектре отм етил в 1802 г. У. X. Волластон (1766—1828):
1 Разложение в спектр, соответствующее дифракции Ф раунгоф ера, легко наблю ­
дать смотря под малым углом, почти касательно, на граммофонную пластинку или, еще
проще, на лазерны й диск для компьютера. Бороздки на них соответствуют отражатель­
ной диф ракционной решетке.

160

Раздел II I

2. Спектральный анализ

он наблю дал спектр Солнца, образуем ы й щ елями в оконном ж а лю ­
зи — это давало б олее четкий спектр, чем призма Ньютона. В 1822 г.
астроном Д ж он Ф . Герш ель обнаруж ил, что если внести в пламя со ­
ли некоторы х металлов, то в спектре пламени ясно видны такие ж е
линии. Н о только соверш енны е оптические приборы, построенны е
Ф раунгоф ером, позволили утверждать, что эти темны е линии, н аблю ­
даемые в спектре Солнца, не являю тся дефектами аппаратуры.
С 1814 по 1824 гг. Ф раун гоф ер записал сотни этих тем ны х линий
в спектрах Солнца и звезд, отраж енного света Л уны и других планет,
а также изм ери л длины волн этих линий — с тех пор они называются
ф раунгоферовыми.
Оказалось, что эти линии им ею т свои строго определенны е места
в лю бом спектре, т. е. они как-то характеризую т то ли само вещество,
то ли процессы, которы е происходят в пламени или в среде, через
которую свет проходит. Однако дальнейш ее исследование этих линий
требовало уж е проф ессионализма, которого у Ф раунгоф ера не было.

2. Спектральный анализ
Густав Роберт К ирхгоф (1824—1887) занимался обобщ ен и ем закона
Ома на слож ны е разветвленны е цепи, но главным его интересом были
загадочные ф раунгоф еровы линии, плохо различим ы е при р а злож е­
нии света обы чными призмами того типа, которым пользовался ещ е
Н ьютон. Н о в 1857 г. он п олучил превосходную призму, отш лиф ован­
ную самим Ф раунгоф ером , и в этот ж е день вместе со своим дру­
гом химиком Робертом Вильгельм ом Бунзеном (1811 — 1899) принялся
выяснять связь м еж ду тем ной ли н и ей солнечного спектра, которую
Ф раунгоф ер обозначил буквой D , и яркой п олосой на том ж е месте
при горении вещества, в состав которого входил натрий. Оказалось,
что если пропустить солнечны й свет ч ерез сосуд с парами натрия,
то известная темная линия в ж елтой части спектра становится ещ е
тем нее — так что мож но думать, что ее появление связано с о со ­
бенностями именно натрия. П ри этом о бе линии, темная в спектре
поглощ ения и светлая в спектре испускания, оказались точно на од­
ном месте. В этот ж е вечер К и рхгоф сф орм улировал свой знаменитый
закон: каж дое тело в нагретом состоянии излучает те длины волн, ко­
торы е оно поглощ ает в холодном состоянии.
С 1859 г. К ирхгоф и Бунзен совм естно занялись систематическим
исследованием этих линий. Б унзен к том у врем ени и зо б р ел знам ени­
тую, и сп ользуем ую и сейчас газовую горелку, даю щ ую яркий и, глав­
ное, белый, почти б ез ли ний свет, а такж е фотометр, позволяю щ ий

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

161

Глава 1. Спектры; электроны, атомы

измерять силу света на различны х длинах волн, и разработал м ето­
ды газового анализа. Кирхгоф разработал и построил спектрограф,
позволяю щ ий делить видимый спектр на 30 тыс. частей и с такой
точностью определяю щ ий м естополож ение линий спектров.
Сотрудничество двух учены х (чуть ли не впервые — физика и х и ­
мика) оказалось чрезвычайно плодотворным. Изначальная гипотеза,
по-видимому, была такой: каждому хим ическом у элем енту долж ен со ­
ответствовать свой набор спектральных линий. П оэтом у измерения,
которые они проводили, долж ны были носить следую щ ий характер.
Берется химически чистый элемент, например, натрий, и превращ а­
ется в пар. Ч ер ез этот пар в холодном состоянии пропускается белы й
свет и раскладывается в спектр — на призме или на дифракционной
решетке. В ж елтой части спектра фиксируется наличие двух интен­
сивных и близких линий поглощения. Затем этот газ нагревается и сам
становится источником излучения — в его спектре фиксируются две
линии излучения в ж елтой области с такими ж е длинами волн, что
и в спектре поглощения. (Сейчас для подобных исследований выпус­
кают «спектрально чистые вещ ества», тогда, конечно, несмотря на все
искусство Бунзена, приходилось работать с «гря зн ы м и » образцами —
брать разные соединения, скажем, натрия и отыскивать линии, по­
вторяющ иеся во всех соединениях.)
Уж е через два дня после отладки спектрометра были открыты
два новых элемента: цезий и рубидий — их линий не было в общ ем
каталоге. П озж е именно таким образом, но сперва на Солнце, в его
спектре, бы л обнаруж ен элем ент гелий. А проведя так бесчи слен н ое
количество измерений (у ж елеза, например, десятки линий в видимой
области спектра) Кирхгоф и Бунзен доказали, что каждому хим иче­
скому элем енту соответствует свой набор линий: в холодном состоя­
нии это линии поглощения, а в нагретом — линии испускания.
Таким образом, Кирхгоф и Бунзен создали мощный метод и ссле­
дования веществ — спектральный анализ (1859): по крупинке вещ е­
ства в доли миллиграмма теперь можно установить какие элементы
присутствую т в этом образце, а по относительной яркости линий —
их процентное отнош ение (криминалисты могут, например, сказать
из золота какого месторождения сделано изделие — в каждом из них
свой набор примесей).
Спектральный анализ оказался востребованным в астроф изике
не только для выяснения состава звезд. Д ело в том, что во время пол­
ного солнечного затмения мож но видеть на краю диска явления, про­
исходящ ие в солнечной ф отосф ере, наружной его части — грандиоз­
ные протуберанцы, но такие затмения слишком редки. А тут оказалось,

162

Раздел II I

2. Спектральный анализ

что поскольку фотосфера более х о ­ | Один очень характерный эпизод истории науки: |
лодная, то в ней возникают темные известный и популярный философ Огюст Конт
линии поглощения, и поэтому м ож ­ (1798-1857), создатель позитивизма, учения,
требующего не отвлекаться на задачи, заведо­
но на соответствующих длинах волн
мо не решаемые, к числу именно таких задач
фотографировать ф отосф еру и при относил исследование химического состава не­
ярком Солнце: «теперь у нас все дни бесных тел — и писал он об этом буквально
полное солнечное затм ени е» — т е ­ за год до возникновения спектрального анали­
за, с блеском решившего «принципиально нелеграф ировали на радостях К и р х ­
| решаемую» проблему.
|
гоф у из индийской обсерватории.
И ещ е один эффект, нашедший применение в астрофизике: ока­
залось, что спектры некоторы х звезд целиком сдвинуты в красную
или ф иолетовую области. Эти сдвиги мож но бы ло отнести только
к движ ению самих источников (эф ф ект Д оплера) и по их величине
вычислить скорости движения звезд, точнее — компоненту скорости
в направлении наблю дателя (дальше мы расскажем о роли этого эф ­
фекта в к осм ологи и 2).
Спектр излучения Солнца не ограничивается видимой частью.
М ы уж е говорили, что великий астроном У. Гершель пом естил за крас­
ным концом спектра зачерненный шарик терм ом етра и показал, что
он эффективно нагревается — так бы ло открыто инф ракрасное и з­
лучение. А в 1840 г. его сын, астроном и ф изик Дж. Гершель, при­
дум ал остроумный способ «ф отограф ирования» этой части спектра:
он покры л полоску бумаги клеем с копотью и см очил ее спиртом —
если направить на эту бум агу солнечны й спектр, то чем интенсивнее
та или иная его часть, тем бы стрее на ней идет испарение. Таким
образом, по степени влаж ности м ож но судить об интенсивности и з­
лучения, но реш ить проблем у наличия в этой части спектра линий
удалось много позж е. (С лож ности возникали потому, что обычные
фотоматериалы не ф иксирую т уж е красную часть спектра, а тем б о ­
л ее инфракрасную; именно поэтом у в ф отолабораториях до сих пор
пользую тся красными светильниками.)
В 1801 г. Волластон показал, что за ф иолетовым концом спек­
тра находятся лучи, вы зы ваю щ ие потем нение хлори стого серебра,
а в 1842 г. А. Э. Беккерель (1820—1891, отец «откры вателя» радиоак­
тивности) смог уж е сфотограф ировать ультраф иолетовую часть спек­
тра и показать, что в ней также имею тся ф раунгоф еровы линии.
Инфракрасные лучи не проходят через атмосферу, и потому бы ­
ло невозмож ны м исследовать с их помощ ью состав небесны х тел,
но в 60-х гг. X X в. начали поднимать спектральную аппаратуру на боль2 См ..Перельман М . Е. О т кванта до темной материи. Раздел I. Глава 3.

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

163

Глава 1. Спектры, электроны, атомы

шие высоты, а затем бы л запущ ен на орби ту инфракрасный телескоп
«Х а б б л». У ж е первые исследования в области инфракрасной астрономии
выявили соверш енно неожиданный факт: оказалось, что в протопла| К началу XX в. выяснилось, что не только у ато- 1 нетных облаках, окружающих моломов, но и у молекул имеются свои характерные дые звезды, образуется довольно мнолинии, но они лежат не в видимой области,
простых органических веществ, коа в инфракрасной части спектра, и чем сложнее
„ Л1Я1П1
ж™
т
r
*
г
торые затем могут попадать в недра
молекула, тем, вообще говоря, дальше ее ли^
3
^
^
нии от видимого спектра. Метод инфракрасной возникающих планет. Это заставляет
спектроскопии стал одним из основных в физи- по-иному взглянуть не только на проческой химии при исследовании органических блем у возникновения жизни на Земвеществ и т. д.

L

I ле — этап начала возникновения орга­
нических веществ считался одним из самых долгих, но и на процессы
образования нефти, а также на проблемы поиска ее месторождений.
В проблем е спектров оставалась, правда, одна фундаментальная
неувязка: набор линий каждого элемента представлялся соверш енно
хаотическим — в ходе анализа приходилось просто сверять получен­
ные длины волн линий с огромными их каталогами. (Это неудобство
осталось и сейчас, только соответствую щ ие компью терные програм­
мы несколько облегчаю т поиск.)
П роблем а эта упростилась (или запуталась ещ е больш е — в зави­
симости от точки зрения) таким образом. Рассказывают, что Иоганн
Яков Бальмер (1825—1898) поспорил как-то с приятелями, что поистине случайных явлений не бывает, что всегда можно, вводя несколько
каких-то постоянных, установить взаимосвязь между, казалось бы,
соверш енно случайными цифрами. Ехидные приятели начали подзу­
живать ш кольного преподавателя физики: что мож ет быть более слу­
чайным, чем тысячи непонятно как располож енны х линий в спектрах
разных газов? Бальмер принял вызов и засел за спектр водорода —
ем у удалось-таки оправдать свое утверж дение и подобрать формулу,
которая объединяла длины волн некоторых линий и в которую вхо­
дило всего три никак не объясняем ы х постоянных числа. (П озднее
в спектре водорода установили и другие последовательности линий —
серии Лаймана, Пашена, Брэкетта и Пфунда.)
О бъяснить этот результат и вывести все эти постоянные смог
только Н ильс Бор через тридцать лет.

3. Катодные лучи
С несколько иных экспериментальны х позиций к спектральным про­
блемам подош ел Ю лиус П лю ккер (1801 — 1868), известный геометр
и физик. Вместо того, чтобы нагревать газ, он помещ ал его в трубку

164

Раздел III

3. Катодные лучи

с двумя электродами на концах и пропускал через нее электрический
ток — газ светился (1855). Почти одновременно с К ирхгоф ом и Б унзе­
ном он устанавливает, что цвет свечения определяется спектральными
линиями данного газа (такие разноцветны е трубки использую тся сей ­
час в рекламе). Н о важнее всего для наш его рассказа такое его н аблю ­
дение: он обнаруж ил (1859), что из катода, отрицательного электрода
трубки, исходят какие-то лучи.
Свойства этих лучей начал изучать Евгений Гольдштейн (1850— 1930):
он установил, что они распространяю тся прямолинейно, но отклоня­
ются в магнитном поле, а если в аноде, куда они устремляются, про­
делать отверстие, то они выходят через него и идут дальш е («каналовые лучи Гольдш тейна», именно такие «л у ч и » и создаю т изображ ения
на экране телевизора).
Более детальным исследованием этих лучей занялся Уильям Крукс
(1832—1919): для этого он сконструировал м нож ество разновидностей
трубок («трубки Крукса»), в которых .—
_____

____-

— I

„ __________

Заметив, что катодные лучи, казалось, имеют
и
'
j
^
j
массу и скорость, Крукс счел их «четвертым соли сь различны е приборы и вещ е- стоянием материи», в отличие от жидкого, газоства. Так, он сум ел доказать, что эти образного и твердого, он даже полагал, что это
лучи вызывают нагрев облучаемо- таинственная «эктоплазма», духи, появляющиеся в спиритических сеансах — после его публиго вещ ества (в трубку входил кон- каций на время резко возрос спрос на «духов»,
чик термометра), и что они приво- [ привидений и т.п.
J

на пути катодных лучей помеща-

дят к свечению некоторы х веществ,
помещ аемы х в трубки — так была открыта катодолюминесценция.
Н о далее мнения резко разош лись: английские учены е отстаивали
версию о катодных лучах как потоке неких частиц, немецкие физики
продолж али считать их продольны ми волнами эфира; «н ац и он аль­
ны й » спор разреш ил француз — Ж а н Батист П еррен (1870—1942)
экспериментально доказал в 1895 г., что они несут отрицательный за­
ряд и потому не могут являться волнами.
В 1897 г. К арл Фердинанд Браун (1850—1918, Н обелевская п ре­
мия 1909) создает трубку, в которой уж е всем движ ением этих лучей
управляет магнитное поле: на передней части трубки, покрытой сцинциллятором, луч рисует картинки — это бы л первый, ещ е только маг­
нитный осциллограф, предш ественник телевизора (сцинцилляторы —
это вещества, даю щ ие краткую вспышку при ударе электроном и т. п.,
название от латинского «сц и н ц и лля ц и о» — сверкание, искрение).
Исследование катодных лучей становилось все более популярным
и в него вовлекалось все больш ее число ученых: сенсации следовали
одна за другой.

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

165

Глава 1. Спектры, электроны, атомы

4. Рентген и его лучи
Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) бы л типичным немецким про­
фессором, скрупулезно аккуратным и добросовестным в работе. О н
открыл такое явление: при движении диэлектрика в электрическом
| Рентген очень придирчиво относился как к своим р а- 1 поле в нем возбуждается магнитботам, так и к своим ученикам. Поэтому из-за требо- ное
тт'чл поле (рентгенов ток, 1885),
i q q ^\
ваний строжайшей аккуратности и точности он очень это явление сущ ественно пом ог­
мало в дальнейшем публиковал. Сильно пострадал
ло А ор ен тц у при создании элек ­
из-за зтого его любимейший ученик и официальный
(по завещанию) наследник Абрам Федорович Иоф­ тронной теории. Затем он и с­
фе, будущий «папа» советской физики: он скрупу­ следовал воздействие электри­
лезно измерил заряд электрона, но Рентген требо­ ческого поля на оптические ха­
вал все более тщательных проверок, а за зто время
рактеристики кристаллов и т.д.,
Милликен опубликовал свои несколько более точ­
но в историю вош ел с совсем
ные измерения и получил Нобелевскую премию.

другим открытием.
Рентген не избеж ал всеобщ его поветрия и переш ел к изучению
катодных лучей. Как-то рядом с разрядной трубкой, трубкой Крукса,
где и возникали катодные лучи, у него стоял экран, покрытый соста­
вом, светящимся под воздействием электронов. Завершив, как всегда,
точно к концу рабочего времени дневную работу, пятидесятилетний

I

После обнаружения рентгеновского излучения и п о- 1
-----------------------------------------------------следовавшего
за ним открытия радиоактивности по­
иски новых типов лучей стали очень модными: «от­
крывали» множество новых и очень необычных «из­
лучений». Характерным примером может служить
«открытие» N-лучей, которое сделал Рене Проспер
Блондло (1849-1930), до того — заслуженный уче­
ный, доказавший, кстати, что рентгеновские лучи
являются электромагнитными. Его N-лучи свобод­
но проходили через металлы и преломлялись по­
чему-то алюминиевой призмой: но во время пока­
за этой их способности в зале был, к несчастью
для Блондло, известный оптик и остроумец Роберт
Вуд (1868-1955) (обратим внимание читателей на
великолепную книгу Р. Сибрука «Роберт Вуд, чаро­
дей физического эксперимента» (несколько изда­
ний)): Вуд незаметно вытащил алюминиевую приз­
му из спектроскопа, а Блондло продолжал уверять
видевших все зрителей, что его лучи все еще пре­
ломляются и их видно — история с N-лучами на этом
закончилась, но открытия новых «излучений» про­
должаются и сейчас. (Проблема эта относится либо
к
области психиатрии, либо должна проходить
по ве-----------------.

I Д°МСТВУ Остапа Бендера.)

