Взламывая физику - Джексон Т.

Author: Джексон Т.

Tags: физика

ISBN: 978-5-17-153439-4

Year: 2023

Similar

Классическая электродинамика

Великая физика. От большого взрыва до квантового воскрешения

Классическая электродинамика

Мастер золотые руки: самое полное руководство

Text

ТОМ ДЖЕКСОН

Я
А
В
Ы
М
А
ВЗЛ

У
К
И
З
ФИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО АСТ
МОСКВА

УДК 53(03)
ББК 22.3я2
Д40

Tom Jackson
PONDERABLES: PHYSICS
Все права защищены. Нарушение прав автора, правообладателя,
лицензиара влечет привлечение виновных к ответственности

Д40

Джексон, Том.
Взламывая физику / Том Джексон ; перевод с английского А. В. Банкрашкова. — Москва : Издательство АСТ, 2023. —
288 с. — (Наука всем).
ISBN 978-5-17-153439-4
Физика — великая наука, раскрывшая загадки самых таинственных явлений природы. Все, что нас окружает: материя, звук,
цвет, — подчиняется ее строгим законам.
Британский популяризатор науки Том Джексон в живой и увлекательной форме проведет читателя по самым важным открытиям
и достижениям ученых-физиков и расскажет, как они повиляли на
современную науку и что нас ждет впереди.

УДК 53(03)
ББК 22.3я2

ISBN 978-5-17-153439-4

Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Раздел 1. На заре науки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Попытки объяснить природу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Фалес Милетский . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Атомы: всё из малого . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Четыре элемента природы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Эврика! Закон Архимеда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Технология и наука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Луч света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Законы механики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Силы и инерция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Искусственная радуга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Бритва Оккама . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Нужен импульс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Теория приливов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Постижение магнетизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Закон преломления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Прославивший Пизу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Под давлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Маятник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Закон Гука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Газовые законы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Раздел 2. Научная революция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Законы Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Теория света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Летающий мальчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Температурная шкала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Лейденская банка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Скрытая теплота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Вещество и огонь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Измерение заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Взвесим планету . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Батарейка и лягушачьи лапки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Теория атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Свет как волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Упругие и неупругие деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Электричество и магнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Термоэлектрические явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Тепловые машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Броуновское движение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Раздел 3. От классической физики к современной . . . . . . . . . . 89
Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Эффект Доплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Механический эквивалент тепла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Единая теория энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Абсолютная температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Со скоростью света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
Немного о спектроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
Уравнения Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
От горячего к холодному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
Заряженные газы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
Уравнение Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
Такой переменный Тесла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
Мах: выходя на сверхзвуковую . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
В поисках эфира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
Волны без среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
Неизвестные Х-лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Раздел 4. Субатомная эра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Радиоактивность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Первая субатомная частица . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
Постоянная Планка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
Дальняя радиосвязь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
Супруги Кюри . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
«Год чудес» Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Сто сюрпризов Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
Такое позитивное ядро . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Единица заряда электричества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
Камера Вильсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
Сверхпроводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
Космические лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Квантование атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
ОТО: пространство и время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153

Открытие протона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
Корпускулярно-волновой дуализм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
Принцип запрета Паули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
Бозоны — частицы силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
Вселенская неопределенность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
Счетчик Гейгера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
Почти такая же антиматерия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
Разрушитель атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
Электронный микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
Неизвестная часть ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
Позитрон — новая загадка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
Скрытая масса Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
Рукотворная молния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
Излучение Вавилова — Черенкова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
Экзотические частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
Сверхтекучесть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
Деление ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
Раздел 5. Современная физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
Квантовая электродинамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
Транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
Теория Большого взрыва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
Пузырьковая и искровая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
Большой взрыв «Иви Майк» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
Мазеры и лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
Семейство нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
Кварки странные и очарованные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
Стандартная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
Теория струн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Излучение Хокинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
Темная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
В поисках бозона Хиггса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
Теория космической инфляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210
Гравитационные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
Физика: основы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Нерешенные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
Великие физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
Справочные таблицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
Список источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281

ВВедение
Физика легла в основу всех наук, и без нее все наши знания
в области других наук искрошились бы в пыль . В наши дни мы
получили возможность изучать природу в любых ракурсах
и ипостасях, вплоть до масштабов микромира, однако в физике все еще остается много неоткрытого .

ВЕЛИКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Мысли и деяния великих мыслителей всегда находили свое
место в мировой истории, и здесь, в этой книге, мы представим лишь первую сотню этих великих людей . Каждая из наших
историй связана с прорывом — решением серьезной проблемы, которое претендует на важное открытие, поскольку меняет
понимание мира и нашего места в нем . Но знания не приходят
к нам полностью сформированными и «готовыми к употреблению» . Нам приходится немало потрудиться, чтобы усвоить уже
известные научные факты и добавить к ним собственные . Оглядываясь на историю науки, мы можем видеть, что наиболее
прогрессивные суждения сначала всегда воспринимаются обществом как совершенно неправильные, если не смехотворно
дикие . Но сейчас вполне очевидно,
что наш мир, объединенный высокими технологиями, как раз и построен на этих технических достижениях . Он и поныне развивается
вместе с наукой, которая шаг за шагом «рисует» все более ясную и точную картину реальности .
Уже в арабском манускрипте XVI века
можно найти чертеж механического
устройства, потоком воды приводимого во вращательное движение.

ПРИРОДА ВЕЩЕЙ
История физики представляет собой, по сути, исследование природы . Даже само слово «физика» переводится с языка древних греков как «природа» . На заре цивилизации первые естествоиспытатели задавались вопросом, почему воздух,
вода и земля таковы, каковы они есть, и связаны ли они со
звездами, которые блистают над нашим миром .
Тогда казалось, что наш маленький земной мир находится
в процессе непрерывных изменений, а «небесная твердь» незыблема . Как растение из семени, физика произросла из идеи
единства законов во Вселенной, связав валы океанических волн
со светом далеких звезд . Века размышления и экспериментов (не
забываем и об открытиях, которые несет нам слепой случай) показали правильность этого интуитивного предположения . Универсальные законы физики позволили понять то, что происходит
на звездах в далеких галактиках, а также закономерности движения электронов в чипах суперкомпьютеров . Столь существенные
достижения действительно делают физику матерью всех наук .

ДОЧЕРИ ФИЗИКИ
А как же химия, биология или, скажем, геология? Этот список
можно было бы продолжать еще долго, ведь каждая из наук гордится своей собственной историей и действительно вносит неизмеримый
вклад в «компендиум» наших знаний о мире . Но все они основываются на платформе физики,
Высокотехнологичные холодильные установки позволили
достигать очень низких температур, в результате чего
было открыто явление сверхпроводимости. На фотографии
сверхпроводящий магнит парит
в магнитном поле.

создавая надстройки, с которых открываются новые горизонты
понимания . Так, химия объясняет структуру миллионов веществ
искусственного и естественного происхождения, из которых состоит мир . Но чтобы сделать это, химии пришлось «позаимствовать» у физики концепцию атома и понять, как он будет вступать
в химические реакции, образуя и разрывая связи . Да, именно
так возникли все вещества на Земле . Биология может поведать
нам о том, как функционируют формы жизни — кстати, наиболее
сложные системы во Вселенной . При этом биология опирается
на физику в вопросах того, как перетекает наполняющая живые
организмы энергия . Геология рассказывает нам о том, что даже
твердые породы находятся в непрерывном движении, и, чтобы
сделать это, она более широко «разворачивает» представление
физики о законах распространения в различных материалах тепла и звука . Без этого не понять, какие могучие силы действуют
внутри и снаружи нашей планеты, непрерывно изменяя ее облик . Так что давайте посмотрим, как физика — наиболее фундаментальная из наук — сама выросла из мифов и догадок, став основой всех научных знаний о мире .

РАЗДЕЛЫ ФИЗИКИ
Как и во всех научных дисциплинах, в физике выделяют
ряд разделов, каждый из которых специализируется на
отдельной области исследований . Но в отличие от других
научных дисциплин, в физике происходит разделение на
две большие группы — современная физика и классическая . Вполне очевидно, что разделы классической физики
сформировались задолго до разделов современной физики . В большинстве других научных дисциплин старые идеи
по мере развития сменяются новыми, однако современная
физика основывается на совершенно иных законах и принципах, в корне отличных от законов ее классического компаньона . И при этом оба раздела — и классический, и современный — остаются правильными каждый в своей сфере исследований .

ЭЛЕКТРОМАГНИТИЗМ
Теория электромагнетизма изучает поведение электрических
зарядов, электроток, магнетизм
и спектр электромагнитного излучения, включающий в себя
видимый свет, радиоволны
и рентгеновское излучение .

СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Статистическая механика развивает математические методы, позволяющие моделировать движение
невидимых молекул и атомов .

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Материаловедение отвечает на
вопрос, почему различные материалы имеют разные свойства .

КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Это так называемая физика «старой школы» . Она имеет дело
с явлениями привычного для нас масштаба и исследует движение тел, перенос энергии в экспериментальных и промышленных установках . Также в область классической физики входят
темы электричества и звуковых колебаний . В конце XIX века бытовало убеждение, что классическим теориям по силам разрешить все загадки, которые предлагает природа . Но к 1910 году
это положение пошатнулось, причем благодаря сторонникам
современных физических теорий .

ОПТИКА
Оптика изучает природу света и поведение световых лучей
в различных средах .

ТЕРМОДИНАМИКА
Термодинамика исследует распространение тепла в различных материалах и превращение
одних видов энергии в другие .

КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Классическая механика изучает
движение тел различной массы
под воздействием приложенных сил .

АКУСТИКА
Акустика изучает распространение в различных физических
средах звуковых волн .

ТЕОРИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Теория относительности объясняет, как движущаяся масса взаимодействует с пространством
и временем .

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
Квантовая механика изучает
физические явления
на уровне самых мелких
субатомных частиц .

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Ядерная физика исследует структуру и поведение атома .

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА
В начале XX века началось становление современной физики, поскольку многие классические теории стали давать сбой при применении их к сверхбольшим и сверхмалым масштабам . Так, в масштабе
микромира даже небольшие расхождения оказывались огромными . А современная теория относительности разрабатывалась специально для того, чтобы связать пространство и время в масштабах
макромира, поскольку квантовая теория работает лишь в масштабах
микромира . Одной из самых больших надежд физики XXI века может стать единая теория, которая объединит эти две теории .

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ
СРЕД
Физика конденсированных сред
рассматривает твердые тела
и жидкости с точки зрения того,
как атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом на квантовом уровне .

ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ЧАСТИЦ
Этот раздел физики описывает
поведение фундаментальных
частиц, составляющих материю
нашего мира, и силы
взаимодействия этих частиц
друг с другом .

АСТРОФИЗИКА И КОСМОЛОГИЯ
Эти разделы физики имеют общие моменты с астрономией . На основе достижений ядерной физики и других теорий современной физики они объясняют эволюцию звезд и формирование Вселенной .

Раздел 1

на Заре наУКи

ПоПытКи объяСнить
ПриродУ
Как мы уже писали и — не сомневайтесь — напишем еще, слово «физика» пришло к нам из древнегреческого языка и означает просто «природа» . А человеку так свойственно изучать
окружающий его мир .
Подобно любому живому существу, у которого очень простой выбор — съесть или быть съеденным, древние люди всегда были настороже . Так и мы наблюдаем за нашим окружением,
ловя малейшие детали и пытаясь решить, что будет в следующий
НЕВСЕСИЛЬНЫЕ бОГИ ОЛИМПА
Вообще говоря, божественная теория создания мира полагается
на всесильных божеств, которые знают ответы на все вопросы .
Ставя под сомнение достоверность этих божественных историй,
мы ставим под сомнение и существование самих богов . Однако
древние греки поклонялись целому пантеону божественных существ, живших на горе Олимп . (Эта гора существует в реальности .) Олимпийские боги имели человеческий вид, часто влюблялись и воевали, так что всякому было ясно, что они не держат
под контролем даже самих себя . Именно при таких обстоятельствах и появились первые греческие философы, способные задавать действительно глобальные вопросы о Вселенной . Эти философы по праву вошли в историю науки .
Человекоподобные боги Олимпа позируют
для семейного портрета.

Таким был райский сад Эдем по
мнению Иеронима Босха . Грехопадение, описанное в истории Эдема, случилось потому,
что Адам и Ева впервые почувствовали стыд и смущение, когда
им рассказали об их наготе . Вся
эта история показывает момент
становления человеческой сущности и хорошо вписывается
в «теорию разума» . В этой разделяемой нами концепции есть
наши мысли и мысли тех, кто
вокруг нас . Неужели и другие
живые существа вписываются в теорию разума? Мы так не
считаем, однако они тоже могут
думать о том, что вокруг них .

момент . Чтобы сделать это, мы полагаемся на наш прошлый опыт,
т . е . на то, что происходило в последнее время . Однако мы также
способны мыслить абстрактно, принимая во внимание знания,
не связанные на первый взгляд с ситуацией . Применение знаний
в новых ситуациях — это уникальная черта человека . Поместите себя мысленно в ситуацию, в которой вы никогда не бывали и,
возможно, никогда не будете, и вы поймете, что можете представить себе совершенно невообразимые обстоятельства .

РЕшЕНИЯ, РЕшЕНИЯ
Человек обладает мозгом примата, который по своей природе способен за короткое время принимать значительное
количество решений . Добавьте сюда то, что мы испытываем
постоянный интерес ко всему новому . (Именно это природное любопытство помогает нам находить актуальные пот-

Истории творения
мира из Индии и Китая
изобилуют мифологическими существами
в образах различных животных — обычно могучих слонов, длинных
змей и крепких черепах.

ребности еще до того, когда они реально появятся в нашей
жизни .) Мозг человека развит особенно хорошо и позволяет
создавать ментальные карты местности, учитывая даже смену времен года . Но больше всего мы используем свое серое
вещество для того, чтобы взаимодействовать с другими представителями человеческого рода, собирая информацию, которая поможет нам выжить . Если при этом мы совершим ошибку, жизнь не даст нам второго шанса . Еще люди способны
делиться с другими информацией о своих успехах и неудачах,
благодаря чему мы получаем опыт не только свой, но и чужой — от других людей .

ВОПРОСЫ, ВОПРОСЫ
Этот обобщенный опыт приходит к нам через поколения,
создавая зачатки культуры . А культура — это волшебный
сундучок знаний и традиций, которые обеспечивают нас
ответами на многие важные вопросы . Например, где можно найти пищу в это время года или когда созревает урожай? А может быть, разливается ли эта река весной? Однако на некоторые вопросы один лишь опыт ответить не
в состоянии . Например, откуда появились мы и вся окружающая нас природа?

В ПОИСКАХ ПОНИМАНИЯ
Для получения картины о мире мы в прошлом делали то, что
делаем и сейчас, — представляем себе возможный ответ . Инструменты, которые дает нам культура, штрихами рисуют все
более полную картину мира . И в число этих инструментов попрежнему входит все необходимое, чтобы обезопасить нас
от голода, только теперь человек хочет узнать и свое место
в природе, а также как появилась сама природа .
И сейчас в культуре людей есть много мифов о творении .
Так, люди племени бошонго в Центральной Африке верят, что
в древности была только темнота, вода и великий бог Бумба, который однажды заболел, и его вырвало Солнцем, Луной,
звездами, животными и, наконец, человеком . Согласно мифам
других народов, этот мир является ребенком матери (а иногда
ПИРАХАН
отца) — природы . Другие убежВ 1980 году американсдены, что природа сформировакий антрополог Дэниэл
лась из хаоса, при этом общеприЭверетт описал мифолонято, что природа образовалась
гические представления
в одно мгновение из ничего . Но
бразильского племени
ни одна из этих теорий не имеет
Пирахан, народа охотнинадежных доказательств — тут
ков-собирателей из Амазонии . Выяснилось, что
и начинается история физики .
у них нет богов и мифа
В каком-то смысле физику тако творении . Пираханцы
же можно назвать очередной истоверят лишь в то, что восрией творения . В настоящее время
принимают своими оргапринято, что Вселенная сформиронами чувств, и не верят
валась из ничего, и единственным
в то, что им говорят, если
ее отличием от других теорий явсам говорящий не испыляется то, что в основе физики летал это на себе . Индейцы
жат проверенные свидетельства .
не пытаются аккумулироКонечно, со временем почти все
вать знания и просто понаучные факты уточнялись, и сейкупают все новинки у соседних племен .
час мы приступим к самой физической истории создания мира .

ФалеС милетСКий
Если наука и имеет начало, то ее началом
нужно признать физику . Если физика имеет
начало, то пошла она из Древней Греции,
а именно из Милета . Именно в этом городе
Малой Азии родился Фалес, в настоящее
время признаваемый отцом всех наук .
Живший на рубеже VII–VI веков
до н . э . Фалес, без сомнения, был исторической фигурой . До нас не дошло ни
одного его произведения, однако труды более поздних философов неизменно ссылаются на Фалеса . Он был
греком, но в том смысле, что принадлежал к культуре древних эллинов .
Родился на западном побережье
Малой Азии, территорию которой
занимает ныне Турция . В те времена это было пересечение торговых путей — довольно бойкое место, — и Фалес, без сомнения, попал
под влияние старейших цивилизаций Египта и Вавилона . Есть мнение,
что он даже жил там какое-то время . Сам Фалес ученым себя не называл, это сделали его последователи .
Он стал первым, кто отказался
от мистических объяснений
и попытался разобраться
в настоящих причинах приХотя деяния Фалеса оказали большое влияние на развитие науки, как о человеке
о нем известно совсем
немного.

родных явлений . В своих объяснениях Фалес опирался лишь
на то, что видел и чувствовал . С тех пор прошло почти двадцать веков, и с высоты современного понимания науки великие теории Фалеса представляются нам почти детскими . Однако он был первым, кто решил ответить на вопрос, откуда
пошел наш мир, наша Вселенная . Фалес был монистом и полагал, что все вещи в мире сделаны из единой субстанции —
воды . По его рассуждению, только вода имеет три уникальные
характеристики: без нее невозможна жизнь, она может течь
и изменяет свою форму .
Но прославился Фалес своими геометрическими открытиями (вспомните теорему Фалеса) и умением предсказывать солнечные затмения, одно из которых, согласно легенде, положило конец войне между двумя государствами .
СЕМЬ МУДРЕЦОВ
Фалес Милетский признан первым из cеми мудрецов Древней
Греции . В число этих мудрецов вошли философы, политики и законодатели рубежа VII–VI веков до н . э . Про них говорят, что они
посеяли семена, из которых вырос современный мир . Остальные шесть мудрецов — Клеобул из Линда, Солон Афинский,
Хилон из Спарты, Биант Приенский, Питтак Митиленский и коринфский тиран Периандр .
Сделанный
в XIX веке коллаж (образы
были взяты
с бородатых
бюстов) показывает нам
семерых мудрецов и их немногочисленных гостей на
воображаемом
банкете. Фалес
сидит крайним
справа.

атомы:
ВСё иЗ малого
Многие современные физики посвятили
свою жизнь тому, чтобы заглянуть внутрь
атома . Таким был и Демокрит, греческий философ, который предположил существование атомов еще 2400 лет назад, дав широкую дорогу другим исследователям . В конце
концов он оказался прав, почти прав .
Последователи Фалеса Милетского исповедовали монизм1, но при этом оказались довольно искушенными оппонентами . Например, Парменид, живший в V веке
Демокрит запомнился
до н . э ., мог утверждать примерно следуюсовременникам своим
жизнелюбием и даже по- щее: «Все во Вселенной сделано из одной
лучил прозвище «Смею- субстанции, поэтому невозможно представить себе «ничто» . Но субстанция в своем
щийся Философ». Эта
движении должна занимать место, где преработа голландского
жде было «ничто», которого, по сути, быть
художника Хендрика
Тербрюггена, написанная не может . Следовательно, любое движев 1628 году, показывает ние и изменение, которое мы видим вокруг
Демокрита на пиру.
нас, — это иллюзия» .

КОНЦЕПЦИЯ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Новая теория атомизма в своем развитии преодолела это логическое противоречие . Первым ее начал разрабатывать Левкипп, но до конца ее довел Демокрит из фракийского города
Абдеры .
Атомистика утверждает, что материю (субстанцию) невозможно до бесконечности делить на все более мелкие частицы .
Монизм — философское воззрение, согласно которому разнообразие объектов в конечном счете сводится к единому началу или субстанции .
1

В конце концов вы дойдете до атомов — мельчайших, невидимых
ЛЕВКИПП
Впервые идея сущести неделимых «кирпичиков», из ковования атомов была
торых сложено все в мире . (Само
высказана Левкиппом,
слово «атом» переводится с древучителем
Демокринегреческого языка как «неделита .
Левкипп
умер,
когмый» .) Любые изменения в природа Демокрит был еще
де заключаются в том, что атомы
юношей . Изначально
просто меняют свое расположеЛевкипп полагал, что
ние . Однако идея того, что материя
атомы перемещаются
состоит из двух и более частей, не
хаотичным, «недетеруничтожала монизм, и Демокрит
минированным» обрапредположил, что не все атомы
зом . Демокрит пришел
к противоположному
одинаковы . Получалось, что свойстмнению — характер
ва материи на больших масштабах
движения и распомогут быть объяснены составляюложение атомов есть
щими ее атомами в малом масштарезультат
специфибе . Например, жидкая вода может
ческого межатомного
быть составлена из гладких, окрувзаимодействия .
глых атомов, которые с легкостью
скользят относительно друг друга .
Твердые тела могут состоять из атомов с крючками, которые
цепляются друг за друга . Приписывали атомам и вкус . Так, атомы соли считались особенно солеными, чем и объяснялся ее
резкий вкус . Даже душа, по мнению Демокрита, состояла из
атомов . Только они были столь малыми, что могли свободно
проникать сквозь твердые тела . Атомистика оставалась без
доказательств вплоть до 1800-х годов, когда были получены
первые свидетельства существования атомов .

Четыре элемента
Природы
Оказалось, что низводящих все к воде монистических принципов Фалеса недостаточно, и философия
распрощалась с монизмом . Теперь философы полагались на более основательное, но все равно глубоко
интуитивное предположение, что Вселенная состоит
из набора простых субстанций, или элементов .
В IV веке до н . э . родился древнегреческий философ Аристотель, ставший учеником Платона и на
многие века вперед установивший законы развития физики . К тому времени, когда эти два великих
На ксилографии
мыслителя западной цивилизации спорили, прогуXVI века показано,
ливаясь в Афинах по оливковой роще около платокак во Вселенной
из четырех элемен- новской Академии, концепция монизма уже давно
сошла с авансцены философии . Вселенная больше
тов сочетаются представления
не представлялась в виде круговорота льда, воды
о мужчине и жени пара . Напротив, на первый план вышла старая идея,
щине, медицине,
появившаяся в цивилизациях Месопотамии и Египа также о субстан- та и отразившаяся в мифологических представлециях природы.
ниях Индии и Китая . А в V веке до н . э . Эмпедокл
обновил старые идеи, но уже на греческой почве . Он полагал, что
природа действительно состоит из нескольких фундаментальных
субстанций — земли, воды, огня и воздуха . Эти субстанции, по-гречески называемые stoikheion1, сейчас принято называть стихиями .

ПРИРОДА ВСЕГО
Идея о том, что все на свете состоит из смеси двух или более
элементов, понравилась . В те времена казалось, что четыре
элемента — это тот минимум, которого вполне хватало для
Греческое слово stoikheion означает «первопринцип», «материя
в своей базовой форме» .
1

К 1543 году прошло уже больше десятилетия после того,
как Николай Коперник опубликовал доказательство того,
что Земля вращается вокруг
Солнца. Однако на этой португальской схеме устройства
Вселенной показаны прежние
аристотелевы сферы, где Земля покоится в центре.

объяснения наблюдаемой природы вещей . Влажность была
свидетельством присутствия элемента воды, жар — огня, мягкость — воздуха, а твердость — земли .
Этот излишне самонадеянный подход также распространился и на медицину . Мы до сих пор склонны к таким суждениям . Так, многим из нас доводилось слышать, что «воздушная» кровь делает людей легковесными сангвиниками,
а «водная» — флегматиками . Желтая желчь рождает в нас
ярость, тогда как земной холод черной желчи приводит нас
в состояние меланхолии . В донаучный период медицина занималась тем, что гармонизировала эти четыре «настроения» .
ПЯТЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Правильный многогранник представляет собой трехмерный объект, в котором одинаковы все стороны, грани и углы . Самым очевидным примером является куб, однако существует и четыре
других — тетраэдр, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр . Эти пять многогранников больше известны как Платоновы тела . Отчасти это
потому, что Платон верил, что такие совершенные геометрические
формы (к тому же их немного) должны быть связанными с «тканью» Вселенной . Платон предположил, что первые четыре тела соответствуют форме четырех элементов природы . Но как же быть
с пятым, икосаэдром с 20-ю гранями? Может быть, это всепроникающий эфир — еще один элемент, который заполняет пространство между остальными? Идея пятого элемента, или же «квинтэссенции» (слово «квинтэссенция» пошло от латинского quintus,
означающего «пять», и символизирует нечто наиболее существенное), продержалась в физике необычайно долго . Так, эфир все еще
фигурировал в некоторых теориях даже на пороге XX века .

СЛОИСТАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Эмпедокл утверждал, что элементы объединяются друг с другом
и разъединяются согласно силам любви и ненависти . Эта вечная
борьба за гармонию и вызывает изменения во Вселенной . Платон
полагал, что материальный мир — это иллюзия, обман со стороны
наших чувств, а элементы были и остаются совершенными, не тронутыми временем формами . Потом пришел Аристотель, который
попытался объединить эти платоновские идеи, и результатом стала
теория о том, что элементы стремятся к своей чистоте, отчего происходят изменения в природе . Это доказывалось слоистым устройством планеты, что в дальнейшем было распространено на всю Вселенную . На нижнем уровне была Земля, а именно твердая каменная
опора под ногами . Дальше шла вода, формирующая океан, воздух и
кольцо огня вокруг планеты . Дождь в данной теории вызывался тем,
что вода искала в системе свое место, а вулканическая лава представляла собой смесь воздуха, воды и огня, стремящихся убежать
от земли . Эти четыре элемента «подлунного» мира простирались до
Луны . За Луной располагались концентрические оболочки Солнца,
планет и звезд, состоящие из эфира, небесного пятого элемента . Эта
аристотелева Вселенная считалась истиной вплоть до XIX века .
КИТАЙСКОЕ МИРОУСТРОЙСТВО
Идея фундаментальных элементов на Востоке имела свои особенности, которых не было на Западе . Классическая китайская философская мысль выделяла другие пять элементов — земля, огонь,
дерево, металл и вода . Воздуха среди
Огонь
них не было . Сам термин «элемент»
на Востоке понимался иначе . Там эти
Дерево
Земля
пять элементов также были фундаментом, однако они представляли
этапы в бесконечном цикле роста,
смерти и обновления . Дерево кормит огонь, огонь создает землю (пепел), земля порождает металл (руда),
металл переносится водой (водонепроницаемые сосуды плавают),
а вода стимулирует рост деревьев .
Вода
Металл

эВриКа!
ЗаКон архимеда
Многие ученые древности сумели изменить мир,
но наибольший вклад принадлежит архимеду .
Одно из своих самых известных и великих достижений он совершил, погрузившись в ванну .
Действительно, почему твердые тела плавают? Когда мы познаем мир вокруг нас, этот вопрос часто поднимается в первые строчки нашего списка . Но ответ на этот вопрос был получен
вовсе не с целью познания природы . Напротив,
он был решен в ходе древнего дела о мошенничестве . Развязку истории легенда относит к общественным термам (баням) в городе Сиракузы — одной из первых эллинских колоний на
восточном берегу острова Сицилия . Именно там великий изобретатель древности Архимед испытал свое первое в жизни озарение .
Оттуда пошло и знаменитое слово «Эврика!», которое переводится
с древнегреческого языка как «Нашел!» . Но что же Архимед искал?
Эту историю полнее всего пересказал в 15 году до н . э . —
т . е . 250 лет спустя — Витрувий, римский архитектор и механик,
ученый-энциклопедист и большой почитатель Архимеда . Тиран
Сиракуз Гиерон II заказал себе золотую корону, чтобы носить ее
Шутливая ксилография
1547 года показывает кульминационный момент этой истории. Архимед собирается
принимать ванну, причем на
полу комнаты лежат металлические шары и драгоценная
корона. Обратите внимание
на концентрическую конструкцию. Внешний круг должен собрать воду, которая
будет вытеснена тонущим
предметом из внутреннего.

как дар богов . Но, получив корону, он заподозрил мастера в том,
что тот добавил в золото другой металл . Желая узнать истину, Гиерон обратился к Архимеду, считавшемуся самым умным в городе человеком, но запретил ему плавить корону или разрезать ее .
Это заставило Архимеда искать иные пути решения .

БАННЫЙ ДЕНь
Итак, Архимеду потребовалось рассчитать плотность металла, из
которого была сделана корона . Сравнив плотность чистого золота с полученной величиной, он мог бы ответить на вопрос Гиерона . Легенда рассказывает нам о том, что однажды Архимед
окунулся в ванную, увидел, как его тело вытесняет воду, и его осенило, что в этом и кроется ответ . Если опустить корону в воду, она
вытеснит ровно такой объем воды, какой имеет сама . Поделив
массу короны на ее объем, можно узнать ее плотность . Эврика!
Метод гидростатического взвешивания, как сказали бы
в наши дни, показал, что коварного Гиерона действительно
хотели обмануть . Плотность короны свидетельствовала о том,
что она была сделана из сплава серебра и золота .

На этом рисунке показано, как Архимед решил задачу с короной . Решение оказалось настолько простым, что ученый даже
воскликнул: «Эврика!» . Если бы корона была сделана из чистого
золота, то выталкивающая ее из воды сила была бы такой же,
как и у куска чистого золота того же веса . Но корона вытеснила больше воды,
«Золотая»
Слиток
чем слиток зоКорона испытывает
корона
золота
бо2льшую выталкиваю- лота, значит, ее
должна
выталщую силу, чем слиток
кивать большая
золота .
сила . Стало быть,
корона сделана
из менее плотного и более дешевого сплава .

ВЫЧИСЛЕНИЕ ЧИСЛА ПИ
Число пи, обозначаемое греческой буквой π, представляет собой отношение длины окружности к ее радиусу . Измерение этого соотношения
наложением дело непростое, так как эти две длины никак не сопоставить . Вавилоняне пришли к оценке 3,125 (3 и 1/8), тогда как в Египте
получили значение 256/81 (3,16) . Чтобы ответить на этот вопрос, Архимед вооружился самым мощным инструментом греков — геометрией . Он представил круг в виде правильного многоугольника с большим
числом сторон . Добавляя еще стороны к многоугольнику, он рассчитывал его периметр и сумел приблизиться к точному значению длины окружности . Затем Архимед рассчитал число пи . Он начал свои расчеты
с шестиугольника, затем четыре раза удваивал количество сторон и закончил с 96-сторонними многоугольниками, вписанными в круг и описанными . Это дало ему значение числа π между 3,140845 и 3,142857 . Результат, не превзойденный за последующие 500 лет .

ПОЧЕМУ ПРЕДМЕТЫ ПЛАВАюТ
Архимед не оставил этой загадки и решил разобраться во всем
до конца . Примерно в 250 году до н . э . он написал труд «О плавающих телах», в котором утверждал: «Любое плавающее тело
вытесняет воду соответственно того, сколько весит само» . Более
полная версия этого утверждения в настоящее время носит название гидростатического закона Архимеда, который гласит: «На
тело, погруженное в воду, действует сила выталкивания соответственно весу этого тела и вытесненной им воды» . Если тело может полностью погрузиться под воду, но не лечь на дно, значит,
вес вытесненной воды равен весу самого тела, и оно будет плавать под водой . (Плотность такого тела равна плотности воды .)
Если вес тела будет больше веса вытесняемой воды, то тело утонет . Силы выталкивания будет недостаточно, чтобы противостоять силе тяжести (иначе называемой весом) . Если же вес тела
меньше веса вытесняемой им воды (т . е . плотность тела меньше плотности воды), тело будет плавать на поверхности . Вполне
очевиден вывод, что движение тела в воде (или его отсутствие
в случае нейтральной плавучести) является результатом действия противоположно направленных сил . В полной мере ценность этой идеи людям еще только предстоит оценить .

технология
и наУКа
Физика дала начало не только всем наукам, но и многим технологиям . Одним из первых применений науки стало еще одно
знаменитое греческое наследие — театр .
Древние греки изобретали оригинальные механизмы . Само
слово «машина» пошло от древнегреческого слова mechane —
устройство, используемое в спектаклях для того, чтобы поднимать актеров над сценой . Обычно над сценой поднимали актеров, игравших богов и божеств . До наших дней не дошло ни
одного чертежа такого механизма, но предположительно это
были огромные рычаги и простые блоки .
Появились они уже в IV веке до н . э ., хотя народная молва приписывает честь изобретения сложных блоков и остроумных систем рычагов именно Архимеду (жившему в III веке
до н . э .) . Также Архимеду приписывают выражение: «Дайте
мне точку опоры, и я переверну Землю» . Во время Пунических войн Архимед направил свой гений на службу защиты
своего родного города Сиракузы от римских завоевателей .
широко использовалась его машина, которая переворачивала корабли римлян . Она цепляла корабли крюком и с помощью блоков поднимала их, ломая или переворачивая .
Каждый раз это порождало большую волну, которая захлестывала другие корабли так, что те теряли плавучесть и просто тонули!

СИЛА РЕАКЦИИ
Последователем Архимеда стал Герон Александрийский, живший в I веке новой эры . Одним из его значительных достижений
стало «ветровое колесо» . Лопасти собирали силу ветра, заставляя орган играть музыку . Другим известнейшим изобретением
стал своеобразный торговый автомат, установленный в храме .
Вес опускаемой монеты поднимал рычаг, благодаря чему от-

Эолипил, или «паровой шар Герона», —
бронзовая сфера, к которой прикреплено
два согнутых под углом и противоположно направленных сопла. Пар поднимается из котла внизу, а затем поступает
в сопла, заставляя сферу вращаться.
Принцип действия этой модели определяется силами действия и противодействия (так называемой реакции), хотя
объясняющий это универсальный закон
будет открыт Ньютоном лишь
15 веков спустя.

ливалось небольшое количество святой воды . Но больше всего Герон запомнился изобретением паровой турбины, которая
вращалась силой струи пара . Эта турбина явилась прообразом
того, что стало потом соплом реактивного двигателя . Геронома двигало не просто любопытство, а практика, но именно любопытство однажды сделало так, что появилась наука механика — область физики, изучающая силы и движение .

ИСТОКИ
МЕХАНИЗАЦИИ
Древние греки очень любили механические игрушки и называли их
automata, что означало
просто «заводные» . Герон
Александрийский создал
из автоматов целый театр,
который вертелся минут
десять после завода ручки . Вероятно, именно это
подало идею создания
полностью механического
кузнеца, молот которого
поднимала бы сила воды .

лУЧ СВета
«Лучше один раз увидеть», — говорят многие . Но почему мы
должны доверять своим глазам? Ответ на этот вопрос дал
в XI веке один арабский ученый, находившийся в Каире под
домашним арестом .
Ибн аль-Хайсам, известный в средневековой Европе под латинизированным именем Альхазен, совершил так много, что
и в XXI веке мы не устаем удивляться . Он провел черту между
астрономией и астрологией . О предшественниках этого математика и астронома мы ничего не знаем, так что он получается
первым, кто начал полагаться в своих исследованиях на строго
прямолинейное движение света в небе . Именно исследования
в области оптики прославили его имя . Впрочем, его достижения
КАМЕРА-ОбСКУРА
Аль-Хайсам привел в своем труде первое описание камеры-обскуры, правда, размеры ее тогда были с комнату . Подобное явление он наблюдал и в природе, когда солнце пробивалось сквозь
листву деревьев, проецируя ее на землю . Также ученый заметил,
что камера-обскура производит лучшее изображение в том случае, если отверстие очень мало, буквально как укол булавки .

Внутри камеры лучи
формируют перевернутое изображение .

Лучи света подходят от предмета
к камере, проходя через апертуру
по прямым линиям .

Иллюстрация на титуле «Книги оптики»,
переработанной в XIII в. польским ученым
Эразмом Витело. Она показывает действие «теплового луча» Архимеда. По легенде, греки использовали бронзовые параболические зеркала, чтобы направить
солнечные лучи на римские корабли и
поджечь их. Книга аль-Хайсама в подробностях освещает оптику изогнутых подобным образом зеркал.

в науке были замечены далеко не сразу . А в 1011 году египетский
халиф аль-Хаким пригласил аль-Хайсама из Басры (ныне юговосток Ирака) в Каир для одного «простого» дела . Надо было всего лишь построить плотину ниже Асуана на Ниле . Оказавшись на
месте, аль-Хайсам вскоре понял, что это невыполнимо, и сказал
об этом . Чтобы спастись от этой невыполнимой задачи и гнева
халифа — самого могущественного человека в Фатимидском халифате, он решил изобразить сумасшествие .

ПРЯМОЙ ЛУЧ СВЕТА
Десять лет аль-Хайсам пробыл под домашним арестом, и в это
благодатное время он опубликовал «Книгу оптики» . В своем
трактате аль-Хайсам доказал, что свет распространяется строго по прямой линии, использовав для этого, наверное впервые,
научный эксперимент . Ученый наблюдал свет через полую трубку, а затем прикрывал конец трубки, и свет больше не был виден .
«Очевидно», — сказали бы многие, однако это было первое экспериментальное доказательство того, что свет к нашему глазу
проходит строго по прямой линии . Это позволило аль-Хайсаму
описать лучи света при помощи геометрии, что также стало одним из первых случаев использования математики в науке . А ранее наше зрение было принято объяснять тем, что глаза посылают вперед лучи, которые отражаются от предметов или же
проходят сквозь них, образуя в нашем глазу «картинку» . АльХайсам смог найти правильное описание природы нашего зрения . Свет проходит от предметов к нашему глазу по прямой линии, формируя изображение на задней стенке глазного яблока .

ЗаКоны механиКи
Физика основана на интуитивном предположении, что Вселенная функционирует по единому набору правил . В XII веке
арабские ученые пришли к мысли, что один и тот же закон может как заставить тело двигаться, так и остановить его .
В XIV веке редко какой ученый подвергал сомнению теорию Аристотеля о движении тел . Эта теория говорит о том,
что при движении предмет разрывает воздух перед собой,
а позади него этот воздух схлопывается, толкая предмет вперед . Другими словами, движение есть результат действия постоянной силы . Персидский ученый аль-Бируни поставил эту
теорию под сомнение . Ведь когда тело движется неравномерно, т . е . меняется направление или скорость, оно должно испытывать периодические ускорения и замедления . Другой
ученый, из Багдада, Абуль-Баракат дополнил эту идею, сказав, что движение — это результат короткого действия силы,
а при постоянном приложении силы тело должно ускоряться .
Век спустя персидский исследователь аль-Хазин изучил принцип действия работу рычажных весов . Он построил свою работу на трудах предшественников, объединив идеи динамики
(создающие движение неуравновешенные силы) и статики
(уравновешенные силы) в науку механику . И, как мы теперь
понимаем, все эти ученые занимались изучением того, как
сила действует на тело .
На этом арабском манускрипте,
предположительно XVI века, показано одно из механических устройств древности. На чертеже машина, которая поднимает воду.
Колесо поворачивается потоком
воды и передает движение через
шестеренки на ремень с прикрепленными корзинами.

Силы и инерция
Западноарабский философ-энциклопедист ибн Рушд, известный
в европе как Аверроэс, жил в Испании в XII веке . Он, в частности,
предложил одну из первых теорий инерции . В наши дни это понятие занимает в механике центральное положение .
Аверроэс перевел с сирийского языка и прокомментировал три сочинения Аристотеля
по физике . Влияние ибн Рушда
было столь велико, что в европейской философии Позднего
Средневековья и Возрождения
на него ссылаются как на «комментатора» . Аверроэс определял Портрет Аверроэса, воссоздансилу как нечто, изменяющее ха- ный на основе фрески «Афинская
школа» работы Рафаэля в станрактер движения тела . Он также
це Ватиканского дворца. Ибн Рушд
установил связь между величи- оказался одним из немногих предной силы и скоростью, с которой ставителей арабского мира, изобизменяется характер движения . раженных на фреске в резиденции
Особо значимо следующее пред- Папы Римского.
положение ибн Рушда: тела от
природы обладают способностью сопротивляться изменению характера движения, что можно заметить по влиянию
сопротивления воздуха на падающие предметы разной массы . По сути, Аверроэс ввел понятие инерции, основываясь,
правда, на пятом элементе — эфире . По Аристотелю, эфир
существует только в «надлунном» мире, т . е . за сферой Луны,
так что и Аверроэс предполагал, что инерцией обладают
только небесные тела . Именно поэтому, считал ученый, они
не могут двигаться с бесконечными скоростями . В конечном
итоге инерцию стали считать универсальным свойством материи во Вселенной .

иСКУССтВенная
радУга
Все попытки объяснить природу радуги — очень распространенного оптического явления — оказывались неудачными до
тех пор, пока один немецкий монах не решил создать искусственную радугу, используя огромную «каплю» — заполненную
доверху водой сферическую колбу .
Наука о погоде, метеорология, относится к числу не самых простых дисциплин . Чего же удивляться тогда, что люди
древности относили падающие звезды и кометы к числу погодных явлений, таких как град, молния и туман . Если же говорить о радуге, то даже аль-Хайсам не сумел правильно
описать ее природу . Он предположил, что радуга — это отражение солнца в мозаике маленьких зеркал, образованных каплями воды в облаках . Только в 1300 году Теодорик из Фрайберга дал иное объяснение явлению радуги . Он начал с того,
что представил капли дождя стеклянными шариками, заполненными водой, и даже изготовил огромную сферическую
«каплю» . Монах увидел, что луч света изменяет в капле свое
направление и, как бы сказали сейчас, преломляется на заднюю стенку «капли», где вновь испытывает преломление . После этого второго преломления белый луч света распадается
на радугу с постепенным изменением цвета . Природная радуга является суммарным эффектом всех отражений и преломлений от капель воды в воздухе .
Радуга занимает особое место в культурах всех народов Земли,
причем ее объяснения оказываются не менее цветистыми, чем
сама радуга . Это и небесная водяная змея, и ожерелье богини,
и мост между небом и землей . Но если в дождь вдруг выглянет
солнце, просто поверните голову, и вы увидите радугу . Таковы
законы оптики .

бритВа оККама
Существует набросок к портрету английского философа Уильяма Оккама, взятый из его книги 1323 года . На рисунке он показан гладковыбритым — пример бритвы Оккама в действии .
Неужели мы опять все слишком упростили?
Бритва Оккама не имеет ничего общего с туалетными принадлежностями . Это философский принцип, на который опираются ученые, чтобы найти надежное объяснение явлений .
Такой ментальной бритвой можно отрезать все излишние допущения . Имя английского философа Уильяма Оккама этот
принцип получил далеко не случайно . Честь открытия этого
принципа принадлежит именно ему, хотя этот монах-чернец
был одним из многих, кто занимался комментированием Писания . Также этот принцип по-латыни именуется lex parsimoniae,
что означает «закон экономии» . Лучшую формулировку принципа бритвы Оккама дал Фома Аквинский, родившийся почти
за полвека до Уильяма: «Совершенно излишним представляется вводить многие принципы там, где можно ограничиться
немногими» . Другими словами, начинайте всегда с самой простой теории и добавляйте сложность, только когда это необходимо . Этот простой принцип «цементирует» строительные
блоки науки и по сей день .

нУжен имПУльС
Один из первых университетов в мире появился в Париже . Уильям Оккам преподавал там в 1320-х годах, когда университет
существовал уже почти век . Человеком, который ввел в физику момент импульса, стал один из студентов Сорбонны .
Жан Буридан был учеником Уильяма Оккама, а впоследствии присоединился к преподавательскому составу Парижского университета . Сейчас представляется, что его жизнь
была полна событиями и его работа добавляла ему хлопот . Буридан ввел в практику использование изобретенных
арабскими учеными механических приспособлений, чтобы
«рушить авторитет» учения Аристотеля . По тем временам
это было неслыханное дело в Европе . Буридан разработал
«теорию импетуса» (толчок, или импульс), утверждавшую,
что тело может сохранить движение только в том случае,
если на него действует сила . Он считал, что такое движение
обусловлено содержащимся в теле импульсом . Импульс остается в теле, и оно не остановится до тех пор, пока противоположная сила не окажется достаточно большой, чтобы
прогнать тот импульс . Такое рассуждение вполне согласуется с современными представлениями о моменте количества движения .
Буридан утверждал,
что первоначальный
импульс приведет тело
в вечное движение, если
только сила сопротивления не уничтожит
этот импульс.

теория ПрилиВоВ
Сейчас, конечно, мы знаем, что приливы вызываются гравитационным воздействием Луны и Солнца, притягивающим к себе
воды океана . Но в Средние века под тяготением понималась
лишь сила, заставляющая вещи падать вниз . Что же тогда поднимало такие огромные массы воды?
Связь между положением Луны и приливами была замечена
еще в древние времена . Но сами по себе циклы Луны не согласуются с приливом и отливом вод . В 1523 году итальянец Федерико Гризогоно изобразил, как притяжение Луны превращает
жидкую сферу в вытянутую яйцевидную форму . Но кроме Луны
влияние на форму сферы оказывает и вторичное, более слабое
притяжение со стороны Солнца . Приливные волны становятся меньше, когда силы притяжения Луны и Солнца перпендикулярны, и увеличиваются, когда эти небесные тела действуют
по одной линии . Остается только вопрос, что же вызывает силу
притяжения — гравитация или, возможно, магнетизм .
С точки зрения человека на берегу, прилив заставляет воду подходить к берегу, а отлив — отходить. С глобальной точки зрения,
океанические воды затягиваются в образующуюся пустоту. Перепад
высот уровней поверхности воды может составлять всего лишь несколько футов (1 фут = 0,3048 м).

ПоСтижение
магнетиЗма

Свое открытие Уильям Гильберт описал в «Трактате
о магните» (De Magnete),
который опубликовал
в 1600 году.

В 1600 году один британский доктор
показал, что на нашу Землю оказывают влияние не только силы гравитации . Он доказал, что наша планета является огромным магнитом .
В IV веке до н . э . греческий философ Теофраст писал о magnitis
lithos — камнях из Магнезии . Так называлась область центральной Греции, а камни, о которых идет речь,
обладали естественным магнетизмом, потому что представляли собой
богатый железом магнитный железняк, или магнетит . Но еще несколько
веков назад, в первом тысячелетии
до н . э ., магниты в Китае использовались как компас, но тогда еще только
для гаданий и магических ритуалов .
К XI веку китайцы уже использовали
компас для навигации, а в последующие 400 лет эта технология распространилась в Азию и Европу .

О МАГНИТЕ
Уильям Гильберт, придворный врач королевы Англии Елизаветы I, имел интересное хобби . Он изучал загадочные силы
магнетизма и явление электричества . Именно Гильберт позднее ввел термин «электричество», опираясь на греческое
слово elektron, обозначавшее «янтарь» . Если этот материал
потереть, он становится заряженным статическим электричеством .

ИССЛЕДОВАТЕЛЬ ПОЛЮСОВ
Компас является китайским
изобретением, и использовался он в навигации еще ученым
шэнь Ко . Этот китайский ученый описал свои достижения
в очерке с экзотическим названием Dream Pool Essays, вышедшем в 1088 году . В этом очерке
шэнь впервые дает ясные указания на то, что «игла компаса
ищет север, стоит только отпустить ее» . В современных выражениях, «Северный полюс магнита притягивается к северному
полюсу Земли» . (На самом деле
одноименные магнитные полюсы отталкиваются, разноименные магнитные полюса притягиваются .) Также шэнь обнаружил,
что стрелка компаса указывает на несколько градусов западнее
географического полюса . Получалось, что магнитное поле Земли
слегка смещено .

В 1600 году Гильберт обнаружил, что стрелки компаса указывают на север именно потому, что наша планета сама является магнитом . До этого времени предполагали, что стрелки
компаса притягивает Полярная звезда или загадочный железный остров, находящийся далеко на севере . Гильберт доказал,
что стрелка компаса и Земля ведут себя так, как обычные магниты с их притягивающимися и отталкивающимися полюсами .
Для доказательства он использовал «тереллу» (terrella1) — сделанную из магнетита сферу . На поверхности тереллы помещался компас, который вел себя в точности так же, как компас
при навигации . Получалось, что магнетизм и электричество —
это силы природы, подобно силам притяжения . Связаны ли
между собой эти силы и не осталось в природе новых, еще не
открытых сил?
1

Лат . terrella — маленькая Земля .

