/
Tags: журнал домашняя лаборатория
Year: 2012
Text
ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
ДОМАШНЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
ИЮНЬ-ИЮЛЬ 2012
ДОМАШНЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Н аучно-прик ладной
и образовательный
интернет-журнал
Адрес редакции:
domlabginbox.com
Статьи для журнала
направлять , указывая в теме
письма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие
гонорары авторам статей не
выплачиваются и никакие
оплаты за рекламу не
принимаются.
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской
деятельностью и никакой
ответственности за содержание статей
не несет.
Статьи редактируются, но
орфография статей является
делом их авторов.
использовании материа-
этого журнала, ссылка
При
лов
на него не является
обязательной , но желательной.
Никакие претензии за
невольный ущерб авторам,
заимствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается
компенсированным рекламой авторов и
их произведений.
^($Щ
шы
СОДЕРЖАНИЕ
Краткая история физики (продолжение)
Кривая история открытий (продолжение)
Краткий курс биологии (продолжение)
Шерлок Холмс и пятно Пуассона
Рибофанк
Локальная сеть (продолжение)
Получение хлоратов и перхлоратов
ИЮНЬ-ИЮЛЬ 2012
История
3
123
Ликбез
170
Литпортал
234
238
Компьютер
300
Химичка
323
Электроника
АЦП с Centronics
Источник питания ультразвуковой установки
368
371
Систе'
Обработка сигналов
Метод конечных элементов
Верхом на бомбе
Хлорирование воды
Фотогалерея
Объявление
376
Матпрактик^
422
Мышление
428
Разное
508
515
516
По всем спорным вопросам
следует обращаться лично в
соответствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные
местным нотариусом, копии всех
необходимых документов на
африкаанс, в том числе,
свидетельства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
НА ОБЛОЖКЕ
Так ли уж хорошо мы знаем строение нашей планеты? Ее
прошлое, будущее и настоящее. Читаем публикацик
«Верхом на бомбе».
История
КРАТКАЯ
ИСТОРИЯ
Кудрявцев П.С.
ФИЗИКИ
ЧАСТЬ II. КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА (XVIII-XIX ВВ.)
ГЛАВА ВТОРАЯ. РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ
НАПРАВЛЕНИЙ ФИЗИКИ В XIX В.
Развитие механики в первой
половине XIX столетия
Прежде чем перейти к описанию событий в истории физики начала XIX столетия,
рассмотрим коротко развитие механики в первой половине XIX в.
Трудами Эйлера, Лагранжа и других математиков и механиков XVIII в.
сформировалась та отрасль математического естествознания, которая получила название
Журнальный вариант, с сокращениями. Начало см. в №№4-5 за этот год.
теоретической механики. В качестве таковой она выделилась из физики, и ее
развитие было более тесно связано с развитием математики, чем физики.
В историю механики существенный вклад внесли и русские ученые: математик и
механик М.В. Остроградский (1801-1862), имя которого встречается в физике в
связи с теоремой Остроградского-Гаусса, П.Л. Чебышев (1821 - 1894), A.M.
Ляпунов (1857-1918) и многие другие.
Деятельность европейских и русских механиков XIX в. рассматривается в
истории механики, и мы на ней останавливаться не будем. Мы упомянем здесь коротко
о некоторых механиках, работавших после Лагранжа, продолживших его дело и
внесших в механику новые понятия, важные для физики.
В 1803 г. вышел груд Луи Пуансо (1777-1859) «Элементы статики». Пуансо ввел
новое динамическое понятие пары сил, изучил свойства пар, сформулировал общий
закон сложения сил, действующих на тело, и общие условия равновесия.
В 1811 г. вышел «Трактат о механике» Симеона Пуассона (1781-1840). В этом
трактате Пуассон развивает и популяризирует традиции Лагранжа, иллюстрируя
общие предположения многочисленными примерами. «Трактат» Пуассона долгие годы
служил учебным пособием по механике.
Математик Жан Виктор Понселе (1788-1867), бывший солдат наполеоновской
армии и русский военнопленный, ввел в механику важное понятие работы. Это
понятие фигурирует и в «Трактате о механике твердых тел и о расчете действия
машин» (1829) Гаспара Гюстава Кориолиса (1792-1843). Кориолис открыл также
ускорение, испытываемое движущимися телами во вращающейся системе, и
соответствующую силу инерции. Это ускорение ныне известно под названием «кориолисово
ускорение», а сила - под названием «сила Кориодиса» (1835).
В 1829 г. вышла работа знаменитого немецкого математика К.ф. Гаусса (1777-
1855) «Об одном новом общем принципе динамики». В этом сочинении Гаусс
предлагал положить в основу механики вместо принципа наименьшего действия другой,
который он формулировал следующими словами: «Движение системы материальных
точек, связанных между собою произвольным образом и подверженных любым
влияниям, в каждое мгновение происходит в наиболее совершенном, какое только
возможно, согласии с тем движением, каким обладали бы эти точки, если бы все они
стали свободными, т.е. оно происходит с наименьшим возможным принуждением,
если в качестве меры принуждения, примененного в течение бесконечно малого
мгновения, принять сумму произведений массы каждой точки на квадрат величины
ее отклонения от того положения, которое она заняла бы, если бы была
свободной» .
Следует отметить, что этой работе предшествовали многолетние геодезические
и астрономические исследования Гаусса, в результате которых им был найден
метод наименьших квадратов, играющий важную роль в теории ошибок и обработке
экспериментальных данных. Сформулированный выше принцип наименьшего
принуждения Гаусса близко подходит к методу наименьших квадратов: природа действует
таким образом, что сумма квадратов отклонений движения точки от движения,
невозмущенного действием сил, является минимальной.
Особенно важную роль вариационный принцип наименьшего действия сыграл в
работах У.Р. Гамильтона (1805-1865).
Уильям Роуэн Гамильтон - ирландский математик и физик. С 1827 г. он был
профессором астрономии в Дублинском университете и директором астрономической
обсерватории университета.
В 1834 г. Гамильтон выступил с программной статьей «Об общем методе в
динамике, посредством которого изучение движений всех свободных систем
притягивающихся или отталкивающихся точек сводится к отысканию и дифференцированию
одного центрального соотношения или характеристической функции».
Характеризуя развитие механики со времен Ньютона, Гамильтон выделяет учение
славянского ученого Руджера Иосипа Бошковича, современника и ровесника Ломо-
носова, пережившего его более чем на двадцать лет (Бошкович родился 18 мая
1711 г. в Дубровнике, в Далмации, умер 13 февраля 1787 г. в Милане, в Италии.
Бошкович в 1760 г., еще при жизни Ломоносова, был избран почетным членом
Петербургской Академии наук).
В основном сочинении «Теория натуральной философии, приведенная к единому
Закону сил, существующих в природе», вышедшем в 1758 г., Бошкович
рассматривает мир как совокупность точек (атомов, которые он мыслит как центры сил),
взаимодействующих друг с другом с силами, модуль и направление которых
меняется с расстоянием так, что притягательные силы переходят в отталкивательные,
и наоборот. Гамильтон рассматривает его труд как переворот в механике,
сделавший ее «более динамичной и сводящей все связи и действия тел к притяжению
или отталкиванию точек».
Именно эту идею Гамильтон кладет в основу своей системы. Но для того чтобы
определить движение системы точек, надо интегрировать дифференциальные
уравнения второго порядка, «число которых втрое больше числа притягивающихся или
отталкивающихся точек».
Естественно, что с увеличением числа точек эта задача необычайно
усложняется, и для десяти точек, например, надо интегрировать тридцать
дифференциальных уравнений второго порядка. Гамильтон предлагает метод, в котором «задача
сводится к отысканию и дифференцированию одной-единственной функции,
удовлетворяющей двум уравнениям в частных производных первого порядка и второй
степени». Эту функцию Гамильтон называет характеристической, она определяется
интегралом
V={2Tdt,
где 2Т - «полная живая сила» - сумма произведений масс частиц на квадраты
их скоростей. Она связана с введенной Гамильтоном функцией Н, определяемой
Законом живой силы Т = U + Н, уравнением
JOL-t
дн
Соотношение Т = U + Н, где U - силовая функция, сейчас записывают в виде:
H=T+U,
где U - потенциальная энергия, отличающаяся от силовой функции U Гамильтона
знаком.
Во второй статье - «Второй очерк об общем методе в динамике»,
опубликованной в 1835 г. , Гамильтон вводит вместо характеристической функции V главную
функцию S. Он применяет свою знаменитую систему канонических уравнений,
которая в современной форме, в случае консервативных сил, имеет вид:
дН . _ дИ
Я,~ dp, 'P'~ dq; ■
Число этих уравнений n (i = 1, 2,... п) равно числу степеней свободы системы.
Главная функция S вводится уравнением:
5- j(T+U)dt.
Она сейчас носит название «действия», и канонические уравнения получаются
из принципа наименьшего действия.
Работам Гамильтона по динамике предшествовали его работы по оптике лучей,
написанные им в период 1827-1832 гг. , под общим названием «Теория систем
лучей» . Гамильтону принадлежит заслуга в установлении оптико-механической
аналогии , сыгравшей важную роль в истории создания волновой механики Шредингера.
Метод Гамильтона в динамике был разработан и развит в «Лекциях по динамике»
Карла Густава Якоби (1804-1851). Якоби был родным братом русского академика
Бориса Семеновича Якоби, и сам был почетным членом Петербургской Академии
наук.
Теория Гамильтона-Якоби получила широкое применение в XX в. в решении задач
атомной механики. Оператор Гамильтона, или «гамильтониан», является одним из
основных операторов современной квантовой механики, и таким образом
полузабытая физиками теория механики и оптики обрела новую жизнь в нашем столетии.
Развитие волновой
оптики в первой
половине XIX столетия
Факты из истории оптики начала XIX столетия показывают, как трудно раскрыть
закономерности развития науки, которое происходит не путем последовательной и
плавной эволюции, а сплошь и рядом испытывает неожиданные скачки и повороты.
Успехи ньютоновской механики XVIII в. оказали огромное влияние на все области
физики, в том числе и на оптику. Несмотря на поддержку теории Гюйгенса
Ломоносовым и защиту волновой теории света Эйлером, победа корпускулярной теории
была бесспорной, а самый принцип Гюйгенса был забыт.
Что касается открытых еще в XVII в. явлений дифракции и интерференции, то
ведущие ученые конца XVIII - начала XIX в. не сомневались в том, что они
получат исчерпывающее объяснение в терминах корпускулярной теории. Не
удивительно, что гениальные исследования Юнга по интерференции и дифракции света
были встречены с недоверием и даже с насмешкой, поскольку в них эти явления
объяснялись с точки зрения волновой теории. Вскоре эти исследования получили
мощную поддержку в работах Френеля, и волновая теория, несмотря на оппозицию
ведущих ученых и необычайные трудности, вызванные открытием поляризации,
восторжествовала .
Юнг
Томас Юнг родился 13 июня 1773 г. Уже в двухлетнем
возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил
латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве
знал до десяти языков, в том числе древнееврейский,
персидский и арабский. Эти знания помогли ему позднее в
работе по расшифровке египетских иероглифов. В дальнейшем
Юнг изучал медицину, получив в 1795 г. степень доктора
медицины. За два года до этого он опубликовал работу по
физиологической оптике «Наблюдения над процессом зрения»,
в которой разработал теорию аккомодации глаза. В
дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики,
сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый
термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по
натуральной философии» вышел в 1807 г. в двух томах.
Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой
теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения,
основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных
волокон, соответствующих трем основным цветам. Заметим, что Юнг в своих
«Лекциях» упоминает и труд Ломоносова «Слово о происхождении света». Юнг одним из
первых ввел в физику термин «энергия».
Разносторонность дарований Юнга изумительна. В его сочинениях
рассматриваются вопросы механики, оптики, акустики, теплоты, физиологической оптики,
технологии, кораблестроения, астрономии, навигации, геофизики, медицины, фи-
лологии, ботаники, зоологии и пр. Им было написано около 60 статей для
«Британской энциклопедии».
Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных
инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом - наездником и
канатоходцем. Умер Юнг 10 мая 1829г.
Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория
света и цвета», опубликованной в 1801 г. Она основана на следующих гипотезах:
1. Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет
вселенную.
2. Волнообразные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, когда тело
начинает светиться.
3. Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний,
возбуждаемых светом на сетчатке.
4. Все материальные тела притягивают эфирную среду, вследствие чего она
накапливается в их веществе и на малом расстоянии вокруг них в состоянии
большей плотности, но не большей упругости».
Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением:
«Излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира».
Таким образом, все богатство красок природы было сведено Юнгом к
колебательному движению эфира, а различие цветов - к различным частотам этих
колебаний . Световые колебания распространяются в эфире от различных источников,
не мешая друг другу, и если они в данной точке направлены одинаково, то «их
совместное действие представляет комбинацию движений каждого из них».
Этот принцип суперпозиции позволил Юнгу в 1802 г. найти «простой и общий
закон», согласно которому «везде, где две части одного и того же света
попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или более сильным там,
где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в
промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для
света различных цветов».
'А
Опыт Юнга в 1802 г.
Так в оптике появился принцип интерференции. Этот принцип Юнг подтвердил на
таком опыте. Солнечный свет, выходящий из небольшого отверстия в ставне окна,
освещал экран, в котором кончиком булавки были сделаны два отверстия на не-
5
4
3
'if
= 1
-1
-2
-3
-4
-5
большом расстоянии друг от друга. Свет, выходящий коническими пучками из
обоих отверстий (Юнг знал дифракцию и формулировал ее в одной из работ 1801 г.),
перекрещивался в некоторой области светового поля за экраном, и на приемном
экране появлялись светлые и темные полосы. Когда закрывали одно из отверстий,
то полосы исчезали и на приемном экране были видны лишь дифракционные кольца
от другого отверстия.
Измеряя ширину полос, Юнг смог определить ту «некоторую длину», которая
фигурировала в его законе. Это были первые в истории физики определения длины
волны, которая оказалась для красного света равной 0,7 мкм (Юнг измерял длину
в дюймах), 0,42 мкм для крайнего фиолетового.
Как мы знаем, интервалы в четверть длины волны измерял Ньютон в своем опыте
с кольцами, но он не пользовался понятием длины световой волны. Юнг впервые
сознательно определил длины световых волн и таким образом положил начало
спектрометрии. Совершенно естественно, что Юнг обратился к опыту с кольцами
Ньютона и правильно истолковал появление центрального темного пятна
изменением фазы колебаний при отражении от более плотной среды. Юнг проверил свою
теорию опытом, налив между линзой из кронгласа и пластинкой из флинтгласа
каплю сассафрасового2 масла. В этой установке световой луч проходил
последовательно через три среды в направлении убывания их показателей преломления, и
центральное пятно стало белым.
Юнгу было уже известно о существовании невидимых, инфракрасных лучей
(«тепловых») , открытых Вильямом Гершелем в 1800 г. , и ультрафиолетовых
(«химических») лучей, открытых Иоганном Риттером и Волластоном в 1802 г. Юнг показал,
спроектировав кольца Ньютона на бумагу, пропитанную ляписом, что и для
ультрафиолетовых лучей справедлив принцип интерференции. На бумаге были
обнаружены три темных кольца. Это была первая спектрограмма ультрафиолетового света.
Как уже говорилось, теория Юнга была встречена с недоверием и в самой
Англии подвергалась ожесточенным нападкам. Особенно суровое испытание ожидало
волновую теорию в связи с открытием Малюса.
Малюс
Этьенн Луи Малюс родился 23 июня 1775 г. Он учился в
Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему
окончить школу; его мобилизовали в армию на
фортификационные работы. Здесь его технические и организационные
таланты были замечены, и он был направлен в только что
организованную Политехническую школу, которую и окончил в
1796 г.
Однако война не отпускала Малюса. Он принял участие в
экспедиции Наполеона в Египет, откуда был направлен в
Сирию, участвовал во взятии Яффы. В городе вспыхнула чума,
и Малюс получил приказ остаться с больными и ранеными
солдатами. Вскоре он сам заболел чумой. Все окружавшие
Малюса люди умерли. «Я остался один - без сил, без помощи и друзей», -
вспоминал он. Более месяца он провел в лазарете вместе с другими зачумленными,
выздоровел и продолжал участие в египетском походе. После перемирия он
вернулся на родину, продолжая военно-инженерную службу и интенсивно занимаясь
наукой. В 1810 г. он стал членом Института, т.е. академиком. Однако
ослабленный болезнью и тяготами военной жизни организм Малюса, подточенный вдобавок
открывшимся туберкулезом, не выдержал, и 24 февраля 1812 г. он умер.
2 Сассафрас (лат. Sassafras) — род листопадных деревьев, кустарников из семейства
Лавровые; родина — восток Северной Америки и восточная Азия.
Оптические исследования Малюса начались еще во время египетского похода, а
в 1807 г. он представил в Академию два мемуара по оптике. Ему принадлежит
теорема геометрической оптики: пучок лучей, нормальный к некоторой
поверхности, остается таковым после произвольного числа отражений и преломлений.
В 1808 г. в связи с конкурсной задачей Парижской Академии наук он
сосредоточил свое внимание на явлении двойного лучепреломления. Размышляя над этим
явлением, Малюс рассматривал однажды через кристалл исландского шпата
отражение лучей заходящего солнца от стекол окон Люксембургского дворца и заметил,
что одно из изображений исчезло. С наступлением темноты он повторил опыт со
светом свечи, наблюдая через кристалл свет, отраженный от поверхности воды, и
установил, что при определенных углах падения одно из изображений исчезает.
Тщательно исследуя явление, Малюс открыл в световом луче асимметрию,
аналогичную поляризационным свойствам частиц.
Идея о поляризационных свойствах корпускул была высказана еще Ньютоном.
Малюс принял эту идею и ввел в оптику термин «поляризация света». Он установил,
что поляризация света наблюдается для лучей, испытавших двойное преломление,
и что эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Он
установил также, что свет, падающий на отражающую поверхность под определенным
углом, поляризуется.
Так Малюс доказал поляризацию света. Если правое зеркало
отражает лишь колебания определенных направлений, а остальные гасит,
то левое зеркало в соответствующем положении вообще не должно
ничего больше отражать
Брюстер (1781-1868) в 1815 г. нашел, что этот угол полной поляризации
удовлетворяет уравнению tgz = п, где п - показатель преломления отражающего
вещества.
В 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча
при прохождении через анализатор: интенсивность прошедшего света
пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного плоскостью поляризации луча с
плоскостью главного сечения анализирующего кристалла.
Открытие поляризации вдохновило сторонников корпускулярной теории света.
Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах,
рассматривая двоякое действие молекул кристалла на световые корпускулы. Он
вывел также зависимость между скоростью необыкновенного и обыкновенного лучей
и углом, образованным направлением обыкновенного луча с оптической осью. Био
обобщил закон Лапласа на двухосные кристаллы.
Араго открыл явление хроматической поляризации в одноосных кристаллах, а
также вращение плоскости поляризации в кварце. Био обнаружил хроматическую
поляризацию в сходящихся лучах сначала в одноосных, а потом в двухосных
кристаллах (1813-1814) В 1815 г. он открыл законы вращения плоскости
поляризации.
Область оптических явлений необычайно расширилась, и назрела потребность в
единой теории, объясняющей все разнообразие явлений света. Такая теория
совершенно неожиданно для современников и в особенности для парижских
академиков была создана инженером Опостеном Френелем. Неожиданность заключалась в
том, что эта теория была волновой, казалось бы, полностью скомпрометированной
открытием Малюса и последующими открытиями поляризационных явлений.
Френель
^^^ Опостен Жан Френель родился 10 мая 1788 г. в Нормандии
^^^^^Ь_^ в семье архитектора. Отличаясь слабым здоровьем, Френель
А^Р™^^^В учился с трудом, однако рано обнаружил технические спо-
Жж^-™«. ^Лв собности и шестнадцати с половиной лет поступил в Поли-
ян <5Г кЭр&
^t Wy^ техническую школу. Оттуда он перешел в Школу мостов и до-
ж ГЯг Рог/ по окончании которой работал по ремонту и прокладке
_у Vji^L дорог в Вандее и других округах Франции. Не чувствуя в
№^К,, — ,*"к^^ себе организаторских способностей, Френель тяготился сво-
н^н^нж^к^^ъШм. 'йл еи Раоотои и пытался отвлечься научными занятиями, то в
н^нннж \ 1Внмш1 области философии и богословия, то в области техники и
■^'\<тЯ^нС1 химии- Наконец, прочитав сообщение о мемуарах Био, посвя-
в^н^н^нт «ш^вни щенных поляризации, он заинтересовался этим явлением и
"~~~~~~* 1ш™Мии! начал заниматься оптикой.
Но политические события: бегство Наполеона с Эльбы и его победа - привели к
отставке роялиста Френеля. С апреля 1815 г. до нового назначения в декабре
1815 г. он напряженно занимался научной работой и 15 октября 1815 г.
представил в Академию наук свой первый мемуар по дифракции света. За первым трудом
последовал ряд других, стяжавших Френелю мировую славу. В 1823 г. он был
избран членом Академии наук. Но уже в 1824 г. болезнь заставила Френеля отойти
от научной деятельности. 14 июля 1827 г. он умер.
В своем первом мемуаре о дифракции света, «в котором специально изучается
явление цветных каемок, наблюдающихся у теней, отбрасываемых телами,
освещенными светящейся точкой», Френель рассматривает дифракцию от проволоки, и
отражение и преломление света с точки зрения волновой теории. Он начинает с
критики корпускулярной теории света Ньютона. Френель считает сомнительным
отсутствие взаимодействия световых частиц среды, в которой свет
распространяется. А между тем свет распространяется в воздухе почти с неизменной скоростью.
Различие в цветах нельзя объяснить различием в скоростях частиц, и,
следовательно, приходится допустить «такое же количество сортов световых частиц,
сколько имеется цветов или различных оттенков в солнечном спектре». «Приступы
легкого отражения и легкого прохождения почти что необъяснимы в системе
Ньютона» , - пишет далее Френель. Он указывает, что явление двойного преломления
«заставило Ньютона допустить еще новую гипотезу, которая является весьма
необычайной, а именно что световые частицы имеют полюсы...». Вот это обилие
гипотез и заставляет Френеля сделать вывод, что «теория колебаний лучше
подходит для объяснения всех этих (т.е. световых. - П.К.) явлений, чем теория
Ньютона» .
Наиболее существенным возражением против волновой теории было прямолинейное
распространение света. «Это возражение, - пишет Френель, - единственное, на
которое мне кажется затруднительным дать исчерпывающий ответ, привело меня к
изучению размытых теней».
С изумительной изобретательностью и мастерством Френель ставит опыты по
дифракции света. Он получает светящуюся яркую точку с помощью «весьма выпуклой
линзы», в качестве которой он «использовал шарик меда, помещенный на
небольшом отверстии, сделанном в медном листе. Освещенная этим шариком железная
проволока, каемки которой я измерял, давала еще весьма четкие изображения,
даже в том случае, когда она находилась на расстоянии только одного
сантиметра от световой точки». Френель показал, что дифракционные полосы являются
результатом интерференции лучей, идущих от краев проволоки: «каемки образуются
в результате перекрещивания этих лучей». Он нарисовал картину волнового
интерференционного поля и показал, что «ширины этих каемок, измеренные на
различных расстояниях от проволоки, являются не ординатами прямой линии, а
ординатами гиперболы, абсциссами которой являются эти расстояния».
Ньютон в одном из писем, рассматривая некоторые вопросы акустики, изобразил
пересекающиеся системы волн, распространяющихся от двух одинаковых
источников . Ту же картину изображает теперь Френель, но источниками волн у него
служат края препятствия. Френель ясно видит стационарное распределение
максимумов и минимумов волнового поля, расположенных на гиперболоидах вращения.
Ньютон этой картины не увидел, хотя в «Началах» описывает случай погашения
волнового движения другим, находящимся в противофазе.
Френель в своих опытах измерил длины волн различных цветов по формуле
у = bd/2c,
где у - ширина полосы, Ь - расстояние от проволоки до экрана, с - ширина
проволоки, d - длина волны. Принцип интерференции дал возможность Френелю
объяснить законы отражения и преломления тем, что световые колебания погашают
друг друга для всех направлений, кроме направлений, удовлетворяющих закону
отражения или закону Снеллиуса-Декарта. Из своей теории Френель сделал вывод,
противоположный выводу Ньютона, а именно «что скорость света в стекле меньше,
чем скорость света в воздухе».
Опыты с кольцами Ньютона Френель воспроизвести не мог, не имея
соответствующих линз. Однако в дополнениях ко второму мемуару, представленных в
Академию наук 15 июля 1816 г., Френель уже описывает опыт с кольцами Ньютона и
интерпретирует его в духе волновой теории. Здесь же он дает теорию
интерференции в плоскопараллельных пластинках и выводит формулу для разности хода
интерферирующих лучей, приводимую теперь во всех курсах физики:
d = 2x cos i,
где х - толщина пластинки, i - угол преломления.
Наконец, в этом же дополнении он описывает свой классический опыт с
зеркалами. Френель отмечает, что этот опыт удался ему лишь «после нескольких
неудачных опытов». «Мимоходом замечу, - пишет он, - что лишь теория колебаний
могла привести к идее постановки такого рода опыта. Этот опыт настолько
труден , что почти невозможно, чтобы чистый случай на него натолкнул».
Во втором мемуаре, опубликованном в мартовском номере «Анналов химии и
физики» , Френель воскрешает забытый принцип Гюйгенса: «Наиболее естественная
гипотеза состоит в том, что молекулы тела, приведенные в колебание падающим
светом, становятся центрами испускания новых волн». Дополняя принцип Гюйгенса
принципом интерференции, Френель превращает геометрический принцип в
физический , и успешно решает с его помощью ряд дифракционных задач.
Принцип интерференции, который Френель довольно неясно формулирует в своем
первом мемуаре, был, как мы видели, уже сформулирован Юнгом, и Араго сказал
об этом Френелю. Френель в своем письме к Араго от 23 сентября 1815 г. пишет,
что он, не зная английского языка, не мог прочитать этой книги. Через месяц
Френель сообщает Араго: «Очень простой эксперимент доказал мне, что световые
лучи могут действовать друг на друга, ослабляться и даже почти совершенно по-
гашаться, когда их колебания мешают друг другу, и, наоборот, добавляться и
взаимно усиливаться, когда они колеблются согласно. На этом принципе я
основываю мое объяснение дифракции». Френель совершенно независимо от Юнга пришел
к принципу интерференции. Только от Араго он узнал о том, что то же самое
открыл Юнг.
Франсуа Доминик Араго (1786-1853) сыграл большую роль в развитии и
пропаганде волновой теории. Он содействовал приезду Френеля в Париж в 1816 г., где
в течение десяти месяцев Френель выполнял ряд опытов по дифракции и
интерференции. В начале 1817 г. Парижская Академия наук предложила на премию Задачу
о дифракции, формулируя ее следующим образом:
1) определить с помощью точных опытов все эффекты дифракции световых лучей,
прямых и отраженных, когда они проходят одновременно или раздельно вблизи
границ одного или нескольких тел, ограниченных или бесконечных, принимая во
внимание расстояния между этими телами, равно как и расстояние до источника
света, откуда исходят лучи;
2) с помощью математической индукции вывести из этих опытов движения лучей
при их прохождении вблизи тел».
Сама формулировка задачи не оставляет сомнения, что авторы ее явно имели в
виду корпускулярную теорию света. Их интересовала теория движений световых
частиц вблизи самих дифрагирующих тел. Во взаимодействии световых корпускул с
молекулами тел они усматривали «секрет физического процесса, благодаря
которому лучи изгибаются и разделяются на различные полосы разного направления и
интенсивности». Френель колебался, принять ли участие в конкурсе, но уговоры
друзей и поддержка младшего брата Фюльжанса, помогавшего ему в опытах,
возымели свое действие. 20 апреля 1818 г. он представил в Академию наук в
запечатанном конверте «Записку о теории дифракции».
В первых же параграфах этой записки он показывает, что эмиссионная теория
света не в состоянии объяснить явление дифракции. Молекулярные взаимодействия
не распространяются на такие значительные расстояния, которые достигают
полмиллиметра . Массы краев дифрагирующего тела не играют никакой роли; «... Нить
и обушки бритвы дают совершенно одинаковые каемки». Френель описывает опыт с
дифракцией света, проходящего между двумя близкими стальными пластинками,
вертикальные края которых с одной стороны были острыми, а с другой -
округленными. Он помещал острый край против закругления и наоборот и не заметил
никакого изменения дифракционной картины: полосы были прямыми, как будто бы
обе пластинки были обращены друг к другу одинаковыми краями. Из этого опыта
следует, что явления дифракции совершенно необъяснимы с точки зрения
эмиссионной теории. «Волновая теория, как мне кажется, наоборот, приводит к полному
объяснению этих явлений при помощи принципа Гюйгенса, который можно
сформулировать следующим образом: колебания световой волны в каждой из ее точек равны
сумме всех элементарных движений, которые были бы посланы в один и тот же
момент каждой действующей изолированной частью этой волны, рассматриваемой в
каком-нибудь из своих предыдущих положений».
Применяя свой расчет к случаю дифракции от края экрана, он находит
«периодические изменения интенсивности света по мере того, как свет удаляется от
края геометрической тени».
Комиссия в составе Био, Араго, Лапласа, Гей-Люссака и Пуассона присудила
премию мемуару под девизом «Natura simplex et fecunda» («Природа проста и
плодотворна»), т.е. Френелю, написавшему этот девиз на конверте. При
обсуждении работы возник следующий эпизод, описанный в докладе комиссии и
прочитанный Араго: «Один из членов нашей комиссии - г-н Пуассон - вывел из сообщенных
автором интегралов тот удивительный результат, что центр тени от круглого
непрозрачного экрана должен бы быть таким же освещенным, как и в том случае,
если бы экран не существовал, - это при условии, что лучи проникают в тень
под малыми углами падения. Это следствие было проверено прямым опытом, и
наблюдение полностью подтвердило данные вычисления». Расчеты Пуассона Араго
проверил на опыте, превратив, таким образом, возражение Пуассона в
убедительнейшее доказательство справедливости теории Френеля.
Следует отметить, что свет в центре тени круглого экрана (шарика) наблюдал
еще в 1715 г. Ж.Н. Делиль (1688-1768), бывший с 1726 по 1747 г. членом
Петербургской Академии наук.
Премированный мемуар Френеля о дифракции был в своей значительной части
опубликован в двух статьях в «Анналах физики и химии» за 1819 г. Полностью он
был напечатан в «Трудах Парижской Академии».
Мемуар открывается рассмотрением двух систем, «которые до сего времени
разделяли ученых в их воззрениях на природу света». Здесь интересен философский
аргумент в пользу волновой теории, выраженный латинским эпиграфом «Природа
проста и плодотворна» и принципом: природа создает максимум явлений при
помощи минимума причин. Френель указывает, что хотя и «очень трудно открыть
основания этой замечательной экономии», но этот «общий принцип философии
физических наук... может направлять усилия человеческого ума».
Конкретный материал мемуара Френеля очень богат. Он описывает опыты и
измерения различных случаев дифракции и интерференции. При этом он постоянно
обращает внимание на неудовлетворительность эмиссионной теории, на ее
неспособность объяснить описываемые явления без противоречий и сомнительных
допущений . Он показывает, что волновая теория легко объясняет эти явления путем
суперпозиции волн, и выводит основную формулу интерференции:
Л2=а2 +a'7 + 2aa'COS(2n-j ),
которая сегодня вошла во все учебники. Помимо интерференционного опыта с
зеркалами, Френель описывает опыт с бипризмой. В этом же мемуаре он дает
новую формулировку принципа Гюйгенса и развивает метод зон, ныне также вошедший
во все учебники. Мемуар заполнен таблицами расчетов различных случаев
дифракции. Особо автор разбирает дифракцию от круглого экрана и круглого отверстия,
используя свой метод зон. Мемуар заканчивается объяснением преломления света
по волновой теории.
Теперь оставалось подчинить волновой теории явления поляризации и
хроматической поляризации. Изучая интерференцию поляризованных лучей, Френель еще в
1816 г. отмечал, что волновая теория «пока что не дала объяснения явлению
поляризации», и добавлял, что, по-видимому, для такого объяснения она должна
быть видоизменена: «Эта модификация света состоит в поперечности световых
волн». Однако предположение о поперечности световых волн, как отмечал
Френель , «настолько противоречило принятым представлениям о природе колебания
упругих жидкостей, что прошло немало времени, прежде чем я принял его
окончательно» .
Юнг, «более смелый в своих предположениях», сообщил эту идею в письме к
Араго от 12 января 1817 г. Но Френель, который пришел к идее поперечности
световых волн раньше Юнга, не торопился публиковать ее. Он хорошо понимал, в
какое противоречие вступает эта гипотеза с механикой упругих сред. Только
тщательные эксперименты Араго и, прежде всего, установленный ими факт, что
лучи, первоначально поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, не
интерферируют, даже если их привести к одной плоскости поляризации, заставили
его принять гипотезу поперечности световых волн.
Френель, высказав идею, что поперечные колебания в линейно поляризованном
свете совершаются в одной плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации,
определил обычный свет «как совокупность или, точнее, как быструю
последовательность систем, поляризованных по различным направлениям волн». Акт поляри-
зации, по Френелю, «состоит не в создании этих поперечных движений, а в
разложении их по двум перпендикулярным неизменным направлениям, и в отделении
составляющих друг от друга».
В этой смелой гипотезе, настолько смелой, что даже ревностный сторонник
Френеля Араго отступил, не отважившись следовать за ним, мы видим один из
ярких примеров того, как наука идет от «явного для нас» к «явному по природе»,
вопреки сложившимся представлениям и традициям. Френель задал на многие годы
головоломную задачу теоретикам, каким образом эфир, настолько тонкий, что не
оказывает никакого сопротивления движению сквозь него небесных тел, вместе с
тем не оказывает упругого сопротивления сжатию и расширению, а упруго
сопротивляется только деформациям сдвига. Это свойство роднит его с твердым телом,
а не с жидкостью или газом, притом таким твердым телом, которое абсолютно
несжимаемое и не допускает продольных волн. Однако гипотеза поперечных волн
позволила Френелю построить теорию отражения и преломления света, а также
теорию двойного преломления.
В мемуаре «О расчете цветов, которые вызывает поляризация в кристаллических
пластинках», опубликованном в «Анналах физики и химии» за 1821 г., Френель
излагает основы своей теории поляризации. Он рисует картину поперечных
колебаний частиц упругой среды. «Очевидно, - пишет Френель, - что к этим новым
колебаниям, перпендикулярным лучам, можно применять те же рассуждения и
вычисления, которые применяются в случае, когда колебательное движение
происходит вдоль направления распространения». Это дает ему возможность применить к
поляризованному свету принцип интерференции и таким путем «объяснить многие
оптические явления».
В частности, Френель строит теорию поляризации света при отражении, считая,
что при переходе света из одной прозрачной среды в другую упругость эфира не
меняется, а меняется его плотность. Вначале он рассчитывает интенсивность
отраженного света, поляризованного в плоскости падения, но в добавлении к
статье рассматривает и случай отражения света, поляризованного перпендикулярно
плоскости падения.
В мемуаре о двойном преломлении, представленном в Академию наук 9 декабря
1822 г., Френель описывает новый поляризационный прибор - стеклянный
параллелепипед, известный ныне под названием «параллелепипед Френеля». В этом
приборе предварительно поляризованный свет «последовательно, на двух
противоположных сторонах, претерпевает два полных внутренних отражения при (предельном)
угле падения приблизительно в 50° и в плоскости, наклоненной на 45° к
первоначальной плоскости поляризации». При этом выходящий из стеклянного
параллелепипеда свет «является как будто полностью деполяризованным»... Френель
выясняет , что на самом деле этот свет «можно рассматривать как состоящий из
двух пучков, следующих по одному и тому же пути, но поляризованных в
перпендикулярных направлениях и отличающихся в своем ходе на четверть длины волны».
Такой свет Френель называет поляризованным по кругу, а самую поляризацию -
круговой (циркулярной) поляризацией. «Между прямолинейной и круговой
поляризациями существует множество промежуточных степеней различных поляризаций,
которые обладают характерными свойствами обеих этих поляризаций и которым,
исходя из тех же теоретических соображений, можно было бы дать наименование
эллиптических поляризаций».
Таким образом, Френель на языке волновой теории полностью описал явление
поляризации, и введенные им понятия сохраняют свое значение и сейчас. Он
указал методы экспериментального анализа поляризации света, используемые и
поныне . К своим опытам он прибавил изящный метод разделения лучей, поляризованных
по кругу, в противоположные стороны. Воспользовавшись наблюдением Био, что
существуют две модификации кварца (горного хрусталя, по тогдашней
терминологии) , из которых одна вращает плоскость поляризации вправо, а другая влево,
он составил призму из трех частей; входной и выходной одного сорта,
промежуточной - другого. Предполагая, что скорости распространения света,
поляризованного по кругу влево и вправо, в различных сортах кварца различны, он
нашел, что линейно поляризованный свет в такой составной призме разделится на
два поляризованных по кругу луча. Они выйдут из выходной призмы, отклонившись
в противоположные стороны. «...Мы получаем этим способом весьма заметное
разделение двух изображений, которое можно было бы еще увеличить, умножая число
призм», - пишет Френель.
Схема параллелепипеда Френеля,
7 января 1823 г. Френель представил Академии наук «Мемуар о законе
модификаций, которые сообщаются отражением поляризованному свету». Здесь он дает
механическое обоснование формул отражения света, поляризованного в плоскости
падения, и света, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости
падения. Если положить, что свет поляризован в плоскости, составляющей с
плоскостью падения угол а, и амплитуда колебаний равна 1, то амплитуда
составляющей в плоскости падения будет sin a, a составляющей в плоскости,
перпендикулярной плоскости падения, будет cos a.
Амплитуды соответствующих составляющих отраженного света будут:
tg(z — l') sm(i-/')
- sine *)., .,; и - cosa - . , r ,-f
где l - угол падения,
угол преломления. Углы падения и преломления
связаны, по Френелю, соотношением:
sin/: sin г' =
1
v0~ ' y/d'
где d - плотность первой среды, 6V - плотность второй среды, упругость же
эфира в обеих средах Френель принимает одинаковой.
Из своих формул Френель выводит закон Малюса-Брюстера. Он обосновывает свои
формулы законом сохранения живых сил и гипотезой, что движения, параллельные
границе раздела, в обеих волнах одинаковы. Из формул Френеля вытекает поворот
плоскости поляризации в отраженной и преломленной волнах. Весьма
замечательно, что Френель распространил свои формулы и на случай полного отражения,
смело введя мнимые величины: для углов, больших предельного, sin i'
становится больше 1, a cos i' - мнимым. Френель исходит при этом из того, что
формулы, справедливые до предельного угла, должны «в силу общего закона
непрерывности» быть правильными и при переходе через этот предел, однако «затруднение
заключается в том, как их интерпретировать и как разгадать то, что возвещает
анализ в этих мнимых выражениях». Френель разгадал, что же означает мнимое
выражение: оно означает изменение фазы в отраженной волне. Оба компонента
испытывают скачки разной величины.
Поразительно, как много сделал Френель за столь короткое время. Им по
существу была полностью создана классическая волновая оптика. К описанным выше
результатам следует добавить его теорию распространения света в одноосных и
двухосных кристаллах, развитую в работах о двойном лучепреломлении в 1821-
1822 гг. Френель развил идеи Гюйгенса о распространении волн в одноосных
кристаллах. Идеи Гюйгенса он настолько высоко ценил, что ставил их выше всех
открытий в оптике Ньютона, утверждая, что открытие Гюйгенса, «быть может,
труднее сделать, нежели все открытия Ньютона в области явлений света».
Несомненно, что в этом утверждении отразился характер борьбы с эмиссионной теорией,
которую вел Френель во всех своих оптических работах.
Для описания распространения света в кристаллах Френель ввел замечательное
построение: эллипсоид упругости Френеля. Он установил, что в анизотропной
кристаллической среде всегда существуют три прямоугольные оси упругости. Он
строит эллипсоид упругости, который дает закон изменения упругости
анизотропной среды и скоростей для различных направлений распространения волн. Этот
эллипсоид имеет две диаметральные плоскости, пересекающие его по кругам. Для
волн, плоскости которых параллельны этим кругам, всегда имеется одна скорость
распространения, каково бы ни было направление их колебаний. Эти направления
Френель назвал оптическими осями и показал, что никогда не бывает более двух
оптических осей в анизотропных средах. Для одноосных кристаллов поверхность
упругости становится поверхностью вращения.
Френель заложил, таким образом, основы кристаллооптики. О том, насколько
плодотворным оказался предложенный им метод можно судить по тому, что в 1832
г. Гамильтон вывел из его теории следствие о существовании в двухосных
кристаллах тонкого явления - конической рефракции. Если в таких кристаллах пучок
света идет по направлению оптической оси, то он выходит из кристаллической
пластинки в виде полого светового конуса (внешняя коническая рефракция).
Конический пучок внутри кристалла выходит параллельным цилиндрическим пучком.
Это явление невозможно обнаружить эмпирически, без помощи теории. Ллойд
открыл его в том же 1832 г. экспериментально, руководствуясь теорией Френеля-
Гамильтона . Это открытие было блестящим триумфом волновой теории света.
В истории физики важную роль сыграло опубликованное в 1818 г. в «Анналах
химии и физики» письмо Френеля Араго по вопросу о влиянии движения Земли на
оптические явления. Араго пытался обнаружить это явление, измеряя разность
зенитных расстояний звезды, наблюдаемой непосредственно и через призму. Араго
такого влияния не обнаружил. Это дало повод Френелю обсудить на основании
волновой теории вопрос о влиянии движения Земли на распространение света в
преломляющей среде. Френель знает, что «скорость, с которой распространяется
волна, не зависит от движения тела, которое ее испускает». Он полагает, что
результат Араго можно объяснить, если предположить, «что эфир свободно
проходит через земной шар и что скорость, сообщенная этой тонкой жидкости,
представляет собой только небольшую часть скорости Земли и не превышает,
например , одной сотой доли этой скорости».
Эта гипотеза частичного увлечения эфира помогла Френелю объяснить, почему
«видимая рефракция не изменяется с изменением направления световых лучей по
отношению к движению Земли», как это обнаружил Араго и позднее Эйри (1801-
1892). При этом Френель полагает, что квадраты длин волн в эфире и
преломляющей среде относятся как плотности этих двух сред:
d2:d" = A' :Л.
Отсюда коэффициент увлечения
к 1 d,, 1 ^ ,
где р - показатель преломления среды.
Френель показывает, что аберрационный эффект не изменится, если трубу
телескопа заполнить водой, что и было подтверждено опытом Эйри в 1871 г. Идея
этого опыта принадлежала Бошковичу. Формула же коэффициента увлечения была
подтверждена в 1851 г. опытом Физо, повторенным в 1886 г. Майкельсоном,
производившим этот опыт с Морли, и в 1914 г. Зееманом.
Таковы важнейшие результаты, полученные Френелем в оптике. Следует
добавить, что Френель не ограничивался теоретическими исследованиями, он
стремился сочетать их с экспериментом. Так, всемирную известность приобрела
изобретенная им система освещения маяков, в которой важнейшей составной частью была
сконструированная им ступенчатая линза, описанная в мемуаре, представленном в
Академию наук 29 июля 1822 г.
Фраунгофер
Современником Френеля был немецкий оптик Йозеф
Фраунгофер (1787-1826). Сын бедного баварского стекольщика, он
рано начал трудовой путь, работая вместе с отцом по
стекольному делу. Фраунгофер до 14 лет был неграмотным.
Оставшись к 12 годам круглым сиротой, он был определен
учеником в зеркальную и стекольную мастерскую. Он попал в
аварию, когда рухнули два ветхих дома, в том числе и дом с
мастерской, и жильцы оказались погребенными под обломками.
Все погибли, и лишь четырнадцатилетнего Фраунгофера
откопали в очень тяжелом состоянии. Этот случай имел, однако,
и благоприятные для Фраунгофера последствия. Очевидец
катастрофы банкир Утцшнеидер стал оказывать покровительство Фраунгоферу, и тот
смог, продолжая работать в мастерской, посещать воскресную школу. Упорный
труд превратил Фраунгофера в хорошего мастера оптического стекла, и в 1806 г.
Утцшнеидер определил его в Оптико-механический институт, принадлежавший фирме
Рейхенбаха, Утцшнейдера и Либгерра.
Мастерство и талант помогли Фраунгоферу быстро сделать карьеру. Через год,
в 1807 г. он становится оптиком института, через два - совладельцем фирмы,
еще через два года он стоит во главе всей баварской оптической
промышленности. Созданная им оптическая фирма «Утцшнеидер и Фраунгофер» получила мировую
славу, производя первоклассные оптические инструменты. Так Фраунгофер прошел
путь от бедного неграмотного сироты, ученика стекольного ремесленника, до
владельца мировой оптической фирмы, профессора и академика.
О
Два открытия в оптике обессмертили имя Фраунгофера. В 1802 г. Волластон
наблюдал в спектре Солнца семь темных линий. Он считал их границами отдельных
цветных участков и не исследовал подробно. Только после того как Фраунгофер
детально изучил это явление (1814-1815) и описал его в 1817 г., в физике
появился термин «фраунгоферовы линии», который сохранился до настоящего времени.
Фраунгофер зафиксировал большое число темных линий и важнейшие из них
обозначил буквами.
w=50p. d=150|д 3 slits 4 slits 5 slits 7 slits
2 slits
3 slits
4 slits
5 slits
7 slits
Световые максимумы за малоразмерными дифракционными решетками.
Вторым фундаментальным открытием Фраунгофера была дифракция в параллельных
лучах и изобретенная им дифракционная решетка3.
Теория решетки с волновой точки зрения была дана в монографии Шверда (1792-
1871) «Явления дифракции, выведенные аналитически из фундаментальных законов
волновой теории», вышедшей в свет в 1835 г., через 9 лет после смерти
Фраунгофера. Таким образом, Фраунгофер сделал после Ньютона новый важный шаг в
развитии спектроскопии, подготовив почву для открытия Кирхгофа и Бунзена.
Скорость света
Успехи оптики первой половины XIX столетия не ограничились открытиями,
описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться
за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами
скорость света. Задача эта была решена в середине века почти одновременно двумя
французскими физиками: Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868).
Физо разработал технически идею Галилея. Прерывание светового потока, идущего
от источника света, он осуществил автоматически - вращением зубчатого колеса.
Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами, распространяется на
некоторое расстояние (в опыте Физо около 9 км) , отражается от зеркала и идет
Американец Риттенхауз открыл принцип дифракционной решетки в 1785 г.
Борн М. Основы оптики. — М.: Наука, 1970, с. 443.
См. Вольф Э.
обратно. Если колесо неподвижно, он попадет в тот же промежуток и направится
в глаз наблюдателя. Если же колесо вращается, то в зависимости от скорости
вращения отраженный пучок попадет либо на зубец, либо в следующий промежуток.
Меняя скорость вращения колеса и измеряя число его оборотов, можно
определить промежуток времени между двумя прохождениями света и скорость света.
Физо провел свой опыт в 184 9 г., получив для скорости света значение 313000
км/с.
Источит: света
П о пуп р о з р ач н о е з е р к а п
Линза
тратающне ппосное зернапо
(8 66 км от источника сеета)
Схема опыта Физо.
В установке Фуко применен метод вращающегося зеркала. Особенностью этого
метода была возможность сравнения скорости света в воздухе и воде. Первые же
наблюдения, проведенные в 1850 г., показали, что скорость света в воде
меньше , чем в воздухе. Этот результат рассматривался в то время как решающий
аргумент в пользу волновой теории, так что первая половина XIX в.
ознаменовалась решительной победой волновой оптики Гюйгенса-Френеля. Корпускулярная
теория была сдана в архив. Но через полвека ее идеи вновь привлекли внимание
физиков.
Возникновение электродинамики
и её развитие до Максвелла
Успехи электростатики, завершившиеся открытием количественного закона
электрических взаимодействий, казалось, предопределили дальнейший путь развития
науки об электричестве: накопление экспериментальных фактов в области
электростатики, усовершенствование электростатических машин и электрометров,
построение математической теории электростатических и магнитостатических
взаимодействий. Все это, действительно, и происходило: накапливались новые факты,
усовершенствовались приборы и аппараты, появились чувствительные
электроскопы, в частности электроскоп Вольты с соломинками, снабженный конденсатором
(1782), электроскоп Беннета с золотыми листочками (1787). Вольта установил
связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Под термином
«напряжение» он понимал «усилие, производимое каждой точкой
наэлектризованного тела, чтобы избавиться от имеющегося в ней электричества и передать его
другим телам, каковому усилию соответствуют, вообще говоря, проявления
притяжения, отталкивания и т.д. и, в частности, степень расхождения листочков
электрометра».
i
(
Электроскоп Беннета.
Физики впоследствии отметили заслугу Вольты во введении в науку такого
важного понятия, как «напряжение», присвоением единице электрического напряжения
наименования вольт.
Вольта подготовил и создание электрической машины, основанной на новом
принципе, изобретением своего электрофора в 1775 г. Этот прибор и доныне
составляет принадлежность школьных физических кабинетов. Электрофорные машины
появились в середине XIX в.
Математическая теория электростатики успешно разрабатывалась Пуассоном,
Грином, Гауссом и другими учеными. Однако - и этого никто не мог предвидеть -
конец XVIII в. ознаменовался революционным переворотом в науке об
электричестве, имевшим неисчислимые научные, технические и общекультурные последствия.
Речь идет об открытии электрического тока. Это открытие произошло случайно,
но оно уже было подготовлено всем ходом предыдущего развития науки об
электричестве .
Физиологические действия электричества, открытие электрических свойств
ската заинтересовали врачей и физиологов. Естественно было ожидать, что
электричество и магнетизм окажутся полезными во врачебной практике, и тот факт, что
у итальянского врача Луиджи Гальвани оказалась электрическая машина, вполне
соответствовал духу времени.
Гальвани
Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала
богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже
преподавателем медицины в Болонском университете.
В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было
описано сделанное Гальвани знаменитое открытие.
Через несколько лет войска генерала Бонапарта захватили
Италию, в том числе и Болонью, и была образована
Цизальпинская республика. Все государственные служащие должны
были принести присягу на верность республике. Гальвани
отказался это сделать, и в 1797 г. он был уволен в
отставку. В уважение к его заслугам правительство
республики восстановило его в должности, но было уже поздно.
Гальвани, удрученный переживаниями (он потерял жену,
затем брата), не мог оправиться и 4 декабря 1798 г. окончил
свой жизненный путь.
Сделанное им открытие навсегда сохранило его имя в
благодарной памяти человечества. Сами явления, открытые
Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях
назывались «гальванизмом». Этот термин доныне сохраняется в названии некоторых
аппаратов и процессов. Свое открытие сам Гальвани описывает следующим
образом:
«Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое,
поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина..., при полном
разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него.
Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся
внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей
начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические
судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил,
как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины
извлекается искра... Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое
внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда
я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и
вынести на свет то, что было в нем скрытого».
Это классическое по точности описание неоднократно воспроизводилось в
исторических работах и породило многочисленные комментарии. Гальвани честно
пишет, что явление впервые заметил не он, а два его помощника. Считается, что
«другим из присутствующих», указавшим, что сокращение мышц наступает при про-
скакивании искры в машине, была его жена Лючия. Гальвани был занят своими
мыслями, а в это время кто-то начал вращать ручку машины, кто-то дотронулся
«легко» скальпелем до препарата, кто-то заметил, что сокращение мышц
наступает при проскакивании искры. Так в цепи случайностей (все действующие лица
вряд ли сговаривались между собой) родилось великое открытие. Гальвани
отвлекся от своих мыслей, «сам, стал трогать острием скальпеля то один, то
другой бедренный нерв, в то время как один из присутствовавших извлекал искру,
феномен наступал точно таким же образом».
Как видим, явление было очень сложным, вступали в действие три компонента:
электрическая машина, скальпель, препарат лапки лягушки. Что является
существенным? Что произойдет, если одного из компонентов не будет? Какова роль
искры, скальпеля, лягушки? На все эти вопросы и пытался получить ответ
Гальвани. Он ставил многочисленные опыты, в том числе и на улице во время грозы. «И
вот, замечая иногда, что препарированные лягушки, которые были подвешены на
железной решетке, окружавшей балкон нашего дома, при помощи медных крючков,
воткнутых в спинной мозг, впадали в обычные сокращения не только в грозу, но
иногда также при спокойном и ясном небе, я решил, что эти сокращения
вызываются изменениями, происходящими днем в атмосферном электричестве». Гальвани
описывает далее, как он тщетно ожидал этих сокращений. «Утомленный, наконец,
тщетным ожиданием, я начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг,
к железной решетке» и здесь обнаружил искомые сокращения, происходившие без
всяких изменений «в состоянии атмосферы и электричества».
Гальвани перенес опыт в комнату, поместил лягушку на железную пластинку, к
которой стал прижимать проведенный через спинной мозг крючок, тотчас же
появились сокращения мышц. Вот это и было решающим открытием.
Гальвани понял, что перед ним открылось что-то новое, и решил тщательно
исследовать явление. Он чувствовал, что в таких случаях «легко ошибиться с
исследованиями и считать виденным и найденным то, что мы желаем увидеть и
найти» , в данном случае влияние атмосферного электричества Он перенес препарат
«в закрытую комнату, поместил на железной пластинке и стал прижимать к ней
проведенный через спинной мозг крючок». При этом «появились такие же
сокращения, такие же движения». Итак, нет электрической машины, нет атмосферных
разрядов, а эффект наблюдается, как и прежде «Разумеется, - пишет Гальвани, -
подобный результат вызвал в нас немалое удивление и начал возбуждать в нас
некоторое подозрение об электричестве свойственном самому животному». Что бы
проверить справедливость такого «подозрения», Гальвани проделывает серию
опытов , в том числе и эффектный опыт, когда подвешенная лапка, касаясь
серебряной пластинки, сокращается, поджимается вверх, затем падает, вновь
сокращается и т.д. «Так что эта лапка, - пишет Гальвани, - к немалому восхищению
наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим
маятником».
Подозрение Гальвани превратилось в уверенность: лапка лягушки стала для
него носителем «животного электричества», уподобляясь заряженной лейденской
банке. «После этих открытий и наблюдений мне казалось возможным без всякого
промедления заключить, что это двойственное и противоположное электричество
находится в самом животном препарате». Он показал, что положительное
электричество находится в нерве, отрицательное - в мышце.
Вполне естественно, что физиолог Гальвани пришел к выводу о существовании
«животного электричества». Вся обстановка опытов толкала к этому выводу. Но
физик, поверивший сначала в существование «животного электричества», вскоре
пришел к противоположному выводу о физической причине явления. Этим физиком
был знаменитый соотечественник Гальвани Алессандро Вольта.
Вольта
Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в
небольшом итальянском городе Комо, расположенном вблизи озера
Комо, недалеко от Милана. В нем рано проснулся интерес к
изучению электрических явлений. В 1769 г. он публикует
работу о лейденской банке, через два года - об
электрической машине. В 1774 г. Вольта становится преподавателем
физики в школе в Комо, изобретает электрофор, затем
эвдиометр и другие приборы. В 1777 г. он становится
профессором физики в Павии. В 1783 г. изобретает электроскоп с
конденсатором, а с 1792 г. усиленно занимается «животным
электричеством». Эти занятия привели его к изобретению
первого гальванического элемента.
В 1800 г. он построил первый генератор электрического
тока - вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был
избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и
сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого
открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и
жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с
Лапласом и в один год с Френелем).
Начав в 1792 г. работу над «животным электричеством», Вольта повторил и
развил опыты Гальвани, полностью приняв его точку зрения. Но уже в одном из
первых писем, посланном из Милана 3 апреля 1792 г., он указывает, что мышцы
лягушки очень чувствительны к электричеству, они «поразительно реагируют на
электричество», совершенно неуловимое даже для электроскопа Беннета, наиболее
чувствительного из всех (сделанного из двух полосок тончайшего листового
золота или серебра). Здесь начало последующего утверждения Вольты, что
«препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный
электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый
чувствительный электрометр».
Вольта в результате длинного ряда опытов пришел к выводу, что причиной
сокращения мышц служит не «животное электричество», а контакт разнородных
металлов . «Первоначальной причиной этого электрического тока, - пишет Вольта, -
каков бы он ни был, являются сами металлы вследствие того, что они различны.
Именно они в собственном смысле слова являются возбудителями и двигателями,
тогда как животный орган, сами нервы являются лишь пассивными». Электризация
при контакте раздражает нервы животного, приводит мышцы в движение, вызывает
ощущение кислого вкуса на кончике языка, помещенного между станиолевой
бумагой и серебряной ложкой, при контакте серебра и олова. Таким образом, Вольта
считает причины «гальванизма» физическими, а физиологические действия -
одними из проявлений этого физического процесса. Если кратко формулировать на
современном языке мысль Вольты, то она сводится к следующему: Гальвани открыл
физиологическое действие электрического тока.
Естественно, что между Гальвани и Вольта разгорелась полемика. Гальвани для
доказательства своей правоты пытался начисто исключить физические причины.
Вольта же, наоборот, полностью исключил физиологические объекты, заменив
лапку лягушки своим электрометром. 10 февраля 1794 г. он пишет:
«Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня,
то я давно убежден, что все действие возникает первоначально вследствие
прикосновения металлов к какому-либо влажному телу или к самой воде. В силу
такого соприкосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или в
воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от
цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения
между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот».
Таково первое описание замкнутой цепи электрического тока. Если цепь
разорвать и в место разрыва вставить в качестве соединительного звена
жизнеспособный нерв лягушки, то «управляемые такими нервами мышцы... начинают
сокращаться, как только замыкается цепь проводников и появляется электрический
ток». Как видим, Вольта уже пользуется таким термином, как «замкнутая цепь
электрического тока». Он показывает, что присутствие тока в замкнутой цепи
можно обнаружить и вкусовыми ощущениями, если ввести в цепь кончик языка. «И
эти ощущения и движения тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга
примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены здесь: цинк, оловянная
фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного
качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит». Таков этот
знаменитый «ряд Вольты» в его первом наброске.
Вольта разделил проводники на два класса. К первому он отнес металлы, ко
второму - жидкие проводники. Если составить замкнутую цепь из разнородных
металлов , то тока не будет - это следствие закона Вольты для контактных
напряжений. Если же «проводник второго класса находится в середине и соприкасается
с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие
этого возникает электрический ток того или иного направления».
Вполне естественно, что именно Вольте принадлежит честь создания первого
генератора электрического тока, так называемого вольтова столба (сам Вольта
называл его «электрический орган»), оказавшего огромное влияние не только на
развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой
цивилизации . Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи - эпохи электричества.
Вольтов столб.
Триумф вольтова столба обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани.
История поступила мудро, определив победителя в этом споре, в котором обе
стороны были правы, каждый со своей точки зрения. «Животное электричество»
действительно существует, и электрофизиология, отцом которой был Гальвани,
сейчас занимает важное место в науке и практике. Но во времена Гальвани
электрофизиологические явления еще не созрели для научного анализа, и то, что
Вольта повернул открытие Гальвани на новый путь, было очень важно для молодой
науки об электричестве. Исключив жизнь - это сложнейшее явление природы - из
науки об электричестве, придав физиологическим действиям лишь пассивную роль
реагента, Вольта обеспечил быстрое и плодотворное развитие этой науки. В этом
состоит его бессмертная заслуга в истории науки и человечества.
Сразу после получения сообщений о новом приборе начались
опыты по его изготовлению и изучению действий
электрического тока. Так английские химики Вильям Никольсон (1753-
1815) и Карлейль (1768-1840), построив вольтов столб из 17
элементов, осуществили электролиз воды. Так были открыты
химические действия тока, особенно успешно исследовавшиеся
Знаменитым английским химиком Гэмфри Дэви (1778-1829).
Дэви открыл путем электролиза щелочные металлы калий и
натрий (1807).
Одной из первых монографий, посвященных описанию нового
источника тока и опытов с ним, была монография русского
Петров
физика Василия Владимировича Петрова «Известие о гальвани-вольтовских
опытах», вышедшая в Петербурге в 1803 г.
Василий Владимирович Петров родился в г. Обояни Белгородской губернии 8
июля 1761 г. в семье священника. Петров учился сначала в Харькове, а затем, в
1786-1788 гг., в Петербургской учительской семинарии. По окончании семинарии
Петров работал преподавателем Горного училища при Колывано-Воскресенских
заводах на Алтае. Здесь когда-то трудился и русский механик И.И. Ползунов,
представивший в 1763 г. начальнику Колывано-Воскресенских заводов докладную
записку о своей паровой машине.
Петров проработал на Алтае до 1791 г. В этом году он возвратился в
Петербург, где преподавал физику в Инженерном училище и математику в Главном
врачебном училище. В 1795 г. он стал экстраординарным профессором физики
врачебного училища, которое в 1798 г. было преобразовано в Meдико-хирургическую
академию.
Здесь Петров создал богатый физический кабинет, провел многочисленные
опыты, на основе которых написал монографии: «Собрание физико-химических новых
опытов и наблюдений» (1801) , «Известие о гальвани-вольтовских опытах» (1803) ,
«Новые электрические опыты» (1804). В 1802 г. Петров был избран членом-
корреспондентом Петербургской Академии наук, в 1807 г. - адъюнктом по физике,
в 1809 г. - экстраординарным академиком, в 1815 г. - ординарным академиком по
кафедре физики.
Петров настойчиво боролся за создание физического кабинета при академии, но
все его начинания встречали яростное сопротивление руководства. В 1827 г.
Петрова отстранили от руководства кабинетом. В.В. Петров умер в Петербурге 22
июля 1834 г.
Труд Петрова, посвященный изучению гальвани-вольтовских явлений, носит
следующее полное заглавие: «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые
производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батте-
реи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при
Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии».
Так, уже из заглавия видно, что Петров построил самую мощную по тому
времени батарею, составленную из 2100 гальванических элементов. Он заменил термин
«вольтов столб» термином «гальвани-вольтовская батарея» (Петров пишет «батте-
рея»)в честь Гальвани и Вольты. Он поставил своей главной задачей «описать по
российски и расположить в надлежащем порядке деланные самим мною важнейшие и
любопытнейшие опыты посредством гальвани-вольтовской баттереи». Но начинает
он с описания устройства самой батареи и практических указаний по ее
изготовлению и уходу за ней.
Медные и цинковые кружки, составляющие батареи, имели диаметр «около одного
с половиной дюйма» (около 3,8 см) . Между металлическими кружками
прокладывались не суконные, как у Вольты, а картонные кружки, пропитанные раствором
нашатыря. Каждый элемент состоял из трех кружков: медного, картонного,
цинкового , которые складывались в столбик из десяти и более элементов. В отличие от
вертикального расположения вольтова столба Петров предлагает располагать
элементы горизонтально, так, чтобы кружки стояли ребром вертикально в сухих
узких деревянных ящиках.
Петров указывает и способы изоляции элементов от дерева посредством
сургуча, предлагает помещать тела, над которыми производятся опыты, на скамеечку
со стеклянными ножками. Его «огромная наипаче баттерея» состояла из четырех
рядов, каждый 10 футов длиной (свыше 3 м) , соединяемых последовательно с
помощью медных скобок. Если эти ряды вытянуть в один ряд, то он имел бы длину в
Портрет В.В. Петрова не обнаружен. Распространенное в Интернете (и приведенное на
предыдущей странице) изображение к Петрову отношения, скоре всего, не имеет.
сорок футов, «или в пять наших саженей и пять футов», т.е. свыше 12 м. Петров
замечает, что такую батарею «с довольным основанием можно называть огромною».
Крайний медный кружок первого ряда и последний цинковый кружок четвертого
ряда Петров называет «медным и цинковым полюсами баттереи». Ток от батареи
получается при соединении полюсов проводниками, которые должны быть хорошо
изолированы, например, продеты через стеклянные трубки. Описав устройство
батареи, Петров описывает далее способ ухода за нею, средства очистки кружков
от окислов. Все эти советы, очень подробные, вплоть до указания цен,
показывают , что Петров предназначал свою книгу для активного читателя, который мог
бы сам воспроизвести описываемые эксперименты. Книга Петрова не только
научная монография, но и практически руководство по технике эксперимента. Петров
выступает в ней не только как ученый, но и как учитель, стремящийся ввести
своих читателей в лабораторию научного творчества в самой актуальной области
науки
Глава III (главы своей книги Петров называет «статьями») посвящена
электролизу. Он рассказывает об электролизе воды, детально описывает
экспериментальную установку, подчеркивая необходимость употреблять однородные, чистые
подводящие провода, указывая способы зачистки концов, крепления трубки, в
которую наливаются вода и другие электролиты. Из этих подробных указаний видно,
что Петров демонстрировал электролиз «в присутствии весьма многих зрителей».
Он изучал влияние температуры на электролиз, проводя опыты в январе 1803 г.
на улице.
Петров подробно описывал действие тока на человека и животных. Он проводил
опыты по гальванизации больных, закладывая основы электротерапии.
В главе VII Петров изложил свой знаменитый опыт с электрической дугой:
«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут
положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений
посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металлическими
изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полюсами огромной
баттереи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех
линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от
которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого темный покой
довольно ясно освещен быть может».
Так была открыта и исследована электрическая дуга. Петров заменил один из
углей металлическим электродом, наблюдал плавление металлов электрической
дугой, а также их сгорание в пламени. Таким было начало будущей
электрометаллургии. Вообще труд Петрова можно считать началом будущей электротехники.
Из других результатов научной деятельности Петрова упомянем о его
исследованиях люминесценции, а также о первых в мире опытах, доказавших возможность
электризации металлов трением. Со времен Гильберта металлы считались «не
электриками», неспособными электризоваться, как «электрики». Петров показал,
что изолированный металл может быть наэлектризован «стеганием» его различными
телами. Это было открытие принципиального значения.
Труды Петрова оставались неизвестными за рубежом5, его открытия
переоткрывались , как это было, например, с электрической дугой. У себя на родине они
были также забыты до начала нашего века. В учебниках физики электрическая
дуга именовалась вольтовой дугой, что давало повод думать о ее открытии
Вольтой. В вышедшей еще при жизни Петрова «Опытной, наблюдательной и
умозрительной физике», написанной коллегой Петрова, профессором физиологии и анатомии
Meдико-хирургической академии Д. Велланским (1774-1847), электрическая дуга и
«огромная наипаче» батарея Петрова не упоминается, хотя Велланский рассказы-
5 Да, кто бы их мог прочесть на варварском языке, если даже в России все научное
читалось и писалось на латыни.
вает о батарее Шиллерна, о сухих батареях Делюка, Зингера и Замбони, об
электрических «светоносных» явлениях, об электризации проводников «стеганием», т.
е. о многих вещах, о которых писал Петров. Так еще при жизни Петрова, в
стенах его родной академии, началось забвение его трудов.
Электромагнетизм
Книга Велланского вышла в 1831 г. В ней уже не только упоминались, но и
подробно описывались открытие Эрстеда, опыты и теория Ампера. Внимание,
проявленное Велланским к новому открытию, не случайно. Его истоки кроются в
философских воззрениях как самого Велланского, так и автора открытия. Конец
XVIII и начало XIX в. ознаменовались решительным поворотом философской мысли
в сторону от мировоззрения французских материалистов и опытного
естествознания. Этот поворот возглавили и осуществили представители немецкой
классической философии. С этого момента философия и естествознание идут разными
путями. «Одна, - говорит Герцен, - прорицала тайны с какой-то недосягаемой
высоты, другое смиренно покорялось опыту и не шло далее; друг к другу они питали
ненависть; они выросли во взаимном недоверии; много предрассудков укоренилось
с той и с другой стороны; столько горьких слов пало, что при всем желании они
не могут примириться до сих пор».
Герцен писал это в 1844-1845 гг. Примерно через четверть века об этом же
расхождении между натуралистами (естествоиспытателями) и философами скажет
Гельмгольц, выступая с докладом на родине Канта: «...всем известно, что
натуралисты и философы в настоящее время не могут быть названы добрыми друзьями,
по крайней мере в своих научных работах. Всем известно, что между ними уже
давно ведется ожесточенный спор...». Гельмгольц отмечает, что принципиальный
разлад между философией и естествознанием «еще не имел места во времена
Канта», который «стоял на вполне одинаковой почве с натуралистами». Созданная
Кантом теория происхождения солнечной системы «дает нам право причислить
философа Канта к естествоиспытателям». Гельмгольц считает, что и Фихте «не
находился ... ни в каком принципиальном противоречии с натуралистами». Он
указывает, что «спор возгорелся, когда после смерти Фихте Шеллинг стал
господствовать над наукой в южной, а Гегель в северной Германии». «Среди образованных
людей Германии того времени, - говорит Гельмгольц, - интерес к философским
наукам превосходил интерес к естественным наукам, вследствие чего последние
казались побежденными».