Р е н т г е н аккуратно все выключаЛ( прибирал и возвращался в

свою столь ж е аккуратную квар­
тиру. И вот однажды в 1895 г., по­
гасив свет в лаборатории и уж е
находясь у выходных дверей, он
случайно обернулся и заметил,"
что тот самый экран все ещ е
светится. Рентген удивился сво­
ей забывчивости, но когда подо­
шел, чтобы выклю чить ток, по­
разился ещ е больш е: экран стоял
не на пути электронов из трубки,
более того — меж ду ними были
какие-то предметы, но он све­
тился, хотя и слабо.
Тут стало уж е не до заве­
денного порядка: Рентген двигал
экран вразные стороны, под| ставлял препятствия и наблю дал

за его слабым свечением всю ночь. Когда его потом спросили, о чем
он подумал, увидев свечение экрана, Рентген ответил: «Я исследовал,

166

Раздел III

4. Рентген и его лучи

а не дум ал», — но вывод после этих исследований мог быть только
один: из трубки, точнее из анода, о который ударялись электроны, и с­
ходили какие-то неизвестны е лучи. Лучи эти могли проходить через
многие препятствия и давали, например, ф отограф ическое и зображ е­
ние монет в закрытом кош ельке и костей в кисти руки жены Рентгена
(это два первых сенсационных рентгеновских снимка).
Ш есть недель непрерывных, очень точны х и аккуратных опы ­
тов заверш или эти исследования, отчеты о них были перепечатаны
почти всеми газетами мира, открытие бы ло столь неожиданным и по­
трясающим, что не все в него сразу поверили, а лорд К ельвин о б ъ ­
явил его сгоряча мистификацией. Однако очень скоро имя Рентгена,
уж е со строчной буквы, стало общ еприняты м названием медицинской
процедуры, а сам он бы л удостоен первой Н обелевской премии 1901 г.
(В английской литературе эти лучи, по первом у предлож ению само­
го Рентгена, называются до сих пор Х-лучами, в русском ж е они, во­
преки правилам грамматики, как бы I яенард позже стал фанатичным приверженцем I
оторвались от автора и вместо рент- нацизма. Он выпустил в 1935-1937 гг. «Негеновых стали рентгеновскими.)
мецкую физику» в 4 томах, где доказывал, что
глж

Л

Л

Однако о природе
этих лучей
—
г г м
/
волны или частицы
ничего нельЗЯ было сказать!
Нашлись, конечно, люди, утверждавшие, что они видели
эти лучи
м
7
раныпе, и Э Т О была, по-видимому,
правда (А. У. Гудспид из Пенсильвании даже случайно получил на пять
ч

лет раньше рентгеновский снимок),
Н О правда и в том, что они не смогли толком обдумать увиденное и совершить открытие. Н аиболее гром-

^

_

.

все важные открытия сделаны только истинно
.
_ ,
ариискими учеными. Особенно яростным его нападкам подвергался Эйнштейн со своей теорией относительности. Психологически ясно, что
непомерное самомнение Ленарда было оскорб­
лено тем, что два его основных открытия неизr г
менно ассоциируются с евреями: Г. Герцем, открывшим фотоэффект, и А. Эйнштейном, объяснившим Ленарду его собственные эксперименть| и удостоенному именно за это Нобелевской премии (против Рентгена, стопроцентно-

г0 арийца 0HV воевал „0 иньш соо6ражени.

ям). К нацизму примнул и И. Штарк, некогда
сотрудничавший с Эйнштейном; заметим, что
ШтаРк “ единственный лауреат Нобелевской
премии, вложивший ее в коммерческое пред-

коголосы м из них бы л Ф илипп Л еприятиВ( оя приобрея макаронную фа6рику. I
нард (1862—1947, Н обелевская пре- 1
—
— 1
мия 1905), некогда ассистент Г. Герца, исследовавш ий многие свойства
катодных лучей при их прохож дении через тонкое металлическое
окошко в трубке Крукса. Л енард продолж ил работу Герца по ф отоэф ­
ф екту и доказал, что при этом вылетаю т электроны, энергия которых
не зависит от интенсивности света (1902, эти закономерности объ яс­
нил Эйнш тейн в 1905 г.).
Н едосмотр Ленарда состоял в том, что он изучал только п рохо­
дившие насквозь лучи и не см отрел на отраж енные назад и вбок —
все немецкие физики того времени были уверены, что катодные лучи

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

167

Глава 1. Спектры, электроны, атомы

связаны со свойствами эфира. Однажды Ленард даже заметил, что
фотопластинки, находящ иеся вблизи катодной трубки, затуманились,
но счел это случайностью и просто отодвинул их — пластинки он
спас, но потерял открытие.

5. Дж. Дж. Томсон: открытие электрона
Когда Д ж озеф Джон Томсон (1856—1940, Н обе­
левская премия 1906) уходил в отставку с поста
заведующего Кавендишской лабораторией Кем ­
бриджского университета, который он занимал
в 1884— 1919 гг., то, как полагается, представил
отчет о работе за эти 35 лет: отчет уместился
на половине страницы — это был список его
учеников, удостоенны х Н обелевской премии
(7 человек!) и избранны х в Королевское о б ­
щ ество (27 ч е л о в е к !)3.
Основным достижением Джи-Джи (так его
называли сотрудники, а за ними и все осталь­
ные — фамилия Томсон едва ли не самая рас­
пространенная в А нглии) было, несомненно,
открытие электрона (1897). Все в тех ж е катодных лучах, которые
исследовали — не замечая или не умея выделить главное — десятки
физиков в разных странах, он сумел, тщ ательно замеряя отклонения
лучей в электрических и магнитных полях, доказать существование
электронов, измерить отнош ение величин их массы и заряда. В его
экспериментах внутри трубки Крукса находились, попеременно, элек­
троскоп, измеряю щ ий заряд попадающих на него частиц, и вертуш ­
ка, позволяющ ая определить по скорости вращения импульс частиц.
П риборы следовало бы двигать, чтобы сканировать (отслеживать) эти
параметры по сечению потока лучей, т. е. составляю щ их их электро­
нов. Вместо этого Томсон с помощ ью прилагаемых полей отклонял сам
поток частиц (теорию движения частиц в этих полях он и разработал,
его расчеты являются классическими, использую тся они и сейчас).
В 1899 г. Томсон показал, что фототок, возбуждаемый, согласно
Герцу, при облучении (в основном ультраф иолетом) отрицательной
3 Ученики Джи-Джи, следуя его традициям, также воспитывали учеников — перво­
классных ученых. Так, учениками Оуэна У. Ричардсона (1879—1959, Нобелевская премия
1928 за исследование термоэлектронной эмиссии) были будущие лауреаты А. X. Комп­
тон и К. Дж. Дэвиссон. О другом знаменитом ученике Томсона — Резерфорде см. ниже
(Перельман М. Е. От кванта до темной материи. Раздел I. Глава 2).

168

Раздел Ш

5. Д ж .Д ж . Томсон: открытие электрона

пластины конденсатора, состоит из электронов. Таков ж е и ток, и с­
пускаемый в электрическом поле нагретым металлическим катодом —
это явление термоэлектронной эмиссии, на нем основана работа элек­
троннолучевой (телевизионной) трубки и т. п.
Н о теперь встает вопрос: а где ж е и в каком состоянии находятся
эти электроны в электрически нейтральной среде? Л орентц в сво­
ей электронной теории предполагал, что сущ ествую т частицы обоих
знаков заряда. Томсон почти 10 лет упорно ищ ет полож ительно заря­
ж енны е частицы и... не находит их.
Остается предположить, что таких частиц вообщ е нет: есть толь­
ко отрицательно заряж енные электроны (теперь это общ ее некогда
название закрепляется только за ними) и некоторая неразделяющаяся на частицы материя, содержащая полож ительны е заряды. Н о ведь
все вещества состоят из атомов, и поэтом у такая материя долж на со ­
держаться в атомах, которы е в целом нейтральны.
Так Томсон строит электрическую модель атома (чуть ранее б ли з­
кую модель предлож ил лорд К ельвин) — полож ительно заряженный
пудинг (такой образ мог возникнуть только у истинного англичанина),
в который вкраплены изю минки-электроны; пудинг можно заменить
киселем, а изю м — вишенками. Эти изюминки, считает Томсон, м ож ­
но разделить на группы, рассмотреть их конф игурацию и вывести
отсюда разделение на группы хим ических элементов. (Томсон будет
радоваться, когда его ученик Э. Резерф орд опровергнет эту модель
и предлож ит новую, он даж е уступит Резерф орду свою лабораторию .)
Помимо того, Томсон развивал электронную теорию металлов.
А ещ е он обнаружил, что сущ ествую т два несколько отличных атома
неона, т. е. наш ел первые изотопы, ем у ж е принадлежат первые идеи
масс-спектрографа.
Эти работы продолж ил его уче- [ 7 ^ олодости Баркла долго ВЬ|6ирал М^ Л
ник Ф рен си с Уильям А стон (1877—1945, ду карьерами физика и оперного певцаН обелевская премия по химии 1922), баритона. Эта раздвоенность все же сказасоздавший масс-спектрометр, прибор, Лась: уже став Нобелевским лауреатом, он
никак не хотел поверить в существование

в котором разогнанные в электриче- квантов излуче„ия и исследовал какое-то
ском поле ионы вещества отклоняю т- «новое излучение», которое никем больше
ся затем магнитным полем. П оскольк у |не наблюдалось.
|
радиус их поворота в магнитном поле
зависит, при равных скоростях и зарядах, от массы, то в этом приборе
можно разделить атомы, скажем, урана на изотопы с отличаю щ имся
атомным весом и несколько различными свойствами (так, уран-238
слабо радиоактивен, а его изотоп уран-235 уж е пригоден для атомно­
го оружия и т.д.)

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

169

Глава 1. Спектры, электроны, атомы

Больш ую роль в выяснении различия м еж ду атомами разных ве­
ществ сыграли эксперименты с рентгеновскими лучами, которы е про­
вел Ч арлз Г. Баркла (1877—1944, Н обелевская премия 1917). Д о них од­
ни физики считали, что эти лучи представляют собой электромагнит­
ное излучение, тогда как другие полагали, что они состоят из частиц.
Баркла в 1904 г. показал, что эти лучи являю тся электромагнитными
волнами, которы е возникаю т при торм ож ении электронов, ударяю ­
щ ихся в анод катодной трубки. Изучая рассеяние лучей на разных
вещ ествах он установил, что интенсивность рассеяния увеличивается
пропорционально атомному весу вещества, на котором происходит
рассеяние. А Генри М о зли (1887—1915, погиб на ф ронте) объ ясн и л
эти результаты тем, что с ростом атомного номера растет число элек ­
тронов в атоме и, соответственно, заряд атомного ядра: тем самым он
объяснил см ы сл порядкового номера элемента в таблице М ен д елее­
ва — до того он бы л соверш енно абстрактным.

Глава 2

Электротехника и радиотехника

Мефистофель:
— Суха, мой друг, теория везде,
А древо жизни пышно зеленеет.

И. В. Гете. Фауст

1. Источники электрического тока
В этом пункте мы несколько отступим от принятого стиля излож ения
и попробуем рассмотреть п роблем у источников тока с общ ей точки
зрения, а потом некоторы е из них опиш ем б олее детально.
Электрический ток вызывается направленным движ ением заря­
дов, в основном электронов. Скорость распространения тока опреде­
ляется скоростью передачи взаимодействия м еж ду зарядами, а она
имеет порядок скорости света, т. е. близка к 300 ООО км/с, при этом
скорость самих электронов обы чно около 1 см/с. Д ля того чтобы
возник ток, необходимо иметь подвижные носители заряда и суметь
сообщ ить им как энергию, так и импульс в нуж ном направлении.
Источники тока мож но подразделять по типам исходной энергии,
превращ аемой в энергию тока: механической, тепловой, световой, х и ­
мической, ядерной. Н о м ож но подразделить на две группы и по такому
признаку: в первую группу войдут те, в которы х заряды могут свобод­
но передвигаться и им нуж но лиш ь придать импульс в определенной
направлении, а во вторую — такие, в которы х нуж но предварительно
эти заряды разделить.
П ервую группу образую т источники, исп ользую щ и е особенности
структуры металлов: полож ительны е ионы в них образую т решетку,
а электроны могут — более или м енее свободно — двигаться м еж ­
ду ними. При этом одинаковые по хим ическом у составу вещества
могут, в зависимости от типа решетки, быть как проводниками, так
и изоляторами: графит — проводник, а алмаз — изолятор, хотя оба
состоят из чистого углерода. (М ож н о утверждать, что при достаточ­
ном сжатии лю б о е вещ ество долж но стать проводником, поскольку
тогда электроны смогут перескакивать от одного иона к другому.)

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

171

Глава 2. Электротехника и радиотехника

Итак, в металле заряды уж е находятся в различном полож ении:
полож и тельн ы е ионы закреплены, а электроны могут перемещаться.
Следовательно, достаточно направить их движ ение в определенную
сторон у — это и делает направленный поток тепла в явлении тер ­
м оэлектричества (эф ф ект Зеебека) и изм еняю щ ееся магнитное поле
в явлении электромагнитной индукции (эф ф ект Фарадея). Работа тер ­
м оэлем ентов (мы говорили о них при описании опытов Г. Ома) осн о­
вана на том, что электроны в м еталле образую т «электрон н ы й газ»,
давление которого отличается в разных металлах, и п оэтом у в зоне
контакта возникаю т их потоки, направленные из одного металла в дру­
гой. А изм енение магнитного поля в эф ф екте Фарадея приводит, бла­
годаря силе Лорентца, к изм ен ен и ю направления движения зарядов.
И м енно последний эф ф ект и используется в соврем енной эн ер­
гетике, но получаю т его путем сжигания минерального топлива —
нефти, газа и угля, очень неравном ерно распределенны х в м ире и к то­
м у ж е невосстановимы х. П оэтом у все б олее ш ироко исследую тся воз­
м ож ности нетрадиционной энергетики. Сю да относятся, например,
и сп ользование терм оэлектри чески х батарей с погружением, скажем,
одного конца такой цепи глубоко в недра Земли, т. е. использование
внутренней энергии недр. Н епреры вно разрабатываю тся ветряные
движ ители, приливные электростанции, накапливающ ие воду в бас­
сейнах во время вы соких приливов в некоторы х местах побереж ий.
И сточники с предварительны м разделением зарядов — это хим и­
ческие элем енты (обы чны е батареи и топливны е элементы), а также
ф отоэлементы . П ри этом упорно рассматриваются возмож ности со л­
нечны х ф отоэлементов, хотя до сих пор трудно снизить их ц ену и так
поднять КП Д, чтобы добиться коммерческой окупаемости. Разраба­
тываются и источники электроэнергии с прямым преобразованием
атомной энергии в электрическую , но все они ещ е далеки от практи­
ческих запросов.

2. Электрогенераторы и электромоторы
И все же, как и полтора века том у назад, основным способом получе­
ния электроэнергии остается преобразование энергии механического
вращ ения проводящ его контура (обмотки из проводов) в магнитном
поле, т. е. эф ф ект электромагнитной индукции Фарадея (ещ е раз на­
помним, что король Георг IV со смехом спраш ивал у Фарадея м ож ет ли
быть какая-нибудь практическая польза от этих его забав).
П ервы й генератор тока, как и первый электромотор, построил,
фактически, сам Фарадей. Он, однако, не очень интересовался прак­

172

Раздел II I

2. Электрогенераторы и электромоторы

тическими прилож ениями своих открытий, и п оэтом у развитием этих
работ занялись многочисленны е изобретатели.
П ервы е генераторы тока были магнитоэлектрическими, т. е. по­
стоянный магнит (ротор) вращался внутри неподвиж ной катушки
с проводами (статор) или рядом с ней так, чтобы изм енения магнитно­
го поля бы ли максимальными. Во втором варианте магнит оставался
неподвижным (он служ и л статором и м ог быть очень тяж елы м), а вра­
щ алась катушка, но тут сразу ж е возникала проблема: как снимать
ток со вращ аю щ ейся катушки?
Вскоре для этого бы ли приспособлены кольца: выводы катуш­
ки присоединялись к двум вращ аю щимся кольцам на оси машины,
по ним скользили неподвиж ные контакты-щетки и, если так можно
выразиться, сметали с них поступаю щ ие заряды. Правда, ток при этом
получался переменным, так как при каждом повороте на 180 градусов
направление магнитного поля в катушке м енялось на противополож ­
ное. Н о вскоре сообразили, что вместо двух колец м ож но сделать два
полукольца: при повороте на 180 градусов полукольцо подходит уж е
к другому контакту, и потом у ток в нем всегда им еет одно направ­
ление, но при этом, конечно, остается пульсирую щ им — меняется
за каждую половину периода от нуля до максимума и обратно. (П о ­
лож ение частично исправляется подклю чением конденсаторов: они
заряжаются на максимуме тока и отдают его при снижении, есть
и другие возможности.)
Разобраться в том, кто из и зобретателей внес тот или иной вклад
в создание электрогенераторов (и электром оторов) очень трудно —
множ ество лю дей работали одновременно, да это и не входит в нашу
задачу. М ож н о лиш ь сказать, что наи более значителен вклад Зеноба
Теоф ила Грамма (1826—1901) во Ф ранции и Эрнста Вернера Сименса
(1816—1892) в Германии: главное их достиж ение — создание динамомашины.
С самого начала им стало ясно, что использование постоянных
магнитов, громоздких и малоэффективных, не является н еобходи ­
мым (1867), но замена их электромагнитами требует добавочны х и с­
точников тока — такая замена легко осущ ествима в электромоторах,
но что делать с генераторами?
И вот тут, как много позднее писал сам Вернер Сименс, возникла
основная идея: в лю бом электромагните сохраняется, при его вы клю ­
чении, некая остаточная намагниченность. П оэтом у если начать вра­
щать ротор динамомашины, а возникающ ий, пусть в начале и слабый,
ток посылать в его ж е обмотки, то магнитное поле в них начнет уси ­
ливаться и генерация тока возрастет. Таким образом, динамомашина

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

173

Глава 2. Электротехника и радиотехника

сама себя подстраивает под нуж ный режим, сама подпитывает свои
электромагниты, и никакие добавочные устройства уж е не нужны!
И вот, в 1879 г. Вернер Сименс строит и пускает в эксплуата­
цию первый в мире электрический трамвай. С и м ен су принадлежит
много изобретений, в частности машины для нанесения резиновой
изоляции на провода (вспомним, что ж ена М. Фарадея вручную нама­
тывала нитки на проволоку!), электроплавильной печи и т. д., а также
ряд новых ф изических приборов, поэтом у его именем названа еди­
ница электропроводности (сименс или обратный ом). И нтересно от­
метить, что научными опытами Сименс, оф ицер артиллерии, впервые
заинтересовался и занялся в тюрьме, куда попал за участие в дуэли.
Организованные им электротехнические предприятия и фирмы про­
цветают до сих пор.

