Научные открытия для тех, кто любит краткость

26 января
Клапейрон в России и во Франции

26 января 1799 года родился французский физик и инженер Клапейрон (ум. 1864).

Судьба Клапейрона оказалась тесно связанной с Россией. В 21 год он был приглашен на должность профессора недавно основанного в Петербурге Института инженеров путей сообщения. В России Клапейрон сформировался как ученый и нашел применение своим многочисленным способностям. К 30-ти годам его избрали членом-корреспондентом Петербургской Академии наук. Он прожил в России 11 лет: преподавал, организовывал публичные лекции, рецензировал изобретения, публиковал научные работы, выполнял инженерные проекты. Однако из-за французской революции 1830 года его карьера в России прервалась. Клапейрон открыто и бурно выражал одобрение республике, и вскоре был уволен с русской службы «по болезни». Он сохранил симпатии к России и продолжал помогать русским инженерам.

Во Франции Клапейрон прославился как проектировщик железных дорог, конструктор железнодорожных мостов и паровозов. В науке он наиболее известен работами по термодинамике – за эти работы его избрали членом Французской академии наук. Как Максвелл перевел рассуждения Фарадея на язык математики, так Клапейрон облек в форму графиков и уравнений идеи Карно (см. 1 июня). Именно Клапейрон ввел в термодинамику графический метод изображения тепловых процессов. В 1834-м он вывел уравнение состояния идеального газа (в 1874-м оно было обобщено Менделеевым и теперь известно как уравнение Менделеева – Клапейрона). Он же получил уравнение, связывающее между собой температуру кипения (или плавления) вещества и давление.

27 января
Эрвин Шредингер

27 января 1926 года в немецкий журнал «Анналы физики» поступила первая из статей Эрвина Шредингера (1887–1961), в которой было впервые получено «уравнение Шредингера» и заложены основы волновой механики.

Говорят, дело было так. Шредингер на научном семинаре в Цюрихском университете рассказывал о новых идеях квантовой механики: о том, что объекты микромира ведут себя скорее как волны, нежели как частицы. Один из преподавателей заметил, что волны, как известно, должны описываться волновыми уравнениями. Тогда Шредингер задался целью разработать волновое уравнение для описания частиц в рамках квантовой механики – и с блеском справился с этой задачей. Этот цикл работ принес ему мировую славу. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике. За эти работы Шредингеру в 1933 году присуждена Нобелевская премия.

Он был не только физиком: знал шесть языков, читал в подлинниках античных и современных философов, писал стихи. Шредингер оставил после себя немало блестящих книг, статей и воспоминаний. Его книга «Что такое жизнь с точки зрения физики?» заставила талантливых физиков заняться молекулярной биологией, в их числе был один из будущих открывателей структуры ДНК Фрэнсис Крик.

Дирак вспоминал: когда Шредингер приезжал на какую-нибудь конференцию, «он отправлялся с вокзала в гостиницу с рюкзаком, в котором умещались все его пожитки, за плечами, и выглядел, словно какой-нибудь бродяга, поэтому, когда он появлялся у стойки портье, получить номер удавалось после немалых споров».

28 января
Космические челноки

28 января 1986 года произошла катастрофа космического шаттла «Челленджер». Семеро астронавтов (включая двух женщин) погибли.

Многоразовые космические корабли стали разрабатывать в начале 1970-х, чтобы доставлять на околоземную орбиту космические аппараты, экипажи и грузы для орбитальных станций. Их стали называть «шаттлами» – «челноками».

12 апреля 1981 года (ровно через 20 лет после Гагарина) совершил свой первый полет шаттл «Колумбия»; через год к нему присоединились «Челленджер» и «Дискавери», а затем «Атлантис» (1985) и «Индевор» (1991). В экипаж входили от пяти до семи астронавтов. Шаттлы имели самую большую полезную нагрузку из всех существовавших до настоящего момента аппаратов. Но их эксплуатация оказалась во много раз дороже, чем предполагали конструкторы, а надежность – меньше. Первая катастрофа грянула 28 января 1986 года: через 73 секунды после старта «Челленджер» превратился в огненный шар. Хотя при разработке предусматривалось, что каждый из шаттлов будет до 100 раз стартовать в космос, «Челленджер» погиб при десятом запуске. А 1 февраля 2003 года, возвращаясь из 28-го путешествия, сгорел шаттл «Колумбия».