Этот интерес передался и в соседние страны. Велланский и Павлов в России,
Эрстед в Дании находились под сильным влиянием философии Шеллинга. Учение о
целостности мира, о его развитии, о борьбе полярных сил, о всеобщей связи
явлений чрезвычайно импонировало этим естествоиспытателям. Велланский считает
теоретические основы физики неудовлетворительными. «Все содержание оной (т.е.
физики) заключается в исчислении и измерении наружных форм физических
предметов; касательно же внутренней сущности какой-либо вещи физики признают
абсолютную невозможность к достижению оной».
Открытие электромагнетизма шеллингианцы рассматривали как успех своей
системы. «До открытия гальванизма не было известно взаимное соотношение между
химическими, электрическими и магнитными явлениями, которые физики считали
раздельными и одна от другой независимыми». Это совершенно правильное
утверждение Велланского вскрывает то положительное начало, которое было введено
немецкой классической философией: учение о всеобщей связи, диалектика
природы. Велланский правильно подчеркивает, что физика могла рассматривать
химические, магнитные и электрические явления изолированно лишь до открытия
гальванизма . Открытие гальванизма независимо от какой-либо философии должно было
рано или поздно привести к открытию электромагнетизма, и не случайно приори-
тет Эрстеда оспаривался. Еще в 1876 г. Эндрюс (1813-1885) в своей
президентской речи на собрании Британской Ассоциации содействия прогрессу наук в
Глазго должен был вернуться к вопросу о приоритете Эрстеда. Этот вопрос решен в
пользу Эрстеда, и современный историк науки полностью согласен со словами
Велланского: «Электромагнетизм открыт в Копенгагене профессором Эрстедом,
который открытие свое возвестил 1820 года».
Эрстед
Ханс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в семье
датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском
университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22
года степень доктора философии. В 1806 г. он становится
профессором Копенгагенского университета. Увлекшись
философией Шеллинга, он много думал о связи между теплотой,
светом, электричеством и магнетизмом. Плодом этих
размышлений явился изданный в 1813 г. в Париже трактат
«Исследования о тождестве электрических и химических сил». В
1820 г. он сделал свое знаменитое открытие, описанное им
в брошюре «Опыты, относящиеся к действию электрического
конфликта на магнитную стрелку». Брошюра была издана на
латинском языке в Копенгагене и датирована 21 июля 1820
г. Это открытие обессмертило имя ее автора в истории физики. Умер Эрстед 9
марта 1851 г.
Увлечение философией Шеллинга сказалось уже в самом названии брошюры
Эрстеда. Он называет процесс, происходящий в проволоке, соединяющей полюсы
гальванической батареи, не током, а «конфликтом». Результатом этого «конфликта»
является разогревание проводника, причем Эрстед считал, что нагревание
проволоки необходимо для получения эффекта. Опыты над действием тока на магнитную
стрелку привели Эрстеда к важному выводу, что «электрический конфликт, по-
видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную
сферу активности вокруг этой проволоки». Отбрасывая философскую терминологию,
можно констатировать, что Эрстед обнаружил вокруг проволоки с током магнитное
поле, действующее на ток.
Далее он пишет: «Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что
этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Другими словами, магнитные
силовые линии окружают проводник с током, или электрический ток является
вихрем магнитного поля. Таково содержание первого основного закона
электродинамики, и в этом суть открытия Эрстеда.
Сегодня любой школьник без труда воспроизведет опыт Эрстеда,
продемонстрирует «вихрь электрического конфликта», насыпав на картон, через центр
которого проходит проволока с током, железные опилки.
Но обнаружить магнитные действия тока было нелегко. Их пытался обнаружить
Петров, соединяя полюсы своей батареи железными и стальными пластинками. Он
не обнаружил никакого намагничивания пластинок после нескольких часов
пропускания через них тока. Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с
полной достоверностью известно, что магнитные действия тока наблюдал и описал
Эрстед. Это открытие, как справедливо отмечал Велланский, привлекло внимание
физиков Европы. «Ученый датский физик, профессор, - писал Ампер, - своим
великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не
остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных
внимания всех, кто интересуется прогрессом».
Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс, как об этом писал Велланский.
Вскоре, после того как де ла Рив в Женеве повторил опыты Эрстеда, хлынул по-
ток опытов и сообщений. В сентябре 1820 г. Араго показал, что проволока с
током притягивает железные опилки. В том же сентябре Швейгер применил эффект
Эрстеда в качестве указателя тока (мультипликатор). В 1821 г. Поггендорф
(1796-1877) придал ему удобную форму, и в этом виде его и поныне можно видеть
в школьных физических кабинетах.
Примерно так выглядел мультипликатор (гальваноскоп)
Швейгера. В дальнейшем катушку с током сделали
подвижной, а магнитное поле сильным, внешним и
постоянным - такой прибор уже называется гальванометром.
Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био
и Саваром. Доклад об этом законе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г.
Лаплас облек закон Био-Савара в математическую форму элементарного
взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой форме закон
Био-Савара фигурирует в учебниках физики.
Ампер
Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес
французский физик Ампер, назвавший новую область физики
«электродинамикой», и это название прочно вошло в язык
физики.
Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в семье
лионского коммерсанта. Под руководством отца Ампер получил
хорошее и разностороннее образование. Он изучал
естественные науки, математику, греческий, латинский и
итальянский языки. Ампер изучил все тома знаменитой
«Энциклопедии» Дидро и Даламбера, труды Эйлера, Бернулли, Лагранжа.
Амперу было восемнадцать лет, когда семью постигло
большое горе. В 1793 г. Конвент посылает в Лион,
осмелившийся бросить вызов Конвенту, карательную экспедицию,
которой предписывает «немедленно наказать лионскую контрреволюцию силою
оружия» . Конвент приказывает уничтожить Лион и на его развалинах возвести
колонну с надписью: «Лион боролся против свободы - Лиона больше нет». В числе
жертв этой экспедиции оказался и отец Ампера Жан Жак. Он был арестован 9
октября и 24 ноября 1793 г. казнен.
Для семьи наступили трудные времена. Ампер избирает педагогическое поприще.
Сначала он работает домашним учителем, а в 1802 г. становится преподавателем
физики и химии в центральной школе г. Бурге. В 1803 г. Ампера назначают пре-
подавателем математики в Лионский лицей. В следующем, 1804 г. он становится
репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г. - ее профессором.
В 1814 г. его избирают членом Академии наук. С 1820 г. Ампер усиленно
занимается электродинамикой, и в 1826 г. выходит его основной труд по
электродинамике «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из
опыта». Позже Ампер занимается многими научными проблемами, в том числе и
проблемой классификации наук. В результате этих исследований появилось его
сочинение «Опыт философии наук, или Аналитическое изложение естественной
классификации всех человеческих знаний», первый том которого вышел в 1834 г.,
второй, незаконченный том вышел посмертно в 1843 г.
Жизнь Ампера была тяжелой. Его преследовали несчастья: гибель отца, потеря
первой жены, неудачный второй брак, смерть матери, которую он горячо любил, и
многое другое. События «ста дней» и второй реставрации также отразились на
нем. Ко всему этому прибавилось слабое здоровье. В одну из служебных поездок
он скончался в Марселе 10 июня 1836 г.
Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики.
Начиная с первого сообщения в Парижской Академии наук 18 сентября 1820 г.,
последовавшего через неделю после сообщения Араго об открытии Эрстеда, идут
один за другим сообщения Ампера: 25 сентября; 2, 9, 16, 30 октября; 6, 13
ноября; 4, 11 и 26 декабря 1820 г. В 15-м томе «Анналов химии и физики» был
опубликован «Труд, представленный Королевской Академии наук 2 октября 1820 г.
и содержащий резюме докладов, прочитанных в академии 18 и 25 сентября 1820 г.
относительно действий электрических токов». Этот труд подытоживал напряженную
работу Ампера по исследованию нового явления, выполненную в течение короткого
двухнедельного промежутка времени.
Ампер различает два основных электрических понятия: электрическое
напряжение и электрический ток. Под электрическим током Ампер понимает «состояние
электричества в цепи проводящих и электродвижущих тел»; под его направлением
- направление положительного электричества. Внутри вольтова столба это будет
«направление от конца, на котором при разложении воды выделяется водород, к
концу, на котором выделяется кислород». «...Направление электрического тока в
проводнике, соединяющем концы столба, будет обозначать направление от конца,
где выделяется кислород, к концу, где выделяется водород». Следовательно,
Ампер вводит впервые такие фундаментальные понятия, как «электрический ток»,
«электрическая цепь», устанавливает направление тока в замкнутой цепи.
Наименование единицы тока ампер, принятое в физике, вполне оправдано заслугами
Ампера. Он же вводит термин «гальванометр» для прибора, действие которого
основано на отклонении магнитной стрелки, и указывает, что «им следует
пользоваться при всех опытах с электрическими токами, как принято пользоваться
электрометром при электрических машинах, чтобы видеть в каждый момент,
существует ли ток и какова его энергия».
Ампер впервые установил наличие механических взаимодействий токов, которые
могут быть в зависимости от направления как притягательными, так и отталкива-
тельными. Он подчеркивает, что «эти притяжения и отталкивания... существенно
отличаются от тех, которые вызываются электричеством в состоянии покоя».
Исследуя экспериментально электродинамические взаимодействия, Ампер
приходит к выводу, что путем комбинации проводников и магнитных стрелок можно
«устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба,
расположенного вдали от стрелок». Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в
первый же год открытия электромагнетизма.
Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г. русский
дипломат П.Л. Шиллинг (1786-1837) сконструировал телеграфный аппарат, дающий
возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шести мультипликаторов.
Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце.
В 1833 г. Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене,
соединяющую астрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы,
в частности система русского физика Б. С. Якоби (1801-1874). Однако широкое
распространение электромагнитный телеграф получил после того, как
американский изобретатель Самуил Морзе (1791-1872) создал удобную конструкцию
аппарата, разработал схему соединения отравительной и приемной станции и изобрел
специальную азбуку с двумя знаками (точка - тире). Первый аппарат Морзе был
построен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон -
Балтимор.
Одна из модификаций телеграфного аппарата Морзе.
Возвращаемся к исследованиям Ампера. Очень скоро он пришел к мысли об
эквивалентности магнитного листка круговому току и разработал представление о
магните «как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях,
перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита». Отсюда он пришел к
выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту.
Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов («магнитных
жидкостей») в природе и о возможности свести все явления магнетизма к
электродинамическим взаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила
физическую опору в электронной физике уже в XX в.
Обобщающим трудом Ампера была «Теория электродинамических явлений,
выведенная исключительно из опыта», изданная в 1826 г. с подзаголовком
«Произведение, в котором собраны труды г. Ампера, доложенные им Королевской Академии
наук в заседаниях от 4 и 26 декабря 1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823
г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.».
Он поставил перед собой задачу, основываясь на опыте, вывести формулу
взаимодействия элементов тока. Задача была нелегкой. Опыт давал только
интегральное взаимодействие. Ампер варьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь
нащупать правильную формулу и, интегрируя ее для различных случаев конечных
контуров тока, сравнить результат с опытом, формула Ампера открывает длинный
ряд элементарных законов электродинамики.
Важно, что элементарные взаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют
третьему закону Ньютона, это новый тип взаимодействия, отличный от обычных
центральных сил. Впрочем, то обстоятельство, что физика открыла новый тип
сил, отличный от гравитационных, электростатических и магнитных сил, было
ясно уже из опыта Эрстеда. Электродинамические силы, как правильно заметил
Ампер, новые силы, отличные от сил, известных в электростатике. Однако сам
Ампер искал свой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с
Био, установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на
магнитный полюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент
тока. Так началась проблема закона сохранения количества движения в
электродинамике. Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании
электромагнитных действий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для
постоянных токов было допустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться
с новыми фактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений.
Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля. В
1821 г. Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс,
помещенный вблизи проводника с током, приходит в непрерывное вращение. Ему
пришлось проявить немало изобретательности, чтобы придумать такое расположение
проводников и магнита, чтобы действию тока подвергался только один полюс.
Магнит в опыте фарадея вращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это
была первая модель электродвигателя.
Как всегда бывает в науке, когда открывается новое поле исследования,
появляется большое количество экспериментаторов и изобретателей, возникают
бесчисленные споры о приоритете того или иного открытия. Имена этих
экспериментаторов и изобретателей ныне забыты или полузабыты, Фарадею пришлось
выдержать длительный спор о приоритете в открытии электромагнитных вращений.
Сначала его обвинял учитель Дэви в заимствовании идеи у Волластона, спустя много
лет после смерти Дэви обвинения повторил его брат. Такие споры, отравляющие
жизнь многим выдающимся ученым, неизбежны, когда «идеи носятся в воздухе».
Время, в конце концов, выносит окончательный приговор.
Из многочисленных открытий и изобретений в области электричества, сделанных
в 20-е годы XIX в., следует упомянуть об открытии в 1821 г.
термоэлектричества. Оно принадлежит прибалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770-1831). Это
открытие стало возможным благодаря открытию Эрстеда и некоторое время даже
именовалось термомагнетизмом. В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение
мультипликатора дали возможность немецкому учителю Георгу Ому (1787-1854)
открыть количественный закон цепи электрического тока, носящий ныне его имя.
Опыты и теоретические рассуждения Ома, который находился под сильным
влиянием вышедшего в 1822 г. сочинения Фурье (1768-1830) «Аналитическая теория
тепла», были описаны им в основном труде «Гальваническая цепь, разработанная
математически» (1827). Следует отметить, что этот закон, без которого мы
сейчас не представляем себе учебника электричества, не сразу был принят
физиками, и стал входить в науку только в конце 30-х - начале 40-х годов XIX в. Его
признание шло параллельно с успехами электрометрии. Одним из первых принял и
применил закон Ома русский академик Э.Х. Ленц, который рассматривал и вопросы
распределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественником
Кирхгофа. Ленц занимался также изучением электромагнитов, впервые на основе
опытов Араго и теории Ампера созданных Вильямом Стердженом (1783-1850) в 1825
г. Электромагниты с большой подъемной силой были построены американским
физиком Джозефом Генри (1799-1878), независимо от Фарадея открывшим
электромагнитную индукцию. Однако его публикация об этом открытии запоздала, и слава
великого открытия принадлежит Михаилу фарадею.
Фарадей
Н Михаил (английское произношение - Майкл) Фарадей
родился 22 сентября 1791 г. в семье лондонского кузнеца.
Недостаточность средств не позволила будущему великому
ученому получить хорошее образование. В начальной школе
он научился читать, писать, постиг начала арифметики, а
затем поступил в учение к переплетчику. Здесь он
восполнил недостатки образования чтением. Особенно его увлекло
электричество и химия, и он сам начал проделывать опыты,
описанные в книгах.
Промышленная революция пробудила в широких кругах
англичан интерес к естествознанию. В Лондоне большим успехом
пользовались популярные лекции для широкой публики.
Организованный в 1800 г. Лондонский Королевский институт
регулярно проводил вечерние публичные лекции. Лекции во времена Фарадея читал
Знаменитый химик Дэви. Эти лекции увлекли Фарадея. Он тщательно записывал их
и аккуратно переплетенные записи направлял Дэви. Когда Дэви понадобился
помощник, он вспомнил о Фарадее и привлек его в институт в качестве ассистента.
Гениальный самоучка вступил на путь, приведший его к бессмертию.
Первые научные работы Фарадея относятся к химии. Они обратили на себя
внимание европейских химиков и сделали его имя широко известным Д.И. Менделеев в
своих знаменитых «Основах химии» неоднократно упоминает имя Фарадея. Он
цитирует его характеристику пламени, воспроизводит описание его опыта по анализу
пламени свечи, неоднократно упоминает его результаты в области сжижения газов
и его закон электролиза. Менделеев сочувственно упоминает о фарадеевском
понимании электрического тока как переносчика химического движения. В истории
химии Фарадей занимает видное место.
Фарадей в лаборатории.
Всемирную славу Фарадею принесли его электрические исследования. Открытие
Эрстеда взволновало ученых Королевского института. Дэви и Волластон не только
повторили его опыты, но и придумали новые демонстрации взаимодействия токов и
магнитов. Фарадей, заинтересовавшись новым открытием, тщательно изучил
литературу по этому вопросу и выступил в 1821-1822 гг. со статьей «Опыт истории
электромагнетизма». Статья Эрстеда подсказывала мысль о наличии вращения
вокруг тока. Идею электромагнитного вращения высказал Волластон.
Фарадей, придя к ней самостоятельно, стал думать о том, как
экспериментально обнаружить его. Ему удалось обеспечить действие тока лишь на один из
полюсов магнита и с помощью ртутного контакта осуществить непрерывное вращение
магнита вокруг проводника с током.
Этот первый электродвигатель заработал у фарадея в декабре 1821 г. Тогда же
Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в
электричество. Решение этой задачи потребовало около десяти лет. С ноября 1831 г.
Фарадей начал систематическую публикацию своих исследований по электричеству,
составивших трехтомный труд под заглавием «Экспериментальные исследования по
электричеству».
Дадим краткий обзор содержания этой знаменитой книги. В первой серии,
датированной 24 ноября 1831 г. и содержащей разделы: об индукции электрических
токов, об образовании электричества и магнетизма, о новом электрическом
состоянии материи, объяснение магнитных явлений Араго, - описаны основные опыты
Фарадея по электромагнитной индукции. В первом опыте, с помощью которого и
было открыто новое явление, Фарадей использовал деревянный цилиндр, на
который были намотаны две изолированные друг от друга обмотки. Одна из них была
соединена с гальванической батареей, другая - с гальванометром. При замыкании
и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра во второй обмотке
отклонялась при замыкании тока в одну сторону, при размыкании в
противоположную. Действие одной цепи электрического тока на другую Фарадей назвал вольта-
электрической индукцией. Вольта-электрическая индукция усиливалась, если
внутрь обмотки помещали железо, Фарадей устроил индукционный прибор в виде
железного кольца (тора), на которое были намотаны две изолированные обмотки -
первичная с источником тока и вторичная с гальванометром. Кольцо Фарадея было
первой моделью трансформатора.
Затем Фарадей получил индукционные действия с помощью обыкновенных
магнитов . Явления эти Фарадей назвал магнитоэлектрической индукцией. Фарадей
считал, что проводник, подвергающийся индукционному воздействию со стороны
другого тока или магнита, находится в особом состоянии, которое он назвал
электротоническим. Это название не удержалось в науке, но именно отсюда началось
исследование Фарадеем роли среды в электромагнитных взаимодействиях.
Существенно, что Фарадей, отмечая переменный характер процесса индукции,
говорит об «индуцированной волне электричества». Несколькими месяцами позже,
12 марта 1832 г., он фиксировал результат своих наблюдений над временным
характером индукционных явлений в специальном письме, озаглавленном «Новые
воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в
архивах Королевского общества». В этом замечательном письме, обнаруженном в
архивах лишь спустя 106 лет, т.е. в 1938 г., содержится совершенно определенный
вывод, «что на распространение магнитного взаимодействия требуется время»,
что действие одного магнита на другой «распространяется от магнитных тел
постепенно и для своего распространения требует определенного времени». Фарадей
указывает, «что электрическая индукция распространяется точно таким же
образом» , и считает «возможным применить теорию колебаний к распространению
электрической индукции». Процесс распространения индукции похож «на колебания
взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц
воздуха» . Фарадей пишет, что он хотел бы проверить свои идеи экспериментально, но
ввиду занятости решил передать свое письмо на хранение, чтобы закрепить за
собой открытие фиксированной датой. Он указывает, что «в настоящее время,
насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных
взглядов» .
Поразительна интуиция Фарадея, позволившая ему вскоре после открытия
электромагнитной индукции прийти к идее электромагнитных волн. Он совершенно
прав, считая эту идею чрезвычайно важной и утверждая свой приоритет в
специальном письме, датированном точной датой.
Вполне понятны заботы Фарадея о приоритете. В конце раздела «Об
электротоническом состоянии» он упоминает о претензиях на приоритет в открытии
индукции со стороны Френеля и Ампера. К открытию независимо от Фарадея пришел и
Генри. После публикации Фарадея многие физики осознали, что они наблюдали в
своих экспериментах по магнитному действию токов аналогичные явления.
Открытие «носилось в воздухе». В истории науки действует закон созревания
открытий : наступает время, когда открытие должно быть сделано, оно созрело. Так
было с законом тяготения, с открытием математического анализа, так было и с
законом индукции. В последнем разделе первой серии Фарадей объясняет явление,
открытое Араго. Магнитная стрелка, помещенная под плоскостью медного диска,
приходит во вращение, когда диск вращается. Точно так же при вращении магнита
приходит во вращение подвешенный над ним медный диск. Фарадей объяснил это
открытое Араго загадочное явление действием электромагнитной индукции и
указал, что эффект Араго дает возможность получить «новый источник
электричества» . Между полюсами магнита вращался медный диск. Скользящие контакты у
периферии и центра диска отводили генерируемый при вращении диска ток к цепи,
содержащей гальванометр. «Этим было показано, - пишет Фарадей, - что можно
создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенных магнитов». Фарадей
в этом опыте сконструировал униполярную динамо-машину. Варьируя опыты с
получением индукционного тока вращением проводников или магнитов, Фарадей
приходит к важному выводу: «Все эти результаты, - пишет он, - доказывают, что
способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной
равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности
магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается». Установленную
Фарадеем связь Максвелл позднее выразил математически.
Диск Фарадея - первая униполярная динамо-машина
(слева) и ее схема (справа) . Ныне эта идея используется
для генерации больших токов.
Фарадей говорит о том, что способность индуцировать токи «проявляется по
окружности вокруг магнитной равнодействующей». Это, как показал Масквелл,
означает , что переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем.
В векторной форме закон, открытый Фарадеем, выражается уравнением:
rot Ё--Ж. (XI
at
где Е - напряженность поля, а В - его индукция.
Знак минус, поставленный в равенстве (1'), соответствует правилу,
установленному петербургским академиком Э.Х. Ленцем (родился 12 февраля 1804 г. в
Дерпте (Тарту), умер в Риме 29 января 1865 г.). 29 ноября 1833 г. Ленц
доложил Петербургской Академии наук работу «Об определении направления
гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». В этой работе он
обращает внимание на то, что Фарадей дает различные правила для определения
направления индуцируемых токов в случае вольта-электрической и в случае
магнитоэлектрической индукции. Ленц понял, что разные правила, предложенные
Фарадеем, затушевывают то обстоятельство, что во всех случаях индукции
существует один и тот же индукционный процесс, подчиняющийся общему правилу. Это
правило Ленц формулирует следующим образом: «Если металлический проводник
движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем
возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был
неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную
сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться
только в направлении движения или в противоположном направлении».
Ленц рассматривает ряд примеров на применение своего правила и показывает,
что во всех случаях возникает индукционный ток такого направления, что он
противодействует изменению, порождающему его.
В 1846 г. Франц Нейман (1798-1895) нашел выражение Закона индукции в
следующем виде:
V = -dA/dt,
где знак минус показывает, что на создание индукционного тока надо
затратить энергию.
Фарадей продолжал изучение электромагнитной индукции во второй серии своих
«Экспериментальных исследований» (январь 1832 г.).
В третьей серии (январь 1833 г.) Фарадей кладет конец спору о различных
видах электричества: обыкновенном, гальваническом, животном, индукционном.
Рядом опытов он показывает, что все виды электричества тождественны между
собой, различаясь только знаком. Исследуя действия, производимые обыкновенным,
гальваническим, магнитным, термическим и животным электричеством, Фарадей
приходит к фундаментальному заключению: «Отдельные виды электричества
тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник».
В июне 1833 г. появилась пятая серия «Экспериментальных исследований»,
посвященная явлениям электролиза. В этой серии, а также в последующих - шестой,
седьмой и восьмой - сериях Фарадей занимается изучением химических действий
тока.
Химические действия тока были открыты сразу после изобретения вольтова
столба. Дэви открыл электролитическим разложением щелочные металлы. Иоганн
Риттер обнаружил поляризацию гальванического элемента. Пропуская ток через
подкисленную воду, он установил, что электроды, опущенные в электролит и
отключенные от источника, снова дают после их соединения проводником
электрохимическое разложение, но в обратном направлении. Так был открыт аккумулятор.
Прибалтийский ученый Кристиан Гротгус (1785-1822) впервые пытался
представить механизм электролиза посредством цепочек полярно заряженных молекул.
В пятой серии Фарадей формулирует точный закон электролиза: «Что бы собой
ни представляло разлагаемое вещество: воду, растворы солей, кислоты,
расплавленные тела и т.д., - для одного и того же количества электричества сумма
электрохимических действий есть также величина постоянная, т.е. она всегда
эквивалентна стандартному химическому действию, основанному на обычном
химическом сродстве»
В седьмой серии Фарадей формулирует этот закон более сжато: «Химическое
действие электрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству
проходящего электричества».
Фарадей вводит новую терминологию, ныне общеупотребительную. Электроды,
подводящие ток к разлагаемому раствору, он называет анодом и катодом.
Разложимые вещества он называет электролитами, вещества, на которые разлагаются
электролиты, - ионами, а именно анионами и катионами, смотря по тому, где
отлагается вещество - у анода или катода. «Числа, соответствующие весовым
количествам, в которых они выделяются, я называю электрохимическими
эквивалентами» .
Фарадей устанавливает важный факт, что для выделения любого вещества в
количестве, равном его электрохимическому эквиваленту, требуется одно и то же
количество электричества. Эта величина играет важную роль в современной
физике, являясь одной из основных физических констант, и называется «число
Фарадея» . Фарадей связывает этот факт с основными представлениями химии. Он
пишет : «Согласно этой теории эквивалентные веса тел представляют собой такие
количества их, которые содержат равные количества электричества... Иначе если
принять атомную теорию и соответствующие ей выражения, то атомы тел,
эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат
равные количества электричества, естественно связанного с ними». Таким
образом, Фарадей приходит к представлению о некотором элементарном заряде,
связанном с атомами вещества. Он указывает, что «атомы материи каким-то образом
одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими
наиболее замечательными качествами, и в том числе своим химическим сродством
друг к другу».
Все это позволяет высказать утверждение, что Фарадей является основателем
электронной теории вещества, впервые высказавшим мысль о дискретности
электричества , об элементарном электрическом заряде. Тринадцатый раздел седьмой
серии, в котором содержатся эти глубокие мысли, называется «Об абсолютном
количестве электричества, связанном с частицами или атомами материи». Это
название говорит само за себя.
В девятой серии, озаглавленной «Об индуктивном влиянии электрического тока
на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще», Фарадей
описывает явление самоиндукции. Это явление было открыто независимо друг от
друга американцем Генри и англичанином Дженкиным. Фарадей упоминает только о
последнем, очевидно, не зная об открытии Генри. Современная физика
увековечила приоритет Генри, присвоив единице индуктивности название генри.
Фарадей описывает экспериментальную установку, посредством которой и доныне
демонстрируют на лекциях явление самоиндукции. Он констатирует, что
самоиндукция аналогична инерции в механике, указывает, что индуктивность проводника
зависит от его формы и особенно возрастает, если проводник свернуть в
спираль . Все это заставляет его еще раз вернуться к идее электротонического
состояния и к исследованию связи между электрическими и магнитными силами.
Мысль Фарадея неустанно обращается к пространству, окружающему проводники, и
в его уме постепенно вызревает глубокая идея поля.
В одиннадцатой серии Фарадей подробно исследует диэлектрические свойства
веществ, вводя для их характеристик особое число, которое он называет
удельной индукцией или удельной индуктивной способностью. Эту величину позже
назвали диэлектрической постоянной, а ныне называют диэлектрической проницаемо-
стью. Исследование диэлектриков вновь подводит Фарадея к мысли о
существовании роли среды в электрических взаимодействиях, которые как бы разливаются в
окружающем пространстве по кривым линиям. Это последнее обстоятельство
особенно подчеркивает фарадей, считая, что оно противоречит картине действия на
расстоянии, принятой сторонниками мгновенного дальнодействия.
От опытов с диэлектриками фарадей переходит к исследованию электрического
разряда в газах. Он описывает различные формы разряда в газах при атмосферном
давлении и в разреженном состоянии. В последнем случае Фарадею удалось
обнаружить темное пространство, разделяющее, области свечения у катода и у анода.
Это темное пространство ныне называется фарадеевым. Так Фарадей положил
начало детальному изучению разрядов в газах, той области физики, которую он сам
считал важной и из которой в дальнейшем историческом развитии возникли
электроника , рентгенофизика, радиоактивность.
В шестнадцатой и семнадцатой сериях «Экспериментальных исследований по
электричеству» Фарадей рассматривает спор между сторонниками контактной
теории источника электрического тока и сторонниками химической теории.
Контактная теория, ведущая свое происхождение от Вольты, «находит источник мощности
в контакте» разнородных проводников, а химическая - «в химической силе», как
выражается Фарадей, или в химической энергии, как бы сказали мы. Свое мнение
Фарадей - он является сторонником химической теории - обосновывает
многочисленными соображениями и экспериментальными фактами. В качестве окончательного
вывода он прямо указывает, что «контактная теория допускает, что сила...
может будто бы возникнуть из ничего, что без всякого изменения действующей
материи и без расхода какой-либо производящей силы может производиться ток,
который будет вечно идти против постоянного сопротивления...». «Это было бы
поистине сотворением силы, - продолжает Фарадей, - и это не похоже ни на какую
другую силу в природе».
Эти слова были написаны в январе 1840 г. , когда закон сохранения энергии
еще не был открыт, но Фарадей пишет так, как будто ему этот закон известен.
Более того, он ясно представляет картину превращения энергии из одного вида в
другой. «Мы имеем много процессов, - пишет он, - при которых форма силы может
претерпеть такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так
мы можем превратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую
силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превращаемость
теплоты и электричества, а опыты Эрстеда и мои собственные показывают
взаимную превращаемость электричества в магнетизм. Но ни в одном случае, даже с
электрическим угрем и скатом, нет чистого сотворения силы; нет производства
силы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее».
Этот 2071-й параграф семнадцатой серии, датированный 29 декабря 1839 г. ,
представляет по сути дела законченную качественную формулировку закона
сохранения и превращения энергии.
Эта основополагающая установка Фарадея в значительной степени
способствовала его научным достижениям. Он открыл электромагнитную индукцию не случайно,
он напряженно искал ее десять лет. Осенью 1845 г. он открывает магнитное
вращение плоскости поляризации, получившее в науке название эффекта Фарадея.
Этот тонкий эффект опять-таки не был случайным открытием.
Девятнадцатую серию, посвященную эффекту Фарадея, он открывает следующим
признанием: «Я давно уже придерживался мнения - и оно почти достигло степени
убеждения - ... что различные формы, в которых проявляются силы материи,
имеют общее происхождение, или, другими словами, настолько близко родственны
друг другу и взаимно зависимы, что они могут как бы превращаться друг в друга
и обладают в своем действии эквивалентами силы». Фарадей сообщает, что он
давно и безуспешно пытался «открыть прямую связь между светом и
электричеством» и что «в конце концов мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч све-
та и осветить магнитную силовую линию». Далее он описывает свои опыты по
вращению плоскости поляризации света магнитным полем.
Фундаментальная идея о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил
природы дополнялась у Фарадея другой фундаментальной идеей об активной роли
среды, в том числе и пустого пространства, в физических процессах. В двадцатой
серии он описывает влияние магнитного поля на различные среды и находит
диамагнетизм и парамагнетизм (термины введены Фарадеем).
Тщательное изучение электрических и магнитных свойств вещества в конце
концов привело Фарадея к установлению фундаментальной новой идеи, идеи поля. Фа-
радей разработал экспериментальную методику исследования магнитного поля с
помощью пробной катушки и баллистического гальванометра. Он ввел метод
изображения магнитного поля с помощью силовых линий. Он писал в 1851 г.: «Я...,
изучая отношение вакуума к магнитной силе и общий характер магнитных явлений,
протекающих вне магнита, больше склоняюсь к мысли, что передача силы
представляет собой именно такое явление, протекающее вне магнита; я считаю
невероятным, что эти явления представляют собой простое притяжение и отталкивание
на расстоянии». Следует отметить, что современники Фарадея предпочитали идею
«простого притяжения и отталкивания на расстоянии».
Слишком осязательны были успехи Ньютона, формула закона тяготения которого
так блестяще оправдалась в небесной механике. Напоминающие эту формулу законы
Кулона дали возможность развить математическую теорию электростатики и
магнитостатики. Амперу удалось включить в эту схему и электромагнетизм. Теперь
оставалось так обобщить закон Ампера, чтобы он включил в себя и индукционные
процессы, открытые и изученные Фарадеем. Эту задачу поставил перед собой
Вильгельм Вебер (1802-1891), которому, в конце концов, удалось найти формулу
взаимодействия заряженных электрических частиц (184 6). Однако в эту формулу
входили не только заряды взаимодействующих частиц и их положения, но также их
относительная скорость и ускорение, что делало ее совсем непохожей на законы
Ньютона и Кулона и сложной для расчетов.
Фарадей же вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в
физику совершенно новый объект - физическое поле. «При этой точке зрения на
магнит, - писал Фарадей в 1852 г., - среда или пространство, его окружающие,
играют столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью
настоящей и полной магнитной системы». Для Фарадея поле - это то, что излучается,
распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с
веществом . Примером такого поля является излучение Солнца. «В этом случае лучи
(которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточное
пространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощи
различных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направление
посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по
криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать
их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны со
временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они
могут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое, в
конце концов, приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое
существование».
Такова концепция поля, к которой Фарадей пришел в результате длительного
научного пути и первоначальный набросок которой он дал в своем запечатанном
письме 1832 г. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая
форма материи - поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся
в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана
гениальным преемником Фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.
Напряженная работа надломила душевные силы Фарадея. Все чаще и чаще он
жалуется на ослабление памяти: «Уже через день я не могу припомнить выводов, к
которым пришел накануне... Я забываю, какими буквами изобразить то или другое
слово», - пишет он в одном из писем. В таком состоянии он проводит, угасая,
долгие годы, год от года сужая круг своей деятельности. Умер он 25 августа
1867 г.
Возникновение
и развитие
термодинамики
Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал
эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты
познать можно», то в XIX в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика
продолжает господствовать над теоретической, и редактор ведущего физического
журнала «Annalen der Physik» Поггендорф, будучи сам экспериментатором,
тщательно заботится о том, чтобы на страницы журнала не попала «метафизика». Но
уже волновая оптика Юнга и Френеля представляла собой, кроме совокупности
изящных и остроумных опытов, стройную теоретическую систему, позволившую
Гамильтону предсказать тонкое, трудно наблюдаемое явление конической рефракции.
Электростатика и магнитостатика в руках Гаусса и Грина развивались по образцу
ньютоновской теории тяготения, и ее основные результаты и поныне входят в
курсы теоретической физики. Электродинамика Ампера позволяла надеяться, что
аналогичная математическая теория будет разработана и для электромагнетизма.
Но великие открытия Фарадея спутали все карты, и, хотя поиски обобщающего
закона не прекращались, в электродинамике до Максвелла господствовал идейный
разброд.
Труднее всего поддавались теоретической обработке тепловые явления. Здесь
еще шло накопление эмпирических фактов, разрабатывались методы определения
тепловых характеристик: коэффициентов расширения, теплопроводности, удельных
теплоемкостей. Эти измерения нужны были и для бурно развивающейся
теплотехники. «Его величество пар» работал на фабриках и заводах, на железных дорогах,
на морских и речных путях. Паровая машина была основным и единственным
двигателем бурно развивающейся капиталистической индустрии.
Правительство капиталистической Франции сочло необходимым субсидировать
исследования Анри Виктора Реньо (1810-1878), предпринятые «с целью определить
числовые данные, важные в теории паровой машины». «Большие средства,
представленные в распоряжение Реньо, - писал А.Г. Столетов, - позволили ему не
стесняться ни помещением, ни размерами аппаратов». Лаборатория Реньо
помещалась в небольшом здании, построенном им в саду College de France. Лаборатория
была хорошо снабжена для термодинамических исследований (паровая машина в 4
л.с, газометры, манометры в 20 м длиной, точные термометры, барометры,
прибор, служивший Реньо для определения абсолютного расширения ртути, приборы
для калориметрических измерений и т.д.). С 1854 г. Реньо директор Севрской
фарфоровой фабрики, где для него также сооружается обширная лаборатория для
научных исследований по теплоте. Реньо привлекает к своим исследованиям
молодых ученых. В основном молодые исследователи из Франции, Германии, Италии,
Швеции, Швейцарии и России работали в Севрской лаборатории Реньо.
Эксперименты, которые здесь проводились, относились к определению скрытой теплоты
различных жидкостей при переходах из парообразного состояния в жидкое и
наоборот . Методы тепловых измерений, предложенные Реньо, переносились в научные и
учебные лаборатории высших учебных заведений, и еще в XX в. почти все
физические практикумы университетов по теплоте были поставлены «по Реньо».
Исследования Реньо начали публиковаться в конце 30-х годов XIX в. В 1847 г.
вышел первый том его «Сообщений об опытах предприятий по распоряжению
министров общественных работ». Лаборатория Реньо вместе с его последними трудами
была уничтожена немцами при взятии Парижа в 1870 г.
Реньо был ярким представителем экспериментального направления в физике XIX
в. А.Г. Столетов совершенно точно характеризовал его: «Реньо не проводил
новых идей в науке, если не считать того скептицизма, с которым он относился к
слишком ранним обобщениям фактов и обличал неточность положений, до тех пор
принимавшихся за непреложные законы. Новые идеи, как например механическая
теория теплоты, проникли в науку помимо Реньо, можно сказать, вопреки ему: он
не вдруг в них уверовал. Он считал себя работником, собирателем материалов,
измерителем, и в этом смысле он не имеет себе подобного».
Эта очень важная характеристика, данная Столетовым, может быть приложена не
к одному Реньо, а ко многим, даже подавляющему большинству физиков первой
половины XIX в. Таким был, например, уже упоминавшийся Иоганн Кристиан Погген-
дорф, внесший определенный вклад в развитие электрических измерений. Таким
был и Генрих Густав Магнус (1802-1870), открывший известный «эффект Магнуса»
физики этой школы, как справедливо указывал Столетов, настороженно и
недоверчиво относились к новым теоретическим обобщениям, и рождение термодинамики
было трудным.
В общей обстановке эмпиризма лишь два исследования теоретического
характера, выполненные в первой четверти столетия, стоят особняком. Первое
исследование носило математический характер и оказало существенное влияние на
развитие математической физики. Оно было выполнено французским математиком Жан
Батистом Жозефом Фурье (1768-1830) . Его работа «Аналитическая теория тепла»
содержала математическую теорию теплопроводности, которой Фурье занимался
начиная с 1807 г. Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности и
разработал методы его интегрирования при заданных краевых условиях для некоторых
частных случаев. В своей математической теории Фурье применил разложение
функции в тригонометрический ряд (ряд Фурье). Возникшая в математике
дискуссия по этому поводу оказалась плодотворной, и в математическую физику прочно
вошли ряды и интеграл Фурье.
Фурье рассматривал теплоту как некоторую жидкость (теплород). Большего ему
не требовалось, и его теория казалась одним из достижений теории теплорода.
Эту же теорию разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Сади
Карно (1796-1832).
Карно
^^^^^^^^^&*> *■+ Сади Никола Леонард Карно был старшим сыном знаменитого
^^^^^^^^^^^ ' «организатора победы» французской революции Лазаря Карно.
^^^^^^^хЯ^Ъ "' Сади родился 1 июня 1796 г. В 1812 г. он поступил в Поли-
^^^Н _ г^^Ш техническую школу и окончил ее военным инженером в 1814
^^^Н "*" Г ^^В г. Наполеон к этому времени был разгромлен и сослан на
^^^^& ■* ^Г остров Святой Елены. Отец Сади был осужден, и военная
^^^^А^ ~^^А карьера самого Карно была сомнительной. Спустя три года
^^^^^ИН^^^^^, после окончания школы он сдал экзамен и с чином поручика
^^^^^^^^^^^^^^L перешел в главный штаб, занимаясь в основном наукой, му-
^^^^^^^^^^^^^^Ъ зыкой и спортом. В 1824 г. был издан его главный труд
^^^^^^^^^^^^^^^В «Размышления о движущей силе огня». Через четыре года
^H^^^^^KI^^^^^H Карно вышел в отставку в чине капитана. Умер он 24
августа 1832 г. от холеры.
«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту
силу» начинаются с характеристик огромной движущей силы тепла. «Развивать эту
силу и приспособлять ее для наших нужд - такова цель тепловых машин», - пишет
Карно. Он характеризует быстрое развитие тепловых машин и предсказывает им
большое будущее: «Если когда-нибудь, - говорит Карно, - улучшения тепловой
машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и
использование, то она соединит в себе все желательные качества и будет играть в
промышленности роль, всю величину которой трудно предвидеть, ибо она не только
заменит имеющиеся теперь в употреблении двигатели удобным и мощным
двигателем, который можно повсюду перенести и поставить, но и даст тем
производствам, к которым будет применена, быстрое развитие и может даже создать новые
производства». Предвидение Карно блестяще оправдалось. Двигатели внутреннего
сгорания и паровые турбины получили широкое развитие, создали новые
производства: авиационное и автомобильное. Новые двигатели второй половины XX в -
ракеты - создали сверхскоростной воздушный транспорт и вывели человечество в
космос.
«Движущая сила тепла» в наши дни играет огромную роль. Но во времена Карно
она только начинала свой путь как малоэкономичная паровая машина. Хотя со
времен Севери и Ньюкомена прошло более столетия, и паровая машина прочно
утвердилась в промышленности, сущность ее работы оставалась неясной, «явление
получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки
зрения» , как отмечал Карно.
Карно видит ненормальность случайных эмпирических усовершенствований
паровых машин, он хочет дать теоретические основы теплотехники. В этом огромное
историческое значение работы Карно, выходящее далеко за рамки специального
исследования. Характерно, что он в своем труде не ограничивается
существующими паровыми машинами, а говорит о тепловом двигателе вообще. «Чтобы
рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, - пишет Карно,
- надо его изучить независимо от какого-либо определенного агента; надо
провести рассуждения, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем
мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дело и каким
бы образом ни производилось воздействие».
Так, отправляясь от конкретной задачи, подсказанной практикой, Карно
формулирует абстрактный, общий метод ее решения - термодинамический метод.
Сочинение Карно явилось началом термодинамики. Карно ввел в термодинамику
метод циклов. Цикл Карно описывается сегодня во всех учебниках физики. В них
он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа,
которых нет у Карно. Диаграмма и расчеты были даны в 1834 г. Клапейроном, который
повторил работу Карно.
Бенуа Поль Эмиль Клалейрон (1799 - 1864), французский академик и инженер,
был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института инженеров путей
сообщения. В 1834 г. он дал общеупотребительную форму трактовки цикла Карно и
объединенное уравнение газового состояния. Ему же принадлежит вывод
зависимости точки плавления от давления (уравнение Клапейрона-Клаузиуса).
Карно в своем исследовании придерживается еще теории теплорода. Он
рассматривает работу тепловой машины как результат перепада теплорода с высшего
уровня на низшие. «Возникновение движущей силы, - пишет Карно, - обязано в
паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего
тела к холодному...»
Общий вывод Карно формулирует следующим образом: «Движущая сила тепла не
зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно
определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, происходит
перенос теплорода».
В наше время этот вывод Карно формулируется иначе: коэффициент полезного
действия идеальной тепловой машины не зависит от рабочего вещества, а зависит
лишь от температуры нагревателя и холодильника.
Вывод этот вошел в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а
сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на
немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследова-
ний В. Томсона и Р. Клаузиуса, приведших к открытию второго начала
термодинамики.
Хотя Карно в своей работе опирался на неверную теорию теплорода, его
глубокий ум скоро почувствовал недостатки этой теории6.
Карно сделал следующее примечание к своей работе: «Основные положения, на
которые опирается теория тепла, требуют внимательного исследования. Некоторые
данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории».
В своем дневнике, выдержки из которого были опубликованы его братом после
смерти Карно, он пишет: «Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее,
движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где
происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве,
точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда
при исчезновении тепла возникает движущая сила.
Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в
природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не
создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е.
вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».
Если заменить слова «движущая сила» словом «энергия», то мы получим
законченную формулировку закона сохранения энергии. В последней формуле Карно дает
значение механического эквивалента теплоты. Оно равно 370 кгсм на 1 ккал,
т.е. имеет правильный порядок величины.
Таким образом, уже к 30-м годам XIX в. настало время для возвращения к
идеям Ломоносова относительно теплоты. К сожалению, имя Ломоносова к тому
времени на Западе было основательно забыто, и основоположники механической теории
теплоты создавали ее заново.
Открытие закона
сохранения и
превращения энергии
Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных»
частиц материи высказывались еще в XVII в. Ф. Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и
многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц
вещества . Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал
Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на
сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими
выдающимися учеными XIX столетия.
Успехи экспериментальной теплофизики, и, прежде всего, калориметрии,
казалось , свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же XIX в. принес наглядные
доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт
выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты
усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением -
трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г. Бенжамен
Томпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских
военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном
стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление,
Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного
металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к
стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр,
показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фарен-
Исторический анализ пути, приведшего Карно к изложенному открытию, дан в работе
Б.И. Спасского и Ц.С. Сарангова «К истории открытия теоремы Карно», УФН, I960, т.
99, вып. 2.
гейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В
процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт
Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.
Опыты по получению теплоты трением повторил Дэви. Он плавил лед трением
двух кусков друг о друга. Дэви пришел к выводу, что следует оставить гипотезу
о теплороде и рассматривать теплоту как колебательное движение частиц
материи. Эта гипотеза была поддержана Юнгом. В 1837 г. немецкий аптекарь (с 1867
г. профессор фармакологии) Фридрих Мор (1806-1879) послал редактору журнала
«Annalen der Physik» Поггендорфу статью «О природе теплоты». Тот ее не
принял, сославшись на то, что статья не содержит новых экспериментальных
исследований. В ней Мор со всей определенностью указывал, что теплота является
формой движения.
Мы видели, как Фарадей в споре со сторонниками контактной теории в 1839-
1840 гг. утверждал идею превращения сил с сохранением их постоянной
количественной величины, Фарадей по характеру мышления резко отличался от
профессиональных ученых. Поэтому можно с полным основанием утверждать, что идея закона
сохранения и превращения энергии вызревала не у специалистов-физиков. И не
специалисты сыграли решающую роль в утверждении великого закона. Врач Майер,
пивовар Джоуль, врач Гельмгольц - вот те три человека, за которыми история
науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения
энергии.
Майер
Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльб-
ронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование
и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до
этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В
течение годичного плавания (1840-1841) врач Майер пришел к
своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его
натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в
тропиках. Производя многочисленные кровопускания на рейде
в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из
ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что,
судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию».
Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между
собственным теплом организма и теплом окружающей среды
должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов
крови, т.е. артериальной и венозной... Эта разница в цвете является
выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в
организме».
Во времена Майера было распространено учение о жизненной силе организма
(витализм). Живой организм действует благодаря наличию в нем особой жизненной
силы. Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и
химических законов и обусловливались таинственной жизненной силой. Майер
своим наблюдением показал, что организм управляется естественными физико-
химическими законами, и, прежде всего, законом сохранения и превращения
энергии. Вернувшись из путешествия, он тут же написал статью под заглавием «О
количественном и качественном определении сил», которую направил 16 июня 1841
г. в журнал «Анналы...» Поггендорфу. Тот не напечатал статью и не вернул ее
автору, она пролежала в его письменном столе 36 лет, где и была обнаружена
после смерти Поггендорфа.
Поггендорф имел определенные основания отнестись сурово к работе Майера.
Великая идея в ней выступает еще в неясной форме, статья содержит туманные и
даже ошибочные утверждения. Вместе с тем в ней имеются гениальные
высказывания, которые свидетельствуют о ясном понимании Майером величия сделанного им
открытия. Она начинается с общего утверждения, что «мы можем вывести все
явления из некоторой первичной силы, действующей в направлении уничтожения
существующих разностей и объединения всего сущего в однородную массу в одной
математической точке». По Майеру, следовательно, все движения и изменения в
мире порождаются «разностями», вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти
разности. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожаемы и
восстанавливают разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные
силы количественно неизменны, подобно веществам, логически обеспечивает нам
продолжение существования разностей, а значит, и материального мира».
Эта формулировка, предложенная Майером, легко уязвима для критики. Не
определено точно понятие «разность», неясно, что понимается под термином «сила».
Это предчувствие закона, а не самый еще закон. Но из дальнейшего изложения
понятно, что под силой он понимает причину движения, которое измеряется
произведением массы на скорость. Но причины измеряются произведенным действием,
следовательно, «это произведение МС точно выражает также самую силу V; мы
положим V = МС». Ошибка Майера, перепутавшего количество движения с «силой»,
под которой он в дальнейшем понимает «энергию движения», очевидна. Но
замечательно, что, рассматривая соударение двух тел равной массы, движущихся
навстречу друг другу с равными скоростями, Майер описывает исчезновение
механического движения оператором 0 («нуль») и считает, что движение 2АС (А - масса
тел, С - скорость) при абсолютно неупругом ударе не исчезло, а превратилось в
другую форму, которую он обозначает символом 02АС, а несколько позднее 02МС.
Майер считает, что этой формой движения является теплота, и пишет.
«Нейтрализованное движение 02МС, поскольку движение не происходит действительно в
противоположных направлениях, служит выражением для теплоты.
Движение, теплота, и как мы намерены показать в дальнейшем, электричество
представляют собою явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые
измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».
Это вполне определенная и ясная формулировка закона сохранения и
превращения силы, т.е. энергии. В первой половине цитаты Майер говорит о конкретном
случае применения закона при неупругом ударе («поскольку движения не
происходят действительно в противоположных направлениях»), исчезнувшее механическое
движение переходит в тепло. То, о чем думали еще Декарт и особенно Ломоносов,
высказано теперь Майером со всей категоричностью: «... Образовавшаяся теплота,
- пишет он, - пропорциональна исчезнувшему движению». Однако в этой
незаконченной работе Майер не дает количественной оценки механического эквивалента
теплоты. Такая оценка появилась в следующей работе Майера - «Замечания о
силах неживой природы», опубликованной в «Annalen der chemie und Pharmazie» за
1842 г.
Здесь Майер ставит своей задачей уточнить понятие «силы» и найти
соотношение между ними. Поскольку, по мнению Майера, силы являются причинами, к ним
применимо общефилософское положение: «... causa aequat effectum (причина равна
действию)». Так как в цепи причин и действий ни один член не может стать
нулем, то силы неразрушимы. Вместе с тем различные причины являются проявлением
одной и той же сущности. «...Причины, - говорит Майер, - суть (количественно)
неразрушимые и (качественно) способные к превращениям объекты». По Майеру, в
природе существуют два вида причин: материальные и силы. «Силы суть,
следовательно: неразрушимые, способные к превращениям, невесомые объекты».
К таким объектам относится «...пространственная разность весомых объектов»,
т.е. то, что теперь мы называем потенциальной энергией тяжелого тела в поле
тяжести. Майер подчеркивает, что для этой силы, которую он называет силой
падения, поднятие не менее необходимо, чем тяжесть тела, и падение тел нельзя
приписывать только действию тяжести. Исчезновение силы падения сопровождается
появлением живой силы, которую Майер измеряет произведением массы на квадрат
скорости. Закон сохранения живых сил в механике основан, по Майеру, «на общем
законе неразрушимости причин».
Однако в «бесконечном числе случаев» сила падения не превращается в
движение или поднятие груза, и Майер ставит вопрос: «Какую дальнейшую форму
способна принять сила, которую мы познали как силу падения или движения?». Ответ
на этот вопрос дает опыт, который показывает, что при трении получается
теплота . «... Для исчезающего движения, - говорит Майер, - во многих случаях...
не может быть найдено никакого другого действия, кроме тепла, а для
возникшего тепла - никакой другой причины, кроме движения...». Майер иллюстрирует эту
мысль весьма современным для его эпохи примером локомотива: «Локомотив с его
поездом может быть сравнен с перегонным аппаратом: тепло, разведенное под
котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колес в
качестве тепла».
Народившаяся теплотехника, подсказавшая Карно тему его замечательного
сочинения, подсказала и творцам закона сохранения и превращения энергии их
великую идею. Образ локомотива, появившийся в первой печатной работе Майера,
наглядно подтверждает это.
Далее, Майер ставит вопрос о том, «как велико соответствующее определенному
количеству силы падения или движения количество тепла», т.е. ставит вопрос о
термическом эквиваленте работы. Используя соотношение между теплоемкостями
газов при постоянном давлении и постоянном объеме, он приходит к выводу, «что
опусканию единицы веса с высоты около 365 м соответствует нагревание равного
веса воды от 0 до 1°». Таким образом, Майер указал совершенно правильный
метод определения механического эквивалента теплоты и правильно оценил его
порядок (так же как и Карно) . История науки отметила эту заслугу Майера,
присвоив уравнению7 Ср - Cv = R название «уравнение Майера».
Особенно замечательно, что Майер из своего результата сделал совершенно
правильный вывод о несовершенстве паровых машин. «Если с этим результатом, -
пишет он, - сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то увидим,
что лишь очень малая часть разводимого под котлом тепла действительно
превращается в движение или поднятие груза...». И здесь Майер высказывает
замечательный прогноз о необходимости искать «более выгодный путь получения
движения иным способом, чем посредством использования химической разности между С
и 0, а именно - посредством превращения в движение электричества, полученного
химическим путем».
Современные электровозы, сменившие локомотивы, подтвердили правоту Майера.
Но задача замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и тракторах
электромоторами, питающимися удобными и экономичными химическими источниками,
остается еще не решенной. Можно, подводя итоги, сказать, что, несмотря на
двусмысленность термина «силы», неверную меру живой силы (вместо), эта работа
Майера по праву считается основополагающей в истории закона сохранения и
превращения энергии. Особенно важна идея Майера о качественном превращении сил
(энергии) при их количественном сохранении. Майер подробно анализирует
всевозможные формы превращения энергии в брошюре «Органическое движение в его
связи с обменом вещества», вышедшей в Гейльбронне в 1845 г. Майер сначала
думал опубликовать свою статью в тех же «Анналах химии и фармации», в которых
была опубликована статья 1842 г., но редактор Либих, сославшись на перегрузку
журнала химическими статьями, посоветовал переслать статью в «Анналы» Погген-
дорфа. Майер, понимая, что Поггендорф поступит с ней так же, как со статьей
где R — универсальная газовая постоянная, Ср — молярная теплоёмкость при
постоянном давлении, Cv — молярная теплоёмкость при постоянном объёме.
1841 г., решил опубликовать статью брошюрой за свой счет.
Таким образом, первая статья Майера не была опубликована вообще, вторая
увидела свет в не читаемом физиками химическом журнале, третья - в частной
брошюре. Вполне понятно, что открытие Майера не дошло до физиков, и закон
сохранения открывали независимо от него и другими путями другие авторы, прежде
всего Джоуль и Гельмгольц. Закономерно также, что Майер оказался втянутым в
тягостно отразившийся на нем спор о приоритете.
Вернемся к брошюре Майера. Она начинается с указания, что математика
получила широкое применение в технике и естествознании, «являясь прочной осью
естественнонаучного исследования». Однако в биологии ее влияние незначительно,
«между математической физикой и физиологией живо чувствуется пропасть».
Задача сочинения Майера - «установить метод, посредством которого оказалось бы
возможным сблизить эти обе науки...»
Опять-таки можно поражаться прозорливости Майера и его смелости в выборе
цели. Только в наши дни благодаря введению кибернетических методов началось
сближение биологии, математики и техники, о котором думал Майер.
Задавшись целью применить идеи механики в физиологии, Майер начинает с
выяснения понятия силы. И здесь он вновь повторяет мысль о невозможности
возникновения движения из ничего «Ex nihilo nil fit» («из ничего нечто не
бывает8») , сила - причина движения, а причина движения является неразрушимым
объектом. «Количественная неизменность данного есть верховный закон природы,
распространяющийся равным образом, как на силу, так и на материю», -
провозглашает Майер. Эта формулировка поразительно напоминает формулировку
«всеобщего закона» Ломоносова, распространяемого им «и на самые правила движения».
Заметим, что выдвижение Ломоносовым и Майером всеобщего закона сохранения в
качестве «верховного закона природы» принято современной наукой, которая
формулирует многочисленные конкретные законы сохранения в качестве основной
опоры научного исследования.
Майер считает закон сохранения вещества прерогативой химии, закон
сохранения силы - прерогативой физики. «То, что химия выполняет в отношении
вещества , осуществляется физикой в отношении силы», - пишет Майер. Он говорит, что
единственная задача физики - изучение силы в ее различных формах,
исследование условий ее превращения. Таким образом, если химия, по Майеру, является
наукой о превращении вещества, то физика является наукой о превращении силы,
т.е. энергии.
В своей брошюре Майер перечисляет различные формы силы. Это, во-первых,
«живая сила движения», т.е. кинетическая энергия движущихся масс. На второе
место Майер ставит «силу падения», т.е. потенциальную энергию поднятого
груза. «Величина силы падения измеряется произведением веса на данную высоту;
величина движения - произведением движущейся массы на квадрат его скорости.
Обе силы объединены также общим названием: «механический эффект».
Майер упорно опускает коэффициент 1/2 в выражении кинетической энергии, но
он правильно объединяет потенциальную и кинетическую энергию как две формы
механической энергии (механического эффекта) .
Упомянув об исторической задаче человека: использовать для получения
движения силы природы, - Майер характеризует современную ему техническую практику
следующими словами: «Новому времени выпало на долю к силам старого мира -
движущемуся воздуху и падающей воде - присоединить еще одну новую силу. Этой
новой силой, на действия которой с удивлением смотрят люди нашего столетия,
является тепло». И далее Майер утверждает: «Тепло есть сила: оно может быть
превращено в механический эффект». На современном языке это утверждение
Майера гласит: тепло есть энергия, оно может совершить механическую работу. Он
Более точный первод: «Из ничего получается ничего».
подсчитывает работу локомотива, тянущего состав, и утверждает: «Действующая в
локомотиве сила есть тепло».
Майер подробно подсчитывает механический эквивалент теплоты из разности те-
плоемкостей газа (этот подсчет нередко воспроизводится в школьных учебниках
физики) и находит его, опираясь на измерения Делароша и Берара, а также Дю-
лонга, определивших отношение теплоемкостей для воздуха равным9 367
кгс'м/ккал.
Майер приводит данные по теплотворной способности углерода и обращает
внимание на низкий коэффициент полезного действия тепловых машин, максимальное
значение которого в современных ему машинах составляло 5-6%, а в локомотивах
не достигало и одного процента.
Затем Майер переходит к электричеству. Он рассматривает электризацию
трением, действие электрофора и указывает, что здесь «механический эффект
превращается в электричество». Бегло остановившись на магнетизме, он делает вывод:
затрата механического эффекта вызывает как электрическое, так и магнетическое
напряжение. Здесь в анализе Майера недостает той законченности и ясности,
какая обнаруживается у него при анализе взаимоотношения теплоты и механического
движения. Электричество и магнетизм еще не были изучены столь подробно, как
теплота, электрические измерения носили качественный характер, основные
понятия не были четко разработаны. Нужно удивляться гениальной интуиции Майера,
понявшего, что эти процессы подчиняются закону сохранения энергии.
В заключение своего анализа Майер останавливается на «химической силе».
Интересно, что вопрос о химической энергии у него сочетается с вопросом об
энергетике солнечной системы. Он указывает, что поток солнечной энергии
(силы) , являющийся и на нашу Землю, «есть та непрестанно заводящаяся пружина,
которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле
деятельностей». Майер набрасывает картину того механизма, который
обеспечивает жизнь на Земле, круговорот воды и воздуха под действием солнечных лучей и
аккумулирования солнечной энергии для жизненных процессов.
«Природа, - пишет Майер, - поставила перед собой задачу поймать на лету
льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в
неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору
организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы
порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими
организмами являются растения».
Так Майер раскрыл космическую роль растений и выдвинул перед наукой
проблему фотосинтеза. Недаром строки его книги, посвященные анализу превращений
солнечной энергии в живых организмах, вдохновили великого русского ученого
К.А. Тимирязева, и он предпослал своей книге «Солнце, жизнь и хлорофилл»
эпиграф из этой статьи Майера. Тимирязев подчеркивал в этой книге, что
«рассматриваемый с точки зрения Майера процесс усвоения углерода приобретает новый и
еще более широкий интерес».
Майер закончил развитие своих идей к 1848 г., когда в брошюре «Динамика
неба в популярном изложении» он поставил и сделал попытку решить важнейшую
проблему об источнике солнечной энергии. Майер понял, что химическая энергия
недостаточна для восполнения огромных расходов энергии Солнца. Но из других
источников энергии в его время была известна только механическая энергия. И
Майер сделал вывод, что теплота Солнца восполняется бомбардировкой его
метеоритами, падающими на него со всех сторон непрерывно из окружающего
пространства. В работе 1851 г. «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер
излагает сжато и популярно свои идеи о сохранении и превращении силы. Здесь
он впервые защищает свой приоритет. Он признает, что открытие сделано им слу-
1 кгсм - употреблявшаяся ранее единица работы. Она равна 9,8 Дж.
чайно (наблюдение на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь
защищать свое право приоритета». Он ссылается на свою статью 1842 г.,
цитирует» ее, приводит значение механического эквивалента теплоты, разъясняет свои
взгляды на силу, которую он рассматривает как то, что позднее назвали
энергией. Майер указывает далее, что закон сохранения энергии, «а также численное
выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно
опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и
признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» закон сохранения и
превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле
дальнейшего обоснования и развития этого закона». Но Майер не склонен
уступать свое право на приоритет и указывает, что из самих его работ видно, что
он не гонится за эффектом. Это, однако, не означает отказа от прав на свою
собственность.
Спокойный и достойный тон его заявлений о приоритете маскирует ту глубокую
душевную травму, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и
«невежеством окружающей среды», по словам К.А. Тимирязева. Достаточно
сказать, что в 1850 г. он пытался покончить жизнь самоубийством, выбросившись из
окна, и остался на всю жизнь хромым. Его травили в газетах, обвиняли
скромного и честного ученого в мании величия, подвергли принудительному «лечению» в
психиатрической больнице. С негодованием писал К.А. Тимирязев о тех, кто
преследовал Майера и искалечил его жизнь «за то только, что он был гениальным
ученым в среде окружающей его жалкой посредственности».
Майер умер 20 марта 1878 г. Незадолго до смерти, в 1874 г. вышло собрание
его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика
тепла». В 1876 г. вышли его последние сочинения «О торричеллиевой пустоте» и
«Об освобождении сил».
Джоуль
Широкое, философское понимание закона сохранения
энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и
космос смущали физиков и рассматривались ими как
метафизические размышления. Но проводимые одновременно и
независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под
обобщения Майера прочную экспериментальную основу.
Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар,
владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря
1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и
конструированием электрических приборов, которые
описывал систематически в небольшом специальном журнале. В
октябре 1841 г. он опубликовал в «Philosophical
Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока,
в которой установил, что количество теплоты, выделяемое
током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.
Задолго до Джоуля аналогичные исследования были начаты петербургским
академиком Э.Х. Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г. под заглавием «О
законах выделения тепла гальваническим током». Ленц упоминает о работе
Джоуля , публикация которого опередила публикацию Ленца, но считает, что, хотя
его результаты в «основном совпадают с результатами Джоуля», они свободны от
тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля.
Ленц тщательно продумал и разработал методику эксперимента, испытал и
проверил тангенс-гальванометр, служивший у него измерителем тока, определил
применяемую им единицу сопротивления (напомним, что закон Ома к этому времени
еще не вошел во всеобщее употребление), а также единицы тока и электродвижу-
щей силы, выразив последнюю через единицы тока и сопротивления.
Ленц тщательно изучил поведение сопротивлений, в частности исследовал
вопросе существовании так называемого «переходного сопротивления» при переходе
из твердого тела в жидкость. Это понятие вводилось некоторыми физиками в
эпоху, когда закон Ома еще не был общепризнанным. Затем он перешел к основному
эксперименту, результаты которого сформулировал в следующих двух положениях:
1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению
проволоки.
2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату
служащего для нагревания тока.
Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона,
вошедшего в науку под названием закона Джоуля-Ленца.
Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током
исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и
работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в
проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими
превращениями в батарее, т.е. стал прозревать энергетический смысл закона.
Чтобы выяснить далее вопрос о происхождении «джоулева тепла» (как теперь
называется теплота, выделяемая электрическим током), он стал исследовать
теплоту, выделяемую индуцированным током. В работе «О тепловом эффекте магнито-
электричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании
Британской Ассоциации в августе 1843 г. , Джоуль сформулировал вывод, что теплоту
можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество
(электромагнитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы
индукционного тока.
Вращая электромагнит индукционной машины с помощью падающего груза, Джоуль
определил соотношение между работой падающего груза и теплотой, выделяемой в
цепи. Он нашел в качестве среднего результата из своих измерений, что
«количество тепла, которое в состоянии нагреть один фунт воды на один градус
Фаренгейта, может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии
поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут». Переводя единицы фунт и
фут в килограммы и метры и градус Фаренгейта в градус Цельсия, найдем, что
механический эквивалент тепла, вычисленный Джоулем, равен 4 60 кгс'м/ккал.
Этот вывод приводит Джоуля к другому, более общему выводу, который он
обещает проверить в дальнейших экспериментах: «Могучие силы природы...
неразрушимы, и... во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается
точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота
возникает в результате химических превращений в организме, и что сами
химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из
«падения атомов». Таким образом, в работе 1843 г. Джоуль приходит к тем же
выводам, к которым ранее пришел Майер.
Сообщение Джоуля было встречено собранием Британской Ассоциации с
недоверием. Джоулю не было еще 25 лет, когда он выступил с этими новыми
революционными воззрениями. Однако Джоуль продолжал свои исследования и в 1845 г.
опубликовал работу «Об изменениях температуры, вызванных сгущением и разрежением
воздуха». Как и в работе 1843 г., экспериментальная установка помещалась в
сосуд с водой, служивший калориметром. Установка состояла из нагнетательного
насоса и сосуда с воздухом, подвергающимся сжатию. Воздух сжимался до 22
атмосфер , и измерялась выделяемая при этом теплота.
Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. Он принял меры
для обеспечения постоянства температуры поступающего воздуха, учел поправки
на теплоту, производимую трением, и установил, что механический эквивалент
тепла в этом опыте равен 795 футофунтов на килокалорию (436 кгс'м/ккал) .
Затем Джоуль поместил в сосуд с водой два одинаковых сосуда, соединенные труб-
кой. В одном из сосудов воздух был сжат до 22 атмосфер, а из другого выкачан.
Когда между обоими сосудами устанавливалось сообщение, измеряли температуру
водяного резервуара. Она, как определил Джоуль, оставалась неизменной. Из
этого часто описываемого в курсах термодинамики опыта Джоуль сделал вывод,
что теплота не может быть веществом, она состоит в движении частиц тела. Из
многочисленных опытов по нагреванию воздуха сжатием Джоуль нашел механический
эквивалент теплоты равным 798 футофунтам на килокалорию (438 кгс'м/ккал) .
Схема опыта Джоуля по измерению изменений температуры, вызванных
сгущением и разрежением воздуха.
Во второй работе 1845 г. ив работе 1847 г. Джоуль описывает многочисленные
опыты с перемешиванием воды в калориметре. В 1850 г. он произвел новые
классические опыты, из которых нашел значение механического эквивалента равным
424 кгс'м/ккал.