ЗаКон
Преломления
Проходя из одной прозрачной среды
в другую, свет изменяет направление распространения, или преломляется . Самый
очевидный пример этому вы найдете,
опустив в напиток трубочку . В древности
люди наблюдали это на прозрачных бутылях с водой . Так что же такое мы видим?
Законом отражения мы обязаны Герону
Коэффициент преломлеАлександрийскому, который наблюдал, как
ния алмаза — 2,4. Один из
луч света падает на спокойную гладь воды .
самых высоких показатеУченый заметил, что луч отражается от этой
лей среди встречающихся
глади под тем же углом, что и падает, хотя
в природе минералов. Грани образуют такую струк- и с другой стороны воображаемой вертикальной линии . Именно поэтому отражение
туру поверхностей, что
проходящий через них свет формирует в зеркале наш образ так, что лемногократно преломляет- вая сторона оказывается справа, и наобося и отражается, создавая рот . Ученые открыли похожий закон и для
дорогой блеск бриллианта. преломления — изменения направления
распространения света при прохождении
его через границу раздела двух сред . Например, воздуха и стекла .
Аль-Хайсам и другие ученые уже пытались анализировать, как свет
проходит через закругленную поверхность, такую как стекло чаши,
хотя там невозможно выделить единый угол падения . Чем больше
начальный угол падения (от центральной линии), тем больше отклонение луча света . Именно поэтому стеклянные бокалы действуют как линзы, фокусируя параллельные лучи света в одной точке .

ЗАКОН СНЕЛЛИУСА
В 984 году персидский ученый Ибн Сахл придумал, как рассчитать угол преломления, используя уже тогда известные соотношения . Однако нам этот закон известен как «закон Снеллиуса»

в честь голландца Виллеброрда Снелла (печатался под латинизированным именем Снеллиус), вновь открывшего его в 1621 году .
Для применения этого закона нам необходимо знать коэффициенты преломления всех сред, которые на самом деле представляют собой соотношение скоростей света в данной среде и вакууме (его показатель равен 1) . В конечном итоге оказалось, что
преломление и вызывается тем, что свет меняет свою скорость,
проходя через границу раздела двух сред . Если свет падает под
нулевым углом (т . е . вертикально), то преломления нет . Он проходит границу, не изменяя направления, хотя и меняя скорость .
Падающий под углом свет меняет направление, поскольку одна
часть луча пересекает границу и меняет скорость раньше другой . Свет, попадающий в среду с более высоким коэффициентом
преломления, отклоняется на меньший угол . Если показатель
второй среды меньше, то на больший угол .
ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ
Если луч света падает на границу раздела двух сред под углом
больше критического, он вовсе не испытывает преломления
и отражается обратно . Это явление, называемое внутренним отражением, заставляет сверкать грани драгоценных камней и делает блестящей гладь океана .
Угол преломления вычисляется по закону Снеллиуса: n1 и n2 —
это коэффициенты преломления двух сред, Θ1 — это начальный
угол, или угол падения, Θ2 — это конечный угол, или угол преломления. Когда свет покидает вторую среду, то в расчетах надо просто
поменять среды местами.

θ1
n1

n1sinθ1 = n2sinθ2
θ2

ПроСлаВиВший ПиЗУ
Легенда гласит, что Галилео Галилей поднимался на самый
верх наклоненной Пизанской башни, чтобы сбрасывать оттуда
пушечные ядра . Можно с уверенностью сказать, что великий
итальянский ученый не делал этого, однако он стал первым,
кто положился на количественные измерения, чтобы выявить
универсальные законы свободного падения .
После нескольких веков схоластики, когда ученые искали
в трудах Аристотеля ответы на вопросы, как именно движутся
тела, Галилео отбросил все теории движения прошлого и начал все сначала . Результатом стали его астрономические наблюдения, которые показывали, что не все на небе вращается
вокруг Земли . Не каждый сейчас вспомнит об этом его открытии, но это был важный шаг для расширения нашего понимания Вселенной .
Галилео Галилей принимал в расчет только те факты, которые мог собрать сам . Тот мифический эксперимент с Пизанской башней, возможно, был лишь упрощенным примером,
который рассказывал Галилео, чтобы развенчать теорию Аристотеля о движении . Аристотель писал, что тяжелые предметы
падают быстрее легких . Одним из экспериментов Галилея был
опыт с ядрами и наклонными поверхностями, определенно
осуществимый в то время и показавший, что падающие (или
скатывающиеся) тела имеют постоянное ускорение, т . е . их
скорость растет в одинаковом темпе . (Также Галилей сделал
вывод о постоянстве действующей на тело силы .) Уже было
известно, что постоянное ускорение (a) приводит к тому, что
расстояние (d), проходимое телом, оказывается пропорциональным квадрату времени (t) движения . В отличие от предшественников, подозревавших этот факт, но не сумевших доказать его, Галилео сумел выразить это ясным математическим
законом: d = at2 . Если современная физика и имела начало, то
оно здесь!

Под даВлением
«Природа не терпит пустоты» — эта концепция восходит еще
к Древней Греции . Но в те времена это означало лишь то, что
существование пустоты, т . е . вакуума, в природе просто невозможно . Последующие научные исследования сил, действующих
в жидкостях и газах, привели к новому пониманию физики .
Подобно многим историям научного прогресса, особенно заметного с XVII века, эта также начиналась с Галилео . На
пике своей популярности в 1630 году Галилео получил письмо от своего научного коллеги итальянца Джованни Баттиста
Балиани . В том письме Балиани спрашивал знаменитого ученого, почему никак не получается поднимать воду с помощью
сифона по склону особенно высокого холма . Уже в те времена люди понимали, что проводит воду через сифон именно разрежение воздуха — «пустота», как это тогда называли .
Вода стремится заполнить пустое пространство и поднимается по трубкам . Галилео предположил,
что сила пустоты имеет свои пределы
Так выглядит реи ее просто не хватает, чтобы поднять
конструкция одноводу на вершину холма высотой, гого из барометров
воря современным языком, с шестиэТорричелли . Левая
тажное здание .
часть U-образной
Три года спустя римская инквитрубки открыта так,
зиция начала гонения на Галилея за
что воздух давит
ересь . К тому времени он уже стал
на ртуть, заставслишком известен как ниспровергаляя ее подниматься в правой трубтель вечных истин Аристотеля, веривке . Уровень ртути
шего, что Земля лежит в самом ценв правой трубке
тре совершенной неизменяющейся
соответствует веВселенной . Католическая церковь во
личине давления
многом держалась на этих положевоздуха .
ниях . Галилей был заключен под домашний арест и прожил так до самой
смерти в 1642 году . За несколько месяцев до смерти почти ослепший Галилей приглашал Эванджелисту Тор-

ричелли для того, чтобы записать свою последнюю работу .
Впоследствии именно Торричелли представил Галилея главным ученым Тосканы .

ПЕРВЫЙ БАРОМЕТР
Одной из первых проблем Торричелли был поиск ответа на
вопрос, почему даже самый сильный насос не способен поднимать воду сколь угодно высоко (по современным сведениям, предел высоты — примерно 10 метров, или 33 фута) . Эванджелиста предпочел уменьшить размеры экспериментального
оборудования раз в десять и выбрал для работы более тяжеВ 1663 году Отто фон Герике повторил под Берлином свой самый
эффектный эксперимент специально для кронпринца Пруссии Фридриха Вильгельма I, впоследствии изобразив это на гравюре в своей
книге Experimenta Nova.

Позже Блез Паскаль уже
лично повторил свой эксперимент с давлением
воздуха, используя для
этого колокольню парижской церкви Сен-Жак-лаБушери высотой 50 метров (164 фута). В честь
работ этого знаменитого француза в области давления единицу
давления назвали паскалем (Па).

лую ртуть1 . Он закрыл один конец трубки и наполнил ее ртутью,
а затем опрокинул открытый конец трубки в чашу с ртутью .
Ртуть в трубке всегда опускалась до 76 сантиметров (30 дюймов) . Оказалось, что высота ртути также была в 14 раз ниже
предельной высоты водяного столба . Для Торричелли это стало достаточным доказательством того, что водяной насос работает за счет создания «пустоты», т . е . разрежения воздуха .
Эванджелиста Торричелли обнаружил, что жидкости скорее выдавливаются весом воздуха, чем затягиваются разрежением . Столбик жидкости достигает своей максимальной
высоты, когда его вес уравновешивает давление воздуха . Это
открытие дало Торричелли право назвать себя изобретателем
барометра — прибора для измерения давления воздуха, хотя
и до него были исследователи, которые размышляли над проблемой измерения давления — силы, действующей на единицу поверхности тела .
1

Ртуть в 14 раз плотнее воды .

СИЛА РАЗРЕЖЕНИЯ
Так что же такое в верхней части перевернутой «торричеллиевой трубки»? Неужели «торричеллиева пустота» — это всего
лишь вакуум? Сам Торричелли умер довольно рано, в 1647 году
от тифа, и в последующие годы исследования продолжал француз Блез Паскаль . По просьбе Паскаля его зять Флорен Перье
провел ныне знаменитый эксперимент в горах Центрального массива . Перье установил снаружи собора Вознесения Девы
Марии в городе Клермон-Ферран два ртутных барометра и попросил монаха каждый день записывать уровень ртути (разницы
в показаниях барометров не было) . Затем Перье перенес один из
барометров на вершину горы Пюи-де-Дом — потухшего вулкана высотой 1460 метров (4790 футов) . По пути наверх дотошный
зять Паскаля произвел несколько измерений и обнаружил, что
уровень ртути постепенно опускается . Все было так, как предсказывал Паскаль . С подъемом давление воздуха снижалось, поскольку на исследователя давил столб воздуха меньшей высоты .
Более того, пустое пространство над столбиком ртути увеличивалось, хотя от внешнего воздействия трубка была надежно закрыта сверху . При добавлении «пустоты» могла расти только «пустота» . В трубке действительно был вакуум — пустое пространство,
которого так избегали последователи Аристотеля .

СИЛА ПУСТОТЫ
В 1650 году Магдебург увидел небывалое зрелище . Отто фон Герике изобрел воздушный насос с невиданным тогда клапаном
одностороннего пропускания воздуха . Но мы бы об этом не узнали, если бы не знаменитый эксперимент с «магдебургскими
полушариями» — двумя медными полусферами, плотно соединенными друг с другом . Согласно записям, когда из этого шара
откачали воздух, то 16 лошадей (по восемь с каждой стороны)
не смогли разделить эти полушария . Но когда в шар запустили
воздух, полушария без усилий распались . Это стало еще одним
доказательством, что не вакуум создает силу, а давление воздуха, которое удерживает полушария вместе . Оставался вопрос,
что же было в том воздухе, что он создавал такую силу .

маятниК
Одна из легенд гласит, что Галилео Галилей открыл регулярное движение маятника, наблюдая за колебаниями большого светильника в Пизанском соборе .
Регулярность этого движения полностью
перевернула подход к отсчету времени
и в дальнейшем вдохновила ученого на
открытие принципов движения .
Даже если эта романтическая история
и не совсем правдива, не остается сомнений в том, что Галилео занимался вопросами движения маятника в самом начале
своей научной деятельности . Примерно
к 1602 году он обнаружил, что период
колебаний обычного маятника пропор-

В 1656 году Христиан
Гюйгенс запатентовал свои часы с маятником и наладил их производство.

СВЕТИЛЬНИК ГАЛИЛЕЯ
Этот большой светильник все еще висит
в Пизанском соборе, где Галилео пришла
в голову идея изучать движение маятника . История донесла до нас рассказ о том,
что Галилей во время церковных служб
использовал ритм колебаний этого светильника, чтобы отсчитывать время . Однако туристам не советуем верить в это .
Этот светильник датируется 1586 годом,
т .е . спустя четыре года после исключения
Галилея из Пизанского университета .

ПРОСТЫЕ ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕбАНИЯ
Движение маятника является гармоническим колебанием . На
рисунке нагруженная пружина совершает свободные колебания
по тому же закону, и в идеальном случае, когда при колебаниях не расходуется энергия, это движение может стать моделью
простых гармонических колебаний . Соответственно, v — это
скорость груза, a — ускорение, s — смещение относительно
центральной точки, и все эти параs — макс.
метры в идеальном s — макс.
v=0
v=0
случае подчиняютa вниз
a вниз
ся строгому механическому закону .
В реальности всегs=0
s=0
да
присутствует
v — макс.
v — макс.
трение, которое заa=0
a=0
медляет колебания
s — мин.
и через какое-то
v=0
время их останавa вверх
ливает .

ционален квадратному корню длины подвеса . Под периодом
понимается время, за которое маятник совершает одно колебание, т . е . движение в обоих направлениях . Проще всего
представить себе это как время, необходимое для движения
из крайне левого положения в крайне правое и обратно, минуя центральную точку . Изменение массы груза маятника никак не повлияло на период его колебаний — с более тяжелым
грузом маятник колебался с той же частотой, что и прежде .
Важно то, что Галилей открыл закон малых колебаний, период
которых также не зависел и от амплитуды — максимального
отклонения маятника от положения равновесия . Это означало, что все маятники одинаковой длины в любой точке Земли
будут колебаться с одинаковым периодом . Такое свойство называется «изохронизмом» (что дословно означает «одинаковое время») и делает возможным использование маятника для
счета времени . Все, что необходимо для этого, — это маятник
с периодом колебания 1 секунда . Так Галилей вновь совершил
переворот в науке .

ТИК-ТАК
Счет времени был очень важен для духовенства Средних
веков, поскольку их встречи с прихожанами ограничивались лишь определенным временем суток . Механические
часы, появившиеся в XIV веке (в Милане — в 1335 году), служили именно этой цели и приводились в движение опускающимся с определенной скоростью грузом . Точность этих
часов была весьма далека от современной, так что их приходилось периодически устанавливать по астрономическим наблюдениям .
Галилей умер в 1642 году и не успел построить свои часы
с маятником, однако в 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс сумел создать проект часов, который оказалось
возможным реализовать в мастерских . Как и в прежних конструкциях, часы Гюйгенса приводились в движение за счет
опускания груза . Однако в них впервые стал использоваться
маятник для регуляции хода . Гюйгенс также провел работу по
замене механизма церковных механических часов, что сделало их более точными — за счет перемещения груза вверх
и вниз по маятнику с целью подобрать период колебаний
ровно в одну секунду . Эти первые механические часы при
точной настройке теряли лишь считаные секунды за день .
Маятник является примером гармонических колебаний .
Сами колебания происходят под действием так называемой
«возвращающей» силы . Она называется так, поскольку всегда направлена в сторону центральной точки, а величина этой
силы пропорциональна удалению от центральной точки . Теперь слово молодому английскому физику, применившему
те же идеи к описанию того, как растягиваются и сжимаются
предметы .

ЗаКон
гУКа
Роберту гуку выпала судьба творить в тени великих ученых, но он
сумел записать на свое имя немало научных открытий . Не последнее место занимает в этом списке
закон, описывающий растяжение
и сжатие предметов .
Роберт Гук появился на авансцене на фоне многих научных открытий, совершенных в то время,
и не всегда на него были направлены лучи общественного внимания . За ним нет великих открытий, но закономерности меньшего
масштаба он открывал с поразительной регулярностью . Говорят,
ПАМЯТНИК НАУКЕ
Монумент в память о Великом лондонском пожаре возвели в 1671–
1677 годах самый знаменитый британский архитектор Кристофер Рен
и помогавший ему в восстановлении
Лондона после пожара Роберт Гук .
Самая высокая в мире свободно стоящая колонна отмечает то место, где
в 1666 году начался Великий лондонский пожар . Но это не только колонна, но и научный инструмент . Ступени
спиральной лестницы использовались для изучения упругих колебаний, а на самой верхушке колонны
в отверстии на крыше установлен зенит-телескоп .

что однажды Гук жаловался Ньютону на скромность своих достижений, и Исаак Ньютон ответил: «Если я и видел дальше, то
только потому, что стоял на плечах гигантов» . Гуку не повезло
оказаться на плечах гигантов .

ПРИРОДА РАСТЯЖЕНИЯ
Как было принято в те времена, в 1660 году Гук выразил свой
закон в виде латинской анаграммы: ceiiinosssttuv . Она расшифровывается как ut tensio, sic vis, что переводится «Каково растяжение, такова и сила» . Проще говоря, деформация материала (растяжение или сжатие) пропорциональна приложенной
силе, а возвращает тело к начальной длине, как бы сказали
сейчас, сила упругости . Выведенное Гуком правило очень простое: удваиваем силу, удваивается растяжение . Очевидно, что
одни материалы более подвержены деформации, другие —
меньше, но этот закон продолжает действовать вплоть до таких усилий, когда материал деформируется и разрывается . Гук
много экспериментировал с пружинами (и осуждал Гюйгенса,
когда тот пытался использовать в часах пружинные колебания) . Меж тем этот закон находит сейчас применение в таких
разных областях, как физика колебаний струны, предсказания
землетрясений и колебания атома .

гаЗоВые ЗаКоны
Хотя Роберта Бойля и называли «отцом химии», именно он открыл самый известный газовый закон физики .
Бойль описал, как давление газа связано с объемом . Этот и еще пара других
газовых законов стали первым ключом
к тому, как устроена материя на непостижимом пока атомном уровне .
Паскаль изучал силы в жидкостях, Гук
занимался упругими свойствами твердых тел, а Роберт Бойль вслед за Отто
фон Герике занялся газами, или, как говорили тогда, «воздухом» . (Не забывайте, что даже в самые древние времена
считалось, что элементов природы чеВ конце 1670-х годов Роберт
тыре — воздух, земля, огонь и вода .)
Бойль и француз Дени Папен
Бойль воспитывался под влиянием
(справа) в лаборатории заФрэнсиса Бэкона, английского филосополняют стеклянные емкос- фа, опубликовавшего одно из первых
ти и другие части аппарата,
описаний научного метода исследовав том числе и сферический
вакуумный насос (сзади спра- ний . (Другие ученые, не говоря уже об
аль-Хайсаме и Галилео, уже использовава) — основное звено в отли похожий метод исследований .) Бойль
крытии Бойля.
начал с традиционного скептицизма, который составляет в наши дни в науке саму основу, а именно отбросил принимаемые на веру положения алхимии, в основе
которой лежали не факты, а религиозные предрассудки .

ВОЗДУшНАЯ ПРУЖИНА
Будучи родом из богатой ирландской семьи, Бойль и в науке зарекомендовал себя как джентльмен . Он построил лабораторию
в своем доме в Лондоне и привлек Роберта Гука для изготовления
«пневматической машины» — по сути, вакуумного насоса, подоб-

но насосу Герике . Бойль также привлек к работе лучшего лондонского мастера стекольных дел, который изготавливал ему необычные стеклянные емкости — без них не состоялась бы даже первая
серия опытов Бойля . Кстати, их результаты были опубликованы
в 1660 году в статье под названием «Новые физико-механические
эксперименты: пружинящий воздух и другие эффекты» . Эксперименты показали, что в вакууме звук распространяться не может,
а пламя в отсутствие воздуха не горит . Также Бойль доказал, что
без воздуха не могут жить не только животные, но и растения .
Бойль много занимался физической природой «воздуха» .
Например, он показал, что в вакууме перо падает столь же
быстро, как и камень . Это наводило на мысль, что воздух содержит материю, хоть и невидимую глазом . В 1662 году Бойль
опубликовал то, что мы теперь знаем как «закон Бойля» . Он
обнаружил, что давление в сосуде с газом растет при уменьшении объема сосуда, и установил закон роста давления . Выражаясь современными словами, давление газа (P) обратно
пропорционально объему (V ): P ∝ 1/V .
Бойль воспользовался этим эмпирическим законом, чтобы доказать свою идею о том, что воздух состоит из «корпускул» — крошечных частиц, хаотично двигающихся во всех
направлениях, сталкивающихся друг с другом и со стенками
сосуда и создающих таким образом давление .

ДРУГИЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
Прошло более ста лет, и к закону Бойля добавилось еще два газовых закона, учитывающих температуру (T) . Закон Чарльза (1780)
гласит, что объем газа пропорционален температуре (V ∝ T), а по
закону Гей-Люссака (1802) температуре пропорционально давление газа (P ∝ T) . Вместе эти три закона образуют основу современной атомной теории . Как и предполагал Бойль, поведение
воздуха (впоследствии ученые писали «газы») согласовывается
с древнегреческим представлением о хаосе, который лучше всего описывает поведение огромного количества взаимно независимых частиц . Сейчас, оглядываясь назад, можно даже подумать
об очевидности существования атомов, однако в свое время для
подтверждения атомной теории потребовалось не одно столетие .

ОбЪЯСНЕНИЕ ТРЕХ
Закон Гей-Люссака Высокое давление
ГАЗОВЫХ ЗАКОНОВ
Закон Гей-Люссака утверждает
следующее . При постоянстве
объема нагрев газа увеличивает его давление, поскольку молекулы газа начинают быстрее
двигаться, и их столкновения
со стенками сосуда становятся более частыми и сильными .
В итоге давление газа на стенки сосуда растет .
Закон Чарльза утверждает,
что при нагревании газы расширяются . Более «горячие»,
быстрые молекулы сильнее
действуют на стенки сосуда, заставляя газ расширяться, пока силы вновь не придут
к равновесию .
Закон Бойля утверждает, что
давление газа обратно пропорционально его объему . Если вы
сжимаете газ до меньшего объема, то его давление возрастает, поскольку Закон Бойля
молекулы в сосуде чаще сталкиваются с его
стенками .

Низкое давление

Холодный газ

Горячий газ

Закон Чарльза

Холодный газ

Горячий газ

Высокое давление

Раздел 2

наУЧная
реВолюция

ЗаКоны ньютона
Историю пишут победители, и одним из них,
несомненно, был Исаак Ньютон . Его наиболее значимая работа — «Математические
начала натуральной философии» — перевернула наши представления о движении
и силе тяжести .
Легенда гласит, что идея тяготения пришла в голову юному Исааку в 1660-е годы,
когда ему на голову упало яблоко с яблони,
под которой он сидел . Однако упомянуть
об этой истории в разговоре он решился лишь много позже, когда ему было уже
Эта гравюра с изображе- больше восьмидесяти лет, да и то, как утнием Ньютона была сдеверждают очевидцы, после плотного ужилана в ту пору, когда он
на . Хотя, возможно, озарение действительбыл уже немолод. К тому но открыло перед будущим гением истину
времени ученый уже успел и положило начало научной революции .
изменить облик как фиНа протяжении всей своей жизни Ньютон
зики, так и математики.
отстаивал в спорах свои достижения, но не
Свою дальнейшую жизнь
забывал говорить и о своих научных предон посвятил политике
шественниках — тех «гигантах», на чьи плеи даже стал смотритечи он встал, чтобы видеть дальше .
лем Монетного двора.

ДОСТАТОЧНО ОДНОЙ СИЛЫ
В 1609 году немецкий астроном Иоганн Кеплер обнаружил,
что орбиты планет не круглые, как полагали прежде, а эллипсовидные . Чуть позже, но примерно в то же время Галилей
развил свои ранние труды, изучив траекторию ядра в полете,
и обнаружил, что ядро всегда летит по параболе . То, что эллипс и парабола — кривые родственные1, было известно еще
Это так называемые «конические сечения», т . е . линии пересечения
плоскости с конусом .
1

ОДИН НЬЮТОН
Единица измерения силы названа Ньютоном (Н) в честь великого английского физика . Один Ньютон — это сила, изменяющая
за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на
1 м/с в направлении действия силы (т .е . сообщающая ему ускорение 1 м/с2) . Сила тяжести, действующая на падающее яблоко
весом около 100 граммов, составляет примерно 1 Н .

F = ma

со времен Древней Греции и, возможно, стало для Ньютона
первым шагом, чтобы осознать, что сила, которая удерживает
планету на орбите, имеет ту же природу, что и сила, которая
притягивает ядро к земле . Эту догадку Ньютон оставил на долгие годы и вспомнил о ней лишь в 1680-х годах, когда Роберт
Гук высказал своему коллеге Эдмунду Галлею предположение
о том, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов . При удвоении расстояния между кометами сила тяготения
между ними уменьшается в четыре раза . Но Гук не смог доказать этого, так что Галлей попросил помощи у Ньютона (к великому разочарованию Гука) .
Не без помощи Галлея Ньютон опубликовал в 1687 году свои
универсальные законы тяготения в труде под названием «Математические начала натуральной философии» . Закон Ньютона (закон всемирного тяготения) гласит, что сила тяготения возникает между двумя телами и стремится свести их вместе . Эта
сила пропорциональна их массам и действует на оба тела . Земля и яблоко взаимно притягиваются друг к другу, однако возникающая между ними сила тяготения смещает яблоко в намного большей степени, чем Землю . Именно поэтому яблоко падает
на Землю, а не наоборот . Обратная квадратичная зависимость
означает то, что сила тяготения быстро падает с расстоянием . Математически закон Ньютона выражается так: F = GMm/r2,
т . е . сила тяготения (F) равна произведению масс (M) и (m), деленному на квадрат расстояния между ними (r) . Гравитационная постоянная (G) — это фиксированная величина, необходимая для численного расчета силы тяготения .

ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ
«Математические начала» Ньютона, которые открывают нам
также три закона движения, легли в основу классической механики . Эти законы объясняют, как сила — будь то притяжение, магнетизм или любая другая — воздействует на тело
и заставляет его двигаться . Первый закон почти полностью повторяет определение инерции, сформулированное Галилеем .
Тело пребывает в состоянии равномерного и прямолинейного движения (или покоя) до тех пор, пока не будет приложена
сила, изменяющая это состояние .
Второй закон определяет величину силы как массу, умноженную на ускорение, вызываемое этой силой . Математически это записывается удивительно простой формулой: F=ma.
Это соотношение говорит нам, что одна и та же сила будет
ускорять более легкое тело в большей степени, чем тяжелое .
Чтобы обеспечить одно и то же ускорение телу вдвое большей
массы, нужна вдвое большая сила .
Третий закон говорит о соответствии действия и противодействия . Когда на тело действует (т . н . действие) сила со
стороны второго тела, то на второе тело со стороны первого действует точно такая же по величине сила (т . н . противодействие, или реакция), направленная в противоположную
сторону . Это объясняет, почему летит ракета, а мы не можем проходить сквозь прочные стены . Стоит нам надавить
на стену, как она начнет давить на нас в противоположном
направлении .
ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ
I . При отсутствии приложенных внешних сил тело, находящееся
в состоянии равномерного и прямолинейного движения (или покоя), стремится сохранить это состояние движения (или покоя) .
II . Соотношение между массой тела (m), его ускорением (a) и приложенной силой (F) таково: F = ma .
III . На каждое действие возникает равное по силе и противоположное по направлению противодействие, называемое реакцией .

теория СВета
Исаак Ньютон большую часть своих исследований проводил
втайне, тогда как основным видом его деятельности было чтение лекций по физике и математике в Кембриджском университете . Свои результаты Ньютон публиковал далеко не сразу . Так,
до появления в печати его главного труда — «Математических
начал», он успел далеко продвинуться в изучении оптики .
Мы обязаны Ньютону и самим словом «спектр», которое
он придумал, чтобы описать рукотворную радугу, возникающую при пропускании белого солнечного света через призму . Ньютон провел этот эксперимент в начале 1670-х годов,
однако опубликовал результаты только в 1704 году в своем
труде «Оптика» . К тому времени он уже успел создать свой
рефлекторный телескоп, в котором для сбора скупого света
В затемненной тканью комнате в Кембридже Ньютон демонстрирует, как луч света разделяется на радугу, преломляясь в стеклянной призме.

Титульный лист издания «Оптики» 1704 года. В отличие от «Математических начал», этот труд был
опубликован на английском языке,
что сделало его более доступным
для неученой публики. В этом труде
Ньютон описал оптические эксперименты, которые провел за несколько прошедших десятилетий.

звезд вместо линз использовал вогнутое зеркало . В те годы
линзы давали нежелательную рефракцию, получившую название «хроматической аберрации» и представлявшую собой цветное размытие по краям оптического поля . У телескопа Ньютона этой проблемы не было .
В своей «Оптике» Ньютон предположил, что свет представляет собой поток крошечных частиц, или, как говорили тогда, «корпускул» . Подобное предположение вступало в противоречие с принятой тогда теорией Христиана Гюйгенса о том,
что свет — это волна . Ньютон отверг эту теорию, поскольку
постоянно замечал, что тени имеют четкие границы, а волны
должны изменять свое направление у краев препятствия . Но
в конце концов оба они оказались правы .
ОТЕЦ СПЕКТРА
Ньютон выделил для себя в цветах радуги семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый . Конечно, проще было ограничиться шестью цветами, но
Ньютон считал цифру семь счастливой, так что он специально
«придумал» еще один оттенок синего цвета .

летающий мальЧиК
История открытия электричества уходит своими корнями к началу физики,
а именно к Фалесу Милетскому . Однако вплоть до 1720-х годов электричество оставалось только статическим,
пока Стивен Грей не заставил его течь .
Изобретатель вакуумного насоса
Отто фон Герике знаменит не только
этим потрясающим устройством . Также он изобрел электростатический генератор, который накапливал электрический заряд на вращающемся
шаре из серы . (Он наэлектризовывался
за счет трения подобно тому, как трением «заряжают» обычный воздушный
шарик .) Конструкция Герике была усовершенствована Фрэнсисом Хоксби,
который воспользовался вакуумным
насосом Герике, чтобы откачивать из
стеклянной колбы воздух и использовать эту колбу для сбора электричества вместо серного шара .

ФИЗИКА И ТРюКИ

Стивен Грей обнаружил,
что электричество можно передавать по проводам.
Но в отсутствие подходящего металла он использовал пеньку, которой в наши
дни уплотняют резьбу. Хотя
пенька не является хорошим
проводником, Грей сумел передать по ней электрический
заряд на расстояние 240 метров (787 футов), предварительно убедившись, что она
нигде не прикасается к земле,
т. е. не заземлена.

Статическое электричество в свое время немало забавляло
людей . На вечерних представлениях «электрокусники» развлекали толпу искрами и треском электростатических разрядов . Ученые же редко проявляли интерес к этому новому применению старого, как мир, явления, чего нельзя было сказать
о Стивене Грее . В прошлом он торговал тканями и сам часто
видел искры, которые периодически проскакивали по ткацкому станку, когда на нем ткали шелк . (Разумеется, опять результат трения .)

ПЕРВАЯ МЕДАЛЬ КОПЛИ
После смерти Исаака Ньютона президентом Лондонского королевского общества, ведущего научного общества Великобритании, стал сэр Ганс Слоан . (Кстати, именно Слоан привез с собой в Англию рецепт молочного шоколада или, если точнее,
шоколадного молока .) Слоан дружил с Греем и хотел как-то отметить его научный вклад, поскольку Ньютон его игнорировал .
В 1731 году Грей был удостоен медали Копли как высшего одобрения общества . Он стал первым среди известных людей, удостоенных этой медали .

Еще Фалес описывал, как натирание некоторых предметов заставляло их притягивать пыль и легкие перышки . Грей
использовал для этого длинные стеклянные трубки и обнаружил, как можно еще повысить их способность притягивать
электричество . Он протянул шелковую нить и привязал к ней
шар из слоновой кости, и этот шар неожиданно начал собирать ворс .
Позаимствовав идеи у других фокусников, Грей в 1730 году
провел театральный эксперимент, получивший название «летающий мальчик» . Он подвесил мальчика на шелковых веревках и подсоединил к нему генератор Хоксби . Руки мальчика,
как и любой наэлектризованный предмет, притягивали к себе
легкие золотые лепестки . «Полет» мальчика был нужен для
того, чтобы не было контакта с землей и электрический заряд
не уходил в землю . Этот эксперимент показал, что «электрическая сила» проходит сквозь металл, слоновую кость и человеческое тело, а такие материалы, как шелковые канаты, ее не
пропускают . Первые из них получили название проводников,
а последние — изоляторов . Понимание этого различия сыграло ключевую роль в освоении электричества .

темПератУрная
шКала
Часто получается так, что науку движет вперед не
только сила ума, но и мастерство рук . Так было
и с термометром . Нельзя сказать, что его «изобрели», поскольку он был всего лишь усовершенствован умелыми руками немецкого стеклодува, который и дал ему всем известное сейчас имя .
Термометр работает на том принципе, что жидкость при нагревании расширяется, а при охлаждении уменьшается в объеме . Нечто подобное замечал еще Герон Александрийский в I веке нашей эры .
В первых термометрах использовалась вода, однако
они были очень неточными, а в 1714 году Габриель
Даниель Фаренгейт решил наполнить термометр
ртутью, которая остается жидкой, когда вода закипает или превращается в лед . Оставалось придумать шкалу, по которой можно было бы отмерять изменение температуры . Температурная шкала — это
дело выбора, так что достаточно было задать верхнюю и нижнюю точку с температурами, легко воспроизводимыми в эксперименте, чтобы калибровать
каждый новый термометр . В 1724 году Фаренгейт
в качестве высшей точки выбрал температуру тела
человека, установив для нее 96°, а в качестве нижней
температуры взял смесь воды, льда и хлорида аммония, установив для нее 0° . Такой выбор сделал шкалу Фаренгейта довольно практичной и популярной,
поскольку таким термометром можно пользоваться
почти повсюду .
Основной объем ртути располагается не в трубке,
а в нижней емкости. Фаренгейт сумел изготовить стеклянную трубку постоянного диаметра, необходимую для
научного инструмента.

лейденСКая
банКа
Возможно, Стивен Грей и показал, что «флюиды» электричества, как писали в те дни, могут проходить через определенные
вещества, но едва ли это можно было назвать проводимостью .
Теперь поиски были направлены на то, чтобы научиться сохранять эту загадочную субстанцию .
Для того чтобы узнать о существовании электронов, потребовалось еще полтора века . Именно тогда люди узнали, что электричество передается с заряженными частицами, главным образом
электронами . Заряд статического электричества возникает при
появлении в объекте избытка или дефицита электронов, а искры
проскакивают при обмене электронами, которые стремятся
к равновесию . (Ток — это постоянное движение электронов .) Но
ФЛЮИДЫ ИЗ СТЕКЛА
в XVIII веке люди находили достаИ РЕЗИНЫ
точным объяснение, что электроВ 1730-х годах французсстатика вызывается «флюидами»,
кий физик шарль Франкоторые просто заполняют объем
суа Дюфе обнаружил,
тела . Электростатические генерачто существует два вида
торы, такие как серный шар Отто
электрических флюидов .
фон Герике в 1660-е годы и стеТе, которые присутствуют
клянная сфера Фрэнсиса Хоксби
в веществах, похожих на
в 1700-е, были просто «фрикционянтарь (их назвали «резиноподобными»), и те,
ными машинами», где за счет трекоторые присутствуют
ния флюиды вырывались из одв стекле (соответственно
ного тела и переходили в другое .
«стеклоподобные») . ОдЧтобы получить из такой машины
нотипные друг от друга
одну безобидную искорку, требоотталкиваются, а разновались значительные физические
типные — притягиваютусилия, так что интерес к ним был
ся . В наши дни они полишь как к новинкам .
лучили известность как
В 1740-х годах на вечеринках
отрицательные и полобыл популярен трюк «электричежительные заряды .
ский поцелуй» . Целующаяся па-

рочка при соприкосновении буквально давала искру, поскольку один из партнеров был электрически заряжен . Если хотели
дать более мощную искру, то заряжались сильнее . Но что могло собрать больше электрических флюидов, чем банка?

ОПАСНЫЕ ОПЫТЫ
В 1745 году немецкий ученый Эвальд юрген фон Клейст покрыл внутреннюю часть стеклянной банки серебряной фольгой и налил воды . Он проверял идею заряжать воду через
контакт электростатического генератора . Идея оказалась неудачной, но не без пользы для науки . Когда ученый прикоснулся к фольге рукой, он получил сильнейший и, без сомнения,
Фон Клейст использует свои руки как проводники, чтобы зарядить
прототип лейденской банки. Разумеется, его слегка бьет током.
Дальнейшее развитие лейденской банки показало, что она так же
прекрасно работает и без воды.

опасный электрический удар . Но Клейст выжил и сообразил,
что его банка определенно способна сохранять электричество . Но что с ним делать?
Похожий прибор в том же 1745 году построили голландский
изобретатель Питер ван Мушенбрук и его ученик Кюнеус в Лейдене . (Кстати, у Мушенбрука и Клейста был общий наставник .)
Мушенбрук продемонстрировал свою банку ученым в Лейденском университете, и прибор был назван лейденской банкой .
В дальнейшем эта банка претерпела ряд усовершенствований: фольгой выстилалась не только внутренняя поверхность,
но и наружная, причем горловина банки оставалась не закрытой фольгой . В опытах с электричеством внешняя фольга непосредственно касалась рук экспериментатора, который сам был
«электрической емкостью» этого первого конденсатора .
Лейденская банка действительно была первым электрическим конденсатором — устройством, которое состоит из двух
проводящих пластин и собирает электроны . Пластины (листы фольги) разделены между собой изолятором (стеклом),
как и в современных конденсаторах . Как только одна пластина (внутренняя фольга) получает электрический заряд, другая (внутренняя пластина или рука) приобретает тот же по
величине и противоположный по знаку заряд . Если эти две
пластины соединить, разница в зарядах исчезнет . Современные конденсаторы имеют такие большие площади поверхности, что дают не просто искру, а настоящий электрический ток
(правда, на короткое время) . Лейденская банка собирает чуть
больше электричества, чем нужно для большой искры, однако
и эта искра слишком скоротечна, чтобы говорить об электротоке . Но спустя 55 лет будут изобретены химические батареи,
которые дадут первый электрический ток . Меж тем само слово «батарея» было изобретено Бенджамином Франклином во
времена лейденских банок, поскольку батареи этих соединенных между собой банок напоминали ему батареи пушек .

СКрытая теПлота
шотландец был доктором и имел очень широкий круг интересов .
Когда он столкнулся с диоксидом углерода, изучая лекарство для
желудка, он уже был знаком с химией . Однако наибольший вклад
Блэк внес в физику, открыв новое понятие «скрытой теплоты» .
В 1750-х годах Джозеф Блэк уже использовал точные ртутные термометры, чтобы отслеживать, как изменяет свою температуру нагреваемое вещество . Он обнаружил, что различные вещества нагреваются с разной скоростью, и ввел
в физику понятие теплоемкости . Десятилетием ранее швед
Андерс Цельсий предложил температурную шкалу на основе плавления льда (0°) и кипения (100°) воды . шкалы Цельсия
и Фаренгейта до сих пор соперничают по популярности . Блэк
обнаружил, что при плавлении льда его температура не растет, хотя тепло подводится . При этом лед переходит в воду .
Тот же самый эффект был замечен и при нагревании кипящей
воды — температура пара от воды оставалась неизменной .
Джозеф Блэк заключил, что тепло расходуется на переход вещества из одного агрегатного состояния в другое, а не на повышение его температуры . И только когда процессы таяния
льда или кипения воды заканчивались, подвод тепла вновь
повышал температуру вещества . Это явление Блэк назвал
скрытой теплотой . Скрытая теплота плавления идет на переход твердого тела в жидкость, а скрытая теплота парообразования, соответственно, идет на испарение .
Джозеф Блэк (сидит) обсуждает свои идеи теплоты с коллегами, один из которых — Джеймс Уатт
(в центре). Именно Уатт
научился собирать тепло
и применять его энергию
на движение первой использованной на практике паровой машины.

ВещеСтВо и огонь
Ртутный термометр дал возможность измерять, насколько
горячим является тело . Однако оставался вопрос, что же такое тепло . Даже в самый светлый период эпохи Просвещения
в поисках ответов на вопросы наука все еще была подвержена
влиянию древнегреческого наследия .
Исследования Джозефа Блэка основывались на теории,
что тепло — это некоторая субстанция — густая жидкость,
получившая название caloricum1, которая может, хотя иногда
и с трудом, перетекать из одного вещества в другое . Эти рассуждения были результатом многовековых убеждений, что
огонь — это вещество, субстанция . В Средние века ученые
думали, что сера представляет собой огонь в твердом виде,
а к XVIII веку доминировала теория, что вещество горит потому, что содержит «огненную субстанцию» флогистон . Соответственно, тепло и свет от пламени считали результатом
высвобождения флогистона из вещества . Однако экспериментальные факты указывали на другое . По теории флогистонов,
горячий металл светится потому, что высвобождаются флогистоны . Но, нагревая некоторые металлы, люди замечали, что
они становятся тяжелее . Это означало появление чего-то нового (в данном случае слоя окислов) .

ОТКРЫТИЕ ГОРЕНИЯ
Флогистон в историю отправил Антуан Лавуазье из Франции .
В 1770-х годах он показал, что горение или сжигание — это,
по сути, взаимодействие вещества с кислородом — ныне хорошо известным газом, а тогда только открытым . Лавуазье,
давший имя кислороду, открыл также и водород . Он обнаружил, что сжигание двух этих газов вместе дает воду вначале в виде пара, который при охлаждении становится жидкоНа русский язык латинское слово caloricum перевели как «теплород»,
а от его звучания появилось слово «калория» .
1

ТЕПЛО КАК ДВИЖЕНИЕ
Русский ученый-энциклопедист
Михаил Ломоносов объял многие
науки, однако за пределами России остался практически неизвестным . До него уже предполагали,
что при нагревании газа его молекулы просто быстрее движутся,
а Ломоносов обратил эту идею на
другие состояния вещества . По его
рассуждениям, все тепло, где бы
оно ни было, является результатом движения в ткани бытия . Наше
современное понимание тепла основывается на той же идее .
Российская императрица Екатерина Великая пригласила Ломоносова продемонстрировать свои научные приборы.

стью . Эксперименты Лавуазье также подтвердили то, о чем
за 20 лет до него говорил русский ученый-энциклопедист
Михаил Ломоносов (см . вставку) . Вес водорода и кислорода
до соединения, по его мнению, должен быть таким же, что
и вес воды после . Это доказывало, что материя не создается и не уничтожается, она только преобразуется . Так что для
флогистона не осталось места .

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОТЫ
Лавуазье предположил, что свет и тепло — это два вида одного и того же явления . Со времен Ньютона, утверждавшего,
что свет состоит из крошечных частиц без веса, или «корпускул», прошло не так много времени, и Лавуазье решил, что
с теплом ситуация та же . Француз перевел на «низкую латынь»
галльское слово и назвал новую гипотетическую субстанцию
«теплородом» .
В 1780-х годах Антуан Лавуазье много общался с ПьеромСимоном Лапласом — еще одним французским ученым, по ин-

Схема калориметра Лавуазье — Лапласа, представлявшего собой
комбинацию печки, крышки и сливной системы для сбора растопленной в ходе опыта воды. В одном отчете сообщалось, что
в центральную камеру помещалась морская свинка, чтобы показать, что тепла от ее тела было ничуть не меньше, чем тепла,
выделяющегося при сжигании иных веществ.

теллекту не уступавшим самому Лавуазье . Они вместе решили
построить машину для измерения количества тепла, другим
словом, калориметр . В конце концов таким прибором оказалась камера сгорания, защищенная от влияния внешней среды слоями теплоизолятора . Центральная камера помещалась
в точно отмеренный объем, плотно упакованный колотым
льдом . «Калории» должны были идти от центральной камеры
и плавить кристаллики льда вокруг . Рассчитав точную пропорцию льда и расплавленной воды, ученые могли измерить количество испущенных калорий . Как вы догадались, калории
в пище также измеряются с использованием современных вариантов таких устройств .

иЗмерение
Заряда
В 1780-х годах один французский физик придумал, как измерить силу, возникающую между заряженными телами . Сейчас
результат его работы многие помнят со средней школы .
Пионеры в области электричества пытались разрабатывать такие приборы, которыми можно было бы измерять
силы взаимодействия между заряженными телами . Однако
оказалось, что эти силы слишком слабы и провести их количественную оценку весьма затруднительно . Лишь в 1784 году
шарль Огюстен де Кулон изобрел крутильные весы, которые оказались достаточно чувствительными, чтобы измерить
электростатические силы . Они представляют собой металлический стержень, подвешенный на нить и поворачивающийся от самой слабой силы . Если поднести заряженный объект,
сила изменится, и стержень на нити повернется . Кулон открыл то, что мы теперь
знаем как закон Кулона — сила электростатического взаимодействия
обратно пропорциональна квадрату расстояния
между заряженными телами . Подобное соотношение мы уже встречали в другой природной
силе — гравитации .

Схема крутильных весов
Кулона. В качестве относительной меры силы использовался угол, на который
поворачивался стержень.

ВЗВеСим ПланетУ
Ньютон показал связь силы всемирного тяготения с массами тел и расстоянием между ними . В этой формуле есть коэффициент G — неизменяемое число, которое, можно сказать,
определяет устройство Вселенной . Вычислив его, Генри Кавендиш сумел «взвесить» нашу Землю .
Открытие Ньютоном сил тяготения просто потрясло весь
мир . Если яблоко падало на землю, то и Земля немного сдвигалась навстречу яблоку . Огромная диспропорция масс означала, что Земля едва ли сдвигалась с места, однако законы
Ньютона прямо указывали, что она должна сдвигаться . Чтобы
рассчитать, насколько Земля сдвинется навстречу яблоку, необходимо было знать массу нашей планеты . Непростая задача!
Однако в 1789 году английский ученый Генри Кавендиш поставил блестящий эксперимент, «взвесив» Землю . Закон всемирного тяготения (F =G( m 1 m 2 ) / r 2 ) снова помог ему .
Ему требовалось лишь найти значение константы пропорциональности, поскольку только этого числа не хватало в формуле для силы тяготения . В наши дни мы обозначаем эту гравитационную постоянную большой буквой «G» (в отличие от малой
«g», которой обозначают вызываемое притяжением ускорение свободного падения) . Значение G универсально для любой
массы, большой и малой, и Кавендиш воспользовался тем, что
масса экспериментальных шаров была точно известна .

КРУТИЛьНЫЕ ВЕСЫ
Генри Кавендиш построил для эксперимента крутильные
весы, реагирующие на появление силы скручиванием нити .
Особенностью весов Кавендиша было то, что они были способны зарегистрировать силу еще более слабую, чем ту, которую улавливают электростатические весы Кулона . Размер
установки был больше, так что разместилась она вне лаборатории под навесом в имении Кавендиша . На балке были
подвешены два одинаковых свинцовых шара весом 158 ки-

лограмм (348 фунтов) таким образом, чтобы они могли качаться . Затем рядом с каждым из них расположили по малому свинцовому шару весом 730 грамм (25 унций) . Меньшие
шары крепились на отдельных подвесах, так что могли раскачиваться независимо от больших .
Гравитационное взаимодействие между шарами вызывало колебания шаров, причем меньшие шары колебались с большей амплитудой . Колебательное движение малых шаров останавливалось тогда, когда силы притяжения
уравновешивались противоположной по направлению силой скручивания, или вращающим моментом, проволоки,
на которой были подвешены шары . Кавендиш знал вращающий момент проволоки для разных углов поворота,
и это позволило ему рассчитать G . При переводе на современные единицы измерения оказалось, что полученное
им значение всего лишь на 1 % отличается от принятой
сегодня величины 6,67259 x 10–11 Нм2/кг2 . Затем Кавендиш использовал известное ускорение свободного падения
(g=9,8 м/с2), чтобы рассчитать плотность Земли, и она оказалась тяжелей воды в пять с небольшим раз . Эта техника
расчета позволила ученому избежать расчета веса Земли
в явном виде . Зная плотность, можно получить не только
гравитационную постоянную G, но и немало других данных .
Генри Кавендиш
защитил свои
весы от внешнего воздействия.
На рисунке показано, как он с помощью блока
выставляет положение больших
шаров и наблюдает за движением малых через
телескоп из-за
стены.

батарейКа
и лягУшаЧьи
лаПКи
Удивительно, как в поисках источников электрического тока пересекаются судьбы исследователей . Один ученый случайно открыл «животное электричество», изучая анатомию лягушки,
а другой нашел способ получать электрический
ток с помощью химической реакции .
Луиджи Гальвани едва ли был физиком . Он
последовал за своим отцом в медицину и, наХотя Луиджи Гальварабатывая навыки хирурга, много занимални в то время не знал
этого, пара «металл — ся анатомией . И прежде чем начать работать
с пациентами, тренировался на мертвых жилягушачья лапка» равотных . Луиджи даже поработал на полной
ботала как первая хиставке анатома в Болонском университете .
мическая батарея.
После девяти лет академических исследований Гальвани совершил открытие, в котором есть немалая доля
случайности . Он повесил пару лягушачьих лапок на проволочную сетку для просушки . Сетка была из железа, а крючки для под-

ФРАНКЕНШТЕЙН
Племянник и последователь Гальвани, Джованни Альдини, превратил опыты с животным электричеством в шоу «электрические
пляски» . Он ездил с турами по Европе, покупая тела недавно казненных и заставляя их трястись под действием электричества под
шумные аплодисменты публики . Как говорят, автор романа «Франкенштейн, или Современный Прометей» 18-летняя Мэри шелли посвятила этот роман монстру, оживленному электричеством, под
впечатлением жутких гальванических опытов Альдини .