В 2011 году программа «Космическая транспортная система» была прекращена. За 30 лет эксплуатации шаттлов было произведено 135 пусков (считая две катастрофы). Больше всего полетов (39) совершил «Дискавери». Все оставшиеся «в живых» шаттлы отправились на заслуженный отдых в музеи.

Российский многоразовый корабль «Буран» совершил только один-единственный беспилотный полет 15 ноября 1988 года.

29 января
Автомобиль вчера и сегодня

29 января 1886 года немецкий инженер Карл Бенц (1844–1929) взял патент на первый в мире трехколесный автомобиль с бензиновым двигателем.

«Повозка» Бенца не была даже автомобилем в современном понимании – так, трехколесный велосипед с мотором. С современным автомобилем его роднит четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания – изобретение немецкого инженера Отто (1876). Мощность его была всего 0,9 лошадиных сил, тем не менее автомобиль Бенца разгонялся до скорости 19 км/ч.

В конце XIX столетия автомобилестроение развивалось медленно. С началом Первой мировой войны дело пошло быстрее. В первой четверти ХХ века с бензиновыми автомобилями успешно конкурировали электромобили и автомобили с паровой машиной. Сегодня, несмотря на сильный шум и токсичные выбросы, автомобили с бензиновыми двигателями остаются вне конкуренции.

Поначалу автомобиль Бенца не пользовался популярностью. Широкая известность пришла к изобретателю только после угона его автомобиля женой Бертой в 1888 году. 180-километровое путешествие Берты с сыновьями стало первым в истории автопробегом. Жители окрестных поселков выскакивали поглазеть на новое чудо, оно привлекло внимание прессы. Об автопробеге узнала вся Германия. Неисправности в пути Берта устраняла подручными средствами: чистила засорившийся бензопровод длинной шляпной булавкой, элементы зажигания привязывала лентой от шляпки… Историки считают, что именно Берта вывела автомобиль «в люди».

Сегодня гоночные автомобили развивают почти сверхзвуковую скорость – 1130 км/ч.

30 января
Покорение высоты

30 января 1934 года состоялся рекордный полет на стратостате «Осоавиахим-1» на высоту около 22 км. При спуске стратостат разбился.

До полетов ракет единственным способом достичь больших высот были стратостаты (см. 27 мая). Зимой 1934-го в СССР был задуман рекордный полет в стратосферу. Экипаж подобрался уникальный: Павел Федосеенко – рекордсмен в полетах на аэростатах; Андрей Васенко – главный конструктор по аэростатостроению. А 23-летний Илья Усыскин был уже доцентом Ленинградского физико-технического института и подавал большие надежды как ученый. 30 января в 9 утра стратостат начал подъем. В 11.49 с высоты 20600 метров была получена последняя радиограмма, после чего связь прервалась. Но никто не думал, что триумфальный полет закончится трагедией. А в 16.23 стратостат на большой скорости ударился о землю. Катастрофа произошла быстро и неожиданно. Стратостат начал падать на землю, увеличивая скорость. На высоте около двух километров стропы не выдержали, и гондола с пилотами оторвалась. Выбраться через люк наружу и воспользоваться парашютами уже невозможно – кабина беспорядочно вращается, люди ударяются о приборы.

Почему же начал падать стратостат? Верхние слои стратосферы теплее, чем нижние. Пока стратостат держался на большой высоте, он нагрелся солнечными лучами. Водород в оболочке расширился и через клапан частично вышел из нее. Чтобы начать снижение, пришлось выпустить еще часть газа. При спуске же водород начал охлаждаться и сжиматься. Чем больше он сжимался, тем меньше становилась подъемная сила аэростата, и он падал все стремительнее.

31 января
Радиационные пояса Земли

31 января 1958 года был запущен первый американский спутник «Эксплорер-1», с помощью которого был обнаружен первый (внутренний) радиационный пояс Земли.