3. Химические источники тока
Хим ические источники тока работаю т на совсем иных принципах:
в них нуж но сначала разделить заряды. Х им ические источники м ож ­
но разделить на два типа: батареи (химические элементы — Х Э ) и топ­
ливные элементы — ТЭ. ХЭ, начиная с элемента Вольта, строились
на использовании энергии образования солей металлов. Во всех них
в раствор слабого электролита (кислоты или щ елочи) погружаются
два электрода из разных проводников. М олекула активного вещ е­
ства электролита распадается в растворе на два иона (например, для
соляной кислоты: НС1 —>• Н + + С1~), отрицательный ион подходит,
преимущ ественно, к том у катоду, от которого легче отщ епить поло­
ж ительны й ион металла и тем самым как бы отдать свой лиш ний элек­
трон — связь иона металла с ионом кислоты энергетически выгодней
(М + С1“ -> M C I -f* е ” + энергия). Таким образом, катод заряжается
отрицательно, а анод, к котором у подходит ион водорода — полож и­
тельно. Если теперь соединить электроды проводником, электроны
с катода устремятся в направлении анода, по цепи потечет ток.
Таким образом, Х Э преобразую т энергию химической связи в элек­
трическую. Н о ведь обы чное горение — это тож е выделение хим иче­
ской энергии, энергии окисления. Эта энергия обы чно используется
для превращ ения воды в пар, который затем вращает роторы элек­
трогенераторов. Н о как при нагреве воды, так и при последую щ ей
работе пара неизбеж ны потери. А нельзя ли придумать способ пря­
мого преобразования энергии окисления (горения) в электрическую
энергию ?
Оказывается, такой способ давно известен: его придумал ещ е
в 1838 г. Уильям Роберт Гроув (1811 — 1896) — это водородно-кислород­

174

Раздел III

3. Химические источники тока

ный топливный элем ент (ТЭ ). И основан он на явлении электролиза,
изученного Фарадеем, точнее, является как бы обратным к нему: при
электролизе энергия тратится на разделение зарядов, а в Т Э она вы­
деляется при их перераспределении — от м олекул с малой энергией
связи к молекулам с больш ей энергией связи — эта разница и приво­
дит заряды в движение.
Что ж е горит в таком элементе? Обычный процесс горения (дерево,
уголь, нефть, газ) заключается в окислении содерж ащ ихся в них атомов
углерода, т. е. в образовании углеки слого газа (С + О 2 —> С О 2 + тепло),
но для этого, для отщ епления отдельных атомов углерода, все топливо
нуж но нагреть и смеш ать с кислородом воздуха.
А для чего нуж ен предварительный нагрев топлива? Оказывается,
процесс горения состоит в том, что атомы углерода и атомы (м оле­
кулы) кислорода предварительно ионизую тся, т. е. теряю т или при­
обретаю т электроны, а затем начинают действовать электрические
силы меж ду ними. Иными словами, горение — это обм ен электро­
нами меж ду атомами, а ведь электрический ток — это направленное
движ ение электронов, и если заставить электроны в процессе хим и­
ческой реакции соверш ать работу, то температура процесса горения
будет понижаться. В Т Э такое разделение атомов или м олекул про­
исходит не из-за нагрева, а вследствие пребывания в электролите —
это процесс электролитической диссоциации (от латинского «р а зд е­
лен и е »). При этом электроны отбираю тся у реагирую щ их веществ
на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического т о ­
ка и присоединяются к реагирую щ им вещ ествам на другом.
Как и лю бо й элемент, Т Э состоит из анода, катода и электролита.
На аноде окисляются, т. е. отдают электроны, а иногда и расщ епляю т­
ся молекулы топлива (например, водород Н 2), свободные электроны
с анода поступают во внеш ню ю цепь, а полож ительны е ионы (Н + )
удерж иваются на границе анод-электролит. С другого конца цепи
электроны подходят к катоду, на котором электроны присоединяю тся
к окислителю (ион О 2-) и переносятся электролитом к катоду, где
и образую тся отходы производства — чистая вода, если горю чим бы л
водород.
Таким образом, в Т Э сведены вместе все три фазы ф изико-хи­
мической системы: газ (топливо, окислитель), электролит (проводник
ионов), металлический электрод (проводник электронов). Э лектрохи­
мическое горение мож ет идти при невы соких температурах и прак­
тически без потерь. Так что выгоды развития Т Э — очевидны: они
экологически чистые, у них достаточно высокий КПД, вопрос упирается

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

175

Глава 2. Электротехника и радиотехника

лиш ь в стоим ость добы чи водорода, если производить его разлож ен и ­
ем во д ы 4.
Отметим, что идея использования Т Э в больш ой энергетике была
сформулирована ещ е в 1894 г. знаменитым ф изико-химиком Виль­
гельм ом Оствальдом (1853—1932, Н обелевская премия по хим ии 1909).
Н о первое практическое прим енение Т Э нашли на космических ко­
раблях «А п о л л о н »: они бы ли основными энергоустановками для пита­
ния бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом 5.
М о ж н о такж е заметить, что именно Т Э и спользую тся в ж ивой
природе при создании токов в нашем организм е на биологических
мембранах. В определенны х случаях (например, у электрических ска­
тов) последовательное соединение би ологи чески х Т Э м ож ет приво­
дить к высоким, в несколько сот вольт, напряжениям.

4. Телеграф
П ервы м устройством, где практически бы ло прим енено электриче­
ство, стал телеграф.
Быстрая передача неслож н ого закодированного сообщ ения типа
«враг п р ибли ж ается» или «коронация со стоялась» издавна осущ еств­
лялась заж ж ением костров на вы соких местах, сигналами колоко­
лов, зеркалами, отраж аю щ ими солнечны е «за й чи к и ». Только в 1791 г.
братья К лод и Игнасий Ш апп догадались построить «оптический т е ­
л егр а ф » или семаф ор («н есущ и й знаки», по гречески): на высоких
столбах находились два подвижных рычага, различны е полож ения
которы х означали буквы, наблю датель на следую щ ей передаю щ ей
станции (на расстоянии 5—10 км) повторял эти комбинации и т.д.
П о такой системе, при условии хорош ей погоды, передавалось, в сред­
нем, по три буквы в минуту.
П ервы й проект электрического телеграф а разработал в 1809 г. ба­
варский врач Земмеринг: в его аппарате от передатчика к прием нику
ш ли 24 провода, их кончики входили в сосуд с подкисленной водой,
4 Заметим, что недра нашей планеты насыщены водородом, причем не исключены
и месторождения именно газообразного водорода в скоплениях разных кристаллов:
существует немало кристаллов, в решетку которых могут встраиваться атомы легкого
газа. (Рекордсменом является палладий, металл группы платины, — без особых внешних
нарушений он может вместить громадное количество водорода внутрь своей решетки.
Поэтому он давно уже используется на подводных лодках для поглощения водорода,
выделяющегося при работе аккумуляторов.)
5 Сейчас в С Ш А и Японии ведутся работы по строительству типовых коммерческих
ТЭ. Если первая топливная электростанция Эдисона в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт,
занимала территорию в 1,3 га, то для станций ТЭ мощностью в 11 МВт нужна площадка
30x60 м. Такая электростанция строится за 7 месяцев, а ее срок службы около 30 лет.

176

Раздел II I

4. Телеграф

и когда по паре проводов ш ел ток, то около их кончиков вода начинала
разлагаться и выделялись пузы рьки кислорода или водорода. О п ера­
тор долж ен бы л это заметить и записать соответствую щ ую букву.
Это устройство было, конечно, мало практично, но оно натолкну­
ло К. Ф. Гаусса на мы сль заняться телеграф ией. В ходе работ по элек ­
тродинамике он и Вильгельм Эдуард Вебер (1804—1891) изобрели
стрелочный гальванометр, т. е. прибор, измеряю щ ий, в зависимости
от способа включения, силу тока или напряж ение в цепи. В 1833 г. про­
тянув провода из городской лаборатории в загородную обсерваторию
они смогли переговариваться с помощ ью гальванометра: различные
отклонения стрелки означали разные буквы — это фактически и бы л
первый электрический телеграф .
Начало практическому использованию телеграф а полож и л такой
случай. В 1832 г. ж ивописец С ам уэль Ф. Б. М о р зе (1791 —1872) в оз­
вращался из Европы в Америку, на этом ж е пароходе оказался пас­
сажир, который развлекал общ ество рассказами о научных чудесах,
виденных им в Париже. М орзе, |
,
„

Пример Морзе показывает (далее мы еще будем с зтим

|

посещавш ий в университетские I CTiUIK„ BaTbai)# ^ многие важнейшие изобретения д е - 1
годы лекции по электричеству, лаются дилетантами, т. е. людьми, которые не знабы л взволнован рассказом о но- ют, что «этого сделать нельзя», или молодыми лювом для него приборе — элек- дьми' не Усвоившими профессиональных догм (по_

тромагните. Тут ж е ем у приш ла
в голову мысль об использовании электромагнитов в телеграфии. Уж е К 1835 Г. О Н построил
^

г

видимому, такие догмы или предрассудки укрепляются в подсознании как категорический императив),
В крайней форме этот парадокс выразил Генри Форд:

« Если бы я хотел Убить своих конкурентов честными
" предоставил бы им полчища специалистов. Получив массу хороших советов, мои конкуI ренты не смогли бы приступить к работе».
I

свой первый аппарат: когда oneратор нажимал кнопку и вклю- 1
—
— 1
чал так цепь, то в приемнике, на лю бом расстоянии, этот ток, проходя
через катушку, возбуж дал магнитное поле в сердечнике и притяги­
вал рычажок (такое устройство называется реле). На конце рычажка
находился гриф ель или перо с чернилами, а под ним непрерывно про­
тягивалась бумажная лента, на которую наносились знаки.
В 1838 г. М о р зе придумал свою знам енитую азбуку, в которой
все буквы обозначались набором точек и тире: с тех пор и возник
знаменитый сигнал SOS (от английского — «С п аси те наши д уш и !») —
призыв на помощ ь — три точки, три тире, три точки. В 1844 г. М о р зе
заверш ил постройку первой телеграф ной линии меж ду Вашинтоном
и Балтимором и вернулся к живописи.
С р азу ж е возникла идея грандиозного для того времени предпри­
ятия — прокладка трансатлантического телеграф ного кабеля. Первый
такой кабель (более 5 тыс. км под водой!) бы л пролож ен в 1857 г. Его

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

177

Глава 2. Электротехника и радиотехника

[телеграф быстро распространялся по
ру, и уже в 1849 г. была сделана первая попытка проложить подводную линию
между Францией и Англией, ио лоскольку еще не умели создавать качественную
изоляцию, то линия вышла из строя через
несколько часов. Этот урок не прошел даром — уже через два года на дно пролива
легли провода, изолированные так, что лиI ния проработала без замены более 50 лет. I

1
—

прокладка сопровождалась множеством
проблем: кабель рвался и пропадал из
вида, его искали драгами на дне, нахосращивали, снова теряли - это
м

г

^

^

были новости номер один в тогдашних
газетах. Н о когда все бы ло закончено,
оказалось, что телеграф практически
f

не работает
лю бой сигнал так осла— ' бевал и растягивался во времени, что
последовательны е сигналы накладывались друг на друга — пропуск­
ная способность канала связи оказывалась ничтожной... Впридачу он
вскоре вообщ е порвался, а найти концы не удалось.

И тут произош ло событие, серьезн о отразивш ееся на всей исто­
рии науки и техники: инженерам-практикам пришлось, волей-нево­
лей, обратиться за помощ ью к ученым.
Надо подчеркнуть, что до того фундаментальная наука и техника
практически не соприкасались: ученые изучали некие явления, а изобре­
татели что-то придумывали, и им хватало тех общих сведений, которые
можно было почерпнуть из школьных учебников, популярных книжек
и газетных статей. (Пожалуй, единственным исключением — и то очень
специфичным — была артиллерия при таком образованном человеке как
Наполеон Бонапарт.) Н у а тут менеджерам телеграф ного ведомства
приш лось обратиться к Уильям у Томсону, будущ ем у лорд у Кельвину.
Томсон разработал к том у времени теори ю распространения сиг­
налов по длинным проводам (выведенное Ъм выражение называется
уравнением телеграф истов) и показал, как и какие сопротивления,
емкости и индуктивности (они определяются, в основном, свойства­
ми и особенностями изоляции) долж ны быть располож ены на линии,
чтобы сигнал проходил по ней с наименьшими потерями.

5р81

Л

Hilo M i l l

^ H S t l l i li H C i e S

При прокладке новой линии Томсон
все время бы л на судне в роли техни­
ка, работа прошла успешно, и в 1866 г.
Ам ерика и Европа соединились т еле­
графной линией.

Б олее ста л е т телегр а ф с л у ж и л
основным средством связи во всем мире,
но к концу X X в. он почти полностью
утратил свое значение: связь через спут­
ники, оптоволоконные линии и, наконец, И нтернет работает несрав­
нимо бы стрее и дешевле.

178

Раздел III

5. Телефон

5. Телефон
Будь этот Белл специалистом, он никогда
не придумал бы такой нелепый прибор.
Т. Эдисон, 1876

Поиск возможностей передачи звука
по проводам предпринимались с на­
чала X IX в. многими изобретателя­
ми. Первая работающая конструкция
была разработана в 1861 г. И оганном
Ф и липпом Рейсом (1834—1874), кото­
рый придумал и само слово «т е л е ­
ф он ». Его микроф он представлял со ­
бой металлическую полоску, которая
колебалась под давлением звуковы х
волн и при этом замыкала с их частотой электрическую цепь, п е­
редаю щ ую сигнал. Возникаю щ ий в цепи ток ш ел к телеф ону, а он
состоял из катушки, в которую могла втягиваться и затем отпускаться
игла сердечника, дергающ ая с такой ж е частотой звучащ ую мембрану.
Таким образом, телеф он Рейса мог передавать лиш ь один тон, одну
частоту из всего спектра, составляю щ его речь.
И тут нуж но перейти к драматичной истории соперничества двух
американских изобретателей: Элиш и Грея (1835—1901) и Александра
Гфэхема Белла (1847—1922). 14 ф евраля 1876, в тот ж е самый день,
когда Б елл подал патентную заявку на и зобретенны й им т е л е ф о н 6,
в Бюро патентов приш ел со своей заявкой Грей — он опоздал на н е­
сколько часов в соревновании изобретателей, продолж авш емся уж е
десятилетия.
П ервы й телеф он, построенны й Греем, состоял из комбинации
нескольких устройств Рейса: несколько язычков, каждый со своей
катушкой, могли колебаться с заданными частотами — так что его
телеф он мог передавать одноврем енно несколько частот и тем самым
несколько смягчать однотонность сигнала. Н о позднее Грей понял,
6 Патент Белла (USA #174,465) гласил, что автор создал «метод и прибор для переда­
ча речи или других звуков по телеграфу... вызывая электрические колебания, подобные
по форме колебаниям воздуха при произнесении речи или других звуков» — этот па­
тент принес своему владельцу наибольший доход за всю историю патентования в мире.
Такие патенты называют зонтичными, они перекрывают, как зонтик, все возможно­
сти их оспорить, и хотя телефон в момент его создания расценивался многими как
своеобразная игрушка, свидетельство на его изобретение до сих пор наиболее часто
цитируется в патентных судебных разбирательствах.

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

179

Глава 2. Электротехника и радиотехника

I

что одна единственная круглая мембрана мож ет соверш ать несколько
разных колебаний.
Б елл в своем патенте, надо сказать, использовал микроф он и т е­
лефон, ранее предлож енны е и публично показанные, но по-отдельности, и не запатентованные Гфеем — поэтом у такое их использование
„
.
„
— I юридически вполне законно. Отме-

Первыи телефонный аппарат для общего поль-

_

w_

1зования появился в 1882 г. В нем были д в е 1 ™ м ' что Ф е и был, в основном, учераздельные трубки: приемная и передающая, — ным, вскоре он становится професа также маленькое магнето с ручкой, накручи- сором электродинамики, а Белл стал
вая которую генерировали электрический сиг- ОЧ0НЬ богатым и успешным бизненал вызова. Звонили на телефонную станцию,
на которой «телефонные барышни» соединяли
абонентов (работа эта считалась престижной,
набирали туда по конкурсу образованных и незамужних девиц).