За опытами Джоуля с большим интересом следил молодой шотландский физик
Вильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Томсон еще в 1848 г. считал, что
«превращение теплоты в механическую энергию, вероятно, невозможно и, безусловно,
еще не открыто». Кажется странным, что современник паровых машин, паровозов и
пароходов говорит о невозможности превращения теплоты в механическую энергию,
но у Томсона, видимо, речь идет о другом. Он пишет: «Такой вывод можно
сделать исходя из всего, что написано на эту тему. Противоположная точка зрения
выдвигается Джоулем из Манчестера, поставившим целый ряд в высшей степени
интересных опытов по выделению теплоты при трении жидкостей; некоторые хорошо
известные явления в области электромагнетизма, по-видимому, в самом деле
указывают на переход механической энергии в тепловую, но опыты, при которых
имело бы место обратное преобразование, им не проводились».
Томсон знал работу Карно, знал, что Карно стоял на точке зрения теплорода.
Ему известно было также, что ни Джоуль, ни кто-либо другой не проводил опытов
по превращению теплоты в работу без остатка. Так намечался подход к будущему
второму началу термодинамики. Тем не менее, Томсон уже тогда глубоко
интересовался работами Джоуля и в пятидесятых годах XIX в. провел совместно с ним
знаменитый эксперимент, приведший к открытию эффекта, носящего имя Джоуля-
Томсона.
Джоуль продолжал свои эксперименты и в 60-х и в 70-х годах. В 1870 г. он
вошел в состав комиссии по определению механического эквивалента теплоты. В
состав этой комиссии входили В. Томсон, Максвелл и другие ученые. Но Джоуль
не ограничился работой экспериментатора. Он решительно встал на точку зрения
кинетической теории теплоты и стал одним из основоположников кинетической
теории газов. Об этой работе Джоуля будет сказано позднее.
Как мы уже говорили, Майер считал Джоуля одним из открывателей закона
сохранения и превращения энергии. Но тогда уже многие претендовали на приоритет
в этом открытии. Датский инженер Людвиг Август Кольдинг доложил в 1843 г. в
Королевском Копенгагенском обществе о результатах своих опытов по определению
отношения между механической работой и теплотой, которое он нашел равным 350.
Майер упоминает о Гольцмане, который в 1845 г. вычислил механический
эквивалент теплоты тем же методом, что и Майер. Можно было бы назвать ряд других
имен, в той или иной мере причастных к великому открытию. Все это лишний раз
доказывает, что время для открытия закона назрело, и что к его открытию
приходили разными путями врачи, инженеры, заводчики. Вопреки воззрениям цеховых
ученых это красноречиво говорит о том, что жизнь и ее запросы являются
основными двигателями научного прогресса.
Джоуль умер 11 октября 1889 г., за пять лет до смерти третьего члена
«триады» Германа Гельмгольца.
Гельмгольц
Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй
половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической
науки.
Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился 31 августа
1821 г. в семье потсдамского учителя гимназии, в городе,
бывшем резиденцией прусских королей, в том самом Потсдаме,
где спустя 124 года после его рождения состоялась
Потсдамская конференция, зафиксировавшая разгром фашистской
Германии .
Гельмгольц получил медицинское образование, и его
диссертация, защищенная им в 1842 г., была посвящена строению
нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач
впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани,
получивших позднее название нейронов.
С 1843 г. начался служебный путь Гельмгольца в качестве потсдамского
военного врача. Эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятия
наукой. В 1845 г. он едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам
на звание врача и здесь усердно занимается в домашней физической лаборатории
Густава Магнуса.
Другим учителем Гельмгольца в Берлине был известный физиолог Иоганн Мюллер.
В журнале Мюллера Гельмгольц опубликовал в 1845 г. работу «О расходовании
вещества при действии мышц». В том же, 1845 г. молодые ученые, группировавшиеся
вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него
вошел и Гельмгольц. С 1845 г. общество, превратившееся в дальнейшем в
Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи
физики» («Fortschritte der Physik»).
Научное развитие Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной
обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе
«Fortschritte der Physik in Jahre 1845», вышедшем в Берлине в 1847 г., был
напечатан обзор, выполненный Гельмгольцем по теории физиологических тепловых
явлений. 23 июля 1847 г он сделал на заседании Берлинского физического
общества доклад «О сохранении силы». Подобно Майеру, Гельмгольц от физиологии
перешел к закону сохранения энергии. Так же, как и у Майера, Поггендорф не при-
нял работу Гельмгольца, и она была опубликована отдельной брошюрой в 1847 г.
На чествовании Гельмгольца по случаю его 70-летия он произнес 2 ноября 1891
г. речь, в которой охарактеризовал свой научный путь. Он указал, что под
влиянием Иоганна Мюллера заинтересовался вопросом о загадочной сущности
жизненной силы. Сам Мюллер в этом вопросе колебался между метафизическим учением
виталистов и естественнонаучным подходом. Размышляя над этой проблемой,
Гельмгольц в последний год студенчества пришел к выводу, что теория жизненной
силы «приписывает всякому живому телу свойства так называемого perpetuum
mobile10». Гельмгольц был знаком с проблемой perpetuum mobile со школьных
лет, а в студенческие годы «в свободные минуты... разыскивал и просматривал
сочинения Даниила Бернулли, Даламбера и других математиков прошлого
столетия». «Таким образом, я, - говорил Гельмгольц, - натолкнулся на вопрос:
«Какие отношения должны существовать между различными силами природы, если
принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» и далее: «Выполняются ли в
действительности все эти отношения?» В моей книжке о сохранении силы я
намеревался только дать критическую оценку и систематику фактов в интересах
физиологов». Гельмгольц рассказывал, что авторитеты в то время не только не
сочли его мысли известными, но, наоборот, «были склонны отвергать
справедливость закона; среди той ревностной борьбы, какую они вели с натурфилософией
Гегеля, и моя работа была сочтена за фантастическое умствование...». Однако в
отличие от Майера Гельмгольц не был одинок, его поддержала научная молодежь,
и, прежде всего, будущий знаменитый физиолог Дюбуа Реймон (1818-1896), и
молодое Берлинское физическое общество. Что же касается отношения к работам
Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и
Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы
Джоуля знал недостаточно.
Обратимся к самой работе Гельмгольца. В отличие от своих предшественников
он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя. Этот принцип
принимал еще Леонардо да Винчи, ученые XVII в. (вспомним, что Стевин
обосновал закон наклонной плоскости невозможностью вечного движения), и, наконец, в
XVIII в. Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечного
двигателя. Гельмгольц считает принцип невозможности вечного двигателя
тождественным принципу, что «все действия в природе можно свести на притягательные
или отталкивательные силы». Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и
неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, ее надо
наделить силами как притягательными, так и отталкивательными. «..Явления
природы, - пишет Гельмгольц, - должны быть сведены к движениям материи с
неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных
взаимоотношений» .
Таким образом, мир, по Гельмгольцу, - это совокупность материальных точек,
взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти
консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой
силы. Принцип Майера «из ничего нечто не бывает» Гельмгольц заменяет более
конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной
комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую силу». Этот
принцип требует, чтобы «количество работы, которое получается, когда тела
системы переходят из начального положения во второе, и количество работы,
которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое,
всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его
скорость».
При этом мерой произведенной работы Гельмгольц считает половину
произведения mv2. «Для лучшего согласования с употребительным в настоящее время спосо-
Вечный двигатель (лат.).
бом измерения силы я предлагаю величину mv2/2 обозначить как количество живой
силы, благодаря чему она будет тождественна по величине с величиной
затраченной работы». Таков важный шаг, сделанный Гельмгольцем, в развитии закона
сохранения энергии. Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит:
«Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием
таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые
направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек
останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают
те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению
к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и
скорости в промежутках между соответствующими моментами». Гельмгольц выражает этот
принцип математически формулой:
я
KmQ7 -%mq7 = -\vdr,
г
где Q и q - скорости в положениях R и г, ср - «величина силы, которая
действует по направлению г и «считается положительной, если имеется притяжение, и
отрицательной, если наблюдается отталкивание...».
Величину, выражаемую интегралом cpdr, Гельмгольц называет «суммой
напряженных сил между расстояниями R и г», и закон сохранения энергии получает
следующую формулировку: «увеличение живой силы точки при ее движении под
влиянием центральной силы равно сумме соответствующих изменению ее расстояния
напряженных сил». Сегодня мы вместо «увеличение живой силы» говорим «приращение
кинетической энергии» и вместо «сумма напряженных сил» - «убыль потенциальной
энергии».
Переходя к системе точек, Гельмгольц устанавливает общее положение: «Всегда
сумма существующих в системе напряженных сил и живых сил постоянна». «В этой
наиболее общей форме, - пишет Гельмгольц, - мы можем наш закон назвать
принципом сохранения силы».
Сформулировав этот принцип, Гельмгольц рассматривает его применения в
различных частных случаях. Он указывает, что сохранение живых сил уже
применялось в таких случаях, как движения, происходящие под влиянием силы всемирного
тяготения, в явлениях передачи движений при посредстве несжимаемых твердых и
жидких тел, в движениях вполне упругих твердых и жидких тел. Останавливаясь,
в частности, на явлениях интерференции волн, распространяющихся в упругой
среде, Гельмгольц показывает, что при интерференции «не имеется никакого
уничтожения живой силы, а лишь только иное распределение ее».
Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии
точечных зарядов, и показывает физическое значение функции, названной Гауссом
потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и
показывает , что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная
запасенной электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является
колебательным процессом и электрические колебания «делаются все меньше и
меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммой
сопротивлений» .
Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Он указывает, что количество
теплоты, выделяемое в металлическом проводнике с сопротивлением w в течение
времени t, «равно, по Ленцу»,
v = I2wt
и показывает, что это соответствует работе электрических сил. Гельмгольц
разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в
термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих
явлений. Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, Гельмгольц, в частности,
дает свой известный вывод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из
исследований Неймана и опираясь на закон Ленца.
В своем сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание
физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не
менее, именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и
общей патологии медицинского факультета Кенигсбергского университета, где он
в 184 9 г. получил должность экстраординарного профессора. Эту должность
Гельмгольц занимал до 1855 г., когда он перешел профессором анатомии и
физиологии в Бонн. В 1858 г. Гельмгольц становится профессором физиологии в Гей-
дельберге. В Гейдельберге Гельмгольц много и успешно занимался физиологией
зрения. Эти исследования существенно обогатили область знания и практическую
медицину. Итогом этих исследований явилась знаменитая «физиологическая
оптика» Гельмгольца, первый выпуск которой вышел в 1856, второй - в 1860, третий
- в 1867 г.
Здесь же, в Гейдельберге, Гельмгольц проводил свои классические
исследования по скорости распространения нервного возбуждения, по акустике. Его книга
«Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики» вышла в
1863 г. Наконец, в Гейдельберге вышли его классические работы по
гидродинамике и основаниям геометрии.
С марта 1871 г. Гельмгольц становится профессором Берлинского университета.
Он создает физический институт, в который приезжали работать физики всего
мира, принимает активное участие в организации Государственного физико-
технического института - центра немецкой метрологии, первым президентом
которого он становится. Умер Гельмгольц 8 сентября 1894 г.
Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к
его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал
его как глубокий всеобъемлющий закон, и раскрывал цепь энергетических
превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял
количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал
закон с исследованиями великих механиков XVIII в.
Идя разными путями, они наряду со многими другими современниками настойчиво
боролись за утверждение и признание закона вопреки противодействию цеховых
ученых. Борьба была нелегкой и порой принимала трагический характер, но она
окончилась полной победой. Наука получила в свое распоряжение великий закон
сохранения и превращения энергии.
Создание
лабораторий
Вторая половина XIX в. отмечается важными изменениями в организации
подготовки физиков. В это время сначала в Европе, а затем в Америке создаются
физические лаборатории. В некоторых из лабораторий зарождаются научные школы.
В прошлом физик работал в одиночку. Приборы обычно покупались на
собственные деньги или изготовлялись самими учеными. Нередко лабораториями служили
частные комнаты. Опыты по разложению белого света Ньютон проделал в своей
квартире в Кембридже. Вспомним, что физическим прибором ему служила призма,
купленная на собственные деньги. Через сто пятьдесят лет в той же обстановке
Стоке проводил свои оптические исследования. Рихман и Ломоносов исследовали
атмосферное электричество с «громовыми машинами», построенными каждым у себя
на квартире. Франклин для исследования атмосферного электричества соорудил в
своем доме в Филадельфии железный изолированный стержень. Джоуль свои
эксперименты по определению механического эквивалента теплоты проводил дома в
Манчестере .
«Лабораторией Гей-Люссаку служило сырое полуподвальное помещение. Ученый,
предохраняясь от сырости..., работал в деревянных башмаках». Френель в селе
Матье близ Канна, в доме матери, проводил исследования по дифракции с
примитивными приборами и приспособлениями, сделанными для него сельским слесарем.
Фуко экспериментировал в своем доме. Лаборатория Royal Institution, где
работали Дэви, Фарадей и Тиндаль (1820-1893) , открытая в 1803 г. , как вспоминал
Тиндаль, «плохо вентилировалась, плохо освещалась и была совершенно
неподходящей для ежедневной многочасовой работы. Это, вероятно, наихудшая
лаборатория во всем Лондоне». И эта лаборатория оставалась почти 70 лет в
первоначальном состоянии. Конечно, она не служила целям обучения экспериментальному
искусству, вся аппаратура, которая в ней была, служила в основном целям
исследователей-одиночек или только лекционным целям. Здесь Фарадей в своих
исследованиях обходился мотками проволок, кусками железа, магнитными стрелками.
Причем все эти люди, подобно Максвеллу и Кельвину, не проходили какого-либо
курса обучения практической физике. Его просто тогда не было. В тогдашних
университетах преподавание велось в классическом духе, основное внимание
уделялось гуманитарным и математическим наукам, физике отводилось мало места.
Так, в Кембриджском университете до 70-х годов из физики читались только
оптика, гидростатика, механика. Трипос (экзамен для соискателей ученой степени)
включал в себя в основном математические науки.
В Германии до 40-х годов XIX столетия делалось существенное различие между
учреждением для учебных целей и учреждением для научных исследований. Так, в
протоколе Тайного Совета от 22 июля 1807 г. правительство разъясняет
университету, что «изобретение в научной области является делом ученых, а не делом
учителей, которые как таковые, подобно судье, должны принимать во внимание не
составление законов, а выполнение данных законов».
Такое же положение было и в университетах России, где считалось, что
главная задача преподавателя - читать лекции, а занятия наукой - вещь
второстепенная и необязательная.
В американских колледжах и университетах обучение сводилось к чтению лекций
и штудированию учебников, а «лекционные демонстрации скорее создавали внешний
блестящий эффект и не служили своим истинным целям».
В середине XIX столетия бурное развитие промышленности, машиностроения,
химической промышленности, металлургии и горного дела, электротехники,
теплотехники, строительство железных дорог, возникновение пароходства и
воздухоплавания - все это стимулировало развитие науки, новых форм ее организации.
Все более усиливалась связь науки и техники.
Так, в решении задач, связанных с прокладкой трансатлантического кабеля
между Европой и Америкой, принимал участие Вильям Томсон. Эта грандиозная
техническая задача была успешно решена в 1866 г. благодаря союзу ученых и
техников .
Вспомним лабораторию Реньо на Севрском фарфоровом заводе, созданную для
исследований, которые были нужны для развития тепловых машин.
В свою очередь техника дает науке все более мощные средства познания тайн
природы. Совершенствование воздушных насосов позволило получить такой вакуум,
что сделало возможным опыты и измерения, которые раньше были неосуществимы.
«При таких давлениях мы можем изучать свойства отдельных молекул, - писал Дж.
Дж. Томсон, - в то время как при более высоких мы можем только изучать их
поведение в плотной толпе...»
К этому времени значительно усложнилась физическая теория и эксперимент.
Новые задачи, стоящие перед физической наукой, требовали для своего решения
все большего числа физиков.
Итак, в новых условиях необходимо было предусмотреть новые формы и темпы
подготовки ученых. Старые образовательные учреждения были не в состоянии
выполнить эту роль, перестройка их была необходима.
И с сороковых годов XIX столетия начинают создаваться физические
лаборатории как новая форма организации коллективных методов исследования в физике.
Лидерство в перевооружении физики заняла Германия, которая с 40-х годов
переживала национальный и культурный подъем. Из феодальной страны Германия
превращалась в капиталистическую империю, разгромившую Австрию и Францию,
сплотившую под эгидой Пруссии княжества раздробленной со времен реформации
страны.
Первая физическая лаборатория была создана в Геттингенском университете В.
Вебером, который был приглашен туда в 1831 г. Гауссом. Вебер привлек
студентов к подготовке лекционных опытов. Наиболее способным он предложил небольшие
физические исследования. Позднее он ввел практические занятия для желающих. В
1837 г. Вебер был вынужден покинуть университет, протестуя в числе других
профессоров университета против нарушения королем Эрнстом-Августом
Ганноверской конституции. Руководство физическим отделом университета было передано
Листингу. При нем научная и педагогическая деятельность заметно упала, но
зато произошло некоторое увеличение площади, занятой под физический отдел. В
184 9 г. Вебер возвратился в Геттинген, где вновь начался подъем научно-
педагогической деятельности физического отдела университета.
При Вебере происходит деление физического отдела на кафедры
экспериментальной и теоретической физики. Первой заведовал Вебер, второй - Листинг. Цели и
задачи обеих кафедр были одинаковы, разница заключалась лишь в том, что Вебер
читал экспериментальную физику, а Листинг - теоретическую.
Помещения физического отдела университета были тогда очень малы. В
лаборатории Вебер проводил работы в области геомагнетизма и гальванизма,
электрических колебаний, совместно с Рудольфом Кольраушем (1809-1858) он определил
отношение электростатических и магнитных единиц. В лаборатории Вебера работали
ученые из различных стран мира. Здесь работал наш замечательный физик А.Г.
Столетов, английский ученый Артур Шустер (1851-1934) и др.
Новый поворот в развитии физического отдела Геттингена был связан с
приходом в него в качестве экстраординарного профессора физики сына Рудольфа Коль-
рауша - Фридриха Кольрауша (1840-1910), ученика Вебера. Ему было поручено
устройство физического практикума и руководство им. Свой богатый опыт
педагогической деятельности в Геттингене Кольрауш обобщил в книге, ставшей всемирно
известным первым пособием по практической физике.
Итак, в Геттингенском университете Вебером была создана одна из первых
физических лабораторий, в которой в основном проводились исследования в области
электромагнетизма. Вскоре маленькая лаборатория была расширена и превратилась
в физический институт. Здесь появился первый учебник по практической физике,
с выходом которого практические занятия по физике начали распространяться по
всем университетам и политехническим институтам мира. Впоследствии физический
институт так разросся, что дал начало пяти новым подотделам института, в
которых работали многие известные ученые, такие, как Нернст (1864-1941), Вихерт
(1861-1928), Клейн (1849-1925), Рикке (1845-1915) и др., было подготовлено
много ученых не только из Германии, но и из других стран мира.
В 40-х годах в Берлине университетский профессор Генрих Густав Магнус
оборудовал несколько комнат в своем доме под физическую лабораторию и принимал
студентов для работы в ней. Университет оплачивал расходы по содержанию
лаборатории .
Лаборатория Магнуса была устроена со всеми возможными в частном доме
удобствами. У Магнуса учились молодые исследователи не только из Германии, но и
из Америки, Англии, России: Видеман (1826-1899), Варбург (1846-1931), Тин-
даль, Гиббс, А.Г. Столетов, М.П. Авенариус и др. Тематика исследований у
Магнуса была самой разнообразной. Гельмгольц, например, изучал процессы гниения
и брожения; Кундт исследовал распространение звука в твердых телах. В 1843 г.
Магнус положил начало физическим коллоквиумам.
Ошибочно было бы считать, что лаборатория Магнуса была единственной частной
физической лабораторией при Берлинском университете. Почти каждый профессор
физики Берлинского университета имел в своей квартире лабораторию, где
студенты выполняли практические работы. Так, профессор Эрман (1806-1877) имел в
своей квартире лабораторию, где студенты могли производить магнитные
наблюдения. Лекционный курс профессора Квинке (1834-1924) дополнялся практическими
занятиями, проводившимися у него на дому. Но лаборатория Магнуса имела
наибольшую известность, как в Германии, так и за рубежом.
В лабораторию Магнуса приходило все больше и больше учеников. Многим
приходилась отказывать из-за недостатка помещений. В 1863 г. лабораторию переносят
в здание университета. Она становится не частной, а государственной
лабораторией, достигнув своего расцвета при знаменитом преемнике Магнуса - Гельмголь-
це.
В отличие от Магнуса Ф. Нейман в созданной им в Кенигсберге лаборатории
умело сочетал экспериментальную и теоретическую физику. При создании
лаборатории Нейман столкнулся с немалыми трудностями. Он обращался к официальным
властям с просьбой финансировать физическую лабораторию в дополнение к его
семинару по математической физике. Официальные власти отказали, и в 40-х
годах Нейман организовал лабораторию на собственные средства. Учеников у
Неймана было меньше, чем у Магнуса. Они, прежде чем перейти к экспериментам,
проходили большую теоретическую подготовку по механике и математической физике.
Среди великих его учеников был Густав Роберт Кирхгоф.
Впоследствии Кирхгоф сам становится руководителем физической лаборатории в
Гейдельберге, сменив на этом посту Ф.Г. Жолли (1809-1884).
Жолли создал лабораторию в двух небольших частных комнатах в 184 6 г. В
лаборатории Жолли Кирхгоф и Бунзен провели исследования, приведшие к открытию
спектрального анализа.
В лаборатории Кирхгофа был создан один из лучших курсов экспериментальной
физики, привлекавший учеников из различных стран мира. Этот курс расширил
преемник Кирхгофа Квинке.
В новом Страсбургском университете, основанном в 1872 г. , уже заранее было
предусмотрено строительство физического института. Его директор Кундт создал
очень удобный для обучения и исследования институт, который долго служил
прототипом для многих институтов, аудиторий, лабораторий различных стран. Здесь
под руководством Кундта была подготовлена плеяда тонких экспериментаторов,
таких, как Рентген, Лебедев, Пашен, Рубенс, Винер, Голицын и др.
Вслед За Страсбургским институтом в 1875 г. создаются физические институты
в Лейпциге, Мюнхене, Бонне, Бреслау, Фрайбурге и других городах.
Вскоре каждый немецкий университет обзавелся хорошо оборудованной
физической лабораторией. Создание лабораторий повлекло за собой развитие старых и
основание новых мастерских физических приборов.
В 70-х годах XIX в. Великобритания, ведущая капиталистическая держава мира,
начала терять былое могущество и отставать от своих более молодых соперниц -
Германии и США. Это отставание сказалось и на темпах строительства
лабораторий.
Среди пионеров экспериментального обучения в Великобритании были профессора
В. Томсон (Кельвин), Клифтон, Фостер, Адаме, Б. Стюарт.
В 184 6 г. 22-летний Томсон занял пост профессора натурфилософии в
университете Глазго. Для проведения серии экспериментов по электродинамике он
пригласил себе в помощь нескольких студентов. До 1870 г. лабораторией Томсону и его
студентам служили старые лекционные комнаты и заброшенный винный подвал, а
после переезда университета в новое здание в 1870 г. Томсону были
предоставлены просторные помещения для экспериментальной работы. Мы еще вернемся к ла-
боратории В. Томсона, Гельмгольца и других. А пока продолжим рассказ о
создании физических лабораторий.
В Оксфорде в 1867 г. в небольшой комнате, выделенной университетом,
профессор Клифтон начал обучение экспериментальной физике. В 1872 г. вступила в
строй спланированная Клифтоном Кларендонская лаборатория. Она послужила
прототипом для многих лабораторий мира. Д.К. Максвелл посетил ее, когда
планировал Кавендишскую лабораторию в Кембридже.
В октябре 1867 г. профессор К. Фостер в университетском колледже в Лондоне
в небольшой комнате также начал занятия по экспериментальной физике. Он
писал : «Я убежден, что не может быть нормального обучения физике отдельно от
практической работы, студенты должны иметь личное знакомство с явлением до
того, как они смогут с пользой рассуждать о нем». Мысль Фостера об
обязательном практическом обучении для всех студентов была претворена В. Адамсом в
Кинг-колледже.
В 1871 г. в Оуэн-колледже (Манчестер) занятия в физической лаборатории
начали проводиться под руководством Бальфура Стюарта. У него учились искусству
экспериментировать известный английский физик А. Шустер и знаменитый Дж.Дж.
Томсон, открывший электрон. Вначале экспериментальная работа проводилась в
нескольких маленьких комнатах с немногочисленной аппаратурой, а с 1898 г.
было выстроено новое здание лаборатории, оборудованное лучшей аппаратурой того
времени.
В Кембридже обучение экспериментальному искусству начало проводиться с 1874
г. в здании знаменитой Кавендишской лаборатории. Она была выстроена на
частные средства и сыграла огромную роль в развитии физики. Достаточно сказать,
что ее руководителями были в разное время Максвелл, Рэлей, Дж.Дж. Томсон, Ре-
зерфорд.
Из всех английских лабораторий систематическое обучение было только в Кинг-
колледже .
С гораздо большим размахом систематическое лабораторное обучение было
введено в 1869 г. в Массачусетском институте технологии в Бостоне профессором
Э.С. Пикерингом. Основателем Массачусетского института технологии был В.Б.
Роджерс. Он признавал важность новых образовательных учреждений в условиях
экономического роста страны, освоения Запада, роста индустрии, транспорта,
сельского хозяйства. Роджерс придавал большое значение обучению в
лабораториях.
При организации лабораторных занятий главной трудностью, с которой
столкнулся Пикеринг, было «дать возможность двадцати или тридцати студентам
одновременно выполнять эксперименты без дублирования аппаратуры и предотвратить
опасность повреждения тонкой аппаратуры». Эти трудности были успешно
преодолены. В США обучение практической физике в технических учебных заведениях
было поставлено лучше, чем в колледжах и университетах. Так, до 1871 г.
Гарвард-колледж не имел приборов для технических измерений. «Большинство
лабораторий в этой стране были выстроены и оборудованы за последние пятнадцать лет»
(имеется в виду примерно 1895-1910 гг. - С. К.), - писал американский историк
науки ф. Кэджори.
Франко-прусская война подорвала экономическое могущество Франции,
уступавшей по объему промышленного производства только Англии. Это не могло не
сказаться и на развитии науки. Мы уже рассказывали об одной из первых
лабораторий во Франции - Севрской лаборатории Реньо для термодинамических
исследований.
Но Реньо во Франции был в особых условиях. Он занимался вопросами
термодинамики, так как промышленность остро нуждалась в более совершенных тепловых
машинах. Этим и объясняется то, что ему были созданы хорошие условия для
исследовательской работы. Вообще же французские ученые выражали неудовольствие
отсутствием лабораторий и средств для проведения исследований.
31 июля 1868 г. французским Министерством образования было выпущено два
декрета, утверждающих необходимость проведения практических занятий и
создания лабораторий для студентов и специальных лабораторий для научных
исследований .
В этом же году профессор Жамен (1818-1886) открыл лабораторию в Сорбонне.
До самой смерти он был главой этой лаборатории. Профессор Адаме, посетивший
Францию в 1868 г., нашел, «что единственной лабораторией, где велось
систематическое обучение практической физике, была лаборатория Жамена в Сорбонне,
где студенты уже занимались определением физических констант и где аппаратура
была только та, которую использовал профессор в собственных исследованиях».
Под руководством Жамена в лаборатории работало несколько русских и румынских
физиков. В 1894 г. она была передана новому «факультету науки» и
реконструирована. Ее директором был назначен Липпман (1845-1921). Лаборатория стала
знаменитой благодаря его исследованиям, приведшим к открытию цветной
фотографии.
И все же, несмотря на то, что Франция вслед За Германией и Англией начала
обучение экспериментальной физике, она в значительной мере отставала в этом
деле от передовых стран. Лабораторий во Франции было мало, средства,
отпускавшиеся на нужды экспериментальных исследований, были очень скудны,
действующие лаборатории были так переполнены, что там не оставалось места для
исследовательской работы, физическую науку во Франции развивали лишь гениальные
исследователи-одиночки.
Так, Де Метц, посетивший многие лаборатории Европы и работавший в Сорбонне
в 1886 г., писал: «...между инструментами и приспособлениями физических
лабораторий Сорбонны я ничего не видел нового, в особенности интересного, если не
считать абсолютного электрометра Пеллата... Такое явление обусловливается
скудностью отпускаемых сумм... Общее впечатление, произведенное на меня
физическими лабораториями Сорбонны, было не в пользу последней. Ничего крупного,
ничего выдающегося!.. В современном своем состоянии физические лаборатории
при Сорбонне не могут быть поставлены наряду с лучшими учреждениями этого
рода в Европе».
Мария Склодовская-Кюри, учившаяся в Сорбонне с 1891 г., прошла курс
практического обучения по физике, но первое свое исследование по определению
магнитных свойств металлов она не смогла провести в перегруженных лабораториях
Сорбонны.
СИ. Вавилов писал о положении науки во Франции в период французской
революции: «Музей и Политехническая школа больше не подготовляют ученых будущего,
как они это делали раньше, научное исследование в загоне и находится в
вопиющих материальных условиях. За 30 лет Германия покрылась сетью богатых
лабораторий, и каждый день появляются новые. А Франция? Франция еще не взялась за
дело. У нее отсутствует предусмотрительность. Она покоится в тени своих
старых трофеев».
Отмена крепостного права разорвала путы, сковывающие развитие капитализма в
России. После падения крепостного права темпы развития промышленности в
России начинают возрастать. И все же экономическая отсталость России сказалась и
на отставании ее в деле создания физических лабораторий.
Для русских физиков местом деятельности служили физические кабинеты. Здесь
хранилась аппаратура, которую применяли на лекционных демонстрациях, и
проводились единичные экспериментальные исследования. В России были ученые,
понимавшие важность практического обучения. Так, В.В. Петров в 1795 г.
организовал первый физический кабинет при Meдико-хирургической академии. Его желание
организовать научно-исследовательскую работу для студентов, превратить
кабинет в лабораторию не осуществилось.
Э.Х. Ленц в 40-х годах XIX в. пытался преобразовать физический кабинет
Академии наук в физическую лабораторию, привлекая молодых исследователей для
работы в нем. Но учеников у Ленца было немного, кроме того, после смерти Ленца
исследовательская деятельность в физическом кабинете Академии наук затухла.
Но дело, начатое Ленцем, не пропало бесследно. Его ученики, продолжая
традиции своего учителя, организовывали физические лаборатории в различных высших
учебных заведениях.
Первая лаборатория в России создается при Петербургском университете Ф. Ф.
Петрушевским (1828-1904) в 1865 г.
В первые пять лет число работающих в ней не превышало десяти человек; в
1870 их было 18, в 1875 - уже 76, а в 1878 - 115. Надо отметить, что введение
Петрушевским лабораторного практикума в университете шло в одно время с
введением подобного практикума за границей.
Лаборатория испытывала большие трудности из-за недостатка помещения,
приборов и средств, отпускаемых на ее нужды.
Петрушевский и его ученик И.И. Боргман (1849-1914) боролись за создание
физической лаборатории, отвечающей современным требованиям. Благодаря их
хлопотам средства на постройку нового здания физического института были отпущены,
и 9 сентября 1901 г. физический институт был открыт.
В новом помещении появилась возможность значительно расширить физический
практикум и также проводить многочисленные физические исследования.
В лаборатории Петрушевского было подготовлено много известных русских
ученых и педагогов. Учениками Петрушевского были А.С. Попов, И.И. Боргман, Н.Г.
Егоров (1849-1919), В.К. Лебединский (1868-1937), Н.П. Слугинов (1854-1897) и
ряд других замечательных русских и советских физиков. Ученики лаборатории
распространили практические занятия по физике в большей части России.
В 1867 г. Д.А. Лачинов (1842-1902) создает физическую лабораторию в
Петербургском земледельческом институте. В 70-х годах М.П. Авенариус
организовывает физическую лабораторию в Киевском университете, а А.Г. Столетов - в
Московском университете. В лаборатории Московского университета был выполнен ряд
замечательных работ, сыгравших большую роль в развитии физики, и подготовлено
много способных учеников, занявших впоследствии посты заведующих кафедрами
физики многих университетов России (Р.А. Колли, Н.Н. Шиллер, П.А. Зилов, Н.П.
Кастерин, Д.А. Гольдгаммер, В.А Михельсон).
Столетов провел в своей лаборатории актиноэлектрические11 исследования,
принесшие ему мировую славу. Он привлек в лабораторию П.Н. Лебедева,
впоследствии создавшего замечательную школу русских физиков, прославившего родную
науку исследованиями светового давления.
После смерти Столетова заведующим физическим кабинетом был избран Н.А.
Умов. Понимая важность создания физического института - не воплощенной при
жизни мечты Столетова, Умов прилагает много энергии для претворения ее в
жизнь. Над созданием проекта института работала комиссия во главе с Умовым, в
которую входили П.Н. Лебедев и А.П. Соколов. Институт был выстроен в 1903 г.
Именно в стенах этого института достигла своего расцвета школа физики П.Н.
Лебедева.
Итак, одновременно с лабораториями за границей в России появились
физические лаборатории в Петербургском и Московском университетах. Но экономическая
отсталость России, реакционность правительства мешали развитию лабораторий.
Мизерность отпускаемых на нужды лабораторий средств, недооценка важности
научных исследований вынуждали руководителей физических лабораторий вести
постоянную борьбу за каждую комнату для экспериментальной работы, за каждый
Актиноэлектричество (греч.) - возбуждаемое на кристаллах солнечными лучами или
газовым светом.
прибор, за каждого ученика, что отнимало много времени и сил.
И все же в таких условиях передовые русские физики Ф.Ф. Петрушевский, Д.А.
Лачинов, М.П. Авенариус, Н.А. Умов, А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев обогатили не
только русскую науку, но и внесли фундаментальный вклад в развитие физики.
Второе начало
термодинамики
Прогресс теплотехники не только стимулировал открытие закона сохранения и
превращения энергии, но и двинул вперед теоретическое изучение тепловых
явлений. Уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика теории теплоты,
разрабатывались математические методы. Ведущую роль в основании теории
тепловых явлений сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и другие ученые.
Клаузиус
Рудольф Клаузиус родился 2 января 1822 г. в г. Кёслине. По
окончании университетского курса в Берлине он был
преподавателем в Артиллерийской школе. С 1855 г. он стал профессором в
Высшей политехнической школе в Цюрихе, а затем в Цюрихском
университете. С 1869 г. он переехал в Бонн, где и умер 24
августа 1888 г.
Статьи Клаузиуса по механической теории теплоты были изданы
в 1867 г. В 1879-1891 гг. вышло второе, переработанное и
дополненное, издание этой книги под заглавием «Die mechanische
Warmetheorie» в трех томах. Второй том книги был посвящен механической теории
электричества, третий - кинетической теории газов.
Первая статья Клаузиуса «О движущей силе теплоты» появилась в 1850 г. В ней
он разбирает работу Карно (вслед за В. Томсоном) и, отказываясь от его
концепции неуничтожаемости теплоты, считает, что надо сохранить основную часть
его положения в виде нового принципа - второго начала, который Клаузиус
формулирует следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более
холодного тела к более теплому». Клаузиус неоднократно в своих статьях
разъяснял смысл выражения «сама собой». «Появляющиеся слова «сама собой», - писал
он в «Статьях по механической теории тепла», - требуют, чтобы быть вполне
понятными, еще объяснения, которое дано мною в различных местах моих работ».
Теплота в ряде процессов может перейти от холодного тела к теплому, но «тогда
одновременно с этим переходом от более холодного к более теплому телу должен
иметь место и противоположный переход теплоты от более теплого к более
холодному, либо должно произойти какое-либо другое изменение, обладающее той
особенностью, что оно не может быть обращено без того, чтобы не вызвать со своей
стороны, посредственно или непосредственно, такой противоположный переход
теплоты». Клаузиус указывает, что такой противоположный процесс должен
рассматриваться «как компенсация перехода теплоты от более холодного тела к более
теплому», и дает новую формулировку принципа: «Переход теплоты от более
холодного тела к более теплому не может иметь место без компенсации».
«Это предположение, выставленное мною в качестве принципа, - пишет Клаузиус
в своем обобщающем труде, - встретило много возражений, и мне пришлось его
неоднократно защищать». В борьбе за утверждение нового принципа большую роль
сыграл английский физик Вильям Томсон.
Томсон
Вильям Томсон родился 26 июня 1824 г. в Белфасте в семье преподавателя ма-
fe"V
тематики. Когда Вильяму было восемь лет, семья
переехала в Глазго, который стал впоследствии местом
жизни и труда знаменитого физика. Одаренный мальчик
уже в десятилетнем возрасте стал студентом Глазгов-
ского университета. Вскоре юный студент опубликовал
свою первую работу по теории теплопроводности.
Двадцати двух лет Томсон становится профессором в Глазго
и занимает кафедру до 1899 г., в течение пятидесяти
трех лет.
Заняв пост профессора натурфилософии университета и
ознакомившись с положением дел на кафедре, Томсон
нашел его неудовлетворительным. Старомодная аппаратура,
большая часть которой столетней давности, остальная -
пятидесятилетней. Такими приборами пользовались для лекционной демонстрации.
«...Здесь абсолютно не было обеспечено какого-либо рода экспериментальных
исследований и совсем не было идей даже для какой-нибудь студенческой
практической работы».
Вскоре Томсон в Глазго предпринял серию экспериментов по
электродинамическим свойствам материи. В помощь себе он пригласил нескольких студентов.
Приглашенные добровольцы с энтузиазмом принялись за работу. Другие студенты,
узнав , что их товарищи предприняли экспериментальные исследования, захотели
участвовать в этом.
«Я не мог дать им всем работу, в особенности в исследовании, с которого я
начал, - «Электрическая конвекция тепла», - вспоминает В. Томсон, - но я
делал все, что в моих силах, чтобы найти им работу по смежным темам -
электродинамические свойства металлов, модуль упругости металлов, атмосферное
электричество» .
Вначале администрация университета предоставила исследователям старые
лекционные комнаты и препараторские, примыкающие к ним. Но для добровольцев,
число которых на первых порах колебалось от пяти до двадцати, этого было явно
мало, и пришлось отвести под лабораторию еще и старый заброшенный винный
подвал и часть старого профессорского дома, другая часть которого служила
лекционными аудиториями. Через несколько лет в университете Глазго был упразднен
один экзамен, и комната, предназначенная для него, перешла в распоряжение В.
Томсона. Вот такие комнаты служили В. Томсону физическими лабораториями до
1870 г.
Поражает энтузиазм, с которым работали студенты у В. Томсона. Как он
вспоминал, некоторые студенты так усердно работали, что ему приходилось
вмешиваться, беспокоясь об их здоровье. Обучение в лаборатории было совершенно
новым делом. Студенты, тогда посещавшие кафедру натурфилософии, готовились
стать юристами, медиками, но в основном духовными лицами. Натурфилософия для
них была одним из предметов для получения степени, но это был теоретический
экзамен, и никаких практических знаний он не требовал.
«Студенты, - замечает В. Томсон, - вначале приходили в лабораторию в
надежде приятно провести время... и они не были разочарованы». Вскоре лаборатория
стала пополняться приборами, выписанными не только из-за границы, но и
сделанными университетской фирмой «Джеймс Уайт». Дж. Уайт, основатель фирмы,
начал дело в Глазго в 184 9 г. Все приборы, изобретенные самим В. Томсоном,
изготовлялись этой фирмой.
В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были
предусмотрены просторные помещения для исследований.
Кафедра и дом Томсона первыми в Британии освещались электричеством. Между
университетом и мастерскими Уайта действовала первая в стране телефонная
линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу ставшую
филиалом кельвинской12 лаборатории. В. Томсон часто заходил в мастерские и
обсуждал с Уайтом конструкцию будущего прибора. Вообще Томсон был очень
привязан к своему университету в Глазго. Ему предлагали более высокие посты,
такие, как главы Кавендишской лаборатории, ректора Эдинбургского университета,
но он отказывался. В. Томсон старался не терять связь с лабораторией, где бы
он ни был, «почтой и телеграфом он постоянно был связан с ней, получая
результаты исследований и продолжая руководить лабораторией и на расстоянии».
В. Томсон обладал большим педагогическим талантом. Он прекрасно сочетал
теоретическое и практическое обучение. Пять дней в неделю он читал по две
лекции: одну - по физике, другую - по математической физике.
Лекции по физике сопровождались демонстрациями. К проведению демонстраций
Томсон привлекал студентов. Такие лекции и обилие демонстраций,
сопровождавших их, стимулировали интерес слушателей.
В. Томсон был сторонником экспериментального обучения для всех студентов
университета. Три четверти его студентов становились теологами. Как говорил
Томсон, «они определенно учились терпению и настойчивости, если не большой
науке». Из лаборатории выходили и такие, которые, став духовными лицами, не
прекратили занятия физической наукой.
Так, Джон Керр (1824-1907) был студентом кафедры натурфилософии, когда туда
двадцатидвухлетним профессором пришел Томсон. Керр был одним из добровольцев
Томсона, помогая ему в сооружении физической лаборатории, и стал его другом
на всю жизнь. Впоследствии Керр стал священником одной из церквей Шотландии,
но интерес к науке не потерял до конца жизни и сменил карьеру священника на
карьеру ученого-педагога. Имя его вошло в историю науки благодаря открытию им
в 1875 г. электрооптического эффекта.
Лабораторией Томсона было сделано много оригинальных научных исследований,
и она сыграла большую роль в физической науке. Соавтор Томсона по «Трактату
по натуральной философии» П. Г. Тэт, профессор Эдинбургского университета,
оборудовавший в 1868 г. схожую лабораторию, писал: «В Глазго, при
обстоятельствах более неблагоприятных, чем те, которые я представляю, студенты сэра В.
Томсона уже несколько лет делают превосходные работы и снабжаются своим
выдающимся учителем экспериментальной основой для более чем одного
замечательного исследования».
В 1892 г. Томсону за его большие научные заслуги был присвоен титул лорда
Кельвина (по имени речки Кельвин, протекающей вблизи университета в г.
Глазго) .
Томсон написал огромное количество работ по экспериментальной и
теоретической физике. Пятидесятилетний юбилей его научной деятельности в 1896 г.
отмечали физики всего мира. В чествовании Томсона участвовали представители
разных стран, в том числе русский физик Н.А. Умов. Томсон умер 17 декабря 1907
г.
Как мы уже говорили, Томсону наряду с Клаузиусом принадлежит заслуга в
обосновании второго закона термодинамики. Мы видели, что еще в 1848 г. он
сомневался в справедливости закона сохранения энергии, так как в тепловых
машинах теплота не полностью переходит в работу (это было показано еще Карно).
Работа Карно подсказала Томсону важную мысль о введении температурной шкалы,
не зависящей от выбора термометрического тела, - абсолютной шкалы температур.
Эта «шкала Кельвина» основана на процессе Карно, который, как известно, носит
абсолютный характер, не зависящий от выбора рабочего вещества и характера
процессов, применяемых в цикле. Введение «шкалы Кельвина» представляет первый
Уильям Томсон — это будущий лорд Кельвин. В Шотландии, так же как и в самой
Англии, научные достижения очень ценились, и за успех на этом поприще можно было
получить аристократический титул (дворянство).
существенный вклад Томсона в термодинамику (1848).
17 марта, 21 апреля и 15 декабря 1851 г. Томсон сделал в Эдинбургском
Королевском обществе доклады, опубликованные в «Трудах» общества за 1851 г. ив
«Philosophical Magazine» за 1852 г. под заглавием «О динамической теории
теплоты» . Эта работа представляет собой изложение новой точки зрения на теплоту,
согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую
форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая
эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот
принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Майера
«Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Джоуля,
исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».
Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух
положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим
образом :
«Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются
каким бы то ни было способом исключительно за счет теплоты или бывают
израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или
приобретаются равные количества теплоты».
Второе положение Томсон формулирует так:
«Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в
противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части
ее движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько
механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества
тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными
источниками тепла и холодильника».
Эта положение Томсон возводит к Карно и Клаузиусу и обосновывает следующей
аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля
получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее
ниже температуры самого холодного из окружающих предметов».
К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго
начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту
аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что
можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения
моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания
всей теплоты суши и моря или, в конце концов, всего материального мира».
Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum
mobile 2-го рода и формулировку Томсона кратко выражать как принцип
невозможности perpetuum mobile 2-го рода. В 1852 г., развивая положения статьи 1851
г., Томсон приходит к следующим выводам:
1. «В материальном мире существует в настоящее время общая тенденция к
расточению механической энергии.
2. Восстановление механической энергии в ее прежнем количестве без
рассеяния ее в более чем эквивалентном количестве не может быть осуществлено
при помощи каких бы то ни было процессов с неодушевленными предметами и,
вероятно, также никогда не осуществляется при помощи организованной
материи, как наделенной растительной жизнью, так и подчиненной воле
одушевленного существа.
3. В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего
момента, Земля находилась, и спустя конечный промежуток времени снова
очутится в состоянии, непригодном для обитания человека; если только в прошлом
не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые
являются неосуществимыми при наличии законов, ныне регулирующих
известные процессы, протекающие ныне в материальном мире».
В этой небольшой заметке, носящей выразительное название «О проявляющейся в
природе общей тенденции к рассеянию механической энергии», Томсон формулирует
знаменитую концепцию «тепловой смерти». Заметим, что в этой заметке Томсон
заменил термин «движущая сила» современным термином «энергия».
В 1853 г. Уильям Джон Макуорн Ранкин (1820-1872), инженер и профессор
технической механики в Глазго, в статье «Об общем законе превращения энергии»
вводит термин «энергия» и формулирует закон сохранения энергии в следующем
виде: «Сумма всей энергии (потенциальной и кинетической) во Вселенной
остается неизменной». С этого времени термин «энергия» и закон сохранения энергии
входят во всеобщее употребление.
Клаузиус, который много трудился над математическим оформлением основ
термодинамики, в своей «Механической теории тепла» дает аналитическое выражение
первого начала и вводит фундаментальное понятие внутренней энергии. Он
определяет понятие механической работы, исследует условия интегрируемости
дифференциального выражения работы.
В общем случае интеграл этого выражения зависит от пути интегрирования, но
в случае, когда компоненты силы равны частным производным от силовой функции,
интеграл не зависит от формы пути. Ранкин назвал функцию, отрицательным
дифференциалом которой является работа, потенциальной энергией. «Это название, -
пишет Клаузиус, - правда, превосходно выражает значение потенциальной
энергии, но оно несколько длинно; поэтому я позволил себе предложить для этой
величины название эргал». Однако это название в науке не удержалось, а термин,
предложенный Ранкиным, сохранился.
Первое начало термодинамики Клаузиус записывает в следующем виде:
dQ = dH + dL, (I)
где dQ - бесконечно малое количество теплоты, сообщенное телу, в результате
чего изменяется количество теплоты, имеющееся в теле, на величину dH и тело,
изменяя свое состояние, совершает работу dL. Работу dL Клаузиус разделяет на
внутреннюю dl и внешнюю dW, так что dL = dJ + dW. Уравнение (I) принимает
следующий вид:
dQ = dH + dJ + dW. (II)
Внутренняя работа не зависит от формы пути, внешняя же может быть различна
для различных переходов от одного состояния в другое.
Клаузиус еще в первой работе 1850 г., имея в виду, что теплота,
содержащаяся в теле, и внутренняя работа «играют совершенно одинаковую роль», и не
могут быть разделены вследствие незнания нами внутренних сил, объединил Н и J в
одну функцию U: U=H+ J-и уравнение первого начала записал в виде:
DQ = dW + dU. (Ill)
Величину U Клаузиус, следуя Томсону, назвал энергией тела. Мы теперь
добавляем прилагательное «внутренняя». Это прилагательное употреблял в 1860 г.
Цейнер, но он неправильно говорил сначала о «внутренней теплоте», а затем о
«внутренней работе» тела.
Переходя ко второму началу термодинамики, Клаузиус рассматривает круговые
обратимые процессы и указывает, что в простом круговом процессе типа цикла
Карно совершаются два вида превращений: переход теплоты в работу и переход
теплоты более высокой температуры в теплоту более низкой температуры. Второе
начало «должно выражать отношение между этими двумя превращениями». Оба эти
превращения - «явления одинаковой природы» и в обратимом процессе могут
замещать друг друга. Клаузиус формулирует второе начало как принцип
эквивалентности превращения следующим образом:
«Если мы назовем эквивалентными два превращения, которые могут замещать
друг друга, не требуя для этого никакого другого длительного изменения, то
возникновение из работы количества теплоты Q, имеющего температуру Т,
обладает эквивалентом Q/т, а переход количества теплоты Q от температуры Ti, к тем-
пературе Т2 имеет эквивалент Q (1/тг _ 1/ti) , где т есть некоторая функция
температуры, независимая от рода процесса, с помощью которого совершаются
превращения». Клаузиус показывает, что для обратимого кругового процесса
сумма эквивалента равна нулю:
/*5--о.
Т
Это, по Клаузиусу, является математическим выражением второго начала.
«Стоящее под знаком интеграла выражение dQ/т, - пишет Клаузиус, - является
дифференциалом некоторой связанной с состоянием тела величины, которая
полностью определена, если известно состояние тела в рассматриваемый момент, хотя
бы ничего не было известно о пути, по которому тело в рассматриваемое
состояние пришло». Эту функцию Клаузиус ввел в 1865 г. и назвал энтропией (от
греческого слова «тропэ» - превращение). Дифференциал энтропии
dS = dQ/т.
Для определения функции температуры т Клаузиус рассматривает обратимый
процесс с идеальным газом. В этом случае отношение отданной и поглощенной
теплоты Q и Q, будет равно отношению температур:
Q/Q1 = T/Ti. С другой стороны,
г *2- -2— -2i -о-
J т ~ т т, )у
О х т Т
Q, т, т, Г, *
Следовательно,
т/Т = const.
Постоянная не имеет существенного значения. Принимая ее равной 1, получим
т = Т и dS = dQ/T.
Для необратимых процессов
и энергия, способная к превращениям, уменьшается, а энтропия соответственно
растет. Клаузиус формулирует второе начало термодинамики в виде положения:
«Энтропия Вселенной стремится к максимуму». Так через 20 лет после Томсона
Клаузиус также пришел к концепции «тепловой смерти». Постулат Клаузиуса и
концепция тепловой смерти вызвали большое количество возражений. Были
придуманы многочисленные эксперименты, казалось, противоречащие принципу Карно-
Клаузиуса. Очень тонкий мысленный эксперимент выдвинул Максвелл в своей
«Теории тепла» (1870). Максвелл сначала считал, что второе начало имеет
ограниченную область применения. «Это положение, - писал Максвелл о втором
начале, - несомненно, верно, пока мы имеем дело с телами большой массы и не
имеем возможности ни различать отдельных молекул в этих массах, ни работать с
ними. Но если представить себе существо со столь изощренными способностями,
что оно было бы в состоянии следить за каждой отдельной молекулой во всех ее
движениях, то подобное существо было бы способно сделать то, что для нас в
настоящее время невозможно... Представим себе..., что какой-нибудь сосуд
разделен на две части А и В перегородкой с маленьким отверстием в ней. Пусть
существо, способное различать отдельные молекулы, попеременно то открывает,
то закрывает отверстие, и притом таким образом, чтобы только быстро
движущиеся могли переходить из А в В, и только медленнее движущиеся,
наоборот, из В в А: Следовательно, такое существо без затраты работы повысит
температуру в В и понизит ее в А - вопреки второму началу термодинамики».
«Демон Максвелла».
«Демон Максвелла» работает, используя основные положения кинетической
теории, согласно которым молекулы движутся с различными скоростями и температура
пропорциональна средней кинетической энергии молекул. Действительно,
молекулярная теория допускает существование процессов, происходящих в противоречии
со вторым началом, а само второе начало является не абсолютным, а
статистическим законом. «Демон Максвелла» - веха на пути к статистическому пониманию
второго закона. Однако порожденная этим образом дискуссия привела к
пониманию, что законы микромира делают невозможным осуществление эксперимента
Максвелла .
Критическое отношение многих ведущих физиков того времени к закону
сохранения энергии, дискуссия вокруг второго начала термодинамики вытекали из самого
существа этих фундаментальных открытий, затрагивающих глубокие вопросы
мировоззрения. Эпоху установления начал термодинамики сравнивали - и не без
основания - с эпохой Галилея. Наука и тогда, и в эту эпоху вплотную подходила к
вопросам, издавна считавшимся прерогативой религии: начало и конец
мироздания, сотворение и уничтожение материи и движения. Закон сохранения энергии
укреплял позиции материалистов и подрывал устои религиозного мировоззрения. С
другой стороны, концепция тепловой смерти казалась благоприятной для
церковного учения о «конце мира», о «последних временах», предшествующих вторичному
приходу Христа. Все это способствовало возникновению острой философской
дискуссии вокруг новых открытий в физике.
С конца XVIII в. началось резкое расхождение между философией и
естествознанием. Естествознание занялось «малыми делами», измеряя константы,
производя многочисленные опыты; философия, возглавляемая Кантом, Фихте, Шеллингом и
Гегелем, ушла в отвлеченные высоты духа. Герцен в своих «Письмах об изучении
природы» ярко охарактеризовал это соотношение эмпирического естествознания и
идеалистической философии. Мы приводили его высказывание о «взаимном
недоверии» отвлеченной философии и эмпирического естествознания. Это «взаимное
недоверие» проявилось и в судьбе работ Майера и Гельмгольца, от которых
всячески пытались откреститься Поггендорф и другие представители эмпирического
естествознания. Но в этой борьбе, в этом столкновении эмпирики и теории
вырастало новое научное миропонимание.
Механическая теория
тепла и атомистика
Сами физики начали осознавать, что открытие закона сохранения энергии дает
основу для нового синтеза, для цельного взгляда на природу, дает возможность
построить единую физическую картину мира. Поскольку все формы энергии
оказалось возможным измерить в единой мере, в единицах механической работы,
считалось возможным свести все физические процессы к механическим движениям,
построить механическую картину мира. Первым шагом в этом направлении явилось
создание механической теории теплоты. Создатели механической или динамической
теории теплоты осуществили программу, намеченную М.В. Ломоносовым еще в XVIII
в. В основе этой программы лежало представление о теплоте как о форме
движения мельчайших частиц вещества, «нечувствительных» частичек, по выражению
Ломоносова , т.е. молекул и атомов согласно представлениям химиков XIX в.
Атомно-молекулярное учение о материи сопутствовало физическим и химическим
исследованиям на всем протяжении истории науки, начиная с Левкиппа и
Демокрита. Оно то подавлялось и отходило на задний план, то вновь воскрешалось и
вело мысль исследователя. Со времен Бойля оно стало служить химии, и было
положено Ломоносовым в основу учения о химических превращениях. Начало XIX в.
ознаменовалось важными открытиями, стимулировавшими развитие химической
атомистики. Это было открытие закона постоянства состава и закона кратных
отношений. Закон постоянства состава был высказан еще в 1801 г. французским химиком
Прустом (1754-1826). В противовес мнению другого французского химика - Бер-
толле (1748-1822), учившего, что состав вещества изменяется непрерывно, Пруст
утверждал, что процентное содержание компонент сложных веществ изменяется
скачком. Спор с Бертолле продолжался восемь лет и закончился победой Пруста.
Закон постоянства состава и скачкообразное изменение весового содержания
компонентов в различных соединениях простых веществ подсказывают идею о
неизменяемых мельчайших частичках вещества, вступающих во взаимодействие друг с
другом в сложных соединениях. Эта мысль была высказана и подробно обоснована
английским химиком Джоном Дальтоном.
Дальтон
Джон Дальтон родился 6 сентября 1766 г. в семье
деревенского ткача. Как и его знаменитый соотечественник
Фара дей, он приобрел знания самообразованием и уже к 15
годам достиг таких успехов, что получил место
преподавателя математики в школе города Кендала. В 1793 г. он
становится преподавателем натуральной философии (так в
английских колледжах называлась физика) и математики в
колледже в Манчестере, где знаменитый социалист-утопист
Роберт Оуэн вводит его в состав Манчестерского
литературного и философского общества. Членом этого общества
позднее был другой знаменитый манчестерец - Джоуль, а в
XX в. на заседании этого общества Эрнст Резерфорд сделал
доклад о своих опытах, приведших к открытию ядерной
модели атома. Дальтон в 1800 г. становится секретарем общества, а с 1817 г. его
председателем. Умер Дальтон в Манчестере 27 июля 1844 г.
Дальтону принадлежат фундаментальные исследования смесей газов и паров, в
результате которых он вывел названный его именем закон независимости
парциальных давлений компонентов смеси (1801-1802). В 1802 г. за несколько месяцев
до Гей-Люссака он установил закон теплового расширения газов. В 1803 г.
Дальтон, руководствуясь атомистической гипотезой, вывел закон кратных отношений и
доказал его на примере углеводородных соединений - метана и этилена.
Дальтон ввел в химию фундаментальное понятие атомного веса и, приняв за
единицу атомного веса вес атома водорода, определил атомные веса некоторых
элементов. Ошибочно приняв, что в состав молекулы воды входит один атом
водорода и один атом кислорода, он неправильно определил атомные веса кислорода и
азота. Но Дальтон первым составил таблицу атомных весов и ввел химическую
символику, правда, не вполне удачную и замененную в химии более удобной
символикой Берцелиуса (1779-1848).
Как нередко бывает в истории науки, открытия, легшие в основу современной
химии, делались независимо и почти одновременно многими исследователями. К
открытию атомного веса подходил немецкий химик Иеремия Рихтер (1762-1807).
Закон расширения газов был установлен независимо от Дальтона в 1802 г.
французским физиком и химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778-1850) . Через три
года после этого открытия Гей-Люссак начал совместно со знаменитым немецким
естествоиспытателем Александром Гумбольдтом опыты, которые привели в 1808 г. к
установлению закона кратных объемов, согласно которому объем газообразного
соединения находится в простом кратном отношении к объемам компонентов.
Однако теоретическое истолкование этого закона в ряде случаев приводило к
противоречию с данными Дальтона, и Дальтон резко выступал против этого Закона. Сам
же Гей-Люссак отказался от попыток теоретически истолковать открытый им закон
и рассматривал его как опытный факт.
В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776-1856), развивая
атомно-молекулярную теорию, установил закон, ныне носящий его имя: при
одинаковых условиях температуры и давления в равных объемах газов содержится
одинаковое количество молекул. При этом Авогадро допускал, что молекула одного и
того же элемента может состоять из нескольких атомов, и это дало ему
возможность объяснить результаты опытов Гей-Люссака в терминах атомно-молекулярной
теории. Аналогичную точку зрения высказал в 1814 г. Ампер.
Дальтон, Берцелиус и другие видные химики не приняли теорию Авогадро и
задержали развитие химической атомистики до 60-х годов XIX в., когда Жерар
(1816-1856) подтвердил закон Авогадро новыми опытными данными, и поддержанная
итальянским химиком Канниццаро (1826-1910) атомно-молекулярная теория прочно
вошла в химию. Утверждение атомной теории в химии соответствовало ее
применению в физике, когда открытие закона сохранения энергии воскресило
представление о теплоте как о форме движения. Это представление, высказанное в 1620 г.
в смутной форме Ф. Бэконом, развитое в 1743-1745 гг. М.В. Ломоносовым, было
вновь высказано одним из основателей закона сохранения и превращения энергии
- Джемсом Джоулем в докладе «Некоторые замечания о теплоте и о строении
упругих жидкостей», сделанном на заседании Манчестерского литературного и
философского общества 3 октября 1848 г. Доклад был опубликован только через три
года в трудах общества и затем через шесть лет в «Philosophical Magazine».
Джоуль начинает с указания на свои опыты, результаты которых были доложены
на съезде Британской Ассоциации в 1842 г. Эти опыты показали, «что
магнитоэлектрическая машина дает нам возможность обратить механическую силу в
теплоту» . Вместе с тем они привели к выводу о взаимной обратимости теплоты и
механической силы и, следовательно, к выводу, «что теплота является либо vis viva
(живой силой) весомых частиц, либо некоторым состоянием притяжения и
отталкивания способным порождать vis viva (живую силу)».
Так Джоуль со всей ясностью показывает, что закон сохранения энергии
находит свое выражение в превращении работы в теплоту в строго определенном
количественном отношении. Ученый приходит к выводу, что теплота является формой
кинетической энергии (живой силы) или потенциальной («некоторым состоянием
притяжения и отталкивания») весомых частиц. Упоминая о своих опытах 1844 г.
по изменению температуры воздуха путем адиабатического сжатия или расширения,
он заключает, что упругость газов «должна представлять собой эффект движения
частиц, из которых состоит всякий газ». Приводя высказывание Дэви о теплоте
как о колебательном движении частиц вещества, Джоуль указывает, что он лично
«попытался показать, что вращательное движение, аналогичное описанному сэром
Дэви, способно объяснить закон Бойля и Мариотта, а также другие явления,
представляемые упругими жидкостями». Джоуль не знает, что Ломоносов объяснил
закон Бойля с помощью гипотезы о вращательном движении «нечувствительных
частичек». Однако он считает более простой гипотезу, высказанную в 1821 г. Гера-
патом, в которой частицы газа принимаются движущимися поступательно во всех
направлениях, и исходит из этого представления, подчеркивая вместе с тем, что
«гипотеза вращательного движения в равной мере хорошо согласуется с этими
явлениями» .
Джоуль приводит подсчет скорости движения частиц водорода, находящегося при
определенной температуре и давлении Он оперирует конкретными цифрами массы,
температуры, давления водорода и, считая, что частицы движутся в сосуде
кубической формы в равном количестве по трем направлениям, показывает, что
«давление будет пропорционально квадрату скорости частиц» Джоуль определяет
численное значение этой скорости.
Вывод Джоуля совершенно конкретен газ - водород, масса газа 36,927 грана,
давление 30 дюймов ртутного столба, температура 60° Фаренгейта. Скорость
частиц водорода оказалась равной 6225 футам в секунду, при температуре
замерзания воды (32° Фаренгейта) она будет 6055 футов в секунду. Джоуль указывает,
что при этих подсчетах частицы водорода считаются не имеющими заметного
размера, иначе скорость получалась бы при том же давлении меньшей. Он указывает
далее, что «абсолютная температура, давление и vis viva пропорциональны друг
другу», а теплоемкость газа «выражается общей суммой vis viva при данной
температуре» Таким образом, на основе конкретного числового подсчета Джоуль
выводит основной закон идеального газа.
В 1857 г. в «Анналах» Поггендорфа была напечатана статья Клаузиуса «О роде
движения, который мы называем теплотой. «Перепечатывая эту статью в третьем
томе своей «Механической теории тепла», Клаузиус дополнил ее исторической
справкой, в которой упомянул о Джоуле, переиздавшем свою статью 1848 г.
согласно пожеланию Клаузиуса в 1857 г., а также о работе Крёнига «Очерки теории
газов», опубликованной в «Анналах» Поггендорфа в 1856 г. В этой справке
Клаузиус называет длинный ряд имен, начиная с Лукреция, Гассенди, Бойля и Даниила
Бернулли. Ломоносова он, однако, не упоминает, его работы, опубликованные в
«Новых Комментариях» Петербургской Академии наук, были к тому времени уже
Забыты. Сам Клаузиус сознается, что к его списку, «вероятно, можно будет
прибавить еще и ряд других авторов», но он «не читал более старых авторов». Так
или иначе, но имя Ломоносова в период торжества его идей не упоминалось.
Клаузиус подчеркивает, что его термодинамические исследования не связаны с
какими-либо представлениями о тепловом движении. Все сделанные в первой части
«Механической теории тепла» выводы «основываются на некоторых общих законах,
которые можно признать правильными, не делая никаких определенных
предположений о природе теплоты». Эта общность термодинамических методов, впервые четко
констатированная Клаузиусом, делает термодинамику чрезвычайно мощным
инструментом исследования, применимым во всех областях физической науки. Вместе с
тем Клаузиус признает, что его исследования «не были свободны от мысли о
некоторой гипотезе» и что он «уже в начале своих работ, относящихся к
теплоте ... , попытался разобраться во внутреннем состоянии движения нагретого тела
и составил себе об этом некоторое представление...».
Это признание Клаузиуса очень важно. Еще до опубликования первой своей
работы он руководствовался молекулярно-кинетической гипотезой, она помогала ему
выработать основные понятия и принципы теории теплоты. Термодинамике
специальная гипотеза о природе теплоты не нужна, но создателю термодинамики она
была необходима. «Таково свойство гипотез, - писал Д.И. Менделеев. - Они
науке, и особенно ее изучению, необходимы... Гипотезы облегчают и делают
правильную научную работу - отыскание истины, как плуг земледельца облегчает
выращивание полезных растений».
Клаузиус излагает основные представления новой теории газов, которую он
называет «кинетической». Молекулы газа движутся прямолинейно с постоянной
скоростью, которая изменяется в процессе столкновения с другими молекулами или с
непроницаемой стенкой. При этом «живая сила их движений в среднем сохраняет
ту же величину, какую она имела до столкновения». Давление газа объясняется
ударами молекул о непроницаемую стенку. Наряду с поступательным движением
Клаузиус допускает и вращательное, а также некоторое колебательное движение
внутри отдельных частичек. Если даже принять атомы абсолютно неизменными, то
молекула, состоящая из нескольких атомов, «не образует уже абсолютно
неизменной массы» и атомы внутри ее «могут колебаться друг относительно друга».
Клаузиус допускает также возможность того, «что каждый весомый атом обладает
еще и некоторым количеством более тонкой материи и что последняя, не
отделяясь от атома, может поблизости от него совершать некоторые движения».
Наличие этих внутренних движений приводит к тому, что отдельные молекулы
между собой и с молекулами стенки взаимодействуют не упруго. В среднем же
установившемся состоянии поступательное движение молекул не изменяется под
влиянием движения частей молекул, и «при исследовании совокупного действия
большого количества молекул можно пренебречь неправильностями, имеющими место
при отдельных столкновениях, и полагать, что по отношению к поступательному
движению молекулы следуют общим законам упругости». При этом Клаузиус
считает, что поступательное движение каждой молекулы в среднем находится в
постоянном отношении к движению ее составных частей.
Еще в 1857 г. Клаузиус вывел основную формулу кинетической теории газов,
согласно которой давление газа равно двум третям средней кинетической энергии
всех молекул в единице объема. В третьем томе «Механической теории тепла» он
снова обращается к этому выводу. Рассматривая механизм удара молекулы о
стенку, он считает, что благодаря наличию движений составных частей молекул таза
и стенки происходит взаимодействие этих внутренних движений и «в зависимости
от фаз, в которых находятся движения последних в момент удара, они могут
различным образом повлиять на движение всей молекулы, возникающее в результате
удара».
Как видим, Клаузиус ясно представлял себе сложность процесса столкновения
молекул и атомов и определяющую роль движений их структурных элементов. Но
для большого числа молекул в среднем дело обстоит так, как если бы молекулы
отражались после удара о стенку «согласно тем же законам, что и упругие шары
от неподвижной стенки». Таким образом, механизм упругого удара,
обусловливающий давление газа, получается, по Клаузиусу, в результате усреднения, когда
«можно принять, что после отражения молекулы в среднем обладают той же самой
живой силой, какую они имели в момент налета, и что среди отраженных молекул
все направления движений по отношению к стенке представлены совершенно так
же, как были представлены направления движений налетевших на стенку молекул».
Если сделать такое допущение, то, указывает Клаузиус, «при определении
давления совершенно безразлично, если вместо среднего лишь равенства допустить
существование равенства при каждом отдельном ударе». При обычном, школьном
выводе просто предполагается, что молекула сталкивается со стенкой по законам
упругого удара, и таким образом игнорируется тот сложный путь, который привел
Клаузиуса к этому допущению.
Вторым допущением Клаузиуса является гипотеза идеального (совершенного) га-
за: во-первых, молекулы газа «настолько малы, что их объемом можно пренебречь
по сравнению с объемом, занимаемым всем газом, и, во-вторых, молекулы
проявляют силы взаимодействия, лишь находясь в непосредственной близости друг от
друга». Кроме того, при подсчете давления Кяаузиус делает мимоходом
предположение, что молекулы газа «движутся во всех возможных направлениях, так что
любое направление столь же вероятно, как и все прочие». Это гипотеза
молекулярного хаоса. При вычислении давления Клаузиус использует второй и третий
законы Ньютона, а так как к тому же от столкновения до столкновения молекулы,
по предположению, движутся равномерно и прямолинейно по закону инерции, то,
очевидно, Клаузиус принимает, что к молекулам и атомам применимы законы
Ньютона, законы классической механики.