Знаменитый первый искусственный спутник Земли «Спутник-1» был совсем простеньким – его задача заключалась в том, чтобы первым выйти на околоземную орбиту (это произошло 4 октября 1957 года). Последовавшие вскоре за ним американские «Эксплореры» и советские «Спутники» были уже оснащены серьезной научной аппаратурой для изучения космических лучей, атакующих Землю. Полеты этих аппаратов привели к неожиданному открытию. Оказалось, что Земля за пределами своей атмосферы окружена слоями заряженных частиц большой энергии (в основном протонов и электронов), которые захвачены магнитным полем планеты. Эти слои назвали радиационными поясами. Частицы солнечного ветра и космических лучей, захваченные магнитным полем Земли, не могут покинуть радиационные пояса из-за того, что магнитное поле здесь имеет форму так называемой магнитной ловушки. Некоторые частицы находятся здесь многие десятилетия. Они кочуют от одного магнитного полюса к другому, «наматываясь» на силовые линии поля и, в конце концов, испытывая столкновения с молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой. Именно эти частицы вызывают полярные сияния.

Радиационных поясов два. Первый (внутренний) находится на высоте от 500 до 4 000 км; второй (внешний) простирается от 10 до 60 тысяч км (его плотность максимальна на высоте 20 тысяч км). В настоящее время выделяют и третий пояс, начинающийся на высоте 60–75 тыс. км, но энергии частиц в этом поясе уже невелики, так магнитное поле здесь гораздо слабее. Радиация первых двух поясов несет угрозу и космическим кораблям, и космонавтам. Поэтому искусственные спутники Земли и космические станции вынуждены постоянно находиться либо под, либо над этими поясами, либо в так называемой «безопасной зоне» между ними. Впервые люди пересекли радиационные пояса во время полетов на Луну по программе Аполлон. Из-за небольшого времени пролета дозы облучения, полученные астронавтами, были невелики.

И все же радиационные пояса – это благо для нас! Без них уровень радиации на Земле был бы гораздо выше: ведь они улавливают заряженные частицы космических лучей, не допуская их до поверхности Земли.

31 января 1865 – Дмитрий Иванович Менделеев защитил докторскую диссертацию по теме «О соединении спирта с водою». В дальнейшем расчеты Менделеева легли в основу рецепта классической русской водки.

Февраль

1 февраля
Целый мир на кончике пера

1 февраля 1928 года опубликовано квантовое релятивистское уравнение Дирака.

В 1905 году Эйнштейн показал, что при движении с очень большими (релятивистскими) скоростями законы «обычной» механики не работают, и написал новые, релятивистские, уравнения. По аналогичному пути шло развитие квантовой механики. Сначала Шредингер (см. 27 января) написал нерелятивистское уравнение – оно неприменимо к частицам, движущимся с околосветовыми скоростями. Затем Поль Дирак (см. 8 августа) предложил релятивистское уравнение, которое мы теперь называем уравнением Дирака. Оно с огромной точностью описывает поведение электронов и других частиц с полуцелым спином. Однако это уравнение допускало решения с отрицательной энергией! Это выглядело настолько дико, что впору было отказаться от всего сделанного. В поисках выхода Дирак выдвинул странную идею о том, что может существовать частица, идентичная электрону, но противоположного знака заряда.

И такая частица – позитрон (или антиэлектрон) – действительно была открыта в космических лучах в 1932 году (см. 2 августа). Но чем другие частицы хуже электрона? Значит, у них тоже должны быть свои «антиподы». Антипротон был обнаружен лишь в 1955 году на ускорителе в Беркли; в 1956-м там же открыли антинейтрон. Сейчас известны сотни элементарных частиц, и практически все они имеют свои «антиподы». Встреча частицы с античастицей приводит к исчезновению обеих – превращению их в чистую световую энергию (это называется аннигиляцией).

Дирак предсказал целый мир антивещества, и его догадка блестяще подтвердилась.

2 февраля
Читают все!

2 февраля 1829 года родился Альфред Брем, немецкий зоолог (ум. 1884).

Весь мир знает автора необыкновенных книг «Иллюстрированная жизнь животных» (шесть объемистых томов). Истории о зверях, птицах и насекомых окрашены искренними человеческими эмоциями: вся эта фауна ссорится, негодует, грустит, обзаводится семьями, обживает новые территории… Альфред Брем путешествовал, а затем делился своими наблюдениями в интересных рассказах, понятных всем без исключения.