I

Автоматический набор телефонного кода был
изобретен в 1896 г. (каждая цифра соответствует такому же количеству коротких сигналов),
в 1927 г. телефон и микрофон были объединены в столь привычную сейчас одну трубку,
но современный телефонный аппарат с дисковым набором становится стандартным только
в 1937 г., с 1963 г. выпускаются аппараты с кнопочным набором номера.
I

J

сменом, но продолж ал и изобретательскую деятельность. (Основанные им «Л аборатори и Б елл» являются и сейчас известным научным
учреж дением и эф ф ективной фир„

х,

„

м ои - М н ого внимания Б елл уделял
проблемам образования, фактически именно он основал знаменитый
ж урнал N a tion a l G eoqraphic.)
Tr

^

л

Интерес Белла к телефонии был
изначально вызван тем, что его отец
разработал ранее программу для обу­
чения глухих, сын успеш но продолж ил эти занятия и детально и зу­
чал фонологию , т. е. способы произнесения и различения отдельных
звуков. Когда он начал опыты по электрической передаче звука, то
родители двух его глухих учеников стали его финансировать.
В построенном телеф оне упругая ж елезная мембрана толщиной
0,2—0,3 мм, которая могла прогибаться, приближалась под давлением
звука к катушке с магнитным сердечником или отходила от него. При
таких изменениях положения мембраны менялось магнитное поле всего
магнита (его силовые линии проходили и через мембрану), а изменение
магнитного потока влечет, согласно закону электромагнитной индукции
Фарадея, появление переменного тока. Ток, переданный в такую ж е
катушку, менял ее магнитное поле, и оно притягивало или отпускало
приемную мембрану с той ж е частотой. Слабость возникаю щ его тока
и потери в линии, конечно, затрудняли воспроизведение речи, поэто­
м у в цепь включалась ещ е и батарея — ток через цепь тек постоянно,
а звуковые колебания только меняли (модулировали) его силу.
Таким образом, одна и та ж е трубка могла использоваться как пе­
редатчик и как приемник звука. Н о слабость звучания требовала новых
конструкций: было изобретен о много микроф онов разных типов.

180

Раздел III

6. Томас Эдисон

Больш инство изобретателей шло стандартным путем: изменяли
ф орм у магнита или мембраны, — но это вело лиш ь к небольш ом у
усилению тока в цепи. М еж д у тем здесь мож но было использовать
и другие ф изические эффекты: 1) если в конденсаторе одна из плат
гибкая, то под давлением звуковой волны она будет прогибаться и,
следовательно, будет меняться емкость конденсатора (на этом прин­
ципе б ы л построен конденсаторный м икроф он); 2) мож но и сп ользо­
вать устройства, которы е м еняю т свое сопротивление под действием
давления; 3) улучш ить ранние конструкции м ож но располож ением
второй катушки непосредственно на м ем бране (так строятся динами­
ческие микроф оны). М ож но, в принципе, использовать и открытое
позж е явление пьезоэлектричества и т. д.
Великий изобретатель Т. А. Эдисон выбрал, конечно, нестандарт­
ный путь, и его конструкция (1878) используется уж е более ста лет.
М и кр оф он Эдисона состоит из коробочки с тонким сухим угольны м
порошком, закрытой свер ху гибкой мембраной. Электрическое соп ро­
тивление порош ка сильно меняется с давлением на мембрану, а по­
том у меняется и проходящ ий через нее ток, приемник ж е звука, все
время вклю ченны й в цепь, м ож ет оставаться при этом без изменений.

6. Томас Эдисон
Томас Алва Эдисон (1847— 1931) ходил в шко­
л у лиш ь несколько месяцев. Сначала он
торговал овощами вразнос, продавал га­
зеты, всячески пытаясь заработать, затем
начал выпускать газету для пассажиров —
на ходу, прямо в поезде дальнего след о­
вания. В 12 лет он влю би лся в хим ию
и в подвале своего дома устр ои л лабора­
торию. А затем выучился на телеграф иста
и, уж е навсегда, занялся электричеством.
В 1869 г. он и зоб р ел бирж евой т е л е ­
графный аппарат, и хотя он б ы л не лучш е других моделей, Эдисон за­
нялся производством таких устройств. Н есколько позж е он открывает
мастерскую, которую мож но бы ло бы назвать «И зо б р етен и я по зака­
з у » — она послуж ила образцом для м ногих соврем енны х исследо­
вательских учреж дений. П ри этом он получает множ ество патентов
на изобретения, связанные с телеграф ом. Н аи более значительными
из них бы ли мультиплексные системы, п озволяю щ ие одновременно
передавать несколько телеграм м по одном у и том у ж е проводу: при

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

181

Глава 2. Электротехника и радиотехника

этом Эдисон вступает в соперничество с самим А. Г . Беллом и выигрывает — в 1875 г. его система позволяет
передавать по одной линии одновре­
менно восемь разных сообщений.
Самой насущной проблемой в то
время была проблема электрического
освещ ения (освещ ен и е газовыми
рожками было не слишком гигиенич­
но и опасно). Если посмотреть книги
по электротехнике того времени, они
описывают десятки, если не сот­
ни различны х устройств освещ ения
с помощ ью вольтовой дуги. Н о толь­
ко к 1875 г. была изобретена нако­
нец дуговая лампа, практически при­
годная для наруж ного освещ ения
и для больш их помещ ений — это
электрическая «св еч а » Яблочкова.
Однако дуговые лампы были слиш ком мощны для ж илы х пом е­
щений. Было ясно, что нуж ен свет накаленного электричеством тела,
но как накалять его так, чтобы оно не сгорало?
Ясно, что нуж но поместить та­
[дёло в том, что в дуге угли традиционно рас­
полагали наклонно друг к другу, а в процессе кое тело в вакуум, точнее, и золи ­
их сгорания дуга растягивалась и гасла. Для их ровать его от доступа кислорода.
сближения было изобретено множество слож­ Н о нуж ен не только светильник:
ных устройств. Но вот как-то Павел Николае­
вич Яблочков (1847-1894), все время думав­ если он предназначен для жилищ,
ший над этой проблемой, сидел в ресторане и в то ведь нуж но доставить туда элек­
ожидании официанта машинально перекладывал тричество. Эдисон не сомневается,
с места на место нож и вилку. Он выложил их
что сам светящий прибор он см о­
строго параллельно и тут внезапно сообразил —
это же решение! Угли надо ставить не под углом, ж ет изобрести, но работу начинает
а параллельно, а между ними, чтобы не плавились, в 1878 г. с того, что во второй поло­
проложить какое-то вещество, выгорающее вместе вине X X в. назвали «теор и ей и ссле­
с электродами — поэтому и сближать их по мере
дования операций»: разрабатывает
сгорания не придется. Свеча Яблочкова (два парал­
лельных угольных стержня с гипсом между ними) на бумаге план центральной элек| долго освещала площади больших городов мира. | тростанции и схем у радиальных л и ­
ний к домам и фабрикам, подсчиты­
вает стоимость материалов, которые потребую тся для изготовления
ламп, проведения линий и добычи электроэнергии с помощ ью динамомашин, вращаемых паровыми машинами. А нализ этих цифр опреде­
ли л не только размеры лампы, но и ее будущ ую цену.
Гэдйсона как будто очень интересовала в о з м ^ Л
ность продавать свои изобретения, но в автобиографии читаем: «Я был плохим фабрикан­
том, потому что не мог оставить в покое ни од­
ной вещи, даже если она была и так достаточно
хороша. Что бы ни попадало в мои руки — ма­
шинка для взбивания яиц или электромотор, —
я, прежде всего, думал о том, как это усовер­
шенствовать. Стоит только мне кончить работу
над каким-нибудь аппаратом, как я уже стре­
мился снова разобрать его, чтобы еще что-ни­
будь переделать. Такая мания дорого обходит­
ся фабриканту! <...>Единственное мое стремле­
ние — работать, не думая о расходах. То есть ес­
ли мне хочется занять целый месяц и весь свой
штат выяснением, почему одна угольная нить
накаливания работает чуточку лучше другой, то
я желаю работать, не беспокоясь о том, сколько
это будет стоить. Мысль о затратах раздражает
меня. Мне не нужны обычные утехи богачей.
Мне не нужно ни лошадей, ни яхт, на все это
[ у меня нет времени. Мне нужна мастерская!» |

182

Раздел III

6. Томас Эдисон

П о сле колоссального числа Г ^ е а в у е т легенда о такой курьезной ситуации. Для]
опытов Эдисон решает, что нить учета расхода энергии нужно было придумать счетнакаливания долж на быть поме- чик* Первый счетчик Эдисона был электролитичещена в вакуумированную колбу, ский: у входа сети в дом " ™ еи*алась ванночка с дву-

мя электродами и раствором медного купороса. Инкассатор при проверке вынимал катод, взвешивал
его и определял количество прошедшей электрической анергии. Некий догадливый клиент поменял
перед приходом контролера катод и анод - получи­
лось, что компания Эдисона не поставляла ему энеркрытых углем
они выдержи- ГИЮ/ а наоборот — получала от него. Дело пошло
вали до сорока часов работы, в суд, судья, говорят, долго раздумывал, но в итоЭдисон пробует все вещества, ге постановил: клиент прав - в договоре сказано,
л
что электроды взвешивают, и зто условие не наруС Д рж щ ие углерод. О Т продукш е н о | Пришлось изобретать динамический счетчик,
тов питания и см ол до обуглен- но и сейчас находятся умельцы, заставляющие его
ного волоса из бороды своего |крутиться временами в обратную сторону.
____ |
JJ

r

J

J

а изготовлять нить лучш е всего
из угля. Первые нити накаливания он пытается сделать и зоб ы к новенных ш вейных ниток, по-

ры ж его ассистента — ш есть ты ­
сяч разновидностей растительны х волокон. Лучш ими оказались во­
локна бамбука, из которого делались ф утляры японских пальмовых
вееров. Однако цена такой лампочки в массовом производстве стано­
вилась много больш е запланированных 40 центов. Н о другого выхода
он пока не видел.
31 декабря 1879 г. Эдисон привез на специально заказанных по­
ездах три тысячи человек — показать им чудо: сотни электрических
лампочек, которы е горели в его мастерской и на окрестны х дорогах,
а энергия подводилась к ним от центральной динамо-машины по под­
земным проводам. (Всеобщ ая уверенность в гении Эдисона, в его
возм ож ностях была такова, что ещ е до регистрации патента слухи
об и зобретении вызвали резкое падение акций газовых компаний,
занимавшихся освещ ением.)
Создание разветвленной электрической сети потребовало и зо б ­
ретения множества составляю щ их ее элементов: ш тепселей, вилок,
проводов, переклю чателей, патронов для ламп, абажуров и т. д. При
этом, конечно, не обходилось без накладок.
Лю бопы тно и очень характерно, что газовые компании вовсе не х о ­
тели сдаваться и пытались запретить электрическое освещ ение. В А н ­
глии дело дош ло до суда, и в марте 1879 г. парламент учредил ком ис­
сию для разбора дела об освещ ении. Суд проходил по всем канонам
британской юриспруденции: свидетели защиты (У. Томсон, В. Сименс
и др.) и свидетели обвинения давали показания относительно свойств
электрического освещения, члены комиссии во главе с проф ессором
химии Л. П лейф ером занимали судейские места. Доводы свидетелей
обвинения были таковы: по мнению художников электрический свет

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

183

Глава 2. Электротехника и радиотехника

I Эдисон счел своим долгом оставить стране изоб-1 <<ХОЛ°Ден и представляет мало эксретателя, который сможет его заменить. С этой п ресси и »; несколько леди находи целью во всех штатах были проведены конкур- ди, что он придает «какую -то мертсь, среди школьников, заключительный тур он венность ф изиономии и, кроме топровел сам. Победителю была оставлена в наследство лаборатория Эдисона и некоторый ка- г о » затрудняет выбор одежды, так
питал для начала работы — безо всяких уело- как освещ енные электрическим свевий. Однако наследник не смог существенно се- том костю мы кажутся иными, чем
бя проявить. Гениальный изобретатель плохо
вечернем освещ ении»; торговразбирался в психологии: когда в разгар конr
г
^
курсов его посетил Эйнштейн, то Эдисон попро- Чы с рынка пож аловались на ТО, что
сил его ответить на вопросы анкеты, и Эйн- «электрический свет придает дурной
штейн не смог заполнить вопросник: «Знае- вид ры б е и просили снять устроенте ли вы скорость звука в воздухе и в металле? - А зачем зто запоминать-ведь есть же , ное У них освещ ен и е»; многие жасправочники!»
ловались на резь в глазах, мигания

—

—
света.
Свидетели защиты разъясняли, что надо смотреть не на фонари,
а на освещ енны е предметы, что «см отреть прямо на С олн це ещ е б оль­
нее, но никто не ставит это в вину солнечном у св ету» и т. д. Комиссия
постановила, что электрический свет вы ш ел из области опытов и ем у
надо дать возмож ность конкурировать с газовым освещ ением.
Вскоре усоверш енствования производства привели к тому, что
цена на лампочки постепенно падала, и когда она дош ла до 22 центов,
Эдисон продал свою компанию. Н уж но сказать, что эта продажа бы ­
ла своевременной: все патенты Эдисона относились только и только
к устройствам постоянного тока — в переменный ток он почему-то
не верил, и поэтому созданная им городская электрическая сеть Нью Й орка состояла из отдельных небольш их электростанций — переда­
ча электроэнергии на больш ие расстояния при низком напряжении
в сети, соответствую щ ем потребительскому, ведет к очень больш им
потерям, переменный ток здесь много выгодней.
В течение ж изни Эдисона Бюро патентов в С Ш А выдало ем у
1093 патента — такого количества никогда не получал ни один ч ело­
век. И з его изобретений нуж но отметить ещ е кинетоскоп (1891) —
аппарат для демонстрации последовательны х ф отограф ий движения,
но об этом поговорим позже.

7. Никола Тесла
Гениальный изобретатель, но при этом человек с очень слож ным ха­
рактером, Н икола Тесла (1856—1943) родился в Хорватии, получил
образование в Гфаце и в Праге, а в 1884 г. приехал в Н ью -Й орк с ч е­
тырьмя центами в кармане, несколькими поэмами на сербском языке

184

Раздел II I

7. Никола Тесла

и... с проектами генераторов, моторов и раз­
личны х устройств перем енного тока.
Работать он начал в лаборатории Эди­
сона, но две такие яркие индивидуальности
уж иться не могли: у обои х блестящ ая техн и ­
ческая интуиция, но талант Эдисона более за­
зем лен — сказывается отсутствие системати­
ческого образования, а Тесла видит п ерспек­
тивы новых идей, в частности, он понимает
теорию М аксвелла и для него естествен п е­
реход к переменным токам. Тесла переходит
работать к Вестингаузу, изобретателю и крупном у промышленнику,
которому продал (фактически подарил) свои права на системы п ере­
менного тока.
Системы переменного тока гораздо экономичнее систем посто­
янного тока, поскольку передачу на больш ие расстояния м ож но о су ­
ществлять током высокого напряжения, а затем трансф ормировать
его в ток лю бо го напряжения, нуж- |когда в 1915 г. прошел слух, что предполага-1
ного пользователю. Поэтому громад­ ется разделить Нобелевскую премию между ним
ным коммерческим успехом п оль­ и Эдисоном, Тесла запротестовал, он заявлял, что
не позволит уравнивать себя, ученого, с изобрезовалась электростанция, постро­ тателем-самоучкой. По той или иной причине,
енная по проекту Тесла на Н и а­ но премия не была им присуждена. Тесла был
гарском водопаде: фактически он совершенно непрактичен в финансовых вопро­
сах, простил Вестингаузу громадный долг и, повыиграл тут заочное соревнование
видимому, умер от голода в гостинице, потеряв
с Эдисоном, фанатичным привер­ в связи с войной пенсию Югославии и не успев
начать получать пенсию США. При зтом Тесла от­
ж енцем постоянного тока.
Тесла принадлежат и огромные

нюдь не был лишен странностей: он много раз
объявлял, что с ним вступают в контакт иноплаI нетянв/ что он получал от них сообщения и т.д. I

заслуги в создании многоф азны х
генераторов и моторов со много 1
—
— 1
больш ими коэффициентами п олезного действия, он также устано­
вил, что один из проводов м ож но заменить заземлением.
Тесла создал эффективный генератор высоких частот. Экспери­
ментируя с ним, он показал возм ож ность беспроводной передачи та­
ких частот и пытался создать на этой основе оруж ие — лучи см ер­
ти, как бы передаю щ ие импульс энергии по ионизованном у следу
разряда (такие идеи с тех пор время от времени снова всплывают,
но до сих пор не получили реального воплощ ения). С помощ ью своих
передатчиков Тесла построил, впервые, модель парохода, дистанци­
онно управляемого с берега (1898), т. е. фактически, на современном
языке, радиоуправляемого, — таким образом, он может считаться одним

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

185

Глава 2. Электротехника и радиотехника

из основателей радиотехники. И м енем Теслы названа единица маг­
нитной индукции.
Тесла получил б олее 700 патентов на свои изобретения: электро­
моторы, выпрямители, электрогенераторы , трансформаторы, ф лю о ­
ресцентны е лампы, вы сокочастотное оборудование, системы освещ е­
ния и м ногое другое. Н уж н о такж е отметить, что, хотя М аркони и п о­
луч и л первы й патент в области радиотехники, но многие другие его
заявки на патенты бы ли отклонены, потом у что Тесла усп ел его оп е­
редить.