Итак, Клаузиус строит кинетическую теорию газов на основе классической
механики, привлекая молекулярные представления и статистику. В формуле давления
у него фигурирует средний квадрат квадратов скоростей отдельных молекул. Он
вычисляет среднее число столкновений и среднюю длину свободного пробега
молекулы, оперируя понятиями теории вероятностей. Эти результаты и методы
подсчета Клаузиуса ныне вошли в учебники физики.
21 сентября 1859 г. на собрании Британской Ассоциации содействия прогрессу
наук Джемс Клерк Максвелл сделал доклад «Пояснения к динамической теории
газов». Максвелл отмечает, что из молекулярной гипотезы «может быть выведено
так много свойств материи, в особенности, если ее взять в газообразной форме,
что истинная природа этого движения является предметом естественного
интереса» .
Максвелл указывает далее, что Даниил Бернулли, Джоуль, Крёниг, Клаузиус и
другие «показали, что отношения между давлением, температурой и плотностью в
совершенном газе могут быть объяснены, если предположить, что частицы
движутся с постоянной скоростью по прямолинейным путям, ударяясь о стенки сосуда,
содержащего газ, и вызывая этим давление». Для определения таких молекулярных
величин, как средняя длина свободного пробега и диаметр молекулы, Максвелл
исследует на основе законов механики движение и столкновение некоторого числа
твердых, упругих шаров малого размера. Он приходит к выводу, что в такой
системе в результате взаимных столкновений устанавливается распределение живых
сил между частицами «согласно некоторому правильному закону». При этом
возможно определить «среднее число частиц, скорости которых лежат между
определенными пределами, хотя скорость каждой отдельной частицы изменяется при
каждом столкновении».
Максвелл в качестве общего вывода констатирует, что «скорости
распределяются между частицами по тому же закону, по которому распределяются ошибки между
наблюдениями в теории «метода наименьших квадратов». Скорости лежат в
пределах от 0 до °°, однако число молекул, имеющих большие скорости, сравнительно
невелико.
Далее Максвелл показывает, что если в одном и том же сосуде движутся две
системы частиц, то «средняя живая сила каждой частицы одинакова в обеих
системах» . Позднее Максвелл в своей речи «Молекулы» говорил по поводу этого
предложения: «Динамическая теория говорит нам также и о том, что происходит,
когда молекулы различных масс сталкиваются друг с другом. Большие массы будут
двигаться медленнее меньших, так что в среднем каждая молекула, большая или
малая, будет иметь ту же энергию движения.
Доказательство этой динамической теоремы - и в этом я заявляю свои права на
приоритет - в последнее время получило широкое развитие и усовершенствование
благодаря трудам д-ра Людвига Больцмана. Самое важное следствие, из нее
вытекающее, состоит в том, что кубический сантиметр любого газа при постоянных
температуре и давлении содержит одинаковое число молекул». Так закон Авогадро
получил свое истолкование в кинетической теории газов наряду с другими
законами идеальных газов.
Максвелл определяет вероятность того, что частица пройдет заданное
расстояние до того, как она столкнется с другой частицей.
Длину свободного пробега Максвелл определяет из коэффициента внутреннего
трения.
Максвелл пишет, что его уравнение «приводит нас к замечательному выводу»,
заключающемуся в том, что «коэффициент трения не зависит от плотности. Этот
вывод из математической теории является крайне поразительным, и единственный
опыт, с которым я встретился в этой области, его как будто не подтверждает».
На самом деле, как оказалось, этот вывод подтвердился опытом в широких
пределах давлений, но Максвелл считает необходимым «сопоставить свою теорию с тем,
что известно о диффузии газов, т.е. происхождении теплоты через газ». Таким
образом, Максвелл исследовал впервые явления переноса. Подводя итоги своим
исследованиям, Максвелл писал: «Мы проследили здесь за математической теорией
столкновения твердых упругих частиц в различных случаях, в которых, казалось
бы, существует аналогия с явлением газов. Мы вывели, как это уже раньше
сделали и другие, отношения давления, температуры и плотности для отдельного
газа . Мы также доказали, что когда два различных газа свободно действуют друг
на друга (а это бывает, когда они находятся при одной и той же температуре),
то массы отдельных частиц каждого газа обратно пропорциональны квадрату
молекулярной скорости и что, следовательно, при равной температуре и равном
объеме количество частиц в единице объема одинаково».
В резюме Максвелла обращает; на себя внимание тот факт, что он ни слова не
говорит об открытом им законе распределения скоростей, зато подробно говорит
об объяснении закона Авогадро. Заметим, что об этом объяснении он всегда
упоминал в своих популярных статьях и выступлениях. Между тем мы сейчас видим
главную заслугу Максвелла в открытом им законе скоростей и забыли о том, что
сам Максвелл считал наиболее важным. Теорию равномерного распределения
энергии по степеням свободы мы связываем с Больцманом. Она охватывает открытие
Максвеллом равенства средних энергий молекул независимо от их массы при одной
и той же температуре и объясняет неудачу его попытки истолковать соотношение
теплоемкостей.
В теории Максвелла особенно наглядно видны ее механические предпосылки.
Модель твердых упругих шариков, предложенная Максвеллом для объяснения газовых
законов, работает по законам механики Ньютона. Максвелл не сомневался в
применимости этих законов к атомам и молекулам. Но его поражал один
замечательный факт в атомно-молекулярном мире; строгая определенность свойств молекул и
атомов. «Молекулы, - пишет Максвелл, - образованы по одному и тому же типу с
точностью, какой мы не находим в ощущаемых нами свойствах тел, ими
образуемых. Во-первых, масса каждой молекулы и все другие ее свойства абсолютно
неизменны. Во-вторых, свойства всех молекул одного рода абсолютно
тождественны» .
Открытие спектрального анализа вновь подтвердило эту определенность свойств
молекул и атомов. «При помощи спектроскопа, - говорил Максвелл, - длины
световых волн различного рода можно сравнивать между собой до одной
десятитысячной доли. Таким путем убедились, что не только молекулы каких угодно
образчиков водорода в наших лабораториях имеют один и тот же ряд периодов колебаний,
но что свет с тем же самым рядом периодов колебаний испускается Солнцем и
неподвижными звездами. Таким образом, мы убеждаемся, что молекулы такой же
точно природы, как у нашего водорода, существуют и в отдаленных пространствах...
Молекула водорода... находится ли она на Сириусе или на Арктуре, совершает
свои колебания в точности в то же самое время. Следовательно, каждая молекула
во Вселенной носит на себе печать меры и числа настолько же ясную, как и метр
парижских архивов или как двойной царский локоть карнакского храма13».
Ум Максвелла останавливается перед этой таинственной, не объяснимой
никакими известными в его время естественными причинами загадкой определенности
молекул , необычайной устойчивости их свойств. Он сравнивает эту устойчивость с
устойчивостью планетных орбит и указывает, что «научное значение этих
астрономических и земных величин много ниже фундаментальных величин, образующих
молекулярную систему». «Как мы знаем, - пишет Максвелл, - естественные
процессы изменяют и, в конце концов, разрушают весь порядок и размеры, как
Земли, так и всей солнечной системы. Но если случались и вновь могут случиться
катастрофы, если старые системы могут разрушаться и на их развалинах могут
возникать новые системы, то молекулы, из которых эти системы построены,
неразрушимы и неизменны - это краеугольные камни материальной Вселенной».
Максвелл считает, что такая определенность и неизменяемость молекул, придающая
им, по выражению Джона Гершеля, «характерные признаки фабричных изделий»,
«исключает мысль о возможности их вечного существования и самопроизвольного
происхождения», т.е. молекулы и атомы должны быть «изготовлены» богом. Так,
по Максвеллу, мы подошли к точке, «дальше которой наука идти не может».
Но наука пошла дальше. То, перед чем остановился Максвелл и к чему призвал
на помощь бога, то, что было совершенно необъяснимо с точки зрения
классической физики, привлекло внимание Бора. Он открыл в этой определенности «числа
и меры» определенность квантовых законов, в которых господствует неизменная и
неразрушимая величина - постоянная Планка. Бор в своей нобелевской речи также
сравнивает законы, управляющие движением планет, с законами, господствующими
в атоме водорода, как и Максвелл. Квантовая физика нашла ключ к разрешению
загадки, перед которой остановился Максвелл. Но величие Максвелла в том и
проявляется, что он понял, что это загадка, непосильная для классической
физики.
Дальнейшее развитие
теплофизики и атомистики
Термодинамика и кинетическая теория газов затрагивали самые глубокие
вопросы мировоззрения. Единство сил природы, направленность естественных
процессов, неизменность «кирпичей мироздания» - все эти вопросы, так или иначе,
возникали из новых теорий и представлений. Рушилась концепция мира,
разделенного непереходимыми перегородками на отдельные области. Одним из последних
устоев этой концепции было представление о совершенных, «постоянных» газах,
не переходящих ни в жидкое, ни в твердое состояние, и поэтому существенно
отличающихся от паров жидкостей.
«Есть ли разница между паром и газом?» - спрашивал А.Г. Столетов в своем
«Очерке развития наших сведений о газах» (1879), подходя к вопросу о сжижении
газов. Столетов излагает историю развития учения о парах, формирования
представлений о ненасыщенных парах, не отличающихся в своем поведении от газов, и
насыщенных парах, которые не подчиняются закону Бойля-Мариотта, и, наконец,
историю сжижения газов. Эта история начинается с опытов Каньяра де Натура
(1777-1859), проведенных в 1822 г. Нагревая жидкости (воду, эфир, алкоголь) в
запаянных трубках, он заметил, что при некоторой температуре, различной для
13 Карнак — египетская деревня в двух с половиной километрах к северу от Луксора, на
месте древнеегипетских Фив. Она занимает примерно половину территории великого храма
Амона — Ипет-Исут (Опет, Opet), который начал строиться в XX в. до н.э. и служил
основным государственным святилищем на протяжении всей истории Нового царства. Этот
храм — без всякого сомнения, самый большой по площади во всём древнем мире, — был
соединён с Луксорским храмом на берегу Нила мощёной аллеей сфинксов.
разных жидкостей, вещество в трубке становится однородным, представляя собой
густой пар. Для эфира это происходило при температуре 200°С, для спирта -
около 260°С, для воды - около 360°С. Таким образом инженер-географ, а потом
чиновник министерства внутренних дел Каньяр де Латур еще в первой четверти
XIX в. установил, что при определенных условиях граница между жидкостью и ее
газом исчезает.
Через год молодой ассистент Дэви М. Фарадей получил жидкий хлор, затем,
нагревая один конец изогнутой стеклянной трубки с газом и охлаждая другой
конец, обратил в жидкость девять газов, а в 1844-1845 гг. еще шесть. При этом
Фарадей сделал очень важный вывод из опытов Каньяра де Натура, указав, что
существует температура, при которой «нельзя ожидать, что какое-либо повышение
давления, исключая, быть может, чересчур сильное, могло обратить газ в
жидкость» .
В 1861 г. существование такой температуры было установлено Д.И.
Менделеевым. Он назвал ее абсолютной температурой кипения. «Чтобы истинное значение
такой температуры, - писал Менделеев в первом томе своих «Основ химии», -
выступило явственно, следует обратить внимание на то, что жидкое состояние
характеризуется сцеплением частиц, отсутствующим в газах и парах. Сцепление
жидкостей выражается в капиллярных явлениях... и произведение из плотности
жидкости на высоту ее поднятия в капиллярной трубке (определенного диаметра)
может служить мерою величины сцепления... Сцепление жидкостей уменьшается при
их нагревании, поэтому уменьшаются и капиллярные высоты. Опыт показывает, что
это уменьшение (почти) пропорционально температуре, а потому из капиллярных
наблюдений получается, что при некоторой возвышенной температуре сцепление
становится равным нулю. Если в жидкости исчезает сцепление частиц - она
становится газом, ибо между этими двумя состояниями нет, кроме сцепления, иного
коренного различия. Преодолевая его, жидкости при испарении поглощают
теплоту. Поэтому температура абсолютного кипения определена мною (1861) как
таковая , при которой:
a) жидкость не существует и дает газ, не переходящий в жидкость, несмотря
на увеличение давления;
b) сцепление = 0;
c) скрытая теплота испарения = 0».
Наблюдения Каньяра де Натура, выводы Фарадея и Менделеева не получили
резонанса. «Понятия эти, - писал Менделеев, - мало распространились, пока Эндрюс
(Andrews, 1869) не выяснил дела с другой стороны, именно исходя из газов. Он
нашел, что углекислый газ при температурах выше 31°С не сгущается ни при
каких давлениях, при низких же температурах может сжижаться. Температуру эту он
назвал критической. Очевидно, что она тождественна с температурой абсолютного
Томас Эндрюс родился 19 декабря 1813 г. в Белфасте. Он
изучал химию в университете в Глазго. Уже вскоре после
поступления в университет он в своей домашней лаборатории
выполнил две химические работы. Для совершенствования
своих химических познаний он едет в Париж, где работает в
лаборатории Дюма и одновременно в госпитале с целью изучения
медицины. Возвратившись на родину, он продолжает
образование в Дублинском колледже ев. Троицы и в Ирландской
медицинской школе. В 22 года он получает степень доктора
медицины в Эдинбурге, а затем профессора химии в родном городе
Белфасте в Королевском колледже. В 1845 г. он становится
кипения».
Эндрюс
вице-президентом колледжа и занимает эту должность до выхода в отставку в
1879 г. Умер Эндрюс 26 ноября 1885 г.
Основополагающая статья Эндрюса «О непрерывности газообразного и жидкого
состояний вещества» была прочитана в Лондонском Королевском обществе 17 июня
1869 г. и опубликована в 159-мтоме «Philosophical Transactions of fhe Royal
Society» за 1869 г. Эндрюс начинает ее с истории вопроса, с опытов Каньяра де
Натура, исследований Фарадея, Реньо, Пулье, Натерера, подвергавших газы
сжатию до 2790 атмосфер.
Он указывает на свою заметку 1861 г., в которой описывает попытку обратить
в жидкость кислород, водород, азот, окись углерода и окись азота, подвергая
их большим давлениям и одновременно охлаждению в ванне из углекислоты и
эфира . Опыты дали отрицательный результат. Далее он приводит выдержку из своего
письма Миллеру, опубликованную в «Химической физике» в 1863 г. : «При
частичном снижении углекислоты посредством одного только давления и при постепенном
повышении в то самое время температуры до 88° Фаренгейта (31,1°С. - П.К.)
поверхность раздела между жидкостью и газом делается менее резкой, теряет свою
кривизну и, наконец, исчезает. В это время пространство заполнено однородным
текучим веществом, в котором в случае внезапного уменьшения давления или
небольшого понижения температуры обнаруживается характерное явление полос,
перебегающих или волнующихся по всей его массе. При температуре выше 88° нельзя
получить никакого видимого снижения углекислоты или разделения ее на две
отличные друг от друга формы вещества, даже если прилагать давления в 300 или
400 атмосфер. Окись азота дала сходные результаты».
В статье 1869 г. Эндрюс подробно описывает аппаратуру, применяющуюся при
исследованиях. Изменяя температуру углекислого газа от 13 до 48°С, он получил
изотермы, имевшие при температурах ниже 31,1°С характерный излом,
показывающий сжижение газа и переход кривой в прямую, параллельную оси абсцисс, при
полном обращении газа в жидкость. При температуре 31,1°С, которая была на
0,2° выше температуры, названной им критической, никакого разделения газа на
две части не наблюдается «и самое тщательное исследование не может открыть
никакой однородности в состоянии углекислоты внутри трубки».
При дальнейшем повышении температуры изотермы непрерывно приближаются к той
изотерме, «которая представляет изменение объема совершенного газа». Изменяя
давление и температуру, Эндрюс добивался непрерывного перехода вещества «из
состояния, которое всеми рассматривается как газообразное, в то, которое
подобным же образом обычно рассматривают как жидкое...». «Дело начинается с
газа и через ряд постепенных изменений, нигде не представляющих какого-нибудь
резкого изменения объема или внезапного развития тепла, кончается жидкостью».
Эндрюс ставит важный вопрос, что происходит с углекислотой в критическом
состоянии: «Продолжает ли она оставаться в газообразном состоянии, или она
превратилась в жидкость, или мы имеем дело с новым состоянием материи?» Эндрюс
считает, что ответ на этот вопрос «надо найти в близких внутренних
соотношениях, которые существуют между газообразными и жидкими состояниями вещества».
Жидкость и газ являются различными формами одного и того же вещества, и от
одной формы к другой можно перейти непрерывным изменением. Отсюда началась
длительная дискуссия о природе критического состояния. Эндрюс считал, что
называть ли вещество в этом состоянии жидкостью или газом - дело вкуса. Важно,
что это особое переходное состояние.
Скажем несколько слов об экспериментальной технике Эндрюса. Сжатие газа
производилось с помощью винта, давление при этом достигало 4 107 Па. Эндрюс
работал с газами, имеющими высокую критическую температуру, и проблема
получения низких температур перед ним не стояла. Основная цель его исследования
заключалась не в проблеме сжижения газов, а в доказательстве отсутствия
резкого различия между паром и газом, в доказательстве возможности непрерывного
перехода от газа к жидкости.
Непрерывность жидкого и газообразного состояний была теоретически
исследована в диссертации Ван-дер-Ваальса (1837-1923), опубликованной в 1873 г. Эта
диссертация вышла вторым изданием в 1899 г., составив первую часть монографии
«Непрерывность газообразного и жидкого состояний». Вторая часть этой
монографии, посвященная бинарным смесям, вышла в 1900 г. В 1910 г. Ван-дер-Ваальсу
«за его труды, относящиеся к уравнению состояния газов и жидкостей», была
присуждена Нобелевская премия по физике. В предисловии к своей диссертации
1873 г. Ван-дер-Ваальс писал: «Название «Непрерывность газообразного и
жидкого состояний», кажется вполне подходящим, поскольку в основу рассуждений
положена главная мысль, что от одного агрегатного состояния можно совершенно
непрерывным образом достигнуть другого; выражаясь геометрически, это значит,
что обе части изотермы принадлежат одной кривой, даже тогда, когда эти части
связаны частью, которая не может быть осуществлена в действительности».
«Строго говоря, - продолжает Ван-дер-Ваальс, - я хочу доказать еще больше, а
именно тождественность обоих агрегатных состояний». Ван-дер-Ваальс считает,
что между жидкостью и газом существует только количественное различие в
большей или меньшей плотности, но не качественное.
Уравнение Ван-дер-Ваальса и его изотермы вошли во все учебники физики, и на
их рассмотрении мы останавливаться не будем.
Работа Эндрюса получила широкий резонанс, и критическое состояние стало
предметом исследования физиков многих стран. Существенный вклад в изучение
критического состояния внесли русские физики А.Г. Столетов (1839-1896), Б.Б.
Голицын (1862-1916), М.П. Авенариус (1835-1895). А.Г. Столетов в ряде статей
(1882, 1892, 1893, 1894) рассмотрел и разъяснил вопросы, относящиеся к
критическому состоянию, высказал существенные замечания по некоторым утверждениям.
Он изучил обширную литературу по теме, начиная с работ Эндрюса и Ван-дер-
Ваальса. Он отмечает, что с теоретической стороны идея Эндрюса (Столетов
пишет «Андрюс») разработана Ван-дер-Ваальсом, Клаузиусом и Максвеллом, а с
экспериментальной «прежде всего и более всего трудами М.П. Авенариуса и его
учеников (Зайончевского, Надеждина, Страуса)». Ученик Ленца М.П. Авенариус,
продолжая традиции своего учителя, в 70-х годах организует физическую
лабораторию в Киевском университете. В лаборатории Авенариуса по существу впервые в
России был поставлен физический практикум, и студентами велись научные
исследования. Несмотря на то что, как говорил Авенариус, «помещение лаборатории
мизерно до невозможности», здесь под руководством Авенариуса проделан ряд
превосходных работ по физике критического состояния. Результаты исследований
Авенариуса и его учеников по определению критических постоянных различных
веществ вошли в мировую справочную литературу.
Вопрос о критическом состоянии тесно связан с проблемой сжижения газов. Газ
никаким давлением не может быть обращен в жидкость, если он не охлажден до
температуры ниже критической. Существуют различные методы сжижения газов.
Адиабатический метод основан на охлаждении газа при адиабатическом
расширении. Этим методом Кальете обратил в декабре 1877 г. в жидкость кислород.
Кислород, сжатый в трубке до давления 3000 атмосфер и охлажденный с помощью
соответствующей смеси до -29°С, внезапно расширялся, давление падало до 1
атмосферы, температура понижалась до -200°С.
Швейцарский физик Рауль Пикте (1846-1929) добился почти одновременно с
Кальете сжижения кислорода, получив кислород в виде жидкости, а не тумана,
как у Кальете. Пикте применял последовательное, или каскадное, охлаждение.
Немецкий физик Карл Линде (1842-1934) , применив дроссельный эффект, или
эффект Джоуля-Томсона, открытый этими учеными в 1852 г., построил машину для
получения жидкого воздуха с производительностью несколько литров в час. Этот
принцип позволил в 1898 г. Дьюару (1842-1923) ожижить водород, что тщетно пы-
тались сделать Пикте, Вроблевский, Ольшевский (1846-1915). Последние
наблюдали на мгновение туман из капель водорода, но получить ощутимую порцию
жидкости им не удавалось. Вроблевский (1845-1888) погиб от взрыва при опыте по
сжижению водорода.
Аппарат Линде для сжижения воздуха.
Еще труднее оказалось обратить в жидкость гелий. X. Камерлинг-Оннес (1853-
1926) смог осуществить сжижение гелия только спустя 10 лет после сжижения
водорода. Первая порция жидкого гелия была получена им 10 июля 1908 г. У гелия
очень низкая температура инверсии (-240°С), а дроссельное охлаждение
начинается только при температуре ниже температуры инверсии. Поэтому гелий
приходится предварительно охлаждать жидким водородом, а потом уже пропускать через
дроссель. Этот метод оказывается очень сложным и малоэффективным, и в течение
длительного времени лишь лейденская лаборатория Камерлинга-Оннеса производила
жидкий гелий. В 30-х годах XX в. появились новые эффективные установки, в
частности известный турбодетандер П.Л. Капицы.
Переходим теперь к теоретическим достижениям. Здесь, прежде всего,
необходимо указать на интенсивное развитие термодинамики, которая из механической
теории теплоты превратилась в мощную теоретическую дисциплину, применимую не
только к механическим и тепловым, но и к другим областям физики и химии. Этой
мощью термодинамика обязана общности своих понятий и методов, приложимых к
любой конкретной физической системе независимо от ее структуры и состояния.
Так, уже Карно нашел и успешно применил метод циклов к исследованию тепловых
машин и получил результат, не зависящий от конкретного устройства машины. Me-
тод циклов позволил Клаузиусу получить результаты термодинамики весьма общего
характера.
В дальнейшем развитии термодинамики метод циклов широко использовался,
изобретались различные циклы, позволяющие получить надежные выводы о том или
ином физическом или химическом процессе. Наряду с методом циклов развился и
аналитический метод - метод термодинамических функций. Термодинамические
функции - это функции состояния системы, обладающие тем свойством, что при
переходе системы от одного состояния в другое их изменение не зависит от пути
перехода, и дифференциал таких функций есть полный дифференциал. Такой
функцией является потенциальная энергия в механике. Но еще до установления закона
сохранения энергии петербургский академик Герман Иванович Гесс (1802-1850),
изучая теплоту, выделяемую или поглощаемую при химических реакциях, нашел,
что, «каким бы путем ни совершалось соединение - имело ли место оно
непосредственно или происходило косвенным путем в несколько приемов, - количество
выделившейся при его образовании теплоты всегда постоянно». Этот принцип Гесс
нашел еще в 1836 г. Он обосновал его далее экспериментально и в 1840 г.
сформулировал в виде положения: «Когда образуется какое-либо химическое
соединение, то при этом всегда выделяется одно и то же количество тепла, независимо
от того, происходит ли образование этого соединения непосредственно или же
косвенным путем».
Этот термохимический закон Гесса может быть выражен аналитически, если
ввести функцию состояния - энтальпию, или тепловую функцию. Количество теплоты
не является функцией состояния, количество теплоты, выделяемое или
поглощаемое при физическом процессе, зависит от характера процесса. Но химическая
реакция наблюдается в условиях постоянного давления, и в этом случае,
действительно, количество теплоты не зависит от характера перехода и выражается
разностью значений энтальпии.
Однако энтальпия была введена в термодинамику значительно позже 1840 г.
Термодинамические функции - внутренняя энергия и энтропия - были введены
Клаузиусом. В 1869 г. Массье (1832-1896) прибавил к этим функциям две новые,
которые он назвал характеристическими. Если обозначить внутреннюю энергию
через V, энтропию через S, абсолютную температуру через Т, объем через V, а
давление через р, то функции Массье имеют вид:
(-U + TS)/T и (-U + TS - pV)/T.
Массье показал, что из функции такого вида могут быть выведены
термодинамические свойства жидкости. Дальнейший шаг был сделан американским физиком Гиб-
бсом.
Гиб б с
Джозайя Вилард Гиббс родился 11 февраля 1839 г. в
Нью-Гевене, штат Коннектикут, в семье профессора Гейль-
ского университета. В 1866 г. он уехал на три года в
Европу, был в Париже, учился в Берлине у Магнуса, в Гей-
дельберге у Кирхгофа и Гельмгольца и в 1869 г. вернулся
в Нью-Гевен, где в 1871 г. получил звание профессора
математической физики Иельского университета
Первые работы Гиббса, начиная с его докторской
диссертации, были посвящены технической механике. Став
профессором, он читал механику, волновую оптику, векторный
анализ, теорию электричества и магнетизма. В 1873 г.
появились его первые термодинамические работы
«Графические методы в термодинамике жидкостей» и «Метод
геометрического представления термодинамических свойств ве-
ществ при помощи поверхностей».
В первой из этих работ Гиббс развил графический метод, впервые примененный
Клапейроном в теории цикла Карно. Клапейрон представлял процессы цикла
графически в системе осей: объем-давление. Гиббс ввел диаграммы в переменных:
энтропия и температура, энтропия и объем, логарифмы объема, температуры и
давления. Цикл Карно в системе энтропия-температура изображался, как отмечал сам
Гиббс, «чрезвычайно простой фигурой - четырехугольником, в котором стороны
параллельны осям координат». Распространение графического метода на
термодинамику очень ценил Максвелл, отмечая, что Гиббсу «мы обязаны тщательным
исследованием различных методов представления термодинамических соотношений с
помощью плоских диаграмм». Особенно восхищался Максвелл второй работой Гиб-
бса, в которой Гиббс «предложил чрезвычайно плодотворный метод, а именно
исследование свойств любого вещества при помощи поверхности». Эту
термодинамическую поверхность, как ее называл Гиббс, он строил в системе осей, в которой
прямоугольные координаты различных точек поверхности были равны объему,
энтропии и энергии тела в его различных состояниях. Максвелл собственноручно
изготовил гипсовую термодинамическую поверхность воды и послал ее Гиббсу.
Термодинамическая поверхность воды (гипсовая модель) - это то,
что изготовил Максвелл и послал Гиббсу.
Заметим, что термодинамическая поверхность воды, по Гиббсу и Ван-дер-
Ваальсу, стала предметом кандидатского сочинения молодого русского физика Д.
А. Гольдгаммера, которое он закончил в 1882 г. Оно было опубликовано в
«Ученых записках» Московского университета в 1885 г.
В этой же работе Гиббс формулирует условие устойчивого равновесия
термодинамической системы в виде минимального значения функции U-TS+pV, которую мы
теперь называем термодинамическим потенциалом Гиббса. В большом исследовании
«О равновесии гетерогенных систем», публиковавшемся в 1875-1878 гг., Гиббс
развил и широко применил метод термодинамических функций. Указав, что такие
термодинамические функции, как энергия и энтропия, значительно облегчают
понимание законов, управляемых любой термодинамической системой, Гиббс
отмечает , что «разные значения энергии и энтропии в целом характеризуют то, что су-
щественно в действиях, производимых системой при переходе от одного состояния
к другому». Он пишет далее, что функция, выражающая способность системы
совершать механическую работу, «играет ведущую роль в теории равновесия».
Именно здесь Гиббс, комбинируя такие функции состояния, в современных
обозначениях:
1. F = U - TS
2. Н = U + PV
3. U - TS + pV.
Первую из этих функций переоткрыл Гельмгольц в 1882 г., назвал ее
«свободной энергией» и с ее помощью построил термодинамическую теорию
гальванического элемента.
Вторая функция получила название энтальпии или тепловой функции. С ее
помощью описывается процесс Джоуля-Томсона. Последняя функция называется
термодинамическим потенциалом Гиббса.
В своем исследовании Гиббс сформулировал условия равновесия гомогенной и
гетерогенной системы, состоящей из произвольного числа компонентов и фаз.
Термин «фаза» введен Гиббсом, под ним он понимает тела, характеризуемые
состоянием и составом, причем «мы считаем все тела отличающимися друг от друга
только количеством и формой, разными образцами одной и той же фазы».
Рассматривая условия равновесия гетерогенной системы, Гиббс находит правило
фаз, согласно которому система, состоящая из г фаз и п независимых
компонентов, «способна к n+2-r измерениям фаз», или, как принято говорить теперь,
имеет f = n+2-r степеней свободы.
Вскоре после окончания своего классического исследования, весной 1879 г.
Гиббс был избран членом Национальной Академии США, в 1880 г. - членом
Американской Академии наук и искусств в Бостоне. В благодарственном письме в
Бостонскую Академию Гиббс, между прочим, писал: «Ведущей идеей моей работы
«Равновесие гетерогенных систем» было выявление роли энергии и энтропии в теории
термодинамического равновесия. При их помощи легко выразить общее условие
равновесия, а приложение его к различным случаям приводит нас сразу к
специальным условиям, характеризующим эти случаи».
Научная слава Гиббса быстро росла после опубликования его термодинамических
работ. Он избирается членом многих зарубежных академий и научных обществ,
получает научные награды. В 1902 г. вышел фундаментальный труд Гиббса «Основы
статистической механики». 28 апреля 1903 г. Гиббс скончался.
После Гиббса термодинамика перестала быть только механической теорией
теплоты - она превратилась в весьма общую теоретическую систему, приложимую ко
всем физическим и химическим процессам. Гельмгольц, применивший в 1882 г.
свободную энергию к теории гальванического элемента, писал в статье «К
термодинамике химических процессов»: «Наиболее исчерпывающим и общим способом
термодинамические условия для молекулярных и химических процессов в системах
тел, состоящих или смешанных из произвольного числа простых веществ, были
развиты аналитически г-ном Д.В. Гиббсом (1878)».
М. Планк применил в 1888 г. метод Гиббса к теории разведенных растворов.
Читая лекции по теоретической физике в Колумбийском университете в Нью-Йорке
24 апреля 1909 г., он говорил: «Как глубоко охватывает это предложение
(принцип возрастания энтропии) все физические и химические отношения, на это лучше
и полнее других было указано Джоном Вилардом Гиббсом, одним их наиболее
знаменитых теоретиков всех времен не только Америки, но и всего мира».
Всеобгьемлемость принципов термодинамики, в частности второго начала,
заставляла физиков-теоретиков искать причины такой универсальной мощи
термодинамики. В результате в науке возникли два направления: феноменологическое и
атомистическое, феноменологическое направление не считало необходимым искать
более глубоких причин физических процессов, оно ограничивало задачу изучения
природы описанием явлений на основе экспериментально установленных принципов.
Успехи термодинамики привели к появлению энергетического направления в науке.
Энергетики Гельм, Оствальд и другие считали энергию основным понятием науки,
а такие понятия, как «материя», «сила», производными и даже излишними.
Что касается представления об атомах и молекулах, то энергетики, а также
венский физик Эрнст Мах, один из видных сторонников феноменологического
направления, считали эти представления продуктами чистой фантазии, аналогичными
представлениям о ведьмах и привидениях. Раскрывать понятия и законы
термодинамики с помощью молекулярно-кинетической теории они считали антинаучным
занятием .
Однако такие видные представители науки, как Клаузиус, Максвелл, а затем
Больцман, с успехом разрабатывали молекулярно-кинетическую теорию. Идея
молекулярного движения, происходящего по законам механики, вместе с тем
подсказывала мысль: обосновать термодинамику законами механики. Осуществлению этой
мысли посвятили усилия Клаузиус, Гельмгольц, Больцман и др. Здесь с самого
начала возникала трудность объяснения второго начала и необратимых процессов,
поскольку уравнения механики обратимы. Попытка истолковать второе начало с
помощью вариационного принципа Гамильтона не принесла ощутимых результатов.
Но Больцману удалось получить фундаментальный результат и заложить основы
статистической механики.
Больцман
Людвиг Больцман родился 20 февраля 1844 г. в Вене.
Учился он в университетах Вены, Гейдельберга и Берлина.
Еще студентом он публикует в Вене работы: «О движении
электричества в кривых поверхностях» (1865) и «О
механическом истолковании второго начала теории тепла» (1866).
Этой второй работой начался длительный цикл работ Больц-
мана по выяснению связи между термодинамикой и механикой.
Цель своей работы он формулирует так: «Дать чисто
аналитическое, совершенно общее доказательство второго начала
теории тепла и отыскать соответствующий ему принцип
механики» .
В 1867г. Больцман кончает университет и публикует
работу «О числе атомов в молекуле газа и внутренней работе в
газе». В 1868 г. он издает большую работу «Исследование равновесия живых сил
движущихся материальных точек» и другие статьи. Талант крупного теоретика
настолько ясно выразился в этих ранних работах Больцмана, что в следующем, 1869
г. двадцатипятилетний Больцман избирается профессором физики в Граце.
Отметим, что в Граце Больцман руководил кафедрой экспериментальной физики, на
которой была уже создана прекрасная физическая лаборатория, оборудованная всем
необходимым как для научных исследований, так и для студенческого практикума.
Он занимает здесь кафедру до 1873 г., затем возвращается в Вену, чтобы занять
Здесь кафедру математики. В Вене Больцман пробыл всего три года и в 1876 г.
вновь возвращается в Грац, где остается до 1889 г. В этот период он выполняет
свои важнейшие работы по статистической физике. С 1889 по 1894 г. Больцман -
профессор в Мюнхене, с 1894 по 1900 г. Больцман опять в Вене, откуда уезжает
на два года (1900-1902) в Лейпциг. В 1902 г. Больцман возвращается в Вену,
где живет до своей смерти, последовавшей 16 сентября 1906 г.
Фундаментальным вкладом Больцмана в физику является создание статистической
механики и статистического обоснования второго начала. Уже в ранней работе
«Исследование равновесия живых сил движущихся материальных точек» Больцман
ставит задачу «найти общую теорему для вероятности распределения положений и
скоростей таких движущихся материальных точек».
Таким образом, Больцман уже в возрасте двадцати четырех лет нашел закон
распределения, носящий теперь его имя. Больцман, основываясь на работе
Максвелла , обобщил его закон распределения, рассматривая газ в силовом поле.
Дальнейшее обобщение Больцман сделал в работе «О тепловом равновесии
многоатомных молекул газа». «Для случая, когда каждая молекула является одной
материальной точкой, - писал Больцман, - Максвелл определил вероятность
различных состояний». Больцман выписывает закон Максвелла в виде:
4у^1 Nehc'c7dc,
где N - число молекул в единице объема, с - скорость молекул, h -
константа, определяемая температурой. «Но встречающиеся в природе молекулы, - писал
Больцман, - отнюдь не являются простыми материальными точками. Мы, очевидно,
будем ближе к действительности, если будем рассматривать их как систему
нескольких материальных точек (так называемых атомов), которые удерживаются
вместе определенными силами. Тогда состояние молекулы в определенный момент
времени будет определяться не одной переменной, а многими». Максвелл в 1875
г. в статье «О динамическом доказательстве молекулярного строения тел»
присоединяется к результатам Больцмана. Он писал: «Опубликованные мной в 1860 г.
результаты подверглись затем более строгому исследованию доктора Людвига
Больцмана, применившего также свой метод к изучению движения сложных
молекул». Указав на трудности теории теплоемкости, Максвелл считает, что теорема
Больцмана дает возможность объяснить закон Дальтона, выравнивание температур
в вертикальном столбе газа и «открывает, по-видимому, путь в чисто химическую
область исследования».
Критические замечания Максвелла о кинетической теории теплоемкости также
примыкают к рассуждениям Больцмана. Больцман показал, что средняя
кинетическая энергия всех атомов, которые считаются точками, одна и та же и равна
Зп/2. Отсюда для двухатомных молекул отношение теплоемкостей Cp/Cv должно
равняться 1,33, а опыт дает для воздуха 1,41. Больцман считает это
расхождение обусловленным взаимодействием молекул с эфиром. Максвеллу это объяснение
кажется сомнительным.
В 1876 г. Больцман уточнил свою теорию теплоемкости. В статье «О природе
газовых молекул» он указал на противоречие своей теории с опытом и сослался
на обобщение его теоремы, сделанное Максвеллом и Уатсоном. Максвелл и Уатсон
понимали молекулу как систему, положение которой определяется п переменными
величинами, не зависящими от движения молекул. Это число п называется числом
степеней свободы. Для одноатомной молекулы число степеней свободы равно 3 и
отношение теплоемкостей равно 1 . Для двухатомных молекул число степеней
свободы равно пяти: «три координаты центра тяжести и две переменных,
определяющих направление центральной линии молекулы». Поэтому для них оно будет
1,4. Если молекулу представлять как твердое тело с шестью степенями свободы,
то тогда оно будет равно 1,33.
Теорема Больцмана о равномерном распределении кинетической энергии по
степеням свободы молекулы, лежащая в основе классической теории теплоемкости,
является важным результатом статистики Больцмана. Однако важнейшим
результатом многолетних исследований Больцмана по кинетической теории газов было
открытие им связи между энтропией и вероятностью. Упорные поиски механического
обоснования второго начала термодинамики увенчались успехом. Но это
обоснование потребовало введения понятия вероятности, и было достигнуто на путях
развития статистической механики.
Формулировка, развитие и защита теоремы, которая выражает связь между
энтропией и вероятностью данного состояния системы, составили дело жизни Больц-
мана. Оно началось с его юношеской работы 1866 г. и продолжалось до последней
статьи «Кинетическая теория материи», написанной в сотрудничестве с Ноблем
для «Математической энциклопедии». Статья была закончена в октябре 1905 г., и
выпуск «Энциклопедии», в котором она была опубликована, был снабжен кратким
сообщением «Памяти Людвига Больцмана», начинавшимся словами: «В этом выпуске
на первом месте помещена статья Больцмана о кинетической теории материи и
вместе с тем это последнее создание его рук».
Основная работа, в которой Больцман впервые формулирует свою теорему, - это
работа 1872 г. «Дальнейшее исследование теплового равновесия газовых
молекул» . Здесь Больцман со всей четкостью утверждает, что «проблемы механической
теории теплоты являются проблемами статистическими». Больцман выводит
основное уравнение для функции распределения f и показывает, что существует такая
функция Е, зависящая от логарифма f, которая всегда убывает и лишь при
достижении статистического равновесия остается постоянной. В этом состоянии
равновесия функция распределения совпадает с максвелло-больцмановским
распределением.
В статье 1877 г. «О связи второго начала механической теории теплоты с
исчислением вероятностей» Больцман подробно развивает свой статистический
метод. Он указывает в самом начале статьи, что связь между вторым началом
термодинамики и исчислением вероятностей «обнаруживается прежде всего в том,
что, как мною было показано, аналитическое доказательство второго начала
невозможно никакими другими способами, кроме тех, которые заимствуются из
теории вероятностей». Чрезвычайно интересно с исторической точки зрения введение
Больцманом в этой работе гипотезы, что молекула газа может терять и
приобретать только дискретные порции энергии, кратные некоторой наименьшей порции
энергии е (эпсилон). «Перед столкновением, - пишет Больцман, - каждая из
обеих сталкивающихся молекул имеет живую силу 0, или 8, или 2 е и т.д. ... или
ре, и вследствие какой-то причины будет происходить то, что и после
соударения никогда ни одна из сталкивающихся молекул не принимает живой силы, не
содержащейся в этом ряде». Так Больцман начинает свои статистические
рассуждения, оговариваясь, однако, что это фикция, которой не соответствует ничего
реального, но которая облегчает математическую трактовку проблемы. В
дальнейших вычислениях Больцман освобождается от гипотезы, полагая в пределе 8=0.
Больцман ставит задачу найти закон распределения, который позволяет знать,
как много из общего числа молекул п обладает энергией 0, е, 2е,... Он
подсчитывает, сколько комбинаций соответствует такому распределению состояний,
полагая, что число этих комбинаций определяет вероятность данного состояния.
Если бы Больцман считал молекулы газа неразличимыми, как это делал в
квантовой теории идеального газа Эйнштейн, и сохранил предположение о конечной
порции энергии, то он получил бы формулу статистики Бозе-Эйнштейна. Но
Больцман этого не сделал. Он считал неразличимыми между собой молекулы,
находящиеся в одном и том же энергетическом состоянии. Однако когда молекула одной
энергетической группы меняется местами с молекулой другой энергетической
группы, то, хотя распределение молекул не меняется, тем не менее, возникает
новая комплексия. Число комплексий, которым может быть осуществлено данное
состояние, и определяет, по Больцману, вероятность этого состояния. Таким
образом, она, по Больцману, определяется числом:
П!
w0!w,!w7!... '
где п - общее число молекул, w0 - число молекул, обладающих энергией,
равной нулю (Больцман считает энергию между 0 и 8, отступая от первоначальной
квантовой гипотезы), wi, - число молекул, обладающих энергией е (между 8 и 2
8) , и т.д. При этом п = Wi + w2 + w3 + ...
и общая энергия
L = ewi + 2ew2 + 3ew3 + ...
Логарифмируя выражение для вероятности, и определяя максимум этой
логарифмической функции при условии постоянства п и L, Больцман находит
распределение Максвелла-Больцмана, которое оказывается, таким образом, наиболее
вероятным распределением. Подсчитывая наиболее вероятное распределение скоростей,
Больцман вводит величину ©, равную среднему логарифму функции распределения,
взятой со знаком минус. Максимальное значение этой величины, которую Больцман
называет «мерой распределения», при условии постоянства числа молекул и их
общей кинетической энергии определяет наиболее вероятное распределение.
Величину, которую Больцман обозначал через Е и ©, в дальнейшем стали
обозначать Н, и она оказалась пропорциональной энтропии. Закон возрастания
энтропии у Больцмана получает простую интерпретацию: «Система стремится к
наиболее вероятному состоянию». Второе начало потеряло характер абсолютного
закона природы и стало статистическим законом. В природе возможны процессы,
происходящие в направлении убывания энтропии, и это, по мнению Больцмана,
избавляет Вселенную от тепловой смерти. Для космоса в целом тепловой смерти
нет. Взгляды и выводы Больцмана подвергались ожесточенной критике. Но вместе
с тем они воспринимались и развивались другими исследователями: Максвеллом,
Лоренцем, Планком. Планк дал простой вывод и простое точное выражение
соотношения между энтропией и вероятностью. В обозначениях Планка оно имеет вид:
S = klnW,
где S - энтропия, W - вероятность, к - постоянная, равная R/N, которую
Планк назвал в честь Больцмана постоянной Больцмана. Из соотношения Планка
исчезла неопределенная аддитивная константа, фигурирующая у Больцмана, и это
соответствует тепловой теореме Нернста. Формула соотношения между энтропией и
вероятностью, данная Планком, фигурирует сегодня во всех руководства и
монографиях как соотношение Больцмана.
В 1912 г. , читая лекции по статистическим теориям термодинамики в Париже,
Лоренц говорил об успехах кинетической теории газов. Он указывал, как бы
подводя итоги многолетней борьбы сторонников феноменологического описания с
приверженцами атомистики: «Теперь нельзя сомневаться в их существовании после
того, как «реальность молекул» стала фактом, почти что «наблюдаемым»
непосредственно; молекулы существуют для нас совершенно так же, как и многие
другие предметы, непосредственно нами не видимые, но в существовании которых наш
ум вовсе не сомневается». Далее Лоренц продолжал: «Основываясь на этих
блестящих результатах, можно поставить вопрос: нельзя ли найти закон Карно-Клау-
зиуса при помощи молекулярных теорий, понимая, конечно, последние в очень
широком смысле, так как общности результата должна каким-либо образом
соответствовать общность предпосылок? Австрийскому физику Больцману принадлежит
честь первого успешного подхода к этой задаче и установление связи между
понятием вероятности, определенным образом понимаемой, и термодинамическими
функциями, в частности энтропией. Рядом с ним нужно считать одним из
основателей этой новой ветви теоретической физики - статистической термодинамики -
Уилларда Гиббса. Далее следует упомянуть работы Пуанкаре, Планка и Эйнштейна.
Общий результат, который можно считать окончательно установленным, это
существование связи между энтропией некоторого состояния и вероятностью этого
состояния». К именам, упомянутым Лоренцем, следует добавить имена П. Эренфеста
и Т.А. Афанасьевои-Эренфест, которым принадлежит ряд работ по статистической
термодинамике, и в частности фундаментальная обзорная статья о принципиальных
основах статистического понимания, опубликованная в «Математической
энциклопедии» в 1911 г.
Все эти работы относятся к более позднему времени. Больцман же мог
прочитать и оценить лишь книгу Гиббса «Основные принципы статистической механики»,
вышедшую в 1902 г. Он пришел также к пониманию идей Планка, как об этом писал
сам Планк в своей автобиографии. Но все это происходило уже в XX в. , когда
физика переходила на новые пути, переживая мучительный кризис старого,
«классического» понимания природы.
В период жизни Больцмана был один физик, разрабатывавший проблемы, которыми
занимался и Больцман, и внимательно следивший за его работами. Это был сын
Знаменитого русского хирурга Н.И. Пирогова Н.Н. Пирогов (1843-1891). В ряде
работ, публиковавшихся в Журнале русского физико-химического общества за
1885-1890 гг., Пирогов рассматривал проблемы кинетической теории газов и
статистической термодинамики. В них он не только защитил результаты Больцмана,
но и уточнил и развил их, сформулировав ряд важных идей, найденных
статистической физикой позже. К сожалению, работы Пирогова, публиковавшиеся на
русском языке, остались малоизвестными и не оказали своевременного влияния на
развитие статистической термодинамики. Советские историки физики «открыли14»
Н.Н. Пирогова лишь в конце сороковых годов XX в.
Остановимся в заключение на развитии представлений о самом атоме. Максвелл,
Клаузиус, Больцман, Гиббс, развивая физическую атомистику, искали законы,
управляющие поведением коллектива атомов и молекул, делая по возможности
простые гипотезы о строении самих атомов. В XIX в. единственным средством
наблюдать взаимодействия атомов и определять их индивидуальные особенности были
химические реакции. Именно в недрах химической атомистики родилась первая
гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода (Праут, 1815) . Химия
выработала учение об элементе, определила атомные веса различных атомов, установила
характерные особенности различных элементов.
В 1859 г. было сделано важное открытие в оптике, физик Густав Кирхгоф
(1824-1887) и химик Роберт Бунзен (1811-1899) открыли спектральный анализ,
давший в руки химикам новое мощное средство исследования. Отметим, что это
открытие было сделано в Гейдельбергской физической лаборатории сначала с
флинт-призмой, отшлифованной самим Фраунгофером, а затем со спектральным
аппаратом с четырьмя фраунгоферовыми призмами, сконструированными Кирхгофом
совместно с Бунзеном. Сами Кирхгоф и Бунзен методом спектрального анализа
обнаружили элементы цезий (1860) и рубидий (1861). В 1861 г Крукс открыл
спектроскопическим путем таллий. Через два года Райх и Рихтер обнаружили индий.
Чрезвычайно интересна история открытия гелия. Кирхгофу впервые удалось
раскрыть загадку фраунгоферовых линий и показать, что они получаются в
результате поглощения лучей, испускаемых Солнцем, элементами, входящими в состав
солнечной атмосферы. Так было доказано присутствие на Солнце ряда химических
элементов. При наблюдении во время затмения соответствующие линии ярко
вспыхивают в спектре Солнца. Наблюдая в 1868 г. полное солнечное затмение,
французский астроном Жансен и английский астроном Локьер независимо друг от друга
открыли в спектре Солнца яркую желтую линию, не принадлежащую ни одному из
известных на Земле элементов. Локьер предположил, что эта линия испускается
элементом, встречающимся только на Солнце, который он предложил поэтому
назвать гелий (от греческого «гелиос» - Солнце). В 1895 г. английский химик
Рамзей, исследуя спектроскопически газы, выделяющиеся при обработке кислотой
минерала клевеита, нашел желтую линию гелия, который он в том же году выделил
химически из газовой смеси.
В 1869 г. было известно 63 химических элемента. В этом же году Д. И.
Менделеев открыл фундаментальный закон распределения элементов в систему,
которую он назвал периодической системой химических элементов.
См.: Спасский Б.И. Н.Н. Пирогов. — В кн.: Развитие физики в России. — М.:
Просвещение, 1970, с. 300-308.
Менделеев
Д.И. Менделеев родился 8 февраля 1834 г. в семье
директора Тобольской гимназии. Д.И. Менделеев учился на
физико-математическом факультете Петербургского
педагогического института. Среди его учителей были известный
математик М.В. Остроградский, физик Э.Х. Ленд, «отец русских
химиков» А. А. Воскресенский. В этой обстановке научное
дарование Менделеева развивалось быстро - и уже студентом
он выполнил первую работу о химическом составе минералов
ортита и пироксена. Институт он окончил с золотой медалью
в 1855 г. и по состоянию Здоровья вынужден был уехать в
Крым, а затем в Одессу, где работал учителем гимназии. На
юге здоровье Менделеева восстановилось, и в 1856 г. он
вернулся в Петербург. Успешно сдав магистерские экзамены,
он защитил диссертацию «Об удельных объемах». Затем он
защитил диссертацию «О строении кремнеземистых соединений» на звание доцента
Петербургского университета, в котором в 1857-1858 гг. читал курс
теоретической и органической химии.
В январе 1859 г. Менделеев был командирован за границу. Там он работал в
лабораториях Бунзена, Кирхгофа и Коппа, а также в организованной им домашней
лаборатории, в которой выполнил свое исследование по абсолютной температуре
кипения.
В 1860 г. Менделеев принял участие в съезде химиков в Карлсруэ, где Канниц-
царо, к которому примкнул и Менделеев, защищал теорию Авогадро-Жерара и новое
определение атомных весов. С этого съезда химики стали правильно определять
атомные веса элементов, что имело огромное значение для будущего великого
открытия Менделеева.
После двухлетнего пребывания за границей Менделеев вернулся в Петербург и
приступил к чтению курса органической химии в университете. В 1867 г. А.А.
Воскресенский уехал в Харьков попечителем учебного округа, и Менделеев занял
освободившуюся кафедру неорганической химии Петербургского университета. При
подготовке к чтению лекций университетского курса химии Менделеев рассуждал о
связи между химическими элементами и составил их картотеку, раскладывая
карточки «наподобие пасьянса». Он обратил внимание на периодичность в
расположении атомных весов и повторяемости свойств элементов. 17 февраля 1869 г. Д.И.
Менделеев составил карточку «Опыт системы элементов», которую и разослал
некоторым химикам. Сообщение Д.И. Менделеева Русскому химическому обществу
«Соотношение химических свойств с атомным весом элементов» сделал 6 марта (ст.
стиля) 1869 г. Н.А. Меншуткин. В этом сообщении Менделеев излагал историю
вопроса и причины, побудившие его им заняться.
«Предприняв составление руководства к химии, названного «Основы химии», -
писал Менделеев, - я должен был остановиться на какой-нибудь системе простых
тел, чтобы в распределении их не руководствоваться случайными, как бы
инстинктивными , побуждениями, а каким-либо точным началом».
Указав, что со времен Жерара и Канниццаро уж нет сомнения в значении
атомных весов элементов, «как это было несколько лет тому назад, когда атомный
вес столь часто смешивался с эквивалентом, и определялся на основании
разнородных часто противоположных начал», Менделеев пишет, что он «старался
основать систему по величине атомного веса элементов». Приведя результаты
предпринятых им проб, которые показали, что между естественными свойствами
элементов и величиной атомного веса существует некоторое точное отношение,
Менделеев заключает: «Все сличения, сделанные мною в этом направлении, приводят
меня к тому заключению, что величина атомного веса определяет природу элемен-
та настолько же, насколько вес частицы определяет свойства и многие реакции
сложного тела. Если это убеждение подтвердится дальнейшим применением
выставленного начала, то мы приблизимся к эпохе понимания существенного различия и
причины сходства элементарных тел».
Далее Менделеев пишет: «Отныне, мне кажется, приобретается еще новый
интерес в определении атомных весов, в открытии новых простых тел и в отыскании
новых между ними аналогий».
Так, уже в первом наброске системы, которую сам Менделеев не считал
«совершенно законченной», он ясно видел, что открытый им закон приближает эпоху
«понимания существенного различия и причины сходства элементарных тел» и что
он может служить путеводным началом в открытии новых, еще неизвестных
элементов . Менделеев в этом сообщении со всей определенностью писал: «Должно
ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например сходных с А1 и Si
элементов».
В качестве первого вывода из своего исследования Менделеев записал:
«Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную
периодичность их свойств». Такова первая формулировка периодического закона,
сыгравшего фундаментальную роль в истории атомной и ядерной физики.
Менделеев продолжал работать над развитием и укреплением своего закона. 3
декабря 1870 г. он выступил в заседании Русского химического общества с
сообщением «Естественная система элементов и ее применение к указанию свойств
некоторых элементов». Он предсказал существование экабора, открытого шведским
химиком Нильсоном в 1879 г. , названного скандием, экаалюминия, открытого
французским химиком Лекок де Буабодраном под названием талий в 1875 г. , и
экакремния, открытого в 1886 г. немецким химиком Винклером под названием
германий .
Американские ученые во главе с Сиборгом, открыв в 1955 г. элемент № 101,
назвали его менделевий «в знак признания пионерской роли великого русского
химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал периодическую систему
для предсказания химических свойств еще не открытых элементов - принцип,
который послужил ключом для открытия последних, или трансурановых элементов».
Великий автор периодического закона отличался необычайной разносторонностью
и широтой научной и общественной деятельности. Он был профессором
Петербургского университета, в котором совместно с A.M. Бутлеровым и Н.А. Меншуткиным
провел всю подготовительную работу по созданию новой химической лаборатории,
которая была построена в 1891-1894 гг., когда А.И. Менделеева уже не было в
университете. Он был вынужден уйти из университета в начале 1890 г. в знак
протеста против действий министерства народного просвещения в связи со
студенческими волнениями.
В 1893 г. Д.И. Менделеев был назначен хранителем Палаты мер и весов,
которая под его руководством превратилась в первоклассное научно-метрологическое
учреждение - Главную палату мер и весов, ныне Всесоюзный научно-
исследовательский институт метрологии и стандартизации (ВНИИМС).
Д.И. Менделеева глубоко интересовало развитие промышленности и экономики
России. Этому он посвятил немало трудов, активно участвуя в различных
правительственных комиссиях, в том числе и по выработке таможенного тарифа.
Нефтяное дело, металлургия, заводское дело, земледелие, промышленное развитие
России, ее народонаселение - все интересовало ученого, везде он оставил свой
неизгладимый след.
Кипучая, разносторонняя деятельность Дмитрия Ивановича Менделеева
оборвалась в 1907 г. 20 января 1907 г. он скончался в Петербурге от воспаления
легких.
С открытием спектрального анализа и периодического закона химических
элементов стало ясно, что атом представляет сложную структуру с внутренними дви-
жениями его составных частей, порождающих характерные спектры. Но прежде чем
приступить к изучению этой структуры, физике предстояло сделать новый шаг в
развитии электромагнитной теории. Этот шаг был сделан Максвеллом.
Возникновение и развитие
теории электромагнитного поля
Гипотеза поперечных световых волн Френеля поставила перед физикой ряд
трудных проблем, касающихся природы эфира, т.е. той гипотетической среды, в
которой распространяются световые колебания. Перед этими проблемами отступили на
задний план и вопросы, касающиеся природы материальных частиц, испускающих
световые волны, и задача отыскания механизма излучения в атомах и молекулах.
Нужно было ответить на такие вопросы: в каком направлении совершаются
колебания в линейно поляризованной волне? Почему нет продольных световых волн, и
какими свойствами должен обладать эфир, чтобы допускать только поперечные
волны? И, наконец, как ведет себя эфир по отношению к телам, движущимся через
него?
В послефренелевской оптике поискам ответов на эти вопросы было уделено
значительное внимание. При ответе на первый вопрос было сделано две гипотезы:
гипотеза Френеля и гипотеза Франца Неймана (1798-1895). Согласно гипотезе
Френеля, световые колебания в линейно поляризованной волне происходят в
направлении, перпендикулярном направлению плоскости поляризации. При этом эфир
в весомых телах и свободный эфир отличаются своей плотностью, упругость же
его остается неизменной. По гипотезе Неймана, колебания эфира совершаются в
плоскости поляризации, эфир в весомых телах и свободный эфир различаются
упругостью, а не плотностью.
Для объяснения поперечности световых волн предлагались различные гипотезы:
гипотеза абсолютно несжимаемого эфира, эфира, подобного сапожному вару, -
твердому для быстрых изменений и текучему для медленных изменений, эфира как
среды, наполненной гироскопами, и т.д. и т.п. По отношению к движущимся телам
эфир рассматривался как неподвижная среда, как среда, частично увлекаемая
телами, как среда, полностью увлекаемая. Все эти странные, противоречивые
гипотезы отнимали у физиков немало сил, и все же ученые даже не ставили такого
вопроса: а не бесплодны ли эти попытки? Существует ли вообще эфир?
Существование эфира казалось несомненным после крушения корпускулярной
теории света. Должна же быть среда, в которой распространяются световые
колебания. «Явления света после неудачной «теории истечения» объясняются как
колебания малейших частиц светящихся тел - колебания, которые передаются волнами
эфира». Такими словами начинал раздел «физическая оптика» своего учебника
«Введение в акустику и оптику» А.Г. Столетов. И это была общепринятая точка
зрения. Столетов далее в нескольких пунктах обосновывает «необходимость
допустить эту особую среду», т.е. эфир. Он уже знает об электромагнитной теории
света, знает, что «световые волны суть поперечные волны «электрических
колебаний» эфира, и хотя для него еще неясно, в чем состоит механизм этих
колебаний, тем не менее, он не сомневается в том, что носителем этих колебаний
служит эфир.
Лекции по акустике и оптике Столетов читал в 1880-1881 гг. «Введение в
акустику и оптику» вышло в 1895 г. В 1902 г. вышла вторая часть «Курса физики»
Н.А. Умова. В ней раздел, посвященный оптике, начинался словами: «Еще
сравнительно недавно тонкая невесомая материя, проникающая тела и наполняющая все
пространство, называемая эфиром, считалась местом исключительно одних
световых явлений. В настоящее время мы рассматриваем свет только как частный
случай явлений, возможных в эфире».
За год до выхода в свет «Введения» Столетова, в 1894 г. , был издан на не-
мецком языке курс электричества П. Друде (1863-1906), носящий заглавие
«физика эфира на электромагнитной основе». В 1901-1902 гг. Г.А. Лоренц читал в
Лейденском университете курс лекций «Теория и модели эфира». Они были изданы
на голландском языке в 1922 г., в английском переводе в 1927 г. и на русском
языке в 1936 г., т.е. тогда, когда эфир был давно уже похоронен теорией
относительности . Лоренц в заключительных словах своих лекций осторожно писал: «В
последнее время механическое объяснение происходящих в эфире процессов все
более отступает на задний план». Однако он полагал, что механические аналогии
«все же сохраняют некоторое значение». «Они, - писал Лоренц, - помогают нам
думать о явлениях и могут явиться источником идей для новых исследований».
Эта надежда Лоренца была опрокинута развитием современной теоретической
физики, выбросившей за борт наглядные модели и заменившей их математическим
описанием. Парадоксальным является тот исторический факт, что этот процесс
перехода к математическому описанию начал Максвелл, закладывавший основы
своей электромагнитной теории, разрабатывая конкретные механические модели
процессов в эфире. Обсуждая эти модели, Максвелл пришел к установлению
уравнений, отражающих немеханические процессы электромагнитных явлений. Подводя в
«Трактате по электричеству и магнетизму» итоги своих многолетних исследований
по теории электричества и магнетизма, Максвелл констатирует, что «внутренние
взаимосвязи различных отраслей подлежащей нашему изучению науки значительно
более многочисленны и сложны, чем любой до сих пор разработанной научной
дисциплины» , в том числе, очевидно, и механики. Более того, Максвелл пишет, что
законы науки об электричестве, «по-видимому, указывают на особую ее важность
как науки, помогающей объяснить природу». Значит, наряду с механикой теория
электричества, по Максвеллу, является фундаментальной наукой, «помогающей
объяснить природу». «Исходя из этого, - говорит Максвелл, - мне
представляется, что изучение электромагнетизма во всех его проявлениях как средство
движения науки вперед всегда приобретает особую важность». Со времени гениальных
открытий Фарадея широко продвинулось дело технических приложений
электричества. К моменту создания «Трактата» получил широкое распространение
электромагнитный телеграф, появились линии дальней связи: трансатлантический кабель,
связавший Европу и Америку (1866), индоевропейский телеграф, связавший Лондон
и Калькутту (1869), линия связи Европы с Южной Америкой (1872).
Появились и первые генераторы электрического тока: Кромвель и Варли (1866),
Сименс (1867) , Уитстон (1867) , Грамм (1870-1871) , а также электродвигатели,
начиная с двигателя русского академика Бориса Семеновича Якоби (1834) и
кончая двигателем с кольцевым якорем Пачинотти (1860). Наступала эпоха
электротехники. Но Максвелл имеет в виду не только и не столько быстрый прогресс
электротехники. Электромагнитные процессы все глубже проникали в науку: в
физику и химию. Наступала эпоха электромагнитной картины мира, сменившей
механическую .
Максвелл ясно видел фундаментальное значение электромагнитных законов,
осуществив грандиозный синтез оптики и электричества. Именно ему удалось свести
оптику к электромагнетизму, создав электромагнитную теорию света и проложив
тем самым новые пути не только в теоретической физике, но и в технике,
подготовив почву для радиотехники.
Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл принадлежал к знатному шотландскому роду. Его отец
Джон Клерк, принявший фамилию Максвелл, был человеком с разносторонними
культурными интересами, путешественник, изобретатель, ученый. 13 июня 1831 г. в
Эдинбурге у Максвеллов родился сын Джемс, будущий великий физик. Он рос
прирожденным естествоиспытателем. Отец поощрял любознательность сына, сам позна-
комил его с астрономией, учил наблюдать небесные светила в
Зрительную трубу. Он хотел готовить сына в университет
дома, но переменил намерение и отдал его в Эдинбургскую
академию, среднее учебное заведение типа классической
гимназии, когда Максвеллу было 10 лет. До пятого класса Джемс
учился без особого интереса. Лишь с пятого класса он
увлекся геометрией, мастерил модели геометрических тел,
придумывал свои методы решения задач. Еще будучи
пятнадцатилетним учеником, он представляет в Эдинбургское
Королевское общество исследование об овальных кривых. Этой
юношеской статьей 184 6 г. открывается двухтомное собрание
научных статей Максвелла.
В 1847 г. Максвелл поступил в Эдинбургский университет. К этому времени его
научные интересы определились, он увлекся физикой. В 1850 г. он сделал в
Эдинбургском Королевском обществе доклад о равновесии упругих тел, в котором,
между прочим, доказал известную в теории упругости и сопротивлении материалов
«теорему Максвелла». В этом же году Максвелл переводится в Кембриджский
университет, в знаменитый Тринити-колледж, воспитавший для человечества Ньютона
и многих других известных физиков.
В 1854 г. Максвелл вторым выдерживает выпускной экзамен. Он пишет своему
старшему другу Вильяму Томсону письмо, в котором сообщает, что, «вступив в
ужасное сословие бакалавров», решил «вернуться к физике» и, прежде всего,
«атаковать электричество». Он размышляет над кривизной поверхностей, цветным
Зрением и «Экспериментальными исследованиями Фарадея». Уже в 1855 г. он
посылает в Эдинбургское Королевское общество доклад «Опыты по цвету»,
конструирует цветовой волчок, разрабатывает теорию цветного зрения. В этом же году он
начал работать над мемуаром «О фарадеевых силовых линиях» (1855-1856), первую
часть которого он доложил Кембриджскому философскому обществу в 1855 г.
В 1856 г. умирает отец Максвелла, бывший ему не только отцом, но и близким
другом. В этом же году Максвелл получает профессуру в Абердинском
университете в Шотландии. Новая должность и заботы о наследственном имении отнимали
много времени. Тем не менее, Максвелл интенсивно работает в науке. В 1857 г.
он посылает Фарадею свой мемуар «О фарадеевских силовых линиях», очень
тронувший Фарадея. «Ваша работа приятна мне и оказывает мне большую поддержку»,
- писал он Максвеллу, Фарадей не ошибся: Максвелл оказал огромную поддержку
его идеям, он достойно завершил дело Фарадея.
Эйнштейн сравнивает имена Галилея и Ньютона в механике с именами Фарадея и
Максвелла в науке об электричестве. Действительно, аналогия здесь вполне
уместна . Галилей положил начало механике, Ньютон ее завершил. Оба они
отправлялись от системы Коперника, ища ее физическое обоснование, которое, в конце
концов, и было найдено Ньютоном.
Фарадей по-новому подошел к изучению электричества и магнитных явлений,
указывая на роль среды и вводя концепцию поля, описываемого им с помощью
силовых линий. Максвелл придал идеям математическую завершенность, ввел точный
термин «электромагнитное поле», которого еще не было у Фарадея, сформулировал
математические законы этого поля. Галилей и Ньютон заложили основы
механической картины мира, Фарадей и Максвелл - основы электромагнитной картины мира.
Электромагнитную теорию Максвелл развивает в работах «О физических линиях
силы» (1861-1862) и «Динамическая теория поля» (1864-1865). Эти работы он
писал уже не в Абердине, а в Лондоне, где получил профессуру в Кинг-колледже.
Здесь Максвелл встретился и с Фарадеем, который был уже стар и болен.
Максвелл, получив данные, подтверждающие электромагнитную природу света, послал
их Фарадею. Максвелл писал: «Электромагнитная теория света, предложенная им
(Фарадеем) в «Мыслях о лучевых вибрациях» (Phil. Mag., май 184 6) или «Экспе-
риментальных исследованиях» (Exp. Rec., p. 447), - это по существу то же, что
я начал развивать в этой статье («Динамическая теория поля» - Phil. Mag.,
1865), за исключением того, что в 1846 г. не было данных для вычисления
скорости распространения. Дж.К.М.». Максвелл признавал приоритет Фарадея в этом
открытии. Максвелл не мог знать о запечатанном письме Фарадея 1832 г. и
ссылался на его статью, опубликованную в 184 6 г. Но он со всей определенностью
утверждал, что Фарадей уже высказал то, что он дал в своей «Динамической
теории поля», за исключением количественных данных о совпадении скорости
распространения света с постоянным отношением электромагнитной и электростатической
единиц заряда и тока.
В 1865 г., когда появилась «Динамическая теория поля», с Максвеллом
произошел несчастный случай во время верховой езды. Он оставляет профессуру в
Лондоне и уезжает в свое имение Гленлэр, где продолжает статистические
исследования, начатые им еще в 1859 г.
В 1871 г. произошло важное событие. На средства потомка известного ученого
XVIII в. Генри Кавендиша - герцога Кавендиша была учреждена кафедра
экспериментальной физики в Кембриджском университете и начата постройка будущей
знаменитой лаборатории Кавендиша. Максвелл был приглашен первым профессором
Кавендиша. 8 октября 1871 г. он прочитал свою инавгуральную15 лекцию о функциях
экспериментальной работы в университетском образовании. Лекция оказалась
программой всей будущей деятельности лаборатории в обучении экспериментальной
физике. В этой деятельности Максвелл видит требование времени.
«Мы должны начать в лекционном зале с курса лекций в какой-нибудь отрасли
физики, пользуясь опытами как иллюстрацией, и закончить в лаборатории рядом
исследовательских опытов». Максвелл высказывает важные мысли о назначении
преподавателя. Главное для преподавателя - это сконцентрировать внимание
студента на проблеме. Полемизируя с противниками экспериментального обучения,
Максвелл заявляет, что если человек увлекается проблемой, вкладывает всю душу
в разрешение ее, если он понял главную пользу математики в применении ее для
объяснения природы, то не будет нанесен ущерб основной специальности, не
смутят экспериментальные знания веру в формулы учебников16, студент не будет
чрезмерно утомляться.