веса из меди . Неожиданно свежие лягушачьи лапки начали подергиваться . По некоторым отчетам, ученый даже заметил искру!
Гальвани обнаружил, что может повторить этот эффект, пользуясь заряженной лейденской банкой, когда попытался стимулировать «живую» мускулатуру (по крайней мере недавно погибшего животного) электрическим разрядом . Этот эффект
Гальвани назвал «животным электричеством» . Исследования
Гальвани этого интересного явления (когда лягушачьи лапки
дергались на сетке) нашли в физической науке необычайно широкий отклик . Впоследствии Луиджи воспроизвел ситуацию,
возникшую в его лаборатории, взяв металлическую дугу из двух
металлов — меди и железа — и прикоснувшись скруткой к обнаженному позвоночнику лягушки (именно там располагаются
нервы, которые контролируют мышцы ноги) и к кончику лапки .
В своем опыте Гальвани создал электрическую цепь, по которой «животное электричество» прошло через мускулатуру
лягушки, заставляя ее сокращаться . Но где рождалось это электричество? Гальвани предполагал, что он открыл некоторую
форму «витальной силы», характерной для живых существ, однако 30 лет спустя другой ученый показал, как получить тот же
эффект без животного .

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ
Металлическая дуга Гальвани вырабатывала ток только в контакте со свежим мясом, которое, как предполагал Гальвани,
дает флюиды . Итальянец Алессандро Вольта заменил мясо де-

ревянными опилками, размоченными в соленой воде . Он понял, что самым главным здесь являются два металла, которые
реагируют друг с другом, за счет чего электрический заряд
переходит из одного металла в другой . Этот эффект Вольта
попытался усилить, сделав в своей конструкции много биметаллических элементов, буквально входящих друг в друга . Его
первый «вольтов столб» представлял собой серебряные монеты, переложенные цинковыми дисками и разделенные сырыми древесными опилками .
Соединение проводом верхней монеты с нижним диском
приводило к тому, что по цепи тек электрический ток . Таким
образом, «животное электричество» Гальвани оказалось тем
же самым явлением, что и «тепловое электричество» Вольты (он сам так назвал свое открытие, поскольку столб разогревался), и, чтобы разобраться в этом, физикам придется открыть еще немало законов природы .
бАТАРЕЙКА
Современная батарейка работает по тем же самым принципам,
что и «вольтов столб» . Два вещества (катод и анод) подобраны
так, чтобы химически взаимодействовать друг с другом . В процессе этого взаимодействия электроны переходят от анода к катоду . Устройство батарейки таково, что две взаимодействующие
части не имеют контакта друг с другом, поэтому электроны между ними движутся через жидкость, называемую электролитом .
Так создается электрический ток .
Положительный контакт

Анод (оцинкованный изнутри корпус)
Катод (графитовый стержень)
Электролитная паста
Отрицательный контакт

теория атомоВ
В 1803 году один английский ученый совершил
нечто необычное . Вместо того чтобы опровергать устоявшиеся веками представления о Вселенной, которые пришли к нам еще из Древней Греции, он неожиданно доказал, что одно
из них было правильным . Оказалось, что демокритовы атомы действительно являются
фундаментальным кирпичиком материи .
К началу XIX века ученые основательно изучили воздух и установили, что фактически это
смесь газов — диоксида углерода, азота и кислорода . Также они обнаружили, что некоторые Бо2льшую часть
химические процессы могут производить дру- своей жизни Джон
гие газы, такие как водород, который при сжи- Дальтон провел в ангании с кислородом дает воду . Классическая глийском городе Манкартина природных субстанций дала трещину . честер, который
Появилась уже пара десятков элементарных впоследствии знал
субстанций, причем с регулярным постоянст- немало научных прорывов в области теовом открывались новые . Земля, вода и воздух
рии атомов.
оказались вовсе не элементарными, не говоря
уже о том, что огонь в ту пору считали горячим
светящимся газом .

СМЕСь ГАЗОВ
Вот на каком историческом фоне англичанин Джон Дальтон сделал еще один шаг в изучении характеристик газов . В 1738 году
Даниил Бернулли произвел теоретические выкладки, в которых
давление газа представлялось слабыми, но частыми столкновениями со стенками сосуда частиц, находящихся в постоянном
движении . Дальтон же подошел к этой проблеме с другой стороны — а именно предсказания погоды .
В двадцать с небольшим лет Дальтон начал записывать погодные условия и продолжал вести метеорологические записи

вплоть до смерти в 1844 году . В ежедневные записи входило и изменение
атмосферного давления, поскольку
со времен Блеза Паскаля было известно о связи давления с погодой .
Заинтересовавшись связью между
давлением воздуха и погодой, Дальтон пришел к великому озарению .
Он понял, что два ранее известных
газовых закона (Чарльза и Гей-Люссака) дополняют закон Бойля и вместе прекрасно описывают поведение
газов . Как было установлено прежде, воздух является смесью газов,
а они находятся в постоянных потоках движения . Свидетельством этому
была переменчивая погода в Англии!
Первым и главным вкладом Дальтона в науку стало предположение, что
общее давление воздуха можно разделить на «парциальные
давления» различных газов, входящих в состав воздуха . Это
положение известно сегодня как закон Дальтона .

ДИФФУЗИЯ
Многие газы, открытые
в ранние годы химии, были
бесцветными . Но далеко
не все! Например, диоксид
азота имеет ярко-оранжевый цвет и довольно
сильный запах . Этот газ используется учеными для
исследования явления
диффузии — ведь любой
газ рано или поздно
заполнит
весь объем
сосуда, каким
бы большим
тот ни был .

НЕЗАВИСИМОСТь И ВЕЗДЕСУЩЕСТь
Закон Дальтона также приводит нас к тому факту, что в смеси
газы диффундируют независимо друг от друга, так что парциальное давление каждого из них дает вклад во всем объеме
сосуда без исключения . Другими словами, если смешать два
чистых газа в равных количествах, то они распределятся равномерно по всему объему . В любом месте сосуда смесь будет одинакова по составу (половина одного газа и половина другого) .
Дальтон показал, что каждый газ обладает собственными физическими характеристиками (включая способность оказывать
давление) и состоит из свойственного только ему вещества .
Как в целом газ обладает физическими характеристиками,
так и составляющие этот газ частицы демонстрируют свои химические свойства . Понимая это, Дальтон провел много экспе-

Дальтоновская таблица элементов, упорядоченная по атомным
весам (веса более тяжелых элементов даны в единицах веса атома
водорода). Видно, что в большинстве своем цифры не отличаются точностью, а некоторые из них
вообще не являются элементами.
Но несмотря на такие погрешности, дальтоновская таблица элементов стала для науки большим
шагом.

риментов в попытках проанализировать, каким образом водород и кислород соединяются и дают воду . Опыты показали,
что элементы объединяются в соединения в строго фиксированных соотношениях, причем всегда целых чисел . Например,
углерод и кислород соединяются в соотношении 1:1 и дают монооксид углерода . Сжигание углерода дает диоксид углерода,
где соотношение углерода и кислорода составляет 1:2 . Дальтон
сформулировал это в виде «закона кратных отношений» .
Подобные эксперименты показали Дальтону, что одни газы
«весят» больше, а другие — меньше . Может показаться, что водород и кислород похожи, но достаточно легкая емкость с одним газом (кислородом) оказалась значительно тяжелее емкости с водородом . Близилась финальная часть экспериментов, и в 1803 году
Дальтон предположил, что газы состоят из множества невидимых малых частиц . Он назвал их «атомами», почти приблизившись
к древнегреческому пониманию природы . Поскольку было известно, что газы могут превращаться в жидкость и твердые тела, то
логически следовало, что все в мире состоит из этих атомов . Итак,
теория Дальтона утверждала, что атомы одного элемента идентичны друг другу, но отличатся от атомов другого элемента . Для
физиков тут же назрел вопрос: «Из чего состоят атомы?»

СВет КаК Волна
Электричество и теплоту мы не можем наблюдать непосредственно — все это воспринимается через их влияние . Однако
свет мы видеть можем . К началу XIX века четко сформировались две теории света, и ставить вопрос, какая из них верна,
значит смотреть на природу света односторонне .
За прошедший XVIII век умы исследователей природы света заволокло туманом национальных разногласий . В 1678 году
голландец Христиан Гюйгенс предположил, что свет — это волна, а тридцать лет спустя англичанин Исаак Ньютон опроверг
это, выдвинув на первый план «корпускулярную» теорию . Свет
он представлял как поток частиц . Ньютону нравилось, что это
позволяло ему рассматривать движение света как и любого
другого вещества . Действительно, крошечные корпускулы отскакивают от любой поверхности по всем законам движения .
К тому времени когда Ньютон опубликовал свою теорию, его
голос уже был самым громким в мировой науке . Разумеется, голосов в свое опровержение со стороны европейских ученых он
почти не услышал, как и не появилось научных работ, предлагавших другие точки зрения . Власть научного авторитета Ньютона
сохраняла силу и после его смерти, а это значило, что все англоязычные ученые были обречены следовать взглядам Ньютона .

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН
В континентальной Европе взгляды на природу света были
иными . Хотя первенство оставалось за Гюйгенсом, набирал
популярность эфирный подход Рене Декарта . По теории Гюйгенса получалось, что свет — это периодические колебания,
распространяющиеся с определенной конечной скоростью
во всех направлениях от источника света . Голландский физик
разработал геометрию, которая показывала, как световые волны ведут себя при встрече с препятствием . Он описал фронт
волны как геометрическое место точек, каждая из которых
в свою очередь становится источником световых колебаний

Такая рябь образуется при
взаимной интерференции
двух лучей света, что доказывает его волновую природу.

и посылает новые волновые возмущения во всех направлениях . Эту теорию можно использовать для объяснения многих
наблюдаемых световых эффектов, некоторые из которых теория Ньютона объяснить не может . Самой уязвимой точкой теории Ньютона было то, что она не могла объяснить интерференцию — взаимодействие двух пучков света друг с другом .
Молодой английский врач Томас юнг в свои двадцать с небольшим лет оказался достаточно смелым, чтобы выступить
против взглядов Ньютона . (Бенджамин Франклин также придерживался волновой теории света .) Как бы то ни было, но хор
несогласных с волновой теорией юнга вскоре затих, поскольку к 1804 году он провел две публичные демонстрации, доказавшие правоту Гюйгенса .

ВОДА ВМЕСТО СВЕТА
Первый эксперимент предполагал наблюдение за поведением
волн на воде в волновом бассейне . юнг делал так, чтобы два
волновых фронта сталкивались, или интерферировали, и показывал, что наложение волн в одних точках приводило к увеличению амплитуды, а в других — к существенному ее уменьшению, даже полному исчезновению . Также юнг посылал плоскую
волну на препятствие с небольшой щелью . Все увидели то, что
предсказывал Гюйгенс для света, а именно сразу за пределами
препятствия небольшая часть волнового фронта, проходящая
через щель, распространялась во всех направлениях .
Затем юнг провел то, что стало впоследствии именоваться опытом юнга . Он направлял пучки света через систему щелей (см . схему) . Световой узор, появляющийся с другой стороны на экране, доказывал, что свет ведет себя как волны в волновом бассейне .

ОПЫТ ЮНГА ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА
Также известный как «эксперимент с двумя щелями», этот опыт
стал классическим и демонстрируется на уроках физики по всему миру . Первая щель используется для создания точечного источника света с единым волновым фронтом . Затем ставятся еще
две щели, которые формируют уже два точечных источника . От
этих источников свет распространяется во всех направлениях
(за исключением направления назад) . Распространяющиеся волны сталкиваются и интерферируют . Волна имеет пики и впадины, и при столкновении волны накладываются в каждой точке
экрана . Пик с пиком создает еще большую амплитуду волны (и
яркость света) . При наложении друг на друга впадин происходит то же . Но если пик встречается с впадиной, амплитуды уничтожают друг друга и волна в этой точке исчезает — получается
темная точка . На схеме ниже темные линии представляют пики,
а светлые — впадины . Как вы видите, свет создает узор из темных и светлых линий, доказывая свою волновую природу .
Яркий свет
Экран

Экран

Интерференционный узор

Единый
фронт
волны

Интерференция
волн

УПрУгие
и неУПрУгие
деФормации

Диаграмма показывает, как ведет себя типичный
материал при растягивании. Там, где прямая линия,
применим закон Гука. В точке 1 наступает предел
пропорциональности, после чего удлинение больше не пропорционально нагрузке. Точка 2 называется пределом текучести, или упругости. Если нагрузку снять в точке 3, объект за счет силы упругости
вернется к более короткой длине, но не к начальной.

Напряжение

Закон Гука, сформулированный в 1660-х годах, связал удлинение и силу, но не дал ничего в количественном выражении .
Модуль юнга — коэффициент, введенный Томасом юнгом, —
стал одним из способов определения жесткости материала .
Идея тех лет, ставшая сейчас всем привычным модулем юнга,
впервые высказывалась швейцарским математиком Леонардом
Эйлером в 1720-х годах . Суть ее была в том, чтобы приписать каждому веществу численно выраженную характеристику, чтобы ее
можно было измерить экспериментально . юнг в 1807 году опубликовал уже большую часть своих результатов и имел на своем счету
немало введенных физических характеристик, носивших его имя .
Модуль юнга рассчитывался как соотношение напряжения при
растяжении и величины этого растяжения в относительном выражении . Напряжение представляет собой силу, приходящуюся на
единицу площади сечения растягиваемого объекта, а относительное удлинение измеряется в долях длины объекта . Модуль юнга
можно использовать в расчетах до тех пор, пока упругая деформация (эластичная) не переходит в неупругую деформацию (пластическую) . Момент этого перехода называется пределом упругости,
или текучести (на деле предел текучести примерно на 5% выше) .
После этого увеличение нагрузки будет вызывать пластическое
«течение» материала, а в конечном итоге — его разрушение . Сталь
обладает высоким модулем юнга — это означает, что она жесткая
и почти не растягивается . Резина обладает низким модулем юнга .

Деформация

элеКтриЧеСтВо
и магнетиЗм
В основе современного мира лежит наша возможность использовать энергию, которая порой кажется нам безграничной . Эта
технология построена на достижениях физики в области электромагнетизма, хотя эта область попала в сферу интересов исследователей совершенно случайно .
Вплоть до 1820 года электричество и магнетизм изучались раздельно, и люди полагали, что магнитными свойствами обладает только железо . Магниты искусственного происЭрстед демонстрирует электромагнитное действие с использованием ячейки Даниэля — батареи, в которой между двумя электродами в соленой воде идет реакция.

хождения, такие как стрелка компаса, изготавливались либо
тщательным растиранием кусков магнетита, либо разрушением кустков магнетита осторожным нагревом и раскалыванием . Пригодные для стрелки кусочки магнетита находили
по их ориентации с севера на юг . Электричество в то время,
да и позже, представлялось чем-то совершенно иным — под
ним люди понимали переход заряженных флюидов в виде
искр или постоянного тока от недавно изобретенного «вольтова столба» и других химических источников тока .
Но связь между этими двумя феноменами становилась все
очевиднее, и ее постепенно начали замечать . Например, железные ножи в доме, в который попадала молния, часто теряли свою намагниченность .

СЧАСТЛИВЫЙ СЛУЧАЙ
Ханс Кристиан Эрстед, будучи профессором Копенгагенского университета в Дании, был одним из тех немногих натурфилософов, которые сумели внести свой вклад и в науку, и в философию . Одной из сфер деятельности Эрстеда
был анализ трудов Иммануила Канта, немецкого философа, считавшего научные феномены лишь различными гранями того, что лежит в основе природного порядка вещей .
По иронии судьбы, самое значительное достижение Эрстеда в науке доказало это!
В апреле 1820 года Эрстед давал лекцию на тему теплового действия электрического тока в металлических проводах и использовал для демонстрации «вольтов столб» .
На столе для будущей лекции лежал компас . Когда Эрстед
включил ток, он заметил, что стрелка компаса незамедлительно повернулась в сторону горячего провода под напряжением . Когда ученый разорвал цепь, стрелка компаса вернулась в прежнее положение и стала показывать, как всегда,
на север . Эрстед тут же понял, что это может значить, —
электрический ток превращает провод во временный магнит . (В наши дни мы назвали бы такой прибор электромагнитом — это очень удобно, когда магнит можно включить
и выключить .)

АМПЕР
Открытие Эрстеда нашло свое
подтверждение в исследованиях француза Андрэ-Мари Ампера . Спустя считаные месяцы после доклада Эрстеда Ампер уже
представил на суд ученых ясную
картину электромагнитных сил .
Он показал, что два провода
под электричеством ведут себя
так же, как провод под электричеством и магнит . Еще он открыл полярность сил магнитного поля, которая меняется при
смене направления тока . Текущие в противоположных направлениях токи создают взаимно отталкивающую магнитную
силу, тогда как токи одного направления притягиваются друг к другу . В честь Анри Ампера
единица электрического тока была названа ампером (обозначается как А) .
Ампер повторяет эксперимент Эрстеда в своей парижской лаборатории.

Эрстед решил тогда, что главное звено в этом явлении —
это тепло . По его мысли, магнитная сила распространяется от
провода подобно теплу или свету . Эрстед экспериментировал с более тонкими проводами, которые нагревались больше, однако магнитный эффект оставался слабым . Хотя выводы
ученого и оказались далеки от истины, связь электричества
и магнетизма была замечена . Как область физики родился
электромагнетизм .

термоэлеКтриЧеСКие яВления
Еще одна случайность в экспериментах с теплом и электромагнетизмом привела к открытию одного из центральных законов этого раздела физики .
Томас Зеебек был научным сотрудником Берлинского университета . Он изучал намагничивание различных металлов
и использовал для этого нагрев образцов . В 1821 году Зеебек
обнаружил, что при нагревании одного конца биметаллической петли (составленной из двух металлов) петля обретает
магнитные свойства . Эрстед объяснил это тем, что при нагревании в проводах возникает электрический ток . Разница температур создает разность потенциалов и неравномерное распределение заряда, что заставляет ток течь по проводнику .
(В наши дни это назвали бы напряжением .) Так Зеебек открыл
термоэлектрический эффект, когда тепловая энергия переходит в электрическую (и наоборот) . Еще один немец воспользовался этим эффектом, чтобы изучить взаимосвязь напряжения (V), тока (I) и сопротивления (R) — меры того, насколько
легко проходит ток через проводник . Его звали Георг Ом, и закон V=IR носит его имя, как и единица электрического сопротивления ом (обозначается Ω) .

Копия металлической петли Зеебека. При нагревании
одного конца проволоки расположенная внутри петли
стрелка компаса ложится
вдоль металлического проводника (эффект Зеебека).

теПлоВые
машины
Пока физики делали эти маленькие, но столь важные на пороге xix века шаги, инженеры шли
вперед семимильными шагами . Они создали
паровой двигатель, который заставил работать энергию тепла . Конечно, механизмы
инженеров были в высшей степени отлаженными, но теория, стоявшая за этим, потребовала немало работы .
Паровые технологии занимали в Великобритании центральное место — именно
там были построены машины, подобные
тем, что создавали Джеймс Уатт и Мэтью
Болтон . Эти машины помогли создать первую в мире индустриальную нацию! Так
В своих «Размышлечто когда молодой солдат французской
ниях о движущей силе
армии Сади Карно начал изучать машины
огня и о машинах, спои механику, мало кто обратил на это больсобных развивать эту
шое внимание . Тем не менее его работы не
силу» Сади Карно предтолько стали критически важными при составил исследование
здании более эффективных тепловых матеплоты и энергии.
В 1832 году, восемь лет шин, но также и пролили свет на природу
спустя, Карно помести- энергии как таковой . Отец Карно был поли в клинику для душев- литическим деятелем Великой французнобольных, вскоре он
ской революции и потому готовил сына
заболел холерой и умер к военной карьере . Однако Карно посвяв 36 лет. После смерти
тил себя исследованию физики паровых
его объявили «отцом
двигателей .
термодинамики», хотя
Паровые двигатели работают за счет
все его записки, кроме
того,
что кипящая вода превращается в гоупомянутой книги, сорячий пар, который, расширяясь, совершажгли вместе с вещами.
ет работу — толкает механические части,
(Тела и вещи умерших
приводя их в движение . Карно интересоот холеры полагалось
сжигать.)
вал вопрос, как энергию тепла превратить

в движение, и он представлял себе четыре стадии, через которые должна проходить существовавшая лишь в теории идеальная машина (сейчас они известны как «цикл Карно») . На
первой стадии горячий газ расширяется, совершая работу без
потери тепла . На второй стадии расширение продолжается,
однако газ начинает охлаждаться, поскольку энергия тепла переходит в энергию движения . На третьей стадии газ сжимается
механическим усилием, однако не разогревается, а на четвертой стадии дальнейшее сжатие разогревает газ в соответствии
с законом Чарльза . Идеализированная тепловая машина Карно показала, как тепловая энергия газа может совершать работу и как работа может расходоваться на разогрев газа . Работа, совершенная идеальной тепловой машиной, эквивалентна
изменению температуры рабочего тела (газа) в пересчете на
энергию . Будут ли такие машины когда-нибудь построены?
В четырехтактном двигателе машины используется доработанная версия цикла Отто . Этот цикл был назван в честь немецкого инженера Николауса Августа Отто и разработан на
основе цикла Карно . Отличием является то, что тепло приходит от сжигания внутри цилиндра с движущимися частями . Такой двигатель получил название ДВС (двигатель внутреннего
сгорания) .

Впрыск

Сжатие

Рабочий ход
(зажигание)

Выхлоп

броУноВСКое
дВижение
Единственный ботаник в нашей книге, Роберт Броун попал
сюда не случайно . Он тоже совершил физическое открытие,
причем при необычных обстоятельствах — изучая под микроскопом пыльцу . То, что он увидел, стало первым видимым доказательством существования атомов .
В начале XIX века ботаника находилась на переднем крае
наук . Благодаря покровительству Джозефа Бэнкса, председателя Лондонского королевского общества и известного ботаникапутешественника, Роберт Броун смог провести в путешествиях
несколько лет, посвятив их сбору образцов растений . В 1827 году
Броун изучал кукушкин цвет — розовый дикорастущий цветок
Тихоокеанского Северо-Запада — и под микроскопом рассматривал его пыльцевые зерна . Ученый заметил, что крошечные
частички (везикулы в крахмале и масле), будучи добавленными в воду, начинают хаотично двигаться во всех направлениях .
В 1785 году тот же эффект наблюдал Ян Ингенхауз, создавая взвесь
угольной пыли в спирте . По словам Яна, они были совсем как живые . Ботаник Броун понял, что движение носит физический, а не
биологический характер . Альберт Эйнштейн сумел объяснить так
называемое «броуновское движение» лишь 90 лет спустя тем, что
колеблющиеся атомы и молекулы постоянно толкают крошечные
частички в разных направлениях .
Попытка отслеживания траекторий при броуновском движении дает абсолютно случайные закорючки . Движение больших
видимых частиц случайным образом направляется множеством столкновений
с невидимыми, но быстро перемещающимися частицами . Тем не менее анализ этого видимого движения дал доказательство
того, что невидимые атомы существуют .

Раздел 3

от КлаССиЧеСКой
ФиЗиКи
К СоВременной

элеКтромагнитная
индУКция
Когда связь между электричеством и магнетизмом уже была
точно установлена, люди начали задумываться о том, как им
получить от электромагнитных сил пользу, а именно движение . Человек, который преуспел в этом, также открыл, как использовать движение для создания электрического тока .
В то время ведущими экспертами в области электричества
были известный английский ученый Гемфри Дэви и его коллега Уильям Волластон . В 1807 году Волластон построил огромную батарею из «вольтовых столбов» в подвале Королевского
института в Лондоне — в то время ведущего исследовательского центра, соперничающего по величине с Лондонским королевским обществом по развитию знаний о природе . Электричество нужно было Дэви, чтобы разделять вещества на
составляющие . Так он открыл пять новых элементов, среди которых были натрий, калий и магний .
В 1813 году 19-летний ученик переплетчика начал посещать публичные лекции Дэви, посвященные исследованию электричества и проходившие в Королевском институте, и звали этого молодого человека Майкл Фарадей . По ходу
Майкл Фарадей читает лекцию на тему своих открытий в Королевском институте
в Лондоне в 1856 году.
Традицию чтения публичных Рождественских лекций Фарадей завел в 1825 году. До сих
пор известнейшие ученые поддерживают эту
традицию, а сами лекции транслируются по
всему миру.

САМОИНДУКЦИЯ ДЖОЗЕФА ГЕНРИ
История электромагнитной индукции
начиналась не с Майкла Фарадея и не
им закончилась . В том же году, когда
Джордж Брайтон открыл свой термодинамический цикл, другой американский исследователь, Джозеф
Генри, совершил открытие в области
электромагнетизма . Именно ему мы обязаны понятием самоиндукции, открытой им
в ходе экспериментов с электромагнитами, где использовались
медные обмотки . Генри обнаружил, что при выключении тока
в разрыве сети проскакивает искра . Это было связано с тем, что
при исчезновении тока в контуре спадает и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром . Изменение магнитного потока по закону электромагнитной индукции приводит
к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС, рождающей
ток, препятствующий затуханию .

лекций юноша вел подробные записи, которые впоследствии
переплел и преподнес Дэви . Это столь впечатлило ученого,
что тот пригласил 22-летнего юношу на освободившееся место лаборанта Королевского института, а затем и сделал личным ассистентом .

НАУЧНЫЙ РАЗЛАД
Приглашенный Дэви и Волластоном к увлекательному делу конструирования электрических моторов, Майкл Фарадей тоже
начал изучать электромагнитные силы притяжения и отталкивания в надежде превратить их во вращательное движение .
В 1821 году, будучи вооруженным открытиями Эрстеда в области электромагнетизма, Фарадей собрал первый в мире электрический мотор, причем сделал он это независимо от своих
наставников, чем вызвал их раздражение, а не уважение .
Фарадей был вынужден частично свернуть свои дальнейшие исследования в области электромагнетизма и продолжать основную работу частным образом .

Майкл изучал, может ли магнит своим действием остановить поток электронов . Оказалось, что не может, как магнетизм не может воздействовать на поток света . Когда Дэви
умер, Фарадей сумел посвящать исследованию электромагнитных явлений больше времени и в 1831 году осуществил
большой прорыв в науке . Он уже знал, что проходящий по
проволочной катушке ток превращает помещенный внутрь катушки железный сердечник в электромагнит . А что будет, если
на железный кольцевой сердечник надеть две катушки? Когда в одной катушке появлялся ток, Фарадей тут же регистрировал скоротечный ток в другой катушке . Так проявляла себя
электромагнитная индукция . Фарадей показал, что ток (сейчас сказали бы, что напряжение или же ЭДС, электродвижущая сила) возбуждается при изменении магнитного поля, или,
по современной терминологии, магнитного потока . Вращение
магнита создает постоянно меняющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует постоянное напряжение .
В основе используемых сегодня электрогенераторов, без которых немыслима энергетика современного мира, лежит явление электромагнитной индукции .

Динамо-машина француза Ипполита Пикси стала первым электрическим
генератором, основанным на принципе электромагнитной индукции
Фарадея и дававшим переменный ток. Постоянный
магнит вращался, индуцируя в проводах ток. Пикси
сконструировал это устройство в 1832 году.

эФФеКт доПлера
Без сомнения, все мы слышали, как мимо нас с сиреной проезжает скорая помощь . Изменение в тональности ее сирены мы
безошибочно связываем теперь с эффектом Доплера . Интересно, что изначально это явление рассматривалось для света,
а не для звука .
В 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер задался
вопросом, что волновая природа света может рассказать нам
о далеких звездах . Ньютон предполагал, что цвет воспринимается, когда глаз захватывает и распознает длину волны света
(длина волны света синего цвета короче, чем красного) . А что,
если источник света будет двигаться? Корабль, плывущий по
волнам, встретит больше гребней . Доплер утверждал, что со
световыми колебаниями, исходящими от двужущегося на нас
источника света, будет то же самое . Частота колебаний будет
расти, и свет звезды покажется нам синим . «Красное смещение» является результатом того, что звезды отдаляются от нас .
Доплер предположил, что тот же эффект будет иметь место
и со звуковыми волнами, что в 1845 году подтвердил Христофор Бёйс-Баллот в эксперименте с трубачами .
Звуковые волны от сирены приближающейся полицейской машины сжимаются в более высокочастотные завывания. Когда источник звука
проезжает мимо и начинает отдаляться, звук становится ниже, поскольку пики звуковых колебаний растягиваются.

ПерВое наЧало
термодинамиКи
юлиус Роберт фон Майер получил свой заряд
вдохновения из весьма необычного источника: от волн штормового моря и цвета крови . Наблюдая это, он пришел к тому, что
«Энергия не может ни создаваться, ни
уничтожаться» . Таково первое начало термодинамики — науки о теплоте .
Героя этой истории часто называют просто
Роберт Майер . Будучи еще совсем юношей, он учился на врача в старинном немецком городе Тюбинген, однако вскоВторая половина жизни
ре стал неугоден властям за пропаганду
Майера была омрачена
радикальных взглядов и в 1837 году был
смертью двух его сыновей. В 1850 году он выбро- вынужден бросить учебу . Впоследствии
сился из окна, остался на он завершил медицинское образование
в Мюнхене и Париже и в 1840–1841 годах
всю жизнь хромым и поподписал контракт на годичное плавание
чти все 1850-е годы провел в приюте на принуди- судовым врачом на корабле, совершавтельном лечении.
шим рейс в Голландскую Ост-Индию (в наУмер в 1878 году.
стоящее время Индонезия) .

ГОРЯЧАЯ КРОВь
В плавании Майер заметил, что, во-первых, волны штормового моря всегда теплее спокойных вод . Неужели от движения вода нагревается? Во-вторых, проводя кровопускания
и обрабатывая раны матросов по пути к Батавии на острове Ява, он обратил внимание, что венозная кровь была ярче,
приближаясь по оттенку к алой артериальной, когда корабль
шел в жарких экваториальных широтах . В северных широтах венозная кровь была темно-красной . Дело в том, что ярко-алая артериальная кровь содержит больше кислорода .

Красные кровяные тельца переносят кислород. Они имеют
в составе сложный железосодержащий белок гемоглобин. Тельца имеют красный цвет именно благодаря высокому содержанию железа.
Сам гемоглобин имеет темно-красный цвет, но когда он захватывает кислород, его цвет становится ярко-алым.

Майер пришел к выводу, что в теплых широтах человек расходует меньше кислорода на поддержание температуры тела
(то есть в венозной крови сохраняется избыток кислорода) .
Судовой врач осознал, что теплота и связанная с движением механическая работа — две формы одного явления, причем одно может трансформироваться в другое . В 1842 году
Майер предположил существование принципа сохранения
энергии: общая энергия системы постоянна, даже когда один
ее вид переходит в другой . Закон сохранения энергии – фундаментальный принцип термодинамики .

механиЧеСКий
эКВиВалент теПла
Научная общественность не успела оценить важность интеллектуального прорыва Роберта Майера, поскольку вскоре
англичанин Джеймс Джоуль развил те же идеи в более привычной для нас форме, поставив при этом эксперимент, ставший классическим .
Джеймс Прескотт Джоуль родился в семье зажиточного владельца пивоваренного завода, получил хорошее домашнее
образование . В течение нескольких лет его учителем по математике, химии и физике был Джон Дальтон . Именно отсюда
у Джоуля появилось увлечение наукой . Вначале он изучал на
практике электричество, в результате чего его домашние иногда попадали под напряжение . Первым научным открытием
Джоуля стало установление количественной связи между нагреванием провода и протеканием по
нему электрического тока .

ОДИН ДЖОУЛЬ
Единица энергии, джоуль
(Дж), названа в честь английского физика Джеймса Джоуля . Один джоуль эквивалентен одному
ньютону на метр — работе (она же энергия), которую совершает сила
в один ньютон на расстоянии один метр . Один
ньютон — это сила, сообщающая телу массой
1 килограмм такое ускорение, что за секунду его
скорость возрастает на
1 метр в секунду . Если собрать все это вместе, то:
1 Дж = 1 Н м = 1 кг м2/с2 .

МЕХАНИЧЕСКИЙ
ЭКВИВАЛЕНТ
Нет ли иных способов оценить энергию количественно? Джоуль задавался этим вопросом, изучая возможность замены паровой машины
электрическими моторами на пивоваренном заводе . Прежде всего он
хотел сравнить эффективность обоих
двигателей, для чего ему необходимо
было знать, на какую механическую
работу способна энергия пара .
В 1843 году Джоуль сконструировал аппарат, который позволил уста-

новить механический эквивалент тепла опытным путем . Падающий груз раскручивал мешалку, помещенную внутрь
герметически закрытой емкости с водой . Предположение
Джоуля состояло в том, что энергия движения падающего груза передается воде, которая должна нагреваться . В емкости
был один фунт (440 граммов) воды, и Джоуль хотел измерить,
какую работу придется совершить, чтобы нагреть этот объем
на один градус Фаренгейта . Это число дало бы ему единицу
теплоты . Результат первого эксперимента составил 838 футов
на фунт-силу . Такая энергия высвобождается при падении груза весом один фунт с высоты 838 футов (255 метров) . Последующие опыты уточнили результат, и в новой серии экспериментов с газом вместо воды получилось 772,7 фута на фунт-силу,
что намного ближе к современному значению меры количества теплоты и механической работы, измеряемой в джоулях .

Можно утверждать, что
опыт Джоуля был первой
практической попыткой
изучить, что такое тепло и как оно связано с работой.

единая теория
энергии
Как и многие физики тех лет, Герман Гельмгольц был врачом,
питавшим страсть к науке . Исключительно широкая сфера
знаний и интересов помогла ему выявлять причины, лежащие
в основе физических фактов .
Германа Гельмгольца привел в медицину отец, поскольку по традициям Германии тех лет студенты-медики получали государственную стипендию . (Изучение чистых наук
было прерогативой состоятельных людей .) Гельмгольц вошел
в историю физики, поскольку он стал первым, кто привел понятие энергии к принятым в настоящее время формулировкам . Этот исследователь интересовался физикой звука, света,
оптикой (так, он изобрел офтальмоскоп для изучения глазного дна), изучал передачу электрических импульсов по нервам, а также создаваемые электромагнитами силовые поля .
Гельмгольц понял, что все эти явления являются проявлением
единой энергии, часто переходящей из одной формы в другую, но всегда сохраняющейся . В 1847 году он опубликовал
эти свои идеи вместе с первым математическим доказательством своей концепции .
Резонатор Гельмгольца
представлял собой пустотелый цилиндр, который воспроизводил звуковые колебания при ударах
вилкой, вибрировавшей
под действием электрического поля.
А. Г. Белл принял
устройство за
преобразователь
электрического
сигнала в звуковой…
и изобрел телефон.

абСолютная
темПератУра
Что такое энергия? Джеймс Джоуль предположил,
что теплота по своей сути — это более или менее
интенсивное движение атомов и молекул . шотландский ученый Уильям Томсон задался вопросом, что
произойдет, если движение атомов остановится .
Со времен Джозефа Блэка и Антуана Лавуазье
ученые воспринимали теплоту как флюиды, которые переходят от одного тела к другому . Пред- Уильям Томсон, поположение Джеймса Джоуля соответствовало лучивший вместе
фактам физики, намного точнее объясняя, поче- с пэрством титул
му горячие газы сильнее давят на стенки сосу- «барон Кельвин»,
читает лекцию
да . Их молекулы быстрее движутся в объеме сов шотландском
суда и чаще сталкиваются со стенками . Переход университете
из одного агрегатного состояния в другое — на- Глазго, где на пропример, из твердого в жидкое и газообразное — тяжении 53 лет
можно объяснить тем, что молекулы начинают был профессором
перемещаться более независимо относительно натурфилософии.
друг друга . В твердых телах они связаны, в жидкостях начинают рвать связи и перемещаться относительно
друг друга, а в газе перемещаются независимо друг от друга .
Уильям Томсон, получивший вместе с пэрством титул «барон
Кельвин», назвал энергию движения словом «кинетическая»,
и идеи Джоуля о движении молекул стали положениями молекулярно-кинетической теории, а температура в этой теории является мерой средней кинетической энергии молекул вещества .
В 1848 году Томсон предложил идею абсолютной температурной шкалы, сейчас известной как шкала Кельвина (K) . В ней использовались те же градусы, что предложил Цельсий в 1742 году,
только вместо точки замерзания воды за ноль (0 K) бралась точка, в которой атомы вещества имеют нулевую кинетическую
энергию . Как рассчитал Томсон, этот «абсолютный ноль» эквивалентен температуре –273,16 °C (–459,67 °F) и является самой низкой теоретически достижимой температурой .

Со СКороСтью
СВета
Галилео Галилей первым попробовал определить скорость
света и пытался использовать для этого расположенные в отдалении фонари . Разумеется, у него ничего не получилось . Для
глаза человека свет распространяется мгновенно . Однако наука нашла, как измерить то, что лежит за пределами человеческого восприятия .
Первое измерение скорости света произвел датский
астроном Олаф Рёмер в 1676 году . Он рассчитал элементы
орбиты Ио — первого спутника юпитера и одного из четырех спутников, открытых Галилеем в 1609 году, — точно
отмечая моменты, когда этот спутник виден с Земли . Затем
Олаф воспользовался знанием временной задержки между теоретически предсказанным и фактическим временем
появления Ио и рассчитал, сколько времени идет свет от
Ио до Земли . Сам метод был надежным, однако используемые расстояния были известны неточно, так что скорость
света получилась меньше современного значения на 25% .
В 1849 году был предложен более точный метод измерения
скорости света .

ЗУБЦЫ И ЗЕРКАЛА
Француз Ипполит Физо сумел построить установку, позволявшую измерять скорость света, не заглядывая в космос . Он
поймал мощный источник света зеркалом на расстоянии примерно 8 километров (5 миль) от него и пропустил его через
зазоры между зубьями вращающегося колеса . Как бы быстро
ни вращалось колесо, оно не могло перекрыть свет своими
зубьями . Однако при некоторой скорости вращения отраженный свет показался ученому приглушенным . Это было
связано с тем, что на пути света периодически вставал зубец
колеса . Затем, зная скорость вращения колеса, Физо рассчи-

100

тал время «полета» света до зеркала и обратно . Его результат составил 313 300 км/с (194 675,6 миль/с), что отличается
от современного значения на 4% . Сегодня принято значение
299 792 км/с (186 282 миль/с), и мы все еще уточняем значение этого фундаментального ограничения Вселенной .
Современная иллюстрация к опыту Физо по измерению скорости света. Свет от источника отражается в поставленном
под углом зеркале и направляется на удаленное зеркало (слева).
Наблюдатель располагается слева, куда приходит отраженный
луч, и возвращает его на второго наблюдателя справа.

101

немного
о СПеКтроСКоПии
Как только люди научились изготавливать качественные линзы, ученые получили возможность собирать и наблюдать свет, а также с высокой точностью
его направлять . Там, где Ньютон видел
радугу со всеми цветами, новые оптические инструменты показали странные
черные полосы . Что же это значило?
Еще на слуху было изучение затмений спутника юпитера Ио и измерение
Олафом Рёмером скорости света, а Исаак
Ньютон только начал давать ответы на вопрос о природе восприятия цвета . Когда
мы узнали, что на распространение света
тоже нужно время, то молчаливо приняРоберт Бунзен и Густав
ли для себя, что весь свет распространяКирхгоф позируют.
ется с одной скоростью вне зависимости
Гейдельберг, 1850-е годы.
от длины волны (и цвета) . Но свет, идущий
со звезд, а также от любого раскаленного
тела, способен рассказать нам о многом, и именно так в те годы
физикам удалось заглянуть внутрь атома .

СВЕТ И ТьМА
В 1814 году изготовитель линз из Баварии Йозеф Фраунгофер
сумел найти такую форму линз, которые не страдали от хроматической аберрации — цветного размытия по краям, часто
искажающих формы объектов . Он сконструировал спектрометр, способный показывать в высоком разрешении составные цвета источника света . Фраунгофер изучал свет Солнца
и неожиданно для себя открыл на обычной радуге цветов
странные темные полоски .

102

Для проведения спектроскопических исследований
Бунзен разработал горелку, в которой сжигается
чистый газ. Эта горелка до сих пор носит его имя
и используется в лабораториях по всему миру.

Четыре десятилетия остававшаяся необъяснимой аномалия была названа линиями Фраунгофера (а сами линии — фраунгоферовыми)
в честь этого немецкого физика . Объяснение
пришло только в 1859 году, когда пара химиков
из Гейдельберга решила использовать спектрометр для исследования цвета пламени . Этими
учеными были Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф,
а свет пламени разделился на ряд дискретных
цветных полосок, представлявших собой полную противоположность картине, которую увидел когда-то Фраунгофер . Однако и то и другое
были спектры, только Фраунгофер наблюдал линейчатый оптический спектр поглощения, а Бунзен и Кирхгоф — эмиссионный спектр, или спектр испускания . Для каждого элемента характерен свой спектр .
Линии спектра поглощения, которые увидел на спектрограмме солнечного света Фраунгофер, соответствуют определенным элементам солнечной короны . Будучи на фоне Солнца
«холодными», они уже поглощают — но все на тех же «сигнальных» частотах, что и излучали бы при сгорании .

СПЕКТРОМЕТР
Спектрометр Йозефа Фраунгофера представлял собой призму, соединенную с телескопом . Стеклянная призма разделяет белый свет на непрерывный спектр цветов,
который затем увеличивается линзами телескопа . Второй телескоп используется для
фокусировки луча от источника света на
призму .

103

ТРИ ЗАКОНА СПЕКТРОСКОПИИ
Сплошной спектр

Спектр испускания

Горячий газ

Спектр поглощения

Холодный газ

ЗАКОНЫ СПЕКТРОСКОПИИ
Кирхгоф лаконично оформил свое открытие в виде трех законов . Во-первых, горячие твердые тела дают сплошной
спектр цветов (белый цвет) . Во-вторых, горячие газы дают характерный линейчатый спектр испускания . В-третьих, холодный газ поглощает характерные цвета из спектра света, проходящего через него, давая те самые линии, которые увидел
Фраунгофер на фоне сплошного спектра . Оказалось, что
каждый элемент способен брать и отдавать энергию лишь
определенных уровней, что соответствует определенным
длинам волн и конкретному набору цветов . Но почему атомы могут давать и поглощать излучение лишь определенных
длин волн? Чтобы ответить на этот вопрос, потребовалась
уже квантовая физика .

104

УраВнения
маКСВелла
Джеймс Клерк Максвелл продолжил дело Майкла
Фарадея, сумев превратить мозаику физической
картины электромагнетизма в цельную систему
из четырех математических уравнений .
Майкл Фарадей ввел понятие магнитных «силовых линий», объяснив ими притяжение и отталкивание магнитов и электрических зарядов . Знаменитый эксперимент
с магнитом и металлическими опилками до
сих пор проводится на уроках физики . На
плакатах к этому эксперименту линии изображаются стрелками, показывающими, как Через год после оконмагниты взаимодействуют друг с другом, чания Кембриджского
а вместе они составляют картину силового университета Джеймс
поля вокруг магнита . В последние годы сво- Максвелл доказал, что
ей жизни Фарадей не занимался исследова- белый цвет можно пониями, и к середине 1860-х годов шотланд- лучить из сочетания
ский математик Джеймс Клерк Максвелл красного, синего и зестал ведущим специалистом в изучении леного. Уже в 25 лет он
стал полным професэлектромагнетизма .
сором университета
Почти десять лет Максвелл изучал, как (так называют произменяется магнитное силовое поле, и об- фессора, имеющего
наружил, что изменения силового поля пе- докторскую степень).
редаются со скоростью света! Просматривалась ясная связь между явлением распространения световых
волн, электрическим током и магнитными силами . Исследователь взял на себя труд объединить все это теорией . Результатом стали уравнения Максвелла, опубликованные в 1865 году
и вооружившие физиков математикой . Эти уравнения позволяли рассчитывать почти все переменные электромагнитных
полей . Фарадей в свое время предполагал, что гравитация
тоже имеет свое силовое поле . Но кто напишет уравнения для
этого поля? Это сделал Альберт Эйнштейн .

105

от горяЧего
К холодномУ
В 1850 году Рудольф Клаузиус предложил раннюю
формулировку второго начала термодинамики:
«Тепло не может переходить от холодного тела
к горячему» . Получалось, что термодинамика задает однозначное направление передачи тепла,
и Клаузиус предложил этому свое объяснение .
В своих работах в области термодинамики Рудольф Клаузиус попытался закрыть очевидную
недоработку идеальной тепловой машины Карно . Автор этой машины исходил из того, что все
Клаузиус выглядел
тепло превращается в работу и энергию, а затем
старше своих лет.
эта энергия переходит обратно в полезное теДело в том, что его пло . Клаузиус понимал, что это невозможно, даже
жена умерла молоесли сделать скидку на несовершенство механиздой, оставив ему
ма . От цикла к циклу количество теплоты неизшестерых детей,
бежно будет уменьшаться, и машина остановится .
которых он один
При этом тепловая энергия не исчезнет —
вырастил.
она всего лишь покинет систему и нагреет
окружающее пространство . Следовательно, чтобы машина продолжала работать, необходимо добавлять энергию в систему . В 1865 году Клаузиус описал процесс снижения доступной
энергии как увеличение некоего нового параметра, а именно
энтропии как меры беспорядка . Эта новая концепция позволила нам переформулировать второе начало термодинамики:
«Вселенная стремится к равновесию, состоянию с максимальной энтропией, когда энергия равномерно распределена по
объему и больше не переходит от одного тела к другому» .

Энтропия Клаузиуса объясняет, почему провода
от приборов всегда оказываются запутанными,
если долгое время не обращать на них внимания.

106

Заряженные
гаЗы
Когда прогресс в достаточной степени коснулся вакуумных
насосов, ученые обнаружили, что пропускание электрического заряда через сильно разреженные газы вызывает их свечение . Однако это был необычный свет . Оставался вопрос, что
же представляет собой свет вообще .
В 1850-е годы немецкий стеклодув Генрих Гейслер изготовил стеклянные сосуды особой формы, которые стали известны как «трубки Гейслера» . Вытягивая из них как можно больше воздуха и запечатывая, он начал пропускать через вакуум
Демонстрационный опыт, поставленный на рубеже XIX–XX веков.
Справа налево: Гейслер со своими трубками, Плюккер с катушкой
электромагнита, с помощью которого он изучал прозрачность
материалов для нового излучения, и, наконец, Крукс, показывающий
тень от мальтийского креста в лучах катодной трубки. Излучение оказалось достаточно мощным, чтобы давать отчетливую
тень на экране.

107

электрический ток и заметил слабое свечение . Цвет этого свечения зависел от того, какой газ был закачан в трубку .
Впоследствии эксперименты Гейслера поспособствовали появлению газоразрядных ламп . В дальнейшем та же идея
была использована в неоновых лампах и современных энергосберегающих . Будучи опытным стеклодувом, Гейслер далеко не из научного любопытства начал производить стеклянные сосуды разных форм, размеров и даже цветов .
Коллега Гейслера по Боннскому университету физик и математик юлиус Плюккер обнаружил, что наполняющий трубки мягкий свет можно отклонять магнитом в сторону . Получалось, что это не свет вообще .
К 1870-м годам технология вакуумных насосов получила
достаточное развитие, и английский физик Уильям Крукс изготовил трубку Гейслера с разрежением в 10 000 раз и приложил к контактам еще большее напряжение . Эффект этого был
иным . Трубка перестала давать свет (на самом деле она давала
невидимые лучи, которые исходили от отрицательного электрода, или катода) . Когда эти впоследствии обнаруженные невидимые лучи попадали на анод (положительный электрод),
слабое свечение появлялось вновь, но со стороны анода . Оказалось, что эти лучи не поглощались сделанным под углом
анодом, а отражались, вызывая флуоресценцию светочувствительного покрытия на поверхности катодной трубки . Позднее,
когда Плюккер открыл «катодные» лучи и трубка стала «катодно-лучевой», выяснилось, что эти катодные лучи отклоняются
магнитным полем и оказывают давление . Так удалось заставить поворачиваться колесо с лопастями, установленное внутри трубки . Однако природу этих невидимых лучей еще предстояло разгадать физикам .

108

УраВнение
больцмана
В 1870-х годах Людвиг Больцман заложил основы новой области физики . Его творением стала статистическая механика,
которая использует математические зависимости для моделирования движения невидимых атомов и молекул . Его система
работала, хотя сомнения в ее истинности оставались .
Статистическая механика изучает свойства сложных систем — газов, жидкостей и твердых тел — в целом и объясняет их взаимосвязь со свойствами отдельных частиц, из которых эти системы состоят, т . е . из атомов и молекул . Людвиг
Больцман всю жизнь прожил в Австрии, был профессором математики Венского университета и проводил исследования в
различных областях физики, таких как механика, гидродинамика, термодинамика и оптика, активно применяя при этом
статистические методы .
Наибольшее значение имеют его изыскания по кинетической теории газов . Больцман вывел основное кинетическое уравнение, которое описывает распределение частиц
по скоростям в жидкостях и газах . Оно позволяет рассчитать, как соударяются частицы, и объяснить, каким образом
передается в веществе тепло или, например, электрический
заряд . Это дает возможность определять тепло- и электропроводность вещества и даже его вязкость . Но математические опыты Больцмана предполагали существование молекул и атомов, что не было очевидным даже в 1870-е годы, и
многие ученые того времени ставили под сомнение эти работы . Тем не менее методы Больцмана работали так хорошо,
что даже такие скептики, как Макс Планк, не смогли устоять
против их использования .