8. Когерер
В 1890 г. ф ранцузский ф изик Эдуард Бранли (1844—1940) и зоб р ел
когерер — это стеклянная трубочка, в которую насыпаны ж елезн ы е
опилки, и которая включается в электрическую цепь. Ток через нее
не проходит, так как опилки не очень плотно соприкасаются друг
с другом, но если неподалеку от нее проскочит электрическая искра,
то магнитное поле, всегда при этом возникаю щ ее, чуть-чуть намагни­
тит опилки, они плотнее сцепятся и ток начнет проходить.
С таким прибором начал экспериментировать английский ф изик
О ливер Л од ж (1851 —1940). К огер ер исправно включался при проско­
ке искры, затем, когда его встряхивали, выключался, так как опилки
отсоединялись друг от друга. Н о однажды когерер забастовал: его
встряхивают, а он самопроизвольно включается. Л од ж и так, и этак
его переставлял и пересоединял, ничего не помогало, пока за окном
не начался летний ливень. И тут его осенило: перед дождем были
удары молнии, электрические разряды, а значит и магнитные поля.
С ледовательно, когерер исправен, просто он чувствует молнии, даже
д овольно далекие — так б ы л построен и пущ ен в продаж у «гр о зо о т ­
метчик Л о д ж а » 7. (Я читал некогда инструкцию по его использованию .
В ней говорилось, что прибор подсоединяю т к звонку, который указы ­
вает на при ближ ение грозового фронта. П р и бор следует повесить по­
выше, чтобы не достали дети, а как только он зазвонит, нуж но послать
камердинера с палкой, чтобы он ею осторож н о постучал по трубочке,
п рекратил звон и приготовил тем когерер к новому вклю чению .)
7 Остается добавить, что Лодж, очень опытный физик, упустил эпохальное откры­
тие — радио, к которому он был ближе всех. Возможно, именно это так на него
повлияло, что он поверил в спиритизм, в вызывание духов умерших, стал ставить
бесконечные опыты, в том числе с помощью когерера. Эта сторона его и Крукса дея­
тельности отражена в пьесе Л. Н. Толстого «Плоды просвещения».

186

Раздел II I

9. Изобретение радио

9. Изобретение радио
Сейчас кажется соверш енно непонятным как физики, прочитав в 1886 г.
об опытах Г. Герца с передачей электромагнитны х волн на расстоянии,
сразу ж е не подумали о возм ож ностях их использования в техн и ­
ке, не сообразили начать построение «бесп роволочн ого телеграф а».
Остается лиш ь констатировать, что и ученым свойственна инерция
мыш ления — случаи применения достиж ений науки в технике были
ещ е очень р ед к и 8.
Н о со временем см ы сл открытия Герца все ж е стал восприниматься «ш ироким и научными маесам и», в разных местах повторяли
г

Г^ бретатели, как правило< плохо знали
зику. Первыми, кто применил научные методы
и расчеты в ходе изобретений, были Сакс, изоб-

Ретатель "У™кальнь.х инструментов Рудольф
Дизель, изобретатель двигателя, и Гюстав ЭиI феяь
строитель гигантских сооружений.
I

его опыты и улучш али аппаратуру.
И появление идеи, что волны Герца 1
—
— 1
мож но использовать в качестве носителя сообщ ений, было н еи зб еж ­
ным. Больш ое экономическое значение, которое уж е получили как
телеграф, так и телеф он, заставляли надеяться, что беспроволочная
передача сообщ ений могла бы быть очень выгодной. Открытие, если
мож но так говорить, витало в воздухе.
Фактически примерно одновременно этим вопросом занялись
А. С. Попов, Г. Маркони, Э. Резерф орд (он б р оси л работу без п уб ­
ликаций) и Н. Тесла (сосредоточился на дистанционном управлении).
Вопросы приоритета Попова или М аркони долго разбирались на всех
уровнях: есть веские доводы в п о льзу обоих.
Александр Степанович Попов (1859—1906) уж е в 1888 г. повто­
ри л опыты Герца и начал работать по усоверш енствованию аппара­
туры, а в 1894 г. сконструировал б олее мощный генератор этих волн
и сущ ественно улучш ил когерер, увеличив его чувствительность. Важ­
нейш им его изобретением явилась антенна, позволивш ая улавливать

Мы уже отмечали, что телеграфистам пришлось обратиться к помощи лорда
Кельвина.

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

187

Глава 2. Электротехника и радиотехника

отдаленные сигналы молний — фактически грозоотметчик, снабж ен­
ный антенной, уж е являлся радиоприемником (показан 7 мая 1895 г.,
в и ю ле того ж е года установлен в м етеорологической обсерватории).
А 24 марта 1896 г. он продемонстрировал свои опыты перед ф изиче­
ским отделением Российского ф изико-химического общ ества СанктПетербурга, передав с помощ ью азбуки М о р зе внутри здания универ­
ситета, на расстояние в 250 м телеграм м у из двух слов: «Генрих Герц».
Гв- 1905 г. А. С. П оп., стал первым избраний]
ректором Петербургского электротехнического
института, но вскоре же после ожесточенного
спора в полицейском участке (его студенты были арестованы за участие в демонстрации) скон-,
чался от сердечного приступа.

° Д н а к о Попов не стал продолжать изыскания в этом направлении и переш ел бы ло к исследованиям рентгеновских лучей. Н о в сен_

....

J

тябРе 1896 г- он Узн ал из газет' 410
1
—
— 1 М аркони получил патент, и снова
вернулся к волнам Герца. В сотрудничестве с российскими военноморскими силами ем у удалось передать сигнал на 10 км, а через
год — на 50 км. П ри этом он обнаружил, что когда ли н и ю приемник—
передатчик пересекал корабль, то сигнал пропадал — это явление
отраж ения волн от разны х поверхностей потом легло в основу радио­
локации.
Гульельмо М аркони (1874—1937, Н обелевская премия 1909, сов­
м естно с Ф. Брауном, изобретателем электронно-лучевой трубки) в
1894 г. прочитал об опыте Герца, и ем у сразу ж е пришла мы сль ис­
пользовать эти волны для передачи сигналов по воздуху б ез проводов.
С ледую щ ие 40 л ет своей ж изни он посвятил беспроволочной телегра­
фии, добиваясь все больш ей эф ф ективности и дальности передачи.
П р ок о н сульти р о в ав ш и сь с и звестн ы м ф и зи ком А у г у с т о Риги
(1850—1921), М аркони воспользовался вибратором Герца и когерером
Бранли. К середине 1895 г. он создал б олее чувствительный и на­
деж ны й когерер: вклю чил телеграф ны й ключ в цепь передатчика,
зазем ли л вибратор и присоединил один из его концов к м еталли­
ческой пластине, располож енной высоко над землей. В результате
этих усоверш енствований ем у удалось передать сигнал на расстоя­
ние в 1,5 мили. В мае 1897 г. он передал сигналы через Бристольский
залив на расстояние в 9 миль и обнаружил, что дальность переда­
чи пропорциональна числу и длине используем ы х антенн (вскоре он
строит группу антенн й доводит их вы соту до 50 м).
В 1900 г., опираясь на открытия Фердинанда Брауна, М аркони
вклю чил в свой передатчик конденсатор и катуш ку настройки, что
позволило увеличить энергию сигнала. Конденсатор усиливал эф ф ект
колебаний, создаваемых искровым разрядником, а катушки п озволи­
ли добиться совпадения периода колебаний в антенне с периодом

188

Раздел II I

10. Ионосфера

усиленны х колебаний. Эти две цепи отныне м ож но бы ло настраивать
так, чтобы колебания в них происходили согласованно и тем самым
сводили до минимума затухание сигнала. Тогда ж е М аркони усовер­
ш енствовал и прием сигнала, включив в приемник катуш ку настрой­
ки, в результате чего от принимаемого сигнала когереру передаются
только колебания, настроенные на колебания передатчика и и склю ­
чается прием сигналов, передаваемых всеми остальными антеннами.
В 1896 г. Маркони подает в Англии
первую патентную заявку на изобретение в области радиотелеграф ии.
Патент № 7777, выданный в апре-

Г^7ркони д0 конца жизни продолжал раб^1

передатчиков и приемников.

I

м

над усовершенствованием радиотехники. Помимо того' во время первой Мировой войны

он ВЬ,П0ЛНЯЛ Ря* военнь,х миссий и в конче

концов стал командующим итальянским военл е 1900 г., по существу, закреплял но-морским флотом. В 1919 г. он от имени Итаза М аркони монополию на исполь- льянского королевства подписывает ряд Верзование настроенных друг на друга ■сальских мирных договоров и удостаивается
титула маркиза.
^

К концу 1900 г. М аркони удается увеличить дальность переда­
чи сигналов до 150 миль. В конце 1901 г. на острове Н ью -Ф аундленд
он принял сигнал, переданный через Атлантический океан из К о р ­
нуолла (Великобритания). С игнал п реодолел расстояние в 2100 миль
и в 1905 г. М аркони взял патент на направленную передачу сигналов.
В 1907 г. М аркони откры л первую трансатлантическую служ б у б ес­
проволочной связи, а в 1912 г. получил патент на усоверш енствован­
ную, регулируем ую во времени, искровую систем у для генерирования
передаваемых волн.
Но искровые передатчики уж е исчерпали на этом свои возможности.

10. Ионосфера
Идея бескабельной передачи электрических
сигналов через Атлантический океан весьма
забавна. Неужели этот господин Маркони
не понимает, что его сигналы просто ис­
чезнут в атмосфере?

К. Тэйлор, 1900
Успехи Маркони, передача радиосигналов через Атлантический океан
в 1901 г., вызвали волнение среди физиков: электромагнитны е волны
долж ны распространяться по прямой линии и следовательно не могут
изгибаться так, чтобы следовать за ш арообразностью Земли. Ч то же
тогда ловили приемники М аркони?

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

189

I

Глава 2. Электротехника и радиотехника

ГГ-

w

„

*

Оливер Хевисаид был известным специалистом
по расчетам электромагнитных явлений — отличаясь очень сложным характером, он проводил исследования у себя дома, свои результаты
публиковал довольно путанно, потом собрал нх
в пяти томах своих «Электромагнитных исследований». Для них он придумал собственные математические методы, так называемое операционное исчисление, которое было признано математиками только через много лет, а некото>
рые его достижения бывали переоткрыты позже
другими учеными. (Классик теории электромагнетизма, Хевисайд до конца жизни отказывался
пользоваться какими-либо достижениями электричества, включая телефон и даже освещение.)

1г

I

В 1902 г., почти одновременно,
«

«

разгадку предлож или англиискии
физик и математик О ливер Хевисайд (1850-1925) и американский
ИНЖен ер -эле к т р и к А р т у р Эдвин
Кеннелли (1861—1939): по их гипотезе в атмосфере, под действием уль~
трафиолетового излучения Солнца,
ЖЛЖ^Т, ЛТТ
v
w

тхттттллп а тт

должен образовываться ионизованный слой воздуха. Такой слой обладает электрической проводимостью и мож ет отражать радиовол-

^

' 1 ны определенной длины, поэтом у
радиоволны могут распространять­
ся как бы по ломаной линии: доходить до слоя, отражаться от него,
как от зеркала (или загибаться около него), идти к поверхности земли,
снова отражаться от нее и т. д.
Таким образом, верхний слой атмосф еры мож ет быть назван
ионосф ерой.
Гипотеза эта была доказана непосредственными опытами в 1924 г.,
когда Эпплтону (1892—1965, Нобелевская премия 1947) удалось послать
короткий радиоимпульс вертикально вверх, получить его отражение и из­
мерить время между излучением и возвращением импульса. С тех пор
этот слой называется слоем Хевисайда (иногда Хевисайда— Кеннелли).
Структура ионизованных слоев оказалась слож нее, чем представ­
лялось в начале. И оносф ера простирается на высотах приблизительно
от 50 до 400 км над поверхностью Земли и подразделяется на три слоя,
обозначаемы е буквами D, Е и F. С лой D находится на высоте прим ер­
но 80 км и существует, и то не всегда, только в течение дневного
времени — в отсутствие солнечного излучения ионы и свободные
электроны в нем быстро рекомбинируют, проводимость и отраж а­
тельная способность исчезают.
Слой Е (слой Эпплтона) на высоте примерно 110 км сохраняет
способность к отраж ению радиоволн в течение четырех-пяти часов
после захода Солнца. Н аибольш ую роль в распространении радиоволн
играет слой F: его мощ ность достаточна для отраж ения более высоких
частот. В течение дня он часто расчленяется на два слоя (F1 и F2)
на высотах примерно в 200 и 400 км, а ночью превращается в один
слой на высоте около 300 км. Состояние всех этих слоев, степень
их ионизованности, зависит от излучения Солнца и поэтом у может
меняться с наступлением солнечны х бурь и т. п.

190

Раздел III

11. Диод и триод

А в 1958 г. Д ж ейм с А льф р ед Ван А лл ен (1914—2006) по данным,
полученным с первых спутников Земли, установил, что выше этого Fслоя находятся области, в которы х под действием зем ного магнитного
поля скапливаются заряж енны е частицы, в основном протоны, т. е.
ядра атомов водорода, испускаемы е Солнцем . Ц ентр первого пояса
Ван А ллен а находится на высоте примерно 3 тыс. км, второго —
на высотах от 15 до 20 тыс. км. Н о так как эти слои м огут иногда
опускаться значительно ниже, их приходится учитывать при запуске
спутников и ракет.

11. Диод и триод
В 1883 г., в тот период, когда Эдисон занимался угольны м и нитями
накаливания, он зам етил такую странность: угольны й налет и спаре­
ния нити покры вал всю постепенно тем н ею щ ую внутренню ю п о­
верхность лампы, кроме полоски в том месте, где крепилась нить, т. е.
на стекле появлялась как бы «т е н ь » (точнее, негатив тени) подставки.
Эдисон не мог объяснить п роисхож дение «т е н и ». О н пом естил
маленькую м еталлическую пластинку м еж ду двумя ножками подпор­
ки нити так, что к ней м ож но бы ло поп ерем ен н о подклю чать конец
нити накаливания с больш им или меньш им потенциалом. И тут обн а­
руж илось, что если пластинку присоединяли к п олож и тельн ом у п о лю ­
су, через нее ш ел ток, а при присоединении к отрицательном у п олю су
этого не происходило.
Эдисон оф орм и л патент на такое устройство, но больш е им не за­
нимался.
И сследованием эф ф екта Эдисона или терм оэлектрон н ой эм и с­
сии занялся английский ф изик Д ж он А м б р о у з Ф лем и н г (1881 — 1960).
О н обнаруж ил в 1904 г., что ток м еж ду раскаленной нитью (катодом)
и вставленным в лам пу вторым, холодны м электродом (анодом) п роте­
кает только в одном направлении — заряж енны е частицы, электроны,
испускаются катодом и летят к аноду. Таким образом, эта лампа, на­
званная диодом, мож ет служ и ть вы прям ителем или вентилем: при
подаче на нее перем енн ого тока она пропускает только полови н у т о ­
ка — ту, направление которой совпадает с направлением тока в лампе.
Флеминг, в частности, заметил, что такое устройство мож ет и сп о льзо ­
ваться при приеме радиосигналов: они передавались уж е в то время
на высокой частоте и п оэтом у не могли улавливаться, скажем, т е л е ­
фоном — мембрана не могла колебаться с такой частотой.
Ф и з и к у явления подробно и сследовал О уэн Уилланс Ричардсон
(1879—1959): оказалось, что нагретая платиновая проволока излучает

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

191

Глава 2. Электротехника и радиотехника

[усилители Ли де Форреста очень быстро на^ П
ли применяться в музыкальной технике, было
создано множество новых инструментов на этой
основе. Одним из самых оригинальных был терминвокс Леона Термена (1920): музыкант, к которому присоединялся один полюс батареи, водил руками перед большим экраном, к которому
был присоединен второй полюс, таким образом,
руки музыканта и экран образовывали заряженные конденсаторы, а движения рук меняли
расстояния между «обкладками», т .е . емкость
устройства, и через него начинал течь ток. Этот
|ток усиливался и звучал в динамиках.
___ |

электроны , это т ер м о элек тр о н н ая
эмиссия, явление схож ее с излучением атомов нагретой жидкостью
(Н обелевская премия 1928).
тт

f

Н о дальнейш ее развитие вакуумной техники связано с именем
Ди де Ф орреста (1873—1961), котор ого н едаром о к р ести ли «о т ц о м
f
Р а ДИО и д едуш кой т елев и д е н и я »,

В 1907 г. он помещ ает в дампу ЭдиСона третий электрод (сетку) рас­

полож енны й м еж ду накаленной ни­
тью (катодом), испускаю щ ей электроны, и анодом, их поглощающим.
Это бы л по настоящ ему револю ционны й шаг: небольш ой электриче­
ский потенциал, наложенный на сетку, мог увеличивать или ум ен ь­
шать поток электронов м еж ду двумя другими элементами и таким
образом дал возмож ность триоду действовать как усилитель — впер­
вые возник прибор, который позволял плавно, с помощ ью слабого
тока, изменять величину сильного тока.
И менно это открытие привело к практическому применению ра­
дио для передачи сигналов, б олее сложных, чем точки и тире.
В дальнейш ем начали изготовлять радиолампы и с больш им ко­
личеством сеток, так что, например, если в лампе бы ло две сетки,
то мож но бы ло складывать или вычитать их напряжения — на таких
лампах были построены первые электронно-вы числительны е маши­
ны, ЭВ М (1947).