Максвелл начал свою деятельность в Кембридже с чтения лекций по теплоте.
Много времени он отдавал вопросам строительства и организации лаборатории. Он
изучал опыт создания лабораторий за границей и в своей стране, посетил
лабораторию Томсона, Кларендонскую лабораторию. Кларендонская лаборатория
послужила в значительной мере образцом для Кембриджской. 16 июня 1874 г. произошло
открытие лаборатории.
Лаборатория представляла собой основательное трехэтажное здание. В нижнем
этаже были расположены комнаты для исследований по магнетизму, маятникам,
теплоте. Здесь помещались кладовые, кухня, гостиная. На втором этаже - большая
лаборатория, комната и лаборатория профессора, лекционная и комната для
аппаратуры. На верхнем этаже были расположены лаборатория акустики, комнаты для
вычислений и графических построений, лучистой теплоты, оптики, электричества
и темная комната для фотографических работ. Все столы лаборатории покоились
на балках, независимых от пола, что позволяло производить очень тонкие
эксперименты. На крыше лаборатории был укреплен металлический шест. Все аудитории
присоединялись к нему, так что в любой момент можно было измерить потенциал
Возможно, в смысле - при вступлении в должность. Авгуры (лат. augures) — члены
почётной римской жреческой коллегии, выполнявшие официальные государственные гадания
(главным образом ауспиции) для предсказания исхода тех или иных мероприятий по ряду
природных признаков и поведению животных.
16 Еще как смутят.
атмосферного электричества. Подъемные двери в полах лаборатории делали
возможным тянуть провода между этажами, подвесить маятник Фуко и т. п. Конечно,
во всех лабораториях были газ, вода, свет.
Спустя три года после открытия лаборатории Максвелл писал, что она включает
все «инструменты, требуемые настоящим состоянием науки». Список этих приборов
был опубликован. По поводу этого списка Дж.Дж. Томсон говорил в 1936 г.: «Это
поразительный пример различия приборов, которые тогда считались совершенными,
с теми, какие имеются сейчас».
Старое здание Кавендишской лаборатории.
Кавендишская лаборатория, ставшая впоследствии крупным центром физической
науки, многим обязана своему первому профессору. У Максвелла была трудная
задача-создание новой кафедры экспериментальной физики. Новое всегда с трудом
пробивает себе дорогу. Наставники студентов последних курсов отговаривали их
идти в лабораторию. Этим объясняется то, что на первых порах в лабораторию
приходило мало людей. Сюда вначале пришли те, кто сдал математический грипос
и желал получить навыки практической работы (В. Хик, Г. Кристал, С. Саундер,
Д. Гордон, А. Шустер).
Так, Георг Кристал (1851-1911), позднее профессор математики Эдинбургского
университета, проверял справедливость закона Ома (эксперимент, подобранный
ему Максвеллом). Необходимость этой проверки возникла оттого, что были
исследования, которые бросали тень сомнения на справедливость этого закона.
Максвелл писал Кэмпбеллу, что Кристал «... непрерывно работал с октября, проверяя
Закон Ома, и Ом вышел из испытаний с триумфом».
Так же Кристал и С. Саундер в отчете Британской Ассоциации докладывали о
результатах сравнения единиц сопротивления с единицами Британской Ассоциации
- трудные исследования, которые позднее продолжили Глазебрук и Флеминг.
Позднее, в рэлеевское время, эти исследования распространились на всю область
электрических измерений и сделали Кавендишскую лабораторию центром по уста-
новлению стандартов электрических единиц.
Вообще все работающие у Максвелла, прежде чем приступить к оригинальным
исследованиям, проходили небольшой общий практикум, изучали приборы, измеряли
время, учились делать отсчеты и др., т.е. Максвелл закладывал основы будущего
общего практикума лаборатории.
Трудно переоценить значение деятельности Максвелла для будущего развития
Кавендишской лаборатории. Вильям Томсон в 1882 г. писал: «Влияние Максвелла в
Кембридже имело несомненный большой эффект в направлении математического
обучения в более плодотворные каналы, чем те, в которых они текли многие годы.
Его опубликованные научные статьи и книги, его работа как экзаменатора в
Кембридже, его профессорские лекции - все содействовало этому эффекту. Но выше
всего его работа в планировании и устройстве Кавендишской лаборатории. Здесь,
в самом деле, взлет физической науки в Кембридже в течение последних десяти
лет, и это целиком обусловлено максвелловским влиянием».
В должности кавендишского профессора Максвелл вел большую научную и
педагогическую работу. В 1873 г. вышел его главный труд «Трактат по электричеству и
магнетизму». Он начал писать популярное изложение своей теории «Электричество
в элементарном изложении», но закончить его не успел. Будучи в должности
кавендишского профессора, Максвелл извлек из архива неопубликованные работы
Кавендиша, в том числе его работу, где он за несколько лет до Кулона открыл
закон электрических взаимодействий. Максвелл повторил опыт Кавендиша с более
точным электрометром и подтвердил закон обратной пропорциональности квадрату
расстояния с высокой степенью точности. Мемуары Генри Кавендиша со своими
комментариями Максвелл опубликовал в 1879 г. В этом же году 5 ноября Максвелл
скончался от рака.
Максвелл был разносторонним ученым: теоретиком, экспериментатором,
техником. Но в истории физики его имя, прежде всего, ассоциируется с созданной им
теорией электромагнитного поля, которая так и называется теорией Максвелла
или максвелловской электродинамикой. Она вошла в историю науки наряду с
такими фундаментальными обобщениями, как ньютоновская механика, релятивистская
механика, квантовая механика, и знаменовала собой начало нового этапа в
физике. В соответствии с законом развития науки, сформулированным Аристотелем,
она поднимала познание природы на новую, высшую ступень и вместе с тем была
более непонятной, абстрактной, чем предшествующие теории, «менее явной для
нас», по выражению Аристотеля.
Это обстоятельство обусловило сравнительно долгое неприятие теории
Максвелла физиками17, и только после опытов Герца началось ее признание. Она
получила «права гражданства» в физике после опыта Майкельсона, после первых работ
Лоренца по электронной теории. Таким образом, ее усвоение совпало с началом
создания электронной и релятивистской физики. История созданной Максвеллом
теории переплетается с историей этих областей физики, ведущих к ее
современному состоянию.
Максвелл начал разрабатывать свою теорию в 1854 г. 20 февраля этого года он
в письме к своему старшему другу В. Томсону пишет о своем намерении
«атаковать электричество». В письме из Кембриджа от 13 ноября 1854 г. он пишет, что
ему, «новичку в электричестве», удалось разрешить «огромную массу сомнений»,
используя немного простых идей. «Я достаточно легко получил фундаментальные
принципы электричества напряжения» (т.е. электростатики), - говорит он и
сообщает Томсону, что ему очень помогла аналогия с теплопроводностью, найденная
Томсоном. Далее Максвелл сообщает, что хотя он восхищался, читая труды
Ампера, но хотел бы сам исследовать его воззрения «философски». Ему кажется, что
метод магнитных силовых линий Фарадея очень полезен для этой цели, однако
17 Справедливость уравнений Максвелла проверялась даже в середине XX века.
другие предпочитают пользоваться понятием непосредственного притяжения
элементов тока. Максвелл разрабатывает картину магнитных силовых линий,
генерируемых током, говорит о магнитном поле, вводит соответствующие понятия и
пишет математические уравнения.
Мысли, высказанные Максвеллом в этом письме, были разработаны в первой его
работе «О фарадеевских силовых линиях», написанной в Кембридже в 1855-1856
гг. Он ставит целью этой работы «показать, каким образом непосредственным
применением идей и методов Фарадея лучше всего могут быть выяснены взаимные
отношения различных классов открытых им явлений». В работе «О фарадеевских
силовых линиях» Максвелл строит гидродинамическую модель среды, передающей
электрические и магнитные взаимодействия. Ему удается описать стационарные
процессы с помощью наглядной картины движущейся жидкости. Заряды и магнитные
полюса в этой картине представляют собой источники и стоки текущей жидкости.
«Я старался, - писал Максвелл, - ...представить математические идеи в
наглядной форме, пользуясь системами линий или поверхностей, а не употребляя только
символы, которые и не особенно пригодны для изложения взглядов Фарадея и не
вполне соответствуют природе объясняемых явлений».
Однако для описания индукционных процессов фарадеевского электротонического
состояния модель оказалась непригодной, и Максвелл вынужден прибегнуть к
математической символике. Он характеризует электротоническое состояние с
помощью трех функций, которые называет электротоническими функциями или
составляющими электротонического состояния. В современных обозначениях эта
векторная функция соответствует вектору-потенциалу. Криволинейный интеграл этого
вектора вдоль замкнутой линии Максвелл называет «полной электротонической
интенсивностью вдоль замкнутой кривой». Для этой величины он находит первый
закон электротонического состояния: «Полная электротоническая интенсивность
вдоль границы элемента поверхности служит мерой количества магнитной
индукции, проходящей через этот элемент, или, другими словами, мерой числа
магнитных силовых линий, пронизывающих данный элемент».
Далее Максвелл пишет «уравнение магнитной проводимости», связывающее
магнитную индукцию В с вектором напряженности магнитного поля Н.
Третий закон связывает напряженность магнитного поля Н с силой создающего
ее тока I. Максвелл формулирует его так: «Полная магнитная интенсивность
вдоль линии, ограничивающей какую-нибудь часть поверхности, служит мерой
количества электрического тока, протекающего через эту поверхность». В
современных обозначениях это предложение описывается формулой, которая ныне
называется первым уравнением Максвелла в интегральной форме. Она отражает
экспериментальный факт, открытый Эрстедом: ток окружен магнитным полем.
Четвертый закон - это закон Ома.
Для характеристики силовых взаимодействий токов Максвелл вводит величину,
называемую им магнитным потенциалом. Эта величина подчиняется пятому закону:
«Полный электромагнитный потенциал замкнутого тока измеряется произведением
количества тока на полную электротоническую интенсивность вдоль цепи,
считаемую в направлении тока.
Шестой закон Максвелла относится к электромагнитной индукции:
«Электродвижущая сила, действующая на элемент проводника, измеряется производной по
времени от электротонической интенсивности, независимо от того, обусловлена ли
эта производная изменением величины или направления электротогмческого
состояния». В современных обозначениях этот закон выражается формулой,
представляющей собой второе уравнение Максвелла в интегральной форме. Заметим,
что электродвижущей силой Максвелл называет циркуляцию вектора напряженности
электрического поля. Максвелл обобщает закон индукции Фарадея-Ленца-Неймана,
считая, что изменение во времени магнитного потока (электротонического
состояния) порождает вихревое электрическое поле, существующее независимо от
того, есть ли замкнутые проводники, в которых это поле возбуждает ток, или
нет. Обобщения же закона Эрстеда Максвелл пока не дает.
Формулировку шести законов Максвелл заканчивает следующими словами: «Я
сделал попытку дать в этих шести законах математическое выражение той идеи,
которая, по моему мнению, лежит в основе хода мыслей Фарадея в его
«Экспериментальных исследованиях». Это утверждение Максвелла совершенно справедливо, как
справедливо и другое утверждение, что введение «математических функций для
выражения фарадеевского электротонического состояния и для определения
электродинамических потенциалов и электродвижущих сил» сделано им впервые.
Следующий шаг в развитии теории электромагнитного поля Максвелл сделал в
1861-1862 гг., опубликовав ряд статей под общим заглавием «О физических
силовых линиях». И здесь Максвелл прибегает к механической модели
электромагнитного поля. Но эта модель значительно сложнее, чем картина поля скоростей
движущейся жидкости, которую он разрабатывал в предыдущей работе. Максвелл
разрабатывал эту модель, используя в полной мере свой талант механика и
конструктора, и пришел к своим знаменитым уравнениям. «Максвелл, - писал Больцман,
- нашел свои уравнения в результате стремления доказать при помощи
механических моделей возможность объяснения электромагнитных явлений, исходя из
концепции близко действия, и только эти модели впервые указали путь к тем
экспериментам, которые окончательно и решительно установили факт близкодеиствия и
в настоящее время образуют наиболее простой и наиболее достоверный фундамент
найденных другим путем уравнений».
Найти уравнения Максвелла нетрудно, но «вывести» их невозможно, так же как
невозможно вывести законы Ньютона. Конечно, и уравнения Ньютона и уравнения
Максвелла могут быть выведены из других принципов, которые приходится
принимать без доказательства, но эти принципы, как и сами уравнения Максвелла или
Ньютона, представляют собой обобщения опыта. «Теория Максвелла - это
уравнения Максвелла», - сказал Герц.
В «физических линиях силы» Максвелл, прежде всего, обосновывает выражение
силы, действующей на каждый элемент среды, в которой находятся заряды, токи,
магниты. Максвелл мыслит среду заполненной молекулярными вихрями, силы,
действующие в этой среде в одной и той же точке, зависят от направления, они
носят, как мы теперь говорим, тензорный характер. Далее Максвелл записывает
свои знаменитые уравнения. Новым по сравнению с работой о фарадеевских линиях
силы здесь является четкое установление связи между изменениями магнитного
поля и возникновением электродвижущей силы. Его уравнение (точнее, «триплет»
уравнений для компонентов) определяет «отношения между изменениями состояния
магнитного поля и электродвижущими силами, ими обусловленными».
Другой важной новостью является введение понятий смещения и токов смещения.
Смещение, по Максвеллу, - это характеристика состояний диэлектрика в
электрическом поле. Полный поток смещения через замкнутую поверхность равен
алгебраической сумме зарядов, находящихся внутри поверхности. «Это смещение, -
пишет Максвелл, - не представляет собой настоящего тока потому, что, достигнув
определенной величины, оно остается постоянным. Но это есть начало тока, и
изменения смещения образуют токи в положительном или отрицательном
направлении в зависимости от того, увеличивается смещение или уменьшается». Так
вводится фундаментальное понятие тока смещения. Этот ток, так же как и ток
проводимости , создает магнитное поле. Поэтому Максвелл обобщает то уравнение,
которое ныне называется первым уравнением Максвелла, и вводит в первую часть
ток смещения.
Далее Максвелл считает поле носителем энергии, которая распространяется по
всему объему.
И, наконец, Максвелл находит, что в его упругой среде распространяются
поперечные волны со скоростью света. Этот фундаментальный результат приводит
его к важному выводу: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей
гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера,
столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов
физо, что мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из
поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и
магнитных явлений. Таким образом, в начале 60-х годов XIX в. Максвелл уже
нашел основы своей теории электричества и магнетизма и сделал важный вывод о
том, что свет представляет собой электромагнитное явление.
Продолжая разработку теории, Максвелл в 1864-1865 гг. опубликовал свою
«Динамическую теорию поля». В этой работе теория Максвелла принимает завершенный
вид и новый объект научного исследования, введенный Фарадеем, -
электромагнитное поле - получает точное определение. «Та теория, которую я предлагаю, -
пишет Максвелл, - может быть названа теорией электромагнитного поля, потому
что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные
тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она
допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении,
посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления.
Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе
и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».
Таково первое в истории физики определение электромагнитного поля. Фарадей
не употребляет термина «поле», он говорит о реальном существовании физических
линий силы. Только со времени Максвелла в физике появляется понятие поля,
которое служит носителем электромагнитной энергии.
Для описания поля Максвелл вводит скалярные и векторные функции координат.
Векторы он обозначает заглавными буквами немецкого готического шрифта, но в
вычислениях оперирует с их компонентами. Векторные уравнения он расписывает в
координатах, получая соответствующие тройки («триплеты») уравнений.
В «Трактате по электричеству и магнетизму» он дает сводку главных величин,
используемых в его электромагнитной теории. Термины, обозначения, самый
смысл, вкладываемый Максвеллом в содержание вводимых понятий нередко
значительно отличаются от современных. Так, величина «электромагнитный момент»,
или «электромагнитное количество движения» в точке, играющая в концепции
Максвелла фундаментальную роль, в современной физике, является вспомогательной
величиной, вектор-потенциалом. Правда, в квантовой теории она вновь получила
фундаментальное значение, но экспериментальная физика, радиотехника и
электротехника придают ей чисто формальное значение.
В теории Максвелла эта величина связана с магнитным потоком. Циркуляция
вектора-потенциала по замкнутому контуру равна магнитному потоку через
поверхность, охватываемую контуром. Магнитный поток обладает инерционными
свойствами, и электродвижущая сила индукции по правилу Ленца пропорциональна
скорости изменения магнитного потока, взятого с обратным знаком. Отсюда
напряженность индукционного электрического поля - Максвелл считает это выражение
аналогичным выражению для силы инерции в механике. Эта аналогия объясняет
термин, введенный Максвеллом для вектор-потенциала. Сами уравнения
электромагнитного поля в теории Максвелла имеют вид, отличный от современного.
В современной форме система уравнений Максвелла имеет следующий вид:
B-rotA, (1)
E-[vB}- _^-grady. (2)
Этими уравнениями вектор магнитной индукции В и вектор напряженности
электрического поля Е выражаются через векторный потенциал А и скалярный
потенциал ф. Максвелл выписывает далее выражение пондеромоторной силы, действующей
со стороны поля с магнитной индукцией на единицу объема проводника,
обтекаемого током.
К этому выражению он добавляет «уравнение намагничивания» и «уравнение
электрических токов» (ныне первое уравнение Максвелла).
Такова система уравнений Максвелла. Важнейший вывод из этих уравнений
заключается в существовании поперечных электромагнитных волн,
распространяющихся в намагниченном диэлектрике со скоростью:
Этот вывод получен им в последнем разделе «Динамической теории поля»,
носящем название «Электромагнитная теория света». «... Наука об электромагнетизме,
- пишет здесь Максвелл, - ведет к совершенно таким же заключениям, как и
оптика в отношении направления возмущений, которые могут распространяться через
поле; обе эти науки утверждают поперечность этих колебаний, и обе дают ту же
самую скорость распространения».
Таким образом, показатель преломления п, по Максвеллу, определяется
электрическими и магнитными свойствами среды. В немагнитном диэлектрике:
В «Трактате» Максвелл пишет: «По теории, согласно которой свет есть
электромагнитное возмущение, распространяющееся в той же самой среде, через
которую распространяются другие электромагнитные действия, V должно быть
скоростью света, численное значение которой может быть определено различными
методами. С другой стороны, v - число электростатических единиц в одной
электромагнитной единице и методы определения этой величины были описаны в
предыдущей главе. Они являются совершенно независимыми методами определения скорости
света. Следовательно, совпадение или несовпадение величины V и v обеспечивает
проверку электромагнитной теории света».
Максвелл дает сводку определений V и v, из которой следует, что «скорость
света и отношение единиц имеет тот же порядок величины». Хотя Максвелл не
считает это совпадение достаточно точным, он надеется, что в дальнейших
экспериментах соотношение между обеими величинами может быть определено более
точно. Во всяком случае, имеющиеся данные не опровергают теории. Но в
отношении закона Максвелла дело обстояло хуже. Был один экспериментальный
результат , полученный при определении диэлектрической проницаемости парафина. Она
оказалась равной 1,975. С другой стороны, значения показателя преломления
парафина для фраунгоферовых линий - A, D, Н оказались равными 1,420 вместо
V\&7$- 1,405,
Эта разница достаточно велика, и ее нельзя отнести за счет ошибки
наблюдения. Максвелл считал ее указанием на необходимость значительного улучшения
теории строения вещества, «прежде чем мы сможем выводить оптические свойства
тел из их электрических свойств». Это очень тонкое и глубокое замечание
полностью оправдалось в истории физики.
Во времена Максвелла еще не была открыта длинноволновая область
электромагнитного спектра и для нее, естественно, не были промерены значения показателя
преломления. Однако в оптической области была уже обнаружена аномальная
дисперсия, показавшая, что показатель преломления весьма сложным образом зависит
от частоты. Требовались разносторонние экспериментальные и теоретические
исследования, чтобы сказать со всей определенностью о справедливости закона
Максвелла. Сам Максвелл был глубоко убежден в правильности своих выводов, и
его не смущали отступления экспериментальных данных от теоретических
значений. Он внимательно следил за исследованиями в этой области, хотя и
предупреждал : «Мы едва можем надеяться даже на приблизительную проверку, если будем
сравнивать результаты наших медленно протекающих электрических опытов со
световыми колебаниями, совершающимися биллионы раз в секунду». Тем не менее, он
приветствовал результаты Больцмана, измерившего диэлектрические проницаемости
газов и показавшего справедливость для ряда газов максвелловского соотношения
п2 = 8. Он включил результаты Больцмана в свой последний труд «Электричество
в элементарном изложении», изданный посмертно. Сюда же включил и результаты
русских физиков Н.Н. Шиллера (1848-1910) и П.А. Зилова (1850-1921).
Н.Н. Шиллер в 1872-1874 гг. измерял диэлектрическую постоянную ряда веществ
в переменных электрических полях с частотой порядка 10 Гц. Для ряда
диэлектриков он нашел приблизительное подтверждение закона п2 = 8, но для других,
например для стекла, расхождение было весьма значительным. П.А. Зилов в 1876
г. измерил диэлектрические постоянные для некоторых жидкостей. Для терпентина
он нашел: е = 2,21, е = 1,49, п = 1,456. Зилов прекрасно понимал, что длина
электрических волн «бесконечно велика сравнительно с длиной световых волн», и
закон Максвелла он формулирует так: «Квадратный корень из диэлектрической
постоянной изолятора равняется его показателю преломления для лучей бесконечно
длинной волны».
Н.Н. Шиллер и П.А. Зилов были учениками Столетова. Сам Столетов глубоко
интересовался теорией Максвелла и предпринял измерение отношения единиц в целях
подтверждения вывода Максвелла. В России теория Максвелла встретила
сочувствие и понимание, и русские физики много способствовали ее успеху.
В теории Максвелла энергия распределена в пространстве с объемной
плотностью. Очевидно, что электромагнитная волна, распространяясь в пространстве,
несет с собой энергию. Максвелл утверждал, что, падая на поглощающую
поверхность, волна производит давление на эту поверхность, равное объемной
плотности энергии. Этот вывод Максвелла встретил критику со стороны В. Томсона
(Кельвина) и других физиков. Как мы увидим далее, русский физик П.Н. Лебедев
доказал правоту Максвелла.
Учение о движении энергии было разработано русским физиком Н.А. Умовым.
Умов
Николай Алексеевич Умов родился 23 января 184 6 г. в
семье симбирского врача. По окончании в 1863 г. Первой
московской гимназии Умов поступил в Московский
университет, который окончил в 1867 г. кандидатом. В 1871 г. Умов
защищает магистерскую диссертацию «Теория
термомеханических явлений в твердых упругих телах» и избирается
доцентом Новороссийского университета в Одессе. В 1874 г. он
защищает докторскую диссертацию «Уравнения движения
энергии в телах». Диспут был трудным. Идея движения энергии
казалась неприемлемой даже таким физикам, как А.Г.
Столетов. В 1875 г. Умов становится экстраординарным, а в 1880
г. ординарным профессором Новороссийского университета. В
1893 г. он переезжает в Москву в связи с избранием его
профессором университета. Через три года он занимает
кафедру физики, освободившуюся после смерти Столетова.
Под руководством Умова проектируется и строится здание физического
института университета. Умер Умов 15 января 1915 г.
В своей работе «Уравнения движения энергии в телах» Умов рассматривает
движение энергии в среде с равномерным распределением энергии по всему объему,
так что каждый элемент объема среды «заключает в данный момент определенное
количество энергии». Умов обозначает объемную плотность энергии через Э, а
через 1х, 1у, lz - «слагающие по прямоугольным осям координат х, у и z скоро-
сти, с которой энергия движется в рассматриваемой точке среды». Умов
устанавливает далее дифференциальное уравнение, которому подчиняется изменение
плотности энергии Э во времени:
ёЭ d3L dOL d3l.
1 + L + L
di dx dy dz
Так же как и Максвелл, Умов обозначает частные производные через
d3 d31x
dt dx
Сегодня мы пишем наоборот:
дЭ dlL d'J/„ дЭ1,
т ±. + L + _
dt дх ду дг
и для всего объема:
Ш—^-dxdydz + /р/я</о=0
Таким образом, изменение энергии внутри объема определяется ее потоком
через поверхность. Через каждую единицу поверхности в единицу времени течет
количество энергии, равной нормальной составляющей вектора Э1. Этот вектор ныне
называется вектором Умова.
17 декабря 1883 г. Рэлей представил Королевскому обществу сообщение Джона
Пойнтинга (1852-1914) «О переносе энергии в электромагнитном поле». Это
сообщение было прочитано Пойнтингом 10 января 1884 г. и опубликовано в трудах
общества в 1885 г., т.е. спустя 11 лет после публикации Умова. Не зная этой
публикации, появившейся в Одессе в 1874 г. отдельной брошюрой, Пойнтинг
решает тот же вопрос применительно к случаю движения электромагнитной энергии.
Исходя из максвелловского выражения для объемной плотности электромагнитной
энергии, Пойнтинг находит теорему, которую формулирует следующим образом:
«Изменение суммы заключенных внутри поверхности электрической и магнитной
энергий в секунду вместе с теплом, развиваемым токами, равно величине, в
которую каждый элемент поверхности вносит свою долю, зависящую от значений
электрической и магнитной силы на этом элементе».
Это означает, что «энергия течет... перпендикулярно к плоскости, содержащей
линии электрической и магнитной сил, и что количество энергии, пересекающее
единицу поверхности этой плоскости в секунду, равно произведению:
(электродвижущая сила) х (магнитная сила) х (синус угла между ними,
деленному на 4) ,
в то время как направление потока определяется тремя величинами -
электродвижущей силой, магнитной силой и потоком энергии, связанными в правовинтовую
связку».
В современных обозначениях вектор потока энергии Пойнтинга по модулю и
направлению определяется выражением18:
с
В нашей литературе этот вектор называют вектором Умова-Пойнтинга.
Говоря о достижениях теории близкодействия, к которым относится и теория
Максвелла, не следует забывать, что эта теория не пользовалась поддержкой
большинства ведущих физиков. Максвелл в предисловии к первому изданию своего
«Трактата по электричеству и магнетизму», датированном 1 февраля 1873 г.,
писал, что метод Фарадея равноправен методу математиков, трактующих
электричество в терминах действия на расстоянии. «Я нашел, - писал Максвелл, - что ре-
В системе СГС.
зультаты обоих методов вообще совпадают, так что ими объясняются одни и те же
явления и обоими методами выводятся одни и те же законы». Однако он
подчеркивает, что плодотворные методы, найденные математиками, «могут быть выражены в
терминах представлений, заимствованных у Фарадея, много лучше, чем в их
первоначальной форме». Такова, по мнению Максвелла, теория потенциала, если
потенциал рассматривать как величину, удовлетворяющую дифференциальному
уравнению в частных производных. Максвелл предпочитает и защищает метод Фарадея.
«Этот путь, хотя он и может показаться в некоторых частях менее определенным,
находится, как я думаю, в более верном соответствии с нашими действительными
познаниями как в том, что он утверждает, так и в том, что он оставляет
нерешенным». Заканчивая свой трактат разбором теории дальнодействия, Максвелл
указывает, что все они находились в оппозиции к концепции поля, были «против
предположения о существовании среды, в которой распространяется свет». Но
Максвелл утверждает, что концепция дальнодействия неизбежно сталкивается с
вопросом: «Если что-то распространяется на расстояние от одной частицы к
другой, то в каком оно будет состоянии, когда оно покинуло одну частицу и не
достигло еще другой?». Максвелл считает, что единственно разумным ответом на
этот вопрос является гипотеза промежуточной среды, передающей действие одной
частицы на другую, гипотеза близкодействия. Если принять эту гипотезу, то
она, как думает Максвелл, «должна занять видное место в наших исследованиях,
и мы должны попытаться составить себе мысленное представление обо всех
деталях этого действия». «И это было, - заканчивает Максвелл, - моей постоянной
целью в этом трактате».
Таким образом, уже в «Трактате» Максвелл констатирует наличие серьезной
оппозиции среди сторонников дальнодействия новым идеям. Он ясно чувствует, что
новая концепция поля означает поднятие нашего понимания электромагнитных
явлений на новый высший уровень, и в этом он, безусловно, прав. Но этот новый
уровень, вводя неясную, не ощутимую непосредственно нами концепцию поля,
уводит нас дальше от обычных чувственных представлений, от привычных понятий.
Повторилось еще раз указание Аристотеля, что познание идет к «более явному по
природе», но «менее явному для нас». Потребовались новые результаты, чтобы
теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе максвеллов-
ской теории сыграл немецкий физик Генрих Герц.
Герц
Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 г. в семье
адвоката позже ставшего сенатором. В эпоху Герца в
объединенной Германии интенсивно развивались промышленность,
наука и техника. В Берлинском университете Гельмгольц
создал мировую научную школу, под его руководством был
выстроен в 1876 г. физический институт19.
Тогда же Вернер Сименс (1816-1892) интенсивно работал в
области электротехники сильных токов. Сименс был
организатором крупнейших электротехнических фирм «Сименс и Галь-
ске», «Сименс и Шункерт». Он был вместе с Гельмгольцем
одним из инициаторов создания физико-технического института, высшего
метрологического учреждения Германии. Друг и родственник Сименса, Гельмгольц был
первым президентом этого института.
В среду этих лидеров немецкой науки и техники вошел и Герц. По окончании в
1875 г. гимназии Герц учился сначала в Дрезденском, а потом в Мюнхенском выс-
19 О создании и устройстве физического института Гельмгольца см. в кн. : Лебединский
А.В. и др. Гельмгольц. — М.: Наука 1966, с. 148-153.
шем техническом училище. Но скоро он понял, что его призвание - наука, и
перешел в Берлинский университет, где изучал физику под руководством Гельмголь-
ца.
Герц был любимым учеником Гельмгольца, и именно ему Гельмгольц поручил
проверить экспериментально теоретические выводы Максвелла. Герц начал свои
знаменитые опыты, будучи профессором Высшей технической школы в Карлсруэ, и
заканчивал их в Бонне, где был профессором экспериментальной физики.
Умер Герц 1 января 1894 г. Его учитель Гельмгольц, написавший некролог на
своего ученика, скончался в том же году 8 сентября.
Гельмгольц в своем некрологе вспоминает начало научного пути Герца, когда
он предложил ему тему для студенческой работы из области электродинамики,
«будучи уверен, что Герц заинтересуется этим вопросом и успешно его
разрешит». Таким образом, Гельмгольц ввел Герца в ту область, в которой ему
впоследствии пришлось сделать фундаментальные открытия и обессмертить себя.
Характеризуя состояние электродинамики в то время (лето 1879 г.), Гельмгольц
писал: «... Область электродинамики превратилась в то время в бездорожную
пустыню, факты, основанные на наблюдениях и следствиях из весьма сомнительных
теорий, - все это было вперемешку соединено между собой». Заметим, что эта
характеристика относилась к 1879 г. - году смерти Максвелла. Герц родился как
ученый именно в этот год. Решающее подтверждение максвелловскои теории было
еще впереди.
Пока же молодому ученому в работах «Попытка определения верхней границы для
кинетической энергии течения электричества» (1880), докторской диссертации
«Об индукции во вращающихся телах» (март 1880), «Об отношении максвелловских
электродинамических уравнений к противоположной электродинамике» (1884)
приходилось пробираться по «бездорожной пустыне», нащупывая мосты между
соперничающими теориями. В работе 1884 г. Герц показывает, что максвелловская
электродинамика обладает преимуществами по отношению к обычной, но считает
недоказанным, что она единственно возможная. В дальнейшем Герц, однако,
остановился на компромиссной теории Гельмгольца. Гельмгольц взял у Максвелла и Фа-
радея признание роли среды в электромагнитных процессах, но в отличие от
Максвелла считал, что действие незамкнутых токов должно быть отлично от действия
Замкнутых токов. Действие замкнутых токов выводится из обеих теорий
одинаково, в то время как для незамкнутых токов, по Гельмгольцу, должны наблюдаться
различные следствия из обеих теорий. «Для каждого, кто знал в то время
действительное положение дел, - писал Гельмгольц, - было ясно, что полного
понимания теории электромагнитных явлений можно будет достичь только путем точного
исследования процессов, связанных с этими мгновенными незамкнутыми токами».
Этот вопрос изучал в лаборатории Гельмгольца Н.Н. Шиллер, посвятивший этому
исследованию свою докторскую диссертацию «Диэлектрические свойства концов
разомкнутых токов в диэлектриках» (1876) . Шиллер не обнаружил различия между
замкнутыми и незамкнутыми токами, как это и должно было быть по теории
Максвелла . Но, видимо, Гельмгольц не удовлетворился этим и предложил Герцу вновь
заняться проверкой теории Максвелла и взяться за решение задачи, поставленной
в 1879 г. Берлинской Академией наук: «показать экспериментально наличие
какой-нибудь связи между электродинамическими силами и диэлектрической
поляризацией диэлектриков». Подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект даже при
наиболее благоприятных условиях будет слишком мал, и он «отказался от
разработки задачи». Однако с этих пор он не переставал думать о возможных путях ее
решения и его внимание «было обострено в отношении всего, что связано с
электрическими колебаниями».
Действительно, при низких частотах эффект тока смещения, а именно в этом
основное отличие теории Максвелла от теории дальнодействия, ничтожен, и Герц
правильно уяснил, что для успеха решения задачи нужны высокочастотные элек-
трические колебания. Что было известно об этих колебаниях?
В 1842 г. американский физик Дж. Генри, повторяя опыты Савара 1826 г. ,
установил, что разряд лейденской банки «не представляется... единичным
переносом невесомого флюида с одной обкладки банки на другую» и что необходимо
допустить «существование главного разряда в одном направлении, а затем
несколько отраженных действий назад и вперед, каждое из которых является более
слабым, чем предыдущее, продолжающихся до тех пор, пока не наступит равновесие».
Гельмгольц в мемуаре «О сохранении силы» также констатирует, что разряд
батареи лейденских банок следует представлять «не как простое движение
электричества в одном направлении, а как движение его туда и обратно между обеими
обкладками, как колебания, которые все более и более уменьшаются, пока вся их
живая сила не уничтожается суммой сопротивлений».
В. Томсон в 1853 г. исследовал разряд проводника заданной емкости через
проводник данной формы и сопротивления. Применяя к процессу разряда закон
сохранения энергии, он вывел уравнение разрядного процесса в следующем виде:
d7q к dq 1
где q - количество электричества на разряжаемом проводнике в данный момент
времени t, С - емкость проводника, к - гальваническое сопротивление
разрядника, А - «постоянная, которую можно назвать электродинамической емкостью
разрядника» и которую мы сейчас называем коэффициентом самоиндукции или
индуктивностью. Томсон, анализируя решение этого уравнения при различных корнях
характеристического уравнения, находит, что когда величина
А* **
а'= (тех - -^)
имеет действительное значение (1/СА > (к/2А)2), то решение показывает, «что
главный проводник теряет свой заряд, заряжается меньшим количеством
электричества обратного знака, снова разряжается, опять оказывается заряженным еще
меньшим количеством электричества первоначального знака, и это явление
повторяется бесконечное число раз, пока не установится равновесие». Циклическая
частота этих затухающих колебаний:
Таким образом, период колебаний можно представить формулой:
1
Г-2я -
\' СЛ 4Л2
При малых значениях сопротивления получаем известную формулу Томсона:
Т = 2kVAC.
Электромагнитные колебания были экспериментально исследованы В. Феддерсеном
(1832-1918) , который рассматривал изображение искрового разряда лейденской
банки во вращающемся зеркале, фотографируя эти изображения. Феддерсен
установил, что «в электрической искре имеют место попеременно противоположные токи»
и что время одного колебания «увеличивается в той мере, как возрастает корень
квадратный из электризуемой поверхности», т.е. период колебаний
пропорционален корню квадратному из емкости, как это и следует из формулы Томсона.
Недаром Томсон, переиздавая в 1882 г. свою работу «О преходящих электрических
токах», рассмотренную выше, снабдил ее примечанием, датированным 11 августа
1882 г.: «Теория колебательного электрического разряда, рассмотренная в этой
статье 1853 г., приобрела вскоре интересную иллюстрацию в прекрасном
фотографическом исследовании электрической искры, выполненной Феддерсеном». Далее
Томсон указывает, что его теория «была подвергнута очень важному и
замечательно выполненному экспериментальному исследованию в лаборатории Гельмгольца
в Берлине», ссылаясь на работу Н.Н. Шиллера 1874 г. «Некоторые
экспериментальные исследования электрических колебаний». Томсон отмечает, что среди
других «значительных результатов» этого исследования «были определены из
измерений периодов наблюдаемых колебаний удельные индуктивные емкости (т.е.
диэлектрические проницаемости) некоторых твердых изолирующих веществ».
Таким образом, к началу исследований Герца электрические колебания были
изучены и теоретически и экспериментально. Герц с его обостренным вниманием к
этому вопросу, работая в высшей технической школе в Карлсруэ, нашел в
физическом кабинете пару индукционных катушек, предназначавшихся для лекционных
демонстраций. «Меня поразило, - писал он, - что для получения искр в одной
обмотке не было необходимости разряжать большие батареи через другую и более
того, что для этого достаточны небольшие лейденские банки и даже разряды
небольшого индукционного аппарата, если только разряд пробивал искровой
промежуток» . Экспериментируя с этими катушками, Герц пришел к идее своего первого
опыта.
Экспериментальную установку и сами опыты Герц описал в опубликованной в
1887 г. статье «О весьма быстрых электрических колебаниях». Герц описывает
здесь способ генерации колебаний, «приблизительно в сто раз быстрее
наблюденных Феддерсеном». «Период этих колебаний, - пишет Герц, - определяемый,
конечно, лишь при помощи теории, измеряется стомиллионными долями секунды.
Следовательно, в отношении продолжительности они занимают среднее место между
Звуковыми колебаниями весомых тел и световыми колебаниями эфира». Однако ни о
каких электромагнитных волнах длиной порядка 3 м Герц в этой работе не
говорит. Все, что он сделал, это сконструировал генератор и приемник
электрических колебаний, изучая индукционное действие колебательного контура
генератора на колебательный контур приемника при максимальном расстоянии между ними 3
м.
1
с
< )о О
С
а
—Ц> oJ—
В
М
с'
о ос >
а
ъ
Опыт Герца.
Колебательный контур в окончательном опыте представлял собой проводники С и
С1, находящиеся на расстоянии 3 м друг от друга, соединенные медной
проволокой, в середине которой находился разрядник индукционной катушки А. Приемник
представлял собой прямоугольный контур (a-c-d-b) со сторонами 80 и 120 см, с
искровым промежутком в одной из коротких сторон. Индукционное действие
генератора на приемник обнаруживалось слабой искоркой в этом промежутке.
Затем Герц сделал приемный контур в виде двух шаров диаметром 10 см,
соединенных медной проволокой, в середине которой был искровой промежуток.
Описывая результаты опыта Герц заключал: «Я думаю, что здесь впервые было показано
на опыте взаимодействие прямолинейных разомкнутых токов, имеющее такое
большое значение для теории». В самом деле, как мы знаем, именно разомкнутые цепи
позволили сделать выбор между конкурирующими теориями. Однако Герц ни в этой
первой работе, ни в трех последующих о максвелловских электромагнитных волнах
не говорит, он их еще не видит. Он говорит пока о «взаимодействии»
проводников и рассчитывает это взаимодействие по теории дальнодействия. Проводники, с
которыми здесь работает Герц, вошли в науку под названием вибратор и
резонатор Герца. Резонатором проводник называется по тому, что наиболее сильно
возбуждается колебаниями, резонирующими с его собственными колебаниями.
- А
I
i
Вибратор и резонатор Герца.
В следующей работе «О влиянии ультрафиолетового света на электрический
разряд», поступившей в «Протоколы Берлинской Академии наук» 9 июня 1887 г., Герц
описывает важное явление, открытое им и получившее впоследствии название
фотоэлектрического эффекта. Это замечательное открытие было сделано благодаря
несовершенству герцевского метода детектирования колебаний: искры,
возбуждаемые в приемнике, были настолько слабы, что Герц решил для облегчения
наблюдения поместить приемник в темный футляр. Однако оказалось, что максимальная
длина искры при этом значительно меньше, чем в открытом контуре. Удаляя
последовательно стенки футляра, Герц заметил, что мешающее действие оказывает
стенка, обращенная к искре генератора. Исследуя тщательно это явление, Герц
установил причину, облегчающую искровой разряд приемнику - ультрафиолетовое
свечение искры генератора. Таким образом, чисто случайно, как пишет сам Герц,
был открыт важный факт, не имевший прямого отношения к цели исследования.
Этот факт сразу же привлек внимание ряда исследователей, в том числе профес-
Ф
• ?
I " l
сора Московского университета А.Г. Столетова, особенно тщательно
исследовавшего новый эффект, названный им актиноэлектрическим.
Столетов
С Александр Григорьевич Столетов родился 10 августа 1839
г. во Владимире в купеческой семье. По окончании
Владимирской гимназии Столетов поступил на физико-
£ щ математический факультет Московского университета и был
оставлен там для подготовки к преподавательской
деятельности. С 1862 по 1865 г. Столетов был в заграничной
командировке, во время которой познакомился с видными
учеными Германии Кирхгофом, Магнусом и другими. В 1866 г.
Столетов становится преподавателем университета и читает
курс математической физики. В 1869 г. он защищает
магистерскую диссертацию «Общая задача электростатики и ее
приведение к простейшему случаю», после чего утверждается
доцентом университета.
Защитив в 1872 г. докторскую диссертацию «Исследование о функции
намагничивания мягкого железа», Столетов утверждается экстраординарным профессором
Московского университета и организует физическую лабораторию, подготовившую
многих русских физиков. В этой лаборатории Столетов - начал в 1888 г. свои
актиноэлектрические исследования20.
Герц в своей статье о влиянии ультрафиолетового света на электрический
разряд указывал на способность ультрафиолетового излучения увеличивать искровой
промежуток разрядника индуктория и аналогичных разрядников. «Условия, при
которых он проявляет свое действие в таких разрядах, конечно, очень сложны, и
было бы желательно исследовать действие в более простых условиях, в частности
устранив индуктории», - писал Герц. В примечании он указывал, что ему не
удалось найти условий, которыми можно было бы заменить «так мало понятный
процесс искрового разряда более простым действием». Это впервые удалось только
Г. Гальваксу (1859-1922). Но Гальвакс, а также Видеман и Эберт исследовали,
как и Герц, действие света на электрические разряды высокого напряжения.
Столетов решил исследовать, «получится ли подобное действие при
электричестве слабых потенциалов». Указав на преимущества такого метода, Столетов
продолжал: «Моя попытка имела успех выше ожидания. Первые опыты начаты около 20
февраля 1888 г. и продолжались непрерывно... по 21 июня 1888 г.». Назвав
исследуемое явление актиноэлектрическим, Столетов сообщает, что он продолжал
опыты и во второй половине 1888 г. ив 1889 г. и еще не считает их
законченными.
Для получения фотоэффекта (термин, вытеснивший термин Столетова) Столетов
пользовался установкой, являющейся прототипом современных фотоэлементов. Два
металлических диска (Столетов называл их то «арматурами», то «электродами») -
один изготовленный из металлической сетки, а другой сплошной - соединялись с
полюсами гальванической батареи через гальванометр, образуя конденсатор,
включенный в цепь батареи. Перед сетчатым диском помещался дуговой фонарь,
свет которого, проходя через сетку, падал на металлический диск.
«Уже предварительные опыты... убедили меня, что не только батарея в 100
элементов..., но и гораздо меньшая дает во время освещения дисков несомненный
ток в гальванометре, если только цельный (задний) диск соединен с ее
отрицательным полюсом, а сетчатый (передний) - с положительным.
20 Подробнее о лаборатории А.Г. Столетова см. в кн. Тепляков Г.М., Кудрявцев П.С.
Александр Григорьевич Столетов. — М. — Просвещение, 1966.
Опыт Столетова по внешнему фотоэффекту.
Так просто и чисто было воспроизведено явление фотоэлектрического тока.
Именно Столетов вывел это явление из путаницы сложных отношений
электрического разряда, придумал простую конструкцию первого фотоэлемента и тем самым
положил начало плодотворному изучению фотоэффекта. Столетов впервые ясно и
четко показал униполярность эффекта: «Я с самого начала моих исследований
категорически настаивал на совершенной униполярности актиноэлектрического
действия , т.е. на нечувствительности положительных зарядов к лучам». Он же доказал
безынерционность действия: «Актиноэлектрический ток мгновенно (говоря
практически) прекращается, как скоро лучи задержаны экраном»; показал, что
фотоэффект связан «с поглощением активных лучей» освещаемым электродом: «Лучи
должны поглощаться отрицательно заряженной поверхностью. Очевидно, важно при этом
поглощение в тончайшем верхнем слое электрода, в том слое, где, так сказать,
сидит электрический заряд».
Исследуя время, прошедшее с освещения электрода до появления фототока (это
было очень трудно и не очень надежно), Столетов нашел, что это время «весьма
ничтожно, другими словами, действие лучей можно считать, практически говоря,
мгновенным». «Практически говоря, ток появляется и исчезает одновременно с
освещением». Столетов нашел также, что зависимость фототока от напряжения не
является линейной; «Ток приблизительно пропорционален электродвижущей силе
лишь при наименьших величинах этой последней, а затем, по мере ее
возрастания, хотя и растет также, но все медленнее».
Таким образом, Столетов весьма тщательно и подробно исследовал фотоэффект.
Он ясно увидел природу явления, однако до открытия электронов он,
естественно , не мог еще раскрыть подлинную его сущность: вырывание электронов светом.
Тем более поразительно, что в самом первом пункте своих выводов он пишет:
«Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела,
уносят с него заряд».
Имя Столетова по праву стоит в числе первооткрывателей фотоэлектрического
эффекта.
В 1890 г. Столетов продолжил свои исследования. Результаты новых
исследований были опубликованы в статье «Актиноэлектрические явления в разреженных
газах» . Здесь Столетов исследовал роль давления газа в фотоэлементе. Он нашел,
что при уменьшении давления газа ток растет сначала медленно, потом быстрее,
достигая максимума при некотором давлении, которое Столетов назвал критиче-
ским. После достижения критического давления ток падает, приближаясь к
конечному пределу. Столетов нашел закон, связывающий критическое давление с
зарядом конденсатора. «Критическое давление пропорционально заряду конденсатора».
Этот закон вошел в физику газового разряда под названием закона Столетова.
За актиноэлектрическими исследованиями последовали рассмотренные выше
статьи Столетова о критическом состоянии.
Ученый с разносторонними научными интересами, лидер русских физиков,
воспитатель целой плеяды физиков, занявших кафедры русских университетов,
достойный представитель русской науки за рубежом, Столетов был выдвинут кандидатом
в Петербургскую академию наук. Однако президент академии великий князь К.К.
Романов отвел кандидатуру Столетова. Вместо Столетова был выдвинут молодой
физик Б.Б. Голицын, диссертацию которого незадолго до этого Столетов подверг
суровой критике. Это обстоятельство Столетов очень тяжело переживал, и эти
переживания, возможно, ускорили его кончину, последовавшую 15 мая 1896 г.
Открытие
электромагнитных
волн
Вернемся, однако, к Герцу. Как мы видели, в своей первой работе Герц
получил быстрые электрические колебания и исследовал действие вибратора на
приемный контур, особенно сильное в случае резонанса. В работе «О действии тока»
Герц перешел к изучению явлений на более далеком расстоянии, работая в
аудитории длиной 14 м и шириной 12 м. Он обнаружил, что если расстояние приемника
от вибратора менее 1м, то характер распределения электрической силы
аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на
расстояниях, превышающих 3 м, поле убывает значительно медленнее и
неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает
значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно
на расстоянии 4 м, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает
расстояний, больших 12 м. Этот результат противоречит всем законам теории
дальнодействия. Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора,
поле которого он позже рассчитал теоретически. В ряде последующих работ Герц
неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся
с конечной скоростью. «Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми
электрическими колебаниями, - писал Герц в своей статье 1889 г. , - показали
мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями
электродинамики».
Герц предпринимает теоретический анализ излучения своего вибратора
(«осциллятора Герца») на основе теории Максвелла. Статья «Силы электрических
колебаний, рассматриваемые по максвелловской теории» содержит результаты такого
анализа. В ней Герц выписывает уравнения Максвелла в форме, отличной от
максвелловской, в виде двух «триплетов».
К этим уравнениям Герц прибавляет уравнения, выражающие отсутствие зарядов
и токов (за исключением начала координат, где Герц помещает диполь с
переменным во времени электрическим моментом).
Далее Герц выписывает выражения для электрической и магнитной энергии и
выводит из уравнений Максвелла теорему Пойнтинга о потоке энергии, которую он
называет «в высшей степени замечательной» Современные учебники
электродинамики пишут фундаментальные уравнения электромагнитной теории в форме Герца, за
исключением обозначений. Теперь чаще применяют не гауссову систему единиц,
как это делал Герц, а систему СИ. Герц решает уравнения, введя
вспомогательную функцию, получившую название «вектор Герца», которую сам Герц выписывал в
виде:
sinfmr - nt)
П = El ,
где Е - заряд диполя, 1 - его длина, m = я/Л, n = я /Т.
Полученное Герцем решение дает вблизи вибратора картину электростатического
поля диполя и магнитного поля элемента тока в соответствии с законом Био-Са-
вара. Но на дальних расстояниях получается волновое поле, напряженность
которого убывает обратно пропорционально расстоянию, электрическая сила и
магнитная сила перпендикулярны радиус-вектору и пропорциональны синусу угла,
образованного направлением радиуса-вектора с осью диполя. Поле в этой волновой
зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых
линий . Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества.
l//>"t^\\\[
ftfl
Поле вибратора Герца.
Это поле распространяется в пространстве со скоростью света, причем в
направлении оси диполь не излучает. Максимальное излучение происходит в
экваториальном направлении перпендикулярно оси диполя. Эти расчеты Герца легли в
основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и
молекул.
Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и
безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям,
дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил
экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и
показал их тождество с волнами света. В работе «О лучах электрической силы»,
помещенной в «Протоколах Берлинской Академии наук» 13 декабря 1888 г. , Герц
описывает свои опыты по распространению, поляризации, отражению, преломлению
электромагнитных волн. Герц построил зеркала для опытов с этими волнами
(зеркала Герца), призму из твердой смолы (асфальт) с основанием 1,2 ми высотой
1,5 м с преломляющим углом 30°. Все эти опыты доказали полную аналогию
электромагнитных и световых волн. Готовя в 1891 г. издание собрания своих статей
под общим названием «Исследования о распространении электрической силы», Герц
написал вводную статью, в которой подробно изложил историю и содержание своих
исследований. Обзор экспериментальных работ он заканчивал словами: «Целью
этих работ была проверка основных гипотез теории Фарадея-Максвелла, а
результат опытов есть подтверждение основных гипотез этой теории».
3L
c/^LiK&i?т ,
HFHI |
9 ' jaaU
- тт
!
. IE
й \ 1^Р?~эМ ^ к* «I >
и
11!
о ми>
1
< 1
1
t
ii ♦
и
Л. ф|
'/ J
«'
lf?GCM
Зеркало (рефлектор) Герца.
В 1889 г. Герц прочитал доклад «О соотношении между светом и
электричеством» на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей. Здесь он подводит
итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в
принципе, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую
теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство
мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла... Насколько
маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно
теперь не разделить это воззрение».
Опыты Герца вызвали огромный резонанс. Особенное внимание привлекли опыты,
описанные в работе «О лучах электрической силы». «Эти опыты с вогнутыми
зеркалами, - писал Герц во «Введении» к своей книге «Исследования по
распространению электрической силы», - быстро обратили на себя внимание, они часто
повторялись и подтверждались. Они получили положительную оценку, которая далеко
превзошла мои ожидания ».
Среди многочисленных повторений опытов Герца особое место занимают опыты
русского физика П.Н. Лебедева, опубликованные в 1895 г., первом году после
смерти Герца. П.Н. Лебедев, усовершенствовав метод Герца, получил самые
короткие электромагнитные волны и провел с ними опыты по двойному
лучепреломлению, которые Герц не мог воспроизвести со своими относительно длинными
волнами. Статья Лебедева «О двойном преломлении лучей электрической силы»
появилась одновременно на русском и немецком языках. На немецком языке она была
напечатана в тех же «Annalen der Physik» Видемана, в которых публиковал свои
статьи Герц. В начале этой статьи Лебедев кратко излагает ее цель и
содержание : «После того как Герц дал нам методы экспериментально проверить следствия
электромагнитной теории света и тем открыл для исследования неизмеримую
область , естественно появилась потребность сделать его опыты в небольшом
масштабе , более удобном для научных изысканий...».
Таким образом, П.Н. Лебедев уже в эпоху зарождения радиофизики и
радиотехники поставил задачу миниатюризации приборов для излучения и исследования
электромагнитных волн и тем самым как бы предначертал современное направление
конструкторской мысли в этой области. Приборы Лебедева были настолько малы,
что, по выражению итальянского физика Аугусто Риги (1850-1920), который в
1894 г. разработал метод получения коротких волн, их можно было носить в
жилетном кармане. Генератор Лебедева состоял из двух платиновых цилиндров,
каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре, между которыми проскакивала искра.
Зеркала Лебедева имели высоту 20 мм, отверстие 12 мм, фокусное расстояние 6
мм. Для исследования преломления Лебедев использовал эбонитовую призму
высотой 1,8 см, шириной 1,2 см, весом менее 2 г, тогда как призма Герца весила
600 кг. Столь же малыми были двупреломляющие призмы из ромбической серы. Для
наблюдения волн Лебедев пользовался термоэлементом.
Лебедев своей работой выдвинул также задачу идти по пути уменьшения длин
электромагнитных волн до смыкания их с длинными инфракрасными волнами.
Встретившись на одном из съездов с немецким физиком Рубенсом (1865-1922), который
занимался исследованием инфракрасных волн, Лебедев высказал шутливое
пожелание встретиться в эфире. Это пожелание осуществили в 20-х годах русские
ученые-женщины А.А. Глаголева-Аркадьева и М.А. Левицкая
П.Н. Лебедев, с одной стороны, укрепил позиции теории Максвелла, с другой
стороны, первым измерил предсказанное Максвеллом световое давление и показал,
что оно совпадает с теоретическим значением, полученным Максвеллом.
Лебедев
Петр Николаевич Лебедев родился 8 марта 1866 г. в
Москве в купеческой семье. «Свое школьное образование, -
писал Лебедев в своем «Жизнеописании», приложенном к
страсбургской диссертации, - я получил в Евангелическом
Петропавловском церковном училище и в Реальном училище
Хайновского... С сентября 1884 г. по март 1887 г. посещал
Московское высшее техническое училище.
Чтобы посвятить себя изучению физики, я учился с
октября 1887 по август 1889 в Страсбурге, зимний семестр
1889/90 в Берлине, а с пасхи 1890 по июль 1891 снова в
Страсбурге». Учителем Лебедева в Страсбурге был известный
физик Август Кундт (1839-1894), к которому Лебедев относился с большим
уважением и сердечной признательностью. Кундту Лебедев посвятил после его смерти
теплый прочувствованный некролог, в котором характеризовал его «не только как
первоклассного ученого», но и как «несравненного учителя, который заботился о
будущем своей любимой науки, образуя и воспитывая ее будущих деятелей».
Защитив в Страсбурге диссертацию «Об измерении диэлектрических постоянных
паров и о теории диэлектриков Моссоти-Клаузиуса», Лебедев вернулся в Россию и
стал работать в Московском университете у Столетова в должности лаборанта.
Последним выступлением в Страсбурге и первой его печатной публикацией в
Москве была небольшая заметка «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел». Она
начиналась словами: «Maxwell показал, что световой или тепловой луч, падая на
поглощающее тело, производит на него механическое давление в направлении
падения; величину этой давящей, силы можно выразить в форме:
р = E/V
где Е - энергия, которая падает в единицу времени на поглощающее тело, а V
- скорость луча в той среде, в которой находится тело».
Итак, первая русская статья П.Н. Лебедева начиналась указанием на
существование светового давления. Световому давлению была посвящена и последняя,
оставшаяся незаконченной, статья Лебедева. Исследование светового давления
стало делом жизни Петра Николаевича.
В заметке об отталкивательной силе лучеиспускающих тел Лебедев показывает,
что при малых размерах тела, находящегося под воздействием силы тяготения со
стороны Солнца, она может быть сравнима с отталкивательной силой давления
солнечных лучей. Лебедев пишет: «... Пылинки, радиус которых не превышает
одной тысячной миллиметра, будут отталкиваться при 0°С в мировом пространстве с
силой, порядок которой в миллион раз превышает порядок сил их ньютоновского
притяжения». Однако для молекул, как указывает Лебедев, произведенные расчеты
неприменимы. «Взаимодействие молекул можно рассматривать как более сложный
случай, как действие резонаторов друг на друга».
Исследованию этого «более сложного случая» Лебедев посвятил свою докторскую
диссертацию «Экспериментальное исследование пондеромоторного действия волн на
резонаторы». Эта Диссертация заняла у Лебедева немало времени и сил. Он начал
работу над темой в 1894 г., в котором вышла первая часть его работы
посвященная действию электромагнитных волн. В 1896 г. была опубликована статья,
посвященная действию гидродинамических волн, в 1899 г. - статья, описывающая
действие акустических волн. В 1899 г. Лебедев опубликовал отдельной брошюрой
все три статьи, которым предпослал особое «Введение». В 1900 г. за эту
работу, представленную как магистерская диссертация, Лебедев получил ученую
степень доктора, минуя магистерскую степень. Это была высокая оценка факультетом
его труда.
Лебедев начинает «Введение» с упоминания о «гениальных работах» Герца,
которые «открыли исследованию необозримую область явлений». Лебедев указывает,
что работы Герца направлены на исследование источников электромагнитного
излучения и, следовательно, приводят «к одному из наиболее сложных вопросов
современной физики - к учению о молекулярных силах». «...Мы должны утверждать,
- пишет Лебедев, - что между двумя лучеиспуекающими молекулами, как между
двумя вибраторами, в которых возбуждены электромагнитные колебания,
существуют пондеромоторные силы...»
Лебедев с целью исследования этих сил изучает действие волн на колеблющуюся
систему. Такая система - резонатор - моделирует молекулу. Изучая действие
электромагнитных волн на резонатор, Лебедев исследует отдельно действие
магнитного и действие электрического вектора волны.
Магнитный осциллятор, возбуждаемый магнитным вектором падающей волны,
представлял собой миниатюрную катушку из четырех витков серебряной проволоки,
соединенную с конденсатором из двух пластинок, вырезанных в форме «бисквитов»
квадрантного электрометра. Вся система была подвешена на чувствительном
подвесе.
Электрический резонатор состоял из двух цилиндрических квадрантов,
собранных из отдельных алюминиевых полосок, соединенных с катушкой самоиндукции из
серебряной проволоки, подвешенной так, что магнитный вектор не мог вызвать ее
замыкания и только электрические силы могли действовать на заряды
конденсатора.
Зал *■
Электромагнитные резонаторы Лебедева: а) магнитный
резонатор, б) электрический резонатор.
Лебедев показал, что законы пондеромоторного действия волн на магнитные и
электрические резонаторы тождественны. Если частота колебаний резонатора выше
частоты падающей волны (частота вибратора), то он притягивается к вибратору,
ниже настроенный резонатор отталкивается. Притяжение сменяется отталкиванием
при переходе через резонанс.
Лебедев изучил далее действие гидродинамических волн, возбуждаемых
соответствующим вибратором, на гидродинамический резонатор, представляющий собой
шарик на стальной пружине.
Здесь он также обнаружил притяжение при частотах резонатора более высоких,
чем частота вибратора, и отталкивание в противоположном случае и смену
притяжения отталкиванием при переходе через резонанс. В последней части своего
исследования Лебедев обратился к акустическим волнам. Здесь также наблюдались
притяжения и отталкивания в зависимости от отношения частот вибратора и
резонатора, но только в непосредственной близости от вибратора. По мере
увеличения расстояния до резонатора притягивательные силы уменьшаются и на
достаточно большом расстоянии полностью исчезают, остаются лишь отталкивающие силы,
достигающие наибольшей величины при резонансе.
Лебедев считал, что обнаруженная им тождественность пондеромоторных сил в
столь различных явлениях показывает, что элементарные законы этих явлений
должны быть независимы от природы волн и воспринимающих их резонаторов.
Отсюда вытекает возможность распространения этих законов на область молекулярного
излучения и взаимодействия молекул. Однако, указывает Лебедев, «нет никаких
данных, позволяющих сказать что-либо определенное о свойствах молекул-
резонаторов» .
Важнейшими достижениями П.Н. Лебедева были его классические опыты по
световому давлению, принесшие ему всемирную славу. Предварительное сообщение о
своей работе по измерению давления света на твердые тела Лебедев сделал в
1899 г. С докладом о своих опытах он выступил на Всемирном конгрессе физиков
в Париже в 1900 г. Сама работа «Опытное исследование светового давления» была
опубликована в 1901 г. на немецком языке в журнале «Annalen der Physik» и в
сокращенном изложении на русском языке в ЖРФХО21. Эта работа многократно
описывалась в учебниках, статьях и книгах, и - мы здесь ограничимся только
кратким рефератом статьи, сделанным самим Лебедевым для немецкого реферативного
журнала «Fortschritte der Physik»: «...Автор исследует пондеромоторные силы,
с которыми белый, красный и голубой свет действуют на поглощающие, покрытые
платиновой чернью, и отражающие (алюминий, платина, никель и слюда) крылья в
высоком вакууме.
Системы крылышек в опыте Лебедева.
Опыты были проведены с тремя различными приборами и с двумя различными
калориметрами; они были разбиты на десять независимых групп, и их результаты
сводятся к следующему:
1. Падающий пучок световых лучей оказывает давление как на поглощающее,
так и на отражающее тело; это пондеромоторное действие не зависит ни от
известных вторичных круксовых сил, вызываемых нагреванием, ни от
явлений конвекции.
2. Эти силы светового давления прямо пропорциональны падающему количеству
энергии и не зависят от цвета световых лучей.
3. Эти силы светового давления в пределах ошибок наблюдения количественно
дают полное совпадение с пондеромоторными силами излучения,
вычисленными Максвеллом и Бартоли.
21 Журнал Русского физико-химического общества.
Таким образом, существование сил давления световых лучей, предсказанных
Максвеллом и Бартоли, доказано экспериментально».
Итальянский физик Адольфо Бартоли (1851-1896), о котором упоминает здесь
Лебедев, обосновал из термодинамических соображений в 1876 г. существование
светового давления. В своей последней статье «Давление света» Лебедев
предполагал посвятить доказательству Бартоли целый параграф. Этот параграф был
написал П.П. Лазаревым.
Результат Лебедева произвел огромное впечатление. В. Томсон (лорд Кельвин)
признавался К.А. Тимирязеву, что он всю жизнь воевал с Максвеллом из-за его
светового давления, но Лебедев теперь заставил его признать свою неправоту.
В 1901 г. Лебедев становится профессором Московского университета, в
котором он десять лет назад начинал работу у Столетова в скромной должности
лаборанта. Теперь он всемирно известный ученый, глава школы физиков, в которой
под его руководством работают десятки учеников. Из школы Лебедева вышли такие
известные советские ученые, как академик П.П. Лазарев, в свою очередь
создавший школу, чл.-кор. Академии наук СССР В.К. Аркадьев, также глава школы маг-
нетологов и радиофизиков. Учениками Лебедева были А.Б. Млодзеевский, Т.П.
Кравец, К.П. Яковлев, В.Д. Зернов, Н.Е. Успенский, Р.А. Колли, В.И. Романов,
А.К. Тимирязев, Н.А. Капцов и многие другие.
Вначале исследования П. Н. Лебедева и его учеников выполнялись в неудобных
для научных изысканий лабораториях общего практикума, устроенных еще
Столетовым . Приборов не хватало. Средства, отпускаемые на нужды лаборатории, были
очень малы. Работали после 3 часов, когда кончались занятия в практикуме.
Поэтому Лебедеву постоянно приходилось вести борьбу за улучшение условий для
исследовательской работы, что отнимало у него много сил и времени.
Обстановка для исследований улучшилась после создания в 1903 г. физического
института. Здесь было отведено две большие комнаты во втором этаже под
лабораторию Лебедева и полуподвальное помещение для исследований молодых учеников
Лебедева. Приборов было еще очень мало, не хватало столов, вместо них иногда
использовались ящики из-под оборудования, но это была уже настоящая
исследовательская лаборатория, где можно было работать в любое время. Как вспоминал
Н.А. Капцов, Лебедев появлялся в лаборатории в 11 часов и начинал обход
своего «подвала», подолгу беседуя с каждым работающим, требуя сознательного
отчета обо всем проделанном. Затем Лебедев отправлялся в мастерские. Его
интересовало усвоение учениками навыков ручной работы. Лебедев был очень
требователен к своим ученикам, он «требовал, чтобы каждый из работающих в
лаборатории строго продумывал весь план своей работы. Но этот план исследовательской
работы должен был быть не застывшим и раз и навсегда установленным, а
действенным и живым».
Молодым ученикам Лебедева очень помогали организованные им еще в Столетов
ской лаборатории коллоквиумы.
Они проводились раз в неделю. Ученики Лебедева делали доклады, затем
следовало обсуждение, сам П.Н. Лебедев выступал на этих коллоквиумах с сообщениями
о последних достижениях физики. На этих коллоквиумах все - начиная со
студента и кончая руководителем - чувствовали себя членами большой семьи, и таким
путем создавалось то единение работающих, которыми всегда отличалась Лебедев-
ская лаборатория. Из коллоквиумов вспо следствии выросло Московское
физическое общество, основателем и первым председателем которого был П.Н. Лебедев.
Питомцы лебедевской школы и их ученики составили большой отряд советской
физики.
В 1902 г. Лебедев выступил на съезде Немецкого астрономического общества с
докладом, в котором вновь вернулся к вопросу о космической роли светового
давления. В историческом обзоре этого доклада Лебедев напоминает о гипотезе
Кеплера, который предположил, что отталкивание кометных хвостов Солнцем обу-
словлено давлением его лучей на частицы хвоста. Действие света на молекулу,
указывает Лебедев, зависит от ее избирательного поглощения. Для лучей,
поглощаемых газом, давление обусловлено законом Максвелла, лучи, не поглощаемые
газом, действие на него не оказывают. Лебедев ставит задачу определить
давление света на газы. Эта многолетняя работа, потребовавшая от экспериментатора
много сил и остроумия, подводила итог всей его научной деятельности начиная с
1891 г.
Для измерения малых сил давления Лебедев ставил эксперимент таким образом,
чтобы «газ свободно мог перемещаться в направлении пронизывающих его лучей и
производил давление на очень чувствительный поршневой аппарат, на который
лучи света непосредственно действовать не могли». Чтобы избежать влияния
конвекционных токов, Лебедев смешивал газ с водородом, обладающим значительной
теплопроводностью, что позволяло быстро выравнивать плотность в разных точках
газа. Эта трудная экспериментальная работа осталась непревзойденным образцом
экспериментального искусства.
За работы по давлению света Лебедев был избран в 1911 г. почетным членом
Королевского института в Лондоне.
Лебедев глубоко интересовался проблемами астрофизики, активно работал в
Международном союзе по исследованию Солнца, написал ряд статей о кажущейся
дисперсии межзвездной среды. Открытие Хейлом магнетизма солнечных пятен
направило его внимание на исследование магнетизма вращения.
В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. Этими
вопросами занимались его ученики В.Я. Альтберг и Н.П. Неклепаев. Сам Лебедев
написал заметку «Предельная величина коротких акустических волн».
Его ученики П.П. Лазарев и А.К. Тимирязев исследовали явление внутреннего
трения в разреженных газах. Но вся эта напряженная работа оборвалась в 1911
г. , когда Лебедев вместе с другими профессорами покинул университет в знак
протеста против действий реакционного министра просвещения Кассо. Русская и
международная общественность поспешила на помощь Лебедеву, но силы его были
подорваны, и 14 марта 1912 г. П.Н. Лебедев скончался.
В историю физики Лебедев вошел как первоклассный экспериментатор, решивший
ряд труднейших проблем современной ему физики. Значение Лебедева для России
не исчерпывается этим. Он был создателем московской Школы физиков. Вышедшие
из этой Школы ученые сыграли важную роль в становлении советской физики.