( ) ( )( )

∂f = ∂f + ∂f + ∂f
∂t
∂t
∂t
∂t
force

diff

col

109

таКой Переменный
теСла
Никола Тесла, который был талантливым изобретателем и умел нужным образом преподносить информацию публике, стал прототипом
«сумасшедшего ученого» XIX века . Его успехи
были огромны, они имели инновационное значение в создании современной электротехники . Однако не обошлось и без крупных неудач .
Многие другие благоденствовали благодаря
своим изобретениям, а Тесла умер в нищете .
Без Теслы не было бы привычного для нас современного мира . Генераторы на наших электроКогда Тесле не
станциях, подстанции, снабжающие наше общестбыло еще и сорово жизненно необходимой нам электроэнергией,
ка, он переехал
и даже двигатели в новейших электромобилях обяв Нью-Йорк и стал
заны существованием этому загадочному гению .
ведущей фигурой
Все эти изобретения были сделаны в конце
в новой индустрии
XIX века в СшА, которые считались в ту пору неэлектрификации.
превзойденной промышленной сверхдержавой .
После непродолжительной работы в европейском представительстве компании Томаса Эдисона во Франции в 1884 году Тесла переехал в Нью-Йорк и стал работать непосредственно с Эдисоном . Не-

Питсбургская лаборатория, где
Никола Тесла
и Джордж Вестингауз разрабатывали аппаратуру
для электрических систем переменного тока.

110

КАТУШКИ ТЕСЛЫ
Эта похожая на металлический гриб и испускающая молнии катушка называется катушкой Теслы (иногда ее называют
трансформатором Теслы), и без нее не обходится ни один фильм про «сумасшедшего ученого» . Изобретенная в 1891 году
Николой Тесла, она действительно является трансформатором, который дает очень высокое напряжение .
Первичная и вторичная обмотки в ней не объединены общим
сердечником, как в обычном трансформаторе, и огромный электрический заряд скапливается на первичной обмотке . Когда обмотки настраиваются на общий резонанс, во вторичной катушке
появляется ток, который выносит огромный электрический заряд
в верхний тороид . Эти эффектные искры исходят именно от тороида . В ранних радиопередатчиках использовались небольшие катушки Теслы . В наши дни большие катушки Теслы используются,
чтобы заставлять природные молнии бить в определенные точки,
а с помощью маленьких катушек поджигают газоразрядные лампы и ищут течи в вакуумных системах .

сколько лет он занимался полной переработкой неэффективных
генераторов постоянного тока конструкции Эдисона . Эдисон не
был заинтересован в развитии идей Теслы относительно систем
переменного тока, поэтому финансовый конфликт и отсутствие
средств заставили Теслу начать работать самостоятельно .

СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Для получения переменного тока нужны простейшие электрогенераторы . Когда полюса магнита вращаются вокруг обмотки, они производят ток сначала в одном направлении, а затем
в другом . В 1887 году Тесла изобрел асинхронную машину —
электрическую машину переменного тока . В ней был магнитный ротор, который вращался под действием постоянно меняющегося магнитного поля, создаваемого переменным током .
На следующий год Тесла был приглашен в качестве консультанта к главному конкуренту Эдисона Джорджу Вестингаузу . Вме-

111

Переменный ток (черная линия) представляпостоянный
ет собой постоянный
ток
поток электронов, которые переменная элекВРЕМЯ
тродвижущей силы толкает вначале в одну
сторону (+), а затем
переменный
в другую (–). Меж тем
ток
переменный ток переносит энергию столь
же эффективно, как и текущий в одном направлении постоянный.
Светло-серая линия сверху показывает постоянный ток, эквивалентный по энергии переменному. Площадь заштрихованных областей синусоиды переменного тока и площадь под линией постоянного тока одинаковы. Современная электроника использует
постоянный ток, так что переменный ток электропитания приходится преобразовывать в постоянный.

ПОСТОЯННЫЙ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

+
–

сте они продвигали идею создания электрораспределительной
системы, снабжавшей потребителей переменным током . Получение переменного тока более эффективно, чем выработка постоянного . Также не без помощи Теслы компания Вестингауза
получила в свое распоряжение трансформаторы, позволяющие
повышать и понижать напряжение в сети . Трансформатор является устройством, в котором при помощи электромагнитной индукции в цепи можно менять напряжение . Он состоит из двух обмоток, объединенных общим сердечником — обычно из куска
железа . Переменный ток в первичной обмотке индуцирует ток
во вторичной обмотке . Если в первичной обмотке меньше витков, чем во вторичной, то такой трансформатор будет повышать
напряжение . В ином случае трансформатор будет понижающим .
Повышающие трансформаторы используются для передачи тока
на большие расстояния — с целью снижения омических потерь
наиболее эффективна передача низких токов . (Перевод переменного тока в постоянный — задача намного более сложная .)
Однако высокое напряжение буквально взорвет бытовые приборы, так что на подстанциях напряжение снижают, а затем уже
подводят к домам . Современный мир выбрал в «войне токов» переменный ток и даже теперь придерживается лагеря Теслы .

112

мах: Выходя
на СВерхЗВУКоВУю
Звук — это волна давления, и, подобно любой
волне, он имеет ограниченную скорость . Имя
немецкого физика Эрнста Маха прочно связано с тем, что происходит, когда мы преодолеваем «звуковой барьер» .
Звук — это волна, которая, распространяясь
в среде, создает попеременное сжатие и разрежение . Наше ухо способно улавливать вибрацию и обрабатывать ее, преобразуя в то, что мы
можем слышать . Скорость распространения На сделанной
звуковой волны зависит от того, через какую Эрнстом Махом
среду она проходит . Скорость звука в какой-ли- в 1888 году фотограбо определенной среде зависит от многих пе- фии видна конусовидременных, но обычно звук распространяется ная ударная волна вобыстрее в таких материалах и средах, которые круг пули, летящей со
сверхзвуковой скоротруднее поддаются сжатию . Например, в воде стью.
звук распространяется почти в четыре раза быстрее, чем в воздухе, а в скальной породе еще быстрее .
После активного изучения поведения световых волн Эрнст Мах
в 1887 году переключил свое внимание на звуковые волны . В то
время еще не было устоявшегося представления о том, что звуковые волны структурно отличаются от световых, и Мах задался вопросом, что же произойдет, если объект будет двигаться в среде
быстрее волн . В те времена двигаться со сверхзвуковыми скоростями могли только пули, и годом позже Мах сумел даже сфотографировать пулю, летящую на полной скорости . Как он и ожидал,
пуля оказалась окружена конусовидной ударной волной . Кстати,
именно эта ударная волна воспринимается на слух как звук выстрела . (Звук той же природы мы слышим при прохождении реактивным самолетом звукового барьера .) Соотношение реальной
скорости и скорости звука сейчас называется числом Маха по имени этого выдающегося немецкого ученого . Один мах — это скорость звука, два маха — это удвоенная скорость звука и т . д .

113

В ПоиСКах эФира
Если звук — это волна, распространяющаяся в среде, то как
обстоят дела со световыми волнами? Даже в 1880-х годах все
еще широко бытовало мнение о том, что свет — это волна
в невидимой и неопределяемой среде под названием эфир .
Мы можем видеть свет, идущий от звезд, и верить, что пространство между нами и ими заполнено эфиром, иначе говоря, что эфир заполняет всю Вселенную . Несмотря на весь тот
прогресс, который увидело человечество со времен Гюйгенса и юнга, эфир, знаменитый «пятый элемент» Аристотеля, был
самой притягательной теорией относительно того, как свет
проходит через пустоту пространства и достигает Земли .
Когда-то считалось, что наилучшим доказательством существования эфира является след, оставляемый эфирным ветром . Предполагалось, что при движении Земли относительно
эфира свет, попадающий в поток эфира, должен замедляться,
хотя и в очень незначительной мере . В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили эксперимент, чтобы доказать это . Разработанный ими интерферометр
разделял поток света на два луча и направлял их на отдаленные зеркала, чтобы те вернули их в начальную точку . Предполагалось, что один луч будет замедлен эфирным ветром и это
незначительное замедление создаст интерференцию, когда
лучи встретятся . Эксперимент закончился провалом, одним
из самых впечатляющих в истории науки, поскольку он показал несостоятельность теории эфира и дал шанс пробиться
альтернативной трактовке природы света .
Эта усовершенствованная модель интерферометра Майкельсона — Морли была
изготовлена в 1930 году. С его помощью,
как и раньше, удалось показать, что скорость света никак не связана с относительным движением Земли. Однако с помощью вновь полученных данных Альберт
Эйнштейн смог объяснить почему.

114

Волны
беЗ Среды
Уже приближаясь к закату своей жизни, Джеймс Клерк Максвелл выдвинул предположение о том, что свет — это не единственный тип волн, связанный с электромагнетизмом . Вскоре
после Максвелла, в 1887 году, блестящий немецкий физик Генрих Герц сумел экспериментально доказать существование
электромагнитных волн .
Майкл Фарадей обнаружил, что электрическое поле и связанное с ним магнитное поле всегда находятся под прямым
углом друг к другу . Это означает, что световые электромагнитные волны, как описывают уравнения Максвелла, не расходятся вокруг, как волна на воде или звук, а колеблются вверхвниз и из стороны в сторону одновременно . Такие волны не
требуют эфира для распространения, поскольку сформированы постоянными осцилляциями силовых полей, которые
и переносят энергию .
Сегодня понятие «герц» используется как единица измерения частоты (Гц), т. е. количества циклов в секунду. На диаграмме сверху вниз
показаны волны с нарастающей частотой.

1 секунда / 20 циклов
20 Гц
(20 циклов
в секунду)

1 секунда / 40 циклов
40 Гц
(20 циклов
в секунду)

1 секунда / 80 циклов

80 Гц
(20 циклов
в секунду)

115

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ
Как и во всех хороших теориях, в этой есть место верным научным предположениям . Максвелл предполагал существование волн, которые невидимы человеческому глазу и распространяются со скоростью света . Он считал, что их можно
генерировать с помощью электричества и однажды будут обнаружены такие волны, которые переносят меньшую энергию, чем та, которую переносит свет . Спустя десять лет после смерти Максвелла немецкий физик Генрих Герц (протеже
Германа Гельмгольца) сумел построить генератор и приемник
для этих невидимых волн .
Вибратор Герца с искровым промежутком дал первое свидетельство существования электромагнитных волн, которые мы не можем
видеть. Впоследствии они получили название «радиоволны» —
от английского слова «radiation» (излучение).

116

ПОСЫЛАТь И ПРИНИМАТь
Аппарат Герца был разработан так, чтобы в искровом промежутке — разрыве между двумя латунными шариками — возникал пробой и проскакивали искры .
Но самое главное, что в момент пробоя в вибраторе возникали электромагнитные колебания . Чтобы зарегистрировать это невидимое электромагнитное излучение, Герц сделал очень простой приемник — вибратор с малым пробивным
промежутком, который находился в нескольких метрах от
искрового промежутка излучателя .
На таком расстоянии электрическая искра от излучателя
не может достичь приемника . Однако Герц все-таки увидел,
что в разрыве приемного вибратора проскочила небольшая искра . Это означало, что от излучаемой электромагнитной волны в приемном контуре возбуждался слабый ток .
Такое явление сейчас называется радиоволнами, и эти радиоволны переносят меньшую энергию, чем свет . Итак, еще
одним достижением Герца было то, что он послал первый
в истории радиосигнал . Следующий вопрос в том, сколько
еще других форм электромагнитного излучения нам предстоит открыть .

117

неиЗВеСтные
Х-лУЧи
Открытие еще одного диапазона электромагнитного спектра было в гораздо большей мере случайным, чем целенаправленные поиски Герца . Ряд исследователей
высказывали предположение о том, что невидимые лучи исходят от катодной трубки .
Катодная трубка производит слабое, немного жутковатое свечение . Свет проходит через стекло, а невидимый катодный луч остается внутри . В конце 1880-х годов Филипп
Ленард немного изменил модель катодной
трубки Уильяма Крукса, добавив к стеклу
Всего через год после оталюминиевое «окошко» . Металлическая плакрытия Х-лучей они уже ис- стинка была достаточно прочной, чтобы выпользовались в медицине.
держивать давление воздуха снаружи, но
На снимке катодная трубтакже достаточно тонкой, чтобы позволить
ка испускает лучи на грудь
пациента, формируя изоб- катодным лучам выходить из трубки .
Немецкий физик Вильгельм Рёнтген ображение на фотопластине
думывал использование предложенного
позади бедняги.
Ленардом окошка, когда обнаружил загадочные лучи . Он в шутку назвал их Х-лучами . Алюминиевое окошко было довольно уязвимо, поэтому когда трубка не использовалась, она закрывалась со всех сторон толстым черным картоном .
Ноябрьским вечером 1895 года Рёнтген засиделся в лаборатории .
Уже совсем стемнело, и, снова включив ток в катодной трубке (все
еще закрытой картоном), Рёнтген заметил свечение на лежавшем
неподалеку светочувствительном экране . Когда ток был выключен,
свечение пропало . Ученый пришел к выводу, что причиной является новый вид электромагнитных волн . В дальнейших экспериментах Рёнтген обнаружил, что Х-лучи могут проникать через различные непрозрачные материалы . С помощью этого неизвестного
излучения он сфотографировал кости руки своей жены . Та вовсе не
пришла в восторг от результата, а сказала: «Я видела свою смерть» .

Раздел 4

СУбатомная
эра

радиоаКтиВноСть
Надо заметить, что катодно-лучевые трубки — это не единственное, что светится
в темноте . Это свойственно и некоторым минералам . Иногда довольно тусклые кристаллы начинают неистово сиять, когда исчезает
свет . Один французский физик, профессор
Анри Беккерель, задался вопросом, не испускают ли эти сияющие диковины невидимые
лучи, подобные тем, что совсем недавно открыл Рёнтген . Но то, что он обнаружил, оказалось излучением совсем иного рода .
К моменту этого открытия Анри Беккерель
уже был ведущей фигурой во Французской
Анри Беккерель в своей
лаборатории. Колоризи- академии наук . Он воспроизвел условия слурованная фотография.
чайного открытия Рёнтгена, только вместо катодно-лучевой трубки был образец сульфата
уранила-калия, отличающегося своей фосфоресценцией1 . В ходе
опыта Беккерель надеялся показать, что этот фосфоресцирующий
минерал также является источником Х-лучей либо электромагнитного излучения другого вида . Хотя эксперимент был тщательно продуман и спланирован, этим открытием Беккерель, как
и Рёнтген, в какой-то мере был обязан счастливой случайности .

О ПОЛьЗЕ ЗАБЫВЧИВОСТИ
Однажды Рёнтген, работая поздно вечером, включил катодную
трубку, не сняв с нее колпак, и в темноте увидел загадочное свечение на лежавшем неподалеку бумажном экране, покрытом
слоем кристаллов платиноцианистого бария2 . (Обычный свет
Особый вид фотолюминесценции . В отличие от флуоресцентного,
фосфоресцентное вещество излучает поглощенную энергию не сразу .
2
Этот кристаллогидрат под действием ультрафиолета и ионизирующего излучения светится желто-зеленым светом .
1

120

катодно-лучевой трубки был надежно прикрыт черным картоном .) С Беккерелем получилось почти то же, только он на завернутую в двойной картон фотопластинку
положил образцы фосфоресцирующего
минерала, который какое-то время после
пребывания на солнце светился в темноте .
(На сей раз это были кристаллы и порошки
сульфата уранила-калия .) Сейчас мы понимаем природу фосфоресценции . Кристалл
поглощает определенные длины волн, а затем в течение длительного времени переизлучает полученную энергию на другой
Статья Беккереля по
длине волны . Именно поэтому исследоваисследованию радиоактель имел возможность наблюдать в темно- тивности Recherches sur
те свечение .
une propriete nouvelle de
Беккерель ожидал, что если светящи- la matiere («Исследования
еся кристаллы действительно испускают новых свойств матерентгеновские лучи, то те пройдут через рии») была опубликована
двойной картон, в котором лежит фото- в 1903 году.
пластинка, и оставят на ней следы засветки . Беккерель пробовал выставлять на солнечный свет разные
минералы вместе с запечатанной фотопластинкой, но засветки не было .
Беккерель так и не получил ожидаемых результатов, пока
не начал экспериментировать с сульфатом уранила-калия,
ураносодержащего1 рассыпчатого природного минерала .
Этот минерал сегодня известен как желтый кек2, и из него получают металлический уран, из которого уже делают ядерное
топливо . Но в те времена уран считался вполне безобидным
тяжелым металлом и использовался в основном для того, чтобы придавать стеклянным и гончарным изделиям отчетливую
желто-зеленую окраску . Остается лишь удивляться, насколько
изменилась роль урана сейчас .
Такие вещества были в лаборатории Беккереля, поскольку с препаратами урана работал еще его отец Александр Беккерель .
2
Желтым кеком называют урановый концентрат в виде оксидов (U3O8),
а соли уранила получаются при его обработке кислотами .
1

121

Таков сатирикооптимистический
взгляд на будущий
2000 год из далекого
1900-го. Обратите
внимание, что в камине нет горящих
углей, однако он нагрет и немного освещен теплом радиоактивности.

ЛУЧИ БЕККЕРЕЛЯ
Соли урана действительно оставляли расплывчатые пятна засветки на фотопластине, и стало очевидно, что причиной тому
является не фосфоресценция сульфата уранила-калия, так что
новое явление получило название «лучи Беккереля» . В то время
Беккерель параллельно изучал и другие природные минералы,
богатые ураном, такие как уранинит, или урановая смолка, — наиболее распространенный минерал урана . Все они засвечивали
фотопластинки, и ученый пришел к выводу, что источником этих
лучей является уран . Несколькими годами позже Мария Кюри,
обучавшаяся в Сорбонне у Беккереля, дала этому явлению название «радиоактивность» . Не все элементы дают радиоактивное излучение, а только нестабильные, т . е . радиоактивные .

ТРИ ВИДА РАДИОАКТИВНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Вопрос состоял в том, являются ли лучи Беккереля излучением
в том же смысле, что и радиоволны, свет, тепло или рентгеновское излучение . В 1898 году в Кембриджский университет, Англия, пришел выходец из Новой Зеландии Эрнст Резерфорд . Это
поистине титаническая фигура в ядерной физике, поскольку
именно он открыл внутреннюю структуру атома . Конечно, тогда он не знал этого, но его работа с ураном в Кембридже стала

122

АЛьФА
РАДИОАКТИВНОСТЬ
Явление выброса высокоэнер- БЕТА
гетических частиц из нестабильных (т . е . радиоактивных) атомов
получило название «радиоак- ГАММА
тивность» и распадается на три
отдельных процесса . Альфаи бета-лучи оказались вовсе не излучением, а потоком частиц . Альфа-частицы являются положительно заряженными ядрами гелия-4
и имеют очень низкую проникающую способность . Их останавливают
практически все твердые вещества . Бета-частицы — это электроны .
Они несут отрицательный заряд и останавливаются тонкой металлической фольгой . Первые же опыты с фольгой показали, что они намного меньше альфа-частиц . И только гамма-лучи оказались электромагнитным излучением . Оно переносит большую энергию, и защитой
от него может стать только толстый слой свинца .

началом этого пути в глубины атома . Резерфорд установил, что
этот тяжелый металл дает два вида излучения, которые он назвал
«альфа» и «бета» . Альфа-излучение блокируется даже тонкой золотой фольгой, тогда как бета-излучение проходит без ослабления . В 1900 году француз Поль Виллар обнаружил третий вид
радиоактивного излучения, исходящий, правда, от другого радиоактивного металла — недавно открытого радия . Оказалось,
что оно обладает еще большей проникающей способностью, чем
те, которые обнаружил Резерфорд . Чтобы продолжить ряд, новому излучению дали название «гамма-лучи» (его дал тот же Резерфорд в 1903 году) . Потребовались годы, чтобы понять, что эти
виды радиоизлучения будут в центре всех исследований структуры атома . А тогда, на заре атомной эры, Беккерель сделал еще
одно важное открытие относительно его лучей — они обожгли
его кожу . Позже выяснилось, что обжигают кожу все виды радиоактивного излучения1 . В 1901 году он сделал соответствующий
доклад, положив начало радиомедицине — совокупности терапевтических методов на основе радиоизлучения .
Альфа-излучение практически безвредно при внешнем облучении
и опасно лишь при попадании внутрь .
1

123

ПерВая СУбатомная
ЧаСтица
Физики все еще пребывали в неведении относительно природы катодных лучей . В вакууме они вели себя как электромагнитные волны, однако было в их свойствах общее
с металлами и газами . В те годы даже появилось название
«радиоактивное вещество»1 . И в 1899 году английский ученый Джозеф Джон Томсон сумел доказать, что эти лучи — частицы . Только очень маленькие — намного меньше атома!
Эти загадочные частицы открыл Дж . Дж . Томсон, повторяя эксперимент Генриха Герца . Как в свое время Герц,
Томсон хотел проверить, будут ли катодные лучи отклоняться в электрическом поле . Эксперименты Герца показывали, что его волны не отклонялись, но у Томсона эксперимент дал противоположный результат . В трубке Томсона
разрежение было ниже, и немного газа, специально оставленного Герцем в трубке, позволяло утверждать, что атомы
получают заряд в электрическом поле . Таким образом, любое влияние на лучи получало множество возможных объяснений .
Результаты опыта Томсона показали, что лучи отклоняются к положительно заряженной пластине электрода . По законам электромагнетизма, противоположное притягивается,
так что катодные лучи несут отрицательный заряд . Электромагнитное излучение не несет электрического заряда, так
что получалось, что неизвестные лучи — это поток невидимых частиц . Затем Томсон сравнил действие магнитного поля
в паре с электрическим и рассчитал скорость и заряд частиц
в потоке . Результат всех удивил: отношение заряда к массе
для катодных лучей не зависит от материала источника . НеСейчас этот термин имеет совсем другое значение, а во времена Уильяма Крукса так называли четвертое состояние вещества, летучее и подвижное в противоположность атомам, которые представлялись маленькими, твердыми и почти неподвижными шариками .
1

124

В установке Томсона катодные лучи пропускались между двумя заряженными пластинами, создававшими электрическое поле.
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНОВ

–
+

Катодные
лучи

Электрическое
поле

Лучи
отклоняются

известная частица оказалась в 1800 раз легче атома водорода — легчайшего из всех атомов! Интересно, что термин
«электрон» появился за несколько лет до его открытия, когда выбирали название для фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии1 . Томсон не стал менять это название и высказал предположение, что электрическое поле
трубки Крукса просто сдирает электроны с атомов . Получалось, что атомы имеют внутреннюю структуру, а Томсон открыл первую субатомную частицу . Но есть ли другие?

Дж. Дж. Томсон в окружении своего самого современного
на начало XX века
оборудования.

Название «электрон» было предложено в 1894 году, а открытие электрона в катодных лучах состоялось в 1897 году .
1

125

ПоСтоянная
ПланКа
Со времен Древней Греции было известно,
что горячие камни светятся и цвет этого свечения показывает, насколько нагрет камень .
Желание понять, что за невидимые тепловые
лучи вместе с тем испускают нагретые тела,
стало для физиков новым вызовом .
Было известно, что светящиеся белым
горячие металлы имеют температуру
выше, чем те, которые светятся красным .
Макс Планк стал отцомНо самые горячие — это те, которые свеоснователем квантовой
тятся голубоватым светом . Просматрифизики, хотя все его заслуги валась четкая связь между частотой изв том, что он удачно ввел
лучения (или длиной волны), которую
концепцию кванта, чтобы
мы воспринимаем как цвет, и энергией
справиться с математическими трудностями при опи- волны . Однако никто не знал, стоит ли
в этом ряду тепловое излучение — то тесании физического явления.
пло, которое мы чувствуем кожей .
В 1859 году Густав Кирхгоф в своем труде по спектроскопии
поставил вопрос немного иначе . А именно, как будет излучать
энергию абсолютно черное тело . (Черным его назвали потому,
что оно поглощает все падающее на него излучение .)
В 1890-е годы Макс Планк взялся за этот вопрос и разработал
математическую модель того, как тело принимает и отдает излучение . Ученый использовал для этого уравнение теплового равновесия черного тела, когда это тело излучает столько же энергии,
сколько поглощает . Планк хотел найти соответствие температуры
и энергии, переносимой волнами теплового излучения .
Вначале математический подход Планка привел его к ультрафиолетовой катастрофе1 . В 1900 году Планк применил меУльтрафиолетовая катастрофа — физический термин, описывающий
парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность
теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной .
1

126

Величина
Длина (L)
Масса (M)
Время (T)
Температура (Θ)

Выражение

√ hGc
m = √ hc
G
t = √ hG
c
T = √ hc
Gk
lp =

Название

1.616 x 10-35 м

Планковская
длина

2.176 x 10-8 кг

Планковская
масса

3.3912 x 10-44 с

Планковская
время

1.417 x 1032 K

Планковская
температура

5.291 x 10-18 Кл
1.876 x 10-18 Кл

Планковская
заряд

Электрический
заряд (Q)

Метрическое
значение

q p = e / √4pa
q p = e / √a

Еще одним вкладом Макса Планка в квантовую физику являются так называемые планковские единицы. Это естественная система единиц измерения, построенная на скорости света, гравитационной постоянной
G и некоторых других. Все универсальные физические константы, выраженные в этой системе единиц, равны 1. Как показано в таблице ниже,
планковские единицы больше подходят для микромира. Фактически это
наименьшие возможные значения физических величин во Вселенной.

тоды статистической механики Больцмана и добился большего
успеха . В своей квантовой теории излучения Планк представил
энергию в виде квантов, крошечных неделимых порций излучения . Формула Планка для энергии кванта излучения E=hv . То
есть энергия (E) излучения пропорциональна его частоте (v) .
Постоянная пропорциональности (h) впоследствии1 получила
название постоянной Планка . Малое значение величины кванта действия2, как иногда называют постоянную Планка, указывает на то, что частицы могут иметь самую разную энергию,
но далеко не любую . Она должна быть кратна энергии кванта .
С этого момента начинается история квантовой физики .
Сам Планк считал свою находку лишь удачным математическим трюком,
за которым не стоит никакой новой физики с малыми порциями излучения .
2 h = 6,626 × 10–34 Дж·с, а для упрощения расчетов введена постоянная
Дирака ћ = h/2π = 1,055 × 10–34 Дж·с .
1

127

дальняя
радиоСВяЗь
Гульельмо Маркони почитают как человека, который приручил энергию радиоволн . Именно с него берут свое начало все
беспроводные технологии . Прекрасный бизнесмен и инженер,
Маркони внес свой вклад и в науку, революционизировав сферу телекоммуникации .
Первое радиосообщение через Атлантический океан было
принято в промозглой хижине на побережье канадского острова Ньюфаундленд у северо-восточных берегов Северной Америки 12 декабря 1901 года . Три точки — три коротких гудка,
обозначающих английскую букву «s» в азбуке Морзе, — отстучали на юго-западе Англии в местечке Полду графства Корнуолл в 3500 километров (2200 миль) от канадского острова, места
приема .
Итальянский физик и инженер Гульельмо Маркони сумел
доказать неправоту своих оппонентов . Он показал всему миру,
1896 год. Юный Гульельмо Маркони позирует на фоне радиоприемника, который он собрал на чердаке своего фамильного дома.

128

СПАСЕНИЕ «ТИТАНИКА»
Все преимущество радио Маркони в полной мере проявило себя
во время трагедии «Титаника» в 1912 году . На борту этого корабля были два радиста и мощная радиоустановка Маркони, и они
передавали сигнал бедствия . Хотя эти сигналы были приняты,
помощь пришла с большим опозданием и многих пассажиров
спасти не удалось . (Так получилось, что радио на ближайшем
к ним корабле было выключено .) Без радиоустановки Маркони
на борту число погибших было бы еще
выше . Со времен этой
трагедии были сделаны выводы, и теперь
в радиорубках кораблей установлено
круглосуточное дежурство .

что расстояние не помеха радиоволнам . До этого предполагалось, что радиоволны распространяются строго по прямой,
как свет, и потому не могут осуществлять загоризонтную связь
(сейчас она называется тропосферной) . Горизонт по своему
определению является границей для света — ведь луч света
оттуда никак не может попасть к нам . Но как же у Маркони получилось провести сеанс столь дальней связи?

ГЕРЦЕВСКИЕ ВОЛНЫ
В школе Маркони считался вундеркиндом (в 13 лет поступил
в технический институт в Ливорно) и в 1894 году под влиянием посмертно изданных трудов Генриха Герца и Николы Тесла на деньги семьи поступил в личное обучение к профессору физики Болонского университета Аугусто Риги, который
тоже занимался «герцевскими волнами» . Сейчас мы знаем это
явление как радиоволны, но тогда они носили имя открывшего их и недавно скончавшегося Герца . Маркони сосредоточил
свои усилия на увеличении мощности и диапазона передат-

129

чика Герца с искровым промежутком . Также он ввел в схему
приемника индуктор колебаний (когерер) — вакуумную трубку с металлическими опилками, сопротивление которой резко
снижалось, если вблизи контура производился электрический
разряд . Снижение электросопротивления резко увеличивало
ток в контуре, и в динамике слышался щелчок . Это сделало возможным посылку сообщений при помощи точек и тире азбуки
Морзе, разработанной для телеграфа . Только в оборудовании
Маркони для передачи сообщений не требовались провода!
К 1895 году Маркони научился посылать сигнал уже на несколько миль (ок . 3 километров) и тогда же попытался получить финансирование от итальянского правительства, однако это не вызвало
интереса . (Он предложил использование беспроводной связи министерству почты и телеграфа .) В конце концов исследования Маркони согласились спонсировать в Британии, и он продолжил свою
работу по дальнейшему увеличению дальности действия своего
оборудования . В 1899 году он установил радиосвязь между Англией и Францией через Ла-Манш (тогда ему было всего 24 года) .

ЗАРЯЖЕННАЯ АТМОСФЕРА
Чтобы увеличить дальность радиосвязи,
Маркони начал передачи между кораблями в Атлантическом океане и тогда обнаружил, что может посылать сигнал за горизонт . В процессе исследований он
обнаружил, что в ночное время
Сочетая последние беспроводные технологии с современными транспортными средствами, Маркони поставил
радиоприемник даже на
паровую телегу. В конце
1890-х годов он много путешествовал по Англии
и Уэльсу, проверяя, насколько далеко он может
послать радиосигнал.

130

ПРОВОДНОЕ НАСЛЕДИЕ
Голосовую передачу по радио
Маркони назвал беспроводным
телефоном . Однако уже тогда
родился термин «широковещательная звуковая трансляция» .
В 1915 году Маркони разработал
технологию передачи звуковых
сигналов по радио с использованием вакуумных трубок, а потом
и ламп . В июне 1920 года эти технологии были использованы для
трансляции выступления знаменитой оперной певицы Нелли Мельба (австралийское сопрано, на фото справа) по всей
территории Европы . Трансляция велась из британской штабквартиры Маркони в Эссексе . Впоследствии из широковещательных трансляций Маркони выросла служба BBC — British
Broadcasting Corporation, самая крупная служба радиовещания
в мире .

сигнал распространяется дальше1 . Теперь мы знаем, что радиосигнал отражается от ионосферы, заряженного слоя воздуха
в верхних слоях атмосферы, а ночью этот слой поднимается
выше, чем днем . Соответственно, отраженный от него сигнал
идет на большее расстояние .
После трансатлантической передачи в 1901 году успехи
Маркони заметно поблекли, и он занялся разработкой корабельной радиоустановки . Средства на столь масштабные разработки давало созданное им сразу после получения патента
в 1897 году крупное акционерное общество («Маркони К°») .
Сам Маркони полагал, что электромагнитные волны могут без больших потерь проходить через грунт и воду, и эта ошибочная точка зрения
заставила его попробовать передачу радиоволн на огромные расстояния .
В те годы бытовало убеждение, что радиопередача на далекие расстояния
будет невозможной ввиду кривизны Земли, и пробовали передачу радиоволн только в условиях прямой видимости .
1

131

СУПрУги Кюри
Самая знаменитая семейная пара в науке — Мария и Пьер
Кюри — запомнилась главным образом своей самоотверженной работой в области радиоактивности . Однако имя Кюри
связано также и с другими областями физики .
Мария Кюри занимает особое место в истории науки как
первая (из очень немногих) женщина, получившая Нобелевскую премию, и единственная, удостоенная Нобелевской премии дважды . Но и ее муж Пьер тоже не отставал . К 1894 году,
когда ему суждено было встретить в Париже польскую эмигрантку, выпускницу Сорбонны Марию Склодовскую, он уже
получил заслуженное признание среди физиков . За десять лет

Супруги Кюри
могли позволить себе только продуваемую
насквозь постройку в качестве лаборатории.
У Пьера болела
спина, и Мария
выполняла много
тяжелой работы. Температура едва поднималась выше нуля,
но Мария использовала это в изучении влияния
холода на радиоактивное излучение и выяснила,
что оно не зависит от температуры.

132

до этого он с братом Жаком открыл пьезоэлектричество —
явление возникновения электрических зарядов при деформации кристалла . Однако наибольшее признание ему принесла
точка Кюри, открытая им критическая температура, выше которой магниты теряют свою намагниченность .

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
В 1903 году Мария и Пьер (вместе с Антуаном Анри Беккерелем) были удостоены Нобелевской премии по физике за открытия в области радиоактивности . Они обнаружили, что торий тоже радиоактивен и что уранинит — минерал с большим
содержанием урана и тория — испускает больше излучения,
чем можно было бы ожидать . Было вполне очевидно, что причина такого явления заключается в наличии в уранините еще
какого-то элемента . На то, чтобы решить эту задачу, им потребовалось четыре года напряженного труда и полтонны уранинита . В результате они открыли даже не один, а два новых радиоактивных элемента — полоний (названный в честь родины
Марии, Польши) и радий . Пьер трагически погиб в 1906 году,
а Мария в 1911 году получила Нобелевскую премию по химии
за эти открытия .
В экспериментальном аппарате супругов Кюри используется
электромагнитное поле для отклонения потоков альфа- и бета-частиц от радиоактивного
образца . Гамма-лучи не отклоняются . Альфа-излучение положительно заряжено и поэтому отклоняется в направлении,
противоположном движению
бета-частиц . В 1900 году Анри
Беккерель показал, что бета-излучение — это, по сути, поток
электронов .

133

«год ЧУдеС»
эйнштейна
В научных кругах 1905 год известен как annus mirabilis, или
«год чудес» . Человек, который творил чудеса — а их было всего четыре, — это не кто иной, как Альберт Эйнштейн . юный
немецкий гений сумел в корне изменить наши представления
о материи, энергии, пространстве и даже времени .
Первым чудом Эйнштейна было объяснение фото-электрического эффекта, или просто фотоэффекта . Облучение электродов светом
в электронной лампе увеличивает силу электрического тока, текущего через нее . Эйнштейн объяснил это тем, что свет представляет собой поток частиц, хотя и ведет себя как волна . Каждая гипотетическая
частица (фотон) переносит порцию (квант) энергии . Когда фотоны
попадают в проводник, они передают ему энергию и, облегчая электронам выход, усиливают электрический ток . Было установлено, что
тела испускают энергию в виде фотонов — квантов излучения . Еще
Эйнштейн сумел объяснить броуновское движение, применив для
этого кинетическую теорию, и это стало его вторым чудом . Третьим
и последним чудом Эйнштейна стал вывод
соотношения между энергией (E) и масАльберт Эйнштейн вошел
сой (m) — то самое легендарное уравнев историю как один из сание E=mc2 . Константа c — это скорость
мых влиятельных физисвета в вакууме, очень большая величиков современного мира .
на . Получалось, что энергия эквиваленОднако теория, опубликотна массе, помноженной на квадрат очень
ванная в 1905 году никому
большой величины, а это значит, что даже
не известным клерком памаленькая масса заключает в себе огромтентного бюро, казалась
ную энергию . Постоянство скорости света
слишком странной . Было бы слишком,
также стало важным участником четвертоесли бы фиго прорыва Эйнштейна за тот год — то, что
зики привпоследствии прославило Эйнштейна на
знали ее
весь мир . А именно специальная теория
«с порога» .
относительности (СТО), которая не сразу
была принята и потому не вошла в список
достижений Эйнштейна за тот «год чудес» .

134

Сто СюрПриЗоВ
эйнштейна
Специальная теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна пошла против всякой логики и многим показалась полной бессмыслицей . Это физика на большой скорости — самой
большой . Как же выглядит Вселенная, если наблюдатель летит
со скоростью света?
Несмотря на недавнее разоблачение тайны аномального
смещения перигелия Меркурия в 1905 году, Альберту Эйнштейну потребовались годы на доработку его самой известной теории — теории относительности . В полном виде общая теория
относительности была опубликована в 1916 году, тогда как в статье 1905 года описывались лишь эффекты, которые имели бы место при движении с высокой скоростью, близкой к скорости света (эта статья дала начало специальной теории относительности,
или СТО) . Легенда гласит, что СТО родилась на десятилетие раньше, когда юноша стал задаваться вопросом: «Что я увижу, если
оседлаю луч света?» Это и привело к новому, показавшемуся тогда очень странным пониманию того, как работает Вселенная .

ЧАСТИЦА ИЛИ ВОЛНА?
К тому времени уже сложилось четкое представление о свете как о волне, а уравнения Максвелла для электромагнитного поля описали механизм распространения этих волн, который
не требовал никакой среды . Но обычная ли это волна и можно
ли преодолеть световой барьер, как Мах сделал это со звуком?
юношеские мысленные эксперименты Эйнштейна оказались неплохой платформой для старта . Уже было известно,
что свет имеет конечную и, что более важно, постоянную скорость . Если вы выберете конкретный фотон и будете лететь
с ним рядом, вам может показаться, что все остальные фотоны, вылетающие из источника у вас за плечами, вы зафиксировать не сможете . А если вы обернетесь, то Вселенная покажет-

135

ЛУННЫЕ ФОНТАНЫ
В 1950-е годы астрономы
предсказали необычное проявление фотоэффекта в лунной пыли . Крошечные крупинки должны заряжаться под
солнечным светом и отталкиваться друг от друга, как бы
паря над поверхностью Луны .
Пробы грунта, полученные по
программе Surveyor (см . ниже),
подтвердили существование
«лунных фонтанов» .

ся вам непроницаемо черной . Ведь никакой свет не сможет
достичь ваших глаз . Но как быть со встречным светом? Летящие навстречу фотоны в таком случае будут пролетать мимо
вас с удвоенной скоростью света .
В нашем мире такие рассуждения могли выглядеть вполне
логично . Но как быть с тем, что ни в одном эксперименте не
удалось зафиксировать скорость света, отличную от известной
константы? Специальная теория относительности Эйнштейна
1905 года показала, что описанное выше просто невозможно,
а также то, что скорость света действительно всегда постоянна . Оказалось, что скорость источника света и наблюдателя не
оказывает на скорость испускаемых или принимаемых фотонов никакого влияния, так что с точки зрения человека, несущегося с околосветовой скоростью, мир будет таким же, как
и на взгляд человека, находящегося в покое .

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
Как же получается так, что собственное движение источника
не влияет на скорость испускаемых квантов? Чтобы объяснить
это, немецкий математик Герман Минковский несколько обновил наши представления о пространстве и времени, объединив их в единое пространство-время .

136

Когда объект пролетает мимо наблюдателя, пространствовремя с точки зрения наблюдателя сокращается, вызывая также
сокращение размеров объекта в плоскости его движения . Также
будет расти масса объекта, и, как результат, потребуется больше
энергии, чтобы дальше разгонять его . Если объект приблизится
к скорости света достаточно близко, масса объекта начнет уходить в бесконечность и потребуется бесконечная энергия, чтобы
сделать последний шаг и достичь скорости света . Очевидно, что
это невозможно . Однако СТО допускает, что объект без массы
может двигаться со скоростью света, и это доказывает сам квант
света — фотон, который не имеет массы покоя . Полет со скоростью, равномерно приближающейся к скорости света (с точки зрения капитана корабля), будет восприниматься замедляющимся с точки зрения стационарного наблюдателя .
Но эти изменения массы, пространства и времени останутся принципиально невоспринимаемыми для нас, что является
следствием лишь одного простого постулата — постоянства
скорости света относительно наблюдателя, с какой бы скоростью он ни двигался .
Оказавшись в пробке, подумайте о свете, отраженном от других автомобилей. Ведь и им приходится подчиняться единому с вами скоростному режиму, совсем как фотонам.

137

таКое ПоЗитиВное
ядро
ПУДИНГОВАЯ МОДЕЛЬ
АТОМА
Дж . Томсон предположил, что электроны рассеяны в атоме, как изюм
в пудинге . Они составляют лишь малую долю массы атома, а вся остальная
должна приходиться на
«пудинговую» его часть .
При этом заряд ее должен
быть равным по величине и противоположным
по знаку суммарному заряду электронов . Модель
атома Томсона (ее называют «модель сливового
пудинга») была, по сути,
первой догадкой о внутренней структуре атома .
Впрочем, вскоре ее сменила другая теория .

138

По химии за 1908 год .

Известно, что атомы в целом электрически нейтральны и, если вырвать
из них электроны, оставшаяся часть
должна быть положительно заряженной . В 1909 году Эрнест Резерфорд собрал команду, чтобы обнаружить этот
положительный компонент атома,
и дал миру то, что и сегодня все еще
возбуждает пытливые умы ученых, —
ядерную физику .
К тому времени Эрнест Резерфорд
уже был лауреатом Нобелевской премии1 . Столь высокой чести он удостоился за свои работы в канадском
университете Макгилла в Монреале .
В 1901 году вместе со своим ассистентом Фредериком Содди он заметил,
что торий при радиоактивном распаде дает газообразный продукт, который также обладает свойством радиоактивности, а химический анализ
показал, что в тории накапливается
радий . Эти ученые смогли понять механизм радиоактивного распада —
атомы некоторых элементов являются
нестабильными и постепенно превращаются в атомы других элементов, испуская в процессе распада электрически заряженные частицы .
Предложенная Томсоном модель
атома «пудинг с изюмом» позволяла

Ханс Гейгер и Эрнест Резерфорд (справа) позируют на фоне полупрозрачного люминесцентного экрана, который дал возможность
увидеть отскок альфа-частиц под большими углами — первое свидетельство существования атомных ядер.

объяснить тот факт, что отрицательно заряженные электроны
покидают атом (бета-излучение), однако она не могла объяснить альфа-излучение, когда атомы испускают положительно
заряженные альфа-частицы .

ОПРОВЕРЖЕНИЕ
ПУДИНГОВОЙ МОДЕЛИ
К 1909 году Резерфорд возвратился в Англию1 и обосновался в Манчестерском университете — там, где за век до
этого Джон Дальтон сделал первое обоснованное предпо1

В 1908 году он уезжал в швецию для получения Нобелевской премии .

139

ОТКРЫТИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Люминесцентный
экран

Золотая
фольга

Отраженная
частица
Источник
альфа-частиц
Установка, использованная в эксперименте Гейгера — Марсдена в 1909 году.

ложение о существовании атомов . Для проведения эксперимента Резерфорд привлек к работе двух исследователей — Ханса Гейгера, который к тому времени уже изобрел
свой счетчик радиоактивных излучений, и Эрнста Марсдена . Он планировал изучить структуру атома при помощи потока альфа-частиц, подозревая, что тот устроен сложнее,
чем предположил Томсон . Концепция «пудинга с изюмом»
требовала, чтобы отрицательные электроны были распределены по объему положительного «пудинга» абсолютно
равномерно, и Резерфорд решил проверить этот факт облучением золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами . Если атомы золота действительно напоминают регулярно расположенные островки пудинга, то частицы
должны пройти сквозь фольгу насквозь без каких-либо существенных отклонений .

140

НЕОБъЯСНИМЫЕ ОТСКОКИ
Хотя Резерфорд изначально не верил, что альфа-частицы
могут отскакивать от фольги, он распорядился поместить
полупрозрачный люминесцентный экран по кругу и отслеживать особенно внимательно, что ничего не отскакивает
обратно . Неожиданно эта новая установка показала, что малая доля альфа-частиц все же отскакивает от фольги почти в противоположном направлении . Как сообщают, Резерфорд от радости исполнил танец хака1, когда узнал эту
новость . Позже он писал так: «Представьте себе, что 15-дюймовый снаряд отскакивает от папиросной бумаги почти назад и поражает стрелка» .
Резерфорд интерпретировал результаты эксперимента
так . Альфа-частица отскакивает от положительно заряженной части атома, и произойти это может только в том случае, если положительно заряженный компонент сконцентрирован в компактной центральной части, то есть ядре . Тогда
электроны вращаются по своим орбитам, подобно планетам
(эта модель получила название планетарной), удерживаемые
электростатическим притяжением ядра . В таком случае атом
должен состоять практически из пустоты, и именно поэтому большая часть альфа-частиц пролетела сквозь золотую
фольгу, даже не отклонившись . Это планетарное представление об атоме господствует и по сей день, хотя квантовая
физика уже давно доказала, что атом устроен значительно
сложнее . (Квантово-механические представления появились
вскоре после опубликования планетарной модели атома Резерфорда .)

Ха к а — ритуальный танец новозеландских маори, во время которого исполнители топают ногами, бьют себя по бедрам и груди и выкрикивают аккомпанемент . Резерфорд был выходцем из Новой Зеландии .
1

141

единица Заряда
элеКтриЧеСтВа
Многие физики того времени не смогли признать, что свет
и электричество представляют собой поток частиц, — слишком уж сильны были аргументы сторонников волновых представлений . В 1909 году пара американских физиков взялась
экспериментально опровергнуть корпускулярные представления об электричестве, однако получила совершенно противоположный результат .
Роберт Милликен вместе с оригиналом своего аппарата спустя
20 лет после эксперимента. С 1921 по 1945 год профессор был ректором Калифорнийского технологического института — знаменитого «Калтеха», который часто называют университетом
Милликена.

142

Атаку на корпускулярные представления повел профессор
Роберт Милликен вместе со своим ассистентом Харви Флетчером . Исследователи искали способ измерить электрический заряд . Электромагнетизм рассматривался как явление
волновое, при котором напряженности электрического и магнитного полей колеблются между своими крайними значениями, так что Милликен и Флетчер надеялись подтвердить, что
электрический заряд может принимать любое из значений
между этими пределами .
Чтобы доказать это, они провели эксперимент с масляными
каплями . В сильном электрическом поле между двумя пластинами распрыскивались мельчайшие капли масла, за которыми
исследователи наблюдали через микроскоп . Каплям давали
под действием сил тяготения опуститься на нижнюю пластину,
а затем включали электричество . Поскольку некоторые капли
были предварительно заряжены электростатическим зарядом, полученным при трении в процессе распыления, электрическое поле поднимало их в воздух .
Исследователи рассчитали размер и вес одной капли, опираясь на скорость, с которой она опускалась под действием
силы тяжести . Потом подобрали напряженность электрического поля и, соответственно, подъемную силу, необходимую,
чтобы поднять каплю обратно . Они измерили значение электрического заряда и обнаружили, что все полученные результаты кратны одной величине: 1,5 × 10–19 кулона, что лишь на 1%
отличается от значения, принятого сегодня1 . Оказалось, что
электрический заряд не может принимать любое значение . По
сути, он представляет собой большое количество электронов,
и в эксперименте с масляными каплями измерялся заряд каждого из них . Так, не желая того, Милликен и Флетчер показали
существование субатомных частиц .

В повторном измерении в опыте 1911 года заряд электрона получился 1,5924 × 10–19 Кл, и именно это значение на 1% отличается от современного значения 1,602176487 × 10–19 Кл .
1

143

Камера ВильСона
Прогулка по туманным горам шотландии в 1911 году вдохновила ученого на создание прибора, способного отслеживать
движение крошечных частиц . Те закручивающиеся полоски,
которые увидел ученый в туманной камере, оказались следами гостей из субатомного мира .
В 1911 году английский физик Чарльз Вильсон взбирался
на Бен-Невис, самую высокую точку шотландии, и ему посчастливилось увидеть «брокенский призрак» — оптическое явление, когда тень наблюдателя превращается в огромную фигуру, окруженную радужным гало, на поверхности облаков или
тумана . Это зрелище навело Вильсона на мысль о том, что содержащийся в облаках водяной пар может конденсироваться
вокруг песчинок и других пылевых частиц .
«Брокенский призрак» — это оптическая иллюзия, когда наблюдатель видит собственную тень, которая ложится на невидимое облако перед ним. Обычно такие облака едва различимы, если только
не являются нижним краем плотной облачности, находящимся
в горах намного ниже наблюдателя. Тень человека падает на облако
и смотрится на нем стоящей в отдалении огромной фигурой.