Глава 3

Запись изображения,
звука и информации

1. Фотография
т о г о чтобы лучш е понять ход изобретен и я ф отографии, начнем
с описания простейш его из таких процессов. Снимаемая картина от­
ражается, в ум еньш енном или, наоборот, увеличенном виде на свето­
чувствительный слой — п лен ку с определенны м и хим ическим и соед и ­
нениями. На этом слое в процессе проявления засвеченны е участки
темнеют, а незасвеченны е остаю тся светлыми; теп ерь следует погру­
зить пленку, пластинку или отпечаток в закрепитель, смывающий
не прореагировавш ее вещество, промыть и высушить: негатив готов
и с него мож но печатать, на таком ж е слое, позитив.
Итак, в п роцессе фотограф ирования участвуют, по крайней мере,
два хим ических процесса: потем нение с засветкой чего-то в светочув­
ствительном слое и его закрепление. О сновой этих процессов явля­
ется, в н аиболее распространенном варианте, такое свойство солей
серебра (хлористы х, бром исты х или йодисты х): под действием света
м олекула соли распадается на ионы, а ионы сер ебр а объединяю тся
в проявителе в кристаллики — кристаллы сер ебр а черного цвета (этот
цвет особен н о хорош о зам етен на серебрян ы х изделиях с черн ен ы ­
ми, т. е. м елко-кристаллическим и узорам и). Роль закрепителя состоит
в вымывании непрореагировавш их молекул, а такж е ионов хлора.
Теперь м ож но перейти к истории этих изобретений.
Предш ественником ф отокам еры была камера-обскура, которой
пользовался ещ е Л еонардо да Винчи. П о сле того как в конце X V I в.
Джамбатиста делла П орта вставил в отверстие камеры линзу, она
стала уж е настоящ им рабочим инструментом для зарисовок эскизов.
Н о мож но ли закреплять появляю щ ееся на ней изображ ение?
Принципиальная возм ож ность этого появилась ещ е в 1727 г., ко­
гда проф ессор анатомии И оганн Генрих Ш ульц е доказал, что и звест­
ное уж е потем нение солей сер ебр а вызывается не теплотой, а светом.
О н даже показы вал такой опыт: на сер ебр ян ую поверхность наклады­
вались вы резанны е буквы, пластина выставлялась на солнечны й свет

Д ля

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

193

Глава 3. Запись изображения, звука и информации

и через некоторое время на ней ясно пропечатывались, светлым, эти
буквы — он получал негатив изображения. Однако, ни ем у и никому
другому не пришла в голову мы сль о возмож ности сохранить такое
изображение или тем более совместить это явление с камерой-обскурой.
Первая фотография была снята литограф ом и изобретателем
Ж . Н. Н ьепсом (1765—1833). Перепробовав много занятий (в их числе
бы ло и изобретение первого в истории двигателя внутреннего сгора­
ния), Н ьепс занялся литограф ией, т. е. рисованием на специальном,
так называемом типографском камне, с которого потом мож но было
снимать отпечатки. Рисовал на камне его сын, но когда того призвали
в армию, Н ьепс остался без рисовальщика; сам он рисовать не ум ел
и стал искать всяческие способы облегчить сей процесс. О н долго
экспериментировал со светочувствительными составами — покрывал
ими камень и пытался переносить на него гравюры солнечным светом
(такой способ снятия копий позж е бы л назван гелиограф ией).
В 1816 г. Н ьепс попробовал запечатлеть таким способом на бумаге,
пропитанной хлористы м серебром, вид из своего окна, но сохранить
полученное изображ ение не смог. Затем начались опыты со смолами
(асфальтами), в которые он вносил хлористое серебро. В 1826—1827 гг.,
используя камеру-обскуру, Н ьепс снял, все же, на пластину из олово­
свинцового сплава вид из окна и сум ел закрепить изображ ение —
это и была первая в мире фотограф ия (ем у понадобилась выдержка
в восемь часов и поэтому С олн це на снимке оказалось снятым дважды,
на обоих краях снимка). Второй фотоснимок он сделал с какой-то
гравюры и тем самым добился, в принципе, своей цели — и зоб р ел
первый ф отомеханический процесс воспроизводства.
Ньепс пытался получить патент на свой способ воспроизводства,
но так как при этом он не х отел раскрывать суть изобретения, то
патент ем у выдан не был. О н понимал, что нуж но как-то уменьш ить
длительность выдержки и упростить весь процесс, и в 1829 г. реш ил
объединить усилия с театральным художником Л. Ж . М. Дагерром. Дагерр проф ессионально пользовался камерой-обскурой для рисования
эскизов декораций и к том у ж е разбирался в химии красителей, он
ещ е до того пытался найти способы закрепить изображ ения камерыобскуры.
Получив материалы Ньепса, он начал экспериментировать с по­
серебренны ми медными пластинами и в 1835 г. случайно обнаружил,
что скрытые изображения, возникаю щ ие в слое хлористого серебра,
проявляются под действием паров ртути. Еще два года потребова­
ли сь для отработки методики съемки, и в 1837 г. бы л провозглаш ен
метод дагерротипии — изготовление ф отографий на м еталлических

194

Раздел III

2. Запись звука

пластинах. Д лительность экспозиции при этом составляла всего около
30 минут: лю дей усаж ивали и закрепляли неподвиж но с помощ ью ц е­
лой системы рычагов, которые ещ е надо бы ло как-то скрывать, но со ­
хранивш иеся дагерротипы до сих пор пораж аю т четкостью и про­
рисовкой деталей. Однако при дагерротипии проявлялось сразу ж е
позитивное изображ ение, поэтом у его н ельзя бы ло фотограф ически
тиражировать.
Д ругой тип ф отограф ии с разрывом в несколько дней предло­
ж и л У. Г. Ф. Тальбот (1800—1877), химик, лингвист и археолог. О н раз­
работал съем ку на бум агу с негативом и последую щ им печатанием
позитивов, т. е. с возм ож ностью тиражирования снимков. Его метод
(тальботипия) требовал меньш ей выдержки, но уступал в четкости да­
герротипии.
Заметим, что практически одновременно с Тальботом схож ий сп о­
соб разработал известны й астроном Д ж он Герш ель (1792—1871), сын
великого Уильяма Гершеля. Х орош ий химик, он ещ е ранее устано­
вил действие гипосульф ита на соли серебра, т. е. разобрался в химии
процесса, а фотографировать п редлож и л на стеклянны е пластинки
(именно он ввел термины «н ега ти в » и «п ози т и в »).
Следую щ им шагом в ф отограф ии долж ны бы ли стать попытки
создать объем ны е изображ ения. М ы видим предмет объемны м пото­
му, что изображ ения в правый и левы й глаз попадают под несколько
отличными углами (бинокулярное, т. е. «д в у гла зн о е» зрение). П оэтом у
и фотографии для стереоскопического просмотра долж ны быть раз­
личными: ли бо нуж но смотреть в два разных окуляра, настроенных
на разные снимки, ли бо см отреть через очки с разными цветными
фильтрами на снимок (киноэкран), на котором даются одновременно
изображ ения для левого и правого глаза в разны х цветах. Однако та­
кие системы громоздки, хотя сейчас и сп ользую тся в так называемых
ЗЭ-телевизорах. П олн остью проблем ы создания объем н ы х и зобр а ж е­
ний могут быть, в принципе, разреш ены только в голографии.

2. Запись звука
П ервы е звукозаписы ваю щ ие устройства бы ли чисто механическими,
но поскольку их изобретен и е ш ло параллельно с электрическим и и с­
следованиями, опиш ем их здесь.
В это и зобретен и е вмеш ался случай: гениальны й изобретатель
Томас А лва Эдисон ж и л на атлантическом п обер еж ье С Ш А , а его
невеста — на тихоокеанском. П исьм а и телеграм м ы его не удовле­
творяли, ем у х отелось говорить с ней. Вот световы е волны м ож но

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

195

Глава 3. Запись изображения, звука и информации

запечатлеть на бумаге, сделать ф отограф ию и переслать ее, а звуко­
вые волны? И тут ем у приш ло в голову, что если по какой-то щ ели раз
за разом проводить острием или иглой, то звук при одной и той ж е
скорости будет одинаковым. А как его записать? Н у конечно на воске,
он ж е самый мягкий и с него начинают все скульпторы.
И тут Эдисон сразу соображает: он делает валик, покрытый вос­
ком, вы резает на нем равномерную спираль, так что когда валик кру­
тится ручкой, то по спирали скользит иголка с мембраной. Если при
этом говорить, то звуковые волны заставляют колебаться мембрану,
а она — иглу, которая царапает воск, так что при повторном кручении
валика с той ж е скоростью игла колеблется по царапинам, и мембрана
тихо, но равномерно звучит, повторяя запись.
I— — I
Когда аппарат бы л готов, Эди| Идея фонографа, устройстаа, записывающего, | сон устан0Ви л его и громко крикнул
сохраняющего и воспроизводящего речь и музыку, была совершенно новой. Эксперты Патентного бюро, как полагается, пытались разыскать прецедент (по латыни, «предыдущий», на
него полагается ссылаться в тексте патента), но не
нашли ничего даже отдаленно напоминающего
это изобретение, хотя отдельные узлы, входящие
в конструкцию, не являлись новинкой — такой,
|весьма редкий патент называют пионерским. J

u

J

w

J

в Рожок: (<У М эр и бы л бараш ек»,
Затем он что-то переклю чил в аппарате, и машина скреж ещ ущ им голосом выкрикнула те ж е слова: асси^

J

стенты опеш или от изумления,
Остальное — дело техники, и через месяц Эдисон пересы лает н еве­

сте первый в мире фонограф вме­
сте со своими валиками. (Н асколько я знаю, это единственный пример
великого изобретения, сделанного во имя лю бв и !)
Главные недостатки ф онограф ов Эдисона состояли в хрупкости
его валиков и невозмож ности их тиражирования. Они были устране­
ны в 1887 г. Эмилем Берлинером (1851 —1929), придумавшим плоский
диск с нанесенной спиралью, в которой и записывались горизонталь­
ные колебания иглы, присоединенной к раструбу, игравш ему роль
микрофона — в него говорили, пели или играли. Он ж е и зобр ел метод
тиражирования таких пластинок: по первой записи делался негатив
из легкоплавкого металла, на котором затем отливались копии — п ер­
вая машина для такого копирования была названа «Грам м оф оном »
(греческое «грам м а» — запись) и очень долго все пластинки именова­
лись граммоф онны ми9. (П озж е вместе с сыном Берлинер сконструи­
ровал первый вертолет.)
К 1915 г. стандартной стала запись дисков на скорости 78 о б о ­
ротов в минуту с продолж ительностью игры в четыре с половиной
9 Мой дед привез в Одессу в конце XIX в. первый, вероятно, граммофон из Америки:
на улице собирались толпы — просили поставить его на подоконник открытого окна
и завести, люди крестились и пытались обнаружить кто за ним прячется.

196

Раздел II I

2. Запись звука

минуты на каждую с т о р о н у 10. В начале 1920-х гг. были разработаны
электрические громкоговорители для усиления звука. В 1948 г. фирма
«К о л у м б и я » начала выпуск «д олгои гр а ю щ и х» пластинок со скоростью
вращения 33,3 оборота в м инуту и со временем звучания до 30 м и­
нут на каждой стороне, а затем и стереоф онических систем с дву­
мя независимыми записями, создаю щ ими эф ф ект объем ности звуча­
ния (1958). Эти усоверш енствования стали возможными, в основном,
благодаря использованию для записи и воспроизведения п ьезоэлек ­
трических кристаллов (чаще всего, титаната бария) — звуковой сиг­
нал преобразовы вался в м икроф оне в электрический ток и подавался
через усилитель на такой ж е кристалл, который преобразовы вал и з­
менения тока в колебания иглы, выдавливаю щей углубления в стенках
канавок. П ри воспроизведении звука игла, наоборот, давила с п ере­
менной силой на такой ж е кристалл, а создаваемый в нем ток мог
усиливаться и идти на динамик.
Однако с 1980-х гг. такие воспроизводящие системы начали в значи­
тельной степени вытесняться магнитофонными кассетами и компактдисками, а затем и оптическими (цифровой компакт-диск) системами.
С 1920 г. Л и де Ф о р р ест начинает разрабатывать звуковую аппара­
туру для кинематографа. Н а и более практичной оказалась оптическая
запись — прозрачная дорож ка п ерем енной ш ирины на краю ки н олен­
ты, которая просвечивалась специальной лампочкой и «счи ты валась»
ф отоэлементом, ток которого ш ел в уси ли тель звука.
Звук для киноф ильма м ож ет регистрироваться также на магнит­
ной ленте или магнитной пленке и печататься вместе с пленкой или
отдельно от нее. П ринципиально б олее простой является лазерная
запись звука или лю бо й иной циф ровой информации. Эта техника
стала возм ож ной после разработки (и удеш евления!) полупроводни­
ковых лазеров, даю щ их очень узки й и при этом достаточно мощный
луч света. Запись производится на диске со спиральной канавкой,
в которой лазер вы ж игает углубления: каждое углублен и е это «од и н »,
его отсутствие — это «н у л ь ». Таким образом, лю бая информация за­
писывается в двоичном коде и так ж е воспроизводится. (Заметим
отличие от записи на грампластинке: там царапины шли в бок и были
различны по длине и толщ ине, а здесь — в глуби н у и все одинаковы,
что уж е само по себ е увеличивает емкость записи.)
10Длинные записи (например, оперы) приходилось продолжать на серии таких пла­
стинок. Рекорд, вероятно, побила запись речи И. В. Сталина на XVII съезде ВКП(б)
в 1934 г.: она была выпущена в виде громадного альбома пластинок, в котором, в точ­
ном соответствии с обстановкой произнесения речи, первые две и последние четыре
пластинки содержали только звуки бурных аплодисментов, перешедших в овацию.

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

197

Глава 3. Запись изображения, звука и информации

3. Кинематограф
Существование кинематографа связано с особенностью нашего зритель­
ного восприятия: глаз запоминает изображение примерно на 1/15 долю
секунды (инерция зрения). П оэтом у если показывать неподвижные
картинки, сменяемы е чаще и с небольш ими изменениями на п осле­
довательных картинках, то возникнет впечатление движения объекта.
В современном киноаппарате лента в проекторе неподвижна и ее
изображ ение проецируется на экран, затем выход проектора закры ­
вается, лента скачком передвигается на следую щ ий кадр, останавли­
вается и выходное отверстие открывается. Таким образом, на экран
за секунду проецируется 24 кадра; в эп оху немого кино, до 30-х гг.
X X в., стандартом бы л показ 16 кадров в секунду, и поэтом у при их
пуске с современной скоростью возникает впечатление подпрыгива­
ю щ ей походки лю дей и т. п. (даже сейчас примерно 2 % лю дей все ж е
иногда видят темны е промеж утки м еж ду кадрами, раньше их бы ло
много больш е).
С этой особенностью нашего зрения и восприятия связана зна­
менитая история «25-кадра». Рассказывают, что в 1950-х гг. некий
продюсер, у которого фильм оказался чуть короче стандарта, вставил
после каждого 24-го кадра пустой, черный кадр. Зрители ничего о со ­
бенного не замечали, но в одном из кинотеатров механики реш или
пошутить и выцарапали на таких кадрах нехорош ее слово — его ведь
нельзя прочесть за 1/25 долю секунды. Н о после начала сеанса весь
зал почувствовал страшную вонь. Ф и льм остановили — вонь исчезла!
В историю эту вмеш ались ф изиологи и психологи: оказалось, что
хотя сознательно на экране ничего не прочитывается, но смы сл над­
писи улавливается подсознательно и поэтом у трудно или даже н евоз­
можно не воспринимать ее см ы сл как собственное ощ ущ ение. Н о ведь
это означает, что с помощ ью 25-го кадра зрителей можно убедить по­
чти во всем, что угодно: покупать определенные товары, голосовать
за нуж ную партию. Перспективы эти настолько опасны, что такие
эксперименты строжайш е запрещены, хотя с их помощ ью можно,
например, облегчить изучение языков.
Н о теперь вернемся к тому, как все это открывалось и изобреталось.
И спользование эф ф екта инерции зрения м ож но отсчитывать
с 1830-х гг. Тогда начали строить аппараты, в которых серия последо­
вательных чуть изменяемых рисунков закладывалась в круглый бара­
бан с прорезями напротив каждого рисунка: когда барабан вращался,
то перед зрителем последовательно открывались отверстия, и он ви­
дел одну картинку на противополож ной стороне барабана, видел ее
как бы движущ ейся. Аппарат этот получил гордое название «З о этр о п »

198

Раздел II I

3. Кинематограф

(от греческого « з о э » — ж изнь) и успеш но кочевал по ярмаркам всей
Европы. С открытием и усоверш енствованием фотограф ии облегчи ­
лось и производство таких «л е н т » последовательны х снимков, но сни­
мать приходилось серией фотоаппаратов — каждый делал по одному
снимку.
С ледую щ ий больш ой прорыв в преды стории кино связан с... л о ­
шадьми. Ярый лю би тель лош адей Л елан д Стэнфорд, губернатор К а ли ­
форнии, реш ил доказать на спор, что лош адь во время галопа отрывает
от зем ли на какое-то время все четы ре копыта. Д ля этого он нанял
известного фотографа Эдварда М айбридж а: момент отрыва всех ног
бы л слишком короток для того, чтобы успеть заметить его глазом.
М айбридж работал над этой п роблем ой с 1872 по 1877 г., когда он
наконец располож и л вдоль беговой дорож ки 12 фотокамер с выдерж­
кой менее одной сотой секунды, вклю чаемы х ударами копыт лошади
по клавишам, встроенны м в дорожку.
В итоге губернатор вы играл пари, М айбридж сделал из этих сним ­
ков «ф и ль м » для Зоэтропа, который он позж е несколько усоверш ен­
ствовал, даже проецируя кадры этого и чуть более длинны х «ф и льм о в »
в 24 кадра на экран. П оздн ее ф ранцузский ф и зи олог М арей и споль­
зовал такой ж е метод для изучения особен н остей полета птиц.
В 1887 г. свящ енник Ганнибал Гудвин реш ил печатать такие по­
следовательности снимков не по одиночке, а на целлулоидной ленте,
производство которой со следую щ его уж е года о свои л известный про­
мыш ленник и и зобретатель Д ж ордж И стм ен (1854—1932, он основал
ф ирму «К о д а к » и придумал само это слово, которого нет ни в одном
языке).
Теперь нуж ен бы л человек, которы й сум ел бы объединить аппа­
раты М айбридж а и М арея с ф отопленкой Иствуда.
И менно эту задачу Эдисон поручил в 1888 г. своем у сотруднику
У. К. Л. Диксону. Вместе они бы стро сконструировали устройство, ко­
торое обесп ечило точную синхронизацию движения пленки (ее край
бы л перфорирован) и устройства, закры ваю щ его и открываю щ его
отверстие объектива. В нем прокручивалась по кругу пленка длиною
до 50 футов (около 18 м) со скоростью 40 кадров в секунду, и в 1891 г.
Диксон и Эдисон подали патентную заявку на кинетограф. А скоро
эти аппараты поступили в ком м ерческую продажу, устанавливались
они в ф ойе гостиниц и даже в специальны х помещ ениях: зритель
мог, прильнув к окуляру, смотреть фильм, продолжавш ийся н есколь­
ко секунд и затем повторявшийся. А его изобретатели начали работать
над присоединением к нем у ф онограф а Эдисона...