Изобретение
радио
Как известно, Герц не предвидел возможности применения электромагнитных
волн в технике. В самом деле, было трудно увидеть в слабых искорках, которые
Герц рассматривал в лупу, будущее средство связи, перекрывающее ныне
космические расстояния до Венеры и Марса и позволяющее управлять самоходным
аппаратом на Луне. Даже человеку с неистощимой фантазией, знаменитому писателю Жюлю
Верну не удалось предвидеть радиосвязь, и герои его романа «Плавучий остров»,
написанного после опытов Герца, не знают способов беспроводной связи.
Вообще между принципиальным открытием и его техническим приложением лежит
огромное расстояние. Эйнштейн не предвидел в обозримом будущем возможной
реализации соотношения Е=тс2. Резерфорд считал химерой использование атомной
энергии. Только люди с особыми способностями могут найти разумное техническое
воплощение научной идеи. Именно такими способностями обладал замечательный
русский физик Александр Степанович Попов, продемонстрировавший примерно через
год после смерти Герца первый радиоприемник, открывший возможность
практического использования электромагнитных волн для целей беспроволочной связи.
Попов
Александр Степанович Попов родился 16 марта 1859 г. на
Урале (поселок Турьинский рудник) в семье священника.
После окончания в 1877 г. общеобразовательных классов
Пермской духовной семинарии он не стал продолжать духовное
образование, а поступил на физико-математический факультет
Петербургского университета. В университете его увлекла
электротехника. Он работал монтером в товариществе
«Электротехник», и первые его труды в 1882 г. были посвящены
динамо - электрическим машинам.
Хотя Попов был оставлен при университете для подготовки
к профессорскому званию, он долго не пробыл в аспирантуре,
как бы сказали сейчас, и с 1883 г. стал преподавателем
Минного офицерского класса в Кронштадте, совмещая эту
должность с педагогической работой в Техническом училище Морского ведомства в
Кронштадте. В Минном офицерском классе Попов проработал до 1901 г., когда он
был избран профессором кафедры физики Электротехнического института в
Петербурге. В 1905 г. он был избран директором института и в этой должности
скончался22 от кровоизлияния в мозг 13 января 1906 г.
По роду своей служебной деятельности А.С. Попов был тесно связан с военно-
морским флотом, и именно во флоте произошло рождение великого открытия.
Исторические условия для открытия созрели, к нему разными путями в разных странах
почти одновременно шли несколько людей: Попов, Резерфорд, Маркони и другие.
Первым добился успеха А.С. Попов.
В 1889 г. А.С. Попов прочитал в собрании минных офицеров цикл лекций
«Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями»
по следующей программе:
1. «Условия происхождения колебательного движения электричества и
распространение электрических колебаний в проводниках.
2. Распространение электрических колебаний в воздухе - лучи электрической
силы. Отражение, преломление и поляризация электрических лучей.
3. Актиноэлектрические явления - действие света вольтовой дуги на
электрические заряды».
Эти лекции сопровождались демонстрациями опытов Герца. Они имели большой
успех, и Морской технический комитет предложил морскому министерству
повторить лекции с демонстрациями в Петербурге, в Морском музее для петербургских
офицеров. «Опыты, произведенные германским профессором Герцем в
доказательство тождественности электрических и световых явлений, - говорилось в этом
предложении, - представляют большой интерес не только в строго научном
смысле , но также и для уяснения вопросов электротехники».
Очевидно, что А.С. Попов уже говорил в своих лекциях о возможности
практического использования волн Герца, и руководящие лица русского военно-морского
флота заинтересовались этим. Морское министерство согласилось на повторение
лекций Попова в Петербурге и выделило необходимые средства на перевозку
приборов . Лекция «Об электрических колебаниях с повторением опытов Герца»
состоялась в Морском музее 3 апреля 1890 г. Можно с большим основанием
утверждать, что А.С. Попов был не только одним из первых в России «пропагатором
герцологии» (термин Столетова), но и тем, кто сразу оценил практическое
значение открытий Герца и начал решать задачу их технического использования. 7
мая 1895 г. А.С. Попов на Заседании физического отделения Русского физико-
" Даты рождения и смерти А. С. Попова указаны по новому стилю. По старому стилю
А.С. Попов родился 4 марта 1859 г., а умер 31 декабря 1905 г.
химического общества демонстрировал сконструированный им радиоприемник. Этот
день в нашей стране ежегодно отмечается как день рождения радио.
Детектором электрических колебаний в приемнике Попова был изобретенный в
1890 г. французским физиком Эдуардом Бранли (1844-1940) прибор, названный
английским ученым Оливером Лоджем (1851-1940) когерером. Это был своеобразный
полупроводник. Стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками, была
плохим проводником электричества. Однако под воздействием электрических
колебаний ее электропроводность резко возрастала. В опытах Бранли она менялась от
миллионов до сотен и десятков ом. Это уменьшение сопротивления сохраняется и
после прекращения воздействия колебаний «иногда более 74 часов», по
наблюдению Бранли. Трубку можно вернуть в состояние плохой электропроводности
«слабыми отрывистыми ударами по дощечке, которая поддерживает трубку».
Лодж в 1894 г. прочитал в Лондонском Королевском обществе лекцию памяти
Герца под названием «Творение Герца». Здесь он говорил и о трубке Бранли:
«Этот прибор, который я называю когерером, удивительно чувствителен как
детектор герцевских волн». В опытах Лоджа когерер чувствовал влияние искры на
расстоянии сорока ярдов (около 40 м) . Лодж применял различные способы
приведения когерера в рабочее состояние, в том числе и с помощью вибраций
электрического звонка, смонтированного на одной доске с когерером. Однако Лодж не
додумался до использования звонка и как регистратора поступившего сигнала и
как автомата для приведения когерера в рабочее состояние. Это сделал А.С.
Попов . Попов же применил антенну для улавливания электромагнитных волн. Сочетав
Звонок, когерер, антенну, А.С. Попов построил прибор, который позже (в июле
1895 г.) был назван Д.А. Лачиновым «грозоотметчиком», имея в виду его
применение как регистратора грозовых разрядов. Однако Попов своим приемником
пользовался и для приема волн, создаваемых передатчиком. В своей статье «Прибор
для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», опубликованной в
журнале Русского физико-химического общества в 1896 г., А.С. Попов писал: «В
соединении с вертикальной проволокой длиною 2,5 метра прибор отвечал на
открытом воздухе колебаниям, произведенным большим герцевым вибратором
(квадратные листы 40 сантиметров в стороне) с искрой в масле, на расстоянии 30
сажен» .
Схема приёмника Попова
Эти строки писались в декабре 1895 г. Таким образом, А.С. Попов в 1895 г.
проводил опыты по передаче и приему электромагнитных волн на расстояние до 60
м. Летом того же года его прибор использовался для регистрации электрических
возмущений в атмосфере, как при наличии грозовых разрядов, так и при
отсутствии гроз. А.С. Попов заканчивал свою статью словами, что «прибор при
дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на
расстоянии при помощи быстрых электрических колебаний». При этом он указывал на
необходимость создания достаточно мощного генератора таких колебаний.
20 января 1897 г. А. С. Попов выступил на страницах газеты «Котлин» со
статьей «Телеграфирование без проводов». Заглавие статьи ясно указывает, что
в ней речь идет не о передаче и приеме спорадических сигналов, а о
«телеграфировании» , т.е. передаче и приеме осмысленного текста условным кодом. Статья
появилась в связи с сообщением об опытах Маркони. Попов напоминает, что
прибор, аналогичный описанному в сообщении, был им построен в 1895 г. и
демонстрировался на заседании физического отделения Русского физико-химического
общества в апреле (7 мая по н.ст.) . Он указывает, что его прибор «приспособлен
для опытов с электромагнитными волнами» и демонстрировался на научных
заседаниях и лекциях.
А.С. Попов указывает, что с помощью этого прибора он отмечал грозовые
разряды на расстоянии «более 25 верст». Он подчеркивает, что сигнализация
электрическими волнами «и сейчас возможна», но герцевские вибраторы как источник
электрических лучей «очень слабы». Указав, что действие тумана на
электрические волны «не было наблюдаемо», Попов подчеркивает, что «можно ожидать
существенной пользы от применения этих явлений в морском деле...». Ив дальнейшем
А.С. Попов неустанно работает над разработкой радиотелеграфной связи для
флота.
Радиотелеграфный приемник системы Попова.
Работая для флота и отчетливо понимая всю важность этой работы для своей
родины, А.С. Попов не спешил с печатными публикациями, стремясь информировать
лишь специальную аудиторию: морских офицеров и ученых. Но с момента появления
в печати сведений о работе Маркони А.С. Попов был вынужден выступить в защиту
своего приоритета. Статья в газете «Котлин» от 20 января 1897 г. была первым
таким выступлением А. С. Попова.
Гульельмо Маркони (1874-1937) в июне 1896 г. сделал Заявку на патент для
своего изобретения. Патент на «усовершенствование в передаче электрических
импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого» был выдан Маркони 2 июля 1897
г., т.е. спустя более двух лет после демонстрации А.С. Поповым своего
приемника. Патент Маркони был английским и закреплял его приоритет в Англии. А.С.
Попов ограничился сообщением 7 мая 1895 г. и печатной публикацией 1896 г. и
своего изобретения ни в России, ни где бы то ни было, не патентовал.
Исторически приоритет А.С. Попова бесспорен, он бесспорен с точки зрения
научного приоритета. Но юридически патент Маркони, хотя и является только
английским, был первым правовым актом, закрепляющим авторство изобретателя.
Маркони был капиталистическим дельцом, он ничего не публиковал и не сообщал
до подачи заявки на патент, он стремился закрепить не научный, не
исторический приоритет, а юридический. И хотя истории науки нет никакого дела до
юридической стороны, она решает вопрос с точки зрения исторической правды,
находятся историки науки, которые защищают приоритет Маркони.
Заслуга Маркони в дальнейшем развитии радио бесспорна, в развитии, но не в
открытии. Исторически точно установленным фактом является тот факт, что
открытие радио было сделано А.С. Поповым и дата первого публичного сообщения об
этом открытии 25 апреля старого стиля, 7 мая нового стиля 1895 г. является
датой одного из величайших изобретений в истории человеческой культуры.
А.С. Попов и Г. Маркони шли от одной схемы радиоприемника, используя
принцип когерера. Другим путем проблему передачи сигналов на расстояние пытался
решить Эрнест Резерфорд (1871-1937). Еще находясь в Новой Зеландии, он изучал
намагничивание железа высокочастотными разрядами. Результаты своих
исследований он опубликовал в «Трудах Ново-Зеландского института» За 1894 г. Переехав
в Кембридж, он продолжал заниматься этим вопросом и, установив уменьшение
намагничивания стального стержня под влиянием электрических колебаний,
предложил воспользоваться этим эффектом для детектирования электрических колебаний.
Статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его
применения» была опубликована в 1897 г. , в год выдачи патента Маркони. В этой
статье Резерфорд сообщил, в частности, об использовании детектора в опытах по
обнаружению электромагнитных волн на больших расстояниях. Он писал: «Мы
работали с вибратором Герца, имеющим пластины площадью 40 см2 и короткий
разрядный контур; мы получили достаточно большое отклонение магнитометра на
расстоянии 40 ярдов, причем волны проходили через несколько толстых стенок,
расположенных между вибратором и приемником». «В дальнейших опытах была
поставлена задача - определить максимальное расстояние от вибратора, на котором
можно обнаружить электромагнитное излучение...» «Первые опыты проводились в
лабораториях Кембриджа, причем приемник находился в одном из дальних зданий.
Достаточно большой эффект был получен на расстоянии около четверти мили от
вибратора, и, судя по величине отклонения, эффект можно было бы заметить на
расстоянии, в несколько раз большем...»
Но в том же, 1897 г., когда была опубликована эта статья, Резерфорд узнал о
результатах Маркони, и прекратил дальнейшие опыты со своим детектором. Его
внимание привлекла область, в которой ему было суждено обессмертить свое имя,
- радиоактивность. Проводя исследования в этой области, он пришел к открытию
атомного ядра и первых ядерных реакций.
История открытия радио, в которой сплелись имена многих исследователей раз-
ных стран, еще раз подтверждает важный закон истории науки - если время для
открытия созрело, «это открытие должно было быть сделано».
Открытие радио подтвердило справедливость теории Максвелла высшим критерием
истины - практикой. Теория Максвелла выдвинула перед физикой ряд острых и
глубоких вопросов, решение которых привело к новому революционному этапу в
истории физики.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
История
КРИВАЯ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИИ
С.Г. Бернатосян
(продолжение)
От редакции
Мы долго не решались дать дорогу этому материалу - уж больно
он смахивает на «желтую прессу». Но и отмахнуться от него так
просто нельзя - приводимые в нем сведения могут оказаться
достаточно верными, хотя может быть и не всегда правильно
интерпретируемыми . В конце концов, мы решили сопроводить каждую
статейку выдержками из Википедии, выделив их цветом. Наши
читатели достаточно разумны и образованы (иначе они бы не
читали этот журнал), и вполне могут разобраться сами - где
истина , а где ее искажение.
ТАК ЛИ НЕОБХОДИМА
МОРАЛЬ В НАУКЕ?
Исходя из высшего смысла служения — да, необходима. И хотя трудно
проникнуть в сокровенные мысли и заглянуть в душу каждого, история всё-таки
позволяет судить о не единожды проявляемом благородстве учёных по отношению друг к
другу. Ну, разве нельзя назвать в высшей степени великодушным поступок
Леонарда Эйлера, когда тот намеренно задержал публикацию собственной рукописи по
вариационному исчислению, чтобы дать возможность молодому на то время Жозефу
Луи Лагранжу подготовить к печати важную для его научной карьеры статью?
Благодаря этой статье, где были изложены основные понятия вариационного
исчисления и предложен его анализ, Лагранж получил всеобщее признание среди ведущих
математиков. Непонятно, почему, проигнорировав этот факт, биографы Эйлера
представили нам его роль в научной судьбе Лагранжа одним лишь авторитетным
ходатайством по избранию последнего членом Берлинской Академии наук?
Не менее мощную поддержку оказал своему "неоперённому" соотечественнику
Жану Био в начале научного пути видный французский математик и астроном Пьер
Лаплас. По словам Био, Лаплас специально "придержал" в личном архиве готовую
математическую разработку оригинального подхода к решению "неразрешимых"
задач Эйлера, узнав, что он тоже весьма успешно начал заниматься этой
проблемой. И только после сделанного им доклада на заседании Парижской Академии
наук, который, кстати, увенчался большим успехом и признанием заслуг молодого
учёного маститыми авторитетами, Лаплас пригласил его к себе домой и показал
припрятанную тетрадь. Просмотрев её, паривший в облаках от счастья Жан Био
чуть не потерял дар речи. "Я увидел, что в ней (тетради. — Б.С.) заключаются
все задачи Эйлера, решённые мною и притом тем самым способом, который я
считал известным только мне, — вспоминал он позднее. Оказалось, что Лаплас давно
уже открыл этот способ... и никому не говорил о своём открытии, ничего не
сказал и мне, когда я принёс ему свою работу... Трудно выразить, что я
пережил и перечувствовал в те минуты. Это была живая радость, что я сошёлся с ним
в своих мыслях, и грусть, что не мне первому принадлежит честь открытия, но
все же сердце моё было переполнено чувством живейшей признательности за такую
трогательную заботливость обо мне. Лаплас всецело отказался от своего
первенства в мою пользу... Он сообщил мне о своём открытии, дав мне прежде
насладиться своими успехами... Печатая свой труд, я, по его настоянию, должен был
умолчать о его открытии. В отчётах академии он не обмолвился об этом ни
единым словом..."
Памятуя о щедрости известных миру математиков и механиков, нельзя не
коснуться и имени Сергея Алексеевича Чаплыгина. Полностью переняв
"бессеребреннический" образ жизни у своего учителя Н.Е. Жуковского, он от
чистого сердца раздаривал молодёжи свои самые интересные и плодотворные идеи.
Вокруг него всегда суетились как подающие надежды исследователи, так и
обделённые даром юные хапуги, которым не терпелось завладеть оригинальной чаплы-
гинской мыслью, чтобы сделать на ней стремительную научную карьеру. Личность
этого удивительного человека наиболее полно раскрыта в книге В.П. Лишевского
"Рассказы об учёных". Оказывается, Чаплыгин, генерируя огромное количество
гениальных догадок и предположений, сам за время своей научной деятельности
опубликовал всего 38 научных статей. Хотя, как утверждают специалисты, их по
самым минимальным подсчётам должно было бы быть не менее ста. Многие его
научные разработки в области теоретической механики вообще оказались
раскиданными по многочисленным чужим трудам.
Такой же светлой личностью в науке являлся и Леонид Исаакович Мандельштам.
Будучи звездой, чуть ли не первой величины, он с готовностью отказывался от
собственных научных идей в пользу наиболее способных научных сотрудников. При
этом Мандельштам отлично понимал, что подобными "благодеяниями" он не только
способствует становлению нового, возможно, большого учёного, но прежде всего
оказывает услугу делу, в котором видит цель своей жизни.
Ну, а что же вопросы собственного приоритета? Почему ни Чаплыгина, ни
Мандельштама не разъедал изнутри тщеславный шепоток? Может, раздариваемые ими
идеи были не столь весомы по научной значимости и не шли ни в какое сравнение
с теми грандиозными открытиями, которыми они обогатили науку? Возможно, это
было и так. Но любой причастный к творчеству человек знает, как священна и
дорога автору любая из его находок и откровений и как ему одинаково тяжело
отказаться как от большой, так и от малой удачи. Поэтому мировое сообщество
может только гордиться тем, что находились и находятся ещё пока среди учёных
люди, способные подавлять в себе эгоистические настроения и полагающие, что в
науке нет и не может быть ничего личного, а все созданное гением человеческой
мысли в равной степени принадлежит всем.
К сожалению, в научных кругах далеко не всегда понимали и разделяли
мировоззрение такого рода. Если кто-то начинал вдруг без оглядки делиться с
соотечественниками, да ещё и с коллегами из-за рубежа своими творческими
замыслами и находками, то это обычно воспринималось окружающими как чрезмерное
простодушие или безграничная наивность. Оберут ведь так, что и комар носа не
подточит! Но "бессеребренники" стойко гнули свою линию. Когда, например,
замечательного советского геохимика и минеролога Александра Евгеньевича
Ферсмана139 благожелатели пытались остеречь от опасности использования его
достижений на стороне, тот лишь с улыбкой заметил: "Иначе я поступать не в силах.
Моей одной жизни не хватит, чтобы реализовать все мои идеи. Поэтому пусть к
этой задаче примкнут другие исследователи. Это мне лишь на руку".
По большому счету подлинное научное творчество и не должно быть подчинено
задаче самоутверждения. Но, к сожалению, при растущем числе научных
коллективов, количество истинных служителей науки неумолимо сокращается. Наше
нацеленное на потребление общество всё больше плодит околонаучных дельцов, нежели
одержимых стремлением к познанию исследователей, создавая первым, а не вторым
благоприятные условия для процветания. Вглядываясь в их сытые лица, с болью
замечаешь, насколько наука сделалась прислужницей, если не "дойной коровой"
для многих ринувшихся в неё людей. Что же хорошего можно ждать от такой
запрограммированности? Пётр Леонидович Капица однажды заметил, что "гениальных
учёных мало, но ещё реже, когда гениальный учёный совмещается с большим
человеком" . Эта ставшая крылатой фраза была обронена несколько десятилетий назад.
На сегодня в науке личностей, сочетающих редкую природную одарённость с
высочайшей порядочностью, вообще можно пересчитать по пальцам. И не
удивительно, что каждая из них среди мерцающего блеска многочисленных талантов, не
обременённых моральными принципами, действительно сверкает, как бриллиант. Но,
пожалуй, только под непрерывным потоком исходящего именно от них благородного
излучения преображается к лучшему наша планета, не давая злу и
неблагопристойности одерживать верх. Причём природа наделила этих "учёных-одиночек"
таким мощным интеллектом и такой нравственной силой, что они, даже переселяясь
в иной мир, продолжают способствовать её эволюции, побуждая нас равняться на
расставленные ими ориентиры, и не цепляться за ценности, которые ничего не
стоят. Русская народная мудрость учит: чем больше отдашь, тем больше
вернётся . Тот же смысл заложен и в древнюю армянскую пословицу, которая гласит, что
"обтёсанный камень на земле не будет залёживаться". Но как же нам трудно об-
Александр Евгеньевич Ферсман (1883—1945) — русский геохимик и минералог, один из
основоположников геохимии. Действительный член, вице-президент (1926—1929) Академии
наук.
тёсывать самих себя!
Когда вся жизнь сумевшего постичь эти истины деятеля науки, с её взлётами и
падениями, радостями и муками, победами и невзгодами, лежит как на ладони, то
ладонь невольно делается тёплой. Жизненные пути таких больших учёных, как
Вильгельм Рентген и Пьер Кюри, Игорь Тамм и Владимир Вернадский, Василий
Ларин и Николай Семёнов, братья Вавиловы, Алихановы и Орбели никогда не знали
обочин, в которые могла бы завести безнравственность. Согласованные с
совестью поступки этих людей воспитывают и учат нас беззаветному служению на
избранном поприще, тому, чтобы взыскательность к самому себе оборачивалась
высокой ответственностью перед человечеством.
Влияние сверхчистой энергии души академика И. Е. Тамма на окружающих было,
например, настолько сильным, что советские физики ради шутки ввели даже для
себя единицу человеческой порядочности, выразив её как "один тамм". Подобным
образом было увековечено и имя В.В. Ларина — "один ларин" был принят за
единицу человеческого благородства.
Давая характеристику таким человеко-единицам, писатель Даниил Гранин140 в
книге "Эта странная жизнь" очень точно подметил, что у них "требования к
другим и требования к себе совпадают". Не этим ли совпадением объясняется
высоконравственная позиция русского биолога Ильи Ильича Мечникова, которую он
занял в отношении разного рода "приставал" после разработки им промышленного
способа получения простокваши? Почуяв, какую прибыль может принести выработка
простокваши по методу, указанному Мечниковым, некоторые предприниматели
просто не давали прохода учёному, одолевая его уговорами и просьбами продать
патент и обещая при этом баснословные барыши. Но, несмотря ни на какие посулы,
Мечников был категоричен и непреклонен: "Я как учёный не могу себе позволить
торговать своими научными результатами". Также твёрд был он и в неожиданном
для всех решении передать права на безвозмездное использование своего
открытия для организации промышленной выработки простокваши... швейцару его
родного Одесского университета, когда узнал о тяжёлом материальном положении этого
простого человека.
Также неординарно поступил и большой друг Мечникова величайший бактериолог
нашей эпохи Луи Пастер, получив патент на открытый им способ обработки
продуктов нагреванием при определённом режиме. Он предложил ознакомиться с ним
всем желающим безвозмездно. А на вопрос: "Для чего он оформлял патент, если
не собирался им воспользоваться?" — учёный ответил, что не хотел, чтобы
какой-нибудь делец ради собственной выгоды сделал бы это раньше его.
Наш старый знакомый Вильгельм Рентген, отлично осознавая перспективы
практического применения своего сенсационного открытия и предчувствуя, в
частности, чем могут стать рентгеновские лучи для медицинской диагностики, вообще
наотрез отказался от каких-либо патентных прав. Чего только не предлагали
представители различных фирм Рентгену, чтобы получить от него согласие на
производство товаров, которое бы основывалось на его открытии. Но гениальный
немецкий физик упрямо стоял на своём: его открытие должно служить прогрессу
всего общества, и он не допустит того, чтобы кто-то превратил его в средство
наживы и обогащения. В конце концов, эти нескончаемые и назойливые
приставания заставили Рентгена, по свидетельству его ученика и биографа, академика
А.Ф. Иоффе, самоизолироваться и не общаться ни с кем, кроме узкого круга
друзей и соратников.
А уж приставали с самой разной всячиной. То некая фирма бралась
сконструировать "икс-лучевой бинокль", позволяющий проглядывать человека сквозь одеж-
140 Даниил Александрович Гранин (настоящая фамилия Герман; род. 1919 г.) — русский
писатель и общественный деятель.
ду, то, наоборот, выдвигалась идея пошива одежды, "предохраняющей от
проникновения лучевой энергии", то предлагалось организовать выпуск головных
уборов, препятствующих "чтению мыслей с помощью икс-лучей". Словом, открытие
Рентгена буквально не по дням, а по часам обрастало небывалой сенсационностью
и шумихой, из-за которых учёный сильно переживал и даже страдал. Окажись на
месте Рентгена другой человек, то он только бы, наверно, подогревал бушующие
в обществе "ненаучные" страсти вокруг своего научного открытия, используя их
в качестве саморекламы. Но не таков был Рентген. Он видел в науке только
источник для утоления жажды познания, удовлетворения своего умозрительного
любопытства. Поэтому наотрез отказывался от пышных чествований, орденов,
почётных званий и высокооплачиваемых должностей. Эти блага, как воздух, нужны были
другому немецкому физику — Филиппу Эдуарду Ленарду, который ради них всю
жизнь необоснованно добивался присвоения себе достижений Рентгена. Этого ему
сделать не удалось, но непомерные материальные блага он всё-таки получил,
правда, уже в качестве одного из лидеров физической науки в Германии.
А вспомнить письмо русского химика-органика Михаила Григорьевича Кучерова
председателю отделения химии Русского физико-химического общества,
датированное февралём 1903 года? Какой прилив нежности к этому учёному вызывает его
текст: "Возвращаю в кассу общества сумму (500 рублей), которую некогда я
получил от общества в качестве премии за свои работы в ряде ацетиленовых
углеводородов . Навсегда сохраняя из неё за собой самое существенное и
драгоценное, что заключается во всякой почётной награде, — оказанную ею высокую
честь, я охотно возвращаю весь её материальный состав для того, чтобы он мог
сослужить прежнюю свою службу — в виде премии". Представьте, что эта
небольшая денежная сумма, отданная Кучеровым обратно, действительно положила начало
выплате премий, которые учредили затем для молодых химиков-исследователей!
Так поступок этого учёного послужил реальной поддержке дальнейших
исследований в его родной органической химии.
И что ещё поражает в характере истинных рыцарей науки (а как ещё можно
назвать Кучерова и прочих?), так то, что они не придавали никакого значения
таким "пожертвованиям", принимая их за норму. Поступали точь-в-точь по Библии —
левая рука не ведала, что делает правая. И если бы не свидетельства
очевидцев, все эти истории были бы преданы забвению, так как в собственных
воспоминаниях и статьях сами они ни словом не обмолвились об этой стороне своей
жизни. При этом каждый из них нещадно казнил себя, если случалось совершить что-
либо мелочное и недостойное по его понятиям. Такая самокритичность нередко
отравляла им существование, поскольку сжигаемые стыдом они при первом же
подвернувшемся случае начинали публично каяться и бить себя в грудь кулаками.
Горько? Смешно? Но в этом бескомпромиссном подходе ко всему и вся и
заключается сверхпорядочность выдающихся людей. В этом и состоит высшая мораль в
науке! Наука её не диктует, нет, она просто, выражаясь словами Л.С. Берга141,
"обладает столь удивительным свойством, что, не задаваясь целями морали,
вместе с тем ведёт к морали, но достигает этого не своим содержанием, а своим
методом..." Подобно своему знаменитому соотечественнику Рентгену, видный
специалист в теоретической физике Фриц Лондон при церемонии награждения его
высшей наградой Голландской Академии наук — медалью Лоренца, деликатно прервал
все речи в свою честь такими словами: "Мне просто очень повезло. Ведь большую
часть жизни я занимался тем, что меня интересует сильнее всего, и мне не-
141 Лев Семёнович (Симонович) Берг (1876—1950) — советский зоолог и географ. Член-
корреспондент (1928) и действительный член (1946) АН СССР, президент Географического
общества СССР (1940—1950), лауреат Сталинской премии (1951 — посмертно). Автор
основополагающих работ по ихтиологии, географии, теории эволюции.
сколько неловко, что именно за это мне оказывают почести". Иллюстрацией этому
заявлению может стать известная всем поговорка о том, что скромность украшает
человека.
Одному из крупнейших советских исследователей Н.Н. Семёнову142 приписываются
слова о том, что, мол, истинный учёный готов сам внести доплату за то, чтобы
ему позволили спокойно заниматься любимым делом — научным исследованием,
которое по существу является занятием "удовлетворения любознательности за
государственный счёт". Шутка? Разумеется, но, как говорится, в каждой шутке есть
доля истины. Может поэтому кажущиеся другим чудаками люди и чувствуют себя
самыми счастливыми на свете? И, видимо, именно таких чудаков имел в виду
известный советский географ и биолог Л.С. Берг, утверждая, что "наука служит
для очищения души от всякой скверны и познание истины для настоящего учёного
есть акт бескорыстный, а созерцание истины приводит в такой же экстаз, как и
созерцание красоты".
За принятыми без малейших раздумий "чудаковатыми" решениями Мечникова, Пас-
тера и Рентгена скрывается та самая нравственная высота человеческой натуры,
которая позволяет нам причислить их к людям высочайшей морали. Для них не
существовало ничего более ценного, чем почувствовать себя живой частицей
земного мироздания и оставить за это в благодарность человечеству лучший плод
своей разумной деятельности. Да ещё за этот "подарок" доплачивать своими
финансовыми средствами и жертвовать последними сбережениями. Изобретатель
электрического "русского света" Павел Николаевич Яблочков выкупил свой патент на
ламповые свечи у французских промышленников за миллион франков, лишь бы
подарить право на производство этих свечей России, принеся тем самым хоть какую-
то практическую пользу своему народу.
Леонард Эйлер (нем. Leonhard Euler; 1707—1783) —
швейцарский, немецкий и российский математик, внёсший
значительный вклад в развитие математики, а также механики,
физики, астрономии и ряда прикладных наук.
Эйлер — автор более чем 800 работ по математическому
анализу, дифференциальной геометрии, теории чисел,
приближённым вычислениям, небесной механике, математической
физике, оптике, баллистике, кораблестроению, теории
музыки и др.
Почти полжизни провёл в России, где внёс существенный
вклад в становление российской науки. В 1726 году он был приглашён работать в
Санкт-Петербург, куда переехал годом позже. С 1731 по 1741, а также с 1766
года был академиком Петербургской академии наук (в 1741—1766 годах работал в
Берлине, оставаясь одновременно почётным членом Петербургской Академии).
Хорошо знал русский язык и часть своих сочинений (особенно учебники) публиковал
на русском. Первые русские академики-математики (С.К. Котельников) и
астрономы (С.Я. Румовскии) были учениками Эйлера. Некоторые из его потомков до сих
пор живут в России.
Леонард Эйлер родился в 1707 году в семье базельского пастора Пауля Эйлера,
друга семьи Бернулли. Рано проявил математические способности. Начальное обу-
142 Николай Николаевич Семёнов (1896—1986) — советский физико-химик, один из
основоположников химической физики. Академик АН СССР (1932 год; член-корреспондент с 1929
года) , единственный советский лауреат Нобелевской премии по химии (получил в 1956
году совместно с Сирилом Хиншелвудом).
чение получил дома под руководством отца, учившегося некогда математике у
Якоба Бернулли. Пастор готовил старшего сына к духовной карьере, однако
занимался с ним и математикой — как в качестве развлечения, так и для развития
логического мышления. Одновременно с обучением в гимназии мальчик увлечённо
занимался математикой, а в последние гимназические годы посещал
университетские лекции младшего брата Якоба, Иоганна Бернулли.
20 октября 1720 года 13-летний Леонард Эйлер стал студентом факультета
искусств Базельского университета. Но любовь к математике направила Леонарда по
иному пути. Вскоре способный мальчик обратил на себя внимание профессора
Иоганна Бернулли. Он передал одарённому студенту математические статьи для
изучения, а по субботам пригласил приходить к нему домой, чтобы совместно
разбирать непонятное. В доме своего учителя Эйлер познакомился и подружился с
сыновьями Бернулли — Даниилом и Николаем, также увлечённо занимавшимися
математикой .
8 июня 1724 года 17-летний Леонард Эйлер произнёс на латыни речь о
сравнении философских воззрений Декарта и Ньютона и был удостоен учёной степени
магистра .
В последующие два года юный Эйлер написал несколько научных работ. Одна из
них, «Диссертация по физике о звуке», получившая благоприятный отзыв, была
представлена на конкурс для замещения неожиданно освободившейся в Базельском
университете должности профессора физики (1725) . Но, несмотря на
положительный отзыв, 19-летнего Эйлера сочли слишком юным, чтобы включить в число
кандидатов на профессорскую кафедру. Надо отметить, что число научных вакансий в
Швейцарии было совсем невелико. Поэтому братья Даниил и Николай Бернулли
уехали в Россию, где как раз шла организация Академии наук; они обещали
похлопотать там и о должности для Эйлера.
В начале зимы 1726 года Эйлеру сообщили из Санкт-Петербурга: по
рекомендации братьев Бернулли он приглашён на должность адгьюнкта по физиологии с
окладом 200 рублей. Получение аванса для компенсации проездных расходов
растянулось почти на год, и лишь 5 апреля 1727 года Эйлер навсегда покинул
Швейцарию.
22 января 1724 года Пётр I утвердил проект устройства Петербургской
Академии. 28 января вышел указ сената о создании Академии. Из 22 профессоров и
адъюнктов, приглашённых в первые годы, оказалось 8 математиков, которые
занимались также механикой, физикой, астрономией, картографией, теорией
кораблестроения , службой мер и весов.
Одной из важнейших задач Академии стала подготовка отечественных кадров.
Позднее при Академии были созданы университет и гимназия. В силу острой
нехватки учебников на русском языке Академия обратилась к своим членам с
просьбой составить такие руководства. Эйлер, хотя и числился физиологом, составил
на немецком языке очень добротное «Руководство к арифметике», которое тут же
было переведено на русский и служило не один год в качестве начального
учебника. Перевод первой части выполнил в 1740 году первый русский адъюнкт
Академии, ученик Эйлера Василий Адодуров. Это было первое систематическое
изложение арифметики на русском языке. Ко всеобщему удивлению, Эйлер уже в
следующем по приезде году стал бегло говорить по-русски.
В 1730 году, когда на русский престол вступила Анна Иоанновна, интерес к
Академии упал. За годы своего правления императрица посетила Академию всего
лишь один раз. Часть приглашённых профессоров стала возвращаться на родину.
Освободившееся место профессора физики было предложено Эйлеру (1731),
одновременно он получил увеличение оклада до 400 рублей. Ещё через два года
Даниил Бернулли вернулся в Швейцарию, и Эйлер занял его кафедру, став академиком
и профессором чистой математики с окладом 600 рублей (впрочем, Даниил
Бернулли получал вдвое больше). Николай Бернулли, талантливый математик, скоропо-
стижно умер от болезни вскоре после приезда в Россию, в 1726 году.
В один из последних дней 1733 года 26-летний Леонард Эйлер женился на своей
ровеснице Катарине (нем. Katharina Gsell), дочери живописца (петербургского
швейцарца) Георга Гзеля. Молодожёны приобрели дом на набережной Невы, где и
поселились. В семье Эйлера родились 13 детей, но выжили 3 сына и 2 дочери.
Эйлер отличался феноменальной работоспособностью. По отзывам современников,
для него жить означало заниматься математикой. А работы у молодого профессора
было много: картография, всевозможные экспертизы, консультации для
кораблестроителей и артиллеристов, составление учебных руководств, проектирование
пожарных насосов и т.д. От него даже требуют составления гороскопов, каковой
заказ Эйлер со всем возможным тактом переадресовал штатному астроному. Но всё
это не мешает ему активно проводить собственные исследования.
За первый период пребывания в России он написал более 90 крупных научных
работ. Значительная часть академических «Записок» заполнена трудами Эйлера.
Он делал доклады на научных семинарах, читал публичные лекции, участвовал в
выполнении различных технических заказов правительственных ведомств.
В 1735 году Академия получила задание выполнить срочное и очень громоздкое
астрономическое (по другим данным, картографическое) вычисление. Группа
академиков просила на эту работу три месяца, а Эйлер взялся выполнить работу за
3 дня — и справился самостоятельно. Однако перенапряжение не прошло
бесследно : он заболел и потерял зрение на правый глаз.
В 1730-е годы Эйлер становится известен и в Европе. Двухтомное сочинение
«Механика, или наука о движении, в аналитическом изложении», изданное в 1736
году, принесло ему мировую славу. В этой монографии Эйлер блестяще применил
методы математического анализа к решению проблем движения в пустоте ив
сопротивляющейся среде. «Тот, кто имеет достаточные навыки в анализе, сможет
всё увидеть с необычайной лёгкостью и без всякой помощи прочитает работу
полностью», — заканчивает Эйлер своё предисловие к книге. Начиная с этого
момента, теоретическая механика становится прикладной частью математики.
Обстоятельства ухудшились, когда в 1740 году умерла императрица Анна Иоан-
новна и царём был объявлен малолетний Иоанн VI. «Предвиделось нечто опасное,
— писал позднее Эйлер в автобиографии. — После кончины достославной
императрицы Анны при последовавшем тогда регентстве... положение начало представляться
неуверенным». В самом деле, в регентство Анны Леопольдовны Петербургская
Академия окончательно приходит в запустение. Эйлер обдумывает возврат на родину.
В конце концов, он принимает предложение прусского короля Фридриха, который
приглашал его в Берлинскую Академию на весьма выгодных условиях, на должность
директора её Математического департамента. Академия создавалась на базе
прусского Королевского общества, основанного ещё Лейбницем, но в те годы
находившегося в удручающем состоянии.
Эйлер подал руководству Петербургской Академии прошение об отставке.
29 мая 1741 года разрешение Академии было получено. Эйлер был «отпущен» и
утверждён почётным членом Академии с окладом 200 рублей. Взамен он обещал по
мере своих сил помогать Петербургской Академии — и действительно, все
проведённые в Пруссии годы Эйлер участвовал в публикациях Академии, редактировал
математические отделы русских журналов, приобретал для Петербурга книги и
инструменты. На квартире Эйлера, на полном пансионе, годами жили молодые
русские учёные, командированные на стажировку. Известно об оживлённой переписке
Эйлера с Ломоносовым, в творчестве которого он высоко ценил «счастливое
сочетание теории с экспериментом». В 1747 году он дал благоприятный отзыв
президенту Академии наук графу К.Г. Разумовскому о статьях Ломоносова по физике и
химии.
Этой высокой оценке не помешало даже то, что Ломоносов математических работ
не писал и высшей математикой не владел.
В июне 1741 года Леонард Эйлер с женой, двумя сыновьями и четырьмя
племянниками прибыл в Берлин. Он провёл там 25 лет и издал около 260 работ.
Первое время Эйлера встречают в Берлине доброжелательно, его приглашают
даже на придворные балы. Король постоянно в отлучке из-за непрерывных войн, но
работы у Эйлера немало. Помимо математики, он занимается многими
практическими делами, включая лотереи, чеканку монет, прокладку нового водопровода и
организацию пенсионного обеспечения.
В 1742 году вышло четырёхтомное собрание сочинений Иоганна Бернулли.
Посылая его из Базеля Эйлеру в Берлин, старый учёный писал своему ученику: «Я
посвятил себя детству высшей математики. Ты, мой друг, продолжишь её
становление в зрелости». В берлинский период, одна за другой, выходят работы Эйлера:
«Введение в анализ бесконечно малых» (1748), «Морская наука» (1749), «Теория
движения Луны» (1753), «Наставление по дифференциальному исчислению» (лат.
Institutiones calculi differentialis, 1755). Многочисленные статьи по
отдельным вопросам печатаются в изданиях Берлинской и Петербургской Академий. В
1744 году Эйлер открывает вариационное исчисление. В его работах используются
продуманная терминология и математическая символика, в значительной степени
сохранившиеся до наших дней, изложение доводится до уровня практических
алгоритмов .
В 1753 году Эйлер купил поместье в Шарлоттенбурге (пригород Берлина) с
садом и участком. Мать известила Эйлера о смерти в Швейцарии его отца; вскоре
она переехала к Эйлеру.
Огромную популярность приобрели в XVIII веке, а отчасти и в XIX-м, эйлеров-
ские «Письма о разных физических и философических материях, написанные к
некоторой немецкой принцессе...», которые выдержали свыше 40 изданий на 10 языках
(в том числе 4 издания на русском). Это научно-популярная энциклопедия
широкого охвата, написанная ярко и общедоступно.
По отзывам современников, Эйлер всю жизнь оставался скромным,
жизнерадостным, чрезвычайно отзывчивым человеком, всегда готовым помочь другому. Однако
отношения с королём не складываются: Фридрих находит нового математика
невыносимо скучным, совершенно не светским, и обращается с ним пренебрежительно.
В 1759 году умер Мопертюи, президент Берлинской Академии наук. Пост
президента Академии король Фридрих II предложил Даламберу, но тот отказался. Фридрих,
недолюбливавший Эйлера, всё же поручил ему руководство Академией, однако без
титула президента.
Во время Семилетней войны русская артиллерия разрушила дом Эйлера; узнав об
этом, фельдмаршал Салтыков немедленно возместил потери, а позже императрица
Елизавета прислала от себя ещё 4000 рублей.
1765: новый шедевр Эйлера, «Теория движения твёрдых тел». В 1766 году
опубликованы «Элементы вариационного исчисления». Именно здесь впервые появилось
название нового раздела математики, созданного Эйлером и Лагранжем.
В 1762 году на русский престол вступила Екатерина II, которая осуществляла
политику просвещённого абсолютизма. Хорошо понимая значение науки, как для
прогресса государства, так и для собственного престижа, она провела ряд
важных, благоприятных для науки преобразований в системе народного просвещения и
культуры. Императрица предложила Эйлеру управление математическим классом,
звание конференц-секретаря Академии и оклад 1800 рублей в год. «А если не
понравится, — говорилось в письме её представителю, — благоволит сообщить свои
условия, лишь бы не медлил приездом в Петербург».
Эйлер сообщил в ответ свои условия:
• оклад 3000 рублей в год и пост вице-президента Академии;
• ежегодная пенсия 1000 рублей супруге после его смерти;
• оплачиваемые должности для троих его сыновей, в том числе пост секретаря
Академии для старшего.
Все эти условия были приняты. Екатерина пишет канцлеру графу Воронцову:
«Письмо к Вам г. Эйлера доставило мне большое удовольствие, потому что я
узнаю из него о желании его снова вступить в мою службу. Конечно, я нахожу
его совершенно достойным желаемого звания вице-президента Академии наук, но
для этого следует принять некоторые меры, прежде чем я установлю это звание —
говорю установлю, так как доныне его не существовало. При настоящем положении
дел там нет денег на жалование в 3000 рублей, но для человека с такими
достоинствами, как г. Эйлер, я добавлю к академическому жалованию из
государственных доходов, что вместе составит требуемые 3000 рублей... Я уверена, что моя
Академия возродится из пепла от такого важного приобретения, и заранее
поздравляю себя с тем, что возвратила России великого человека».
Эйлер подал королю прошение об увольнении со службы, но никакого ответа не
получил. Подал повторно — но Фридрих не желал даже обсуждать вопрос о его
отъезде. В ответ на это Эйлер прекратил работать для Берлинской Академии.
Решающую поддержку Эйлеру оказали настойчивые ходатайства российского
представительства от имени императрицы. 30 апреля 1766 года Фридрих наконец-то
разрешил великому учёному покинуть Пруссию, отпустив вдогонку (в письмах того
периода) несколько злобных острот. Правда, Кристофа, младшего сына Эйлера,
служившего подполковником артиллерии (нем. Oberstleutnant), король наотрез
отказался отпустить из армии. Позднее благодаря заступничеству Екатерины II
он всё же смог присоединиться к отцу; в русской армии он дослужился до
генерал-лейтенанта .
Эйлер возвращается в Россию, теперь уже навсегда.
В июле 1766 года 60-летний Эйлер, его семья и домочадцы (всего 18 человек)
прибыли в российскую столицу. Сразу же по прибытии он был принят
императрицей. Екатерина, теперь уже Вторая, встретила его как августейшую особу и
осыпала милостями: пожаловала 8000 рублей на покупку дома на Васильевском
острове и на приобретение обстановки, предоставила на первое время одного из своих
поваров и поручила подготовить соображения о реорганизации Академии.
К несчастью, после возвращения в Петербург у Эйлера образовалась катаракта
левого глаза — он перестал видеть. Вероятно, по этой причине обещанный пост
вице-президента Академии он так и не получил. Однако слепота не отразилась на
его работоспособности. Эйлер диктовал свои труды мальчику-портному, который
всё записывал по-немецки. Число опубликованных им работ даже возросло; за
полтора десятка лет второго пребывания в России он продиктовал более 400
статей и 10 книг.
1767—1770: работа над двухтомной классической монографией «Универсальная
арифметика» (издавалась также под названиями «Начала алгебры» и «Полный курс
алгебры»). На русском языке этот замечательный труд выходит сразу же (первый
том: 1768) , на немецком — два года спустя. Книга была переведена на многие
языки и переиздавалась около 30 раз (трижды — на русском) . Все последующие
учебники алгебры создавались под сильнейшим влиянием книги Эйлера.
В эти же годы выходит трёхтомник «Оптика» (лат. Dioptrica, 1769—1771) и
фундаментальное «Интегральное исчисление» (лат. Institutiones calculi
integralis), тоже в 3 томах.
В 1771 году в жизни Эйлера произошли два серьёзных события. В мае в
Петербурге случился большой пожар, уничтоживший сотни зданий, в том числе дом и
почти всё имущество Эйлера. Самого учёного с трудом спасли. Все рукописи
удалось уберечь от огня; сгорела лишь часть «Новой теории движения луны», но она
быстро была восстановлена с помощью самого Эйлера, сохранившего до глубокой
старости феноменальную память. Эйлеру пришлось временно переселиться в другой
дом.
В сентябре того же года, по особому приглашению императрицы, в Санкт-
Петербург прибыл для лечения Эйлера известный немецкий окулист барон Вент-
цель. После осмотра он согласился сделать Эйлеру операцию и удалил с левого
глаза катаракту. Эйлер снова стал видеть. Врач предписал беречь глаз от
яркого света, не писать, не читать — лишь постепенно привыкать к новому
состоянию. Однако уже через несколько дней после операции Эйлер снял повязку, и
вскоре потерял зрение снова. На этот раз — окончательно.
1772: «Новая теория движения Луны». Эйлер наконец завершил свой многолетний
труд, приближённо решив задачу трёх тел.
В 1773 году по рекомендации Даниила Бернулли в Петербург приехал из Базеля
ученик Бернулли, Никлаус Фусс. Это было большой удачей для Эйлера. Фусс
обладал редким сочетанием математического таланта и умения вести практические
дела, что и дало ему возможность сразу же после приезда взять на себя заботы о
математических трудах Эйлера. Вскоре Фусс женился на внучке Эйлера. В
последующие десять лет — до самой своей смерти — Эйлер преимущественно ему
диктовал свои труды, хотя иногда пользовался «глазами старшего сына» и других
своих учеников.
В 1773 году умерла жена Эйлера, с которой он прожил почти 40 лет; у них
было три сына. (Старший сын Иоганн Альбрехт был выдающимся математиком и
физиком, ему принадлежит гипотеза об оценочной функции в проблеме Варинга.
Младший сын Христофор впоследствии был генерал-лейтенантом российской армии и
командиром Сестрорецкого оружейного завода). Смерть жены была болезненным
ударом для учёного, искренне привязанного к семье. Вскоре Эйлер женился на её
сводной сестре Саломее.
1779: выходит «Всеобщая сферическая тригонометрия», первое полное изложение
всей системы сферической тригонометрии.
Эйлер активно трудился до последних дней. В сентябре 1783 года 76-летний
учёный стал ощущать головные боли и слабость. 7 (18) сентября после обеда,
проведённого в кругу семьи, беседуя с академиком А.И. Лекселем о недавно
открытой планете Уран и её орбите, он внезапно почувствовал себя плохо. Эйлер
успел произнести: «Я умираю», — и потерял сознание. Через несколько часов,
так и не приходя в сознание, он скончался от кровоизлияния в мозг.
«Он перестал вычислять и жить», — сказал Кондорсе на траурном заседании
Парижской Академии наук (фр. II cessa de calculer et de vivre).
Его похоронили на Смоленском лютеранском кладбище в Петербурге. Надпись на
памятнике гласила: «Здесь покоятся бренные останки мудрого, справедливого,
знаменитого Леонарда Эйлера».
В 1955 году прах великого математика был перенесён в «Некрополь XVIII века»
на Лазаревском кладбище Александро-Невской лавры. Плохо сохранившийся
надгробный памятник при этом заменили.
Интересные факты:
• А. С. Пушкин приводит романтический рассказ: якобы Эйлер составил
гороскоп для новорождённого Иоанна Антоновича (1740), но результат его
настолько испугал, что он никому не стал его показывать, и лишь после
смерти несчастного царевича рассказал о нём графу К. Г. Разумовскому.
Достоверность этого исторического анекдота крайне сомнительна.
• Маркиз Кондорсе сообщает, что вскоре после переезда в Берлин Эйлера
пригласили на придворный бал. На вопрос королевы-матери, отчего он так
немногословен, Эйлер ответил: «Прошу меня простить, но я только что из
страны, где за лишнее слово могут повесить».
• Другой рассказ Кондорсе: однажды два студента, выполняя независимо
сложные астрономические вычисления, получили немного различающиеся
результаты в 50-м знаке, и обратились к Эйлеру за помощью. Эйлер проделал те же
вычисления в уме и указал правильный результат.
• Рассказывают, что Эйлер не любил театр, и если попадал туда, поддавшись
уговорам жены, то чтобы не скучать, выполнял в уме сложные вычисления,
подобрав их объём так, чтобы хватило как раз до конца представления.
• В 1739 году вышла работа Эйлера «Tentamen novae theoriae musicae» no
математической теории музыки. По поводу этой работы ходила шутка, что в
ней слишком много музыки для математиков и слишком много математики для
музыкантов.
По отзывам современников, по характеру Эйлер был добродушен, незлобив,
практически ни с кем не ссорился. К нему неизменно тепло относился даже
Иоганн Бернулли, тяжёлый характер которого испытали на себе его брат Якоб и сын
Даниил. Для полноты жизни Эйлеру требовалось только одно — возможность
регулярного математического творчества. В то же время он был жизнерадостен,
общителен, любил музыку, философские беседы.
Эйлер был заботливым семьянином, охотно помогал коллегам и молодёжи, щедро
делился с ними своими идеями. Известен случай, когда Эйлер задержал свои
публикации по вариационному исчислению, чтобы молодой и никому тогда не
известный Лагранж, независимо пришедший к тем же открытиям, смог опубликовать их
первым. Лагранж всегда с восхищением относился к Эйлеру и как к математику, и
как к человеку; он говорил: «Если вы действительно любите математику, читайте
Эйлера».
Академик СИ. Вавилов писал: «Вместе с Петром I и Ломоносовым, Эйлер стал
добрым гением нашей Академии, определившим её славу, её крепость, её
продуктивность» .
«Читайте, читайте Эйлера, он — наш общий учитель», — любил повторять и
Лаплас (фр. Lisez Euler, lisez Euler, с'est notre maitre a tous.).[17] Труды
Эйлера с большой пользой для себя изучали и «король математиков» Карл Фридрих
Гаусс, и практически все знаменитые учёные XVIII—XIX веков.
Эйлер оставил важнейшие труды по самым различным отраслям математики,
механики, физики, астрономии и по ряду прикладных наук. С точки зрения
математики, XVIII век — это век Эйлера. Если до него достижения в области математики
были разрознены и не всегда согласованы, то Эйлер впервые увязал анализ,
алгебру, тригонометрию, теорию чисел и др. дисциплины в единую систему, и
добавил немало собственных открытий. Значительная часть математики преподаётся с
тех пор «по Эйлеру».
Благодаря Эйлеру в математику вошли общая теория рядов, удивительная по
красоте «формула Эйлера», операция сравнения по целому модулю, полная теория
непрерывных дробей, аналитический фундамент механики, многочисленные приёмы
интегрирования и решения дифференциальных уравнений, число е, обозначение i
для мнимой единицы, гамма-функция с её окружением и многое другое.
По существу именно он создал несколько новых математических дисциплин —
теорию чисел, вариационное исчисление, теорию комплексных функций,
дифференциальную геометрию поверхностей, специальные функции. Другие области его
трудов: диофантов анализ, астрономия, оптика, акустика, статистика и т.д.
Познания Эйлера были энциклопедичны; кроме математики, он глубоко изучал ботанику,
медицину, химию, теорию музыки, множество европейских и древних языков.
Биографы отмечают, что Эйлер был виртуозным алгоритмистом. Он неизменно
старался довести свои открытия до уровня конкретных вычислительных методов.
Эйлер охотно участвовал в научных дискуссиях, из которых наибольшую
известность получили:
• Спор о струне.
• Спор с Д'Аламбером о свойствах комплексного логарифма.
• Спор с английским оптиком Джоном Доллондом (англ.) о том, возможно ли
создать ахроматическую линзу.
Во всех упомянутых случаях Эйлер отстаивал правильную позицию.
Жозеф Луи Лагранж (фр. Joseph Louis Lagrange, итал.
Giuseppe Lodovico Lagrangia; 1736—1813) — французский
математик, астроном и механик итальянского происхождения.
Наряду с Эйлером — лучший математик XVIII века. Особенно
прославился исключительным мастерством в области
обобщения и синтеза накопленного научного материала.
Автор классического трактата «Аналитическая механика»,
в котором установил фундаментальный «принцип возможных
перемещений» и завершил математизацию механики. Внёс
грандиозный вклад в развитие анализа, теории чисел,
теорию вероятностей и численные методы, создал вариационное
исчисление.
Отец Лагранжа — полуфранцуз, полуитальянец,— служил в итальянском городе
Турине военным казначеем Сардинского королевства.
Лагранж родился 25 января 1736 в Турине. Из-за материальных затруднений
семьи он был вынужден рано начать самостоятельную жизнь. Сначала Лагранж
заинтересовался филологией. Его отец хотел, чтобы сын стал адвокатом, и поэтому
определил его в Туринский университет. Но в руки Лагранжа случайно попал
трактат по математической оптике, и он почувствовал своё настоящее призвание.
В 1755 году Лагранж послал Эйлеру свою работу об изопериметрических
свойствах, ставших впоследствии основой вариационного исчисления. В этой работе он
решил ряд задач, которые сам Эйлер не смог одолеть. Эйлер включил похвалы Ла-
гранжу в свою работу и (вместе с д'Аламбером) рекомендовал молодого учёного в
иностранные члены Берлинской Академии наук (избран в октябре 1756 года).
В этом же 1755 году Лагранж был назначен преподавателем математики в
Королевской артиллерийской школе в Турине, где пользовался, несмотря на свою
молодость, славой прекрасного преподавателя. Лагранж организовал там научное
общество, из которого впоследствии выросла Туринская Академия наук, издаёт
труды по механике и вариационному исчислению (1759). Здесь же он впервые
применяет анализ к теории вероятностей, развивает теорию колебаний и акустику.
1762: первое описание общего решения вариационной задачи. Оно не было ясно
обосновано и встретило резкую критику. Эйлер в 1766 году дал строгое
обоснование вариационным методам и в дальнейшем всячески поддерживал Лагранжа.
В 1764 году Французская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу по
проблеме движения Луны. Лагранж представил работу, посвященную либрации Луны
(см. Точка Лагранжа), которая была удостоена первой премии. В 1766 году
Лагранж получил вторую премию Парижской Академии за исследование, посвященное
теории движения спутников Юпитера, а до 1778 года был удостоен ещё трёх
премий.
В 1766 году по приглашению прусского короля Фридриха II Лагранж переехал в
Берлин (тоже по рекомендации Д'Аламбера и Эйлера). Здесь он вначале руководил
физико-математическим отделением Академии наук, а позже стал президентом
Академии. В её «Мемуарах» опубликовал множество выдающихся работ. Женился (1767)
на своей кузине по матери, Виттории Конти, но в 1783 году его жена умерла.
Берлинский период (1766—1787) был самым плодотворным в жизни Лагранжа.
Здесь он выполнил важные работы по алгебре и теории чисел, в том числе строго
доказал несколько утверждений Ферма и теорему Вильсона: для любого простого
числа р выражение (р-1)! + 1 делится на р.
1767: Лагранж публикует мемуар «О решении числовых уравнений» и затем ряд
дополнений к нему. Позднее Абель и Галуа черпали вдохновение в этой блестящей
работе. Впервые в математике появляется конечная группа подстановок. Лагранж
высказал предположение, что не все уравнения выше 4-й степени разрешимы в
радикалах. Строгое доказательство этого факта и конкретные примеры таких
уравнений дал Абель в 1824—1826 гг. , а общие условия разрешимости нашёл Галуа в
1830-1832 гг.
1772: избран иностранным членом Парижской Академии наук
В Берлине была подготовлена и «Аналитическая механика» («Mecanique
analytique»), опубликованная в Париже в 1788 и ставшая вершиной научной
деятельности Лагранжа. Гамильтон назвал этот шедевр «научной поэмой». В основу
всей статики положен т.н. принцип возможных перемещений, в основу динамики —
сочетание этого принципа с принципом Д'Аламбера. Введены обобщённые
координаты, разработан принцип наименьшего действия. Впервые со времён Архимеда
монография по механике не содержит ни одного чертежа, чем Лагранж особенно
гордился.
В 1787 году, после кончины Фридриха II, Лагранж по приглашению Людовика XVI
переехал в Париж, где был принят с королевскими почестями и стал членом
Парижской Академии наук (уже не иностранным членом).
Революция отнеслась к Лагранжу снисходительно. Ему пожаловали пенсию и
оплачиваемое место в комиссии, занимавшейся разработкой метрической системы мер
и весов и нового календаря. К большому своему облегчению, Лагранжу удаётся
заблокировать революционный проект всеобщего перехода на 12-ричную систему.
1792: Лагранж вновь женился, на Рене-Франсуазе-Аделаиде Лемонье, дочери
друга-астронома. Брак оказался удачным.
1795: открыта Нормальная школа, и Лагранж преподаёт там математику. В 1797
году, после создания Политехнической школы, вёл там преподавательскую
деятельность , читал курс математического анализа.
В эти годы Лагранж публикует свою знаменитую интерполяционную формулу для
приближения функции многочленом. Издаёт книгу «Теория аналитических функций»,
без актуальных бесконечно малых. Эта работа позже вдохновляла Коши при
разработке строгого обоснования анализа. Там же Лагранж дал формулу остаточного
члена ряда Тейлора, указал метод множителей Лагранжа для решения задач на
условный экстремум.
1801: публикуются «Лекции об исчислении функций».
Наполеон любил обсуждать с деликатным и ироничным Лагранжем философские
вопросы. Он пожаловал Лагранжу титул графа, должность сенатора и орден
Почётного легиона.
Умер Лагранж 10 апреля 1813 года, умер спокойно, как и жил, сказав друзьям:
«Я сделал своё дело... Я никогда никого не ненавидел, и не делал никому зла».
Похоронен в Пантеоне.
Лагранж внёс существенный вклад во многие области математики, включая
вариационное исчисление, теорию дифференциальных уравнений, решение задач на
нахождение максимумов и минимумов, теорию чисел (теорема Лагранжа), алгебру и
теорию вероятностей. Формула конечных приращений и несколько других теорем
названы его именем. В двух своих важных трудах — «Теория аналитических
функций» («Theorie des fonctions analytiques», 1797) и «О решении численных
уравнений» («De la resolution des equations numeriques», 1798) — подытожил всё,
что было известно по этим вопросам в его время, а содержавшиеся в них новые
идеи и методы были развиты в работах математиков XIX века.
Жан-Батист Био (фр. Jean-Baptiste Biot; 1774—1862) — знаменитый французский
учёный, физик, геодезист и астроном, член Парижской Академии наук (1803).
После блестящего окончания курса в коллегии Людовика Великого 19-летний Био
поступил в военную службу и участвовал в действиях
Северной армии. В сентябре 1794 года Конвентом был утвержден
закон об организации школы, получившей впоследствии
название Политехнической школы, во главе которой стоял, хотя и
не считался президентом, известный геометр Монж. Био по
возвращении из армии поступил в числе первых слушателей в
эту школу. Политические страсти того неспокойного времени
проникли и в Политехническую школу и мешали правильному
ходу занятий. Ученики школы принимали участие 13 вандемие-
ра IV года в инсуррекции против правительства и были
арестованы; в их числе находился и Батист. Ему угрожало по
меньшей мере исключение, но заступничеством Монжа и эта опасность была
устранена.
Вскоре, после успешного окончания курса наук, Батист был назначен
профессором в Центральную школу в Бове, а в 1800 году занял кафедру математической
физики в Коллеж де Франс и выбран в члены-корреспонденты математического
отделения Института; через три года после того он стал действительным членом
этого учёного учреждения. Основаниями к его выбору послужили тринадцать
мемуаров и два следующих сочинения: «Analise de la Mecanique celeste de
Laplace» (Париж, 1808, in 8) и «Traite analytique des courbes et des surfaces
du second degre» (Париж, 1802, in 8). Вскоре он написал проникнутое
республиканским духом «Essai sur l'histoire general des sciences pendant la
Revolution» (Париж, 1803, in 8), сочинение, доставившее ему большую
литературную известность; когда Институт был приглашен участвовать в провозглашении
Наполеона Бонапарта императором, Био смело протестовал против вмешательства
учёного общества в чисто политические дела.
В августе 1804 г. Био с Гей-Люссаком поднимался на воздушном шаре, причём
они достигли высоты 3 400 метров. В следующем году он сопровождал Декандоля и
Бонплана в горы Юра и Альпы, а в 1806 году поступил в число членов Бюро
долгот . Био отправился в Испанию в сопровождении молодого тогда учёного Араго
для окончания геодезических измерений дуги меридиана, проходящего через
Францию и Балеарские острова. Эта работа, закончившаяся измерением большого
треугольника, соединяющего острова Ивицу и Форментеру с берегом Испании,
сопровождалось большими практическими затруднениями, о которых так живо
рассказывает Араго в своей «Histoire de ma jeunesse». Большая доля трудностей выпала
на долю Араго, который остался в Испании один во время военных затруднений, а
Био вернулся в 1807 году во Францию; однако был случай, когда жизнь Био
подвергалась в бытность его в Испании серьёзной опасности.
В 1808 и 1809 годах он определил длину секундного маятника в Бордо и Дюн-
кирхене. В 1809 г. Био был назначен профессором астрономии.
В 1817 г. он совершил поездку в Шотландию и на Шетландские острова, опять с
геодезической целью; в следующем году для продолжения той же работы он опять
ездил в Дюнкирхен, а в 1824 и 1825 гг. в Италию, Сицилию, Форментеру и
Барселону. Важные заключения, к которым привело его изучение всех данных,
полученных им во время вышеперечисленных его поездок, заключались в том, что
действие земного притяжения не одинаково на одной и той же параллели и что оно
изменяется неравномерно вдоль одного и того же меридиана. Эти результаты были
изложены им в «Записке о фигуре Земли» (Memoire sur la figure de la terre),
представленной им Академии наук в 1827 году.
Другие главнейшие его работы по астрономии и геодезии: «Recueil
d'observations geodesiques, astronomiques et physiques, executees en Espagne
et en Ecosse, en collaboration avec Arago» (Париж, 1821, in 4°); «Recherches
sur plusieurs points de l'astronomie egyptienne, appliquee aux monuments
astronomiques trouves en Egypte» (Париж, 1823); «Recherches sur l'ancienne
astronomie chinoise» (Париж, 1840 г., in 4); «Traite elementaire d'astronomie
physique» (Париж, 1805, 3 т., 1841). По математике и механике, кроме
вышеупомянутого «Traite analytique des courbes», Био написал: «Recherches sur
1'integration des equations differentielles partielles et sur les vibrations
des surfaces» (Париж, 1803); «Notions elementaires de Statique».
Био был замечателен ещё и как физик, и в особенности заслуживают внимания
его исследования некоторых случаев поляризации света. Первым его мемуаром по
этому предмету (в 1812 г.) был «Memoire sur de nouveaux rapports entre la
reflexion et la polarisation de la lumiere par les corps cristallises» (Mem.
de l'Inst., section des sciences, т. XII). За этим мемуаром следовало до
тридцати других, посвященных изучению связи между частичным строением тел и
свойствами света, проходящего через эти тела, названными поляризацией света.
Био обрабатывал различные части физики не только в специальных мемуарах, но и
в написанных им курсах физики: «Traite de physique experimentale et
mathematique» (4 т., Париж, 1816); «Precis elementaire de physique
experimentale» (Париж, 1817; 3-е изд., 2 тома, 1823). Важнейшие открытия Био
по оптике: свойство турмалина раздваивать лучи света, поляризовать их и
поглощать один из них; законы вращения плоскости поляризации кварцем и
различными жидкостями. Это последнее послужило средством для открытия сахаристых
веществ в соках различных растений и разделения сахара по оптическим
свойствам на две разновидности. Вращение плоскости поляризации получило также
применение в медицине для диагноза диабета. Био особенно дорожил этими
изысканиями, написал историю своего открытия со всеми его последствиями и
приложениями в мемуаре, помещенном в «Annales de Chimie et de Physique» (1860). Био
вместе с Саваром определил, путём опыта, закон действия проводника, по
которому проходит гальванический ток, на магнитную стрелку. Его курсы физики,
заглавия которых приведены выше, отличаются ясностью и глубокой обдуманностью
изложения. Вряд ли можно найти другой курс, который мог бы сравниться с его
«Precis elementaire» в отношении самостоятельности разработки как плана, так
и всех частей физики. Его идеи о частичных силах, о нематериальности теплоты,
работы по теплопроводности, обработка математическим путем опытов над
расширением тел от теплоты, над распределением магнетизма в магнитах и многое
другое , а в особенности гипотезы о свойствах световых частиц показывают, как он
стремился все части современной ему физики усвоить и оформить до такой
степени, что читателю кажется, будто они — оригинальные открытия Био. Его гипотезы
для объяснения запутанных явлений поляризации света, пополняющие ньютоновскую
теорию истечения света, необыкновенно остроумно придуманы и хотя уже довольно
задолго до нашего времени теория света Ньютона совсем вычеркнута из науки,
тем не менее, нельзя не отдать дани удивления необыкновенной находчивости Био
в отыскании средств к поддержанию в своё время жизненности этой теории. И в
этом была огромная польза для науки, потому что теории Био вызвали новые
усилия партизан теории светового эфира, которые и дали ей решительное
преобладание. Сам Био хотя и признавал успехи своих противников, не сдался на их
доводы и не признал волнообразных колебаний эфира даже и в третьем издании своей
«Физики».
Было бы трудно перечислить все двести пятьдесят или триста мемуаров, статей
и заметок научных, литературных и биографических, написанных Био, потому
здесь приводится ещё лишь несколько заглавий его разнообразных трудов,
которые были им помещаемы в Memoires de l'Institut и разных других учёных
журналах. В Biographie universelle de Michaud им написаны биографии — Декарта,
Франклина, Галилея и Ньютона; отдельно изданы жизнеописания Лапласа, Флемсте-
да и др. Все его критические и биографические статьи и путешествия собраны в
отдельном издании: «Melanges scientifiques et litteraires» (Париж, 3 тома,
1858) . Из отдельно изданных трудов надо отметить: «Memoire sur la vraie
constitution de 1'atmosphere terrestre» (Париж, 1841); «Tables barometriques
portatives» (1811) ; «Discours sur Montaigne» (1812) ; «Lettres sur
1'approvisionnement de Paris et sur le commerce de grains» (Париж, 1835).
Последний по времени его труд (1861), касающийся астрономии у индийцев и
китайцев , был им предпринят в память безвременно скончавшегося его сына Эдуарда
Констана, астронома и синолога. Разнообразие сочинений Био показывает, как
много вопросов и предметов занимали его, и он был вправе сказать в старости:
«я любил многое в течение моей жизни». Радикальные воззрения его юности мало-
помалу изменились и даже преобразовались до такой степени, что дали
возможность графу Шамбору писать о Био на другой день после его смерти: «он был
первоклассным учёным, христианином первых времен и одним из самых преданных
моих друзей».
Пьер-Симон Лаплас (Фр. Pierre-Simon Laplace; 1749—
1827) — выдающийся французский математик, физик и
астроном; известен работами в области небесной механики,
дифференциальных уравнений, один из создателей теории
вероятностей. Заслуги Лапласа в области чистой и
прикладной математики и особенно в астрономии громадны:
он усовершенствовал почти все отделы этих наук. Был
членом Французского Географического общества.
Родился в крестьянской семье в Бомон-ан-Ож, в
нормандском департаменте Кальвадос. Учился в школе
бенедиктинцев, из которой вышел, однако, убеждённым атеистом.
Состоятельные соседи помогли способному мальчику поступить в университет города
Кан (Нормандия).