144

НАБЛюДЕНИЕ ИОНОВ
Возвратившись в лабораторию, Вильсон решил воспроизвести облако в экспериментальной установке и наполнил ее объем парами воды при контролируемой температуре и давлении .
Ученый подобрал параметры, при которых из капелек формировалась облачная среда — примерно как это происходит
в природе, и в ходе опытов обнаружил, что ионы (заряженные
атомы, потерявшие электроны или захватившие «лишние») являются неплохими центрами конденсации . Более того, когда
через перенасыщенный водяной пар пролетали субатомные
частицы — например, альфа-частицы, — они на своем пути выбивали электроны из атомов, оставляя ионный след . (Этот след
был виден по туману конденсации .) Таким образом, конденсационная камера Вильсона могла служить детектором частиц .
Разумеется, такая находка не осталась без усовершенствований, и вскоре другие физики стали добавлять свои идеи .
Так, пары воды заменяли парами спирта, эфира или диоксидом
углерода . Также в установку добавили магнитное поле, чтобы
отклонять заряженные частицы и рассчитывать их характеристики . Направление отклонения зависит от заряда частиц,
тогда как угол отклонения позволяет рассчитывать массу .
На протяжении четырех десятилетий конденсационная камера Вильсона (так ее
иногда называют) давала ученым возможность воочию
наблюдать субатомный
мир и находить в нем
все новые частицы .

Высокоскоростная
камера записывает в конденсационной камере Вильсона следы капелек,
которые выявляют
траектории альфачастиц.

145

СВерхПроВодимоСть
Когда уже было известно, что электросопротивление при снижении температуры тоже падает, исследователи не оставляли
поисков и достигали все более низких температур, а также невольно задавались вопросом, может ли электрическое сопротивление упасть до нуля .
Электрическое сопротивление характеризует способность
вещества пропускать электрический ток . При высоких температурах атомы вещества совершают быстрые колебания
и с большей вероятностью встают на пути электронов, так
что сопротивление материала выше . При снижении тепловой
энергии в проводнике его атомы колеблются медленнее, за
счет чего снижается и электросопротивление .
На рубеже XIX–XX веков ученые хорошо продвинулись
в получении низких температур, и метод, который сейчас широко используется, во многом схож с бытовыми технологиями получения холода . Исследователи используют эффект
Джоуля — Томсона, который проявляется в охлаждении при
очень быстром расширении жидкого хладагента с его переходом в газообразное состояние . Энергия, запасенная в холодильном агенте, расходуется на расширение в объеме камеры,
так что кинетическая энергия отдельных молекул и тепловая
энергия хладагента в целом снижаются . Тепло окружающей
среды поглощается холодным газом, делая все вокруг в объеме холодильника холоднее .

ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ И ТВЕРДАЯ РТУТь
В 1908 году голландский исследователь Хейке КамерлингОннес сумел получить жидкий гелий . Это, без сомнения, подвиг, поскольку температура его кипения 4,2 K (–268,95 °C,
или –452,11°F) . Далее ученый начал использовать жидкий гелий в качестве хладагента и научился охлаждать другие вещества до температуры чуть выше абсолютного нуля . (К тому
времени Вальтер Нернст уже открыл третье начало термоди-

146

намики, утверждавшее недостижимость абсолютного нуля .)
В 1911 году Оннес охладил ртуть до температуры 4,19 K, при
которой она представляет собой твердый металл, и обнаружил, что ее электрическое сопротивление неожиданно упало
до нуля . Такое состояние ртути исследователь назвал сверхпроводимостью, а сам образец — сверхпроводником . Электроны в нем способны перемещаться совсем без расхода
энергии . Сверхпроводимость является примером квантового
эффекта, наблюдаемого в макромасштабе, — ведь и на орбитах атомов электроны движутся абсолютно без сопротивления, не расходуя энергию .
С тех пор были разработаны сверхпроводники, способные работать при «высоких» температурах — около 130 K, хотя
и эта температура очень низкая (–143 °C, или –226 °F). Сверхпроводники выталкивают любые магнитные поля, что делает возможным эффект левитации. Это явление используется
в сверхскоростном поезде «маглев». «Маглев» (от англ. magnetic
levitation) — магнитная левитация. Этот поезд парит на магнитной подушке над монорельсом.

147

КоСмиЧеСКие лУЧи
Когда Чарльз Вильсон изучал ионизированные частицы в своей небольшой туманной камере, другой физик искал такие частицы в прямом смысле слова в тумане — в настоящих облаках . И лучи, которые он открыл, оказались космическими .
Самым простым детектором электрического заряда является электроскоп . Он представляет собой пару тончайших
листиков золотой фольги, которые раскрываются при появлении заряда, поскольку заряды одного знака отталкиваются . Но заряженный до своего предела электроскоп рано или
поздно начинает терять заряд по причине захвата электронов молекулами воздуха . Следовательно, воздух должен переносить на листочки фольги электрический заряд противоположного знака (этот заряд небольшой, и потому процесс
медленный) .
Причиной появления такого заряда предполагали действие высокоэнергетических частиц, источником которых обычно считались природные источники излучения, например
радиоактивные породы . Считалось, что их излучение и ионизирует входящие в состав воздуха газы . Но если это так, то
с ростом высоты естественная разрядка электроскопа должна
быть слабее, поскольку Земля, как источник ионизирующего
излучения, дальше .

ВВЕРХ И ВНИЗ
В 1910 году немецкий физик Теодор Вульф, известный своим
изобретением сверхчувствительного электроскопа, поместил один из своих приборов на вершину Эйфелевой башни,
а затем на крышу самого высокого здания в мире . Он обнаружил, что на высоте электрический заряд в воздухе выше,
чем внизу, что противоречило всем ожиданиям . В 1911 году
Виктор Гесс совершил ряд аэростатных исследований, с каждым разом увеличивая высоту . Перед полетом он зарядил до предела электроскоп Вульфа и контролировал про-

148

цесс по углу между листиками фольги . Когда электроскоп
терял заряд, его листочки переставали отталкиваться и почти касались друг друга . В итоге Гесс подтвердил наблюдение Вульфа . На высоте электроскоп действительно терял заряд быстрее . Соответственно, воздух на высоте оказывался
в большей степени ионизированным, чем у земли, и Гесс высказал предположение, что высокоэнергетические частицы
и ионизирующая радиация идут не с поверхности Земли,
а из космоса! Открытые Гессом лучи стали называть космическими, и впоследствии в этих лучах исследователи нашли
странные и экзотические субатомные частицы, среди которых было много «чужаков» в нашем мире .

Виктор Гесс
фотографируется со
своим аэростатом перед полетом
в 1911 году.
Тогда он достиг высоты
5300 метров
(17 388 футов) и возвратился
с открытием, которое
в 1936 году
принесло ему
Нобелевскую
премию.

149

КВантоВание
атома
В 1913 году — четыре года спустя после открытия того, что атом
состоит из ядра и окружающих его электронов, — двое молодых
ученых нашли новое понимание природы атома . Оба они исходили из своих представлений о том, как именно должен излучать
атом . Первому довелось стать известным физиком, а второй погиб на фронте в Первую мировую войну от ранения в голову .
Эти двое — датчанин Нильс Бор и англичанин Генри Мозли —
оставили свой след в науке, когда им не было еще и тридцати .
Оба начинали свой путь в науку в Манчестере у «отца ядерной
физики» Эрнеста Резерфорда . Поражало столь сильное различие научных представлений при общем наставнике .

АТОМНЫЙ НОМЕР
Мозли изучал рентгеновское излучение различных атомов (рентгеновская спектроскопия) и обнаружил, что атомы дают свои характерные длины волн рентгеновского излучения, как когда-то было
с видимым диапазоном спектра . Однако он также обнаружил, что
длина волны характеристического рентгеновского излучения была
пропорциональна заряду, который несло ядро атома . Тогда Мозли
Нильс Бор в своей копенгагенской лаборатории 10 лет
спустя после выполнения
своей ключевой работы
по созданию модели атома.
В 1997 году новый нестабильный радиоактивный химический элемент с атомным номером 107 получил
название «борий» в честь
Нильса Бора.

150

ФОРМЫ ОРбИТАЛЕЙ
Разработанная Бором модель атома
отбросила резерфордовские представления об орбитах электронов,
построенных по аналогии с Солнечной системой . Бор заменил орбиты орбиталями — энергетическими
уровнями, которые могут содержать
лишь определенное число электронов . Самый низкий энергетический
уровень соответствует сферической
орбитали и может нести только два
электрона . Более высокоэнергетические орбитали имеют форму гантели, бублика и принимают большее количество электронов .

присвоил элементам «атомный номер», начиная с водорода, получившего № 1, и далее в соответствии с зарядом ядра (этот заряд
он выявлял по рентгеновскому спектру) . Такая система позволяла отслеживать также и атомный вес (иногда говорят про атомную
массу) атомов каждого элемента, и оказалось, что по массам элементы можно было упорядочить в периодическую таблицу . Ядра
гелия имели электрический заряд 2, лития — 3 и так далее . Система
Мозли действительно оказалась самым удобным способом организовать периодическую таблицу элементов, поскольку изначально
она была упорядочена по атомному весу и химическим свойствам .
Однако оставалось загадкой, как одно ядро может нести больший
электрический заряд, а другое — меньший . Увы, Мозли не дожил
до ответа на этот вопрос — он был убит снайпером в 1915 году на
Галлипольском полуострове во время Первой мировой войны .

МОДЕЛь БОРА
Работы Мозли не входили в противоречие с моделью атома,
предложенной Эрнестом Резерфордом и подразумевавшей,
что электроны вращаются по орбите вокруг ядра и удерживаются силами электромагнитного притяжения . Суммарный за-

151

ряд электронов соответствует по величине заряду ядра, а по
знаку является противоположным . Нильса Бора интересовало
в первую очередь движение и положение электронов в атоме,
и в первом своем варианте модели атома он представлял электроны твердыми шариками, которые движутся вокруг ядра по
тем же законам, что и планеты вокруг Солнца .
Бор высказал предположение, что кинетическая энергия электрона пропорциональна частоте его обращения вокруг ядра,
т . е . тому, насколько быстро он вращается вокруг ядра . По мысли
Бора, в константу пропорциональности должна входить постоянная Планка, которая связывает энергию с частотой излучения .
Когда же Бор применил эту идею к объяснению эмиссионного
спектра — этого уникального для каждого элемента набора цветных полосок, — то оказалось, что его модель складывается лишь
в одном случае — если электроны могут занимать строго определенные позиции вокруг ядер, получившие название орбиталей .
А между орбиталями электрон просто не имеет права находиться .
Излучение определенных длин волн (или частот) говорит
о том, что атом не способен испустить любую произвольную
энергию . Когда электрон поднимается с низкой орбитали на
более высокую, он также может принять строго определенную
порцию энергии . (Т . е . возможность получить больше, а потом
сбросить излишек исключается .) Так что электрон действительно захватывает только характерные длины волн излучения, получая определенные порции (или кванты) энергии . Отсюда пошли термины «квантование атома», а скачки электронов между
орбиталями стали называться квантовыми . Эмиссионный спектр
является результатом противоположного процесса — скачков
электронов с верхних орбиталей на более низкие . При этом также излучаются строго определенные длины волн, или частоты .

В 1939 году в Норвегии Нильс
Бор построил первый ускоритель частиц в Европе, чтобы
бомбардировать атомы нейтронами.

152

ото: ПроСтранСтВо
и Время
К 1916 году Альберт Эйнштейн расширил
свою специальную теорию относительности (СТО) до общей (ОТО) . Это позволило
ему исправить ошибки механизмов классической физики при рассмотрении движения
очень больших объектов, таких как планеты
и звезды .
Законы движения и тяготения Ньютона
прекрасно работают, когда надо предсказать падение обломка скалы или полет ядра
к цели . Они могут даже помочь рассчитать,
как ракета полетит до Луны . Однако при по- «Гений — это 1% вдохнопытках рассчитывать движение огромных вения и 99% потения», —
объектов, таких как планеты, накапливались говорил Томас Эдисон.
необъяснимые ошибки . К 1916 году Аль- Меж тем Альберт Эйнштейн выглядит здесь
берт Эйнштейн развил свою общую теорию
довольно расслабленотносительности (ОТО), которая смогла по- ным. Чтобы довести
править эти ошибки . Теперь ньютоновская до совершенства общую
физика перестала быть точной моделью Все- теорию относительленной и осталась лишь практичным инстру- ности, ему потребоваментом с удобной формой записи для реше- лось 11 лет труда.
ния относительно простых задач (например,
полет до Луны) . Если вы хотите реально понять, что будет происходить, вам потребуется общая теория относительности .
Новая теория Эйнштейна еще больше расширила связь
между пространством, временем, массой и энергией по сравнению со специальной теорией относительности (СТО), сформулированной на 11 лет раньше . ОТО могла в полной мере показать природные явления во всех тонкостях, тогда как СТО
лишь предсказывала, что будет, если объект летит с околосветовой скоростью . Всегда считалось, что самый короткий маршрут между точками — это прямая . Но Эйнштейн показал, что
и прямая линия иногда может быть искривленной .

153

Причина этого искривления в том, что любая масса искажает пространство-время, а массивные объекты, такие как звезды, могут искажать довольно сильно . Если вы используете
мерную ленту (правда, очень длинную) для измерения расстояния между двумя точками вблизи звезды, эта лента при своей
изогнутости покажется вам прямой, поскольку само пространство-время будет искривлено вместе с вашей лентой . Если
же вы решите визуально поместить точки на одной линии, то
тоже ничего не заметите, потому что даже луч света между
точками будет идти по искривленной траектории .
Эйнштейн объяснил действие сил тяготения с точки зрения
искривления пространства-времени . Все массы слегка «проваливают» ткань пространства-времени, превращая ее в «гравитационные воронки», а самые тяжелые — в «гравитационные
колодцы», так что падающее на землю яблоко просто скатывается по краю огромной гравитационной воронки Земли вниз .
Земля скользит по краю такой воронки, создаваемой Солнцем,
которая еще глубже . Она не устремляется в роковое падение
вниз, а удерживается на крае за счет скорости, подобно шарику в безостановочной рулетке . Прошло немало лет, прежде
чем обе теории относительности были приняты в научном
сообществе, однако теоретическая мысль не остановилась,
и в наши дни есть группы физиков, которые занимаются трудной проблемой соединения ОТО с квантовой теорией .

Искривление пространства — это
не изобретение
научных фантастов. Любая масса
искривляет пространство-время.

154

отКрытие
Протона
Чрезвычайно важное открытие Генри Мозли указывало на то,
что и положительно заряженные атомные ядра состоят из частиц, несущих электрический заряд . В таком случае ядро водорода должно содержать одну такую частицу и т .д . Это стало
хорошей платформой для начала поисков положительно заряженных субатомных частиц .
В 1815 году Уильям Праут предположил, что все атомы состоят из атомов водорода, поскольку водород самый легкий
из элементов . Лишь в 1917 году ученые установили частичную
правоту Праута .
Если конкретно, то это сделал Эрнест Резерфорд, когда облучал альфа-частицами атомы азота (атомный номер 7) . Он
обнаружил в образце атомы кислорода (атомный номер 8),
еще образец испускал ядра водорода . Резерфорд уже знал,
что альфа-частицы представляют собой ядра гелия (атомный номер 2) . Получалось, что одна из этих единиц положительного заряда входила в ядро азота, повышая его заряд
до 8 и превращая в кислород . Оставалась еще одна единица положительного заряда, которая оказалась эквивалентна
ядрам водорода (атомный номер 1) . Резерфорд предположил, что положительный заряд ядра переносится частицей,
которую назвал «протон», немного изменив латинское слово, означавшее «первый» . Получалось, что ядро водорода содержало только протон . Следующим открытием стало то, что
протон имеет электрический заряд, равный заряду электрона, но противоположный по знаку, однако вес протона почти
в 2000 раз больше .

155

КорПУСКУлярноВолноВой
дУалиЗм
Свет — это волна . Но свет также считали состоящим из частиц,
или корпускулов . Не так давно материя, точнее атомы, была
сведена к набору более мелких частиц . Но оставался вопрос:
не могут ли и они вести себя как волны?
Именно об этом размышлял Луи Де Бройль в 1923 году . Он
предполагал, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для видимого света, но также для других форм
излучаемой энергии . Например, это явление можно было попытаться применить к имеющим массу частицам — электрону
или протону .
Де Бройль стал рассматривать каждую частицу как некий
цуг волн, впоследствии названный волновым пакетом . Конечно, такие волновые формы не распространяются как видимый свет, но имеют с ним много общего . Так, скорость частицы оказалась обратно пропорциональна длине волны ее
волновой формы — более быстрые частицы имеют более короткую длину волЭлек тромагнитный
ны . Кинетическая энергия частицы поспектр уже давно
лучалась пропорциональной частоте ее
«размечен» на диапазоны — гамма-лучи,
волновой формы .
излучаемые при радиоактивном распаде, с высокочастотной
стороны, и безвредные радиоволны Герца — с низкочастотной . Наступало время
изучить
подобные
спектры и для волновых форм субатомных
частиц .

156

ЧАСТИЦЫ КАК ВОЛНЫ
Для доказательства Де Бройль использовал чистую математику . В 1927 году
Джордж Томсон — сын «Джи Джи»
(дружеское прозвище Джозефа Джона Томсона), открывшего за 28 лет до
этого существование электрона, — сумел найти материальные свидетельства

ЭФФЕКТ ШТАРКА
В 1913 году Йоханнес штарк обнаружил, что внешние электрические поля вызывают «расщепление»
линий эмиссионного спектра, когда на месте одной линии возникает их несколько . Это связано с тем,
что электромагнитные поля способны изменять волновые формы
электронов поля . Эффект, или расщепление, штарка стали использовать для исследования свойств
электронов .

правоты Луи де Бройля . Томсон повторил опыт юнга, который доказывал волновую природу света, но работал с пучком электронов . Он направил поток электронов на экран
с двумя щелями, а детектор расположил за ним . Прибор отмечал каждый пролетающий электрон черной точкой . Если
бы электроны не имели волновых свойств, они дали бы на
экране две группы точек за каждой из щелей . Но Томсон обнаружил, что точки образовали те самые темные полоски
интерференционной картины — как и волны . Так Томсон
выяснил, что его отец открыл не только субатомную частицу, но и волну .

157

ПринциП
ЗаПрета ПаУли
Вооруженные математическим аппаратом волновых форм, исследователи квантовой физики принялись за изучение свойств
частиц . В 1925 году Вольфганг Паули открыл не столько правило, сколько исключение .
Австрийский физик Паули бился над комбинациями
свойств, которые демонстрирует электрон в атоме . Все указывало на то, что электрон может иметь лишь одно из фиксированного набора энергетических состояний . Сейчас этот параметр называется спином — квантовой способностью частицы
ориентироваться по вектору своего углового момента . Паули
утверждал, что никакие два электрона одного атома не могут
иметь одинакового спина . «Принцип запрета Паули» впоследствии распространили на все частицы с полуцелым спином
(т . н . фермионы, спин которых кратен 1/2 в единицах ћ) . Итак,
на квантовом уровне в системе одинаковых фермионов никакие две частицы не могут одновременно находиться в одном
состоянии, т . е . не могут быть в одном месте в одно время .

158

боЗоны —
ЧаСтицы Силы
Не каждая квантовая частица имеет полуцелый спин . У некоторых частиц спин целый, и они не подчиняются запрету Паули .
Они могут иметь одинаковую энергию, пребывая в одно время
в одном месте . Знакомьтесь: бозоны .
В 1925 году индийский физик шатьендранат Бозе объединил усилия с Альбертом Эйнштейном, и вместе они разработали ряд правил, определяющих поведение частиц с целым
спином . К числу таких частиц относится и фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия . Кстати, противоположные заряды притягиваются (а одноименные отталкиваются) именно потому, что энергию между ними переносят
фотоны — кванты электромагнитного излучения . Эти частицы, которые вступают в фундаментальные силовые взаимодействия, получили название «бозоны» — в честь индийца
Бозе . Частицы с полуцелым спином позднее получили название «фермионы» в честь Энрико Ферми1 . Они подчиняются
статистике Ферми — Дирака .
Квантовая физика постепенно училась средствами математики
выражать особенности членов постоянно растущего семейства
частиц. Создавались теории сложных волновых форм там, где когда-то хватало концепции «твердых шаров».

Ферми предложил статистику для электронов в 1926 году, в том же году
ее связь с квантовой механикой прояснил Дирак . Бозе в 1924 году предложил статистику для квантов света, она была обобщена Эйнштейном .
1

159

ВСеленСКая
неоПределенноСть
Квантовая механика высветила структуру
материи на самом низком фундаментальном уровне . Но в 1927 году неожиданно оказалось, что существует предел,
за который мы не сможем заглянуть
в своих познаниях природы . Квантовая структура Вселенной оказалась
разделена непроходимым Рубиконом
неопределенности .
Решающую
неопределенность
в квантовую физику принес Вернер
Гейзенберг, молодой исследователь из
Института теоретической физики при
Университете Копенгагена (впоследствии этот институт получил имя своего
Имя Вернера Гейзенберга
основателя Нильса Бора) . Вскоре постало в наши дни синонисле этого состоялся очередной Сольмом наиболее трудного
веевский конгресс, собравший в Брюсдля интуитивного пониселе элиту физики на обсуждение
мания явления квантовой
физики, а именно принципа путей развития квантовой теории . Обсуждения сконцентрировались на том
неопределенности.
пределе малости, после которого исследователи не могли бы ничего сказать о том, верны ли наблюдения или нет . Сама идея квантовой неопределенности
произвела большое впечатление на ученых . Например, Альберт Эйнштейн не встал в ряды сторонников новой идеи, заявив, что «Бог не играет в кости»1 . Бор на это шутливо ответил: «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать!»
Эйнштейн верил в детерминизм, когда положение каждой частицы
во Вселенной можно в принципе определить и рассчитать . Этот спор был
на V Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в октябре 1927 г .
1

160

ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
В середине 1920-х годов Гейзенберг со своим коллегой Максом Борном обнаружил, что вероятность — область математики, имеющая дело с шансами событий, — является центральным понятием изучения волновых форм квантовых частиц .
Окончательно это положение стало известно как принцип
неопределенности, который звучал так: «Чем точнее мы определяем положение частицы, тем менее точно можем определить ее момент движения (импульс) и скорость в то же мгновение» . Соответственно, так же верно обратное утверждение .
Причем дело тут не в проблеме средств измерения, а в свойствах волновых функций частиц . Если мы сосредотачиваемся
ПОЛУРАСПАД
Квантовая неопределенность утверждает невозможность предсказания того, когда именно распадется выбранный радиоактивный атом . Напротив, радиоактивный распад всегда подразумевает вероятностный подход . Более нестабильный элемент тоже
с определенной долей вероятности распадется раньше более
стабильного элемента . Скорость радиоактивного распада определяется периодом полураспада элемента — т . е . интервалом, за
который половина атомов, скорее всего, распадется . Период полураспада наиболее распространенного изотопа урана (с массой 238) составляет 4,46 млрд лет, что соответствует возрасту нашей планеты . Это означает, что сейчас на Земле осталась лишь
половина природного урана .

Доля оставшихся
радиоактивных ядер

1/2
1/4

1/8
1/16

Период полураспада (t1/2) —
величина постоянная и не зависящая от количества уже
распавшегося материала .

t1/2
2t1/2

3t1/2

4t1/2

Время

161

на скорости квантовой частицы, точнее на ее импульсе (произведении массы на скорость), то ее положение можем узнать
лишь в терминах вероятности быть в той или иной точке .

В 1935 году Эрвин шрёдингер поставил мысленный эксперимент: он
поместил гипотетического кота в коробку, где находилась также капсула
с ядом, который выделялся, когда регистрировался распад одного заранее
выбранного атома — процесс в принципе непредсказуемый . шрёдингер
утверждал, что, закрыв
крышку, невозможно точно узнать, живой кот или
мертвый . Согласно квантовой теории, кот может
быть с равной вероятностью живым и мертвым —
но до тех пор, пока наблюдатель не откроет
крышку .

162

ОСОБЕННОСТИ
ПРИЧИННОСЛЕДСТВЕННОЙ СВЯЗИ
Это обстоятельство дает квантовой частице возможность иметь множественные состояния, когда она появляется
одновременно в нескольких точках пространства . Конкретное же местоположение частицы мы узнаем, лишь когда на
нее смотрим . Подобная идея называется
суперпозицией и нарушает привычную
для нас связь между причиной и следствием . Одним из центральных догматов
физики является предшествие причины
результату, без чего невозможно формирование будущего . Принцип суперпозиции частиц в квантовых системах
нарушает эту причинно-следственную
связь . В таких масштабах эффекты часто
имеют место без причины, так что нельзя сказать ничего определенного о том,
что произойдет . Еще до того как наблюдатель произведет измерения, любой
исход можно рассматривать как один из
множества возможных сценариев развития . Принцип суперпозиции не только
способен озадачить читателя, но и считается хорошей теоретической основой
для создания суперкомпьютеров и освоения телепортации . Однако все это еще
далеко от реализации .

СЧетЧиК гейгера
Эта коробочка, которая издает тревожное попискивание, знакома всем нам по кинотриллерам . Называется она счетчиком
Гейгера — детектором радиоактивных излучений, и придумал
ее человек, который стоял у истоков ядерной физики .
В 1908 году Ханс Гейгер при научном руководстве Эрнеста
Резерфорда сконструировал первый детектор радиоактивных
излучений . Вначале он был способен регистрировать только
альфа-частицы, но к 1928 году Гейгер вместе со своим помощником Вальтером Мюллером расширил возможности прибора,
после чего стала возможна регистрация всех трех видов высокоэнергетического излучения . Полное название этого прибора «трубка Гейгера — Мюллера», поскольку это действительно
герметичная трубка, заполненная газом при низком давлении . Внутри трубки два электрода под высоким напряжением,
и только высокое сопротивление газа не дает току проходить
между электродами . Когда высокоэнергетические частицы оказываются в трубке, они ионизируют газ (т . е . электрически заряжают его молекулы), и импульс электричества проскакивает
между электродами . Мерой потока излучения служит частота
импульсов, причем импульсы проходят через динамик, вызывая щелчок, а множество щелчков сливаются в знакомый нам
зловещий стрекот .

Эта медная трубка
Гейгера — Мюллера конструкции 1932 года была
использована для открытия нейтрона.

163

ПоЧти таКая же
антиматерия
В 1928 году Поль Дирак написал свое
уравнение, из которого выводились
все квантовые свойства электронов .
Эти уравнения не только с математической точностью описывали поведение отрицательно заряженной
частицы, но также и предсказывали
существование положительно заряженного аналога .
В 1928 году субатомное семейстКак и в случае с другими кванво элементарных частиц состояло из
товыми теориями, матемаотрицательно заряженного электротический прорыв Поля Дирака
на, положительно заряженного пропоказал, что наша Вселенная
тона и нейтральных частиц нейтрон
устроена намного сложнее, чем
и фотон . (Фотон — это бозон, передалюди представляли до этого.
ющий в обмене между заряженными
частицами силу фундаментального электромагнитного взаимодействия .) Все это составляет окружающий нас мир . Из уравнений Поля Дирака получалось, что мог существовать положительно заряженный аналог электрона, но он требовал отрицательно
заряженного протона . Эта зеркально симметричная материя, во
всем схожая с нашей, кроме электрического заряда, была названа антиматерией, или антивеществом . Но существует ли такая
материя и что было бы, если бы она реально существовала? Теория, частично подкрепленная экспериментом, говорит нам, что
вещество и антивещество при соединении аннигилируют с полным взаимоуничтожением и выделением огромной энергии
в виде излучения, т . е . фотонов . Так что если бы мир из античастиц и существовал где-нибудь во Вселенной, то продолжалось
бы это недолго .

(cα · p + βmc2) φ = iђ ∂φ
∂t

164

раЗрУшитель
атома
В отличие от своих коллег, много работавших с теориями, Эрнест Лоуренс захотел увидеть энергию ядра в действии и потому делал «большую физику» . Для этого он сконструировал
самый мощный на тот момент ускоритель элементарных частиц — циклотрон .
На заре атомной эпохи фигура Эрнеста Лоуренса стояла особняком среди мировой элиты физики . Во-первых, он был американцем, тогда как подавляющее большинство ведущих физиков родились в Старом
ТЕХНЕЦИЙ
Свете, как тогда называли Европу . У ЛоуВ 1935 году открыли элеренса было характерно крупномасштабмент с атомным номером
43 и тут же его потеряли .
ное для Нового Света отношение к наОн оказался настолько рауке, и, чтобы понять, как устроен атом
диоактивным и нестабильизнутри, он решил столкнуть с силой
ным, что едва сохранился
два ядра и посмотреть, что из этого пона Земле . В 1936 году два
лучится . В 1929 году Лоуренс сконструиитальянских физика поровал первый в мире циклотрон — ускопросили Лоренса изритель, в котором заряженные частицы
учить использованные
разгоняются по спирали до высоких скодетали от старого циклоростей, а затем попадают в мишень .
трона, и в них был обнаВ то время уже существовали друружен элемент 43! Ядра
гие типы ускорителей частиц . Они
этого элемента были получены при столкновепредставляли собой линейные ускоринии ионов с атомами мотели, в которых пучок ионов прогоняллибдена на циклотроне .
ся через несколько ускоряющих струкПоскольку это был пертур с высокочастотным электрическим
вый из синтезированных
полем (т . н . СВЧ-резонатор) .
в лаборатоПри этом каждый из СВЧ-резонатории химиров немного ускорял ионы — атомы,
ческих элепотерявшие или получившие электроментов, его
НеЦий
ны . Поскольку ионы имеют электриченазвали тех- т е х (98)
ский заряд, их можно разгонять при
нецием .
помощи электромагнитного поля .

165

УСКОРЯюЩАЯ СПИРАЛь
В циклотроне Лоуренса, получившем грозное прозвище «разрушитель атомов», для ускорения ионов также используются электрические поля . Но в этом устройстве поток частиц закручивается,
получая на каждом витке примерно одинаковый импульс от ускоряющей разности потенциала . В результате достигается еще большая скорость (и энергия) частиц . Циклотрон — это круг из двух
D-образных полых электродов (т . н . дуантов) с небольшим зазором между ними . К этому зазору прикладывается ускоряющий потенциал электрического поля, а вся структура окружена мощным
электромагнитом . Перпендикулярное электрическому магнитное поле разворачивает поток ионов в полых электродах-дуантах, а порции ионизированного материала вбрасываются в центр
системы, где получают начальный импульс электрического поля
и оказываются в полости одного из электродов . Магнитное поле
заставляет ионы идти по кругу, и получается непрерывное ускорение по спирали, причем моменты ускорения приходятся на переход через зазор между дуантами . Как только ионы ускоряются
до значительных скоростей, диаметр их все расширяющихся траекторий достигает диаметра дуантов и пучок ионов выводится из
щели за пределы кольца . Теперь ионы на огромной скорости выводятся в боковую камеру, где и сталкиваются с мишенями .
Первая модель Лоуренса была лишь 10 сантиметров в диаметре, но и она разгоняла ионы до 1% от скорости света . Большие
по размерам циклотроны позволяли достигать больших скоростей, и окончательная модель Лоуренса составляла в диаметре
467 сантиметров и выдавала энергию почти в 1000 раз больше .
Эрнест Лоуренс (внизу) считывает показания приборов на своем циклотроне. Эрнест построил его в 1938 году при
участии Дональда Кукси.
Ускоряющие дуанты видны
за спиной Лоуренса. Вместе с Кукси он разработал
и камеру для мишеней, которая принимала пучок высокоэнергетических ионов.

166

элеКтронный
миКроСКоП
Когда в эпоху Возрождения физики научились фокусировать
свет линзами и создали первые телескопы и микроскопы, они
расширили возможности человеческих чувств . В 1930-х годах
ученые сумели сделать то же с электронами .
Используя оптические инструменты, мы исходим из волновой природы света . Мы знаем, что электроны тоже ведут себя
как волна . Так нельзя ли увидеть их в микроскоп? Оказалось,
что микроскоп имеет фундаментальное природное ограничение: он не различает объекты размером около 200 нм . Длина
волны видимого света слишком велика, чтобы различить детали еще меньше . Волна электронов в 100 000 раз короче волны видимого света . Значит, электронный микроскоп позволит различить детали размером 50 пикометров (триллионная
часть метра) . Электромагнитные
линзы для электронов разработаны еще в 1920-х годах, а уже
в следующем десятилетии испытывали первые электронные
микроскопы . В просвечивающем
электронном микроскопе изображение формирует поток электронов, рассеивающийся при прохождении через образец . В растровом
(сканирующем) микроскопе изображение получают при отражении тонкого пучка электронов, пробегающего по
телевизионному принципу развертки
по поверхности образца .
Это один из первых электронных
микроскопов. Крышка в верхней части открыта для демонстрации нам
электронной пушки.

167

неиЗВеСтная
ЧаСть ядра
В стройной картине атома явно не хватало деталей . Протоны и электроны не могли объяснить всех наблюдаемых
свойств атомов .
Как уже было показано, атом имеет определенный атомный номер, который соответствует количеству единиц положительного заряда в ядре . Позже было обнаружено, что это
соответствует числу протонов в атоме . Однако атом имел еще
Установка Джеймса
Чедвика для измерения
массы нейтрона.

168

одну характеристику — атомный вес . Это относительная величина, выражающая массу атома в массах самого легкого
элемента — водорода (его атомной массе приписано значение 1) . Масса всех остальных элементов получалась кратной
массе атома водорода .
В ядре водорода только протон, так что атомная масса водорода равнялась его атомному номеру . Однако для других
элементов такого равенства не наблюдалось . К 1920-м годам в научной среде широко распространилось мнение, что
за эту неучтенную массу отвечает некая незаряженная частица в ядре атома . Хотя атомные массы не являются столь
последовательной характеристикой элементов, как их номер (из-за наличия в рамках одного элемента нескольких
изотопов с разной массой), в целом можно было сказать, что
атомная масса легких элементов представляла собой удвоенный атомный номер, а значит, и количество протонов . Неужели масса неизвестной нейтральной частицы была та же,
что и у протона?
В начале 1930-х годов исследователи открыли новый
тип излучения, который регистрировался, когда высокоэнергетические альфа-частицы попадали в образец бериллия или бора . Это излучение не имело электрического
заряда, а его энергия намного превышала энергию гаммалучей . В 1932 году Джеймс Чедвик проводил эксперименты, направляя неизвестное излучение на газы однородного
состава и получая молекулы других масс . Измерив этот эффект, Чедвик рассчитал массу частиц, представлявших неизвестное излучение . Он обнаружил, что масса неизвестной частицы должна быть примерно как у протона . Новую
частицу назвали «нейтрон» от латинского корня neutral
(нейтральный) и обычного для частиц суффикса on («он») .
Эта нейтральная частица наконец завершила картину нашего понимания атомного ядра .

169

ПоЗитрон —
ноВая ЗагадКа
Не прошло и нескольких месяцев, как открыли недостающую
атомную массу — нейтрон, а на пороге появилась новая загадка . Ученые обнаружили первые свидетельства существования
антивещества и в конце концов раскрыли ее .
В 1929 году исследователи научились регистрировать частицы, испускаемые при прохождении высокоэнергетических космических лучей через атмосферу . Среди известных они обнаружили
странную частицу, похожую на электрон, только с положительным
зарядом . Пророчество Поля Дирака о существовании антиматерии,
сделанное год назад, не было до конца понято научным сообществом, и эта аномалия осталась без внимания . Но когда в 1932 году
Карл Андерсон увидел аналогичную картину в своей конденсационной камере, он уже знал, свидетелем чего стал, и новую частицу
назвал позитроном, сложив части слов «позитивный электрон» .
Позитроны на нашей планете лишь гости из глубин космоса . Они образуются, когда массивные частицы — вероятно,
атомные ядра — прилетают к нам из космического пространства почти со световыми скоростями и соударяются с молекулами газов в атмосфере . Такие столкновения происходят при
достаточно высоких энергиях, чтобы частицы создавались не
из других частиц, а из энергии . При этом вместе с позитроном
выбрасывается целое семейство «экзотических» частиц, но на
тот момент эти частицы еще не были открыты .

Туманные следы показывают
траектории электронов и позитронов. Их траектории разделяются, поскольку магнитное
поле внутри камеры Вильсона
отклоняет эти частицы в противоположные стороны.

170

СКрытая маССа
ВСеленной
В 1920-е годы Вселенная увеличилась в нашем представлении
до прежде невообразимых размеров . А Эдвин Хаббл показал,
что Вселенная еще и расширяется . Позднее, в 1930-х годах,
последовало еще одно шокирующее открытие . Большую часть
Вселенной мы в принципе увидеть не можем!
Чтобы узнать, из чего состоят звезды, исследователи используют спектроскопию . Газы, находящиеся вокруг звезды, поглощают из спектра определенные цвета, так что спектрограммы звезд
всегда имеют темные полосы, характерные для элементов околозвездного пространства . Но в случае звезд длины волн поглощения оказываются смещенными относительно своих «земных» позиций, что
WIMP против MACHO
связано напрямую с эффектом Доплера .
Вопрос о существовании
Если бы цвета спектра поглощения сдвитемной материи еще не
гались в сторону синего цвета, это знаразрешен . Теория WIMP
чило бы, что галактики движутся на нас,
(Weakly Interacting Massive
однако наиболее характерным являетParticles — слабо взаися красное смещение, когда цвета сдвимодействующие массивгаются в сторону красного . Это свиденые частицы) опирается
тельствует о разбегании галактик от нас .
на частицы с ненулевой
В 1929 году Эдвин Хаббл смог доказать,
массой покоя, которые
не взаимодействуют с дечто все объекты за пределами нашего
текторами
излучений .
галактического соседства разбегаются
Теория
MACHO
(Massive
от нас . Итак, Вселенная расширяется!

ГАЛАКТИКИ
ВО ВРАЩЕНИИ
Астрономы задаются вопросом, какая
из составных компонент сил гравитации участвует в расширении Вселен-

Astrophysical Compact Halo
Objects — массивные объекты гало галактик) ссылается на крупные и темные объекты, такие как
черные дыры и холодные
звезды, чье излучение
слишком слабо, чтобы их
было видно .

171

ной . Дело в том, что известные нам силы гравитации представляют только силы притяжения и непонятно, что заставляет
материю разлетаться в стороны . Одним из основных стал вопрос, сколько все же материи во Вселенной . В 1932 году нидерландский астроном Ян Оорт обнаружил, что наша галактика Млечный Путь вращается слишком быстро1 для той массы,
которую мы наблюдаем, и уже в следующем году Фриц Цвикки заметил тот же самый эффект в движении других галактик .
швейцарский астроном рассудил, что помимо видимой нами
массы во Вселенной есть «скрытая масса», называемая еще
«темной материей», или «темным веществом» . Теория Цвикки о скрытой массе утверждала и утверждает (она признается
и в наши дни), что темные пустые пространства Вселенной не
так уж и пусты . Напротив, они заполнены материей, которая
не дает света . Единственный эффект, по которому мы можем
наблюдать темную материю, это ее гравитационное действие .
В 1970-е годы удалось оценить массу темной материи по тому,
насколько огромные массы видимого вещества искривляют
свет и пространство . Оказалось, что темной материи в пять
раз больше по сравнению с привычной для нас видимой!

Фриц Цвикки получил свои первые
доказательства
существования
скрытой массы
из данных о вращении сотен галактик
скопления Волосы
Вероники.
Речь идет об угловой скорости вращения на галактической периферии . Учет наблюдаемой массы не позволяет объяснить ее аномально высокое значение .
1

172

рУКотВорная
молния
К 1930-м электростатические генераторы также совершили большой шаг вперед по сравнению с временами, когда Отто фон Герике использовал вращающийся шар из серы . Роберт Ван де Грааф
предложил конструкцию электростатического генератора, от которого у всех в буквальном смысле волосы встали дыбом .
Наблюдение генератора Ван де Граафа в действии всегда было
одним из самых запоминающихся событий на школьных уроках физики . Когда человек с длинными волосами прикасался к металлическому шару, его волосы поднимались и торчали во все стороны .
Американский изобретатель Ван де Грааф вначале и не знал,
что создает нечто новое . В 1929 году он задумал создать генератор
высокого напряжения, чтобы использовать его в линейных ускорителях частиц . Электростатические поля огромной напряженности,
производимые в гигантских машинах, использовались для получения ионов и их ускорения, после чего те направлялись в детекторы частиц . Генератор Ван де Граафа работает по тому же принципу,
что и фрикционная машина первых исследователей электричества (одна из конструкций — вращающийся шар из серы) . Движущийся шелковый или резиновый ремень внутри колонны
генератора отдавал электроны при трении о заряженную
контактную щетку . Электрический заряд переносится лентой вверх в купол большого шара, где заряд передается
так же через щетку с ремня на полую проводящую сферу .
В результате сфера собирает высоковольтный электростатический заряд и может выдавать коронные
разряды — рукотворные молнии .
Для постройки в 1933 году в Массачусетском
технологическом институте генератора Ван
де Граафа был использован пустующий ангар
дирижабля. Ученым удалось получить напряжение в 10 мегавольт, которое использовалось
для ускорения частиц, пролетающих в трубке
между заряженными сферами.

173

иЗлУЧение
ВаВилоВа—
ЧеренКоВа
Получив слабое голубоватое свечение от бутылки с водой при
ее облучении радиоактивными веществами, русский исследователь понял, что происходит, когда нечто движется быстрее,
чем свет .
Давайте скажем сразу, что в вакууме свет имеет самую высокую скорость распространения (иногда говорят о «фазовой
скорости света»), так что нечего и помышлять о том, чтобы
превысить ее . Однако со времен открытия закона Снеллиуса было известно, что в различных прозрачных средах, таких как воздух или вода, фазовая скорость света снижается .
В 1934 году Павел Черенков проводил эксперименты в лаборатории С . И . Вавилова с люминесценцией1 воды при облучении ее гамма-лучами и пытался понять, что заставляет воду
светиться . Оказалось, что гамма-излучение выбивает из атомов воды электроны, движущиеся со скоростями, превышающими фазовую скорость света в воде (три четвертых скорости света в вакууме) . Если в вакууме быстрее скорости света
двигаться нельзя, то в воде частицы с ненулевой массой покоя
(т . е . материя) могут двигаться быстрее скорости света .

ЭФФЕКТ ЧЕРЕНКОВА
Вначале казалось, что все просто . Эти высокоэнергетические
частицы — чаще всего легкие, такие как электрон, — пробиваются сквозь среду, возбуждая атомы и заставляя их испускать
излучение . Но более медленный в данной среде свет не может
испускаться сверхсветовыми частицами вперед . Когда упругая
На самом деле это не люминесценция жидкости, а свет, непосредственно излучаемый движущимися в ней быстрыми электронами .
1

174

волна воздуха не может оторваться от сверхзвукового самолета, преодолевающего звуковой барьер, она образует звуковую
ударную волну . В эффекте Черенкова происходит нечто подобное, а именно формируется «ударная волна» из фотонов,
которые и дают голубоватое свечение .

ДЕТЕКТОР ЧЕРЕНКОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Эффект Черенкова стал зримым доказательством того, что природные высокоэнергетические частицы — это гости из космоса . (Они даже получили название «космические лучи», хотя на
самом деле являются элементарными частицами, летящими
с почти световыми скоростями .) Вспышки излучения Черенкова являются знаком их прибытия, поскольку они сталкиваются
с молекулами воздуха, создавая выбросы высокоэнергетических частиц . Черенковский детектор также позволяет наблюдать неуловимые нейтрино, ливень которых обрушивается на
нашу планету .

Излучение Черенкова,
исходящее от тепловыделяющих сборок
атомных реакторов,
заставляет воду (она
служит теплоносителем) светиться голубоватым светом.

175

эКЗотиЧеСКие
ЧаСтицы
Столкновения космических лучей с молекулами воздуха происходят на скоростях,
недостижимых в 1930-е годы ни на одном
ускорителе частиц . Но высокоэнергетические столкновения были лучшим источником сведений о новых семействах короткоживущих субатомных частиц .
Японский физик-теоретик Хидэки юкава пытался понять, что скрепляет атомные ядра . Электромагнитные силы должны были расталкивать положительно
заряженные протоны (поскольку одноЗа предсказание суименные заряды отталкиваются), если
ществования мезов природе существует сила, превосходянов и теоретические
щая электростатическое отталкивание
исследования прирои сохраняющая ядро из нуклонов (проды ядерных сил Хидэки
тонов и нейтронов) от разрушения . ВпоЮкава в 1949 году был
удостоен Нобелевской следствии было установлено, что такая
сила есть и обусловлена сильным ядерпремии по физике.
ным взаимодействием . Но действуют эти
силы на расстояниях меньше размера атома и не достигают
даже радиуса первой орбитали .
В 1934 году юкава предположил1, что сильное взаимодействие переносится частицами средней массы, занимающей
промежуточное положение между массами электрона и протона . Ученый назвал эти частицы мезонами . В 1936 году в дожде космических лучей была открыта подходящая по массе
частица, названная мю-мезон (μ-мезон) . Но частица оказалась
более тяжелым аналогом электрона с массой в 207 раз больше его массы . Она не была подвержена сильному взаимодейСогласно квантовой хромодинамике, сильное взаимодействие осуществляется посредством глюонов .
1

176

ствию, потому не подошла для теории юкавы, и впоследствии
ее переименовали в мюон1, который занял место в семействе
лептонов . В 1945 году в космических лучах был пойман первый настоящий мезон — пион, или пи-мезон . Он имел массу
две трети массы протона и был подвержен сильному ядерному взаимодействию . Пион вел себя как «виртуальная» частица . Он существовал миллиардные доли секунды, а потом распадался . Чтобы закончить историю открытия пионов, каонов
(К-мезон) и других более тяжелых мезонов, скажем, что тяжелее и меньше2 их лишь кварки и глюоны, участники и переносчики сильного взаимодействия .
Спиральные треки в пузырьковой камере — это следы каонов
(К-мезонов), которые участвуют как в сильном, так и в слабом
ядерном взаимодействии. Действие слабого взаимодействия проявляется в бета-распаде ядер и слабых распадах элементарных
частиц.

Название «мю-мезон» до сих пор можно встретить, но специалисты
избегают его, говоря «мюон» .
2
Тяжелее и меньше — это парадокс субатомного мира, вызванный дефектом масс .
1

177

СВерхтеКУЧеСть
В жидкости температурой на несколько градусов выше абсолютного нуля могут происходить странные вещи . Ее невозможно удержать в герметичном контейнере: она будто
проходит сквозь стенки, и контейнер оказывается пуст . Это
и называется сверхтекучестью .
Состояние сверхтекучести зафиксировала в 1937 году
команда ученых из Канады и СССР в кюветах с жидким гелием . Гелий становится сверхтекучим при температуре чуть
выше 2 K (2,172 К, что соответствует –271 °C, или –456 °F) .
Внешне он выглядит как обычная жидкость — только способная протекать через узкие капилляры без трения . Это означает, что она имеет нулевую вязкость (естественное свойство жидкостей, препятствующее изменению ими формы) . При
таких температурах жидкость переходит в особое состояние
(«квантовая жидкость»), когда квантовые эффекты наблюдаются в макромасштабах, как в случае со сверхпроводниками . В данном эксперименте выбор гелия
особенно удачен тем, что ядро
гелия содержит четыре нуклона1 .
Соответственно, при низких температурах ядра гелия подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, т . е . принцип запрета Паули на
них не действует .
Сверхтекучий гелий убегает из чашки через поры в стенках и через верх.
Многие жидкости способны подниматься по стенкам сосуда, но ненулевая вязкость не позволяет им подниматься достаточно высоко.
Спин нуклона 1/2 и суммарный спин ядра с четным числом нуклонов
является четным .
1

178

деление ядер
В 1930-х физика соединилась с политикой . А наука, научившись
делить атомы, нашла средство превратить материю в энергию .
И началось все с открытия нейтрона…
Итальянский физик Энрико Ферми выбрал нейтрон в качестве средства исследования атома, как в свое время Резерфорд использовал для этого альфа-частицы . Однако
нейтроны не несут электрического заряда и не отклоняются
присутствующими в атомах заряженными частицами . Работавшая в Риме команда Ферми разработала принципиально новое оборудование для нейтронной бомбардировки
атомов разных элементов, и в 1934 году ученые объявили
об открытии элемента с атомным номером 94, который был
получен при бомбардировке ядер урана . Сегодня он называется плутонием, а сам Ферми назвал его гесперием, или
эсперием . Немецкий физик Отто Ганн повторил этот эксперимент с бомбардировкой урана медленными нейтронами
и неожиданно обнаружил в образце барий . Только его коллеги Отто Фриш и Лиза Мейтнер смогли понять, что барий
получается по принципиально новому механизму . Ядро
Энрико Ферми, «отец ядерной энергетики», в своей лаборатории
в Риме. Фотография 1931 года.