В первое свое путешествие по верховьям Нила он отправился в 17 лет, и продолжалось оно четыре с лишним года. Началось с приключений. Едва прибыв в Каир, Брем получил солнечный удар, чуть оправился – случилось знаменитое Каирское землетрясение. В тропических лесах и в пустыне он охотился и наблюдал, собирал коллекции флоры и фауны, тяжело болел тропической лихорадкой, но не сдался! В своем дневнике Брем записал: «Нужно. Если я этого не сделаю – я не ученый». Вернувшись домой, поступил в университет и весь отдался естествознанию. Свое последнее странствие Брем совершил в 1876 году по Сибири. Были и другие поездки, и признание, и награды. На любом вечере Брем становился душою общества, часами мог рассказывать о путешествиях и о животных. Студенты обожали своего веселого и остроумного профессора с пышной гривой седых волос. Были и великие скорби – смерть любимой жены и младшего сына. Остались книги, которые весь мир читает по сей день. Прочтите и вы, не пожалеете.

«Наука сама по себе неотразимо привлекательна и награждает своих почитателей уже тем наслаждением, с которым они служат ей» (Брем).

3 февраля
«Луну считать твердой!»

3 февраля 1966 года автоматическая межпланетная станция Луна-9, запущенная 31 января, впервые в мире осуществила посадку на поверхность Луны в районе Океана Бурь и передала первую лунную фотопанораму.

Когда проектировались первые межпланетные станции, мы практически ничего не знали об условиях, в которых им придется работать. Что представляет из себя лунная поверхность? Этого не знал никто. Было предположение, что поверхность Луны покрыта 10-метровым слоем пыли. Как тогда на нее садиться? Забавно, но главный конструктор Сергей Павлович Королев решил проблему приказным порядком: «Луну считать твердой!» Интуиция его не подвела. Успешная посадка автоматической станции «Луна-9» в районе Океана Бурь подтвердила: грунт достаточно твердый, слой пыли небольшой.

Станция передала телевизионные изображения круговой панорамы вокруг места посадки. Впервые мы видели угрюмый лунный ландшафт, близкий лунный горизонт, черное лунное небо. Бросались в глаза камни – результат разрушения лунных гор, иногда вулканические бомбы. Некоторые из камней огромны, размером с автобус, а то и крупнее. А вскоре, 30 мая того же года, совершила мягкую посадку на Луну и передала на Землю изображения лунной поверхности американская автоматическая станция.

Как ни странно, первыми смогли увидеть лунный ландшафт англичане. Сигналы «Луны-9» были приняты не только нашим Центром космической связи, но и Манчестерской радиообсерваторией. Пока советские ученые возили лунные снимки по инстанциям, собирая разрешающие подписи, английские астрономы передали снимки в газеты.

4 февраля
Циолковский: мысли

4 февраля 1892 года Циолковский с семьей переезжает в Калугу. Здесь он напишет свои главные труды по космонавтике, теории реактивного движения, космической биологии и медицине.

• «Земля – это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».

• «Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

• «Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубины космоса, но отнюдь не самоцель».

• «Каждое существо должно жить и думать так, как будто оно всего может добиться рано или поздно».

• «Не окружают ли нас невидимые солнца, планеты и существа, подобно бактериям, которых разглядел человек только теперь? Где живут эти высшие? Населяют ли только определенные уголки Вселенной, или рассеяны всюду и могут быть, где хотят? Какие их свойства? Не имеют ли они связи с теперешними существами? Не составляют ли начало жизни людей и родственных им, хотя и совершенных небесных существ? Не составляют ли они их душу (их часть)? Не вселяются ли с какой-нибудь целью в животное или человека при его зачатии? Странные вопросы, и ответа на них нет».

• «…Нас ждут бездны открытий и мудрости. Будем жить, чтобы получить их и царствовать во Вселенной, подобно другим бессмертным».

• «Время сделает человека когда-нибудь хозяином Земли. Он будет распоряжаться жизнью растений и животных, даже собственной судьбой. Он будет преобразовывать не только Землю, но и существа, не исключая самого себя».

• «Но как преобразить человека? Каким он должен быть?»

5 февраля
Жизнь без Солнца

В феврале 1977 американский глубоководный аппарат «Альвин» обнаружил на океанском дне новую форму жизни, основанную на хемосинтезе.