Посланный им в Турин и напечатанный там мемуар «Sur le calcul integral aux
differences infiniment petites et aux differences finies» (1766) обратил на
себя внимание учёных, и Лаплас был приглашён в Париж. Там он послал
Д'Аламберу мемуар об общих принципах механики. Тот сразу оценил юношу и помог
устроиться преподавателем математики в Военную академию.
Уладив житейские дела, Лаплас сразу приступил к штурму «главной проблемы
небесной механики»: исследованию устойчивости Солнечной системы. Одновременно
он публиковал важные работы по теории определителей, теории вероятностей,
математической физике и др.
1773: виртуозно применив математический анализ, Лаплас доказал, что орбиты
планет устойчивы, и их среднее расстояние от Солнца не меняется от взаимного
влияния (хотя испытывает периодические колебания). Даже Ньютон и Эйлер не
были в этом уверены. Правда, позже выяснилось, что Лаплас не принял во внимание
приливное трение, замедляющее вращение, и другие важные факторы.
За эту работу 24-летний Лаплас был избран членом (адъюнктом) Парижской
Академии наук.
1778: женился на Шарлотте де Курти. У них родились сын, будущий генерал
Лаплас , и дочь.
1785: Лаплас становится действительным членом Парижской Академии наук. В
этом же году, на одном из экзаменов, Лаплас высоко оценивает знания 17-
летнего абитуриента Бонапарта. Впоследствии их отношения были неизменно
тёплыми.
В революционные годы Лаплас принял руководящее участие в работах комиссии
по введению метрической системы, возглавлял Бюро долгот (так назывался
французский Астрономический институт) и читал лекции в Нормальной школе. На всех
этапах бурной политической жизни тогдашней Франции Лаплас никогда не вступал
в конфликты с властями, которые почти неизменно осыпали его почестями.
Простонародное происхождение Лапласа не только предохранило его от репрессий
революции, но и позволило занимать высокие должности. Хотя никаких политических
принципов у него не было (впрочем, возможно, именно поэтому).
1795: Лаплас читает лекции по теории вероятностей в Нормальной школе, куда
он был приглашен как профессор математики, вместе с Лагранжем, декретом
Национального конвента.
1796: «Изложение системы мира» — популярный очерк результатов, позднее
опубликованных в «Небесной механике», без формул и ярко изложенный.
1799: вышли первые два тома главного труда Лапласа — классической «Небесной
механики» (кстати, именно Лаплас ввёл этот термин). В монографии излагаются
движение планет, их формы вращения, приливы. Работа над монографией
продолжалась 26 лет: том III вышел в 1802 году, том IV — в 1805-м, том V — в 1823—
1825 гг. Стиль изложения был излишне сжатым, множество выкладок автор заменял
словами «легко видеть, что...». Однако глубина анализа и богатство содержания
сделали этот труд настольной книгой астрономов XIX века.
В «Небесной механике» Лаплас подвел итоги как собственным исследованиям в
этой области, так и трудам своих предшественников, начиная с Ньютона. Он дал
всесторонний анализ известных движений тел Солнечной системы на основе закона
всемирного тяготения и доказал её устойчивость в смысле практической
неизменности средних расстояний планет от Солнца и незначительности колебаний
остальных элементов их орбит.
Наряду с массой специальных результатов, касающихся движений отдельных
планет, спутников и комет, фигуры планет, теории приливов и т.д., важнейшее
значение имело общее заключение, опровергавшее мнение (которое разделял и
Ньютон) , что поддержание настоящего вида Солнечной системы требует вмешательства
каких-то посторонних сверхъестественных сил.
В одном из примечаний к этой книге Лаплас мимоходом изложил знаменитую
гипотезу о происхождении Солнечной системы из газовой туманности, ранее
высказанную Кантом.
Наполеон наградил Лапласа титулом графа Империи и всеми мыслимыми орденами
и должностями. Он даже пробовал его на посту министра внутренних дел, но
спустя 6 недель предпочёл признать свою ошибку. Лаплас внёс в управление, как
выразился позднее Наполеон, «дух бесконечно малых», т.е. мелочность. Титул
графа, данный ему в годы империи, Лаплас сменил вскоре после реставрации
Бурбонов на титул маркиза и члена палаты пэров.
1812: грандиозная «Аналитическая теория вероятностей», в которой Лаплас
также подытожил все свои и чужие результаты.
1814: «Опыт философии теории вероятностей» (популярное изложение), второе и
четвёртое издания которого послужили введением ко второму и третьему изданию
«Аналитической теории вероятностей». «Опыт философии теории вероятностей» был
опубликован в переводе на русский язык в 1908 году, переиздан в 1999 году.
Современники отмечали доброжелательность Лапласа по отношению к молодым
учёным, всегдашнюю готовность оказать помощь.
Умер Лаплас 5 марта 1827 года в собственном имении под Парижем, на 78-м
году жизни.
В честь учёного названы:
• кратер на Луне;
• астероид 4628 Лаплас;
• многочисленные понятия и теоремы в математике.
Лаплас состоял членом шести Академий наук и Королевских обществ, в том
числе Петербургской Академии (1802). Его имя внесено в список величайших учёных
Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.
Лаплас являлся одним из выдающихся деятелей французского масонства. Он был
почётным Великим Мастером Великого Востока Франции.
При решении прикладных задач Лаплас разработал методы математической
физики, широко используемые и в наше время. Особенно важные результаты относятся
к теории потенциала и специальным функциям. Его именем названо преобразование
Лапласа и уравнение Лапласа.
Он далеко продвинул линейную алгебру; в частности, Лаплас дал разложение
определителя по минорам.
Лаплас расширил и систематизировал математический фундамент теории
вероятностей, ввёл производящие функции. Первая книга «Аналитической теории
вероятностей» посвящена математическим основам; собственно теория вероятностей
начинается во второй книге, в применении к дискретным случайным величинам. Там
же — доказательство предельных теорем Муавра—Лапласа и приложения к
математической обработке наблюдений, статистике народонаселения и «нравственным
наукам» .
Лаплас развил также теорию ошибок и приближений методом наименьших
квадратов .
Лаплас доказал устойчивость солнечной системы, состоящую в том, что
благодаря движению планет в одну сторону, малым эксцентриситетам и малым взаимным
наклонам их орбит, должна существовать неизменяемость средних расстояний
планет от Солнца, а колебания прочих элементов орбит должны быть заключены в
весьма тесные пределы.
Лаплас предложил первую математически обоснованную космогоническую гипотезу
образования всех тел Солнечной системы, называемую его именем: гипотеза
Лапласа . Он также первый высказал предположение, что некоторые наблюдаемые на
небе туманности на самом деле — галактики, подобные нашему Млечному пути.
Он далеко продвинул теорию возмущений и убедительно показал: все отклонения
положения планет от предсказанных законами Ньютона (точнее говоря,
предсказанных решением задачи двух тел) объясняются взаимовлиянием планет, которое
можно учесть с помощью тех же законов Ньютона. Ещё в 1695 году Галлей
обнаружил, что Юпитер в течение нескольких веков постепенно ускоряется и
приближается к Солнцу, а Сатурн, наоборот, замедляется и удаляется от Солнца.
Некоторые учёные полагали, что в конце концов Юпитер упадёт на Солнце. Лаплас
открыл причины этих смещений (неравенств) — взаимовлияние планет, и показал,
что это не более чем периодические колебания, и всё возвращается в исходное
положение каждые 92 9 лет.
До открытий Лапласа немало учёных пытались объяснить отклонения теории от
наблюдений движением эфира, конечной скоростью тяготения и иными
неньютоновскими факторами; Лаплас надолго похоронил подобные попытки. Он, как ранее
Клеро, провозгласил: в небесной механике нет иных сил, кроме ньютоновских, и
аргументировано обосновал этот тезис.
Лаплас открыл, что ускорение в движении Луны, приводившее в недоумение всех
астрономов (вековое неравенство), тоже является периодическим изменением
эксцентриситета лунной орбиты, и возникает оно под влиянием притяжения крупных
планет. Рассчитанное им смещение Луны под влиянием этих факторов хорошо
соответствовало наблюдениям.
По неравенствам в движении Луны Лаплас уточнил сжатие земного сфероида.
Вообще исследования, произведенные Лапласом в движении нашего спутника, дали
возможность составить более точные таблицы Луны, что, в свою очередь,
способствовало решению навигационной проблемы определении долготы на море.
Лаплас первый построил точную теорию движения галилеевых спутников Юпитера,
орбиты которых из-за взаимовлияния постоянно отклоняются от кеплеровских. Он
также обнаружил связь между параметрами их орбит, выражаемую двумя законами,
получившими название «законов Лапласа».
Вычислив условия равновесия кольца Сатурна, Лаплас доказал, что они
возможны лишь при быстром вращении планеты около оси, и это действительно было
доказано потом наблюдениями Уильяма Гершеля.
Лаплас разработал теорию приливов при помощи двадцатилетних наблюдений
уровня океана в Бресте.
Лапласу принадлежит барометрическая формула, связывающая плотность воздуха,
высоту, влажность и ускорение свободного падения. Занимался также геодезией и
теорией рефракции, изобрёл ледяной калориметр.
Совместно с А. Лавуазье в 1779—1784 гг. Лаплас занимался вопросами теории
теплоты, изобрели ледяной калориметр, боролись с теорией флогистона. Лаплас
опубликовал ряд работ по теории капиллярности и установил закон Лапласа для
капиллярного давления.
В 1809 году Лаплас занимался проблемами акустики; он вывел формулу для
скорости распространения звука в воздухе.
Лаплас облек закон Био-Савара в математическую форму элементарного
взаимодействия между элементом электрического тока и намагниченной точкой.
Важные исследования Лапласа относятся к гидродинамике.
По философским взглядам Лаплас был агностиком; известен его диалог с
Наполеоном :
— Вы написали такую огромную книгу о системе мира и ни разу не упомянули о
его Творце!
— Сир, я не нуждался в этой гипотезе.
Лаплас был также приверженцем абсолютного детерминизма. Он постулировал,
что если бы какое-нибудь разумное существо смогло узнать положения и скорости
всех частиц в мире в некий момент, оно могло бы совершенно точно предсказать
все мировые события. Такое гипотетическое существо впоследствии было названо
демоном Лапласа.
Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869—1942) — русский и
советский физик, один из основоположников гидро- и
аэродинамики, академик АН СССР (1929), Герой Социалистического
Труда (1941).
Был ректором (1918—1919) 2-го МГУ. Член-корреспондент
АН СССР с 6 декабря 1924 года; академик с 12 января 1929
года.
Родился 24 апреля (5 апреля) 1869 года в Раненбурге
(ныне Чаплыгин Липецкой области) Когда ему было 2 года,
отец Чаплыгина, приказчик Алексей Тимофеевич, умер от
холеры; мать, Анна Петровна, вышла второй раз Замуж за
воронежского мещанина Давыдова и увезла сына в Воронеж.
В 1877 году, в восемь лет, Чаплыгин начал учиться в
гимназии. Преподавателям скоро стало ясно, что мальчик обладает незаурядными
способностями и редкой памятью. Ему одинаково легко давались древние и новые
языки, история и другие предметы, но особенный интерес проявлял он к
математике . В четырнадцать лет он сам стал учить детей, занимаясь репетиторством с
детьми помещиков.
Весной 1886 года Чаплыгин блестяще, с золотой медалью, окончил воронежскую
гимназию и подал заявление в Московский университет. В 1890 году он окончил
физико-математический факультет Московского университета и по представлению
Н.Е. Жуковского был оставлен при университете для подготовки к профессорскому
званию.
В 1898 году он защищает магистерскую диссертацию с научной работой «О
некоторых случаях движения твердого тела в жидкости»; в 1903 году — докторскую
диссертацию «О газовых струях», в которой был предложен метод исследований
струйных движений газа при любых дозвуковых скоростях. Эта работа положила
начало новой отрасли механики — газовой динамики, сыгравшей в дальнейшем
огромную роль в развитии авиации.
С 1893 года С. А. Чаплыгин преподавал физику в Московском Екатерининском
институте, механику в Императорском Московском техническом училище (1896—
1910), высшую математику и теоретическую механику — в Московском межевом
институте (1895—1901), прикладную математику — в Московском университете
(сначала — приват-доцент, с 1898 — доцент, с 1904 — экстраординарный, а с
1909 — ординарный профессор по кафедре теоретической и практической
механики). В связи с событиями 1911 года покинул университет с большой
грРврсййпр^ашкпдшиаателедаректор Московских высших женских курсов (МВЖК) (1905—
1918) и ректор 2-го Московского государственного университета, в который были
преобразованы МВЖК (1918—1919) . В 1906 году он получил разрешение Думы на
строительство зданий для курсов на Царицынской площади (Девичье поле). 3 июня
1907 года состоялась закладка зданий на Малой Царицынской (ныне Малая
Пироговская) улице. Под строительство необходимой суммы не было выделено и оно
велось под залог выделенного участка.
Чаплыгиным написаны университетский курс аналитической механики «Механика
системы» (ч. 1—2, 1905—1907) и сокращенный «Преподавательский курс механики»
для втузов и естественных факультетов университетов (1915) . Первые труды
Чаплыгина, созданные под влиянием Жуковского, относятся к области гидромеханики.
В работе «О некоторых случаях движения твёрдого тела в жидкости» (1894) и в
магистерской диссертации «О некоторых случаях движения твёрдого тела в
жидкости» (1897) он дал геометрическую интерпретацию законов движения тел в жидкой
среде.
Профессор Московского лесотехнического института (1918—1925). С 1914 года -
действительный статский советник.
За исследования по теории движения твёрдого тела в жидкости и по движению
тел с неинтегрируемыми связями Чаплыгин получил в 1899 году от Петербургской
АН почётную Золотую медаль. В конце XIX — начале XX века Чаплыгин начинает
Заниматься струйными течениями. В 1902 году представляет в Московский
университет докторскую диссертацию «О газовых струях». В то время исследование
газовых течений со скоростями, приближающимися к скорости звука, не было
актуально для авиации.
Лишь через 30 лет работа Чаплыгина явилась основой для решения задач о
звуковых течениях, а развитие созданных в ней методов привело к решению основных
вопросов, связанных с работой крыла при больших дозвуковых скоростях. Вопросы
аэродинамики стали центром его научной деятельности. В 1910 году почти
одновременно появились работы Чаплыгина «О давлении плоскопараллельного потока на
преграждающие тела» и Жуковского «О контурах поддерживающих поверхностей
аэропланов», в которых впервые даются способы количественного определения
циркуляции вокруг профиля. Это явилось необходимым дополнением к теореме
Жуковского о подъёмной силе крылового профиля. В своей работе Чаплыгин применил
выдвинутый им принцип схода струй с острой кромки крыла к определению течений
около ряда конкретных профилей. В ней же содержатся формулы определения
аэродинамической подъёмной силы и момента.
В 1914 году появилась фундаментальная работа Чаплыгина «Теория решётчатого
крыла», в которой заложены основы теории обтекания решёток циркуляционным
потоком, явившейся базой для расчёта винтов, турбин и других лопаточных машин.
В последующих трудах Чаплыгин решил ряд сложных задач, связанных с определе-
нием точки приложения подъёмной силы, определением сил, действующих в
неустановившемся полёте, теорией так называемого механизированного крыла, вопросами
устойчивости крыла в полёте и т. д.
С.А. Чаплыгин вывел формулы для подъёмной силы и индуктивного
сопротивления, которые не подтвердились в опытах Н.Е. Жуковского, но которые оказались
верными; несколько лет спустя они стали основой «индуктивной теории Прандт-
ля».
В 1906 году Чаплыгин в сотрудничестве с Жуковским опубликовали работу «О
трении смазочного слоя между шипом и подшипником». В ней было дано точное
решение задачи о движении смазочного слоя. Работа имела огромное практическое
значение; она вызвала ряд развивающих тему теоретических и экспериментальных
исследований.
Большой вклад внёс Чаплыгин в математику. Его исследования по приближённому
интегрированию дифференциальных уравнений принадлежат к крупным достижениям
математической мысли. Он впервые вывел общие уравнения для случая линейных
дифференциальных интегрируемых связей (1897) . Идеи Чаплыгина оказались
применимы не только для решения широких классов дифференциальных уравнений, но и
при приближённом решении весьма общих классов функциональных уравнений. С.А.
Чаплыгин и Д.Ф. Егоров разрабатывали геометрическую теорию уравнений в
частных производных.
После Октябрьской революции 1917 года Чаплыгин активно продолжает вести
научные исследования. С 1918 года он участвует в работе Комиссии особых
артиллерийских опытов при Главном артиллерийском управлении и в работе Научно-
экспериментального института путей сообщения, а в конце 1918 года
привлекается Жуковским к организации ЦАГИ. В 1921—1930 годах Чаплыгин — председатель
коллегии, в 1928—1931 годах — директор-начальник ЦАГИ. В научно-теоретическом
семинаре ЦАГИ под руководством С.А. Чаплыгина вырос цвет отечественной
механической науки (М.А. Лаврентьев, М.В. Келдыш, Н.Н. Кочин, Л. И. Седов, Г. И.
Петров, Л.С. Лейбензон, С.А. Христианович и др.) В последующие годы Чаплыгин
руководил созданием крупнейших аэродинамических лабораторий ЦАГИ (1931—1941).
С.А. Чаплыгин умер от кровоизлияния в мозг 8 октября 1942 года, находясь в
эвакуации в Новосибирске, куда было эвакуирована и часть лабораторий ЦАГИ,
образовавших филиал № 2.
Похоронен в Новосибирске на территории Сибирского научно-исследовательского
института авиации (СибНИА).
Игорь Евгеньевич Тамм (1895—1971) — советский физик-
теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (совместно
с П.А. Черенковым и И.М. Франком, 1958), дважды лауреат
Сталинской премии, Герой Социалистического Труда (1953).
Игорь Евгеньевич Тамм родился 8 июля 1895 года во
Владивостоке в семье инженера Евгения Фёдоровича Тамма (немца
по национальности) и Ольги Михайловны Давыдовой. В 1898
году его семья переехала в Елисаветград (впоследствии
Кировоград, Украина), где отец Игоря, Евгений Фёдорович,
много лет проработал «городским инженером»: руководил
водоснабжением и строительством городской электростанции.
После окончании гимназии в Елисаветграде Тамм учился в
университете Эдинбурга. Перед началом Первой мировой войны перевёлся на
физико-математический факультет Московского университета, который и окончил в
1918 году с дипломом по физике.
Уходил добровольцем на фронт в качестве «брата милосердия». После кратко-
временного увлечения политикой (член партии меньшевиков, депутат 1-го Съезда
Советов от Елисаветграда) начинает академическую карьеру. Преподаёт в
различных научных учреждениях: Таврическом университете (Симферополь) (1919—1920
годы), с 1920 года сотрудничает с Л.И. Мандельштамом, преподаёт в Одесском
политехническом институте (с 1993 года — Одесский национальный
политехнический университет) (1921—1922), где Л.И. Мандельштам заведовал кафедрой.
С 1922 года (с двумя краткими перерывами) и до конца карьеры деятельность
Тамма протекает в Москве. В течение многих лет он руководит кафедрой
теоретической физики физфака МГУ, где становится доцентом и профессором. Эта кафедра
была одной из ключевых кафедр факультета, так как преподавательский состав
этой кафедры преподавал общие курсы: теоретической механики, электродинамики,
квантовой механики, статистической физики.
С 1934 года дополнительно работает в Физическом институте им. Лебедева АН
СССР, основывает и возглавляет там теоретический отдел, который оказал
большое влияние на научную работу Тамма.
1 февраля 1933 года Тамма избирают членом-корреспондентом АН СССР по
отделению математических и естественных наук. Этот стремительный взлёт карьеры
прекратился в 1939 году, когда был арестован его брат, арестован и расстрелян
близкий друг И.Е. Тамма Б.М. Гессен. Началось давление со стороны руководства
ФИАНа, и.о. заведующего кафедрой был избран B.C. Фурсов.
Во время войны он снова активно работает, в 1944 году снова выставляет свою
кандидатуру на должность заведующего кафедрой теоретической физики физфака
МГУ. Его оппонентом был А.А. Власов, которого поддерживали декан А.С. Предво-
дителев и Учёный совет факультета. В результате Тамм проиграл Власову (5
голосов против 24), но эти результаты были оспорены научным сообществом в виде
письма 14 академиков. На должность заведующего кафедрой партийным
руководством был назначен В.А. Фок.
В 194 9 году Игорь Евгеньевич возвращается в МГУ на кафедру квантовой теории
и электродинамики (часть кафедры теоретической физики после разделения оной).
23 октября 1953 года И.Е. Тамм становится академиком АН СССР по отделению
физико-математических наук. Получает из рук самого Сталина Сталинскую премию.
В 1966 году подписал письмо 25-ти деятелей культуры и науки генеральному
секретарю ЦК КПСС Л.И. Брежневу против реабилитации Сталина.
И.Е. Тамм скончался 12 апреля 1971 года от бокового амиотрофического
склероза, который привёл к параличу дыхательных мышц. Незадолго до кончины ему
пришлось прибегнуть к искусственной вентиляции лёгких с помощью специального
аппарата. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
Основные направления научного творчества Тамма относятся к квантовой
механике, физике твёрдого тела, теории излучения, ядерной физике, физике
элементарных частиц, а также к решению ряда прикладных задач.
В 1932 году опубликовал работу, в которой теоретически предсказал
существование поверхностных состояний на поверхности твёрдого тела (этот вид
поверхностных состояний сейчас известен как состояния Тамма).
Совместно с И.М. Франком в 1937 году описал (формула Франка—Тамма) движение
частиц в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Эта
работа объяснила ранее полученные экспериментальные данные (эффект Вавилова—Че-
ренкова), За что в 1958 году Черенков, Франк и Тамм получили Нобелевскую
премию. В 1945 году разработал метод решения задач квантовой теории поля,
получивший название метода Тамма—Данкова. Лауреат Сталинской премии первой
степени (1946). В 1967 году был награждён Большой золотой медалью имени М.В.
Ломоносова за выдающиеся достижения в теории элементарных частиц и других
областях теоретической физики.
Совместно с А.Д. Сахаровым разработал принципы удержания плазмы в токамаке.
В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
В 1960-х годах И. Е. Тамм был активным участником Пагуошского движения
ученых.
Среди его учеников — СП. Шубин, Е.Л. Фейнберг, В.Л. Гинзбург, Л.В. Келдыш,
Д.И. Блохинцев, М.А. Марков, А.Д. Сахаров, В.Г. Кадышевский, С.А. Альтшулер,
Владимир Иванович Вернадский (1863—1945) — русский и
советский естествоиспытатель, мыслитель и общественный
деятель XX века. Академик Императорской Санкт-
Петербургской академии наук, один из основателей и первый
президент Украинской академии наук. Создатель многих
научных школ. Один из представителей русского космизма;
создатель науки биогеохимии.
В круг его интересов входили геология и кристаллография,
минералогия и геохимия, организаторская деятельность в
науке и общественная деятельность, радиогеология и
биология, биогеохимия и философия. Лауреат Сталинской премии I
степени.
Владимир Вернадский родился в Санкт-Петербурге 28
февраля (12 марта по новому стилю) 1863 года. Его отец Иван Васильевич, потомок
украинских казаков, был профессором экономики в Киеве прежде чем переехать в
Санкт-Петербург, а его мать Анна Петровна была дочерью украинского дворянина.
Владимир Вернадский был троюродным братом известного русского писателя
Владимира Короленко.
В 1868 году из-за неблагоприятного климата семья Вернадских переехала в
Харьков — один из ведущих научных и культурных центров Российской империи. В
1873 году Владимир стал первоклассником Харьковской классической гимназии.
В 1876 году после возвращения семьи Вернадских в Санкт-Петербург поступил в
Первую Санкт-Петербургскую гимназию. В 1885 году окончил физико-
математический факультет Петербургского университета. В 1890 году — приват-
доцент кафедры минералогии Московского университета. В 1897 году защитил
докторскую диссертацию в Петербургском университете. В 1898—1911 годах профессор
Московского университета.
В 1886 году Вернадский женился на Наталии Егоровне Старицкой (1862—1943), с
которой прожил более 56 лет. В семье было двое детей: сын Георгий
Владимирович Вернадский (1887—1973), известный исследователь русской истории, дочь
Нина Владимировна Вернадская-Толль (1898—1985), врач-психиатр; оба скончались в
эмиграции в США.
В 1904 г. был делегатом земского съезда, потребовавшего введения
конституции, гражданских свобод и выборов Государственной Думы. В 1905 г. участвовал
в создании Конституционно-демократической (кадетской) партии и состоял членом
её Центрального комитета до 1918 г., входил от партии в Государственный совет
Российской империи (1906, 1907—1911, 1915—1917), а в 1917 г. — во Временное
правительство России. С 1912 года академик Императорской Санкт-Петербургской
академии наук (позже Академия наук СССР). С 1911 года — действительный
статский советник.
До революции был членом ЦК Конституционно-демократической партии (кадетов).
В равной мере своим соотечественником его считают и в России, и на Украине.
Несмотря на то, что Владимира Вернадского на Украине считают украинским
учёным, он в 1918 году отказался принять украинское гражданство от гетмана Павла
Скоропадского и считал себя русским человеком, отстаивал единство России и
Ю.И. Кулаков.
противостоял украинцам-самостийникам, как австро- и германофилам.
Владимир Вернадский негативно относился также к украинизации 1920—1930-х
годов, считая её насильственной, называл язык вывесок и сочинения Михаила
Грушевского «язычием». Своим главным культурно-общественным заданием он
считал сохранение главенствующего положения русской культуры на Украине,
объединение украинцев, которым дорога русская культура, и развитие связей с
российскими научными учреждениями.
Деятельность Вернадского оказала огромное влияние на развитие наук о Земле,
на становление и рост АН СССР, на мировоззрение многих людей.
Начиная с 1908 года В.И. Вернадский (в то время профессор Московского
университета) постоянно проводил огромную работу по организации экспедиций и
созданию лабораторной базы по поискам и изучению радиоактивных минералов.
В.И. Вернадский был одним из первых, кто понял огромную важность изучения
радиоактивных процессов для всех сторон жизни общества. Ход исследований
радиоактивных месторождений был отражён в «Трудах Радиевой экспедиции Академии
наук», в основном это были экспедиции на Урал, в Предуралье, Байкал и
Забайкалье , Ферганскую область и Кавказ, но В. И. Вернадский указывал на
необходимость подобных исследований в южных регионах, в особенности на побережьях
Чёрного и Азовского морей. Он считал, что для успешной работы, должны быть
организованы постоянные исследовательские станции.
После Октябрьской революции выехал на юг, стал одним из основателей и
первым президентом (27 октября 1918) Украинской академии наук, состоял
профессором и с 1920 по 1921 год ректором Таврического университета в Симферополе. В
1921 г. вернулся в Петроград, участвовал в создании Радиевого института. В
период с 1922 по 1926 год работал За границей в Праге и Париже, читал лекции
в Сорбонне, работал в Музее естественной истории и Институте Кюри, где
исследовал паризий — вещество, ошибочно принятое за новый радиоактивный элемент. В
Париже на французском языке вышел его фундаментальный труд «Геохимия».
В 1915—1930 годах председатель Комиссии по изучению естественных
производственных сил России, был одним из создателей плана ГОЭЛРО. Комиссия внесла
огромный вклад в геологическое изучение Советского Союза и создание его
независимой минерально-сырьевой базы.
По возвращении в 1926 г. продолжил творческую самостоятельную работу.
Сформулировал концепцию биологической структуры океана. Согласно этой концепции,
жизнь в океане сконцентрирована в «плёнках» — географических пограничных
слоях различного масштаба.
В 1927 году организовал в Академии наук СССР Отдел живого вещества. Однако
термин «живое вещество» он употреблял в смысле, отличном от работ О.Б. Лепе-
шинской — как совокупность живых организмов биосферы.
Вернадским опубликовано более 700 научных трудов.
Основал новую науку — биогеохимию и сделал огромный вклад в геохимию. С
1927 года до самой смерти занимал должность директора Биогеохимической
лаборатории при Академии наук СССР. Был учителем целой плеяды советских
геохимиков .
Из философского наследия Вернадского наибольшую известность получило учение
о ноосфере; он считается одним из основных мыслителей направления, известного
как русский космизм.
Летом 1940 года по инициативе Вернадского начались исследования урана на
получение ядерной энергии. С началом войны был эвакуирован в Казахстан, где
создал свои книги «О состояниях пространства в геологических явлениях Земли.
На фоне роста науки XX столетия» и «Химическое строение биосферы Земли и её
окружения».
В 1943 году Вернадский возвратился из эвакуации и «за многолетние
выдающиеся работы в области науки и техники» к 80-летию был удостоен Сталинской пре-
мии I степени.
В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества:
1. живое;
2. биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке);
3. косное (абиотическое, образованное вне жизни);
4. биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по
Вернадскому, относится почва);
5. вещество в стадии радиоактивного распада;
6. рассеянные атомы;
7. вещество космического происхождения.
Вернадский был сторонником гипотезы панспермии. Методы и подходы
кристаллографии Вернадский распространял на вещество живых организмов. Живое вещество
развивается в реальном пространстве, которое обладает определённой
структурой, симметрией и дисимметрией. Строение вещества соответствует некоему
пространству, а их разнообразие свидетельствует о разнообразии пространств.
Таким образом, живое и косное не могут иметь общее происхождение, они
происходят из разных пространств, извечно находящихся рядом в Космосе. Некоторое
время Вернадский связывал особенности пространства живого вещества с его
предполагаемым неевклидовым характером, но по неясным причинам отказался от
этой трактовки и стал объяснять пространство живого как единство
пространства-времени.
Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её переход в
стадию ноосферы.
Основные предпосылки возникновения ноосферы:
• расселение Homo sapiens по всей поверхности планеты и его победа в
соревновании с другими биологическими видами;
• развитие всепланетных систем связи, создание единой для человечества
информационной системы;
• открытие таких новых источников энергии как атомная, после чего
деятельность человека становится важной геологической силой;
• победа демократий и доступ к управлению широких народных масс;
• всё более широкое вовлечение людей в занятия наукой, что также делает
человечество геологической силой.
Работам Вернадского был свойствен исторический оптимизм: в необратимом
развитии научного знания он видел единственное доказательство существования
прогресса .
Василий Васильевич Парин143 (1903—1971) — советский
физиолог, академик АН СССР (1966) и АМН СССР (1944). Сын
известного хирурга В. Н. Парина, брат известного хирурга и
травматолога, заслуженного деятеля науки РСФСР Бориса В.
Парина, отец переводчика и критика А.В. Парина.
Биография:
• 1925 — окончил медицинский факультет Пермского
университета .
• 1925—1931 — преподаватель Пермского госуниверситета.
• 1933—1939 — профессор, заведующий кафедрой физиологии
143 Василий В. Ларин среди известных ученых не найден. Возможно, имелся в виду
Василий В. Парин. На всякий случай дадим информацию о последнем.
и декан в Пермском пединституте
1939 - член ВКП(б)
январь 1941 — защита диссертации «Роль легочных сосудов в регуляции
кровообращения» на получение степени доктора медицинских наук
1941—1943 — заведующий кафедрой физиологии, декан, заместитель ректора,
ректор Свердловского медицинского института
1942—1945 — заместитель наркома здравоохранения СССР
1944 — один из учредителей Академии медицинских наук СССР и её первый
академик-секретарь
18 февраля 1947 — после возвращения из четырехмесячной командировки в
США арестован по обвинению в шпионаже в пользу США[1][2]
8 апреля 1948 — приговор 10 лет ИТЛ (по другой версии — 25 лет ИТЛ)[1]
29 октября 1953 — освобождён[2] (13 апреля 1955 полностью
реабилитирован [2])
1963—1966 — вице-президент Академии медицинских наук СССР
1960—1965 — директор Института нормальной и патологической физиологии
Академии медицинских наук СССР
1965—1969 — директор Института медико-биологических проблем Минздрава
СССР
1969—1971 — заведующий Лабораторией проблем управления функциями
организма человека и животных АН СССР.
Василий Васильевич Парин скончался 15 июня 1971 года, похоронен на
Новодевичьем кладбище в Москве.
Основные исследования по проблемам нормальной и патологической физиологии
кровообращения, использованию принципов кибернетики и новой техники в
физиологии и медицине, а также по проблемам космической биологии и медицины. Пари-
ну принадлежат классические исследования рефлекторной регуляции лёгочного
кровообращения, им открыт один из механизмов, регулирующих приток крови к
сердцу («рефлекс Парина»). Парин активно участвовал в организации и
проведении медико-физиологических экспериментов на борту искусственных спутников
Земли и космических кораблей.
Действительный член Международной академии астронавтики (1964), почётный
член Академии наук СРР, Чехословацкого медицинского общества им. Я. Пуркинье,
Карлова университета в Праге и др. зарубежных обществ и университетов.
Николай Николаевич Семёнов (1896—1986) — советский фи-
Зико-химик, один из основоположников химической физики.
Академик АН СССР (1932 год; член-корреспондент с 1929
года), единственный советский лауреат Нобелевской премии
по химии (получил в 1956 году совместно с Сирилом Хиншел-
вудом).
Николай Семёнов родился в Саратове, родители — Николай
Александрович и Елена Дмитриевна Семёновы. В 1913 году Ни-
_j ^ ^У^_ колай окончил Самарское реальное училище с занесением на
^^^Н 'Ч^^^^^^^ золотую доску. В июле 1913 года Семёнов поступил на мате-
^^^Ш >^ ^^^^Ш матическое отделение физико-математического факультета
^^^" ^ ^^^^^В Петроградского университета, который окончил в 1917 году,
получив диплом первой степени, и был оставлен при университете профессорским
стипендиатом.
Весной 1918 года, Семёнов поехал к родителям в Самару на каникулы, где был
мобилизован в Колчаковскую белогвардейскую народную армию, служил коноводом в
артиллерийской батарее. Прослужив 3 недели, Семёнов дезертировал и поехал в
Томск, который был ближайшим к нему университетским городом, в который он мог
попасть. Около двух лет, с сентября 1918 года по март 1920 года (с
перерывом) , учёный работал в Томском университете и Томском технологическом
институте.
В 1920 году Семёнов вернулся в Петроград, получив приглашение от А.Ф.
Иоффе, который занимался созданием Физико-технического рентгенологического
института, а в 1922 году Семёнов был назначен заместителем директора института.
Одновременно с 1928 года был профессором Ленинградского политехнического
института. В 1931 году Н.Н. Семёнов основал Институт химической физики
Российской Академии наук (ИХФ РАН) и был его бессменным директором до конца жизни.
Через несколько лет после основания институт переехал в Москву.
С 1944 года, когда физический факультет МГУ только вернулся из эвакуации,
Семёнов преподавал в МГУ. Его более чем прохладно приняли в престижном ВУЗе,
эта ситуация в качестве отрицательного примера была приведена А.Ф. Иоффе в
письме четырёх академиков В.М. Молотову летом 1944 года.
Совместно с П. Л. Капицей был одним из основателей Московского физико-
технического института в 194 6 году, являлся создателем и научным
руководителем факультета молекулярной и химической физики МФТИ.
В 1947 году вступил в КПСС, являлся кандидатом в члены ЦК КПСС с 1961 по
1966 годы, трижды выбирался депутатом Верховного совета СССР. 12 июня 1966
года был выбран депутатом седьмого созыва от Стерлитамакского избирательного
округа № 512, куда входили избиратели Ишимбая и Ишимбайского района. Их
встреча с кандидатом в депутаты Верховного Совета СССР состоялась в начале
лета во Дворце культуры им. СМ. Кирова. После представления кандидата,
рассказа о проблемах города и района, поручений ишимбайцев, Семёнов выступил с
ответной речью:
«У Ишимбая небольшая, но славная история первооткрывателя башкирской нефти...
Я буду счастлив и горд, если вы меня выберете своим депутатом».
В 1958 году Семёнов являлся XII Менделеевским чтецом. Занимал должности
академика-секретаря Отделения химических наук АН СССР (1957—1971), вице-
президента АН СССР с 4 июля 1963 по 28 мая 1971 год. В 1960—1963 годах
председатель правления Всесоюзного просветительского общества «Знание», был
сменен на этом посту В.А. Кириллиным. С 1981 года главный редактор журнала
«Химическая физика». Семёнов принимал активное участие в движении ученых против
угрозы ядерной войны (Пагуошское движение)
К научной школе Семёнова относится ряд крупных физиков и химиков: Я. Б.
Зельдович, В.Н. Кондратьев, Ю.Б. Харитон, К. И. Щёлкин, Н.М. Эмануэль, Д. А.
Франк-Каменецкий и др.
Н.Н. Семёнов похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
Основные научные достижения включают количественную теорию химических
цепных реакций, теорию теплового взрыва, горения газовых смесей. Первым
вопросом, которым Семёнов начал заниматься ещё с 1916 года, является проблема
ионизации газов. К началу 1920-х относится начало работы над механизмами пробоя
диэлектриков, в результате которой была создана тепловая теория пробоя. Она
легла в основу тепловой теории воспламенения (1928), получившей дальнейшее
развитие в трудах по теории горения и теплового взрыва (конец 1930-х — начало
1940-х годов). Это позволило рассматривать такие процессы как распространение
пламени, детонацию, горение взрывчатых веществ.
В 1920 году совместно с П.Л. Капицей рассчитал отклонение пучка
парамагнитных атомов в неоднородном магнитном поле. Подобные опыты, проведенные в 1921
году О. Штерном и В. Герлахом, привели к представлению о пространственном
квантовании. В 1924 совместно с Ю.Б. Харитоном обнаружил критическую
плотность и температуру конденсации; позднее критические явления, задающие предел
протекания химической реакции, были обнаружены в процессах окисления ряда
веществ (1926—1928).
Наибольшую известность имеют работы Семёнова по теории цепных реакций,
открытие им в 1928 году разветвленных цепных реакций, характеризуемых
экспоненциальным ускорением и последующим воспламенением. Тогда же (конец 1920-х —
начало 1930-х) он показал радикальный механизм цепного процесса, обосновал
все основные его черты (малая величина энергии активации, сохранение и
увеличение числа свободных валентностей, роль стенок сосуда и примесей в обрыве
цепи и т.д.). Это открыло широкие перспективы для управления химическими
процессами. В 1963 году совместно с А.Е. Шиловым установил роль энергетических
процессов (за счет передачи энергии от высокоэнергетичных продуктов начальным
молекулам) в развитии цепных реакций при высоких температурах. За разработку
теории цепных реакций в 1956 году Семёнов был удостоен Нобелевской премии по
химии (вместе с Сирилом Хиншелвудом).
Н.Н. Семенов — автор научного открытия «Явление энергетического
разветвления цепей в химических реакциях», которое занесено в Государственный реестр
открытий СССР под № 172 с приоритетом от 1962 г.
Ряд работ Семёнова посвящен исследованию каталитических процессов, он
открыл ионно-гетерогенный тип катализа, построил теорию гетерогенного катализа
(1955, совместно с В.В. Воеводским и Ф.Ф. Волькенштейном). Результаты
Семёнова, достигнутые в самых разных направлениях, нашли широкое применение на
практике.
Сергей Иванович Вавилов (1891—1951) — советский физик,
основатель научной школы физической оптики в СССР,
академик (1932) и президент АН СССР (с 1945 года). Лауреат
четырёх Сталинских премий (1943, 1946, 1951, 1952 —
посмертно) . Младший брат Н. И. Вавилова советского учёного-
генетика .
Сергей Вавилов родился 12 (24) марта 1891 года в
Москве, в семье богатого фабриканта обуви, гласного
Московской городской думы Ивана Ильича Вавилова (1863—1928).
Учился в коммерческом училище на Остоженке, затем, с
1909 года, на физико-математическом факультете
Московского университета, который окончил в 1914 году. Во время
Первой мировой войны СИ. Вавилов служил в различных инженерных частях. Так,
в 1914 году он поступил вольноопределяющимся в 25-й сапёрный батальон
Московского военного округа. На фронте Сергей Вавилов закончил экспериментально-
теоретическую работу под названием «Частоты колебаний нагруженной антенны».
С 1918 по 1932 год преподавал физику в МГУ. Параллельно в это же время
заведовал отделением физической оптики в институте физики и биофизики Наркомзд-
рава. В 1929 году стал профессором. Также преподавал в МВТУ им. Баумана.
В 1932 году Вавилов возглавил ФИАН, тогда же стал научным руководителем
ГОИ.
В 1940 году СИ. Вавилов узнал об аресте своего брата — Н.И. Вавилова. В
связи с этим он добился приёма у Молотова и Берии с целью освободить брата
из-под ареста. Однако, Н.И. Вавилов не был освобождён и вскоре умер в
Саратовской тюрьме. СИ. Вавилов ещё долго не знал об участи родного брата. О
смерти Николая он узнал лишь из письма Олега в 1943 году.
Во время Великой Отечественной войны Сергей Вавилов жил в эвакуации в г.
Йошкар-Оле, где закончил биографию Исаака Ньютона, которая была впервые
опубликована в 1943 году. Он стал уполномоченным Государственного комитета
обороны СССР и руководил работами по разработке новых приборов для вооружения
армии. Считается, что именно здесь он изобрёл люминесцентную лампу. Следует
отметить , что мировая общественность имеет иную точку зрения на авторство в
изобретении люминесцентной лампы. Так, например, есть сведения, что
действительным автором изобретения люминесцентной лампы является Эдмунд Джермер,
1926 год.
В 1945 году был избран президентом АН СССР, сменив на этом посту В.Л.
Комарова. 6 марта 1947 года вошёл в первый состав учёного совета физико-
технического факультета МГУ (в дальнейшем — МФТИ). Был активным
популяризатором науки, инициатором создания Всесоюзного просветительского общества
«Знание» и первым председателем его правления; во многом именно его усилиями имя
М.В. Ломоносова утвердилось как символ российской науки, по его предложению в
структуре АН СССР был организован музей М. В. Ломоносова.
В 1938 году избирался депутатом ВС РСФСР. В 194 6 и 1950 годах избирался
депутатом ВС СССР.
Вавилов скончался 25 января 1951 года от инфаркта миокарда. Похоронен в
Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 1).
Основным направлением в науке для Сергея Вавилова было исследование оптики,
в частности явления люминесценции. В 1925 году Сергей Вавилов совместно с
В. Л. Левшиным провёл ряд опытов, в ходе которых было обнаружено уменьшение
коэффициента поглощения уранового стекла при больших интенсивностях света.
Наблюдаемый эффект лёг в основу нелинейной оптики. Он ввёл понятие квантового
выхода люминесценции и исследовал зависимость этого параметра от длины волны
возбуждающего света (закон Вавилова). Исследовал явление поляризации
люминесценции, стал основоположником нового направления — микрооптики, много сделал
для развития нелинейной оптики. Вместе со своим аспирантом П.А. Черенковым в
1934 году открыл эффект Вавилова—Черенкова (черенковское излучение); за это
открытие Черенков в 1958 году, уже после смерти Вавилова, был удостоен
Нобелевской премии.
Абрам Исаакович Алиханов (1904—1970) — выдающийся
советский физик. Один из основоположников ядерной физики в
СССР. Один из создателей первой советской атомной бомбы.
Основатель Института теоретической и экспериментальной
физики. Член-корреспондент (1939), академик Академии наук
СССР (1943) , академик Академии наук Армянской ССР (1943) ;
трижды лауреат Сталинской премии.
Брат Артёма Исааковича Алиханьяна.
Родился 20 февраля 1904 года в городе Елизаветполь в
семье машиниста поезда. Армянин по национальности. Окончил
Ленинградский политехнический институт (1928).
В 1927—1941 работал в Ленинградском физико-техническом
институте АН СССР. При этом в начале 1930-х работал над сооружением
циклотрона Радиевого института под руководством В.Г. Хлопина вместе с Г.А. Гамовым,
И.В. Курчатовым и Л.В. Мысовским. Находился на должности ассистента Л.В. Мы-
совского вместе с В.Н. Рукавишниковым, размещает заказы на части установки и
отслеживает их изготовление и испытание.
В 1944 году А. И. Алиханов принял участие в судьбе Физического факультета
МГУ. Он подписал письмо четырёх академиков В.М. Молотову, автором которого
был А.Ф. Иоффе. Это письмо инициировало разрешение противостояния между так
называемой «академической» и «университетской» физикой.
В 1945 организовал Институт теоретической и экспериментальной физики,
директором которого был до 1968.
Умер в Москве 8 декабря 1970 года, похоронен на Новодевичьем кладбище.
Работы посвящены ядерной физике, физике космических лучей, физике и технике
ядерных реакторов, ускорительной технике, физике элементарных частиц. В 1934
вместе с А.И. Алиханьяном и М.С. Козодаевым открыл образование электронно-
позитронной пары в результате внутренней конверсии энергии возбужденного
ядра, в 1936 вместе с А.И. Алиханьяном и Л.А. Арцимовичем экспериментально
доказал сохранение энергии и импульса при аннигиляции электрона и позитрона.
Выполнил совместно с Алиханьяном прецизионные исследования бета-спектров
большого количества радиоактивных элементов и обнаружил зависимость формы
спектра от порядкового номера элемента. Они же впервые предложили идею опытов
для доказательства реальности существования нейтрино по ядрам отдачи при К-
захвате в 7Ве, осуществили ряд экспериментов по физике космических лучей на
горе Арагац, которые стимулировали развитие нового направления — физики
элементарных частиц.
Принимал участие в создании первых советских ядерных реакторов, был
руководителем тяжеловодного направления в ядерных реакторах. В 1949 году в рекордно
короткий срок, менее двух лет, под его руководством был построен первый в
СССР исследовательский реактор на тяжелой воде.
В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
В 1957 выполнил измерение продольной поляризации электронов в бета-распаде,
что позволило с высокой точностью установить факт несохранения временной
четности в слабых взаимодействиях.
Значительный вклад внёс в развитие экспериментальной базы физики высоких
энергий. Принимал участие в сооружении первого в СССР протонного синхротрона
с жёсткой фокусировкой на 7 млрд. эВ (вступил в строй в 1961) и закладывал
основы проекта Серпуховского протонного ускорителя У-70 на энергию 70 млрд.
эВ.
Артём Исаакович Алиханьян (1908—1978) — выдающийся
армянский, советский физик, член-корреспондент Академии наук
СССР (1946) , академик Академии наук Армянской ССР (1943) .
Брат А.И. Алиханова. Создал школу физиков (В.П. Джелепов,
П.Е. Спивак, Г.М. Гарибян, Н.М. Кочарян, А. О. Вайсенберг,
В.Г. Кириллов-Угрюмов, М.С. Козодоев и др.). Дважды
лауреат Сталинской премии.
Родился в Тбилиси. Окончил Ленинградский университет
(1931). В 1927—1941 работал в Ленинградском физико-
техническом институте АН СССР. В 1943—1973 — директор
Ереванского физического института и заведующий кафедрой
Ереванского университета. В 1946—1960 руководил также
кафедрой ядерной физики Московского инженерно-физического
института и лабораторией элементарных частиц Физического института АН СССР.
Беспартийный. В 1955 году подписал «Письмо трёхсот». Поддерживал физика,
участника диссидентского движения Ю. Орлова, устроил поездку А. Сахарова и Е.
Боннэр в Армению, имел тесные контакты с мастерами искусства (Мартирос Сарь-
/.
ян, Арутюн Галенц, Минас Аветисян), дружил с Михаилом Зощенко, Дмитрием
Шостаковичем и Львом Ландау.
Являлся прототипом главного героя в художественном фильме «Здравствуй, это
я» (1967), номинированного на приз Каннского фестиваля.
Работы посвящены ядерной физике, физике космических лучей, ускорительной
технике, физике элементарных частиц. В 1934 вместе с А.И. Алихановым и М.С.
Козодаевым открыл образование электрон-позитронной пары в результате
внутренней конверсии энергии возбужденного ядра, в 1936 вместе с А.И. Алихановым и
Л.А. Арцимовичем экспериментально доказал сохранение энергии и импульса при
аннигиляции электрона и позитрона. Обнаружил в составе космического излучения
интенсивный поток быстрых протонов, интенсивную генерацию протонов быстрыми
нейтронами, открыл ливни нового типа — так называемые «узкие ливни», получил
первые указания на существование частиц с массами, промежуточными между
массой мюона и протона, выдвинул идею о существовании в составе космического
излучения большого количества нестабильных частиц и т.д.
Сразу после открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности
А.И. Алиханьян с сотрудниками открыли первый искусственный радиоактивный
элемент — кремний, испускающий отрицательные электроны. По оценке Л. Арцимовича,
данное открытие позволило понять, чем определяется знак заряда испускаемых
при бета-распаде электронов.
В 1941 году получил Сталинскую премию второй степени.
Исследовал свойства элементарных частиц на ускорителях, построил 570-
литровую фреоновую пузырьковую камеру. Осуществлял проектирование и руководил
сооружением в Ереване электронного синхротрона («АРУС») на энергию 6 ГэВ,
который вступил в строй в 1967 году. Занимался созданием новых методов
детектирования и измерения импульсов частиц высоких энергий. Разработал новый тип
искровых камер — трековую камеру (Ленинская премия, 1970). Основатель (1961)
и организатор Нор-Амбердских весенних школ по физике элементарных частиц.
Леон Абгарович Орбели (1882—1958) — российский и
советский физиолог, один из создателей эволюционной
физиологии, академик и вице-президент Академии наук СССР.
Генерал-полковник медицинской службы. Брат Рубена и Иосифа
Орбели.
Орбели избрали действительным членом Всегерманской лео-
польдино-каролинской академии и Медицинской академии в
Париже, членом-корреспондентом Парижского биологического
общества, почетным членом Американского и Британского
физиологических обществ, Нью-Йоркской и Румынской
медицинских академий, Карлова (Пражского) университета и многих
других научных обществ и учреждений.
Дед Леона — Иосиф Иоакимович (Овсеп Овакимович) — окончил Лазаревскую
духовную семинарию в Москве. Он возвратился в Тифлис и стал протоиереем и
проповедником в соборе. Отец Леона — Абгар Иосифович — окончил юридический
факультет Петербургского университета. Абгар Иосифович женился на княжне
Варваре Моисеевне Аргутинской. У них было три сына: Рубен, Леон и Иосиф. Старший,
Рубен стал юристом, известен как эксперт в области подводной археологии.
Младший, Иосиф стал востоковедом, академиком, директором Эрмитажа. Леон стал
ученым-физиологом, учеником и последователем Ивана Павлова.
В 1899 году Леон Орбели с золотой медалью окончил 3-ю Тифлисскую гимназию.
Его зачислили в Военно-медицинскую академию (ВМА) своекоштным студентом.
Последние должны были платить за обучение, зато после окончания Академии они не
были обязаны служить военными врачами.
Из воспоминаний Орбели известно, что с И.П. Павловым он познакомился на 1-
ом курсе Заочно на лекциях по физиологии. Настоящее знакомство с И.П.
Павловым началось на 2-м курсе.
В 1904 году, по окончании с отличием ВМА, Орбели поступал в Институт врачей
(адгьюнктуру) при ВМА, но не прошел по конкурсу. Работал врачом в Николаевском
военном госпитале в Кронштадте. Затем перевёлся в Петербургский морской
госпиталь , чтобы одновременно продолжать научную работу у И.П. Павлова в ИЭМ. В
этот период Леон был назначен врачом на один из крейсеров, закупаемых Россией
у Аргентины. Крейсер должен был участвовать в русско-японской войне, однако,
Япония успела перекупить аргентинские крейсера, предназначавшиеся России.
Орбели остался в Петербурге.
В 1907 году Орбели оставил службу на флоте.
В 1908 году защитил докторскую диссертацию на тему: «Условные рефлексы
глаза у собаки».
В 1909—1911 годах Орбели проходил стажировку в физиологических лабораториях
Англии и Германии, а также в Италии, на Морской биологической станции в
Неаполе .
В 1911 году Орбели становится помощником Павлова по Физиологическому отделу
ИЭМ и получает звание приват-доцента а затем и доцента кафедры физиологии
ВМА. Его избирают профессором Высших женских курсов.
Начиная с 1917 года, Орбели работал членом редколлегии Физиологического
журнала, а с 1937 года — ответственным редактором журнала.
В разные годы он был профессором Сельскохозяйственного, 1-го медицинского и
Химико-фармацевтического институтов в Ленинграде, а также Юрьевского
университета .
Орбели занимал посты заведующего Физиологическим отделением, заместителя
директора по научной части Естественно-научного института им. П.Ф. Лесгафта
(1913—1957), профессора физиологии и проректора по учебной работе Института
физического образования им. П.Ф. Лесгафта.
С 1925 года — преемник Павлова на посту начальника кафедры физиологии ВМА,
в 1943—1950 — начальник ВМА.
В 1944 году Орбели было присвоено высшее для военных медиков звание
генерал-полковника медицинской службы, он также стал действительным членом вновь
образованной Академии медицинских наук.
После Сессии Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук (август 1948) и
выступления акад. Лысенко была «закрыта» классическая генетика и Л.А. Орбели
оказался в затруднительном положении. С одной стороны как вице-президент
Академии наук СССР он должен был следовать в «русле» решений этой сессии. С
другой, как последователь И.П. Павлова в изучении генетики высшей нервной
деятельности и поведения животных, продолжать исследования на основе открытий
классиков генетической науки. От Орбели потребовали не только изменить план
генетических исследований, но и пересмотреть состав своих сотрудников, вплоть
до увольнения некоторых из них (Р.А. Мазинг, И.И. Канаев) . Орбели не только
не сделал этого, но и ввел в свой штат уволенного из Ленинградского
университета генетика М.Е. Лобашова. В Колтушах все-таки сняли с пьедестала бюст Г.
Менделя и работа с мушками дрозофилами была прекращена.
После Объединенной сессии АН и АМН СССР (июль 1950) Л. А. Орбели был
освобожден от руководства почти всеми возглавляемыми им учреждениями, кроме поста
заведующего физиологической лабораторией Естественно-научного института им.
П.Ф. Лесгафта.
Базой для организации Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.
Сеченова послужила небольшая группа сотрудников, созданная для индивидуальной
работы акад. Л.А. Орбели по решению Президиума АН СССР в октябре 1950 года.
В январе 1956 года на базе этой лаборатории организуется Институт
эволюционной физиологии АН СССР и ему присваивается имя И.М. Сеченова. Л.А. Орбели
назначается директором Института. С 1956 по 1958 годы Л.А. Орбели — директор
Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова.
Илья Ильич Мечников (1845—1916) — российский и
французский биолог (зоолог, эмбриолог, иммунолог, физиолог и
патолог) .
Один из основоположников эволюционной эмбриологии,
первооткрыватель фагоцитоза и внутриклеточного пищеварения,
создатель сравнительной патологии воспаления, фагоцитарной
теории иммунитета, основатель научной геронтологии.
Лауреат Нобелевской премии в области физиологии и
медицины (1908).
Родители И.И. Мечникова: гвардейский офицер, помещик
Илья Иванович Мечников (1810—1878) и Эмилия Львовна Мечникова (урожд. Невахо-
вич) .
По отцовской линии Илья Ильич Мечников происходил из старинного молдавского
боярского рода. Мать Ильи Ильича Мечникова — Эмилия Львовна Невахович — дочь
известного еврейского публициста и просветителя Лейба Нойеховича (Льва
Николаевича) Неваховича (1776—1831), считающегося основателем т.н. русско-
еврейской литературы (см. его книгу «Вопль дщери иудейской», СПб., 1803).
Братья Эмилии Невахович: Михаил Львович Невахович (1817—1850) — карикатурист,
издатель первого в России юмористического сборника «Ералаш» (СПб., 1846-49);
Александр Львович Невахович (1819—1880) — драматург, заведующий репертуарной
частью Императорских театров.
Старший брат И.И. Мечникова — Лев Ильич Мечников — швейцарский географ и
социолог, анархист, участник национально-освободительного движения в Италии
(рисорджименто).
Другой брат И.И. Мечникова — Иван Ильич Мечников, тульский губернский
прокурор, стал прототипом героя известной повести Л.Н. Толстого «Смерть Ивана
Ильича» (1886 г.).
Окончил Харьковский университет (1864), специализировался в Германии у Р.
Лейкарта и К. Зибольда, изучал эмбриологию беспозвоночных животных в Италии.
Выйдя в отставку в знак протеста против реакционной политики в области
просвещения, осуществляемой царским правительством и правой профессурой,
организовал в Одессе частную лабораторию, затем (1886, совместно с Н.Ф. Гамалеей)
первую русскую бактериологическую станцию для борьбы с инфекционными
заболеваниями .
В 1887 покинул Россию и переехал в Париж, где ему была предоставлена
лаборатория в созданном Луи Пастером институте. С 1905 — заместитель директора
этого института. Проживая до конца жизни в Париже, Мечников не порывал связи
с Россией; систематически переписывался с К.А. Тимирязевым, И.М. Сеченовым,
И.П. Павловым, Н.А. Умовым, Д.И. Менделеевым и др.
Умер в Париже 15 июля 1916 года в возрасте 71 года после нескольких
инфарктов миокарда. Илья Мечников завещал своё тело на медицинские исследования с
последующей кремацией и захоронением на территории Пастеровского института,
что и было выполнено. Из Иллюстрированного журнала «Искры Воскресенье» от 10
июля 1916 года:
Гордость России. Умер великий ученый, чьё имя известно всему свету, 2-го
ОН
июля, в 5 часов 30 минут дня, в Париже скончался Илья Ильич Мечников. Великим
сыном гордилась родина, наградившая его лучшими из своих даров: сочностью и
проницательностью русской мысли, страстностью и ненасытностью искания русской
души. Это величайший естествоиспытатель, медик, преподаватель, автор многих
ученых трудов, творец теории, создавших переворот во многих областях медицины
и бактериологии. По творческому дару приходится его сопоставить с другим
русским ученым - Д.И. Менделеевым, который тоже был именно таким творцом,
прокладывавшим новые пути. И.И. Мечников поставил Задачей своей жизни - борьбу
со смертью, во всяком случае, отдаление её. И Франция сразу поняла его,
приветствовала его творческие труды, снабдив его наиболее усовершенствованными
средствами исследования и доверив ему единственный в мире Пастеровский
институт . С гениальной проницательностью он предчувствовал появление нового
человека с более совершенной физической организацией. Эта любовь к грядущему
человеку была путеводной звездой его творчества, и не только современности
принадлежит И.И. Мечников не только сегодняшнему дню, скорбному дню, когда
положен предел его земным трудам. Голос Мечникова прозвучит в даль грядущего и
донесет будущему исследователю созданные им средства проникновения в тайны
жизни. И те искания, которые оборвались от прикосновения леденящей руки
смерти, воскреснут в новом творчестве с новой силой. Естественно, что скорбь об
утрате такого человека болезненно отзовется в сердце каждого русского даже в
наши дни бесчисленных утрат и величайших испытании. Мечников умер, но
бессмертен труд его жизни. Имя его не умрет в веках, и славой его научного
подвига всегда будет гордится его родина.
Научные труды Мечникова относятся к ряду областей биологии и медицины. В
1866—1886 Мечников разрабатывал вопросы сравнительной и эволюционной
эмбриологии, будучи (вместе с Александром Ковалевским) одним из основоположников
этого направления. Предложил оригинальную теорию происхождения многоклеточных
животных (Фагоцителлы теория).
Обнаружив в 1882 явления фагоцитоза (о чём доложил в 1883 на 7-м съезде
русских естествоиспытателей и врачей в Одессе), разработал на основе его
изучения сравнительную патологию воспаления (1892), а в дальнейшем —
фагоцитарную теорию иммунитета («Невосприимчивость в инфекционных болезнях» — 1901;
Нобелевская премия — 1908, совместно с П. Эрлихом). Многочисленные работы
Мечникова по бактериологии посвящены вопросам эпидемиологии холеры, брюшного
тифа, туберкулёза и др. инфекционных заболеваний. Мечников совместно с Э. Ру
впервые вызвал экспериментально сифилис у обезьян (1903) .
Значительное место в трудах Мечникова занимали вопросы старения. Он считал,
что старость и смерть у человека наступают преждевременно, в результате
самоотравления организма микробными и иными ядами. Наибольшее значение Мечников
придавал в этом отношении кишечной флоре. На основе этих представлений
Мечников предложил ряд профилактических и гигиенических средств борьбы с
самоотравлением организма (стерилизация пищи, ограничение потребления мяса, и др.).
Основным средством в борьбе против старения и самоотравления организма
человека Мечников считал болгарскую молочнокислую палочку — Lactobacillus
delbrueckii subsp. bulgaricus. Он первый в мире оценил значение открытия
болгарского студента Стамена Григорова. Ещё в 1905 Мечников, как директор
Института Пастера, пригласил молодого болгарина в Париже, чтобы он прочёл лекцию о
своем открытии перед светилами микробиологии того времени.
В 1907 были опубликованы результаты первого в мире медицинского
исследования функциональных свойств болгарской палочки и болгарского кислого молока.
Мечников лично повторил исследования Григорова, чтобы убедиться в их
состоятельности. В 1908, в годовщину французской академии наук, опубликована
его статья «Несколько слов о кислом молоке». Исследуя вопросы старения, и со-
брав данные по 36 странам, Мечников установил, что самое большое количество
«столетников» в Болгарии — 4 на 1000 человек. Он связал это с болгарским
йогуртом (в Болгарии его также называют кисело мляко — «кислое молоко»). В
своих трудах Мечников стал пропагандировать широкой общественности полезность
болгарского йогурта. Сам он до конца жизни регулярно употреблял не только
молочнокислые продукты, но и чистую культуру болгарской палочки.
Из пастеризованного молока, сквашенного чистыми культурами молочнокислых
стрептококков и болгарской палочки, сейчас производят мечниковскую
простоквашу.
Конечной целью борьбы с преждевременной старостью Мечников считал ортобиоз
— достижение «полного и счастливого цикла жизни, заканчивающегося спокойной
естественной смертью». На основании учения Мечникова об ортобиозе в
современной науке сложилось междисциплинарное направление «ортобиотика».
В ряде работ Мечниковым затронуты многие общетеоретические и философские
проблемы. В ранних трудах, посвященных вопросам дарвинизма (Очерк вопроса о
происхождении видов, 1876, и др.), Мечников высказал ряд идей,
предвосхитивших современное понимание некоторых вопросов эволюции. Причисляя себя к
сторонникам рационализма («Сорок лет искания рационального мировоззрения»,
1913), Мечников критиковал религиозные, идеалистические и мистические
воззрения . Главную роль в человеческом прогрессе Мечников приписывал науке.
Мечников создал первую русскую школу микробиологов, иммунологов и
патологов; активно участвовал в создании научно-исследовательских учреждений,
разрабатывающих различные формы борьбы с инфекционными заболеваниями; ряд
бактериологических и иммунологических институтов России носит имя Мечникова.
Луи Пастер (правильно Пастёр, фр. Louis Pasteur;
1822—1895) — французский микробиолог и химик, член
Французской академии (1881). Пастер, показав
микробиологическую сущность брожения и многих болезней человека, стал
одним из основоположников микробиологии и иммунологии.
Его работы в области строения кристаллов и явления
поляризации легли в основу стереохимии. Также Пастер
поставил точку в многовековом споре о самозарождении
некоторых форм жизни в настоящее время, опытным путем доказав
невозможность этого. Его имя широко известно в ненаучных
кругах благодаря созданной им и названной позже в его
честь технологии пастеризации.
Луи Пастер родился во французской Юре в 1822 году. Его отец, Жан Пастер,
был кожевником и ветераном Наполеоновских войн. Луи учился в коллеже Арбуа,
затем Безансона. Там учителя посоветовали поступить в Высшую нормальную школу
в Париже, что ему и удалось в 1843. Окончил её в 1847 году.
Пастер проявил себя талантливым художником, его имя значилось в
справочниках портретистов XIX века.
Первую научную работу Пастер опубликовал в 1848 году. Изучая физические
свойства винной кислоты, он обнаружил, что кислота, полученная при брожении,
обладает оптической активностью — способностью вращать плоскость поляризации
света, в то время как химически синтезированная изомерная ей виноградная
кислота этим свойством не обладает. Изучая кристаллы под микроскопом, он
выделил два их типа, являющихся как бы зеркальным отражением друг друга. При
растворении кристаллов одного типа раствор поворачивал плоскость поляризации по
часовой стрелке, а другого — против. Раствор из смеси двух типов кристаллов в
соотношении 1:1 не обладал оптической активностью.
Пастер пришёл к заключению, что кристаллы состоят из молекул различной
структуры. Химические реакции создают оба их типа с одинаковой вероятностью,
однако, живые организмы используют лишь один из них. Таким образом, впервые
была показана хиральность молекул. Как было открыто позже, аминокислоты также
хиральны, причем в составе живых организмов присутствуют лишь их L-формы (за
редким исключением). В чём-то Пастер предвосхитил и это открытие.
После данной работы Пастер был назначен ад/ъюнкт-профессором физики в Дижон-
ский лицей, но через три месяца, уже в мае 184 9, перешёл ад/ъюнкт-профессором
химии в университет Страсбурга.
Изучением брожения Пастер занялся с 1857 года. В то время господствовала
теория, что этот процесс имеет химическую природу (Ю. Либих), хотя уже
публиковались работы о его биологическом характере (Ш. Каньяр де Латур, 1837), не
имевшие признания. К 1861 году Пастер показал, что образование спирта,
глицерина и янтарной кислоты при брожении может происходить только в присутствии
микроорганизмов, часто специфичных.
Луи Пастер доказал, что брожение есть процесс, тесно связанный с
жизнедеятельностью дрожжевых грибков, которые питаются и размножаются за счет
бродящей жидкости. При выяснении этого вопроса Пастеру предстояло опровергнуть
господствовавший в то время взгляд Либиха на брожение, как на химический
процесс. Особенно убедительны были опыты Пастера, произведенные с жидкостью,
содержащей чистый сахар, различные минеральные соли, служившие пищей
бродильному грибку, и аммиачную соль, доставлявшую грибку необходимый азот. Грибок
развивался, увеличиваясь в весе; аммиачная соль тратилась. По теории Либиха,
надо было ждать уменьшения в весе грибка и выделения аммиака, как продукта
разрушения азотистого органического вещества, составляющего фермент. Вслед за
тем Пастер показал, что и для молочного брожения также необходимо присутствие
особого «организованного фермента» (как в то время называли живые клетки
микробов) , который размножается в бродящей жидкости, также увеличиваясь в весе,
и при помощи которого можно вызывать ферментацию в новых порциях жидкости.
В это же время Луи Пастер сделал ещё одно важное открытие. Он нашёл, что
существуют организмы, которые могут жить без кислорода. Для некоторых из них
кислород не только не нужен, но и ядовит. Такие организмы называются строгими
анаэробами. Их представители — микробы, вызывающие масляно-кислое брожение.
Размножение таких микробов вызывает прогорклость вина и пива. Брожение, таким
образом, оказалось анаэробным процессом, «жизнью без кислорода», потому что
на него отрицательно воздействует кислород (эффект Пастера).
В то же время организмы, способные как к брожению, так и к дыханию, в
присутствии кислорода росли активнее, но потребляли меньше органического
вещества из среды. Так было показано, что анаэробная жизнь менее эффективна. Сейчас
показано, что из одного и того же количества органического субстрата аэробные
организмы способны извлечь почти в 20 раз больше энергии, чем анаэробные.
В 1860—1862 годах Пастер изучал возможность самозарождения микроорганизмов.
Он провёл элегантный опыт, доказавший невозможность самозарождения микробов
(в современных условиях, хотя тогда не поднимался вопрос возможности
самозарождения в прошлые эпохи), взяв термически стерилизованную питательную среду
и поместив её в открытый сосуд с длинным изогнутым горлышком. Сколько бы
сосуд ни стоял на воздухе, никаких признаков жизни в нём не наблюдалось,
поскольку содержащиеся в воздухе споры бактерий оседали на изгибах горлышка. Но
стоило отломить его или сполоснуть жидкой средой изгибы, как вскоре в среде
начинали размножаться микроорганизмы, вышедшие из спор. В 1862 году Парижская
Академия присудила Пастеру премию за разрешение вопроса о самозарождении
жизни.
В 1864 году к Пастеру обращаются французские виноделы с просьбой помочь им
в разработке средств и методов борьбы с болезнями вина. Результатом его
исследований явилась монография, в которой Пастер показал, что болезни вина
вызываются различными микроорганизмами, причем каждая болезнь имеет особого
возбудителя. Для уничтожения вредных «организованных ферментов» он предложил
прогревать вино при температуре 50—60 градусов. Этот метод, получивший
название пастеризации, нашел широкое применение и в лабораториях, и в пищевой
промышленности .