179

«Чикагская поленница-1» (Chicago Pile 1)
стала первым исследовательским ядерным реактором. Она
была построена на
заброшенной баскетбольной площадке позади западных
трибун стадиона
Чикагского университета.

урана захватывает медленный (его еще называют тепловым) нейтрон и переходит в нестабильное состояние . Оно
получается при этом столь возбужденным, что радиоактивного распада не происходит: ядро делится, разваливаясь
на два других ядра с меньшими номерами .

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Как видно из формулы Эйнштейна, связывающей энергию
и массу (E=mc2), в реакции деления выделяется огромная
энергия . Американский физик венгерского происхождения
Лео Силард рассчитал, что при делении ядра в случае высвобождения двух и более нейтронов можно получить самоподдерживающуюся цепную реакцию . Каждый делящий-

180

Нейтрон врезается в ядро урана235, и на короткое мгновение получается уран-236. Затем последний распадается на ядра криптона
и бария.

Нейтрон

Ядро урана распадается
на два осколка

Выделяется энергия,
и выбрасываются
нейтроны

Барий

Криптон

181

ся атом вызывает как минимум два новых деления до тех
пор, пока не будут использованы все атомы . Если такую реакцию не контролировать, она вызовет взрывное выделение энергии и может быть использована в супермощной
бомбе . В Европе назревала война, потому Силард и Ферми, на тот момент уже сбежавшие в Нью-Йорк от фашистов,
решили держать в тайне свои исследования ядер . Однако
Фредерик Жолио-Кюри (зять Марии Склодовской-Кюри),
исследовавший ту же область, в 1939 году сообщил в докладе, что ядра урана-235 при делении дают как минимум
три нейтрона .
Когда началась война, ученые сосредоточились на изучении контролируемой цепной реакции, рассматривая возможность создания супероружия . В 1942 году Энрико Ферми построил свою «Чикагскую поленницу-1» — первый
в мире исследовательский ядерный реактор — на территории Чикагского университета . Для замедления быстрых
нейтронов и удержания их внутри активной зоны использовались графитовые блоки, поскольку реактор был на тепловых нейтронах .
Поздние исследования Энрико Ферми легли в основу Манхэттенского проекта, а сам ученый сконцентрировался на обогащении урана — увеличении доли U-235 от природного значения 0,7% . Высокое содержание урана-235 необходимо для
получения ядерного оружия . Атомные бомбы, сброшенные на
Хиросиму и Нагасаки в 1945 году, доказали, что ядерное оружие — это сила, с которой нельзя не считаться .

Раздел 5

СоВременная
ФиЗиКа

КВантоВая
элеКтродинамиКа
Интересно, что латинское выражение quod erat demonstrandum,
означающее «что и требовалось доказать», дает аббревиатуру
q .E .D . Во времена Древней Греции эти три буквы часто ставились в конце каких-либо доказательств . В физике аббревиатура
qED ассоциируется с квантовой электродинамикой — теорией
с наибольшим количеством доказательств .
Для физика три буквы qED (в русском варианте КЭД) неизменно ассоциируются с квантовой электродинамикой . Одним
из основателей этого раздела физики стал американец Ричард
Фейнман, называвший КЭД «жемчужиной физики» . Никакая
Ричард Фейнман был не только гениальным популяризатором науки,
но также и большим ученым. В 1965 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Фейнман сумел распутать сложные события
квантового мира, превратив их в наглядные диаграммы (они называются диаграммами Фейнмана).

184

ДИАГРАММЫ ФЕЙНМАНА
КЭД начиналась с простых волнистых линий и стрелок . Прямые
линии показывали путь электронов, а волнистые — фотонов, которые захватываются и испускаются электронами . Диаграммы
являются средством визуализации наиболее вероятного взаимодействия .

другая теория не способна работать в таком широком диапазоне масштабов от квантового уровня субатомных частиц до
мегауровня космологии с ее релятивистскими скоростями
и расстояниями . Квантовой электродинамике подвластны и нуклоны, и звезды, и галактики, и черные дыры .
Строго говоря, основы электродинамики заложил Джеймс
Клерк Максвелл, известный своими уравнениями поля, а продолжил ее развитие Альберт Эйнштейн, который ввел идею кванта
света фотона . Именно Эйнштейн объяснил, как свет преодолевает огромные пространства в его концепции пространства-времени (это было сделано в специальной теории относительности,
или СТО) . А следующий вклад в развитие электродинамики последовал от квантовой теории, классическим положением которой была невозможность прямой связи явлений макроскопического порядка с тем, что происходит внутри атомов .

185

НЕПРЯМАЯ СВЯЗь
Первый намек на такую связь между событиями столь разных масштабов пришел к нам в 1920-е годы вместе с уравнением Дирака для электрона . Дирак показал, как взаимодействуют энергия и материя и почему в результате
такого взаимодействия выбрасываются кванты света и другого электромагнитного излучения . Однако препятствием
в дальнейшем развитии общей теории взаимодействия света с элементарными частицами стала сложность и неполная
изученность квантовых частиц .
Затем в 1947 году Ханс Бете (вскоре его имя будет связано
с теорией Большого взрыва) разработал математический аппарат, который позволил навести порядок в хаосе квантовых переменных . Это стало трамплином для других физиков (среди
которых был и Ричард Фейнман), нашедших далеко не единственное объяснение электромагнитным явлениям на квантовом
уровне .

ОБъЕДИНЕНИЕ ТЕОРИЙ
Вначале использовались различные подходы, однако позже
было показано, что, в сущности, это один подход, ставший
системой . Построенная на диаграммах Ричарда Фейнмана
система стала неотъемлемой частью КЭД и помогла снять завесу тайны с самых современных направлений в физике . Диаграммы Фейнмана оказались универсальными: взаимодействие всех квантовых частиц представляют с их помощью .
Несмотря на несколько вольный вид этих диаграмм, в сердце КЭД лежит настолько серьезная математика, что она позволяет физикам с высокой точностью рассчитывать вероятности для конкретных взаимодействий, например фотонов и
электронов . Разумеется, квантовая электродинамика широко
используется и для определения поведения различных частиц еще до начала дорогостоящих экспериментов с их часто
неоднозначным, «вероятностным» результатом .

186

транЗиСторы
В начале XX века мир увидел появление электроники — для
исполнения арифметических действий использовались релейные переключатели . В 1947 году в электронике случился настоящий прорыв .
Для работы компьютера, даже самого первого, разработанного в 1930–1940-е годы, нужна программа . Любая программа — это набор нулей и единиц, которые задают триггерам нужный алгоритм обработки данных . В 1947 году трое
исследователей из лаборатории Белла сконструировали транзистор — новый тип переключателя, который в буквальном
смысле изменил мир . Эти устройства пришли на смену электронным лампам с термокатодом — газонаполненным лампам, которые могли или пропускать электрический ток, или
«запирать» его . Транзисторы были изготовлены из полупроводников — материалов на кремниевой основе, которые могли выступать и проводниками, и изоляторами . К тому времени
квантовая физика уже имела представления о том, как именно
поток электронов превращает материалы из проводников
в диэлектрики, а со временем
люди научились делать полупроводниковые транзисторы
миниатюрными и умещать всю
схему на микрочипе . Не будь
микрочипов, наш мир не был
бы таким, каким мы его знаем .

Первая работающая модель
транзистора была очень далека
от тех крошечных транзисторов, которые составляют основу
современных компьютерных технологий.

187

теория
большого ВЗрыВа
Если Вселенная расширяется, то были времена, когда она была
намного меньше современных масштабов . Доводя эту мысль
до логического завершения, можно сказать, что наблюдаемое
нами пространство когда-то родилось буквально из точки . Но
как из точки может получиться то, что мы имеем сегодня?
Закон Хаббла открыл нам тот факт, что Вселенная расширяется, однако это открытие имеет свою историю . В 1912 году
Весто Слайфер открыл, что у удаленных объектов Вселенной
красное смещение всегда больше . (Красным смещением называется сдвиг длины волны в большую сторону из-за эффекта Доплера, от чего цвет объектов, которые удаляются от
нас, сдвигается в красную область спектра .) В 1929 году Эдвин Хаббл показал, что галактики удаляются не только от нас,
но и друг от друга . Получалось, что расширялось само пространство, растягивая при этом световые волны . Свет от дальних галактик растягивался (а значит, смещался в красную область) больше, от ближних — меньше .
Конечно, Хаббла вполне справедливо почитают за его смелый шаг в науке, но нельзя не упомянуть и бельгийского физика-теоретика (и вместе с тем священника) аббата Жоржа
Леметра, который двумя годами ранее пришел к тому же выводу . Леметр обратился к теории относительности Эйнштейна, чтобы показать, что Вселенная просто не может быть статична . Она обязана быть динамичной, т . е . сжиматься или
расширяться . В 1931 году Леметр предположил, что динамичная Вселенная начала свое существование со сверхмощного
взрыва из одной точки, которую он назвал «первоначальный
атом» . Однако догадка Леметра носила сугубо интуитивный
характер .
Бельгийский физик-теоретик не имел свидетельств, подкрепляющих его теорию . Он лишь предполагал, что материя
первозданного атома рассеялась по Вселенной, став частью
всех ее атомов, разлетающихся во всех направлениях .

188

бУ-бУХ!
Этот Большой взрыв был настолько большим, что продолжается до
сих пор в каждой точке пространства. В начале времен размеры Вселенной были значительно меньше, ее температура значительно выше,
и по мере расширения Вселенная остывала. Когда температура стала
позволять, энергия стала переходить в материю — первые элементарные частицы. Затем из них сложились атомы, из которых стали формироваться звезды и планеты (в том числе и наша). Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем «старше» свет приходит к нам из глубин
и мы видим все более древнюю картину мира. Самый древний свет, который нам удалось зарегистрировать, летел к нам 13,2 млрд световых
лет. Соответственно, возраст Вселенной оценивается в 13,8 млрд лет.
КОСМИЧЕСКАЯ
ОБРАЗОВАНИЕ ПЕРИНФЛЯЦИЯ
ВЫХ СВЕРХНОВЫХ
Расширение
Формирование тяОБРАЗОВАНИЕ
происходит со
желых элементов
СПИРАЛьНЫХ
скоростью выше
ГАЛАКТИК
скорости света
ПЕРВЫЕ
ЗВЕЗДЫ

ТЕМНАЯ ЭПОХА
Плотность Вселенной слишком
велика, чтобы
быть прозрачной
для излучения

ОТДЕЛьНЫЕ АТОМЫ
Преобладают атомы
водорода и гелия

НАСТОЯЩИЙ
МОМЕНТ

ОБРАЗОВАНИЕ
СОЛНЕЧНОЙ
СИСТЕМЫ

189

В своей научной
статье Альфер,
Бете и Гамов
придали теории
Большого взрыва
больше научной
основательности.

БОЛьшОЙ ВЗРЫВ
Однако теории не хватало подтверждающих фактов . В 1948 году
коллеги по Манхэттенскому проекту Георгий Гамов и Ральф
Альфер предложили более скрупулезный подход к анализу механизмов нуклеосинтеза — формирования ядер дейтерия, гелия-4 и нескольких легких изотопов . Троица (экстравагантный Гамов добавил в список авторов своего друга Ханса
Бете, чтобы первые буквы их фамилий совпадали с первыми
буквами греческого алфавита: a, β, γ) предположила, что видимая материя Вселенной сформировалась путем непрерывного синтеза частиц в более сложные и массивные образования . Этот процесс проходил по мере расширения и остывания
Вселенной . По иронии судьбы, имя теории Большого взрыва
придумал ее главный противник: астроном Фред Хойл, читая
лекцию в 1949 году, иронично назвал теорию Леметра Большим взрывом . Сам Хойл придерживался позже опровергнутой
гипотезы непрерывного рождения материи при расширении
Вселенной .

190

ПУЗырьКоВая
и иСКроВая
К 1950-м годам появились два новых типа детекторов элементарных частиц . Особенно ценилась их сверхвысокая чувствительность: они позволяли подтверждать и опровергать теории
физики элементарных частиц .
И пузырьковая, и искровая камеры работают по принципу старой конденсационной камеры Вильсона . Но в пузырьковой камере используется жидкий водород при температуре кипения и чуть
выше, а в искровой камере — инертный газ . (Известно, впрочем,
что Дональд Глазер в своих первых моделях пузырьковой камеры
использовал пиво .) Когда частицы оказываются в камере, подготовленной к работе быстрым сбросом давления, их пролет заставляет
перегретую жидкость вскипать в местах пролета частицы . Высокоэнергетические частицы оставляют за собой след из крошечных газовых пузырьков, который регистрирует фотокамера . Часто внутри
создается сильное магнитное поле, чтобы определить по траектории массу и заряд частиц . В искровой камере используется инертный газ, который прокачивается между металлическими пластинами под напряжением . При пролете частицы с высокой энергией
возникает ударная ионизация газа, и между пластинами проскакивают искры, которые регистрирует камера . Достижением детекторов этого типа стало обнаружение W- и Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия, отвечающего за процессы
β-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц . Существование этих бозонов предсказали эксперименты
1973 года (частицы наблюдались опосредованно), а увидеть их удалось в 1983 году
в пузырьковой камере .
Ученый склонился над фотографией следов частиц, полученной в пузырьковой камере
ЦЕРНа в 1983 году.

191

большой ВЗрыВ
«иВи майК»
Исследования в рамках теории Большого взрыва, а также изучение процессов внутри звезд привели ученых
к термоядерному синтезу — процессу, при котором два легких элемента
сливаются в один тяжелый . В 1950-е
годы энергия термоядерного синтеза стала основой водородной бомбы .
Откуда пришли к нам все химические элементы? В конце 1940-х годов получила развитие теория нукТермоядерные испытания «Иви леосинтеза, которая утверждала, что
Майк» прошли на островке
все тяжелые элементы — это проЭлугелаб — одном из моту (не- дукт ядерного синтеза водорода .
большом острове кораллового Два ядра водорода сливаются в одно
происхождения) атолла Эниядро гелия . В свою очередь, гелий
веток в Тихом океане. Испыпри слиянии дает атомы бора и т . д .
танное устройство оказалось
Как правило, при синтезе получав 450 раз мощнее ядерной бомются нестабильные ядра, которые
бы, сброшенной на Нагасаки
в процессе радиоактивного распада
в 1945 году. Взрыв полностью
переходят в стабильные и уже тогда
уничтожил остров.
становятся одним из тех элементов,
которые мы находим сейчас в природе . Для осуществления
ядерного синтеза нужны невероятные силы (и температуры),
какие имеют место в недрах звезд, и именно там образовалось
большинство элементов в далеком прошлом . При синтезе также выделяется энергия, которая и заставляет звезды светиться . Тяжелые элементы, такие как золото, уран, ртуть и т . д .1,
В недрах звезд формируются элементы вплоть до железа, которое
образуется при горении кремния на конечной стадии термоядерного
синтеза в ядрах звезд . Горение более тяжелых элементов не происходит,
поскольку при таких реакциях уже поглощается тепло .
1

192

Эдвард Теллер
пускает мыльные
пузыри вместе
со своим коллегой Хансом Бете.
Распространение
реакции ядерного синтеза Теллер
пытался связать
с разлетом пузырей на квантовом
уровне.

рождаются уже при чудовищных взрывах сверхновых — последнего этапа эволюции сверхмассивных звезд — за счет захвата нейтронов атомами железа1 .

СУПЕРОРУЖИЕ
В 1952 году СшА показали всему миру, что они овладели энергией ядерного синтеза, когда первыми в мире взорвали термоядерный заряд под кодовым названием «Иви Майк» . Известное также как «водородная бомба»2, это оружие высвобождало
энергию термоядерного синтеза трития3 (тяжелый изотоп водорода) . Конструкцию взрывного устройства предложили американцы Эдвард Теллер и Станислав Улам . В качестве запала
это устройство использовало уже известную ядерную бомбу,
подобную тем, что были сброшены на Хиросиму и Нагасаки . Ее
энергия заставила сливаться ядра тяжелого изотопа водорода,
за счет чего выделилась еще большая энергия .
По недавним оценкам, наполнение Вселенной тяжелыми элементами происходит в основном за счет слияния нейтронных звезд и в меньшей степени при взрывах сверхновых .
2
Испытание «Иви Майк» не имело практической ценности и было исключительно научным экспериментом .
3
На самом деле в этом устройстве использовался жидкий дейтерий,
тоже тяжелый изотоп водорода, а тритий — это короткоживущий изотоп
с периодом полураспада 12,32 года .
1

193

маЗеры и лаЗеры
В наши дни лазер приводят в качестве свидетельства научного
прогресса . Но мало кто знает, что когерентное электромагнитное излучение вначале давал мазер .
Лазер — источник коллимированного когерентного излучения . Когерентность означает, что световые колебания в различных точках пространства происходят синхронно, т . е . разность фаз между двумя точками постоянна во времени .
Коллимированность означает, что расходимость пучка света
отсутствует . Лучи в пучке света идут параллельно, тогда как
обычно они расходятся во всех направлениях . Лазерный свет
монохромен, т . е . обладает малым разбросом частот, а в идеале имеет одну частоту . Обычный свет излучается в широком
диапазоне частот . Стало быть, луч лазера может отражаться
и преломляться, не превращаясь в радужный спектр . Также
его можно точно сфокусировать без рассеивания оптической
мощности .
Первым же источником такого излучения был не лазер,
а мазер — от аббревиатуры MASER (Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation — усиление микроволн (радиоволн сантиметрового диапазона) с помощью вынужденного
излучения) . Принцип работы мазера тот же, что и у лазера .
Источник энергии — обычно свет или электричество — поступает в «генерирующую среду», заставляя электроны переходить на более высокие орбиты . При возврате электронов
на низкие орбиты атомы испускают складывающиеся в пучок
кванты света . Генерирующая среда часто представляет собой
кристаллы, например сапфир . Идея мазеров получила практическую реализацию в 1953 году, а к 1957 году были разработаны первые оптические квантовые генераторы (лазеры) .
Строго говоря, эта разработка должна была получить название loser (Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation —
оптические осцилляции вынужденного излучения), но двусмысленное имя не прижилось .

194

СемейСтВо
нейтрино
При радиоактивном распаде протон иногда переходит в нейтрон и наоборот, изменяя атомный номер . Специалисты по
квантовой физике обнаружили, что в спектре электронов при
бета-распаде нарушается закон сохранения энергии!
При альфа-распаде ядра испускают альфа-частицы, состоящие
из двух протонов и двух нейтронов . Атомный номер при этом уменьшается на два, а атомная масса — на 4 а .е .м . (атомная единица массы,
известная как дальтон) . Выяснилось, что существует две формы бетараспада . В первой нейтрон превращается в протон, а поскольку нейтрон нейтральный и чуть тяжелее протона, то избыток массы и заряд
выбрасываются в виде электрона — бета-частицы . Квантовая теория утверждает, что в ядре есть энергетические уровни . Спектр же
электронов бета-распада оказался непрерывным, что означает, что
На схеме показаны оба вида бета-распада. Нейтрино выбрасывается
из ядра под действием слабого ядерного взаимодействия, и потом на
него воздействуют лишь силы гравитации. Но поскольку у нейтрино
бесконечно малая масса, то и гравитация едва ли влияет на нее.
Углерод-14

Азот-14
Электрон

6 протонов
и 8 нейтронов
Углерод-10

Антинейтрино
7 протонов
и 7 нейтронов
Бор-10
Позитрон
Нейтрино

6 протонов
и 4 нейтрона

5 протонов
и 5 нейтронов

195

нарушаются законы сохранения массы, электронного (лептонного)
заряда, импульса и спина (у альфа-частиц он имел дискретные энергетические уровни) . Предположили, как и в 1920-е годы — когда выявили несоответствие атомного номера и атомной массы, — что виной третья нейтральная частица — нейтрон . Но к 1932 году название
закрепилось за тяжелой нейтральной частицей в ядре атома . Новая
же частица была электрически нейтральна, однако имела малую массу покоя . Тогда Энрико Ферми изменил название на итальянский манер . Получилось «нейтрино» — «нейтрончик» .
Существует еще одна форма бета-распада: протон может выбрасывать позитрон и нейтрино, превращаясь в нейтрон . При электронном распаде возникает антинейтрино (частица антивещества),
при позитронном распаде — нейтрино .
Выделяют также электронный захват —
Детекторы нейтрино распротон ядра захватывает орбитальный
полагают глубоко под
электрон и превращается в нейтрон .
землей, чтобы защитить
Нейтрино участвует в гравитационном
их от нежелательного «завзаимодействии, игнорируя электрогрязнения» другими часмагнитное . Потому эти частицы сложтицами . Этот детектор
расположен в Канаде на
но обнаружить . Лишь в 1956 году зареглубине 2000 метров . Оггистрировали первое антинейтрино, да
ромная сфера заполнеи то опосредованно — по аномальному
на водой, которая при
углу треков связанного с бета-распадом
пролете нейтрино дает
электрона . Установлено, что при бетавспышку черенковского
распаде образуются нейтрино со своим
излучения . Каждую секун«ароматом» — электронные нейтрино
ду Землю пронзает огроми антинейтрино . В реакциях с выбросом
ное количество нейтрино,
мюона (более тяжелый аналог электроно даже в таком огромна) при столкновении частиц высвобоном детекторе регистриждаются мюонные нейтрино и, соответруется лишь ничтожная
доля этих частиц .
ственно, антинейтрино . Их обнаружили
в 1962 году, а в 2000 году наблюдали уже
тау-нейтрино и анти-тау-нейтрино, связанные с таоном (тау-лептоном) — короткоживущим лептоном тяжелее мюона . В 2001 году открыты «нейтринные
осцилляции» — спонтанные превращения электронного, мюонного и таонного
нейтрино друг в друга и в антинейтрино .

196

КВарКи Странные
и оЧароВанные
В 1964 году специалисты по физике частиц осознали, что протоны и нейтроны вовсе не являются элементарными, а состоят
из семейства новых элементарных частиц .
Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо пришли к
заключению, что не только такие тяжелые частицы, как протон
и нейтрон, но также мезоны состоят из нескольких элементарных частиц . Гелл-Манн назвал их кварками, позаимствовав словечко из книги ирландского писателя Джеймса Джойса . Сам
исследователь называл их кворками, но имя не прижилось .

ТРИПЛЕТЫ И ДУПЛЕТЫ
Цвейг и Гелл-Манн предположили, что протоны и нейтроны — наиболее распространенные представители группы
барионов — состоят из трех кварков . Большая часть других
барионов наблюдается лишь в процессе столкновений высокоэнергетических частиц и тут же распадается .
Мезоны каон (К-мезон) и пион (пи-мезон) состоят из двух
кварков . Барионы и мезоны составляют большую группу адКХД (квантовая хромодинамика) — это
теория, которая описывает взаимодействие кварков внутри протонов и других составных частиц . По сути, это
взаимодействие частиц с различным
«цветным зарядом» — квантовым числом, аналогичным элементарному
электрическому заряду, однако имеющим шесть состояний, а не два, и все
это живет очень динамичной жизнью .

197

ронов . Высказывалось предположение, что могут существовать сверхмассивные адроны, состоящие из четырех и даже
пяти кварков, но поиски этих тяжеловесов успехом не увенчались1 . Заметим, что кварк принципиально не может существовать сам по себе .

АРОМАТЫ КВАРКОВ
Существует шесть типов кварков . В литературе их чаще называют по «ароматам»: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный . Кварки первого поколения
(нижний и верхний) наиболее стабильные и легкие . Кварки
второго и третьего поколения в ходе слабого взаимодействия меняют «аромат» и превращаются в кварки первого поколения . Протон состоит из двух верхних и одного нижнего
кварка, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних . Более экзотические барионы (лямбда-барион, сигма-гиперон,
кси-гиперон и омега-гиперон) состоят из других комбинаций
кварков и имеют очень короткое время жизни (некоторые из
них живут триллионные доли секунды, или 10–12 с) . Каждый
кварк электрически заряжен, но его заряд составляет либо
треть, либо две трети элементарного электрического заряда
(заряда электрона), так что сочетание трех кварков, дающее
барион, всегда имеет целое значение электрического заряда
от –1 до +2 .
Мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка и участвуют в работе сложного механизма сильного взаимодействия, которое удерживает в ядре нуклоны (протоны
и нейтроны) . Но на кварковом уровне сильное ядерное взаимодействие передается еще и другими частицами — глюонами
(от англ . glue – клей) . Именно эти векторные калибровочные
бозоны в конечном итоге склеивают наш мир из элементарных частиц .

Существование тетракварков доказано в 2014 году в экспериментах
с БАК . Пентакварки были обнаружены в 2015 году .
1

198

Стандартная
модель
Открытие Дж . Дж . Томсоном в 1897 году электрона стало первым шагом к построению Стандартной модели . В рамках этой
модели предсказаны фундаментальные частицы, обнаруженные в начале 1970-х годов . С их помощью физики надеялись
постигнуть все загадки природы .
Стандартная модель отнюдь не описывает всех взаимодействий и видов материи, например темной . Однако она представляется перспективным путем понимания сути видимой
(барионной) материи и трех видов фундаментального взаимодействия из четырех известных .
Сейчас Стандартная модель рассматривает 17 частиц . Плюс
бозон Хиггса1, открытый в 2012 году на БАК . В начале 1970-х
годов в списке элементарных частиц было много пробелов и,
чтобы поймать более массивные частицы, требовались более
сложные детекторы .

МАТЕРИЯ И СИЛЫ ПРИРОДЫ
В природе выделяют четыре фундаментальные силы, или взаимодействия2 . Гравитационное взаимодействие притягивает
тела на астрономических расстояниях . Это самая слабая сила,
которая не объясняется Стандартной моделью, даже будучи
включенной в нее . Далее идет электромагнитное взаимодействие, отвечающее за притяжение между двумя противоположно заряженными частицами и отталкивание одноименных
зарядов, что верно и в отношении полюсов магнита . Эта сила
действует и в макроскопических масштабах .
В конце 2015 года обнаружили второй бозон Хиггса, предсказанный
суперсимметричными расширениями Стандартной модели .
2
Поле Хиггса признали и называют пятым фундаментальным взаимодействием .
1

199

Слабое ядерное взаимодействие проявляется на расстояниях меньше атомного ядра и участвует в так называемых
слабых распадах частиц и бета-распаде, когда из ядер атомов выбрасываются электроны . И наконец, существует сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает нуклоны
в ядрах . Оно самое сильное, но и самое короткодействующее .
Стандартная модель разделяет элементарные частицы на
фермионы, на которые действуют силы (и распространяется запрет Паули), и бозоны, которые переносят силы между фермионами . Среди фермионов выделяют шесть кварков (три с электрическим зарядом 1/3 и еще три — с зарядом 2/3 в единицах заряда
электрона), а шесть лептонов внутренней структуры не имеют
и представлены тремя поколениями нейтрино своего «аромата»
и соответственно тремя связанными с ними заряженными частицами . Единственным стабильным лептоном является электрон .
Кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет .
Фермионы

2/3

верхний

очарованный

-1/3

нижний

νc

электронное
нейтрино
-1

электрон

I
Кварки

200

-1/3

странный
0

νμ

мюонное
нейтрино
-1

мюон

II
Лептоны

Бозоны

2/3

истинный
-1/3

прелестный
0

ντ

таунейтрино
-1

тау

III

фотон

глюон
0

Z-бозон

w±

±1

W-бозоны

На рисунке показаны
17, без бозона Хиггса, подтвержденных
элементарных частиц
Стандартной модели (обратите внимание, что W-бозонов
два типа) . Колонки
фермионов показывают соответственно
три «поколения» частиц, причем слева
размещены наиболее
стабильные, а справа — более короткоживущие . Каждая
частица имеет античастицу, и вместе со
всеми античастицами
и составными частицами модель описывает 61 частицу .

Исследования
в рамках Стандартной модели требуют
самых больших и дорогих
лабораторий
в мире, таких
как компактный мюонный
соленоид в составе Большого адронного
коллайдера.

По всем взаимодействиям, кроме гравитационного и без
учета бозона Хиггса, можно насчитать только пять бозонов . Сильное взаимодействие переносится глюонами (всего, предположительно, 8 независимых типов), электромагнетизм передается квантами электромагнитного излучения
фотонами, а слабое взаимодействие — тремя калибровочными бозонами . Из них W-бозоны (положительно и отрицательно заряженные) осуществляют взаимодействие лептона и его нейтрино и выталкивают тяжелые лептоны из
массивных частиц, подобно тому как выбрасываются электроны из ядер в процессе бета-распада . Z-бозон переносит
обменное взаимодействие электрона и электронного нейтрино, за счет чего те вылетают из ядра . В случае альфараспада действуют сильное и электромагнитное взаимодействия, выталкивая альфа-частицу из ядра . Недостающим
элементом в этой системе является гравитация — сила
притяжения между любыми фермионами без исключения1 .
Были предложения назвать бозон, передающий гравитационное взаимодействие, гравитоном . Но он столь мал, что
пока его никто не нашел .
Бозоны определенно подчиняются гравитации, однако квантовая теория гравитации, которая должна описывать действие гравитационного
взаимодействия в квантовом пределе, еще не разработана .
1

201

теория СтрУн
Хотя в первой половине XX века физика сделала огромный
шаг вперед, современная физика до сих пор остается раздробленной на две большие, но тесно связанные области . Квантовая теория изучает Вселенную на атомном уровне, тогда как
теория относительности работает во всех других масштабах,
включая галактические . Но можно ли сплести две эти ветви
физики в Теорию всего?
Увы, простого ответа на этот вопрос нет . Альберт Эйнштейн потратил последние четыре десятилетия своей научной жизни на то, чтобы найти связь между квантовым миром
и миром макроскопических масштабов, но потерпел неудачу . Попытки построения Теории всего не оставляются и по
сей день . Самый большой раскол прошел между двумя теориями гравитации, поскольку три остальных фундаментальных взаимодействия хорошо объясняются в рамках Стандартной модели . Гравитация по-настоящему может быть понята
только в астрономических масштабах, где властвует теория
относительности .
Еще в конце 1960-х годов была предложена теория струн,
которая на самом деле представляла целое семейство различных теорий, предлагавших свой математический подход
к этой проблеме . В теории струн для связи квантовых волновых форм с релятивистским искривлением пространства
используются сложные математические приемы . Сама идея
этой теории была вдохновлена топологией — построениями на искривленном пространстве неэвклидовых геометрий,
где углы и длины не находятся в таком согласии, как в планиметрии . Построения геометрии Лобачевского и сферической геометрии являются важными для объединения двух
физических теорий .
Квантовые теории представляют субатомные частицы как
точки — нульмерные объекты . Теория струн предлагает рассматривать их как одномерные объекты, или струны . Такие
свойства квантовых частиц, как спин, заряд или «аромат», исследователи представляют колебаниями струн . Однако, чтобы

202

струна не просто колебалась из стороны в сторону и сверху
вниз, в теорию пришлось ввести дополнительные измерения,
и в самой последней редакции 11 измерений . Это могут быть
компактные измерения, существующие только на квантовом
уровне, или же дополнительные пространственные измерения вселенского масштаба, которые наш трехмерный ум вряд
ли сможет постичь . Однако предположения теории струн,
за исключением одного, очень трудны для экспериментальной проверки . Речь идет о суперпартнерах известных элементарных частиц, которые связывают весь комплекс частиц
в суперсимметричную общность . (Гипотетическая симметрия
Ферми — Бозе должна связать бозоны и фермионы .) В настоящее время ведущие мировые центры изучения элементарных частиц занимаются поиском суперпартнеров для частиц .
Будут ли эти загадочные частицы найдены?
Теория струн предлагает нам представить материю, состоящую
из бурлящего клубка «бесконечно тонких колеблющихся нитей».

203

иЗлУЧение
хоКинга
Черные дыры сложно обнаружить . Первые свидетельства их существования
начали появляться с 1971 года . И вскоре
английский физик Стивен Хокинг осознал, что физика черных дыр подходит
для изучения относительности и квантовой физики одновременно .
Еще в XVIII веке французский ученый-энциклопедист Пьер-Симон Лаплас предположил существование corps
obscure — космических объектов, притяжение которых столь велико, что убежать от них можно лишь со скоростью
выше скорости света . В современной
терминологии
это означает, что даже
Предполагаемое Стивеном
свет
не
может
вырваться
из этого гравиХокингом излучение черных
тационного колодца и, как результат, во
дыр пока еще эксперименВселенной формируются в подлинном
тально не наблюдалось.
смысле этого слова черные дыры .
Однако оно приводит ученых к мысли, что черные
В 1915 году Карл шварцшильд расдыры могут «испаряться». считал, насколько малым должно быть
космическое тело заданной массы, чтобы вторая космическая скорость на поверхности равнялась
скорости света . Соответственно, радиус такого тела стал называться радиусом шварцшильда, или гравитационным радиусом, и для тела земной массы он составил 9 миллиметров
(0,35 дюйма) . Если нашу Землю сжать до таких размеров, то
она станет гравитационным колодцем, но настоящие черные
дыры могут быть даже плотнее . Они формируются, когда огромные звезды коллапсируют под действием сил гравитации
буквально в песчинку . Такие компактные объекты получаются достаточно массивными, чтобы в соответствии с теорией
относительности Эйнштейна искажать пространство-время,

204

однако они и достаточно малы, чтобы подчиняться законам
квантовой физики .
Наверное, вы уже решили, что если что-то пересечет «горизонт событий» и упадет в черную дыру, то уже никогда не
вернется обратно . Однако в 1974 году Стивен Хокинг предположил обратное . Действующее в квантовом мире соотношение неопределенностей делает возможным на очень короткое
время1 (~10–43 сек) существование виртуальных частиц и античастиц, которые непрерывно образуются, а затем аннигилируют друг с другом . Если пара виртуальных частиц образуется на
горизонте событий, то она неизбежно будет разделяться силами гравитации . Одна из частиц будет затягиваться в черную
дыру, а другая — выбрасываться наружу, образуя излучение
Хокинга . Даже черные дыры могут «испаряться», теряя по этому механизму массу .

Черные дыры затягивают в себя всю
окружающую материю, «выметая»
ее из пространства. Когда материя
затягивается за горизонт событий,
она сильно разогревается, давая исследователям возможность увидеть
в принципе невидимый объект.

Оно соизмеримо с планковским временем 5,4 × 10–44 сек . На отрезках
времени меньше планковского времени современная физика не работает .
1

205

темная энергия
Фриц Цвикки, прославившийся открытием темной материи, известен также исследованиями взрывов сверхновых . В 1998 году
в ходе самого масштабного исследования сигнатур яркости
взрывающихся сверхновых открылась еще одна темная правда .
В конце XX века на все, что мы знали о пространстве и материи, легла зловещая тень . На протяжении 70 лет ученые знали лишь то, что Вселенная с момента Большого взрыва расширяется и, очевидно, это расширение должно замедляться за
счет сил гравитации . Оставался вопрос: достаточно ли во Вселенной материи (включая темную), чтобы остановить расширение? Либо Вселенная слишком огромна, чтобы силы гравитации могли противостоять ей?

НАБЛюДЕНИЕ ЗА ТЕМНОЙ МАТЕРИЕЙ
Темная материя была и остается загадкой . Поскольку силы гравитации пропорциональны массе, астрономы могут измерить,
с каким темпом гравитация замедляет расширение Вселенной,
чтобы оценить возможную массу темной материи . Исследования астрофизики начали с наблюдения сверхновых типа 1a .
Сверхновыми называют взрывы, которые происходят внутри
звезд определенных размеров и массы . Они всегда намного тяжелее нашего Солнца . Именно на стадии 1a (ее определяют по
сильным линиям ионизированного кремния) сверхновая достигает этой массы и переживает термоядерный взрыв . Формируются такие звезды из двойных систем, куда входят обычная
звезда и белый карлик (компактные «остатки» звезд, лишенные собственных источников термоядерной энергии) . Вещество с обычной звезды, которая всегда крупнее, привлекается
более тяжелым белым карликом, пока его масса не достигнет
предела Чандрасекара . Затем происходят гравитационный коллапс и вспышка сверхновой . Сверхновые категории 1а обладают одинаковой максимальной светимостью из-за однородной
массы белых карликов, которые взрываются по механизму пе-

206

ретекания материи, или аккреции . Такие звезды используются
как стандартные измерители («стандартные свечи») расстояния
до галактик, где находятся, поскольку визуальная звездная величина сверхновых зависит прежде всего от расстояния . Красное смещение света этих звезд показывает, с какой скоростью
они удаляются от нас, и отчасти указывают на расстояние, поскольку теория предсказывает, что более удаленные объекты
(свет от которых более «старый») имеют большее значение красного смещения по сравнению с более близкими объектами и
их «молодым» светом . Так можно рассчитать влияние гравитации на скорость расширения Вселенной .
Исследования выявили немало удивительного . Темпы расширения Вселенной не только не замедляются, но даже ускоряются! Поэтому предположили существование иной, совершенно неизвестной силы, которая способна расталкивать материю .
Хотя эту силу назвали темной энергией, физики до сих пор не
уверены в ее существовании . Дело в том, что она равномерно наполняет Вселенную и начинает проявлять себя лишь на
огромных масштабах пространства-времени, которое представляется нам в иных отношениях пустым . Более того, темная
энергия становится больше по мере того, как Вселенная расширяется, и через много миллиардов лет она возрастет настолько,
что будет разделять атомы на «бульон» из субатомных частиц .

Концепция темной энергии полностью изменила представления о Вселенной — и о ее смерти . Некогда думали, что «Большое сплющивание» — логичный исход, поскольку гравитация
способна стянуть вещество Вселенной в огромную черную дыру .
Теперь ученые говорят
о «Большом разрыве»:
темная энергия грозит
разорвать все звезды,
планеты и атомы .

207

В ПоиСКах
боЗона хиггСа
До 2012 года в Стандартной модели не
хватало одного критического элемента .
Отсутствовал механизм, который бы давал материи инертную массу . Чтобы найти ее, под землей между швейцарией
и Францией готовился масштабный эксперимент .
Не все субатомные частицы имеют
массу покоя . Так, ненулевую массу имеют кварки, составляющие протоны и нейтроны, и лептоны, в число которых входят
Питер Хиггс — самый изэлектроны и нейтрино . Масса часто ассовестный ученый из тех,
кто предсказал существо- циируется с весом объекта (т . н . гравитационной массой), хотя она отвечает таквание нового бозона. Одже за способность тела сопротивляться
нако пять других физиков
могли бы предъявить пра- действию силы (т . н . инертная масса) . Вес
ва на частицу. В 1964 году
обусловлен силами гравитации — самым
Франсуа Энглер и Роберт
слабым фундаментальным взаимодейстБраут, а уже затем Пивием в природе . Но материя подвержена
тер Хиггс сформулировали и другим силам природы . Среди них сильидею спонтанного нарушеное ядерное взаимодействие, которое
ния симметрии, названудерживает нуклоны в ядре, слабое взаиную «механизм Браута —
модействие, которое обусловливает бетаЭнглера — Хиггса». Позже
распад . Есть также и электромагнетизм,
мысль высказывали Джекоторый удерживает электроны в атоме .
ральд Гуральник, Карл ХаВсе эти силы возникают в обменген и Том Киббл.
ных взаимодействиях, и происходит
обмен особыми частицами, переносчиками силы, называемыми бозонами, которые передают энергию от одного тела
другому . В 1964 году Питер Хиггс и еще ряд исследователей
предположили, что существует бозон, который отвечает за
инертную массу материи . Создаваемое этими бозонами «хиггсовское поле» появилось на самом раннем этапе после Боль-

208

шого взрыва, когда энергия начала превращаться в материю .
В 2008–2011 годах на Большом адронном коллайдере (БАК)
в ЦЕРНе (швейцария) проверялась и эта идея . Самый мощный
из существующих ускорителей частиц позволяет сталкивать
протоны друг с другом и с тяжелыми ионами почти со скоростью света . Интенсивность высвобождения энергии при этом
должна быть соизмерима с наблюдавшейся сразу после Большого взрыва . К 2012 году ученые ЦЕРНа получили доказательства существования хиггсовского поля . То есть теория Питера
Хиггса верна, хотя природа самих бозонов Хиггса, как и бозонов вообще, все еще остается неясной . Время жизни бозона
Хиггса, по последним данным, 1,56 × 10–22 секунды .
БАК имеет протяженность 27 км. Его строили 10 лет, потратив
6 млрд долларов (строительство началось в 2001 году, и к концу
2009 года бюджет составил 6 млрд долларов). Два встречных пучка
протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) диаметром меньше 1 мм
поворачиваются в кольце сверхпроводящими магнитами (для чего
их охлаждают жидким гелием до 80 K) в вакууме и сталкиваются
внутри четырех детекторов частиц.

209

теория
КоСмиЧеСКой
инФляции
Теория Большого взрыва несет сложную идею: в первое мгновение существования вселенной незыблемые сейчас законы физики были иными . В 2014 году телескоп южного полюса
обеспечил ученых первыми доказательствами этого .
Суть теории Большого взрыва в том, что Вселенная расширяется . Но если исходить из размера и структуры Вселенной, которые
мы наблюдаем сегодня, то в ранней Вселенной законы физики нарушались . В 1980 году космолог Алан Гут предложил теорию космической инфляции, выросшей в инфляционную модель Вселенной .
Модель допускала, что Вселенная расширилась из бесконечно малой точки в нечто размером чуть больше грейпфрута . И из этого семени за 14 миллиардов лет выросла Вселенная, какой мы ее сейчас
знаем . Законы ее роста и изучает космология . Однако теория космической инВ рамках эксперимента
фляции требует, чтобы на начальном
BICEP2 телескоп южного
этапе Вселенная расширялась со скополюса два года регистриростью, превышающей скорость света .
ровал радиоволны, исхоВ такой Вселенной должна действовать
дящие от различных участ«обратная гравитация», которая расталков южного неба . Сухой
и свободный от пыли возкивает массы, а не притягивает их . Воздух Антарктиды создает
можно, так и было малые доли секунды .
оптимальные условия для
Теория утверждает, что это не могло не
наблюдения в миллимеоставить турбулентности в гравитационтровом и субмиллиметроном поле Вселенной . И в 2014 году телевом диапазоне радиоволн .
скоп южного полюса в рамках программы BICEP2 (Background Imaging of Cosmic
Extragalactic Polarization — исследование
поляризации реликтового излучения),
нашел в реликтовом излучении следы
этой турбулентности . Но позже выяснилось, что то была пыль в Млечном Пути .

210

граВитационные
Волны
В 2016 году телескопы LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave
Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория) окинули Вселенную свежим взглядом .
Речь уже не идет о свете или другой форме излучения: астрономы зафиксировали волны, создаваемые гравитацией .
До 1935 года о Вселенной судили по свету, который она
посылает . Затем Карл Янский, американский радиоинженер,
показал, что за ней можно следить при помощи радиоволн
и в принципе любых форм излучения . В 2016 году наблюдения
сосредоточились на гравитационных волнах, и этот способ открывает новые горизонты .
Теория относительности Эйнштейна прогнозировала, что
сила гравитации между телами породила волны во времени и пространстве . Звук распространяется как волна, которая
растягивает и сжимает среду, скажем воздух или воду . Свет
также перемещается как волна вибраций в электромагнитных полях . Другими словами, звук — это возмущение среды,
а свет — это возмущение электромагнитных полей, которые
заполняют Вселенную . Гравитационное поле также присутствует во Вселенной, и массивные объекты, перемещаясь, создают колебания в этом поле . Согласно теории относительности,
они деформируют ткань пространства-времени, и эта деформация распространяется в пространстве со скоростью света .
Любой объект вызывает подобные искажения, которые пропорциональны его размеру . В обсерватории LIGO присмотрелись к значительным гравитационным волнам, исходящим от
двух черных дыр, вращающихся друг вокруг друга . LIGO была
спроектирована для наблюдения за гравитационными волнами путем измерения расширения и сокращения пространствавремени . Это достигается посредством лазеров, направленных друг на друга . Если пространство не изменяется, лазеры
вмешаются и нейтрализуют друг друга . Если прокатывается
гравитационная волна, луч одного из лазеров пройдет немно-

211

го отличное расстояние, что будет заметно на картине его взаимодействия с другим лазером . Чтобы исключить воздействие
земных вибраций, вызывающих колебания приборов, оборудовали две обсерватории: в Луизиане и Вашингтоне . Гравитационные волны будут одинаковыми, но сейсмическая активность в этих местах будет разной, что позволит определить
диапазон отклонений . В 2016 году, через 16 лет исследований,
LIGO смогла зафиксировать гравитационные волны от черных
дыр . Что же дальше? eLISA, космический телескоп для наблюдения за гравитацией во Вселенной, как планируют, будет отправлен на орбиту в 2030-х .
Художественное воплощение гравитационных волн от черных дыр,
наблюдавшихся LIGO: они вращались друг вокруг друга и наконец слились 14 сентября 2015 года.

212

ФиЗиКа:
оСноВы
Итак, что же нам дали все эти открытия? Физика дала нам понимание того, что происходит даже в отдаленных уголках Вселенной, и позволяет анализировать явления, почти недоступные для наблюдения . Ниже приведено краткое изложение
основ физики для всех интересующихся .

ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГИЯ?
Начнем с самого главного вопроса . Энергия — это то, благодаря чему все случается во Вселенной . Любой объект обладает энергией, потому что масса тоже является формой энергии .
Энергия не может быть создана или уничтожена, и ее количество во Вселенной сейчас такое же, как в начале времен . Энергия может переходить от объекта к объекту и менять свои
формы . Такое течение энергии делает Вселенную динамичной
и постоянно меняющейся .

МАССЫ И СИЛЫ
Что такое сила?
Сила — это то, что переносит энергию от одного объекта
к другому, меняя в процессе этого характер движения или
состояние объекта . Это может быть изменение скорости,
направления движения или формы объекта . В природе существуют четыре силы, или, как говорят, фундаментальных
взаимодействия . Сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе нуклоны (протоны и нейтроны) в атомном ядре .
Слабое ядерное взаимодействие участвует в бета-распаде
атомных ядер . Электромагнитное взаимодействие заставляет притягиваться противоположно заряженные частицы,
а одноименные — отталкиваться . И наконец, гравитация как

213

Отскакивающий мячик движется по закругленной траектории, поскольку получил боковой импульс, или скорость. Однако направленная вниз сила тяжести также заставляет его падать, и наложение
движений дает закругленную траекторию.

сила притяжения между двумя массами . Сильное и слабое
взаимодействия действуют исключительно в масштабах атома, гравитацию мы чувствуем как притяжение к Земле . Если
мы надавим рукой на любую поверхность, то почувствуем
и электромагнитную силу . Отрицательно заряженные электроны атомов поверхностного слоя нашей руки отталкиваются от таких же электронов поверхности . Электроны не объединяются, поскольку электромагнитные силы расталкивают
их в стороны .
Что такое масса?
Все объекты имеют массу, наилучшим определением которой
является способность сопротивляться действию сил . Тяжелые объекты с большой массой требуют большей силы, чтобы
сдвинуть их с места, а легкие — меньшей . Это свойство массы
называется инерцией . Именно она проявляет себя, когда в отсутствие сил тело сохраняет покой, а также скорость и направление своего движения . Если характер движения изменился,
значит, действует сила . В физике принято считать, что энергия
переходит к другому телу, когда на него действует сила, и в таком случае говорят о «работе» . Работа вычисляется умножением силы на расстояние .

214

ФОРМЫ ЭНЕРГИИ

Акустическая
Переносится
волнами упругости при прохождении через
среду. Наше ухо
воспринимает
акустические
колебания как
звук.

Электрическая
Энергия, передаваемая
электронами и другими
электрически заряженными частицами
в форме тока,
текущего через
проводник.

Кинетическая
энергия
Энергия движения. При столкновении тела
передают друг
другу именно
кинетическую
энергию.

Ядерная энергия
Энергия, хранящаяся в ядрах атомов.
Она выделяется при делении
и слиянии ядер,
а также при радиоактивном
распаде.

Излучаемая
Переносится
светом и другими волнами
электромагнитного излучения, такими
как гамма-лучи
или инфракрасное излучение.

Тепловая
Энергия движения атомов
и молекул внутри вещества.
Тепловая энергия оказывает
воздействие на
вещество, нагревая его.

Химическая
энергия
Выделяется или
поглощается
в процессе химической реакции.
Она расходуется на разрушение прежних химических связей
и выделяется
при образовании новых.

Потенциальная энергия
Вода на вершине водопада
обладает потенциальной
энергией, которая превращается в кинетическую энергию
(энергию движения) при падении воды вниз.