Погрузившись на глубину 2,5 км, ученые увидели фантастическую картину: множество башен в виде труб и конусов высотой в десятки метров. Из их вершин вырываются черные клубы «дыма» (поэтому башни назвали «черными курильщиками»). Температура воды в устьях «курильщиков» достигает 300 °C! Давление на такой глубине больше 200 атмосфер, поэтому вода закипает лишь при очень высокой температуре (см. 23 ноября). Склоны башен почти до самых вершин покрыты толстым слоем бактерий, способных выдерживать температуру до 120 градусов. Там, где температура падает до 40 °C, сплетаются белые трубки гигантских червей с алыми щупальцами, а среди них ползают крабы, плавают осьминоги, словом, кипит жизнь. Красота и богатство этого оазиса так поразили исследователей, что они назвали его «райским садом». Сейчас «райские сады» обнаружены во всех океанах на глубинах от 400 до 7000 м. Там обитает более 450 видов животных, 97 % которых были ранее не известны науке.

«Курильщики» образуются в местах, где есть трещины на стыках литосферных плит, из которых состоит верхняя мантия Земли. По трещинам морская вода проникает в недра, смешивается там с магмой, насыщается химическими элементами и извергается из жерл курильщиков. Знакомая нам жизнь основана на потреблении солнечной энергии – фотосинтезе: растения усваивают свет, животные питаются растениями. Жители же «райских садов» живут за счет химических реакций внутри своих организмов – хемосинтеза.

6 февраля
Свет простой и сложный

6 февраля 1672 года Ньютон представил Лондон-скому королевскому обществу доклад «Новая теория света и цветов», в котором доказал, что белый цвет есть смесь всех цветов радуги.

До Ньютона было принято считать, что свет по природе своей не имеет цвета, что сам по себе он белый; цвет же – некое новое качество, которое примешивается к свету при преломлениях и отражениях. Ньютон, еще будучи студентом, провел серию экспериментов, которые изменили эти представления. На пути узкого светового пучка он ставил призму, а за ней экран, на котором наблюдался спектр. Разложение белого света призмой в спектр было известно и до него, но именно Ньютон сделал верный вывод: белый свет состоит из лучей различного цвета, причем каждому цвету соответствует свой коэффициент преломления. Именно цветные лучи являются «простым» светом, а белый свет – составным. Чтобы доказать это, Ньютон продолжил эксперимент. В экране, на котором наблюдался спектр, он проделал малое отверстие, через которое проходил узкий пучок одного цвета. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Он убедился, что этот пучок отклоняется призмой как одно целое, не меняя окраску. Ньютон пропускал через вторую призму лучи всех цветов, и во всех случаях они не меняли свой цвет, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета. Он сделал также ряд простых и изящных опытов, чтобы проиллюстрировать обратное утверждение: спектральные цвета, будучи смешаны в соответственных пропорциях, опять дают ощущение белого цвета.

7 февраля
Леонардо да Винчи ХХ века

7 февраля 1897 года родился Александр Леонидович Чижевский, биофизик, основоположник гелиобиологии и аэроионификации (ум. 1964).

Так называли Чижевского – ученого, поэта, художника. Вы наверняка слышали о «люстре Чижевского», которая насыщает воздух в комнате полезными ионами. Много лет Чижевский изучал влияние ионов воздуха на живые организмы и доказал, что отрицательные аэроионы оказывают благотворное влияние, положительные же – неблагоприятное. Первым в мире Чижевский начал искусственно создавать в воздухе полезные ионы. «Когда аэроионизация получит такое же распространение, как и электрификация, можно будет говорить о сохранении здоровья, защите от ряда инфекций и об увеличении долголетия огромных масс народа», – писал он. Чижевский изучал влияние Солнца на живые организмы и даже на ход истории. Он обнаружил, что циклы солнечной активности влияют на погоду, урожайность, заболеваемость, а также связаны с войнами, революциями, кризисами и т. д. Он положил начало новому космическому мировоззрению: «Жизнь в значительно большей степени есть явление космическое, чем земное».

В Альпах высоко в горах есть «долина смерти», куда местные жители не решаются заходить. Когда до этой долины дошла научная экспедиция, то самочувствие всех ее участников резко ухудшилось: появилась тошнота, боли в области живота и т. д. Измерения показали сильно повышенную концентрацию положительных ионов. Путешественники с трудом выбрались из долины, а проводники заявили, что ни за что еще раз туда не пойдут.