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

199

Глава 3. Запись изображения, звука и информации

Выставка кинетоскопов Эдисона
в Париж е вдохновила Огюста и Л уи
Лю мьеров на создание кинематогра­
фа (от греческих слов «дв и ж ен и е»
и «п и са ть»): они понизили частоту
показа с 40 до 16 кадров в сек ун ­
ду, заменили кольцевой показ л ен ­
ты на линейны й (поэтом у их ф и ль­
мы могли иметь л ю б у ю длину), и зо б ­
рели легкий и удобный проектор (у
Эдисона просмотр бы л только индивидуальный, аппарат весил около
полутонны, у Л ю м ьеров — м енее 10 кг), что позволило проецировать
изображ ения на экран, и 28 декабря 1895 г. братья Л ю м ьер провели
первый коммерческий показ в зале на бульваре Капуцинов в Париже.
П риоритет в изобретении кино стал предметом судебного разби ­
рательства. В реш ении Верховного суда С Ш А от 1902 г. сказано, что
Эдисон не и зоб р ел кинофильм, а только объединил открытия других.
Н о все эти перипетии, как и дальнейш ие улучш ения в области кине­
матографии, выходят за рамки нашего изложения.

4. Голография
Самая большая беда для науки —
превратиться в моду.

Стефан Цвейг
В следую щ ие полвека после работ Ньепса, Дагерра и Тальбота бы ло
разработано множество технических усоверш енствований аппарату­
ры и процесса фотографирования.
Н о принципиально новый способ фотографирования бы л предло­
ж ен и осущ ествлен только в 1891 г. Габриэлем Л иппманом (1845—1921,
Н обелевская премия 1908). Липпман долго искал свою научную ни­
шу: ещ е до П ьера Кю ри он отм етил проявления пьезоэлектричества,
а до Каммерлинга-Оннеса — некоторые особенности сверхпроводи­
мости, но потом переклю чился на оптику. Д о его исследований все и с­
пользовали лиш ь энергию, н есом ую светом, что фактически соответ­
ствовало картине распространения света как потока фотонов, каждый
из которых мог произвести хим ическую реакцию. Липпман ж е опи­
рался на волновые представления: позади светочувствительного слоя
он помещ ал зеркало, и тогда на пленку попадали две системы лучей:

200

Раздел II I

прямая от объекта и отраж енная от зеркала. Эти две системы интер­
ф ерировали и пленка запечатлевала их интерф еренционную картину.
Если при экспозиции зеркало оставалось на том ж е месте, то
освещ аю щ ие лучи так ж е интерф ерировали и воссоздавали в цвете
исходную картину. М етод Липпмана дал первую цветную ф отогра­
ф ию на обычном фотоматериале, идеальную по точности, но недо­
статком его метода была длительность экспозиции и невозм ож ность
тираж ирования.
Новый подход к этой технике бы л предлож ен Д еннисом Габором
(1900—1979, Н обелевская премия 1971), ф изиком и и зобретателем —
ем у принадлеж ит б олее 100 патентов. Габор занимался электронной
микроскопией и в 1948 г. п редлож и л для улучш ения разреш ения сним ­
ков такой метод: наряду с отраж енной от объекта световой волной
на ф отопленку посы лался от источника световой поток точно той ж е
частоты (когерентны й) — это опорная волна (она заменяла зеркало
Липпмана). Д ве волны интерф ерировали, и на пленке записывалась
интерф еренционная картина, которая могла воспроизводиться затем
при освещ ении подходящ им световым потоком в направлении оп ор­
ной волны.
Ф актически это означало, что на пленке достаточной толщ ины
записывалось несколько слоев, они и служ или интерф еренционны м
зеркалом, п оэтом у — с учетом замены реального зеркала интерф е­
ренционное — этот метод повторял си стем у Липпмана.
Однако в то время отсутствовали достаточно мощные источники
света и Габор не смог получить качественные голограм м ы 11. Н о в 1961 —
1962 гг. после появления мощных лазеров Э .Л е й т и Ю. Упатниекс в оз­
родили метод Габора, получили первы е объем н ы е изображ ения, и го ­
лограф ия начала бурно развиваться.
И нтересно отметить, что в отличие от ф отограф ии в голограмме
нет точного соответствия м еж ду точками сним аем ого объекта и точка­
ми изображ ения — картина ф орм ируется светом, отраж енным от всей
голограммы; п оэтом у если разбить голограм м у на части (не слиш ком
м аленькие), то каждая такая часть дает при воспроизведении полную
картину, только н есколько б олее затум аненную . Х ор ош о выполненная
голограмма м ож ет создать п олн ую и ллю зи ю наблю даем ого реальн о­
го предмета — ее мож но рассматривать с разны х сторон (но при
повороте наблю дателя она поворачивается на вдвое больш ий угол),
т. е. в правый и левы й глаза попадают н есколько отличаю щ иеся кар11 Голограмма от греческих слов «голо» — все и «грамма» — записывать. Ранее
это же слово употреблялось для обозначения документа, целиком написанного рукой
одного человека.

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

201

Глава 3. Запись изображения; звука и информации

тинки, и поэтому голограмма дает стереоскопическое изображ ение.
Высокое качество голограмм позволяет экспонировать их в музеях,
заменяя подлинные раритеты — известны даж е случаи, когда недоста­
точно грамотные грабители разбивали голограммы, надеясь похитить
запечатленные на них ценности. Д елается немало попыток создать
голограф ические кинофильмы, но пока они успехом не увенчались.
Сейчас сущ ествует много различны х схем получения гологра­
ф ических изображений, оказалось, в частности, что мож но получать
голограммы не только световые, но и акустические — эти волны ведь
тож е могут интерферировать (голограммы сейсмических волн могут
позволить, например, воссоздавать глубинны е слои Земли).

5. Магнитные свойства веществ
Еще один способ записи и хранения информации обусловлен магнит­
ными свойствами веществ, но для его объяснения нам нуж но расска­
зать кое-что о магнетизме.
М ы знаем, что если в теле могут возникать электрические токи, то
при внесении этого тела в магнитное поле они должны, согласно зако­
ну Ленца, переориентироваться или возникать в таком направлении,
чтобы противодействовать основном у магнитному полю. А поскольку
во всех вещ ествах сущ ествую т внутренние токи (хотя бы внутриатом­
ные или внутримолекулярные движения электронов), то почти все
они, за редким исклю чением тех, у кого эти токи взаимно компенси­
руются (например, висмут, газ гелий), долж ны проявлять диамагнит­
ные свойства, т. е. противодействовать изм енению внеш него поля.
Н о если частицы тела уж е обладаю т магнитными моментами, то
при поднесении к магниту они поворачиваются, и если этот момент
больш е их индуцированного диамагнитного момента, то они начина­
ют к магниту притягиваться — такие тела называются парамагнетика­
ми (например, алюминий, воздух; термины происходят от греческих
«д и а -» и «п ар а-» — «ч е р е з » и «в д о ль»).
Для описания магнитных свойств вещ еств вводится специальная
величина — магнитная восприимчивость: она показывает во сколько
раз суммарное магнитное поле в среде больш е, чем поле в вакууме,
поэтом у для диамагнетиков она меньш е единицы (суммарное поле
уменьш ается), а для парамагнетиков — больш е единицы.
П оскольк у типы и особенности связей м еж ду атомами и м олек у­
лами в среде зависят от температуры и других параметров, а осущ еств­
ляю тся связи, в основном, обменом электронами, т. е. токами, свой­
ства которых тож е меняются, то и магнитные свойства среды могут
меняться — по разному в разных вещ ествах — с температурой, дав­

202

Раздел III

6. Магнитная память, феррогидродинамика

лением и т. д. П ервую теори ю диа- и парамагнетизма построил П оль
Ланж евен (1872—1946) на основе электронной теории Лорентца, затем
были исследованы отклонения от общ ей теории и построены теории
частных видов магнетизма (парамагнетизм Ван Флека, парамагнетизм
Паули, диамагнетизм Ландау и т.д.), в которы е мы не будем вдаваться.
Н аи более интересным представляется частный вид парамагнетиз­
ма, который называется ф ерромагнетизмом: для таких веществ, как
ж елезо, кобальт, никель, гадолиний и некоторы х соединений, маг­
нитная проницаемость, а с ней и уси лен и е магнитного поля мож ет
достигать м ногих тысяч.
П очем у внеш нее поле в них так усиливается?
Ответ наш ел П ьер Э рнест Вейсс (1865—1940). О н предположил,
что в ф ерромагнетиках сущ ествую т участки (домены, или области,
Вейсса, 1907), которы е уж е полностью , до предела намагничены. Точ­
нее скажем так: ж елезо и подобны е материалы являются в обычном
состоянии поликристаллами, т. е. состоят из отдельных кристаллитов,
кристалликов, а вот эти кристаллиты, если они малы, так строят свою
решетку, что в их узла х все атомы повернуты только в одну сторо­
ну, и все их магнитные моменты складываются. Однако, если нагреть
ж елезо выше какой-то температуры (точка К ю р и — Вейсса), то этот
порядок в кристаллитах нарушится и вещ ество станет обычным па­
рамагнетиком.
Отметим, что такое изм ен ен и е свойств называется фазовым п е­
реходом второго рода — при нем скачком меняется порядок внутри
вещества, т. е. его энтропия. П ри ф азовом переходе первого рода —
например, при замерзании или конденсации — скачком меняются та­
кие параметры как удельная теплоемкость, теплопроводность и т. п.
Теория доменов Вейсса сразу ж е смогла объяснить разницу между
чистым ж елезом (легко намагничивается и столь ж е легко размагничива­
ется), сталью (трудно намагнить, но намагничение может надолго сохра­
няться) и чугуном (парамагнетик). Различия в их структурах обусловлены
содержанием углерода: 1—2% в стали и больше в чугуне.
В этих сплавах зерна углерода играю т как бы роль стопоров:
в стали они меш ают доменам развернуться в сторон у поля, но после
разворота удерж ивают их в этом полож ении. В чугуне домены не м о­
гут преодолеть их сопротивление и поэтом у он не намагничивается.

б. Магнитная память, феррогидродинамика
Запоминающая магнитная память основана на том, что мож но по раз­
ном у ориентировать крохотны е магнитные домены (в таких накопи­
телях их часто называют почему-то магнитными пузырьками). Размер

Наблюдать, чтобы изобретать: от электронов к электротехнике

203

Глава 3. Запись изображения, звука и информации

доменов можно, в принципе, довести до нескольких м иллионны х д о­
лей миллиметра, и каждый такой домен мож ет быть ориентирован
вверх или вниз, что будет означать «о д и н » или «н о л ь ». П оскольку каж­
дую, например, букву мож но обозначить цифровым кодом из нулей
и единиц, то для записи лю бо го из 256 = 28 разных знаков требуется
не б олее 8 доменов, т. е. ее запись займет в длину порядка одной сто­
тысячной доли миллиметра. П оэтом у плотность записи на магнитных
доменах очень велика, к том у ж е она мож ет стираться, значит, ин­
формацию на таких носителях мож но перезаписывать. (У магнитной
записи есть, конечно, и свои недостатки: ее легко стереть магнитом,
она мож ет стереться при повышении температуры и даж е «стар еть»,
поскольку не исклю чены аналоги броуновского движения — колеба­
ния доменов).
Записывающ ее устройство состоит при этом из головки с си ль­
ным управляющ им электромагнитом, размеры самой головки и ее
| Первая попытка создания магнитной системы з а - 1 поля долж ны в идеале соответствописи звука датируется 1890 г, когда датский вать размерам одиночного домена,
инженер Валдемар Поулсен изобрел устройство чтобы только его сориентировать
намагничивания отдельных частиц на стальной
^
проволоке; были даже выпущены диктофоны, в нуж ном направлении. Считывазаписывавшие разговор на проволоку, но ка- ющая головка долж на быть тех ж е
чество воспроизводимого звука в такой записи размеров: каждый домен, проходябыло очень низким.
не0( индуцирует в ней

щий через

К 1920-м гг. были разработаны магнитные ленты — это полимерные пленки, в которые помеще­
ны ферромагнитные частицы, в простейшем случае,
окислов железа (микроскопические кристаллики
ржавчины). Однако сложности создания головок
малого размера опянули выпуск магкктофонов до
конца Второй мировой воины.

I—

ток и восстанавливает тем самым
то к в м ом ент за п и си *

Домены внутри ферромагнетиКа могут расти и уменьш аться —
процессы описываются как дви-

— I ж ения доменны х стенок. И х раз­
меры определяются минимумом магнитной энергии тела при данной
температуре и других факторах.
Если тело очень мало, то в нем может поместиться только один до­
мен, т. е. такие частицы намагничены до предела. Для окислов ж елеза
размер однодоменных частиц составляет примерно 15 нм (нм, т. е. на­
нометр — это одна миллиардная часть метра), для никеля — 7 нм и т.д.
И нуж но заметить, что запись на таких доменах мож ет быть б о ­
л ее емкой, чем, скажем, на лазерны х дисках: выжигаемые светом
углубления в дисках не могут быть меньш е длины волны света, т. е.
они в десятки или даже сотни раз больш е размеров домена. П оэтом у
у магнитной памяти есть ещ е больш ие перспективы в соревнованиях
с дисками.

204

Раздел III

6. Магнитная память, феррогидродинамика

И нтересно, что такие частицы м ож но поместить в жидкость, где
они, ввиду своих малы х размеров, будут плавать, не опускаясь на дно
(частицы мож но покрыть водоотталкиваю щ им слоем ), а из-за случай­
ной ориентации магнитных моментов частиц жидкость не обладает
общ им магнитным моментом. И сследования проблем, связанных с та­
кими ж идкостями (их течен и е в присутствии магнитного поля и т. д.),
иногда вы деляю т в отдельное направление — феррогидродинамику.
Если, например, сосуд с такой ж идкостью поместить в магнитное поле,
то все кристаллы повернутся, ж естко сцепятся друг с другом и ж ид­
кость затвердеет. Снятие поля сразу ж е снова обращ ает ее в жидкость.
Такие свойства магнитных ж идкостей предопределяю т м н огооб­
разие их применений для различны х креплений: в стакан с ж идко­
стью помещ ается, скажем, основание инструмента под нуж ным углом
и вклю чается магнитное п оле — устройство надежно фиксировано.
М еш очек с такой ж идкостью кладется на рану и при поднесении
с противополож ной стороны тела магнита герм етично ее закрывает.
С пом ощ ью магнитных ж идкостей м ож но попытаться реш ить
и самую больш ую п р облем у соврем енной медицины — транспорт
лекарств. Д ело в том, что если, скажем, к какому-нибудь протоку
печени нуж но доставить 1 мг лекарственного препарата, то б ольн о ­
м у приходится, при безоперационном методе лечения, скармливать
несколько грамм, т. е. в тысячи раз больш е лекарства, распределяю ­
щ егося по всем у организму, а это м ож ет быть совсем не безвредно.
И м енно п оэтом у не удается применять и слиш ком сильны е препара­
ты — они вредны для других органов, куда н еи збеж н о попадут.
П о это м у разрабаты ваю тся такие методы: к магнитной частице
привязывается — биологи это ум ею т — капсула или пустая клетка
(«л и п о с о м а ») с препаратом, а затем с пом ощ ью магнита, под рен тге­
новским наблю дением, этот «п о е з д » проводится по кровеносны м или
лим ф атическим сосудам в н уж н ую точку (автору доводилось участво­
вать в этих разработках).

Приложение 1

Рейтинги замечательных экспериментов
и великих физиков

Чем дальше эксперимент от теории,
тем он ближе к Нобелевской премии.