215

ДВИЖЕНИЕ
Скорость и ускорение
В физике особое внимание направлено на точность описания характера движения . Например, быстроту перемещения не всегда
можно назвать скоростью . Конечно, скорость — это расстояние,
которое проходит объект за единицу времени . Однако быстрота
перемещения не учитывает векторный (направленный) характер этого перемещения . Соответственно, два объекта, которые
движутся с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, будут иметь относительно друг друга удвоенную скорость .
Объект продолжает двигаться с постоянной по величине
и направлению скоростью до тех пор, пока на него не начнет
действовать сила . Наиболее близкий для нас пример — это
сила сопротивления воздуха, или сила трения, которая неизбежно заставляет тело останавливаться, если только на него
не действует другая сила, постоянная либо периодическая .
В вакууме даже при отсутствии таких подстегивающих сил
тела способны сохранять характер движения . Если же будет
приложена сила, результатом станет ускорение тела, которое
измеряется быстротой изменения скорости . Большая сила вызывает большее ускорение, меньшая — меньшее ускорение .
Поворот за угол изменяет скорость, даже если быстрота движения
остается той же. В случае этого мотоцикла силу производит мотор, а результатом становится боковое (центростремительное)
ускорение, которое и изменяет скорость, придавая мотоциклу новое
направление.

216

Количество движения, или импульс
Объект способен сохранять характер движения благодаря своему импульсу . Импульс является мерой механического
движения тела и вычисляется как масса, умноженная на скорость . (Чем больше масса
и скорость, тем больше импульс .) Чтобы остановить движущееся тело, нужно лишить его импульса, для чего противоположная движению сила
должна передать ему энергию . Как только количество движения станет равно нулю, тело остановится . Однако импульс все
равно сохранится, он просто перейдет на другой объект (например, руку или стенку), который передавал силу .
Закон сохранения количества движения (импульса) является лучшим доказательством того, что энергия не создается
и не уничтожается — она лишь переходит между массами .
Сила притяжения
На поверхности Земли или рядом с ней сила притяжения проявляет себя в любом движении тел . Эта сила, еще называемая силой тяготения, стремится притянуть все, что имеет массу . Действует она и на огромных расстояниях между звездами и даже
галактиками, однако на Земле мы практически чувствуем лишь
притяжение нашей планеты . Сила притяжения действует между
Землей и любым объектом на ней . Очевидно, что масса планеНа рисунке, заимствованном из «Матема2
4
тических начал натуральной философии»
1
Исаака Ньютона, показана гипотетическая пушка, которая выстреливает ядром 1 ниже первой космической ско3
рости, так что оно падает на Землю по
параболической траектории . Ядро 2 имеет первую космическую скорость и остается
спутником Земли . Ядро 3 имеет вторую космическую скорость
и покидает Землю по широкой параболе . Ядро 4 имеет скорость
выше второй космической, так что покидает Землю по гиперболической траектории .

217

В своей речи мы привыкли не различать
понятия массы и веса.
Однако на Луне, где
сила тяжести меньше, та же масса будет
весить меньше.

ты неизмеримо больше даже в сравнении с самым большим объектом на поверхности Земли, так что смещение Земли навстречу
этому объекту получается бесконечно малым, практически нулевым . С другой стороны, эта сила вносит существенные изменения в движение других объектов — падающих птиц, парашютистов или метеоров . Все это с ускорением устремляется к Земле .
Центробежная сила
Силы тяготения, также называемые гравитацией, удерживают
Луну на орбите вокруг Земли, а с ней и мириады искусственных
спутников . Но какая сила удерживает их на орбите в круговом
движении и может ли сила притяжения давать не падение, а круговое движение? Секрет в том, чтобы тела на орбите были разогнаны до больших горизонтальных скоростей относительно поверхности Земли1 . Если вертикальная составляющая движения,
обусловленная силой тяжести, пересиливает горизонтальную
составляющую, то тело рано или поздно упадет на поверхность
Земли . Но если пересилит горизонтальная составляющая, то
тело не упадет на планету, а станет ее искусственным спутником . При дальнейшем увеличении скорости тело покинет и эллиптическую орбиту вокруг планеты . Первая скорость, когда
тело перестает падать на Землю и выходит на орбиту, называется первой космической скоростью, а вторая скорость, когда тело
покидает и вытянутую орбиту, называется второй космической
скоростью . При скорости, равной первой космической скорости, тело вращается на постоянной высоте по круговой орбите .
Эта горизонтальная скорость создает центробежную силу, противоположную притяжению .
1

218

Вес и масса
Вес создает именно сила тяжести, которая притягивает тело
к Земле и заставляет его давить на опору . Где бы вы ни были,
ваша масса остается постоянной, но вес зависит от силы
притяжения . Например, Луна легче Земли, и сила тяжести
(т . е . притяжение) на ней составляет 1/6 от земного значения .
Космонавт весом 60 килограммов сохранит свою массу, но на
Луне будет весить словно1 10-килограммовый на Земле .

ВОЛНЫ
Волны представляют собой колебательные процессы, которые переносят энергию из одного места в другое . Одни волны, такие как звуковые и сейсмические колебания, нуждаются в среде распространения . Другие, такие как луч света, нет .
Существует два основных типа волн, или колебаний . Поперечные волны (например, свет) колеблются перпендикулярно
направлению своего распространения, а продольные (например, звук) — вдоль направления распространения . Звуковая волна представляет собой чередование областей сжатия
и разрежения .
Измерение параметров волн
Для волн можно определить длину волны, частоту, скорость
распространения и амплитуду . Длина волны — это расстояние, которое проходит фронт волны за время одного колебания . Частота — это расстояние в длинах волн, которое проходит фронт волны за единицу времени . Скорость показывает,
с какой быстротой перемещается фронт волны . Если волна
имеет постоянную скорость распространения (как свет), то ее
длина обратно пропорциональна частоте2 . И наконец, амплитуда — это просто максимальный размах колебаний .
Вес измеряется в единицах силы (ньютонах) реакции опоры, т . е . на
орбите будет невесомость .
2
Длина волны всегда обратно пропорциональна частоте с коэффициентом пропорциональности, равным скорости распространения
волны .
1

219

направление
распространения

ПОПЕРЕЧНАЯ ВОЛНА

колебания перпендикулярны
направлению распространения
ПРОДОЛЬНАЯ ВОЛНА
сжатие
разрежение

Мощность волны (количество энергии, переносимой в единицу времени) определяется амплитудой при условии, что все остальные параметры волны постоянны. Хороший пример тому звук: у более громкого звука бо2льшая амплитуда колебаний.
Высокая
амплитуда
Средняя
амплитуда
Низкая
амплитуда
λ

гребень
λ

впадина

Внизу: длина волны (λ) всегда постоянна, в каком бы
месте мы ее ни измеряли .

λ
Низкая
частота

λ
При снижении длины
волны (λ) и сохранении
скорости распространения частота колебаний возрастает.

220

λ
Высокая
частота
время

ОПТИКА
Отражение и преломление
Оптика изучает закономерности поведения лучей света . Закон
отражения утверждает, что угол падения луча равен углу отражения, причем эти лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к точке падения . Не будь этого закона, отраженные
лучи перепутывались бы и мы не смогли бы видеть отражение
в гладких поверхностях . В случае преломления луч по определенному закону меняет свое направление при прохождении
границы между двумя средами . Именно так линзы фокусируют лучи своей искривленной поверхностью — параллельные
лучи падают на них в разных точках под различными углами .
Углы преломления тоже получаются различными, и лучи собираются в одной точке .
x

Зеркало формирует так называемое
«мнимое» изображение, возникающее
на том же расстоянии в глубине зеркала, что и у объекта перед зеркалом.

Пример использования
отражения и преломления.

221

Фокусное расстояние

Ось

Фокальная точка,
или фокус

Фокусное расстояние линзы зависит от ее кривизны. Большая кривизна заставляет лучи собираться ближе к линзе и уменьшает фокусное
расстояние.
Белый свет содержит
все цвета

Черная поверхность
Никакие цвета
не отражаются

Белый свет

Белая поверхность
Белый цвет
отражается

Белый свет

Красная поверхность
Красный цвет
отражается

Цвет тела зависит от того, как он отражает и поглощает падающий на
него белый свет. Черный цвет означает отсутствие света, так что черные тела поглощают все цвета. Белые тела отражают все цвета, так что
их цвет зависит от того, какой длины излучение они отражают.

Интерференция
Подобно всем волнам, свет также способен давать интерференционные узоры . Узор возникает, поскольку волна в разных
точках имеет различные фазы . При наложении волн в фазе получается одна волна с удвоенной амплитудой, а при наложении в противофазе волны гасят друг друга .

222

Наложение
в фазе

Наложение
максимумов
и минимумов

Наложение
в противофазе

Максимумы
и минимумы
гасят друг друга

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
С 1820-х годов стало ясно, что электричество и магнетизм —
это две стороны одного явления, и получило это явление название «электромагнетизм» . Основывается это явление на
силах, которые удерживают отрицательно заряженные электроны вблизи положительно заряженных ядер атомов . Оказалось, что эти же силы позволяют получать электрический
ток — поток электронов или других заряженных частиц . Через проводники электроток проходит, поскольку в них есть
способные двигаться свободные электроны . Если материал
не проводит электричество, он называется изолятором . ЭДС
(электродвижущая сила), приложенная к проводнику, создает в нем электрический ток . При этом образуется магнитное
поле и проводник превращается в магнит, оставаясь им, пока
течет ток .
Закон Ома
На этом рисунке показано, как использовать закон Ома для
расчета силы тока, напряжения, электросопротивления и, наконец, мощности электрического тока . Зная одни параметры,
можно вычислить другие .
Магнитное поле
Так называется окружающее магнит силовое поле . Для наглядности его еще представляют в виде линий действия силы, соединяющих северный (N) и южный (S) полюса магнита . У полюсов, где линии силового поля расположены более тесно,
магнитное поле самое сильное . Дальше, где плотность линий
меньше, влияние магнитного поля снижается .

223

P — мощность . Количество
энергии, которую передает электроток за единицу
времени .
I2 x R

I — сила тока . Она определяет, какой заряд проходит
через сечение проводника
за единицу времени .

P
V

√P
R

VxI
P
I
ватт ампер
(Вт)
(А)
V
R
вольт
(V) ом (Ω)

V2
R
P
I
√P x R

IxR

V2
P

V
R
P
I2
V
I

R — электросопротивление . Оно показывает, какая
электродвижущая сила необходима, чтобы заставить электроны течь по проводнику .

V — напряжение . Оно показывает, какая электродвижущая сила толкает электроны
через сечение проводника .

Подобно электрическим силам, магнетизм также подчиняется закону притяжения противоположностей . Северный полюс
магнита будет притягиваться к южному полюсу другого магнита, тогда как одноименные полюса отталкиваются . Этот момент
обозначен на диаграмме стрелками на линиях силового поля .
Если стрелки указывают в одном направлении, то магниты притягиваются . Если стрелки на линиях смотрят в противоположных направлениях, то магниты отталкиваются .
Линии силового поля

ПРИТЯЖЕНИЕ

224

ОТТАЛКИВАНИЕ

ТАбЛИЦА ФИЗИЧЕСКИХ ФОРМУЛ

Величина
Ток

Описание
Напряжение
сопротивление

Формула
V
I = R

Ток × сопротивление

V =

Напряжение
ток

R =

V
I

Работа
время

P =

W
t

Расстояние
скорость

t =

d
v

Скорость × время

d =

Скорость

Расстояние
время

v =

s
t

Ускорение

(Конечная скорость – начальная скорость)
время

a =

v2 – v1
t

Сила

Масса × ускорение

F =

Импульс

Масса × скорость

p =

Давление

Сила
площадь

P =

F
A

Плотность

Масса
объем

ρ =

m
V

Объем

Масса
плотность

V =

m
ρ

Масса

Объем × плотность

m =

Vρ

Напряжение
Сопротивление
Мощность
Время
Расстояние

Кинетическая энергия

1/2 массы × квадрат скорости

Ek = 1/2mv2

Вес

Масса × ускорение свободного падения

Wt = mg

Работа

Сила × перемещение в направлении
действия силы

W =

225

нерешенные
ВоПроСы
Физики конца XIX века были уверены, что составили о Вселенной достоверное представление . Как же они заблуждались!
Физики конца XX века не делают столь смелых заявлений .

СМОЖЕТ ЛИ ЧЕЛОВЕК ПОНЯТь
КВАНТОВЫЙ МИР?
Там, где пасуют медики, биологи и психологи, в дело вступают физики . Но могут ли они ответить на все вопросы? Человеческий мозг состоит из миллиардов нейронов, которые
образуют триллионы связей . Мозг человека, а возможно,
и других развитых существ, стал не просто центральным
процессором для тела, а инструментом, позволяющим вообразить и осознать абстрактные вещи . Некоторые шутят, что
нас сделала такими квантовая механика, которую мы пытаемся постигнуть . Мы можем выходить за пределы аксиом
и предположений, которые в прошлом составляли основу
повседневной жизни . Отчасти это
объясняет квантовый принцип неопределенности: именно по этой
схеме вырастают наши оригинальные мысли . Но теория — это немного больше, чем оригинальная мысль,
поскольку мысли не требуют доказательства . Возможно, для решения
квантовых задач нам следовало бы
создать квантовый компьютер .
В самой основе пространства–времени
может оказаться простая пена.

226

КАК ГРАВИТАЦИЯ РАБОТАЕТ
НА КВАНТОВОМ УРОВНЕ?
Считается, что гравитация — это функция пространства и
времени . Это положение общей теории относительности .
ОТО показала, как масса искривляет пространство-время, а
тяготение является результатом искривленной геометрии
этого пространства . ОТО прекрасно работает на больших
расстояниях, галактических и межгалактических, хотя может
объяснить и падение яблока . Но как можно соотнести гравитацию и прочие фундаментальные взаимодействия, действующие на квантовом уровне, с другой стороны шкалы
масштабов?1 В мире субатомных частиц гравитационные эффекты будут слишком слабы и недоступны для наблюдения,
и наша единственная надежда — построение Теории всего,
которая объяснит гравитацию в масштабах квантового мира .
Один из кандидатов — теория петлевой квантовой гравитации (ПКГ) с идеей дискретного пространства-времени на субатомном уровне и новыми кирпичиками мира — гипотетическими преонами, из которых состоят кварки и лептоны . Суть
та же: материя состоит из неделимых элементарных частей .
Вначале это были атомы, теперь — кварки . Теория ПКГ утверждает, что пространство состоит из преонов, представленных
в виде брэдов (переплетений волокнистого пространствавремени), причем масштаб ячеек этой спиновой сети соизмерим с планковской длиной . Сказать, что это очень малый
масштаб, значит не сказать ничего: все, что меньше, попросту теряет физический смысл . В малом масштабе этой спиновой сети пространство-время больше не искажается массами, и это позволяет представлять гравитацию как на больших
масштабах, так и в квантовом пределе вместе с остальными
фундаментальными силами природы . С добавлением времени линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии . И спиновые сети превращаются в спиновую пену .
Строго говоря, на квантовом пределе действуют только сильное
ядерное и слабое ядерное взаимодействия .
1

227

МОЖЕМ ЛИ МЫ ПРОЛИТь СВЕТ
НА ТЕМНЫЙ ПОТОК ВСЕЛЕННОЙ?
В 2008 году при исследовании реликтового излучения заметили странное согласованное движение скоплений галактик, состоящих из многих миллиардов звезд . Они двигались в одном
направлении, тогда как по стандартной космологической модели движение групп галактик должно быть хаотичным . К тому
же скорость их движения оказалась выше, чем ожидалось . Это
явление назвали темным потоком и предполагают, что галактики притягиваются к огромному объекту, который сейчас находится за пределами видимой части Вселенной . Есть и квантовое
объяснение: за поведение потока может отвечать параллельная
Вселенная, с которой на момент Большого взрыва была спутана
наша1 . Но в любом случае для возникновения такого потока пространство-время должно быть настолько искривлено, что материя соскальзывает в одну сторону . Масштабы искривления указывают на сосредоточенную массу порядка нашей Вселенной .
Недавние исследования космической обсерватории «Планк»
указывают, что темный поток — результат экспериментальной
ошибки ранних наблюдений . Но вопрос остается открытым .

ВСЕГДА ЛИ ВРЕМЯ ИДЕТ
В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ?
Лучше всего течение времени описывает закон возрастания
энтропии — меры хаоса в системе . Энтропия Вселенной с начала времен непрерывно нарастает, что следует из второго начала термодинамики . То есть материя Вселенной в целом становится все холоднее, разреженней и в конце концов будет
равномерно распределена по Вселенной . Этот процесс никогда не пойдет вспять, и такая однонаправленность была названа стрелой времени . Однако в случае радиоактивного распаРечь идет о квантовой запутанности, когда квантовые состояния двух
объектов оказываются взаимозависимыми .
1

228

да частицы могут нарушать законы термодинамики, но лишь
на короткое мгновение и очень локально . Входят ли эти нарушения в статистический характер законов термодинамики или
здесь кроются крохотные петли на прямой стреле времени?

НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ
ИЛЛюЗИЕЙ?
С 1998 года в физике появилась новая загадочная сущность —
темная энергия . Она представляется нам как загадочная сила,
которая непрерывно ускоряет темпы расширения Вселенной .
Но не является ли это все ускоряющееся расширение Вселенной всего лишь иллюзией? Ведь мы исходим из того, что Вселенная — это шар с равномерно распределенной материей,
который равномерно расширяется во все стороны . Лишь при
таких условиях мы получаем, что расширение идет с ускорением . Но что, если Вселенная имеет более сложную форму, где
все округлые выступы и пузыри расширяются с разной скоростью? Вдруг наш уголок Вселенной оказался среди улетающих
наиболее быстро? В этом случае нам будет казаться, что все
остальное удаляется от нас быстрее, чем есть на самом деле .
Возможно, если бы нам удалось рассчитать истинную скорость
расширения Вселенной, то оказалось бы, что
темпы ее расширения снижаются, как
и предсказывала вначале теория
Большого взрыва . Если это так, то
проблема растворится вместе
с призраком темной энергии .
Кто знает, куда нас заведет теоретическая мысль, когда мы
сумеем правильно измерить
динамику Вселенной?
Вопрос об истинной форме Вселенной остается открытым. Возможно,
с нашей галактической окраины у нас
не совсем удачный вид.

229

ВОЗМОЖНА ЛИ ВСЕЛЕННАЯ
БЕЗ ЖИЗНИ?
Законы Вселенной одинаковы для любой жизни и притом уникальны . Если бы космологические константы, например постоянная
тонкой структуры1, чуть сдвинулись с настоящих значений, в звездах не зажглась бы термоядерная реакция и не было бы планет,
тяжелых элементов, сложных химических соединений, на основе
которых на Земле зародилась жизнь . Например, электромагнитное взаимодействие ровно в 1039 раз сильнее гравитации . Следовательно, при совместном действии этих двух сил (и многих
других) в недрах звезд начинается термоядерная реакция с выделением тепла и света . В результате звезды расходуют топливо достаточно долго: чтобы рядом успела образоваться устойчивая планетарная система . Когда на молодой планете завершается поздняя
тяжелая бомбардировка (гипотетическая метеоритная бомбардировка на раннем этапе формирования Земли от 4,1 до 3,8 млрд
лет назад) и период активной вулканической деятельности, жидкая лава застывает и становится скальной породой, а сама планета становится частью Солнечной системы, где возможна жизнь .
(По последним оценкам, планет во Вселенной больше, чем звезд!)
Если бы соотношение сил было иным, звезды бы не сформировались либо сгорали так быстро, что планеты не успевали бы пройти
нужные стадии эволюции . Может быть, на планетах не хватало бы
металлов для формирования тяжелой скальной породы, на которой могла бы сформироваться жизнь . Остается еще один вопрос .
Неужели Вселенная, которую мы наблюдаем, чудесным образом
сформировалась так, чтобы мы могли в ней появиться и изучать
ее? Может ли существовать вариант Вселенной с законами физики, которые не дадут развиться жизни? С точки зрения квантовой
физики — нет . Без наблюдателя такая Вселенная будет лишь пеной
нереализованных вероятностных исходов . В ней не будет ничего
реального и достоверного . Но когда мы на нее посмотрим…2
Фундаментальная физическая постоянная, характеризующая силу
электромагнитного взаимодействия .
2
Возможны варианты Вселенной, где не будет даже барионной материи и, соответственно, жизни . Только излучение .
1

230

Пластина, отправленная
NASA в космос, — своеобразная визитная карточка человечества. Но удастся ли
получить по ней свидетельство о рождении Вселенной?

ПРОСТРАНСТВО ЗАПОЛНЕНО
СТЕРИЛьНЫМИ НЕЙТРИНО?
Согласно наиболее распространенной теории состава темной
материи — невидимого вещества, которое составляет большую
часть массы Вселенной, это вещество состоит из вимп-частиц
(англ . Weakly Interacting Massive Particles — слабо взаимодействующая массивная частица) . Любая масса реагирует на действие
силы . Фундаментальное взаимодействие притянет или оттолкнет
объект, имеющий массу . Однако гипотетические вимп-частицы
не подвержены большинству природных взаимодействий, а значит, могут незримо присутствовать рядом с нами . Основной кандидат на роль вимп-частицы – стерильное нейтрино, почти невесомая
частица, подверженная только гравитации . А это самое слабое из фундаментальных взаимодействий . Сила
тяготения пропорциональна массе
объекта, а поскольку масса нейтрино
оценивается в 1/100 000 массы электрона, то гравитационное взаимодействие будет ничтожным . То есть
мы не сможем обнаружить стерильные нейтрино по гравитационному
воздействию . Только новые детекторы спасут нас .

231

ВелиКие ФиЗиКи
Самые крупные фигуры в науке физике — это те, кто оказался способен разгадать тот или иной фундаментальный вопрос, связанный
с устройством Вселенной . Часто инструментом физика оказывалась
теория, а ответ рождался исключительно на бумаге . Примером тому
являются величайшие физики-теоретики, такие как Эйнштейн, Ньютон и Фейнман . Другие ученые разгадывали тайны природы, вооружившись силой научного эксперимента . Именно таким образом
Генри Кавендиш «взвесил» Землю, находясь в пристройке своего поместья, а Эрнест Резерфорд с помощью золотой фольги обнаружил
существование ядер атомов . Итальянец Энрико Ферми на заброшенной баскетбольной площадке сумел произвести первое в истории
деление атомов . Ниже мы немного расскажем о жизни этих ученых за
пределами науки . Статьи расположены в хронологическом порядке .

ДЕМОКРИТ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

ок . 460 г . до н . э .
Абдеры, древнегреческая колония
на территории современной Турции
ок . 370 г . до н . э .
Заложил основы атомной теории

Демокрит родился в древнегреческой колонии, руины
которой находятся сейчас на западном побережье Турции . И хотя в Греции классического периода абдериты считались смешными провинциалами, Демокрит
был иным . Он много путешествовал, и многие его труды были написаны под влиянием бесед с египетскими
математиками, магами из Персии, вавилонскими астрономами . Одна из легенд гласит, что Демокрит под старость выжег себе глаза, сконцентрировав лучи Солнца вогнутым медным
щитом . Сделал он это с той целью, чтобы свет, чувственно воспринимаемый глазом, не затмил остроты его ума . По отзывам
современников, Демокрит с юмором смотрел на мир, и часто его

232

шутки встречали критику со стороны других философов . Многие
его просто недолюбливали . Платон попытался организовать кампанию (по счастью, провалившуюся) против Демокрита, для чего
велел скупить и сжечь все его труды, хотя достоверность этой легенды не слишком высокая .

ФАЛЕС МИЛЕТСКИЙ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

ок . 624 г . до н . э .
Милет, современная западная Турция
ок . 547–546 гг . до н . э .
«Отец философии и родоначальник наук»

О жизни Фалеса практически не осталось записей . Предполагают, что он учился у жрецов Египта . Некоторые исследователи считают, что он какое-то время жил в Афинах, а возможно, и в самом Египте — Фивах и Мемфисе .
Из более конкретных фактов о его жизни можно сказать, что он умел предсказывать солнечные затмения
и заявил о таковом в тот год, когда Лидийское царство
пошло войной на соседнюю Мидию . Мы достоверно знаем, что последняя битва между этими двумя царствами — битва на Галисе
(так называлась река) — закончилась заключением мира, поскольку полное солнечное затмение, когда «день превратился в ночь»,
было воспринято как проявление божественной воли . Именно это
затмение предсказал Фалес, после чего стал известен и знаменит .

АРИСТОТЕЛь
Родился
Место рождения
Умер
Важность

384 г . до н . э .
Стагир, северная Греция
322 г . до н . э .
Ключевая фигура в западной научной мысли

Аристотель был знатного рода . Его отцом был Никомах, врач
при дворе Аминты III, царя Македонии (северная провинция
Греции) . Первым наставником Аристотеля был отец, а завер-

233

шил он свое образование в Афинах, в Академии Платона . Там Аристотель состоял два десятилетия, до
самой смерти Платона, а впоследствии он возглавил знаменитый Ликей, где до него учил Сократ .
Аристотель считался самым влиятельным философом греческой философской мысли, и его труды были посвящены физике, астрономии, биологии
и логике, став «воплощением мудрости» от Европы
до Азии . Надо заметить, что взгляды Аристотеля были
во многом ошибочны, и наше настоящее понимание физики
началось с того момента, когда люди стали ставить под сомнение его теории .

AРХИМЕД
Родился
Место рождения
Умер
Важность

ок . 290–280 гг . до н . э .
Сиракузы, восточное побережье Сицилии
212–211 гг . до н . э .
Открытие закона плавания тел

Помимо своих работ в области
гидростатики и математики Архимед известен нам также своими инженерными изобретениями . Вошли в легенды военные
машины, которые он изобретал
для защиты Сиракуз от римских
завоевателей во время Второй
Пунической войны . По отзывам
современников, его «коготь» позволял поднимать и переворачивать корабли, тогда как «тепловые лучи», направленные на корабли, заставляли их
загораться еще до того, как они могли атаковать город . Но
когда римляне окончательно взяли Сиракузы, Архимед по
стечению обстоятельств погиб . Увлеченный какой-то математической задачей, он игнорировал приказ римского легионера явиться к консулу Марцеллу, и тот зарубил его .

234

АЛь-ХАЙСАМ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

ок . 965 г .
Басра, Ирак
ок . 1040 г .
Основатель геометрической оптики

В средневековой Европе Аль-Хайсам был известен
под латинизированным именем Альхазен, а часто
его именовали просто «физик» . Возможно, это самый плодовитый ученый золотого века ислама .
В X веке его родной город Басра стоял на пересечении торговых путей и был культурной столицей региона, а заканчивал Аль-Хайсам свое образование в Доме мудрости — исламской академии,
основанной в 20-е годы IX века халифом ал-Мамуном в Багдаде . Однако мудрость свою Аль-Хайсаму долгое время
пришлось скрывать под маской помешательства . Легенда
гласит, что его слава дошла до Каира, и ученого пригласили
в Египет строить плотину на Ниле, что представлялось тогда
невозможным . Для спасения жизни Ибн аль-Хайсам был вынужден симулировать сумасшествие до самой смерти пригласившего его ал-Хакима .

АЛь-БИРУНИ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

978 г .
Кят, Хорезм (современный Узбекистан)
1048 г .
Способствовал объединению наук
и становлению механики

На научном наследии Древней Греции выросли
многие ученые арабского мира . Источники утверждают, что Аль-Бируни говорил на семи языках
и почитался во всем исламском мире с самых его
восточных окраин . Много лет он прожил в древнем хорезмском царстве на территории совре-

235

менного Афганистана . Источником вдохновения для АльБируни стала наука Индии, и основной вклад ученого был
в сфере механики и гидродинамики, которые он объединил,
считая, что последняя — это «движение флюидов» . Еще этот
ученый запомнился тем, что рассчитал радиус Земли и протяженность ее экватора, используя для этого наблюдения
с горного пика (в настоящее время территория Пакистана) .
Для этого он строил огромные прямоугольные треугольники с точками на горизонте и в центре Земли .

АВЕРРОЭС
Родился
Место рождения
Умер
Важность

1126 г .
Кордова, Испания
1198 г .
Первым изложил идею инерции

Во времена жизни Аверроэса Аль-Андалус — халифат, объединивший территории современных государств Испании
и Португалии, — был самым мощным государством исламского мира . (Имя «Андалусия» было унаследовано южной
провинцией Испании .) Аверроэс родился в одной из самых
влиятельных семей того времени, его отец был
главным судьей и муфтием Кордовы . Как и все
уважающие себя ученые, Аверроэс не только внес вклад в физику, но и работал в области медицины и астрономии . Помимо наук
оказал глубокое влияние на философию, дав
начало сразу двум философским течениям
в схоластике XIII века, объединившим религиозные истины с критическими философскими
взглядами — наиболее радикальными взглядами тех лет .

236

ГАЛИЛЕЙ, ГАЛИЛЕО
Родился
Место рождения
Умер
Важность

15 февраля 1564 г .
Пиза, Италия
8 января 1642 г .
Сформулировал законы колебания маятника
и свободного падения

Вклад этого ученого в науку был настолько велик, что
мы узнаем его по одному лишь имени, без фамилии .
Сын музыканта, Галилео Галилей выбрал для себя
карьеру в науке . Однако он никогда не упускал возможности зарабатывать в бизнесе, поскольку его семья часто нуждалась в средствах . Изобретенный им
телескоп оказался настолько прибыльным проектом,
что с его помощью он выхлопотал себе пожизненное государственное обеспечение . Но благодаря новаторству средств
наблюдения описанная им картина Вселенной вошла в конфликт
со взглядами церкви, и, чтобы избежать заключения и сохранить
свой доход, Галилею пришлось отречься от своих взглядов .

БОЙЛь, РОБЕРТ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

25 января 1627 г .
Лисмор, графство Уотерфорд, Ирландия
31 декабря 1691 г .
Открыл первый из трех газовых законов

В своей книге 1661 года The Sceptical Chymist («Химикскептик») Роберт Бойль предпринял первую попытку изучать на научной основе свойства элементов .
(Да, в те годы неуклюжий идол алхимии еще не был
повержен .) Помимо науки Бойль известен еще и тем,
что он, будучи президентом Лондонского королевского общества, как миссионер участвовал в Ост-Индской
компании и много лет был одним из ее директоров . По
завещанию, написанному практически в начале научной карьеры
(1661 год), Бойль оставил капитал для финансирования ежегодных

237

чтений о Боге и религии, и первая из знаменитых «Лекций Бойля»
состоялась через год после его смерти, в 1692 году . «Лекции Бойля» продолжались регулярно вплоть до 1905 года, а с 2004 года их
возобновили в Лондоне . Они проходят ежегодно в феврале .

ГУК, РОБЕРТ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

18 июля 1635 г .
Остров Уайт, Великобритания
3 марта 1703 г .
Сформулировал закон упругой деформации

Удивляет, как мало правды о Роберте Гуке содержалось в тех
многочисленных легендах, которыми была наводнена Англия
XVII века . Гук был ключевой фигурой, стоявшей у основания Лондонского королевского общества в 1660-е годы вместе с Эдмундом Галлеем и Кристофером Реном . Гуку довелось быть в центре
многих перипетий научной революции, включая исследования
Робертом Бойлем свойств газов, открытие Ньютоном закона всемирного тяготения и использование Гюйгенсом колебательных
систем для отсчета времени . Также Гук первым использовал микроскоп для исследования биологических образцов . Роберт Гук
сообщал о крошечных включениях в тканях растений . Эти включения по виду напомнили ему монашеские кельи, так что получили название «клетки» .

НьюТОН, ИСААК
Родился
Место рождения
Умер
Важность

25 декабря 1642 г .
Вулстхорп-бай-Колстерворт, Линкольншир, Англия
20 марта 1727 г .
Открыл закон всемирного тяготения
и три закона механики

Разработанный Ньютоном принципиально новый математический аппарат имел не меньшую значимость, чем его знаменитые работы по оптике и движению . Исчисление бесконечно

238

малых, ныне известное как дифференциальное исчисление, позволило Ньютону применять математику к невероятно переменчивым явлениям природы .
Потерявший в детстве отца и отвергнутый матерью,
Ньютон был молчаливым, замкнутым и обособленным и всю жизнь чувствовал себя одиноким . Он столь
строго относился к собственным трудам, что проходило не одно десятилетие, прежде чем он публиковал их .
Многие из его работ по математическому анализу и механике
движения были написаны в то время, когда он жил в своем фамильном доме в Линкольншире подальше от Черной Смерти —
эпидемии чумы, которая выкашивала города Англии .

ФРАНКЛИН, БЕНДЖАМИН
Родился
Место рождения
Умер
Важность

17 января 1706 г .
Бостон, СшА
17 апреля 1790 г .
Предложил идею положительного
и отрицательного электрического заряда

До начала своей карьеры посла и государственного
деятеля Бенджамин Франклин, будущий отец-основатель Соединенных штатов, был не менее увлеченным исследователем и изобретателем . Запомнился
он своими опытами с электричеством, среди которых были и такие, где ему посчастливилось остаться в живых . Речь идет о его знаменитом эксперименте
с воздушным змеем в грозу . Повторяя именно этот опыт,
погиб сподвижник Михаила Ломоносова, профессор Георг
Рихман . Франклин также проявлял интерес к метеорологии
и термодинамике, особенно к эффекту охлаждения воды при
ее испарении . Также Франклин известен изобретением нового музыкального инструмента . Его стеклянная гармоника (или
гласкорд) представляла собой вал со стеклянными полушариями, помещенный в продолговатый футляр, до определенного
уровня наполненный водой . Музыкант извлекал из нее звуки,
прикасаясь к резонирующим полушариям .

239

БЛЭК, ДЖОЗЕФ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

16 апреля 1728 г .
Бордо, Франция
10 ноября 1799 г .
Сформулировал идею скрытой теплоты

Джозеф Блэк выбрал для себя медицинскую карьеру, но, будучи родом из семьи виноделов,
в детстве наблюдал много природных и искусственных химических процессов, сопровождавших
ремесло винодела . Интерес к химии он пронес через всю свою жизнь, и это привело его к открытию
в 1750-х годах «связанного воздуха», как он назвал
тогда углекислый газ, или диоксид углерода . Таким
был первый шаг к пониманию природы химических элементов .
Блэк также был членом шотландского Покерного клуба, водил
знакомство с экономистом Адамом Смитом и философом Дэвидом юмом, а с Джеймсом Уаттом работал в одном университете
и помогал ему создавать паровой двигатель .

КАВЕНДИш, ГЕНРИ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

10 октября 1731 г .
Ницца, Франция
24 февраля 1810 г .
Измерил гравитационную постоянную

Генри Кавендиш родился в аристократической научной
семье . Его отец был членом Лондонского королевского общества, а вскоре в это общество вошел и сам
Генри . Впоследствии двоюродный брат Генри отдал
лабораторию Кавендиша в дар Кембриджскому университету, и она и по сей день является ведущим исследовательским центром в мире . Сам Генри Кавендиш отличался замкнутостью . Он трудился в своей
лаборатории на заднем дворе фамильного дома, где
в 1760-е годы открыл водород . Генри был настолько за-

240

мкнут, что общался с помощниками записками, но тем не менее
всегда присутствовал на ужинах Лондонского королевского общества, хотя и там говорил мало . В результате многие открытия
Кавендиша стали известны только после его смерти .

ВОЛьТА, АЛЕССАНДРО
Родился
Место рождения
Умер
Важность

18 февраля 1745 г .
Комо, Италия
5 марта 1827 г .
Разработал первую электрическую батарею

Первым электрическим прибором, который изобрел
Вольта, был электрофор . Вопреки легендам Вольта не
изобрел дисковый электростатический генератор,
а только популяризировал его, дав ему попутно свое
имя . Свое внимание Вольта направил на химию, считая ее более живой дисциплиной, чем физика . (Возможно, в конце XVIII века так оно и было .) В итоге Вольта объединил их в физическую химию, сформулировав закон
емкостного сопротивления, который гласит, что протекающий
в электролите заряд пропорционален приложенному потенциалу заряженного объекта . Вскоре после того, как Вольта сконструировал свой «вольтов столб» (1800 год), Наполеон Бонапарт
аннексировал Италию . Вольта был удостоен чести лично продемонстрировать императору свое изобретение и в 1801 году получил от Наполеона титул графа и сенатора .

ДАЛьТОН, ДЖОН
Родился
Место рождения
Умер
Важность

5 или 6 сентября 1766 г .
Иглсфилд, Камберленд, Великобритания
27 июля 1844 г .
Заложил основы первой теории атомов

Джон Дальтон, как сын квакеров, не мог обучаться в английских университетах, не одобрявших религиозных дис-

241

сидентов . Дальтон был самоучкой,
но усвоил некоторые уроки также
от Джона Гоуха, представителя натурфилософии из Манчестера . (Гоух
также обучал английского философа Уильяма Хьюэлла, придумавшего слово «ученый» .) Уже будучи
избранным в Лондонское королевское общество, Дальтон остался
в Манчестере и вел скромное существование . В его честь названа
атомная единица массы (а .е .м .) —
дальтон (Да) . Это 1/ 12 массы атома
углерода-12 .

ФАРАДЕЙ, МАЙКЛ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

22 сентября 1791 г .
Лондон, Великобритания
25 августа 1867 г .
Один из первооткрывателей электромагнитной
индукции

Рожденный в нищете, Майкл Фарадей работал рассыльным в книжном магазине, а после переплетчиком . Побывав на лекции химика Гемфри Дэви в
Королевском институте, Фарадей решил посвятить себя другому делу . Он записал, переплел
и преподнес Дэви четыре его лекции, а также
письмо с просьбой взять его на работу . Это так
впечатлило лектора, что спустя несколько лет
Фарадей стал лаборантом, а затем и личным ассистентом Дэви . Но личные научные амбиции и
достижения Фарадея привели к конфликту с именитым наставником . Полагают, что этот конфликт поверг Фарадея в глубокое уныние . Впоследствии британцы высоко оценили открытия Фарадея . Только исследований тогда он уже
почти не вел .

242

ГЕНРИ, ДЖОЗЕФ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

17 декабря 1797 г .
Олбани, СшА
13 мая 1878 г .
Один из первооткрывателей электромагнитной
индукции

История науки утверждает, что Джозеф Генри первым
открыл электромагнитную индукцию, однако незадолго до него Фарадей уже наблюдал это электромагнитное явление, так что честь открытия индукции
принадлежит именно ему . А работы Генри в области электромагнетизма привели к созданию в конце
1830-х годов проволочного телеграфа . Генри также
изобрел электрический звонок — простое электромеханическое устройство, которое можно встретить, наверное, в каждом доме . Еще он основал Национальный институт продвижения науки (National Institute for the Promotion of Science), который
в 1846 году стал частью Смитсоновского института, а сам Генри
в 1846–1878 годах был первым секретарем этого института .

ДЖОУЛь, ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

24 декабря 1818 г .
Солфорд, Великобритания
11 октября 1889 г .
Установил количественную связь между теплотой и механической работой

Джеймс Джоуль родился по соседству от пивоварни отца,
и ему была уготована судьба продолжать семейный
бизнес . Вполне естественно, что сначала исследования Джоулем тепла и химии проводились ради вкусного пива, а наука оставалась хобби . Однако Джоулю посчастливилось попасть в ученики к Джону
Дальтону . Хобби и работа неожиданно соединились,
когда Джоуль затеял модернизацию паровой машины

243

пивоварни и решил поставить на нее новомодный электрический
двигатель . Он задался вопросом, можно ли сравнить эффективности старой паровой машины и нового электродвигателя, и в итоге
получил численное значение единицы теплоты . Механический эквивалент тепла оказался равен 772,55 фута на фунт-силу и в настоящее время приравнен к 1 джоулю .

ЛОРД КЕЛьВИН
Родился
Место рождения
Умер
Важность

26 июня 1824 г .
Белфаст, Северная Ирландия
17 декабря 1907 г .
Теоретически рассчитал температуру абсолютного нуля

Уильям Томсон и лорд Кельвин — это один и тот же человек . Будучи сыном профессора математики, Томсон получил образование в школе при Университете Глазго
в шотландии . Надо ли удивляться, что у мальчика возник глубокий интерес к физике? Уже успев заслужить
в 1892 году за работы в области термодинамики пэрство и титул «Первый барон Кельвин», он также пытался
разработать телеграф и вычислительную машину . Кстати,
он принимал участие в прокладке первого трансатлантического
кабеля и изобрел аналоговую вычислительную машину, позволяющую просчитывать время приливов и отливов . Точность этой
машины оказалась такой, что она использовалась и в 1970-е годы .

РЁНТГЕН, ВИЛьГЕЛьМ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

27 марта 1845 г .
Леннеп, Пруссия
10 февраля 1923 г .
Открыл рентгеновские лучи

Слову «рентгенограмма» сам Вильгельм Рёнтген предпочитал
«икс-лучи» (X-лучи) . Он не стал добиваться патента на свой

244

метод получения изображения, вполне обходясь
академическим жалованьем . В 1901 году он был
удостоен первой в истории Нобелевской премии по физике . И пустил деньги на благотворительность: весомую сумму он пожертвовал
Вюрцбургскому университету . По окончании
Первой мировой войны разразилась инфляция,
и Рёнтген оказался на мели . В 77 лет он умер от
рака кишечника, который, впрочем, едва ли мог быть
вызван его научными занятиями .

ТЕСЛА, НИКОЛА
Родился
Место рождения
Умер
Важность

10 июля 1856 г .
Смилян, Хорватия
7 января 1943 г .
Заложил основы современной
электротехники

На своей родине Никола Тесла уже давно стал национальным героем, а в Белграде (Тесла был
этническим сербом) действует официальный
музей этого ученого и его архив . Город, в котором родился Тесла, в настоящее время находится на территории Хорватии, и редко
в каком хорватском городе не увидишь указателя Ulica Nikole Tesle (Улица Николы Теслы) .
Однако сам Тесла был австрийским подданным
и большую часть своей взрослой жизни провел
в Соединенных штатах . Его отец хотел видеть сына священником, но юный Никола, когда слег с холерой, дал обещание, если выживет, выучиться на инженера — осуществить
свою юношескую мечту . В двадцать с небольшим лет он уехал в Америку и, работая там в компании Томаса Эдисона,
а затем в компании его конкурента Джорджа Вестингауза,
заложил основы современной электротехники .

245

ТОМСОН, ДЖОЗЕФ ДЖОН
Родился
Место рождения
Умер
Важность

18 декабря 1856 г .
Манчестер, Великобритания
30 августа 1940 г .
Открытие электрона

Отец-основатель физики элементарных частиц
Джозеф Томсон установил, что атомы не являются
неделимыми твердыми «шариками», а состоят из
еще меньших частиц . Томсон был в школе отличником, и его родители хотели, чтобы сын стал
механиком паровых машин . Но сам Томсон выбрал для себя Тринити-колледж при Кембриджском университете . Здесь он учился физике и
математике . Томсон остался верен университету
и в 1884 году получил там ученое звание профессора
физики . Сын Томсона Джордж, так же как и отец, был удостоен Нобелевской премии по физике за исследование дуальной
корпускулярно-волновой природы электрона — той самой частицы, которую открыл его отец .

ГЕРЦ, ГЕНРИХ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

22 февраля 1857 г .
Гамбург, Германия
1 января 1894 г .
Открытие радиоволн

Генрих Герц прожил только 36 лет, умерев от гранулематоза Вегенера — аутоиммунного воспаления
стенок сосудов . Меж тем научного наследия, созданного за столь короткую жизнь, оказалось достаточно, чтобы его именем была названа единица
частоты — фундамент во всех сферах научной деятельности, а часто и за ее пределами . Передатчик
с искровым промежутком конструкции Герца был
использован Маркони и другими исследователями,

246

которые развивали радиотехнологии, а впоследствии и телевидение (сейчас к ним добавились и беспроводные сети) . Герц также
открыл фотоэлектрический эффект, который впоследствии стал
пробным камнем для понимания физики на квантовом уровне .

ПЛАНК, МАКС
Родился
Место рождения
Умер
Важность

23 апреля 1858 г .
Киль, Германия
4 октября 1947 г .
Основатель квантовой физики

Макс Планк стал в физике вторым после Галилея
несостоявшимся музыкантом . Наставник, мюнхенский профессор физики Филипп фон Жолли, однажды сказал Планку: «В физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы
открыть» . Но Планк доказал ошибочность этого
мнения, хотя для этого ему потребовалось больше двух десятилетий упорной работы . Личная жизнь
Планка была отмечена трагедиями . Умерла его первая жена,
родившая ему двух сыновей и двух дочерей-близняшек . Старший сын Карл погиб в битве при Вердене, а младший — Эрвин — был казнен за участие в неудавшемся заговоре против
Гитлера . Обе дочери умерли при родах .

КюРИ, МАРИЯ И ПьЕР
Родились
Место рождения (Марии)
Место рождения (Пьера)
Умерли
Важность

7 ноября 1867 г . (Мария); 15 мая 1859 г . (Пьер)
Варшава, Польша
Париж, Франция
4 июля 1934 г . (Мария); 19 апреля 1906 г . (Пьер)
Первооткрыватели радиоактивности

Мария Складовская была урожденной полячкой, но, по сути,
была лишена родины . Мария укрылась от притеснений во
Франции: в Российской империи, в которую входила Поль-

247

ша, под запретом был даже польский язык .
Мария окончила Сорбонну с двумя дипломами — по физике и математике . Тогда она
встретила Пьера, который к тому времени
уже успел совершить открытие . Он обнаружил, что магниты теряют заряд при нагревании выше определенной температуры, получившей название точки Кюри . Впоследствии
Пьер погиб в автокатастрофе на пике своей
научной славы, а Мария заняла его место,
став первой во Франции женщиной–профессором физики .

РЕЗЕРФОРД, ЭРНЕСТ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

30 августа 1871 г .
Спринг-Грув, Новая Зеландия
19 октября 1937 г .
Открытие ядра в составе атома

Будучи рожденным на небольшой ферме на
Северном острове Новой Зеландии, Резерфорд начал свою академическую карьеру
в Канаде, но вскоре сменил место работы
на Манчестер, а потом и Кембридж в Англии, где сумел написать свои лучшие труды . Имя Эрнеста Резерфорда, позже удостоенного рыцарского титула и ставшего
пэром Англии бароном Резерфордом Нельсоном, красной нитью проходит через всю
раннюю историю ядерной физики . Чедвик,
Гейгер, Бор и Ган — все они работали под
началом Резерфорда, который поддерживал их своими теориями, продвигая каждого в его научном направлении .
Резерфорд был похоронен в Вестминстерском аббатстве
в Лондоне недалеко от могилы Исаака Ньютона . Синтезированный в 1997 году новый элемент с атомным номером 104
в его честь получил название резерфордий .

248

МЕЙТНЕР, ЛИЗА
Родилась
Место рождения
Умерла
Важность

7 ноября 1878 г .
Вена, Австрия
27 октября 1968 г .
Одна из первооткрывателей деления ядер

Обойденная вниманием Нобелевского комитета, выбравшего немецкого физика Отто Гана (он параллельно
с ней открыл деление ядер), Мейтнер все же сумела
оставить свой след в истории . Речь идет о ее совместной с племянником Отто Фришем работе, в которой
она определила, что процесс ядерного деления может породить цепную реакцию, способную привести к большим выбросам энергии . Позже она отказалась присоединиться к Манхэттенскому проекту, где
разрабатывалось оружие, использующее энергию деления
ядер . Имея еврейские корни, была вынуждена спасаться от нацистов в швеции . Там Лиза провела последние годы своей академической карьеры, в 1960 году возвратилась в Кембридж, Англия, где
в 1968 году умерла . Синтезированный в 1997 году новый элемент
с атомным номером 109 в ее честь был назван мейтнерием .

ЭЙНшТЕЙН, АЛьБЕРТ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

14 марта 1879 г .
Ульм, Вюртемберг, Германия
18 апреля 1955 г .
Сформулировал теорию относительности

В школе Эйнштейн считался средним учеником, а его
почерк и вовсе был ужасным . Но с ранних лет он
шел в науке собственным путем . Вынужденные переехать в Италию родители оставили сына, который
оканчивал гимназию, в Мюнхене . Позже Альберт поступил в Политехникум . Несмотря на несомненные
способности, средние оценки омрачили его раннюю
научную карьеру . В 1903 году ему дали рекомендацию

249

на должность эксперта III класса в Патентное бюро в Берне . Спокойная работа позволила Эйнштейну посвящать свободное время исследованиям, проложившим ему дорогу к славе .

БОР, НИЛьС
Родился
Место рождения
Умер
Важность

7 октября 1885 г .
Копенгаген, Дания
18 ноября 1962 г .
Разработка квантовой модели атома

Бор занимал ответственные позиции не только в науке . Одно время он играл в футбол, выступая за копенгагенский любительский клуб «Академиск» на
позиции вратаря . В науку Нильс Бор ворвался столь
же энергично, к своему 28-летию перекроив планетарную модель атома в соответствии с квантовыми представлениями . К 36-летию он сумел открыть
в Копенгагене Институт теоретической физики и стал
его первым руководителем (сейчас это Институт Нильса Бора) . После прихода нацистов к власти в Германии Бор принимал активное участие в устройстве судеб многих ученых-эмигрантов, бежавших в Копенгаген, а после войны инициировал
создание МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии), направленное на контроль ядерных технологий, и ЦЕРН .

ЛЕМЕТР, ЖОРЖ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

17 июля 1894 г .
шарлеруа, Бельгия
20 июня 1966 г .
Предложил первый вариант теории Большого
взрыва

Весьма необычная фигура в зале физической славы, Жорж
Леметр изучал математику и физику и одновременно готовился принять сан католического священника . Но не

250

эта особенность дала ему возможность попасть
в столь важный список, а тот факт, что он был
первым исследователем, продвигавшим теорию Большого взрыва — взрывного расширения Вселенной из «первоначального атома» .
Его интуитивная догадка опередила время,
и потребовалась еще пара десятилетий, чтобы
исследователи нашли подтверждающие факты .
В 2005 году Леметр занял 61-ю строку в проведенном в Бельгии телевизионном опросе «Бельгийцы всех времен» .

ФЕРМИ, ЭНРИКО
Родился
Место рождения
Умер
Важность

29 сентября 1901 г .
Рим, Италия
28 ноября 1954 г .
Первым в мире запустил контролируемую цепную реакцию деления ядер

Старший брат Энрико Ферми — Джулио — умер,
когда Энрико был еще ребенком, и это стало
большой трагедией для дружной итальянской
семьи . Чтение научных книг помогло маленькому Энрико пережить трагедию, а в 24 года Энрико Ферми стал первым в Италии профессором ядерной физики . Не прошло и десяти лет,
как он открыл дверь к почти ничем не ограниченной энергии атома . В 1938 году Ферми поехал
в швецию для получения Нобелевской премии, но
обратно в Рим уже не вернулся . Имея еврейские корни, он чувствовал ужесточившуюся в Европе хватку фашизма и предпочел продолжать исследования физики деления
ядер в СшА, где пять университетов предложили ему место
профессора физики . Как и многие его коллеги, Энрико Ферми умер от рака желудка, не осознавая всей опасности радиоактивного излучения .

251

ГЕЙЗЕНБЕРГ, ВЕРНЕР
Родился
Место рождения
Умер
Важность

5 декабря 1901 г .
Вюрцбург, Германия
1 февраля 1976 г .
Сформулировал соотношение неопределенностей

Вернер Гейзенберг — ключевая фигура в физике, поскольку его соотношение неопределенностей изучают на первых лекциях по квантовой механике .
После прихода к власти нацистов клубок противоречий вокруг этого ученого, ставшего ведущим
теоретиком «Уранового клуба» (ядерная программа нацистов, аналогичная Манхэттенскому проекту), нарастал . Германии не хватало ресурсов, чтобы
в необходимые сроки сделать атомное оружие . Есть
предположение, что Гейзенберг намеренно совершал теоретические ошибки, чтобы замедлить работу . После войны он
работал над мирными ядерными технологиями и до выхода
в отставку в 1970 году занимал пост директора Института физики Макса Планка .

ДИРАК, ПОЛь
Родился
Место рождения
Умер
Важность

8 августа 1902 г .
Бристоль, Великобритания
20 октября 1984 г .
Предсказал существование антивещества

В условиях послевоенного аскетизма Поль Дирак, в будущем ведущий английский физик-теоретик, сумел
окончить лишь инженерный факультет Бристольского университета, но после сдачи экзаменов по математике получил стипендию Бристольского университета
и грант от отдела образования своего родного города Бристоля . Таким образом, у него появилась возможность поступить в аспирантуру Кембриджского университета, и уже через пять лет он опубликовал свою

252

«Квантовую теорию электрона», где ввел «уравнения Дирака», открывшие новые направления исследования в квантовой физике .
Уравнения Дирака для электрона считаются в научном мире столь
же значимым прорывом, как и теория относительности Эйнштейна .

БЕТЕ, ХАНС
Родился
Место рождения
Умер
Важность

2 июля 1906 г .
Страсбург, Франция (в те годы Германия)
6 марта 2005 г .
Разработал теорию термоядерного синтеза элементов в недрах звезд

Ханс Бете, как и многие европейцы с еврейскими
корнями, спешно уехал в 1930-е годы в СшА . В Америке он стал главным теоретиком Манхэттенского
проекта, участвовал в создании водородной бомбы, в которой использовалась энергия термоядерного синтеза . Важна роль Бете для астрофизики: он разработал теорию звездного нуклеосинтеза,
открыв протон-протонный цикл термоядерных реакций и предложив шестиступенчатый углеродно-азотный цикл,
когда легкие атомы сливаются в недрах массивных звезд в более тяжелые элементы . Его вклад в теорию Большого взрыва
равен нулю: Гамов включил его фамилию в список соавторов
(Альфер, Бете и Гамов – α, β и γ) ради шутки .

ФЕЙНМАН, РИЧАРД
Родился
Место рождения
Умер
Важность

11 мая 1918 г .
Нью-Йорк, СшА
15 февраля 1988 г .
Ведущая фигура в квантовой электродинамике

Находчивый рассказчик Ричард Фейнман был самым знаменитым физиком второй половины XX века . Он не только пре-

253

успевал во многих сферах физики элементарных
частиц, но и зажигательно играл на бонго . Та, которую он любил с 13 лет, к моменту свадьбы была
обречена на смерть от туберкулеза . Второй брак
оказался неудачным, зато последний был счастливым . На конференции в Европе Фейнман
встретил англичанку Гвинет Ховарт, на которой
женился . У них родился сын, позже пара усыновила еще ребенка . Ричард с Гвинет в шутку задумали поездку в республику Тыва, но в конце 1970-х
у Фейнмана обнаружили редкую форму рака . Он отказался от
медицинской помощи и 15 февраля 1988 года умер .

ХИГГС, ПИТЕР
Родился
Место рождения
Умер
Важность

29 мая 1929 г .
Ньюкасл-апон-Тайн, Великобритания
–
Теоретически предсказал существование нового
бозона (бозона Хиггса)

Питер Хиггс предположил существование бозона, который дает всем материальным частицам
инерционную массу . Эта частица была открыта
на Большом адронном коллайдере в 2012 году .
Прежде бозон называли частицей Бога, а теперь
за ней закрепилось имя Хиггса, хотя ее пытаются назвать по именам всех трех первооткрывателей — бозоном Энглера — Браута — Хиггса .
Хиггс утверждает, что выбрал профессию физика,
когда узнал, что Поль Дирак окончил Бристольский
университет, как и он сам . Большая часть академической карьеры Хиггса прошла в Эдинбургском университете . Здесь
в 1964 году он предложил механизм спонтанного нарушения
электрослабой симметрии, из которого следовало существование новой частицы . По одной из легенд, Хиггс придумал
этот механизм после дождливой прогулки в Грампианских
горах недалеко от Эдинбурга .

254

ГЕЛЛ-МАН, МАРРИ
Родился
Место рождения
Умер
Важность

15 сентября 1929 г .
Нью-Йорк, СшА
24 мая 2019 г .
Разработал кварковую модель элементарных частиц

Марри Гелл-Ман поработал в Йельском университете,
Массачусетском технологическом институте, Институте перспективных исследований и Калифорнийском технологическом институте . Он предложил
классификацию элементарных частиц-адронов —
тяжелых частиц, подверженных сильному взаимодействию, таких как протоны и нейтроны . Интересующийся буддизмом Гелл-Ман назвал модель,
разработанную в соавторстве с Кадзухико Нисидзимой,
«восьмеричный путь»: в ней присутствовали октеты неких частиц . Эта модель привела к предположению о существовании
кварков . Гелл-Ман основал Институт Санта-Фе, содействующий
изучению «сложных адаптивных систем», объединяющих, например, биологию, экономику и лингвистику .

ХОКИНГ, СТИВЕН
Родился
Место рождения
Умер
Важность

8 января 1942 г .
Оксфорд, Великобритания
14 марта 2018 г .
Обоснование излучения от черных дыр

Стивен Хокинг сумел добиться столь же высокого научного авторитета, как и Альберт Эйнштейн .
С 1974 года Хокинг стал членом Лондонского королевского общества, а в 1979–2009 годах был Лукасовским профессором математики . До него этот
пост занимали только Поль Дирак и Исаак Ньютон .
Его книга «Краткая история времени», впервые изданная в СшА в 1988 году, стала одной из наиболее
продаваемых научно-популярных книг по физике .

255

СПраВоЧные
таблицы
ИЗМЕРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Наука физика как никакая другая нацелена на понимание устройства Вселенной на всех уровнях, от квантового мира до сверхбольших астрономических масштабов . Разумеется, необходимо
также понимание и для привычных нам бытовых масштабов . Для
всего этого ученые разработали Международную систему единиц (СИ), при помощи которой можно измерять все в мире .
Обычно сокращаемая до двух букв СИ, эта система носит официальное название Le Systeme International d’Unites, что по-французски означает «Международная система единиц» . (штаб-квартира Международного бюро мер и весов находится в городе
Севр, предместье Парижа, Франция .) Существует семь основных
единиц измерения, из которых получаются все остальные . Эти
семь единиц и есть фундамент всех наших измерений .
Основные единицы измерения
Величина
Масса
Длина
Температура
Время
Количество вещества

Единица измерения

Обозначение

килограмм

кг

метр

градус Кельвина

секунда

моль

Сила тока

ампер

Сила света

кандела

кд

В свою очередь, в основе международной системы СИ лежит так
называемая десятичная метрическая система мер, основанная на
использовании метра и килограмма . Именно у метрической систе-

256

мы мер СИ позаимствовала килограмм и метр . Десятичной система
именуется потому, что кратные единицы измерения формируются
на основании множителя 10 . Это обстоятельство позволяет без проблем работать с очень большими и очень маленькими значениями,
что достигается использованием «научной нотации» — экспоненциальной формы записи числа, когда оно представляется с помощью степеней числа 10 . Другими словами, число 6,24 млрд можно
записать как 6,24 × 109, а 6 миллионных — 6 × 10–6 . Также помогает
правильно представлять порядок величины и отдельно разработанная система префиксов . Например, 6,24 миллиарда ватт скорее
всего будет записано как 6,24 гигаватт (6,24 ГВт, или 6,24 × 109 Вт) .
Аналогично 6 миллионных метра будет записано как 6 микрометров, или микрон (термин «микрон» официально использовался
в 1879–1967 годах и ныне устарел) . В технической литературе также
можно встретить и обозначения 6 мкм либо 6 × 10–6 м .
Десятичные кратные и дольные единицы
Префикс

Символ

Научная нотация

экса

1 000 000 000 000 000 000

1018

пета

1 000 000 000 000 000

1015

тера

1 000 000 000 000

1012

гига

1 000 000 000

109

мега

1 000 000

106

кило

1 000

103

гекто

100

102

дека

да

101

—

100

деци

0,1

10-1

санти

0,01

10-2

мили

0,001

10-3

микро

мк

0,000 001

10-6

нано

0,000 000 001

10-9

пико

0,000 000 000 001

10-12

фемто

0,000 000 000 000 001

10-15

атто

0,000 000 000 000 000 001

10-18

257

ОПРЕДЕЛЕНИЯ БАЗОВЫХ ЕДИНИЦ СИ
Любая единица измерения начинается с эталонных измерений, причем очень важно, чтобы методики проведения этих
измерений были практичными, а оборудование не слишком
большим и не слишком маленьким . Также измерения должны
быть хорошо воспроизодимыми . Только в этом случае вы сможете должным образом провести калибровку своего измерительного оборудования . С годами изменились и методики измерения, и сами определения базовых единиц СИ — теперь
они определяются не через эталоны, а с помощью физических
явлений природы .
Ниже приведен список базовых единиц СИ вместе с определениями, используемыми с 1960 года . Выбор этих определений основывался на том, чтобы свести систематическую калибровочную погрешность к минимуму и гарантировать, что
к этой систематической погрешности в процессе работы не
прибавится случайная погрешность, например человеческого
глаза, что неизбежно при работе с линейкой .
Единица длины: метр (м)
За один метр принято считать расстояние, которое проходит луч света в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды .
Единица массы: килограмм (кг)
За один килограмм принято считать массу международного эталона килограмма, изготовленного из специального сплава платины и иридия и хранящегося в Международном бюро
мер и весов под Парижем .
Единица времени: секунда (с)
За временной интервал в одну секунду принято считать
9 192 631 770 циклов колебаний излучения, возникающего
при переходе электрона между двумя определенными энергетическими уровнями в атоме цезия-133 .
Единица силы тока: ампер (A)
За один ампер принят ток, который, проходя по двум прямым параллельным проводникам бесконечной длины, кругло-

258

го сечения и пренебрежимо малого диаметра, находящимся на
расстоянии 1 метр друг от друга в вакууме, создает силу взаимодействия, равную 2 × 10–7 ньютона на метр длины провода .
Единица термодинамической температуры: градус
Кельвина (K)
За один градус Кельвина принята величина, равная 1/273,16
доли термодинамической температуры тройной точки воды
(температуры, при которой одновременно существуют лед,
вода и пар) .
Единица количества вещества: моль
За один моль принято такое количество вещества, которое
содержит одинаковое количество элементарных единиц (атомов или молекул) с образцом углерода-12 весом 0,012 килограмма .
Единица силы света: кандела (кд)
За единицу силы света в одну канделу принята сила света
в заданном направлении от источника, испускающего монохромное излучение частотой 540 × 1012 Гц, энергетическая сила
которого в этом направлении составляет 1/683 ватта на стерадиан (телесный угол, который из сферы радиуса r вырезает
поверхность площадью r2) .
Вы уже заметили, что единицы измерения СИ в определенной степени зависимы друг от друга . На
схеме наглядно показана
взаимосвязь большинства базовых единиц СИ .
Если изменить одну единицу измерения, то изменятся и многие другие .

259

ОБНОВЛЕННЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ СИ
Идея провести обновление определений большинства единиц
СИ витает в воздухе, и не исключено, что это будет сделано уже
в ближайшем будущем . Как и раньше, в основе этих определений будут лежать природные явления, только в новых определениях будет снижена систематическая погрешность благодаря
выбору действительно неизменных параметров . В прошлом все
наши системы мер основывались на параметрах человеческого
тела — длины стопы или, например, шага . Метрическая система с небольшим успехом стала попыткой привязать наши измерения к природным явлениям, например свойствам воды или
размерам планеты . В новых определениях единиц СИ будут использованы физические константы — те неизменные числа, которые лежат в основе функционирования нашей Вселенной .
Для определения одного ампера будут использованы значения элементарного электрического заряда
протона (или электрона).

Электрический
заряд

∆v
(133Cs)hfs

Излучение
цезия

Секунду предполагается определить через частоту излучения цезия-133 при абсолютном нуле (0 K).

Число Авогадро

Количество
структурных
элементов в одном
моле предполагается
привязать к числу Авогадро 6,02214179 × 1023.

Длина в один метр
будет определяться через
скорость света, которая
принимается равной точно
299 792 458 м/сек.

Скорость
света

Постоянная
больцмана
Градус Кельвина будет определяться через постоянную
Больцмана, которая принимается равной точно
1,38065 × 10−23 сек−2 м2 кг K−1.

260

Сила
света

Kcd

Постоянная
Планка

Килограмм будет определен через постоянную
Планка, равную
6,62606 × 10–34 с–1 м2 кг.

Определение силы света в одну канделу
остается почти без изменений, только
в ее расчете участвуют обновленные значения эталонов длины, времени и массы.

ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ
Все в мире можно измерить при помощи различных сочетаний семи основных единиц измерения . Но эти сочетания могут быть довольно сложными, и потому для удобства в физике
ввели производные единицы СИ . Одни состоят из двух базовых единиц, другие — из трех . Эти единицы встречаются в числителе или знаменателе выражения, причем часто в степени выше первой . Многие из производных единиц СИ названы
в честь известных физиков .
На приведенной ниже схеме показаны все производные
единицы измерения, так что некоторые из них будут для
вас в новинку . Для примера рассмотрим один ньютон . Это
сила, которая сообщает определенной массе четко заданное ускорение, то есть обеспечивает за единицу времени
определенный рост скорости . Следовательно, ньютон эквивалентен массе, умноженной на длину и деленной на время .
То есть кг·м·с–2 . (Степень –2 показывает, что при расчете вы
будете два раза делить на время, и пусть вас не обманет
знак умножения .)
Таблица производных единиц измерения
Название

Обозначение

Величина

Представление

В единицах
СИ

радиан

рад

плоский угол

стерадиан

ср

телесный угол

герц

Гц

частота

с−1

ньютон

сила, вес

кг·м·с−2

паскаль

Па

давление,
механическое
напряжение

Н/м2

кг·м−1·с−2

джоуль

Дж

работа, энергия,
тепло

Н·м

кг·м2·с−2

ватт

Вт

мощность, лучистый
поток

Дж/с

кг·м2·с−3

261

Окончание табл.
Название

262

Обозначение

Величина

Представление

кулон

Кл

электрический заряд
или количество электричества

с·А

вольт

напряжение
(разность
электрического
потенциала), ЭДС

ватт/А

кг·м2·с−3·А−1

фарад

электроемкость

Кл/В

кг−1·м−2·с4·А2

ом

Ом

электрическое
сопротивление

В/А

кг·м2·с−3·А−2

сименс

См

электрическая
проводимость

А/В

кг−1·м−2·с3·А2

вебер

Вб

магнитный поток

В·сек

кг·м2·с−2·А−1

тесла

Тл

магнитная индукция

Вб/м

кг·с−2·А−1

генри

Гн

индуктивность

Вб/А

градус
Цельсия

°С

температура
(ноль соответствует
273,16 K)

люмен

лм

световой поток

кд·ср

люкс

лк

освещенность

лм/м2

беккерель

Бк

активность
радиоактивного
источника (число
распадов в сек)

с−1

грей

Гр

единица
поглощенной дозы
ионизирующего излучения

Дж/кг

м2·с−2

зиверт

Зв

эквивалентная доза
ионизирующего
излучения

Дж/кг

м2·с−2

катал

кат

активность
катализатора

с−1·моль

В единицах
СИ

кг·м2·с−2·А−2

м−2·кд·ср

СВЯЗь ОСНОВНЫХ
И ПРОИЗВОДНЫХ ЕДИНИЦ СИ
Нет, это не иллюстрация четырехмерного пространства-времени в представлении современной физики . Это всего лишь
диаграмма взаимосвязей основных и производных единиц измерения с указанием кратности вхождения единицы в формулу . Чтобы понять эту диаграмму, вам необходимо знать некоторые правила .
Все единицы измерения представляют собой сочетания
основных единиц СИ . (Обратите внимание, что моль не используется ни для какой единицы СИ .) Светло-серые линии
используются, когда базовая единица в числителе (сверху),
а темно-серые — когда в знаменателе (внизу) . По количеству
стрелок вы узнаете, с какой кратностью базовая единица входит в производную единицу СИ .
Обратите внимание, что радиан и стерадиан никак не выражаются через основные единицы . Это связано с тем, что
и плоский, и телесный углы — величины безразмерные . Один
радиан — это такой угол, длина дуги которого равна радиусу .

263

единица
в числителе

Основные единицы

кг
единица
в знаменателе

масса

моль

м2
плОщаДь

м3
ОбъеМ

количество
вещества

м
длина

м/с
м/с2

время

сила электрического
тока

Гц
чаСТОТа
геРЦ

264

Кл
элеКТРичеСКий заРяД
КУлОн

сила света

температура

В
напРяжение ВОльТ

кд

РабОТа,
энеРгия
ДжОУль

СКОРОСТь

УСКОРение

Дж

лк
C

гРаДУС
ЦельСия
(°K+273,16)

ОСВещеннОСТь
люКС

Па

N
Сила
ньюТОн

ДаВление
паСКаль

Вт
Тл

МОщнОСТь
ВаТТ

Вб

Гн

МагниТный
пОТОК
ВебеР

МагниТная
инДУКЦия ТеСла

инДУКТиВнОСТь
генРи

Ом
элеКТРОСОпРОТиВление
ОМ

См
элеКТРичеСКая
пРОВОДиМОСТь
СиМенС

Ф
элеКТРОеМКОСТь
ФаРаД

лм
СВеТОВОй
пОТОК
люМен

ср

рад

ТелеСный
УгОл
СТеРаДиан

плОСКий
УгОл
РаДиан

265

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ
Иногда нам кажется, что некоторые значения остаются неизменными, в каком бы месте Вселенной мы ни проводили измерения . Но это утверждение остается догадкой, довольно
удобной для физиков .
Мы предполагаем, что физические константы являются
частью фундамента нашей Вселенной . Конечно, мы не можем изменить физические постоянные, но можем попытаться свести воедино все грани природы, чтобы получить волшебную картину динамически развивающейся Вселенной .
Одни физические постоянные играют роль коэффициентов
пропорциональности, связывая между собой глобальные
параметры Вселенной . Например, гравитационная постоянная G из закона всемирного тяготения или постоянная
Планка из формулы связи энергии излучения с его частотой . Другие физические постоянные просто являются фундаментальными величинами, такими как радиус электрона
или скорость света . Таблицы, приведенные справа, возможно, не слишком просты для восприятия, но очень полезны,
поскольку в них можно найти все самые основные, фундаментальные константы .
Величина

Обозначение

Значение (единицы СИ)

Стандартная
относительная
погрешность
определения

Универсальные константы

266

скорость света в C
вакууме

299 792 458 м·с−1

Без погрешности

гравитационная
постоянная
Ньютона

6,67384(80) ×
× 10−11 м3·кг−1·с−2

1,2 × 10−4

постоянная
Планка

6,62606957(29) ×
× 10−34 Дж·с

4,4 × 10−8

Продолжение табл.
Величина

Обозначение

Значение (единицы СИ)

Стандартная
относительная
погрешность
определения

приведенная
постоянная
Планка

ħ = h/(2π)

1,054571726(47) ×
× 10−34 Дж·с

4,4 × 10−8

Электромагнитные константы
магнитная
постоянная
(проницаемость
вакуума)

μ0

4π × 10−7 N·A−2 =
= 1,256637061 . . .
× 10−6 Н·А−2

Без погрешности

электрическая
постоянная
(проницаемость
вакуума)

ε0 = 1/ (μ0c2)

8,854187817 . . . ×
× 10−12 Ф·м−1

Без погрешности

волновое сопро- Z0 = μ0c
тивление (импеданс) вакуума

376,730313461 . . . Ом Без погрешности

постоянная Кулона

ke = 1/4πε0

8,987551787 . . . ×
× 109 Н·м²·Кл−2

Без погрешности

элементарный
электрический
заряд

1,602176565(35) ×
× 10−19 Кл

2,2 × 10−8

магнетон Бора

μB = eħ/2me

9,27400968(20) ×
× 10−24 Дж·Тл−1

2,2 × 10−8

квант проводимости

G0 = 2e2/h

7,7480917346(25) ×
× 10−5 См

3,2 × 10−10

обратное значение кванта проводимости

G0-1= h/2e2

12906,4037217(42)
Ом

3,2 × 10−10

константа Джозефсона

KJ = 2e/h

4,83597870(11) ×
× 1014 Гц·В−1

2,2 × 10−8

267

Окончание табл.
Величина

Обозначение

Значение (единицы СИ)

Стандартная
относительная
погрешность
определения

квант магнитного потока

Ǿ0 = h/2e

2,067833758(46) ×
× 10−15 Вб

2,2 × 10−8

ядерный магнетон

μN = eh/2mp

5,05078353(11) ×
× 10−27 Дж·Тл−1

2,2 × 10−8

константа фон
Клитцинга

RK = h/e2

25 812,8074434(84)
Ом

3,2 × 10−10

Атомные и ядерные константы

268

боровский радиус

a0 = α/4πR∞

5,2917721092(17) ×
× 10−11 м

3,2 × 10−9

классический
радиус электрона

re =
e2/4πε0mem2

2,8179403267(27) ×
× 10−15 м

9,7 × 10−10

масса электрона

9,10938291(40) ×
× 10−31 кг

4,4 × 10−8

константа взаимодействия
(постоянная
Ферми)

GF/(ħc)3

1,166364(5) ×
× 10−5 Гэв−2

4,3 × 10−6

постоянная тонкой структуры

α = μ0 e2 c/
(2h) = e2/
(4πε0ħc)

7,2973525698(24) ×
× 10−3

3,2 × 10−10

энергия Хартри

Eh = 2R∞hc

4,35974434(19) ×
× 10−18 Дж

4,4 × 10−8

ТАБЛИЦЫ ПЕРЕВОДА ЕДИНИЦ
Длина
умноженная на

дает

миллиметр

Длина

0,04

дюйм

сантиметр

0,39

дюйм

метр

3,28

фут

метр

1,09

ярд

километр

0,62

миля

дюйм

25,4

миллиметр

дюйм

2,54

сантиметр

фут

30,48

сантиметр

ярд

0,91

метр

миля

1,61

километр

Масса и вес
умноженная на

дает

грамм

Масса (или вес)

0,035

унция

грамм

0,032

унция аптекарская

килограмм

2,20

фунт

килограмм

2,68

фунт аптекарский

тонна (1000 кг)

1,10

короткая тонна

унция

28,35

грамм

унция аптекарская

31,10

грамм

фунт

0,45

килограмм

фунт аптекарский

0,37

килограмм

короткая тонна
(2000 американских фунтов)

0,91

метрическая тонна

269

Объем
Объем

умноженный на

дает

миллилитр

0,20

чайная ложка

миллилитр

0,07

столовая ложка

миллилитр

0,03

жидкая унция

литр

4,23

чашка

литр

2,11

пинта

литр

1,06

кварта

литр

0,26

галлон американский

кубометр

35,31

кубический фут

кубометр

1,31

кубический ярд

чайная ложка

4,93

миллилитр

столовая
ложка

14,79

миллилитр

жидкая
унция

29,57

миллилитр

чашка

0,24

литр

пинта

0,47

литр

кварта

0,95

литр

галлон
американский

3,79

литр

кубический фут

0 .03

кубометр

кубический ярд

0,76

кубометр

Скорость
Скорость

270

умноженная на

дает

мили в час

1,61

километры в час

0,62

мили в час

Температура
Температура

умноженная на

дает

градусы Фаренгейта

( F–32)÷1,8

градусы Цельсия

(1,8 x C)+32

градусы Фаренгейта

271

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
В этой таблице показаны основы нашей Вселенной от черных
дыр до облаков межзвездного газа . Трудно представить себе,
что и свет от далеких миров, и силы, которые удерживают материю, можно свести к горстке элементарных частиц, которые
помещаются в одной таблице .
Стандартная модель является лучшим описанием материи
из достигнутого пока физикой . Она описывает почти все —
материю, силы и излучение — с точки зрения взаимодействия
частиц друг с другом . (Не забудьте при этом теорию относительности, которую пока не удалось распространить на масштабы микромира .)
Частица

Роль

Масса

Заряд

Спин

бозоны (переносчики сил природы)
гравитон

гравитация

фотон

электромагнетизм

глюон

0
сильное ядерное взаимодействие

W+

слабое ядерное
взаимодействие

80 000

W–

слабое ядерное
взаимодействие

80 000

–1

слабое ядерное
взаимодействие

91 000

бозон Хиггса

слабое ядерное
взаимодействие

> 78 000

Векторные бозоны

272

Частицы обладают собственными наборами квантовых характеристик, и это делает каждую частицу отличной от других .
Некоторые упомянутые частицы существуют пока лишь в теории, и, возможно, их существование даже не будет подтверждено . Многие подтвержденные частицы пока не имеют полного описания . Особняком среди них стоят суперпартнеры,
которые должны существовать в рамках теории суперсимметрии, или симметрии Ферми — Бозе . Никаких суперпартнеров
до сих пор зарегистрировано не было, и в свете последних
исследований шансы на их существование стремительно тают .
Однако ученые упорно ищут связь между бозонами (частицами
силы) и фермионами (частицами материи), и эту связь должны
передавать именно эти таинственные суперпартнеры .
Сила
взаимодействия

Диапазон

Наблюдаемость

Суперпартнер

10–38

бесконечность

нет

гравитино

10–2

бесконечность

да

фотино

10–13

опосред .

глюино

10–13

10–16

да

вино W+

10–13

10–16

да

вино W–

10–13

10–16

да

зино

[?]

да?

хиггсино

273

Частица

Роль

Масса

Заряд

Спин

ФЕРМИОНЫ (материя)
ЛЕПТОНЫ, ПОКОЛЕНИЕ 1:
электрон

радиоактивный
распад

0,51

–1

1/2

электронное
нейтрино

атомные структуры

1/2

КВАРКИ, ПОКОЛЕНИЕ 1:
верхний

ядро атома

2/3

1/2

нижний

ядро атома

–1/3

1/2

мюон

106

–1

1/2

мюонное нейтрино

˜0

1/2

очарованный

1400

2/3

1/2

странный

170

–1/3

1/2

тау-лептон

1784

–1

1/2

тау-нейтрино

> 35

1/2

истинный

174000

2/3

1/2

прелестный

4400

–1/3

1/2

ЛЕПТОНЫ, ПОКОЛЕНИЕ 2:

КВАРКИ, ПОКОЛЕНИЕ 2:

ЛЕПТОНЫ, ПОКОЛЕНИЕ 3:

КВАРКИ, ПОКОЛЕНИЕ 3:

274

Окончание табл.
Сила
взаимодействия

Диапазон

Наблюдаемость

Суперпартнер

—

да

сэлектрон

—

да

сэлектронное
снейтрино

—

опосред .

сверхний скварк

—

опосред .

снижний скварк

—

да

смюон

—

да

смюонное снейтрино

—

опосред .

сочарованный
скварк

—

опосред .

сстранный
скварк

—

да

стау-лептон

—

да

стау-лептонное
снейтрино

—

опосред .

систинный
скварк

—

опосред .

спрелестный
скварк

275

СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Давайте обратим наш взор на материю — все то, из чего состоите вы, эта книга и наш мир . Удивительное разнообразие
окружающей нас материи формируется посредством сочетания 90 химических элементов (в таблице Менделеева вы увидите больше элементов, однако оставшиеся слишком редки
на Земле, чтобы говорить о них) . Каждый элемент представляет собственный атом со своими физическими и химическими свойствами .
В природе элементы могут присутствовать и в чистом
виде, например в виде самородка золота или газа кислорода,
но чаще всего атомы различных элементов комбинируются
в более сложные соединения . Атомы соединяются в результате химических реакций, а то, как проходят эти реакции, зависит от количества валентных электронов во внешней электронной оболочке атомов .
Вещества могут находиться в трех основных состояниях, называемых еще агрегатными, — в твердом, жидком и газообразном . Твердое тело (например, лед) имеет
постоянную форму . Жидкость (например, вода) обладает
свойством текучести и принимает форму сосуда . Газ (например, пар) также принимает форму сосуда, но при этом
способен расширяться, занимая весь его объем . Вещество
может переходить из одного состояния в другое, если сообщить его атомам кинетическую энергию или же забрать
ее — другими словами, нагреть или охладить . Также можно перевести вещество в другое агрегатное состояние, изменив давление .

Твердое тело

276

Жидкость

Газ

Твердое тело: на макроуровне вещество имеет
цвет, форму, твердость
и много других свойств .

Кристаллическая решетка:
молекулярная структура обладает макроскопическими свойствами и представляет собой
атомы, соединенные связями .

атомные ядра: состоят
из определенного числа протонов и нейтронов, составляющих почти всю атомную массу .

атом: расположение электронов в атоме определяет химические свойства элемента
и то, каким образом атомы связываются в молекулы
(если вообще связываются) .

Кварки: протоны и нейтроны состоят каждый из
трех меньших частиц, называемых кварками . Это
самые фундаментальные
кирпичики материи .

277

Номер
группы
(столбца)

Атомный номер . Число протонов

Символ уникален для каждого элемента

водород
1.00794

Aтомная масса (вес) среднее
число нуклонов (протонов
и нейтронов) в ядре

водород
1.00794
3

литий
6.941
11

Бериллий
9.012182
12

НАтрий мАгНий
22.98976928 24.305
19
20

КАлий
39.0983
37

КАльЦий сКАНдий
40.078 44.955912
38
39

титАН
47.867
40

вАНАдий
50.9415
41

хром
51.9961
42

НиоБий

молиБдеН

тАНтАл
180.94788
105

рУБидий строНЦий иттрий ЦирКоНий
85.4678
87.62
88.90585
91.224
57-71
55
56
72

92.90638

Mo
95.96

мАргАНеЦ
54.938045
43

Железо
55.845
44

КоБАльт
58.933195
45

НиКель
58.6934
46

Mn
Tc

техНеЦий рУтеНий
101.07
98
75
76

родий пАллАдий
102.9055
106.42
77
78

Цезий
132.9054519
87

БАрий
137.327
88

лАНтАНоиды гАФНий
178.49
89-103
104

вольФрАм
183.84
106

реНий
186.207
107

осмий
190.23
108

иридий плАтиНА
192.217
195.084
109
110

ФрАНЦий
(223)

рАдий
(226)

АКтиНоиды резерФордий дУБНий сиБоргий
267
270
271

Борий
274

хАссий
277

мейНтерий дАрмштАдтий
278
281

лАНтАН
138.90547
89

Церий
140.116
90

La
Ac

прАзеодим Неодим прометий сАмАрий европий гАдолиНий
140.90765 144.242
145
150.36
151.964
157.25
91
92
93
94
95
96

АКтиНий торий протАКтиНий УрАН
НептУНий плУтоНий АмериЦий Кюрий
247
243
(227)
232.03806
231.03588
238.02891
237
244

278

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ
Периодическая таблица Менделеева — это лишь способ организации элементов, позволяющий определять их свойства
буквально с первого взгляда . Но чтобы научиться понимать
таблицу, вам придется изучить некоторые правила .

18
2

Бор
10.811
13

Углерод
12.0107
14

Азот
14.0067
15

Кислород
Фтор
15.9994
18.9984032
16
17

гелий
4.002602
10

НеоН
20.1797
18

серА
32.065
34

хлор
35.453
35

АргоН
39.948
36

АлюмиНий КремНий ФосФор
26.9815386
28.0855 30.973762
33
32
31

медь
63.546
47

ЦиНК
65.38
48

гАллий гермАНий мышьяК
69.723
72.64
74.9216
51
50
49

селеН
78.96
52

Бром
79.904
53

КриптоН
83.798
54

иНдий
114.818
81

олово
118.71
82

сУрьмА
121.76
83

теллУр
127.6
84

йод
126.90447
85

КсеНоН
131.293
86

тАллий
204.3833
113

свиНеЦ
207.2
114

висмУт полоНий
208.9804
209
115
116

АстАт
210
117

рАдоН
222
118

Zn
Cd

сереБро КАдмий
107.8682 112.411
79
80

золото
196.966569
111
111

ртУть
200.59
112

Ga
In
Tl

Ge
Sn

Pb
Fi

Sb
Bi

Se
Te

Br
I

At
Ts

Rn
Og

реНтгеНий КоперНиЦий НихоНий Флеровий мосКовий ливерморий теННессиН огАНесоН
281
285
294
286
289
289
291
294

терБий диспрозий
158.92535
162.5
97
98

Ho
гольмий
164.93032

ЭрБий
167.259
100

тУлий иттерБий лютеЦий
168.93421 173.054
174.9668
101
102
103

БерКлий КАлиФорНий ЭйНштейНий Фермий меНделевий НоБелий лоУреНсий
252
257
258
259
262
247
251

279

В каждой группе периодической таблицы химические элементы располагаются по сходству их физических и химических
свойств . Атом любого элемента содержит протоны и нейтроны,
составляющие центральное ядро . Это массивное ядро окружено намного более легкими электронами, определяющими химическую активность атомов, а также то, как они будут вступать
в химические реакции и образовывать связи друг с другом .
Каждый элемент имеет строго определенное количество протонов и равное ему количество электронов . Периодическая
таблица упорядочена в соответствии с электронными структурами атомов и начинается с верхнего левого угла, где располагается водород, элемент с самым легким и простым атомом . Он
состоит из одного протона, вокруг которого вращается один
электрон, так что атомный номер водорода равен 1 . Следующим идет гелий с двумя протонами, двумя электронами и атомным номером 2 . Атомный номер лития равен 3, и третий электрон располагается на более высокой орбитали — выше первых
двух электронов . Соответственно, литий располагается во втором ряду, или периоде таблицы (отсюда и ее название) . На второй энергетической орбитали может быть уже 8 электронов,
так что период продолжается до неона с атомным номером 10 .
Затем начинается третий период и так далее .

280

СПиСоК иСтоЧниКоВ
Книги
Ananthaswamy, Anil . The Edge of Physics . Boston: Houghton
Mifflin Harcourt, 2010 .
Atkins, P .W . Galileo’s Finger: The Ten Great Ideas of Science.
Oxford: Oxford University Press, 2004 .
Duhem, Pierre . The History of Physics before Einstein . New York:
Encyclopedia Press, 1913 .
Feynman, Richard . Feynman Lectures on Physics, Vols 1–3 .
Boston: Addison–Wesley, 1964 .
Gribbin, John (ed .) . A Brief History of Science . Lewes: Ivy Press
Ltd, 1998 .
Hawking, Stephen . A Brief History of Time . London: Bantam,
1988 .
Lindley, David . Uncertainty: Einstein, Heisenberg, Bohr, and the
Struggle for the Soul of Science . New York: Doubleday, 2007 .
MacArdle, Meredith (ed .) . Scientists: Extraordinary People who
Changed the World . London: Basement Press, 2008 .
Milhorn, H . Thomas . The History of Physics . College Station,
Texas: VBW Publishing, 2010 .
Parsons, Paul (ed .) . 30-Second Theories . Lewes: Fall River Press,
2009 .
Simonyi, Károly . A Cultural History of Physics . Boca Raton:
CRC Press, 2012 (Hungarian edition 1978) .
Suplee, Curt . Milestones of Science . Washington, D .C .: National
Geographic Society, 2000 .
Музеи
Канадский музей науки и технологий (Оттава, Канада);
www .sciencetech .technomuses .ca
Китайский музей науки и технологий (Пекин, Китай);
www .cstm .org .cn
Городок науки и индустрии (Париж, Франция);
www .cite-sciences .fr
Музей компьютерной истории (Маунтин-Вью, Калифорния,
СшА); www .computerhistory .org

281

Центр науки «Коперник» (Варшава, Польша);
www .kopernik .org .pl
Музей достижений естественных наук и техники (Немецкий музей; Мюнхен, Германия); www .deutsches-museum .de
Немецкий технический музей (Берлин, Германия);
www .sdtb .de
Эксплораториум (Сан-Франциско, СшА);
www .exploratorium .edu
Музей науки при Институте Франклина (Филадельфия,
СшА); www2 .fi .edu
Музей Гюйгенса в особняке Хофвик (Нидерланды);
www .hofwijck .nl
Музей Кеплера (Прага, Чехия); www .keplerovomuzeum .cz
Музей Массачусетского технологического института
(Кембридж, Массачусетс, СшА); www .web .mit .edu/museum
Музей Галилея, бывший Институт и Музей истории науки
(Флоренция, Италия): www .museogalileo .it
Музей истории науки (Оксфорд, Великобритания);
www .mhs .ox .ac .uk
Музей науки и промышленности (Чикаго, СшА)
www .msichicago .org
Музей науки и промышленности (Манчестер, Великобритания); www .mosi .org .uk
Музейный квартал (Museumsquartier; Вена, Австрия);
www .mqw .at
Национальный музей природы и науки (Токио, Япония);
www .kahaku .go .jp/english
Норвежский музей науки и технологии (Осло, Норвегия);
www .tekniskmuseum .no
Старая стокгольмская обсерватория (Стокгольм, швеция);
www .observatoriet .kva .se
Павильон знаний (Лиссабон, Португалия);
www .pavconhecimento .pt/home
Музей электростанции (Сидней, Австралия);
www .powerhousemuseum .com
Музей науки (Лондон, Великобритания);
www .sciencemuseum .org .uk
шанхайский музей науки и технологии (шанхай, Китай);
www .sstm .org .cn

282

Музеи Смитсоновского института (Вашингтон, СшА);
www .si .edu
Архивы документов на английском и французском
языках
Hans Bethe Papers, Cornell University Library (Нью-Йорк,
СшА); www .rmc .library .cornell .edu
Joseph Black Papers, Edinburgh University Library (Эдинбург,
шотландия, Великобритания); www .lib .ed .ac .uk
Niels Bohr Library and Archives, American Center for Physics
(Вашингтон, СшА); www .acp .orgв
Музей Марии Склодовской-Кюри (Варшава, Польша);
www .muzeum-msc .pl
Paul Dirac Collection, Florida State University (Таллахасси,
СшА); www .fsu .edu
Albert Einstein Papers, Hebrew University of Jerusalem (Израиль); www .huji .ac .il
Музей Фарадея, Королевский институт Великобритании
(Лондон, Великобритании); www .rigb .org
Enrico Fermi Collection, University of Chicago (Чикаго, СшА);
www .uchicago .edu
Richard Feynman Archives, Caltech (Пасадина, Калифорния,
СшА); www .caltech .edu
Murray Gell-Mann Papers, Caltech (Пасадина, Калифорния,
СшА); www .caltech .edu
Werner Heisenberg Papers, Max Planck Institute (Мюнхен,
Германия); www .mpp .mpg .de/english/index .html
Joseph Henry Papers, Smithsonian Institution (Вашингтон,
СшА); www .siarchives .si .edu/history/exhibits/henry/henrypapers-database
Robert Hooke Folio, Королевское общество (Лондон, СшА);
www .royalsociety .org
James Prescott Joule Papers, University of Manchester Library
(Манчестер, Великобритания); www .library .manchester .ac .uk
William Thomson, Lord Kelvin Collection, University of
Glasgow Library (Глазго, Великобритания);
www .special .lib .gla .ac .uk
Georges Lemaître Archive, Université catholique de Louvain
(Лувен-ля-Нёв, Бельгия); www .uclouvain .be

283

Isaac Newton Papers, Cambridge University Library (Кембридж, Великобритания); www . cudl .lib .cam .ac .uk
Rutherford Museum, McGill University (Монреаль, Канада);
www .physics .mcgill .ca/museum/rutherford_museum .htm
J .J . Thomson Papers, Trinity College Library, Cambridge
University (Кембридж, Великобритания); www .trin .cam .ac .uk
Интернет
Фонд Нобеля; www .nobelprize .org
Приложения
Launchball, Science Museum для iPhone
LHSee для Android
Wolfram|Alpha для Android, iPad, iPhone

В книге использованы материалы следующих агентств,
фотографов, библиотек и научных институтов: Alamy; The
Bridgeman Art Library Ltd .; Mary Evans Picture Library; Craig Hiller;
imagebroker; INTERFOTO; ITAR-TASS Photo Agency; Gordon
Langsbury; MLaoPeople; North Wind Picture Archives; PHOTOTAKE
Inc .; Pictorial Press Ltd .; The Print Collector; sciencephotos; World
History Archive; American Physical Society; © CERN; Maximilien
Brice; Claudia Marcelloni; Corbis; Roger Antrobus Bettmann; Stefano
Bianchetti; DK Limited; Kevin Fleming; Shelley Gazin; HultonDeutsch Collection; David Lees; Ocean; Science Photo Library/
Mehau Kulyk; Sygma/Bureau L .A . Collection; Tarker; Underwood
& Underwood; Michael S . Yamashita; Dreamstime .com/Empire;
Nickolayv; Leon Rafael; Nico Smit; R .N . Whalley; Wollertz; Edgar
Fahs Smith Image Collection, Rare Book and Manuscript Library,
University of Pennsylvania; Mary Evans Picture Library; Alinari
Archives/Bruni Archive; Iberfoto/Fonollosa; Imagno; INTERFOTO/
Sammlung Rauch; SZ Photo; Harper’s New Monthly Magazine,
No . 231, August 1869; Ivan Kuzmich Federov, Portrait of Mikhail
Lomonosov, 1844; History of Science Collections, University of
Oklahoma Libraries; iStockphoto .com/John Butterfield; Elemental
Imaging; Hulton Archive; Denis Kozlenko; Alfred Leitner; Library of
Congress, Washington, D .C .; Brady- Handy Photograph Collection;
George Grantham Bain Collection; Joseph-Siffrese Duplessis;
Henry S . Sadd; Jack Orren Turner; Doris Ullmann; Albert Abraham
Michelson; NASA/AMES Research Center; ESA/ the Hubble Heritage
Team (STScl/AURA); ESA and Felix Mirabel (French Atomic Energy
Commission and Institute for Astronomy and Space Physics/
Conicet of Argentina); Johnson Space Center; Ernst Mach; Sutton
Nicholls, Monument to the Great Fire of London, c .1753; Science &
Society Picture Library/Science Museum; Science Photo Library/
Alfred Pasieka; Mark Garlick; Ted Kinsman; Mehau Kulyk; New York
Public Library; David Parker; Detlev van Ravenswaay; Volker Steger;
Sheila Terry; BICEP2 Telescope; NSF/Steffen Richter/Harvard
University; Shutterstock .com; argus; Esteban de Armas; Binkski;
Andrea Danti; Goran Djukanovic; Igor Golovnlov; Alex Kalmbach;
koya979; Peter G . Pereira; maisicon; Morphart Creation; Maks
Narodenko4; Werner Stoffberg; Andrey Sukhachev; Rob Wilson;
Thinkstock .com; Dorling Kindersley RF; iStockphoto; Ryan McVay;
Photodisc; Photos .com; U .S . Department of Energy; U .S . Nuclear

285

Regulatory Commission; U .S . Navy Photographer’s Mate 3rd Class,
Jonathan Chandler; Bartolomeu Velho, Cosmographia, 1568; wallz .
eu; Roy Williams . Ленты временени: Alamy/INTERFOTO; The Print
Collector . Corbis/Bettmann; Stefano Bianchetti; DK Limited; Rune
Hellestad; Reuters/ Sean Adair; Reuters/Dan Lampariello; Francis
G . Mayer; Science Photo Library/Mehau Kulyk . Dreamstime .com/
Jaroslav Bartos; Luis Manuel Tapia Bolivar . Edgar Fahs Smith
Image Collection, Rare Book and Manuscript Library, University
of Pennsylvania . Mary Evans Picture Library/ AISA Media; Everett
Collection; Glasshouse Images; Grosvenor Prints; Iberfoto/BeBa;
INTERFOTO; INTERFOTO AGENTUR; INTERFOTO/Toni Schneiders;
Pump Park Photography; Rue des Archives; SZ Photo . Image
courtesy of the History of Science Collections, University of
Oklahoma Libraries . iStockphoto .com/Karl-Friedrich Hohl .
Library of Congress, Washington, D .C ./Brady-Handy Photograph
Collection; Warren K . Leffler; Matson Photograph Collection .
Harriet Moore . NASA/JHU/APL; MSFC; M . Weiss (Chandra X-Ray
Center) . Science & Society Picture Library/ Science Museum,
London . Shutterstock .com/DVARG; Lludmila Gridna; Ale Justas;
Atliketta Sangasaeng . Thinkstock . com/Dorling Kindersley RF;
Hemera; iStockphoto; Photodisc; Photos .com . U .S . Navy/Ensign
John Gay . Roy Williams .

Научно-популярное издание

12+

Серия «Наука всем»

Том Джексон
Взламывая физику
Перевод и комментарии А. Банкрашкова
Заведующая редакцией Ю. Данник
Ответственный редактор О. Паламарчук
Художественное оформление О. Жукова
Компьютерная вёрстка А. Грених
Технический редактор М. Караматозян
Корректор М. Сиротникова, Н. Сгибнева, Н. Панова
Общероссийский классификатор продукции ОК-034-2014 (КПЕС 2008);
58.11.1 — книги, брошюры печатные
Подписано в печать 08.06.2023. Формат 60×84 1/16.
Печать офсетная. Гарнитура Myriad Pro. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 16.74.
Тираж
экз. Заказ № .
Изготовлено в 2023 г. Произведено в Российской Федерации
Изготовитель: ООО «Издательство АСТ»
129085, РФ, г. Москва, Звёздный бульвар, дом 21, строение 1,
комната 705, пом. I, 7 этаж.
Электронный адрес: www.ast.ru
E-mail: ask@ast.ru

«Баспа Аста» деген ООО
129085, Мәскеу қ., Звёздный бульвары, 21 үй, 1 құрылыс,
705-бөлме, I жай, 7 қабат.
Біздің электрондық мекенжайымыз: www.ast.ru
Интернет-магазин: www.book24.kz Интернет-дүкен: www.book24.kz
Импортер в Республику Казахстан ТОО «РДЦ-Алматы».
Қазақстан Республикасындағы импорттаушы «РДЦ-Алматы» ЖШС.
Дистрибьютор и представитель по приему претензий на продукцию
в республике Казахстан: ТОО «РДЦ-Алматы»
Қазақстан Республикасында дистрибьютор және өнім
бойынша арыз-талаптарды қабылдаушының өкілі
«РДЦ-Алматы» ЖШС, Алматы қ., Домбровский көш., 3«а»,
литер Б, офис 1.
Тел.: 8 (727) 2 51 59 89,90,91,92; Факс: 8 (727) 251 58 12, вн. 107;
E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz
Өнімнің жарамдылық мерзімі шектелмеген.
Өндірген мемлекет: Ресей