Фольклор
П оскольк у на протяжении книги мы упоминали множ ество имен, опи­
сывали много разных теорий и экспериментов, приведем, только для
ориентации, рейтинги известнейш их экспериментов и знаменитых
физиков. Так, известный английский ж урнал «Ф и зи к е У орлд» провел
в 2002 г. опрос среди ученых: какой ф изический эксперимент за всю
историю нашей науки можно считать наиболее красивым?
Рейтинг, по результатам голосования, таков (в скобках год прове­
дения):
1. Эксперимент по интерф еренции одиночных электронов на двух
щ елях (год не указан, так как он одновременно бы л проведен н е­
сколькими группами; этот эксперимент, схож ий с опытом Юнга,
окончательно доказал волновую природу электрона).
2. Эксперимент Галилея с падающими телами (1600-е гг.).
3. Эксперимент М илликена с заряженными каплями (1910-е гг.).
4. Разлож ение солнечного света в спектр Н ью тоном (1665—1666).
5. Эксперимент Ю нга по интерф еренции света (1801).
6. О пределение Кавендишем гравитационной постоянной (1798).
7. И зм ерение радиуса Земли Эратосф еном (III в. до н.э.).
8. Опыты Галилея с шарами на наклонной плоскости (1600-е гг.).
9. Откры тие атомного ядра Резерф ордом (1911).
10. М аятник Ф ук о (1851).
В ответах фигурировали и такие эксперименты:
• эксперимент Архимеда по гидростатике,
• определение скорости света Ремером,
• определение механического эквивалента теплоты Джоулем,

206

Приложение 1. Рейтинги замечательных экспериментов и великих физиков

• опыты Рейнольдса по течению жидкости в трубах,
• опыт М аха по акустическим ударным волнам,
• опыт М айкельсона— М орли,
• определение максвелловского тока смещ ения Рентгеном,
• откры тие магнитного действия тока Эрстедом,
• опыты Бреггов по диф ракции в кристаллах,
• и зм ерен и е сдвига и зображ ения звезд Эддингтоном и т. д.
П рактически все эти эксперименты мы о п и са ли 12, а сам рейтинг
показывает, что в понятие красоты у ф изиков входят неожиданность
результата и... простота самого опыта. Этот рейтинг можно, в общем,
признать справедливым.
Более слож н о распределить «п о рангам » самых ученых. Такой
опрос по рейтингу физиков всех времен б ы л проведен тем ж е ж ур ­
налом в 1999 г. (каж дому из выбранных 120 «суд ей » — действую щ их
учены х — позволялось назвать до пяти имен). В списке после занятого
места указано число отданных голосов:
1. (119) А ль б ер т Эйнш тейн (1879—1955).
2. (96) Исаак Н ью тон (1642-1727).
3. (67) Д ж ейм с Кларк М а к св елл (1831 —1879).
4. (47) Н ильс Бор (1885-1962).
5. (30) Вернер Гейзенберг (1901 —1976).
6. (27) Галилео Галилей (1564—1642).
7. (23) Ричард Ф ейнм ан (1918—1988).
8—9. (22) П о ль Дирак (1902—1984) и Эрвин Ш редингер (1887—1961).
10.

(20) Э рнест Резерф орд (1871 —1937).

11 — 13. (16) Л ю двиг Больцман (1844—1906), М акс Планк (1858—1947),
М а й к л Фарадей (1791 — 1867).
14. (13) Энрико Ф ерм и (1901-1954).
15. (6) М ария К ю ри (1867—1934).
16-17. (4) Д ж он Бардин (1908-1991), Л. Д .Л ан д ау (1908-1968).
18-20. (3) Д ж он Б елл (1928-1990), Ганс Бете (1906-2003), Дж. У. Гиббс
(1839-1903).
12 Более подробные описания большинства этих экспериментов даны в книге: Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М.: Мир, 1972; основные эксперименты в кван­
товой области описаны в книге: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной
физике. М.: Мир, 1974.

207

Приложение 1. Рейтинги замечательных экспериментов и великих физиков

П о два голоса были отданы Архимеду, Копернику, П ьер у Кюри,
Дж. т-Хофту, Э. Хабблу, И. Кеплеру, В. Паули, У. Ш окли, Дж. Дж. Том­
сону, Ч. Таунсу, X. Юкаве, и ещ е больш ий список включает имена,
упомянутые лиш ь по одному разу.
О прос этот показывает только безусловность первых трех-четырех мест: разница м еж ду последую щ им и слиш ком мала и субъективно
окрашена. Н о при Этом, несомненно, достиж ения всех названных уч е­
ных (как и многих, сюда не вошедших) достойны самого глубокого
почтения.
О роли ф изики и великих физиков в развитии человечества могут
говорить результаты ш ирокого (несколько тысяч респодентов) опро­
са, проведенного в середине X X в. среди преподавателей универ­
ситетов С Ш А и Англии. Н уж но было назвать человека, оказавш его
наибольш ее влияние на интеллектуальное и духовное развитие мира
в эп оху после Л еонардо и отметить его основную заслугу (в скоб­
ках). О прос показал, что в резко вы деляю щ ую ся лидирую щ ую группу
вошли восемь имен: У. Ш експир (впервые показана многоплановость
личности), У. Блейк (единство словесного и ж ивописного и зображ е­
ния), Н. Коперник (развенчал представления об уникальности Земли),
И. К еплер (показал возм ож ность математического описания явлений
природы), Г. Галилей (эксперимент как основа науки), X. Гюйгенс (вве­
дения индукции как метода рассуждения и доказательства), М . Планк
(введение дискретности, прерывности в науку), А. Эйнш тейн (обнов­
лен ие понятий времени и пространства, эволю ция Вселенной): ш е­
стеро из восьми — физики.
В последую щ ей группе бы ли уж е не только физики: наряду с
И. Н ью тоном и Н. Бором туда вошли Ч. Дарвин, 3. Фрейд, И. Кант,
Ф. Достоевский, К. Маркс, Бетховен и др. К таким опросам нельзя
относиться чересчур серьезно: в других странах или в иное время
они дали бы несколько отличны е результаты, но общая тенденция,
можно думать, долж на была бы сохраниться. (И з нашей прош лой
истории мож но вспомнить бурную полем ику вокруг стихотворения
Бориса Слуцкого «Ф и зи к и и ли ри ки » и фильма М. Ромма «Д евять
дней одного года» в конце 50-х — начале 60-х гг. X X в.)

Приложение 2

Некоторые обозначения

1. В ядерной ф изике и в косм огонии приходится пользоваться
очень больш ими цифрами и выписывать их названия становится за­
труднительным. Н у как, скажем, назвать циф ру с 26 нулями? П оэтом у
принято использовать сокращ енную запись в виде степени числа:
1 тысяча = 1 ООО
103
1 м иллион = 1000000 —> 106
1 миллиард (или билли он ) = 1 000 м иллионов —>• 109 и т.д.
А налогичны е правила позволяю т записывать малы е доли чисел:
1 тысячная часть = 1:1 000
10“ 3
1 миллионная часть = 1:1000000 -4 10“ 6
1 миллиардная часть - » 10 -9 и т.д.
2. Единицей работы и энергии в меж дународной систем е еди­
ниц является джоуль. Однако, это слиш ком больш ая величина при
рассмотрении, скажем, энергии одного электрона. П оэтом у энергию
в атомной ф изике принято изм ерять в электронвольтах, эВ: это эн ер ­
гия, приобретаемая электроном, прош едш им разность потенциалов
в один вольт (в сокращ енной записи единиц первая буква ф амилии
пишется больш ой). Величина эВ очень мала в сравнении с и сп ользуе­
мыми в обы денной жизни, одном у д ж оулю соответствует 6,25-1018эВ.
Для ионизации атома, т. е для освобож дения электрона, нуж на энергия
в несколько эВ. Н о в ядерны х процессах энергии намного больш ие,
они измеряю тся в тысячах, миллионах, миллиардах, триллионах эВ.
Таким образом определяю тся:
1 КэВ = 103 эВ, 1 М эВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ.
3. С огласно ф орм уле Эйнш тейна Е = т с 2, каждой величине маесы сопоставляю т энергию . И оказывается, что гораздо удобнее и зм е­
рять массу частиц именно в терм инах энергии — при этом отпадает
необходим ость в выписывании длинны х цифр. Ниже, для справок,
значения массы электрона и протона приведены в обы чных и в эн ер­
гетических величинах.
4. В обы денной ж изни тем пературу изм еряю т в градусах, но, по­
скольку температура — это мера средней кинетической энергии, ее

209

Приложение 2. Некоторые обозначения

мож но измерять в единицах энергии. Д ля этого нуж но ум нож ить тем ­
пературу в градусах на к = 1,38*10 -23 Д ж /К — постоянную Больцма­
на. При этом энергия в 1 эВ соответствует температуре 11 400 ° С .

5.
Приведем для справок примерные значения некоторых ф изи
ческих величин:
N a = 6,02* 1023 м о ль -1 — число Авогадро, т. е. число молекул в одном
моле, в массе вещества, равной его молекулярному весу в граммах;
с = 3 • 108 м/с — скорость света в пустоте;
е = 1,6 • 10“ 19 кулон — величина заряда электрона;
h = 1,05 • 10"34 Д ж • с — постоянная Планка;
а = е2/с = 1/137 — постоянная тонкой структуры;
к = 1,38 • 10~23 Д ж /К — постоянная Больцмана;
т е = 9,1 • 10-28 г ~ 0, 51 М эВ — масса электрона;
т р = 1,67 • 10-24 г ~ 0,938 ГэВ — масса протона;
G = 6,67 • 10~8 см3/г • с2 — гравитационная постоянная;
1 световой год (св. год) ~ 1013 км,
1 парсек (пк) ~ 3 св. год, 1 М пс = 106 пс ~ 3-1019 км.

Заключение

М ы начали книгу со слов великого детектива Ш ерлока Холмса: « Л не раз
говорил вам, что когда вы удалите невозмож ное, т о все, что ост а­
нется, долж но быть правдой — как бы оно ни казалось невероят ным ».
И м енно они долж ны быть признаны символом веры, и именно это мы
старались показать на протяж ении всей книги, которую вы прочли
или просмотрели.
Сопоставления детективного расследования и научного и сследо­
вания — вполне естественны: и тут, и там вы видите и следы, которые
м огут открыть истину, и множ ество лож н ы х направлений поиска,
в которы х так легко запутаться. Но, как л ю б и л повторять Эйнштейн,
«Б о г не играет в кости » — природа управляется не случайностями,
а законами, которы е нуж но открыть и понять, и она сама подсказы­
вает направление поиска, которое лю ди не всегда сразу ж е замечают.
Вспомним, что до Г. X. Эрстеда, В. Рентгена, К. Андерсона, Б. Джозеф сона м ногие квалиф ицированны е учен ы е видели, но не обратили
внимания на те, казалось бы, очевидны е особенности, которые при­
вели к открытиям.
Итак, нуж но внимательно см отреть по сторонам, не бояться фан­
тазии, не доверять полностью чуж им мнениям, но и не впадать в грех
п олного неверия, изучать критически то, что уж е достигнуто, пытать­
ся создать полную , но сво ю картину окруж аю щ ей действительности,
той науки, которая вас интересует.
«Н аук а вовсе не является коллекцией законов, собранием несвя­
занны х фактов, — пиш ут Эйнш тейн и И н ф ельд в своей книге. — Она
является созданием человеческого разума с его свободно и зобретен ­
ными идеями и понятиями. Ф и зи ч еск и е теории стремятся образовать
картину реальности и установить ее связь с обш ирным миром чув­
ственны х восприятий».
Ж дут ли нас новые открытия, и если да, то где? Я старался не за­
тушевывать имеющ иеся трудности, неясности в развитых, казалось бы,
теориях — во всех них можно и долж но искать новые явления. Помимо
того, все время возникают новые направления научного поиска — и они
открываются порой на давно как будто заезженных дорогах.
Так, топограф ы вдруг обнаруж или, что они не м огут назвать длину
береговой линии Англии: ведь с увели чен и ем масштаба карт прояв-

211

Заключение

ляю тся новые подробности этой линии и растет ее длина, которую
измеряю т линейкой по карте, — на каком ж е масштабе нуж но оста­
новиться? Эта проблема не является, конечно, практически важной,
но вот другая, математически того ж е класса: многие химические про­
цессы резко ускоряются на поверхности катализатора, например пла­
тины, и при этом мож но создать не гладкую поверхность, а причудливо
«к ор явую », но как измерить ее площадь? Для всего этого приш лось
развивать так называемую фрактальную геом етрию (мы упоминали
о ней в связи с теорией ф азовых переходов К. Вильсона) — береговая
линия Англии не имеет, как обычная линия, разм ерность 1, а неко­
торую пром еж уточную м еж ду 1 и 2 (размерности длины и площади),
размерность площади катализатора — промежуточная м еж ду 2 и 3,
т. е. м еж ду размерностями площади и объема, и т. д.
Гвовремя обсуждения в Сенате США весьма дорого-1
стоящего проекта нового ускорителя кто-то из сенаторов задал замечательному теоретику Дж. Швингеру такой вопрос: «Когда же вы, наконец, построите эту вашу теорию элементарных частиц?».
Швингер ответил примерно так: «Не знаю, но вполне возможно, что именно сейчас, где-нибудь в сельских районах Огайо или Миннесоты, растет мальчишка, в голове которого формируются нужные
для этого новые идеи. Подождем его, а пока будем работать и надеяться, что новый ускоритель
I и наша работа ускорят его приход».
I

В 1963 г* м етеоролог Эдвард
Л ор ен ц п о л о ж и л начало новому
направлению не только в физиRe атмосф ер ы, но В О всем есте-

ствознании
исследованию хаоса в детерминированных систеМах. О н просчитал на компьютекак казалосЬ| простейш ую за-

Дачу, реш ение системы трех уравнений, и соверш ил замечатель­
н ое открытие — увидел м нож е­
ство явлений, для которых невозм ож ен долгосрочны й прогноз: м алей­
шая — и н еизбеж ная! — неточность в начальных данных ведет к абсо­
лю тно различным последую щ им мирам. М н ого раньше об этом писал
М . Борн, но не сум ел превратить такую идею в новое направление.
Есть известный рассказ Рэя Брэдбери о путеш ественнике в прошлое,
который нечаянно раздавил там бабочку и вернулся в соверш енно
иной мир — закономерности, открытые Э. Лоренцем , иногда именую т
«эф ф ектом бабочки». Это новое научное направление (его называют
нелинейной динамикой, иногда синергетикой) м ож но назвать теори ­
ей хаоса, а применимо оно не только к физике, но и к поведению
финансовых рынков, к анализу кардиограмм, к деятельности анти­
глобалистов и террористов и т. д. и т. п., но для излож ения этих идей
нуж но писать новую к н и г у 13.
13 И к о н е ч н о , в т а к о й к н и ге с л е д о в а л о бы п о д р о б н о р а с с к а з а т ь о т е о р и и к а т а с т р о ф —
н ов о й , к а к будто, о б л а с т и м атем атики, м н о ги е результаты и м етоды к о т о р о й б ы л и п р е д ­
в о с х и щ е н ы ф и зи к а м и : в т е о р и и с п о н т а н н о го н а р у ш е н и я си м м етр и и , т е о р и и ф а з о в ы х
п е р е х о д о в , в о п т и к е и т.д. П о к а м о ж н о л и ш ь сос ла т ьс я н а н е б о л ь ш у ю п о п у л я р н у ю

212

Заключение

И ещ е одно, главное: М акс П ланк пиш ет в автобиографии, что
н овы е теори и п обеж даю т не потому, что кого-то удается переубедить,
а потому, что стары е учен ы е уходят, а молодые, только вступающ ие
в науку, привы каю т к новым воззрениям.
Н ауки вообщ е, и ф изика в частности, меняю тся с каждым п околе­
нием, и они ж дут эти новы е поколения, задачу которы х сф ормулируем
очень точны ми словами Л ь ю са К эр рола из бессм ертной «А л и сы в За­
зер к а л ь е»: «З д есь, как видишь, надо бежать, что есть мочи, чтобы
только удержаться на м ест е. А если т ебе н адо попаст ь в другое ме­
сто, т о ты должен бежать еще в два раза бы ст р ее».

части) книгу В. И. Арнольда «Теория катастроф» (5-е изд. М.: URSS, 2009), на некоторые
главы «Теории катастроф и ее приложения» Т. Постона и Й. Стюарта (М.: Мир, 1980) и др.

Марк Ефимович ПЕРЕЛЬМАН
(1932-2010)

Доктор физико-математических наук. До 1997 г. — заведу­
ющий отделом теоретической физики и биофизики Ин­
ститута кибернетики Академии наук Грузии, вел курсы
физики в вузах. С 1997 г. сотрудничал с Еврейским уни­
верситетом в Иерусалиме, а также с Институтом физики
им. Дж. Рака. Автор около 200 опубликованных работ по
теоретической физике и ее приложениям в геофизике, био­
физике, оптоэлектронике, а также по психологии, истории
и популяризации науки; ему принадлежит ряд изобретений.
Основное направление исследований — теория длитель­
ностей взаимодействий частиц и ее приложения. Исследования понятий дли­
тельностей взаимодействий и различных их приложений подытожены в книге:
Perelman М. Е. Quantum Kinetics: duration of interactions. N.Y.: Nova Sc. Publ., 2010.

Наше издательство предлагает следующие книги:

9785397036849
Каталог изданий
в Интернете:
http://URSS.ru
E-mail: URSS@ URSS.ru

Отзывы о настоящем издании, а также обнаруженные
опечатки присылайте по адресу U RSS@ U RSS.ru.
Ваши замечания и предложения будут учтены
и отражены на web-странице этой книги на сайте
http://URSS.ru