В 1865 году Пастер был приглашен своим бывшим учителем на юг Франции чтобы
найти причину болезни шелковичных червей. После публикации в 1876 году работы
Роберта Коха «Этиология сибирской язвы» Пастер полностью посвятил себя
иммунологии, окончательно установив специфичность возбудителей сибирской язвы,
родильной горячки, холеры, бешенства, куриной холеры и др. болезней, развил
представления об искусственном иммунитете, предложил метод предохранительных
прививок, в частности от сибирской язвы (1881), бешенства (совместно с Эмилем
Ру 1885), привлекая специалистов других медицинских специальностей (например,
хирурга О. Ланнелонга).
Первая прививка против бешенства была сделана 6 июля 1885 года 9-летнему
Йозефу Маистеру по просьбе его матери. Лечение закончилось успешно, симптомы
бешенства у мальчика не появились.
Интересные факты:
• Пастер всю жизнь занимался биологией и лечил людей, не получив ни
медицинского, ни биологического образования.
• Также Пастер в детстве занимался живописью. Когда Ж.-Л. Жером увидел
спустя годы его работы, он сказал, как хорошо, что Луи выбрал науку, так
как он был бы нам большой конкурент.
• В 1868 году (в возрасте 4 6 лет) у Пастера произошло кровоизлияние в
мозг. Он остался инвалидом: левая рука бездействовала, левая нога
волочилась по земле. Он едва не погиб, но, в конце концов, поправился. Более
того, он совершил после этого самые значительные открытия: создал
вакцину против сибирской язвы и прививки против бешенства. Когда учёный умер,
оказалось, что огромная часть мозга была у него разрушена. Скончался
Пастер от уремии.
• По словам И. И. Мечникова, Пастер был страстный патриот и ненавистник
немцев. Когда ему приносили с почты немецкую книгу или брошюру, он брал
ее двумя пальцами и отбрасывал с чувством великого отвращения.
• Позднее его именем был назван род бактерий — пастерелла (Pasteurella),
вызывающих септические заболевания, к открытию которых он, по-видимому,
не имел отношения.
• Пастер был награждён орденами почти всех стран мира. Всего у него было
около 200 наград.
• Институт микробиологии (впоследствии названный именем учёного) основан в
1888 году в Париже на средства, собранные по международной подписке.
Пастер стал первым его директором.
Кучеров Михаил Григорьевич (1850—1911) - русский химик-органик. Основные
работы посвящены изучению непредельных углеводородов. В 1881 Кучеров открыл
метод гидратации соединений ацетиленового ряда в присутствии ртутных солей
(Реакция Кучерова), за что получил (1885) премию Русского физико-химического
общества. Это общество учредило (1915) премию имени Кучерова, присуждавшуюся
начинающим исследователям в области химии.
Образование получил в полтавской военной гимназии и
Михайловском артиллерийском училище, из которого прежде
окончания курса перешел в петербургский земледельческий
институт, где изучал химию у профессора А.Н. Энгельгардта
и Н.Н. Соколова. По окончании в 1872 г. курса был оставлен
при химической лаборатории института лаборантом.
Разработанный им технология определения в спиртах
сивушного масла премирован министерством финансов и принят в
акцизной практике в качестве официального. Михаил
Григорьевич сотрудничал ещё в различных периодических изданиях,
сельскохозяйственных и др. Сюда относятся, в частности,
напечатанное в «Земледельческой Газете», редактируемой Ф.
Баталиным в 1873 г., аналитическое изучение, произведенное
в лаборатории земледельческого института совместно с другими молодыми
химиками, над составом разного вида съедобных грибов и влиянием на уровень их
питательности способа их приготовления и консервирования (соления, маринования и
т. п.) и многое другое, преимущественно по вопросам сельского хозяйства и
виноделия .
После смерти профессора Соколова в 1877 г. и преобразования института из
земледельческого в лесной преподавал аналитическую химию и заведовал
лабораторными занятиями студентов в качестве ассистента профессора П.А. Лачинова. В
1883 году Кучеров открыл алгоритм гидратации соединений ацетиленового ряда в
присутствии ртутных солей, вошедший в анналы химии как «Кучерова реакция», за
что ему была присуждена в 1885 году премия Н.Н. Соколова Русским физико-
химическим обществом при петербургском университете. В 1891 г. избран по
конкурсу за смертью профессора Лачинова доцентом по кафедре химии, а после этого
профессором.
В 1893 г. Кучеров вступил в цифра членов технического комитета министерства
финансов при департаменте неокладных доходов, а с учреждение в 1897 г. в С-Пб
центральной химической лаборатории того же министерства приглашен к заведыва-
нию этой лабораторией. Работы заведующего и его сотрудников печатаются в
ежегодниках, издаваемых министерством финансов под названием «Труды Технического
Комитета». В 1895 г. Михаил Григорьевич командирован был в Англию, Францию и
Австрию для ознакомления с устройством и деятельностью в этих странах нарочно
для нужд финансового ведомства приспособленных лабораторий (энологических и
им подобных) и с постановкой там дела борьбы с фальсификацией виноградных вин
и вообще вкусовых и пищевых продуктов. Собранные им за рубежом сведения о
методах оценки виноградных и плодовых вин положены в основу составленной им в
том же году сводки результатов многочисленных, под его руководством
произведенных, анализов заведомо фальсифицированных русских вин, напечатанных в виде
приложения к «Трудам Технического Комитета» За 1895 г. , а кроме того издан
отдельным томом (5-м).
Русское физико-химическое среда при петербургском университете учредило в
1915 году премию имени Кучерова, присуждавшуюся начинающим исследователям в
области химии.
Его работы по чистой и прикладной химии печатались в специальных русских и
иностранных журналах, каковы: «О синеродистых соединениях дифенила и карбоди-
фениловых кислотах» («Журн. Русского Физико-Химического Общества», 1873);
«Наблюдения над химической природой бромистого винила» (там же, 1875, 1881);
«Об окислении холевой кислоты» (там же, 1879, 1880, 1881); «О новом способе
гидратации ацетиленов» (там же, 1881) ; «О действии ацетиленов на соли окиси
ртути» (там же, 1882); «О действии углеводородов ацетиленового ряда на окись
ртути и ее соли» (там же, 1883); «О действии ртутных солей на диаллил и
углеводороды и спирты этиленного ряда» (там же, 1892); «О способе точного количе-
ственного определения сивушного масла в спиртах» (там же, 1895, и подробнее в
«Западном Техническом Обществе», 1895); «Ueber die sogenannte
Vanillinreaktion der Ketone» («Zeitschr. f. analyt. Chemie», 1905).
Фриц Вольфган Лондон (нем. Fritz Wolfgang London, 1900—
1954) — немецкий физик-теоретик. Его фундаментальный вклад
в теорию химической связи и межмолекулярных сил (лондонов-
ские дисперсионные силы) считаются сегодня классическими и
рассматриваются в современных учебниках по физической
химии.
Вместе с своим братом, Хайнцом Лондоном, он внес
значительный вклад в понимание электромагнитных свойств
сверхпроводимости (Уравнение Лондонов).
Лондон родился в Бреслау, Силезия, Германия (теперь
Вроцлав, Польша) в 1900 в семье Франца Лондона (1863—
. После прихода к вЁаЗфи НацлетаринедаерявиадшижнацшвтввБерлшнрнеш здвижврсшь
тете. Занимая временно должности в Англии и Франции, он окончательно
эмигрирует в Соединенные Штаты в 1939. В 1945 году он получает гражданство США. В
дальнейшем, до конца своей жизни он был профессором в Университете Дьюка. В
1953 году был награжден медалью Лоренца. Умер Лондон в 1954 году в городе
Дарем, Северной Каролины.
Ранняя работа Лондона, написанная совместно с Вольтером Гайтлером, являлась
первой в мире статьей по квантовой химии. В статье впервые была правильно
объяснена связь в гомоядерных молекулах, таких как Н2. Нет ничего
удивительного в том, что работа Гайтлера-Лондона, появилась вскоре после создания
квантовой механики Гейзенбергом и Шрёдингером, потому что квантовая механика
являлась ключевой теорией в их описании ковалентной связи. Другим,
необходимым для данной теории принципом, был принцип неразличимости электронов.
Еще одна ранняя работа Лондона касалась области межмолекулярного
взаимодействия. Он ввел понятие «дисперсионного эффекта» для притяжения между атомами
двух разреженных газов на больших (порядка 1 нм) расстояниях друг от друга. В
настоящее время эти силы притяжения носят название «лондоновские силы». В
1930 году он (совместно с Р. Эзеншицом) дает объяснение взаимодействию между
атомами двух инертных газов, которое состоит в притяжении на больших
расстояниях, и в отталкивании - на малых. Эзеншиц и Лондон показали, что подобное
отталкивание вызвано антисимметрией волновой функции к перестановке
электронов . Наличие такой антисимметрии требуется принципом Паули и есть следствие
того факта, что электроны являются фермионами.
Для атомов и неполярных молекул, лондоновские дисперсионные силы -
единственные межмолекулярные силы. Они отвечают за существования вещества в жидком
и твердом состояниях. Для полярных молекул, лондоновские сила - одна из
составляющих ван-дер-ваальсовых сил, наряду с силами между постоянными диполь-
ными моментами молекул.
Фриц Лондон был первым физиком-теоретиком сделавшим фундаментальное, и в то
время спорное, предположение, что сверхтекучесть, по своей сути, связана с
эйнштейновской конденсацией бозонов, эффектом, известным теперь как
конденсация Бозе—Эйнштейна. Бозе показал, что статистика безмассовых фотонов может
быть также применена к массивным частицами, однако, он не рассматривал теорию
конденсации бозонов.
Лондон также входит в число первых авторов (включая Шредингера), которые
правильно описывали принцип калибровочной инвариантности в контексте новой
тогда квантовой механики
Лондон предсказал эффект квантования магнитного потока в сверхпроводниках
и, вместе со своим братом Хайнцом, предложил описание электродинамики
сверхпроводников. Введенное ими, дополнительное уравнение получило название
уравнение Лондонов. Лондон также разработал теорию поведения вращающегося
сверхпроводника - такой сверхпроводник генерирует магнитное поле (Лондоновский
момент) . Этот эффект используется в моделях вращательной динамики нейтронных
звезд.
Павел Николаевич Яблочков (1847—1894) — русский
электротехник, военный инженер, изобретатель и
предприниматель. Известен разработкой дуговой лампы (вошедшей в
историю под названием «свеча Яблочкова») и другими
изобретениями в области электротехники.
Павел родился 14 (26) сентября 1847 года в Сердобском
уезде, в семье обедневшего мелкопоместного дворянина,
происходившего из старинного русского рода. Семья
Яблочковых была культурной и образованной. Отец будущего
изобретателя, Николай Павлович, в молодости учился в
Морском кадетском корпусе, но по болезни со службы был
уволен с награждением гражданским чином XIV класса
(губернского секретаря). Мать Павла, Елизавета Петровна, вела
хозяйство многочисленной семьи. Она отличалась властным
характером и, по отзывам современников, держала всю семью «в руках».
С детства Павел любил конструировать. Он придумал угломерный прибор для
Землемерных работ, которым крестьяне Петропавловки, Байки, Согласова и других
окрестных сёл пользовались при земельных переделах; устройство для отсчёта
пути, пройденного телегой — прообраз современных спидометров.
Летом 1858 года, по настоянию жены, Н.П. Яблочков отвёз сына в Саратовскую
1-ю мужскую гимназию, где после успешных экзаменов Павла зачислили сразу во
второй класс. Однако в конце ноября 1862 года Николай Павлович отозвал сына
из 5-го класса гимназии и увёз домой, в Петропавловку. Не последнюю роль в
этом сыграло тяжёлое материальное положение семьи. Было решено определить
Павла в Николаевское военно-инженерное училище (ныне Военный инженерно-
технический университет) в Санкт-Петербурге. Но для поступления туда у Павла
не хватало необходимых знаний. Поэтому несколько месяцев он обучался в
частном Подготовительном пансионе, который содержал военный инженер Ц.А. Кюи.
Цезарь Антонович оказал большое влияние на Яблочкова, возбудил у будущего
изобретателя интерес к науке. Их знакомство продолжалось до самой смерти
учёного.
30 сентября 1863 года, блестяще сдав трудный вступительный экзамен, Павел
Николаевич был зачислен в Николаевское училище (ныне Военный инженерно-
технический университет), в младший кондукторский класс. Строгий распорядок
дня и соблюдение воинской дисциплины принесли определённую пользу: Павел
окреп физически, получил воинскую Закалку. В августе 1866 года Яблочков окончил
училище по первому разряду, получив чин инженер-подпоручика. Его назначили
младшим офицером в 5-й сапёрный батальон, расквартированный в Киевской
крепости. Родители мечтали видеть его офицером, самого же Павла Николаевича
военная карьера не привлекала, и даже тяготила. Прослужив в батальоне немногим
более года, он, сославшись на болезнь, к большому огорчению родителей,
уволился с военной службы, получив при этом чин поручика.
В январе 1869 года Яблочков возвращается на военную службу. Его командируют
в Техническое гальваническое заведение в Кронштадте, в то время это была
единственная в России школа, которая готовила военных специалистов в области
электротехники. Там П.Н. Яблочков познакомился с новейшими достижениями в
области изучения и технического применения электрического тока, особенно в
минном деле, основательно повысил свою теоретическую и практическую
электротехническую подготовку. Через восемь месяцев, по окончании Гальванического
заведения, Павел Николаевич был назначен начальником гальванической команды в тот
же 5-й сапёрный батальон. Однако едва только истёк трёхлетний срок службы, он
1 сентября 1872 года уволился в запас, расставшись с армией навсегда.
Незадолго перед отъездом из Киева Павел Яблочков женился.
Уволившись в запас, П.Н. Яблочков устроился на Московско-Курскую железную
дорогу начальником службы телеграфа. Уже в начале своей службы на железной
дороге П.Н. Яблочков сделал своё первое изобретение: создал «чернопишущий
телеграфный аппарат». К сожалению, подробности этого изобретения до нас не
дошли.
Яблочков являлся членом кружка электриков-изобретателей и любителей
электротехники при Московском политехническом музее. Здесь он узнал об опытах
А.Н. Лодыгина по освещению улиц и помещений электрическими лампами, после
чего решил заняться усовершенствованием существовавших тогда дуговых ламп. Свою
изобретательскую деятельность он начал с попытки усовершенствовать наиболее
распространённый в то время регулятор Фуко. Регулятор был очень сложный,
действовал с помощью трёх пружин и требовал к себе непрерывного внимания.
Весной 1874 года Павлу Николаевичу представилась возможность практически
применить электрическую дугу для освещения. Из Москвы в Крым должен был
следовать правительственный поезд. Администрация Московско-Курской дороги в
целях безопасности движения задумала осветить этому поезду железнодорожный путь
ночью и обратилась к Яблочкову как инженеру, интересующемуся электрическим
освещением. Он охотно дал согласие. Впервые в истории железнодорожного
транспорта на паровозе установили прожектор с дуговой лампой — регулятором Фуко.
Яблочков, стоя на передней площадке паровоза, менял угли, подкручивал
регулятор ; а когда меняли паровоз, Павел Николаевич перетаскивал свой прожектор и
провода с одного локомотива на другой и укреплял их. Это продолжалось весь
путь, и хотя опыт удался, он ещё раз убедил Яблочкова, что широкого
применения такой способ электрического освещения получить никак не может и нужно
упрощать регулятор.
Уйдя в 1874 году со службы на телеграфе, Яблочков открыл в Москве
мастерскую физических приборов. По воспоминаниям одного из современников:
«Это был центр смелых и остроумных электротехнических мероприятий,
блестевших новизной и опередивших на 20 лет течение времени.»
Совместно с опытным электротехником Н.Г. Глуховым, Яблочков занимался в
мастерской усовершенствованием аккумуляторов и динамо-машины, проводил опыты
по освещению большой площади огромным прожектором. В мастерской Яблочкову
удалось создать электромагнит оригинальной конструкции. Он применил обмотку
из медной ленты, поставив её на ребро по отношению к сердечнику. Это было его
первое изобретение, здесь же Павел Николаевич вёл работы по
усовершенствованию дуговых ламп.
Наряду с опытами по усовершенствованию электромагнитов и дуговых ламп
Яблочков и Глухов большое значение придавали электролизу растворов поваренной
соли. Сам по себе незначительный факт сыграл большую роль в дальнейшей
изобретательской судьбе П.Н. Яблочкова. В 1875 году во время одного из
многочисленных опытов по электролизу параллельно расположенные угли, погружённые в
электролитическую ванну, случайно, коснулись друг друга. Тотчас между ними
вспыхнула электрическая дуга, на короткий миг осветившая ярким светом стены
лаборатории. Именно в эти минуты у Павла Николаевича возникла идея более
совершенного устройства дуговой лампы (без регулятора межэлектродного
расстояния) — будущей «свечи Яблочкова».
В октябре 1875 года, отправив жену с детьми в Саратовскую губернию, к
родителям, Яблочков уезжает за границу с целью показать в США на всемирной
выставке в Филадельфии свои изобретения и достижения русской электротехники, а
заодно ознакомиться с постановкой электротехники в других странах. Однако
финансовые дела мастерской окончательно расстроились, и осенью 1875 года Павел
Николаевич в силу сложившихся обстоятельств оказался в Париже. Здесь он
заинтересовался мастерскими физических приборов академика Л. Бреге, с аппаратами
которого Павел Николаевич был знаком ещё по работе в бытность начальником
телеграфа в Москве. Бреге принял русского инженера весьма любезно и предложил
ему место в его фирме.
Париж стал тем городом, где Яблочков быстро достиг выдающегося успеха. Его
не покидала мысль о создании дуговой лампы без регулятора. В Москве сделать
это ему не удалось, но последние опыты показали, что путь этот вполне реален.
К началу весны 1876 года Яблочков завершил разработку конструкции
электрической свечи и 23 марта получил на неё французский патент за № 112024,
содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих
форм. Этот день стал исторической датой, поворотным пунктом в истории
развития электро- и светотехники, звёздным часом Яблочкова.
Свеча Яблочкова оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем
угольная лампа А.Н. Лодыгина, не имела ни механизмов, ни пружин. Она
представляла собой два стержня, разделённых изоляционной прокладкой из каолина.
Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних
концах зажигался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая
угли и испаряя изоляционный материал. Яблочкову пришлось очень много
поработать над выбором подходящего изолирующего вещества и над методами получения
подходящих углей. Позднее он пытался менять окраску электрического света,
прибавляя в испаряющуюся перегородку между углями различные металлические
соли.
15 апреля 1876 года в Лондоне открылась выставка физических приборов. Свою
продукцию на ней показывала и французская фирма Бреге. Своим представителем
на выставку Бреге направил Яблочкова, который участвовал на выставке и
самостоятельно, экспонировав на ней свою свечу. В один из весенних дней
изобретатель провёл публичную демонстрацию своего детища. На невысоких металлических
постаментах Яблочков поставил четыре своих свечи, обёрнутых в асбест и
установленных на большом расстоянии друг от друга. К светильникам подвёл по
проводам ток от динамо-машины, находившейся в соседнем помещении. Поворотом
рукоятки ток был включен в сеть, и тотчас обширное помещение залил очень яркий,
чуть голубоватый электрический свет. Многочисленная публика пришла в восторг.
Так Лондон стал местом первого публичного показа нового источника света.
Успех свечи Яблочкова превзошёл все ожидания. Мировая печать, особенно
французская, английская, немецкая, пестрела заголовками: «Вы должны видеть
свечу Яблочкова»; «Изобретение русского отставного военного инженера
Яблочкова — новая эра в технике»; «Свет приходит к нам с Севера — из России»;
«Северный свет, русский свет, — чудо нашего времени»; «Россия — родина
электричества» и т.д.
Компании по коммерческой эксплуатации «свечи Яблочкова» были основаны во
многих странах мира. Сам Павел Николаевич, уступив право на использование
своих изобретений владельцам французской «Генеральной компании электричества
с патентами Яблочкова», как руководитель её технического отдела, продолжал
трудиться над дальнейшим усовершенствованием системы освещения, довольствуясь
более чем скромной долей от огромных прибылей компании.
Свечи Яблочкова появились в продаже и начали расходиться в громадном
количестве, так, к примеру, предприятие Бреге ежедневно выпускало свыше 8 тысяч
свечей. Каждая свеча стоила около 20 копеек и горела 1Н часа; по истечении
этого времени приходилось вставлять в фонарь новую свечу. Впоследствии были
придуманы фонари с автоматической заменой свечей.
В феврале 1877 года электрическим светом были освещены фешенебельные
магазины Лувра. Затем свечи Яблочкова вспыхнули и на площади перед зданием
оперного театра. Наконец, в мае 1877 года они впервые осветили одну из
красивейших магистралей столицы — Avenue de l'Opera. Жители французской столицы,
привыкшие к тусклому газовому освещению улиц и площадей, в начале сумерек
толпами стекались полюбоваться гирляндами белых матовых шаров, установленных на
высоких металлических столбах. И когда все фонари разом вспыхивали ярким и
приятным светом, публика приходила в восторг. Не меньшее восхищение вызывало
освещение огромного парижского крытого ипподрома. Его беговая дорожка
освещалась 20 дуговыми лампами с отражателями, а места для зрителей — 120
электрическими свечами Яблочкова, расположенными в два ряда.
Примеру Парижа последовал Лондон. 17 июня 1877 года свечи Яблочкова
осветили Вест-Индские доки в Лондоне, несколько позже — часть набережной Темзы,
мост Ватерлоо, отель «Метрополь», Гатфильдский замок, Вестгейтские морские
пляжи. Успех освещения по системе Яблочкова вызвал среди акционеров
могущественных английских газовых компаний панику. Они пустили в ход все средства,
вплоть до явных обманов, клеветы и подкупов, чтобы дискредитировать новый
способ освещения. По их настоянию английский парламент учредил в 1879 году
даже специальную комиссию с целью рассмотрения вопроса о допустимости
широкого использования электрического освещения в Британской империи. После
длительных дебатов и выслушивания свидетельских показаний мнения членов комиссии
разделились. Были среди них и сторонники электрического освещения, нашлось и
немало ярых противников его.
Почти одновременно с Англией свечи Яблочкова вспыхнули в помещении торговой
конторы Юлия Михаэлиса в Берлине. Новое электрическое освещение с
исключительной быстротой завоёвывает Бельгию и Испанию, Португалию и Швецию. В
Италии им осветили развалины Колизея, Национальную улицу и площадь Колона в
Риме, в Вене — Фольскгартен, в Греции — Фалернскую бухту, а также площади и
улицы, морские порты и магазины, театры и дворцы в других странах.
Сияние «русского света» перешагнуло границы Европы. Он вспыхнул в Сан-
Франциско, а 26 декабря 1878 года свечи Яблочкова осветили магазины Винемара
в Филадельфии; улицы и площади Рио-де-Жанейро и городов Мексики. Появились
они в Дели, Калькутте, Мадрасе и ряде других городов Индии и Бирмы. Даже
персидский шах и король Камбоджи осветили «русским светом» свои дворцы.
В России первая проба электрического освещения по системе Яблочкова была
проведена 11 октября 1878 года. В этот день были освещены казармы
Кронштадтского учебного экипажа и площадь у дома, занимаемого командиром
Кронштадтского морского порта. Спустя две недели, 4 декабря 1878 года, свечи Яблочкова, 8
шаров, впервые осветили Большой театр в Петербурге. Как писала газета «Новое
время» в номере от 6 декабря, когда
«... внезапно зажгли электрический свет, по зале мгновенно разлился белый
яркий, но не режущий глаз, а мягкий свет, при котором цвета и краски женских
лиц и туалетов сохраняли свою естественность, как при дневном свете. Эффект
был поразительный.»
Ни одно из изобретений в области электротехники не получало столь быстрого
и широкого распространения, как свечи Яблочкова. Это был подлинный триумф
русского инженера.
В годы пребывания во Франции Павел Николаевич работал не только над
изобретением и усовершенствованием электрической свечи, но и над решением других
практических задач. Только за первые полтора года — с марта 1876 по октябрь
1877 — он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и открытий.
П.Н. Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока, который, в
отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных
стержней в отсутствие регулятора, первым применил переменных ток для
промышленных целей, создал трансформатор переменного тока (30 ноября 1876 года,
дата получения патента, считается датой рождения первого трансформатора),
электромагнит с плоской обмоткой и впервые использовал статистические
конденсаторы в цепи переменного тока. Открытия и изобретения позволили Яблочкову
первому в мире создать систему «дробления» электрического света, то есть питания
большого числа свечей от одного генератора тока, основанную на применении
переменного тока, трансформаторов и конденсаторов.
21 апреля 1876 года П. Н. Яблочкова избрали в действительные члены
французского физического Общества. В уведомлении от 22 апреля говорилось:
« Милостивый государь!
Я имею честь поставить Вас в известность, что Вы избраны в члены
Французского физического общества в заседании от 21 апреля. Вы можете быть уверены,
что найдёте в обществе сердечные товарищеские чувства, которые Вы и вправе
ожидать, а мы, со своей стороны, не сомневаемся, что Вы приложите все Ваши
усилия для содействия нашему общему успеху. Я считаю своим долгом в частности
Вас просить осведомить о нашей работе лиц, интересующихся прогрессом физики,
и сблизить их с нами. Остаюсь с наилучшими чувствами
Ваш весьма преданный коллега главный секретарь дчАльмейда.»
В 1877 году русский морской офицер А.Н. Хотинский принимал в Америке
крейсеры, строящиеся по заказу России. Он посетил лабораторию Эдисона и передал
ему лампу накаливания А.Н. Лодыгина и «свечу Яблочкова» со схемой дробления
света. Эдисон внёс некоторые усовершенствования и в ноябре 1879 года получил
на них патент как на свои изобретения. Яблочков выступил в печати против
американцев , заявив, что Томас Эдисон украл у русских не только их мысли и идеи,
но и их изобретения. Профессор В. Н. Чиколев писал тогда, что способ Эдисона
не нов и обновления его ничтожны.
В 1878 году Яблочков решил вернуться в Россию, чтобы заняться проблемой
распространения электрического освещения. На родине он был восторженно
встречен как изобретатель-новатор. Вскоре после приезда изобретателя в Петербург
была учреждена акционерная компания «Товарищество электрического освещения и
изготовления электрических машин и аппаратов П.Н. Яблочков-изобретатель и
Ко», в числе акционеров которой были промышленники, финансисты, военные —
поклонники электрического освещения свечами Яблочкова. Содействие изобретателю
оказывали генерал-адмирал Константин Николаевич, композитор Н. Г. Рубинштейн
и другие известные лица. Компания открыла свой электротехнический завод на
Обводном канале.
Весной 1879 года товарищество «Яблочков-изобретатель и Ко» соорудило ряд
установок электрического освещения. Большинство работ по установке
электрических свечей, разработке технических планов и проектов проводилось под
руководством Павла Николаевича. Свечи Яблочкова, изготовляемые парижским, а затем
петербургским заводом общества, зажглись в Москве и Подмосковье,
Ораниенбауме, Киеве, Нижнем Новгороде, Гельсингфорсе (Хельсинки), Одессе, Харькове,
Николаеве, Брянске, Архангельске, Полтаве, Красноводске, Саратове и других
городах России.
С наибольшим интересом изобретение П. Н. Яблочкова было встречено в
учреждениях военно-морского флота. К середине 1880 года в России было установлено
около 500 фонарей со свечами Яблочкова. Из них больше половины было
установлено на военных судах и на заводах военного и военно-морского ведомств.
Например, на Кронштадтском пароходном заводе было установлено 112 фонарей, на
царской яхте «Ливадия» — 48 фонарей, на других судах флота — 60 фонарей, при
этом установки для освещения улиц, площадей, вокзалов и садов имели каждая не
более 10-15 фонарей.
Однако электрическое освещение в России такого широкого распространения,
как за границей, не получило. Причин для этого было много: русско-турецкая
война, отвлекавшая много средств и внимания, техническая отсталость России,
инертность, а подчас и предвзятость городских властей. Не удалось создать и
сильную компанию с привлечением крупного капитала, недостаток средств
ощущался всё время. Немаловажную роль сыграла и неопытность в финансово-
коммерческих делах самого главы предприятия. Павел Николаевич часто отлучался
по делам в Париж, а в правлении, как писал В.Н. Чиколев в «Воспоминаниях
старого электрика», «недобросовестные администраторы нового товарищества стали
швырять деньги десятками и сотнями тысяч, благо они давались легко!» К тому
же, к 1879 году Т. Эдисон в Америке довел до практического совершенства лампу
накаливания, которая полностью вытеснила дуговые лампы.
14 апреля 1879 года П.Н. Яблочкова наградили именной медалью императорского
Русского технического общества (РТО). В уведомление о награждении говорилось:
«Императорское русское техническое общество
8 мая 1879 г., № 215.
Действительному члену императорского Русского технического общества Павлу
Николаевичу Яблочкову:
Принимая во внимание, что Вы своими трудами и настойчивыми многолетними
исследованиями и опытами первым достигли удовлетворительного на практике
разрешения вопроса об электрическом освещении, общее собрание гг. членов
императорского Русского технического общества в заседании 14 апреля сего года
согласно предложению Совета общества, присудило Вам медаль с надписью
«Достойному Павлу Николаевичу Яблочкову».
Поставляя приятным долгом сообщить Вам, Милостивый государь, об этом
постановлении Общего собрания, Совет общества имеет честь препроводить Вам
изготовленную по распоряжению его медаль.
Председатель императорского Русского технического общества Пётр Кочубей.
Секретарь Львов.»
30 января 1880 года в Санкт-Петербурге прошло первое учредительное собрание
Электротехнического (VI) отдела РТО, на котором П. Н. Яблочков был избран
заместителем председателя («кандидатом по председателе»). По инициативе П.Н.
Яблочкова, В.Н. Чиколева, Д.А. Лачинова и А.Н. Лодыгина в 1880 году был
основан один из старейших российских технических журналов «Электричество».
В том же 1880 году Яблочков переехал в Париж, где начал готовиться к
участию в первой Международной электротехнической выставке. Вскоре для
организации выставочного стенда, посвященного своим изобретениям, Яблочков вызывал в
Париж некоторых сотрудников своей фирмы. В их числе был российский
изобретатель , создатель электрической дуговой сварки Николай Николаевич Бенардос, с
которым Яблочков познакомился ещё в 1876 году. Для подготовки экспозиции
Яблочкова была использована электротехническая экспериментальная лаборатория
при журнале «Электисьен».
Выставка, которая открылась 1 августа 1881 года, показала, что свеча
Яблочкова и его система освещения начали терять своё значение. Хотя изобретения
Яблочкова получили высокую оценку и были признаны постановлением
Международного жюри вне конкурса, сама выставка явилась триумфом лампы накаливания,
которая могла гореть 800—1000 часов без замены. Её можно было много раз
зажигать , гасить и снова зажигать. К тому же она была и экономичнее свечи. Всё
это оказало сильное влияние на дальнейшую работу Павла Николаевича и с этого
времени он целиком переключился на создание мощного и экономичного
химического источника тока. В ряде схем химических источников тока Яблочков впервые
предложил для разделения катодного и анодного пространства деревянные
сепараторы. Впоследствии такие сепараторы нашли широкое применение в конструкциях
свинцовых аккумуляторов.
Работы с химическими источниками тока оказались не только малоизученными,
но и опасными для жизни. Проводя эксперименты с хлором, Павел Николаевич сжёг
себе слизистую оболочку лёгких и с тех пор стал задыхаться, у него, к тому
же, начали пухнуть ноги.
Яблочков участвовал в работе первого Международного конгресса электриков,
проходившего в 1881 году в Париже. За участие в выставке и конгрессе он был
награждён французским орденом Почётного легиона.
Вся деятельность П.Н. Яблочкова в Париже проходила в промежутках между
поездками в Россию. В декабре 1892 года учёный окончательно возвращается на
родину. Он привозит все свои заграничные патенты № 112024, 115703 и 120684,
заплатив за них выкуп в миллион рублей — всё своё состояние. Однако Петербург
его встретил холодно, точно его имя мало кому было известно. В Петербурге
П.Н. Яблочков сильно заболел. Чувствовались усталость и последствия от взрыва
в 1884 году натровой батареи, где он чуть не погиб и перенёс после этого два
инсульта. Дождавшись приезда из Парижа его второй жены Марии Николаевны и
сына Платона, Яблочков уезжает с ними в Саратовскую губернию.
Из Саратова Яблочковы выехали в Аткарский уезд, где близ села Колено
находилось доставшееся Павлу Николаевичу по наследству небольшое имение Двоёнки.
Пробыв в нём недолго, Яблочковы направились в Сердобский уезд, чтобы
поселиться в «отчем доме», а потом поехать на Кавказ. Однако родительского дома в
селе Петропавловке уже не существовало, за несколько лет до приезда сюда
учёного он сгорел. Пришлось поселиться у старшей сестры Екатерины и её мужа М.К.
Эшлиман (Эшельман), поместье которых находилось в селе Иваново-Кулики (ныне
Ртищевского района).
Павел Николаевич намеревался заняться научными исследованиями, но очень
скоро понял, что здесь, в глухой деревне, заняться наукой невозможно. Это
заставило Яблочковых в начале зимы (видимо, в ноябре 1893 года) переехать в
Саратов . Поселились они в заурядных «Центральных номерах» Очкина, на втором
этаже. Его номер быстро превратился в рабочий кабинет, где учёный, большей
частью ночью, когда его никто не отвлекал, работал над чертежами
электроосвещения Саратова. Здоровье Яблочкова ухудшалось с каждым днём: слабело сердце,
затруднялось дыхание. Болезнь сердца повлекла за собой водянку, ноги опухли и
почти не двигались.
19 (31) марта 1894 года в 6 часов утра П.Н. Яблочков скончался. 21 марта
прах Павла Николаевича перевезли для похорон в родные места. 23 марта его
похоронили на окраине села Сапожок (ныне Ртищевского района), в ограде Михайло-
Архангельской церкви в фамильном склепе.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Ликбез
КРАТКИЙ КУРС БИОЛОГИИ
(продолжение)
6.6. ПТИЦЫ
6.6.1. Внешнее строение
Птицы (Aves) - класс высокоразвитых теплокровных позвоночных животных,
передние конечности которых в ходе эволюции превратились в крылья.
Тело птицы состоит из головы, шеи, туловища, передних и задних конечностей
и хвоста. На голове расположены ротовая полость и органы чувств. Челюсти
заканчиваются роговыми покровами, образующими клюв.
Шея отличается большой подвижностью. Тело является опорой для прочного
крепления крыльев. Хвост у птиц сильно укорочен и выполняет рулевую функцию.
Ноздри Г п.зз
Рисунок 6.6.1.1. Внешнее строение птицы (сокол-чеглок)
Тонкая двуслойная кожа лишена потовых желёз и покрыта пухом и перьями.
Перья разделяются на служащие для полёта маховые и рулевые и на одевающие тело
покровные. Маховые и рулевые перья большие и жёсткие, покровные (контурные и
пуховые) - небольшие и мягкие.
Перо состоит из очина, стержня и опахала (у пуховых перьев стержня нет) .
Опахало состоит из расходящихся от стержня в две стороны бородок, от которых,
в свою очередь, отходят другие бородки. Крючки на бородках скрепляют их друг
с другом, благодаря чему образуется поверхность пера.
^ г Е.ор одк и i тер'+'ень
Т jfc -—r второго
(. терч'йнь —
1
Бородна
первого
поряди .s
.'ЧИН
ипахапо
Допппнитепьный
стерч'ень
Строение пера Контурное перо
л?.
t
/. >■*'
t
ПV"!: о вое п е р о Н ите в иди о е п е pi о Щети н к а
Рисунок 6.6.1.2. Строение перьев
Перья у птиц растут на отдельных участках кожи, разделённых обнаженными
участками. Окраска перьев зависит от пигментов и от микростуктуры пера; у
многих птиц она меняется в течение года. Оперение и роговые покровы птиц раз
в год полностью или частично обновляются.
У основания хвоста имеется единственная наружная железа - копчиковая. Её
выделениями птица смазывает свои перья, которые за счёт этого не намокают и
становятся упругими и эластичными.
Перья поддерживают тело птицы в воздухе и способствуют поддержанию
постоянной температуры тела.
6.6.2. Скелет
и мускулатура
Скелет птицы состоит из черепа, позвоночника, конечностей и их поясов.
Все кости черепа, за исключением нижней челюсти, сращены. Стенки мозговой
коробки тонкие. Челюсти лишены зубов и образуют клюв.
Позвоночник включает в себя подвижный шейный отдел и неподвижные и почти
сросшиеся между собой позвонки остальных отделов. Крестцовые позвонки, кроме
того, прочно соединены с тазом, обеспечивая опору при ходьбе. Хвостовые
позвонки срослись в копчиковую кость - пигостиль, служащую опорой для перьев.
Скелет крыла образуют кости плеча, предплечья и кисти. Скелет ноги состоит
из бедра, голени, цевки и стопы с 2-4 пальцами. Лопатки, ключицы, вороньи
кости и грудина составляют плечевой пояс.
Воздушные полости в костях делают скелет лёгким, а известковые соли и
жёсткое соединение костей - прочным. Лёгкость и прочность птичьих костей являются
приспособлением к полёту, а также к ходьбе и лазанию по деревьям.
Пястные и ости
Папьцы
Лучеваякость
Локтевая кость
Грудные позвонки
Копчиковая костьч крестец
хвостовые
позвонки
■4- *jte
Гпазница
Ни>"няячепюсть
Шейные позвонки
Т
Бедренная когть-^ репро7 '. /T^S^v
^ г \\ \
/ \\ ^
Man а я перцовая кость -— х.
Бопьшая берцовая кость
Цевка
Папьцы
Рисунок 6.6.2.1. Скелет птицы
Мускулатура развита хорошо. Летательные мышцы составляют по массе до
половины от массы всей мускулатуры. Грудные мышцы прикрепляются к расположенному
на грудине гребню - килю. Вместе с подключичными мышцами они обеспечивают
опускание и поднимание крыльев. Хорошо развита и мускулатура ног.
Строение скелета и мышц определяет особенности полёта птиц: от парящего у
орлов и альбатросов до машущего у стрижей и колибри.
6.6.3.
Внутренние
органы
Птицы отличаются своеобразным строением дыхательной системы. Бронхи,
пронизывающие небольшие лёгкие, соединены с десятком воздушных мешков. При вдохе
воздух поступает в лёгкие и в мешки, при выходе в лёгкие проходит насыщенный
кислородом воздух из воздушных мешков. Таким образом увеличивается
интенсивность газообмена. Кроме того, воздушные мешки позволяют изменять плотность
тела при нырянии, а также предохраняют внутренние органы от перегрева, удаляя
избыток тепла.
Птицы - теплокровные животные с интенсивным обменом веществ и температурой
тела 38-45 °С. Интенсивное кровообращение обеспечивается большим объёмом че-
тырёхкамерного сердца и большей частотой его сокращения (до 1000 ударов в
минуту у колибри). У птиц два круга кровообращения.
В расширении пищевода - зобе - пища может временно храниться, размягчаясь.
В мускульном отделе желудка пища тщательно перетирается (напомним, что у птиц
нет зубов); в железистом отделе желудка и кишечнике пища переваривается под
действием ферментов. Толстая кишка впадает в клоаку.
Органы выделения птиц - крупные бобовидные тазовые почки. Мочевой пузырь
отсутствует. У самцов развиты парные половые железы - семенники, в то время
как у самок сохраняются только левый яичник и яйцевод. Семяпроводы от
семенников впадают в клоаку (лишь у примитивных птиц имеется копулятивный орган).
/
■^
'_ емяеыеодящии канап
Коггппоеаяч-епеза
Прямая кишка
Мочеточник
н л о а к а
Кишечник
Псдч-епудочная '+"епе?а
Брюшная поп ость
Жепудок
ЖйПЧНЫЙ ГТ/ЗЫрЬ
Позбонни
С пинной мозг
\ V-
•_пепаякишка Ребро Ч \
'. еменник
зятя
/
/
Кипь
гр:дины
-/■
Печень
Т\
'. ердце Аорта
Гоповной мозг
Гпаз
Ноздря
—-Язык
-Трахея
Пищевод
Яремная вена
Легкое
. онная артерия
Ничхяя гортань
Зоб
Грудные мышцы
Рисунок 6.6.3.1. Внутреннее строение птиц
Головной мозг достаточно большой, развиты большие полушария и мозжечок. У
птиц хорошо развиты зрение, слух и чувство равновесия; обоняние и вкус
развиты плохо. Глазные яблоки большие и малоподвижные; ограниченность поля зрения
компенсируется подвижностью шеи. Слух особенно хорошо развит у охотящихся в
темноте птиц; пещерные птицы ориентируются при помощи эхолокации.
6.6.4. Размножение птиц
Мелкие птицы становятся половозрелыми через несколько месяцев после вылуп-
ления из яйца, крупные - через несколько лет. Размножение происходит
циклически под влиянием сезонных факторов, особенно кормовых условий и длины
светового дня. Большинство птиц строят гнёзда самой разной формы. Совокуплению
обычно предшествует длительный период ухаживания; самцы привлекают самок
яркой окраской перьев и мелодичными трелями.
Оплодотворение внутреннее. Яйцо покрывается оболочками, затем известковой
скорлупой. В нижнем отделе яйцевода оно приобретает окраску, характерную для
данного вида. Число яиц в кладке - от 1 до 20. Многие птицы насиживают
отложенные яйца; у одних видов это делают самки, у других - самцы. Сохранению
температуры яиц помогают и гнёзда, особенно если они сооружены над
источниками вулканического тепла или в гниющей подстилке.
Рисунок 6.6.4.1. Гнездо лесной завирушки
У одних - выводковых - птиц птенцы вылупляются из яйца зрячими и быстро
становятся самостоятельными и способными прокормить себя. У других -
птенцовых - они долго остаются в гнезде, нуждаясь в обогреве и корме.
В неволе птицы живут до 70 лет (филины); в естественных условиях
продолжительность их жизни намного короче.
Рисунок 6.6.4.2. Слева птенцы выводкового типа - гусята, следующие за
белолобым гусем. Справа представлена птица птенцового типа - красный кардинал.
6.6.5. Места обитания
Птицы - экологически успешная группа животных, «захватившая» воздушную
стихию от Арктики до Антарктиды, от уровня моря до высокогорий. Большинство
видов птиц обитают в тропиках.
Некоторые виды птиц не меняют мест своего обитания в течение года. Другие
при ухудшении кормовых условий (например, перед наступлением зимы или в
преддверии засухи) совершают перелёты (миграции). Самый дальний перелёт - от
Арктики до Антарктики совершают полярные крачки; вороны, грачи, дрозды,
наоборот, зимуют недалеко от места гнездования. Дальность перелёта зависит от
экологических потребностей птиц (например, водоплавающие птицы могут
остановиться на зимовку не раньше, чем пересекут границу замерзания водоёмов).
Срок перелёта часто зависит от способа питания: так, большинство зерноядных
птиц прилетает весной раньше насекомоядных. Перед перелётом птицы «готовятся»
к нему, накапливая жировые запасы.
Выбирая маршрут перелёта, птицы максимально используют благоприятные
особенности ландшафтов местностей. С другой стороны, они могут преодолевать
такие преграды, как Средиземное море и пустыня Сахара. Способность находить
дорогу врождённая; птицы ориентируются по Солнцу, звёздам и, возможно, по
геомагнитному полю. Ночной перелёт совершается на высоте от нескольких сот
метров до нескольких километров; днём птицы могут лететь низко над горизонтом.
*Ч
ЧГ V"v
*ч
Рисунок 6.6.5.1. Птицы летят на юг
Перелёт продолжается обычно 1-2 месяца; при этом птицы летят не каждый
день, а чередуют 1-2 суток полёта с остановкой на 5-10 суток. В сутки птицы
преодолевают, в среднем, от 30 до 300 км.
Очень немногие птицы летят в одиночку; в большинстве случаев перелёт
осуществляется стаей. Способы построения в стаю различны: шеренга, клин, вереница,
многослойные стаи. Стайность выгодна для ориентации, уменьшает вероятность
попадания к хищникам на обед, расширяет обзор и улучшает аэродинамические
условия. Возможно также, что в стае облегчается передача опыта молодняку.
В последнее время численность многих видов птиц сокращается. Это связано с
изменением окружающей среды (загрязнение атмосферы, массовая вырубка лесов,
появление в местах обитания птиц завезённых человеком хищников и т.п.) и
охотой. За четыре последних века вымерло около 90 видов птиц, многие другие были
занесены в Красную книгу.
Для повышения численности птиц и привлечения их в города создаются
благоприятные условия для их обитания: развешиваются скворечники, проводится
зимняя подкормка. В период размножения охота на многих диких птиц запрещена.
6.6.6. Эволюция птиц
Изучение эволюции птиц сильно осложнено тем, что их достаточно хрупкие
кости плохо сохранились. Вместе с тем, учёные сходятся во мнении, что предками
птиц (а также крокодилов и динозавров) были мезозойские рептилии из группы
текодонтов - псевдозухии. По-видимому, некоторые из этих животных постепенно
приспособились к жизни на деревьях. Чешуйки, покрывавшие передние конечности,
сильно разрослись и превратились в перья. Таким образом, предки птиц сначала
получили возможность перепрыгивать с ветки на ветку, затем планировать и,
наконец, завоевали воздушную среду.
Рисунок 6.6.6.1. Отпечаток археоптерикса на камне
Один из «кандидатов» на звание первой птицы - это ископаемое юрского
периода - археоптерикс. Это небольшое животное размером с ворону имело перья, но
наличие зубов и брюшных рёбер, длинный хвост, пальцы с когтями, отсутствие
киля и воздухоносных полостей в костях сближают его с пресмыкающимися.
Возможно, археоптерикс не мог поддерживать температуру своего тела на постоянном
уровне. Археоптериксы жили на деревьях; по-видимому, они умели лишь
планировать. Эти животные настолько отличаются от современных птиц, что их выделяют
в отдельный подкласс ящерохвостых птиц, противопоставляя всем остальным
птицам.
Остатки настоящих (веерохвостых) птиц были обнаружены в отложениях мелового
периода. Первые из них - гесперорнисы и ихтиорнисы - ещё имели зубы, однако,
впоследствии зубы были утрачены, а челюсти образовали клюв.
В настоящее время появилось много свидетельств о том, что археоптерикс -
тупиковая ветвь эволюции, а развитие ящерохвостых и веерохвостых птиц шло
параллельно друг другу.
В заключение этого параграфа перечислим основные сходства и различия птиц с
пресмыкающимися.
Сходства:
• роговые образования на поверхности кожи;
• сухая кожа, почти лишённая желёз;
• схожесть строения скелета;
• два круга кровообращения;
• органы слуха представлены внутренним и средним ухом;
• наличие клоаки;
• внутреннее оплодотворение;
• размножение яйцами и сходство в строении яйца;
• сходство эмбрионального развития.
Различия:
• передняя конечность превратилась в крыло; полёт стал основным способом
передвижения птиц;
• у птиц высокая и постоянная температура тела, не зависящая от внешней
среды; рептилии в холодное время года впадают в спячку;
• четырёхкамерное сердце, в котором происходит полное разделение
артериальной крови и венозной;
• срастание многих костей у птиц; наличие цевки;
• наличие воздушных мешков у птиц;
• более высокий уровень развития центральной нервной системы у птиц;
• построение птицами гнёзд, высиживание яиц и выкармливание птенцов.
6.6.7.
Классификация птиц
По наиболее распространённой системе птицы делятся на два подкласса:
ящерохвостые и веерохвостые. Ящерохвостые птицы представлены единственным вымершим
видом - археоптериксом. Подкласс веерохвостые объединяет всех остальных птиц
- более 9500 видов.
В подкласс веерохвостые входит 4 надотряда: зубастые, плавающие, древненёб-
ные и новонёбные птицы. К зубастым птицам относят гесперорнисов и ихтиорни-
сов. Гесперорнисы - это морские птицы мелового периода; самые большие из них
достигали в длину 2 м. Крылья редуцированы, задние конечности хорошо
приспособлены для плавания. Скорее всего, гесперорнисы плавали в воде наподобие
гагар, по суше передвигаясь с большим трудом. В отличие от гесперорнисов жившие
примерно тогда же ихтиорнисы имели хорошо развитую грудину с килем и крылья,
и хорошо летали. Питались эти животные рыбой. На рубеже мезозоя и кайнозоя
зубастые птицы вымерли.
Рисунок 6.6.7.1. Примерно так выглядели гесперорнисы
К плавающим птицам относят единственный современный отряд пингвинообразных
(по другой системе пингвины относятся к надотряду новонёбных птиц). Эти птицы
длиной от 40 до 120 см и весом от 3 до 42 кг. Короткое и плотное оперение
тёмное сверху и белое снизу. Крылья превращены в покрытые перьями ласты,
которыми пингвины гребут; задние лапы и хвост служат рулём. На суше
передвигаются шагом, бегают или скользят на брюхе. Пингвины гнездятся колониями (до
миллиона особей) на побережьях Антарктиды, субантарктических островах, южных
побережьях Австралии, Африки и Южной Америки, западном побережье Южной
Америки . 17 видов.
Рисунок 6.6.7.2. Пингвинообразные. Слева направо: императорский
пингвин, пингвин Алели, галапагосский пингвин
Древненёбные птицы включают в себя пять современных и несколько вымерших
отрядов. Все они имеют недоразвитые крылья и сильные ноги; перья покрывают
тело равномерно. У древненёбных птиц нет киля; они не умеют летать, но быстро
бегают.
Единственный вид страусообразных - самая большая современная птица,
достигающая в высоту 2,5 м (масса до 150 кг). Неоплодотворённое яйцо страуса -
самая большая по размерам клетка в мире. Молодые страусы могут бегать со
скоростью до 50 км/ч. Ископаемые страусы найдены в украинских степях; в настоящее
время эти животные обитают в Африке. В своё время на страусиные перья был
большой спрос, страусов разводили на домашних фермах.
Рисунок 6.6.7.3. Древненёбные птицы. Слева направо:
африканский страус, обыкновенный нанду, дарвинов нанду
В Южной Америке обитают два родственных страусу и почти таких же больших
вида из отряда нандуобразных. Их численность также заметно сократилась из-за
усиленной охоты. А вот австралийских страусов - казуаров и эму из отряда ка-
зуарообразных (4 вида) - в своё время даже истребляли как вредителей полей.
Сейчас эму наряду с коалой и кенгуру - символ Австралии.
Последний современный отряд бескилевых птиц - кивиобразные - включает три
вида, обитающих в Новой Зеландии. Эти небольшие птицы весом от 1,5 до 4 кг
откладывают яйца массой в полкило! Численность киви в последнее время быстро
сокращается из-за завезённых на острова хищников.
В неогене и антропогене в Новой Зеландии обитали птицы отряда моаобразных.
Гигантские динорнисы достигали трёхметровой высоты. Последние моа были
истреблены человеком в XVIII-XIX веках. Такая же печальная судьба постигла и
мадагаскарских эпиорнисов.
В отличие от бескилевых птиц небольшие южноамериканские тинаму умеют
летать, однако, на небольшие расстояния. Ряд признаков сближает их с нанду,
поэтому тинаму также относят к древненёбным птицам.
Все остальные птицы относятся к надотряду новонёбных. Многие учёные
выделяют 22 отряда этих птиц; другие насчитывают до 40.
<r
AW4' • л. v я *Лт * i ■ 4R,V 'Я
Рисунок 6.6.7.4. Древненёбные птицы. Слева направо:
шлемоносныи казуар, эму, обыкновенный киви
Рисунок 6.6.7.5. Слева истреблённый несколько веков назад
эпиорнис. Справа - его яйцо, найденное на Мадагаскаре
Рисунок 6.6.7.6. Малый тинаму
6.6.8. Новонёбные птицы
Перейдём к описанию самой большой и разнообразной группы птиц - новонёбным
птицам. Их общий признак - подвижное нёбо. По наиболее распространённой
систематике новонёбных птиц 22 отряда; иногда к новонёбным птицам относят
пингвинов .
Гагарообразные - крупные птицы длиной до 70 см. Их передние пальцы
соединены плавательной перепонкой. Гагары превосходно плавают и ныряют, но по суше
передвигаются ползком. Гагары гнездятся на пресных озёрах, питаются рыбой. 3
вида, обитающих в тундре и лесах Евразии и Северной Америки. Белые шкурки
гагар заготавливают как «меховой» товар.
Рисунок 6.6.8.1. Слева направо: гагарообразные
(полярная гагара, краснозобая гагара), поганкообразные
(чомга, красношейная поганка)
Ещё один отряд отлично плавающих, но с трудом передвигающихся по суше птиц
- поганкообразные. У них недоразвитый хвост, а каждый палец оторочен
собственной плавательной перепонкой. Поганок около 20 видов, распространённых по
всему миру, кроме полярных областей. Мясо поганок непригодно в пищу - отсюда
и такое странное название.
Рисунок 6.6.8.2. Буревестникообразные. Слева направо:
странствующий альбатрос, серый буревестник, глупыш,
прямохвостая качурка
Буревестникообразные в отличие от предыдущих отрядов - морские птицы. Конец
клюва загнут крючком, а ноздри открываются в особые трубочки на клюве (отсюда
второе название - трубконосые). Особое устройство крыла позволяет им часами
без единого взмаха парить над морем. Буревестникообразные отлично плавают (на
ногах у них плавательные перепонки), охотясь за рыбой и морскими
беспозвоночными, а вот по суше ходят с трудом. К отряду относятся буревестники,
альбатросы, глупыши и качурки - всего около 100 видов, преимущественно в Южном
полушарии . Некоторые альбатросы достигают в длину одного метра.
Пеликанообразные (веслоногие) - водоплавающие птицы. Расположенные на
коротких ногах пальцы соединены плавательной перепонкой. Эти животные питаются
в основном рыбой. Все они хорошо плавают, некоторые умеют нырять либо парить
над водой, по суше передвигаются плохо. Птицы этого отряда гнездятся большими
колониями, на местах колоний из сухого птичьего помёта образуются залежи
ценного удобрения - гуано. 6 семейств: олуши, фаэтоны, фрегаты, бакланы,
змеешейки и пеликаны; около 55 видов. Веслоногие птицы населяют побережья океанов
и морей, берега рек и озёр почти по всему земному шару.
Рисунок 6.6.8.3. Веслоногие. Верхний ряд, слева направо: северная
олушь, белохвостый фаэтон, фрегат-ариэль. Нижний ряд, слева
направо : галапагосский баклан, индийская змеешейка, розовый пеликан
Отряд аистообразных (голенастых) включает в себя шесть разнообразных по
внешности семейств: цапли, челноклювы, китоглавы, молотоглавы, аисты и ибисы.
У большинства из них длинные клюв, шея и ноги. Все голенастые живут во
влажных местах (за исключением аистов) и питаются мелкими позвоночными и крупными
беспозвоночными. 120 видов по всему миру, преимущественно в тропиках и суб-
тропиках. Многие виды полезны в сельском хозяйстве, поскольку уничтожают
вредителей .
ЙЖЙГ'Л
Рисунок 6.6.8.4. Голенастые. Верхний ряд - цаплевые, слева направо:
серая цапля, большая белая цапля, жёлтая цапля, большая выпь. Нижний
ряд, слева направо: цаплевые (волчок, кваква), челноклюв, китоглав
"^хЛ
1
\
"ft?
Рисунок 6.6.8.5. Голенастые и фламинго. Слева направо: молото-
глав, аистовые (белый аист, чёрный аист), розовый фламинго
Фламингообразных нередко объединяют с голенастыми в один отряд. У них также
длинная шея и ноги; края челюстей усажены пластинками, позволяющими
отцеживать из воды планктон. Гнездятся колониями на солёных озёрах и морских
мелководьях. 6 видов в Юго-Западной Европе, Юго-Западной Азии, Африке, Америке.
Гусеобразные - древний отряд водоплавающих птиц, объединяющий два
подотряда: утиные (гуси, утки, лебеди, казарки) и паламедеи. Лапы с перепонками; на
краях клюва тонкие поперечные пластинки (у паламедеев их нет). Около 150
видов по всему миру. Гуси и утки разводятся в сельском хозяйстве (употребляется
в пищу мясо).
Рисунок 6.6.8.6. Гусеобразные. Верхний ряд, слева направо: белый
гусь, серый гусь, белощёкая казарка, краснозобая казарка. Нижний
ряд, слева направо: кряква, шилохвость, свиязь, красноносый нырок.
Рисунок 6.6.8.7. Гусеобразные. Слева направо: чирок-трескунок,
морская чернеть, лебедь-шипун, хохлатая паламедея
В отряд соколообразные входят 5 семейств дневных хищных птиц: американские
грифы, скопиные, ястребиные, соколиные и секретари. Около 270 видов,
распространённых по всему свету, исключая Антарктику. Загнутый крючком клюв, острые
когти приспособлены для охоты на мелких позвоночных; некоторые питаются
падалью. У одних видов острые и длинные крылья позволяют стремительно лететь (до
250 км/ч при падении «камнем» вниз), у других широкие крылья пригодны для
парящего полёта в восходящих токах воздуха. Дневные хищные птицы играют важную
роль в регуляции численности животных, уничтожая слабых и больных особей.
Рисунок 6.6.8.8. Соколообразные. Верхний ряд, слева направо: американские
грифы (королевский гриф, настоящий кондор, гриф-индейка), скопа. Нижний ряд,
слева направо: соколиные (сапсан, балобан, чеглок), птица-секретарь
Древний отряд курообразных включает 7 семейств: гоацины, сорные куры, крак-
сы, фазановые, тетеревиные, цесарковые, индейковые - около 240 видов по всему
миру. У этих птиц сильные ноги, приспособленные для разгребания почвы, но
широкие крылья, пригодные только для непродолжительного полёта. Самые крупные
представители отряда (хохлатый аргус) достигают 2,5 м. Некоторых куриных
(фазаны, куропатки) разводят в охотничьих хозяйствах. Банкиевские куры, индейки
и цесарки стали родоначальниками пород домашних птиц.
Журавлеобразные - обширный отряд птиц, включающий сильно различающихся по
внешнему виду и образу жизни 13 семейств: мадагаскарские пастушковые
куропатки, трёхперстки, ошейниковые трёхперстки, журавлиные, арамы, агами,
пастушковые, лапчатоноги, кагу, солнечные цапли, сериемы, дрофы и авдотки. Около 210
видов, распространённых по всему земному шару. Дрофа и стрепет - промысловые
птицы. Численность многих видов сокращается в связи с распашкой земель и
неумеренной охотой.
/"
Рисунок 6.6.8.9. Соколообразные (семейство ястребиные). Верхний ряд, слева направо:
ястреб-тетеревятник, канюк, болотный лунь, белоголовый сип. Нижний ряд, слева
направо: красный коршун, степной орёл, орёл-могильник, белоголовый орлан.
4J '{ ' I '•• Ч-f cm '
Рисунок 6.6.8.10. Курообразные. Верхний ряд, слева направо: сорные куры (кустарная
индейка), фазановые (обыкновенный перепел, серая куропатка, обыкновенный фазан).
Нижний ряд — тетеревиные, слева направо: обыкновенный тетерев, глухарь, рябчик,
тундряная куропатка
Рисунок 6.6.8.11. Курообразные. Слева направо:
обыкновенная цесарка, обыкновенная индейка, гоацин
Рисунок 6.6.8.12. Журавлеобразные. Верхний ряд, слева направо:
африканская трёхперстка, журавлиные (серый журавль, стерх,
венценосный журавль). Нижний ряд, слева направо: арама, пастушковые
(коростель, обыкновенная камышница, обыкновенный погоныш)
Ещё один крупный отряд - ржанкообразные, около 330 видов от Арктики до
берегов Антарктиды. Включает 11 семейств: яканы, цветные бекасы, зобатые
бегунки, ржанковые, белые ржанки, рачьи ржанки, золотистые ржанки, тиркушковые,
поморниковые, чаиковые, чистиковые; некоторые зоологи разделяют этот отряд на
три: чайки, кулики и чистики. Некоторые ржанкообразные питаются наземными и
водными беспозвоночными, другие хорошо ныряют, плывя под водой при помощи
крыльев, и кормятся рыбой. Многие ржанкообразные гнездятся колониями,
составляя основное население «птичьих базаров». Бескрылая гагарка истреблена к
середине XIX века.
Рисунок 6.6.8.13. Журавлеобразные. Слева направо: агами,
африканский лапчатоног, солнечная цапля, обыкновенная дрофа
Рисунок 6.6.8.14. Ржанкообразные. Верхний ряд - ржанковые, слева
направо: обыкновенный бекас, кулик-сорока, шилоклювка, чибис.
Нижний ряд, слева направо: яканы (водяной фазанчик), степная
тиркушка, большой поморник, обыкновенный чистик
Рисунок 6.6.8.15. Ржанкообразные (семейство чайковые). Слева
направо: белая чайка, серебристая чайка, клуша, речная крачка
Голубеобразные - отряд сравнительно небольших птиц, обитающих в лесах,
горах, а также в городах. 2 подотряда (голуби и рябки), около 290 видов в
умеренных и тропических областях земного шара. Родители выкармливают птенцов
«птичьим молоком» - выделениями эпителия зоба. Все породы домашних голубей
произошли от сизого голубя. Странствующий голубь и все виды семейства дронтов
истреблены.
Рисунок 6.6.8.16. Голубеобразные. Слева направо: голуби (сизый голубь,
большой венценосный голубь, обыкновенная горлица), рябки (саджа)
Отряд попугаеобразные включает 1 семейство и 320 тропических видов яркоо-
крашенных древесных птиц. Лапы с сильными когтями приспособлены для лазания
по деревьям. Высоким толстым клювом эти птицы могут дробить твёрдые плоды.
Попугаев часто держат в клетках как декоративных птиц. Некоторые попугаи
умеют подражать человеческой речи.
В отличие от дневных хищников птицы из отряда совообразных охотятся ночью.
У этих птиц нет зоба; вокруг глаз имеется «лицевой» диск. Большая подвижность
шеи обеспечивает необходимый кругозор; совы хорошо видят и днём, и в
сумерках. Асимметричные наружные ушные раковины помогают выслеживать добычу на
слух. 2 семейства: настоящие совы и сипухи; около 130 видов по всему миру
кроме Антарктиды. Совы уничтожают грызунов и полезны в сельском и лесном
хозяйстве .
Рисунок 6.6.8.17. Попугаеобразные. Верхний ряд, слева направо: гиацинтовый ара,
сине-жёлтый ара, пальмовый какаду, какаду-инка. Нижний ряд, слева направо: волнистый
попугайчик, жако, совиный попугай, радужный лорикет
Рисунок 6.6.8.18. Совообразные. Верхний ряд, слева направо: домовой сыч, белая сова,
ушастая сова. Нижний ряд, слева направо: филин, обыкновенная неясыть, сипуха
Кукушкообразные подразделяются на два резко различающихся подотряда: турако
и настоящие кукушки. Кукушкам свойственен гнездовой паразитизм - они подкла-
дывают свои яйца в гнёзда птиц других видов. Около 150 видов во всем мире.
Козодоеобразные, представленные семействами жиряков, белоногов и настоящих
козодоев, кормятся насекомыми, в чём им помогает большой разрез рта. Козодои
распространены преимущественно в тропиках, хотя встречаются и в умеренном
поясе; около 100 видов.
Рисунок 6.6.8.19. Слева направо: кукушкообразные (обыкновенная кукушка,
фиолетовый турако), козодоеобразные (обыкновенный козодой, гуахаро)
Стрижеобразные, или длиннокрылые включают в себя два резко разграниченных
подотряда - стрижи (два семейства: хохлатые и настоящие стрижи) и колибри.
Длинные и узкие крылья с укороченной плечевой костью обеспечивают быстрый и
маневренный полёт (до 170 км/ч). Стрижи питаются насекомыми, которых ловят на
лету. Колибри - самые маленькие птицы на Земле, некоторые из них весят всего
1,6 г. При этом колибри могут делать до 80 взмахов крыльями в секунду, жужжа,
как пчёлы. Огромный расход энергии они покрывают калорийной пищей (нектаром
растений, насекомыми), однако ночью впадают в оцепенение; температура тела
при этом падает до 15-20 °С. Около 400 видов в умеренном и тропическом
поясах.
Рисунок 6.6.8.20. Слева направо: стрижеобразные (чёрный стриж,
зелёный бриллиантовый колибри), мышанкообразные (длиннохвостая птица-
мышь), трогонообразные (гватемальский кетцаль или квезал)
Мышанкообразные (птицы-мыши) - небольшие птицы африканских саванн. На
голове короткий хохол. Хорошо лазают по ветвям, очень подвижны на земле. Питаются
плодами и нектаром. 1 семейство, 6 видов.
Трогонообразные имеют короткие крылья, длинный хвост, слабые короткие ноги.
35 видов в тропических лесах Африки, Азии и Америки.
Отряд ракшеобразные насчитывает 200 видов из 9 семейств: зимородковые, то-
ди, момоты, щурки, сизоворонковые, куролы, удодовые, древесные удоды и птицы-
носороги. Максимальных размеров среди птиц отряда достигают птицы-носороги
(до 160 см). Большинство видов обитают в тропиках и субтропиках, лишь
немногие проникают в умеренные широты.
Рисунок 6.6.8.21. Ракшеобразные. Верхний ряд, слева направо: голубой зимородок,
рыжий момот, сизоворонковые (сизоворонка, восточный широкорот). Нижний ряд, слева
направо: золотистая щурка, птицы-носороги (калао, рогатый ворон), удод
К дятлообразным относятся 400 видов из 6 семейств: якамары, ленивки,
туканы, медоуказчики, бородастики, дятловые. Это древесные птицы мелких и средних
размеров, обитающие по всему миру, кроме Австралии, Океании, Мадагаскара и
Антарктиды; особенно много их в тропических лесах. Гнездятся в дуплах или
норах.
Воробьинообразные - самый большой отряд птиц, насчитывающий 56 семейств и
около 5000 видов (около 60 % от общего количества птиц). Отряд разделён на
три подотряда (ширококлювы, кричащие птицы и певчие птицы). Большинство птиц
этого отряда живут в лесах и кустарниках. У настоящих певчих птиц голосовой
аппарат достиг наибольшего развития. Воробьинообразные приносят огромную
пользу, уничтожая вредных насекомых.
Ш?ш
Рисунок 6.6.8.22. Дятлообразные. Верхний ряд, слева направо: белошеиная ленивка,
радужный тукан, медоуказчик, пёстрая бородатка. Нижний ряд — дятловые, слева направо:
большой пёстрый дятел, зелёный дятел, желна, вертишейка
Рисунок 6.6.8.23. Воробьинообразные. Верхний ряд, слева направо: ширококлювы
(зелёная калиптомена), печники (рыжий печник), птицы-лиры (большой лирохвост), райские
птицы (большая райская птица), жаворонковые (полевой жаворонок). Нижний ряд, слева
направо: ласточковые (деревенская ласточка-касатка) , трясогузковые (белая
трясогузка) , сорокопутовые (сорокопут-жулан), оляпковые (обыкновенная оляпка), медососовые
(капский сахарный медосос)
Рисунок 6.6.8.24. Воробьинообразные. Верхний ряд - дроздовые,
слева направо: малиновка, восточный соловей, чёрный дрозд,
певчий дрозд, дрозд-рябинник. Нижний ряд, слева направо: крапивни-
ковые (крапивник), славковые (тростниковая камышовка), синицевые
(голубая лазоревка, большая синица, обыкновенный ремез)
Рисунок 6.6.8.25. Воробьинообразные. Верхний ряд, слева направо:
свиристелевые (обыкновенный свиристель), поползневые
(обыкновенный поползень), ткачиковые (домовый воробей, рыжий воробей,
серо-голубая танагра). Нижний ряд - вьюрковые, слева направо:
вьюрок, зяблик, обыкновенный чиж, обыкновенный щегол, клёст-еловик
Наука о птицах называется орнитологией.
Рисунок 6.6.8.26. Воробьинообразные. Верхний ряд, слева направо:
вьюрковые (обыкновенный снегирь), овсянковые (пуночка),
скворцовые (обыкновенный скворец), иволговые (иволга), врановые (чёрный
ворон). Нижний ряд - врановые, слева направо: грач, ворона,
галка, голубая североамериканская сойка, сорока
6.7. МЛЕКОПИТАЮЩИЕ
6.7.1. Внешнее строение
Млекопитающие - это наиболее высокоорганизованный класс позвоночных
животных. Их размеры колеблются от нескольких сантиметров (землеройки-бурозубки)
до 35 м (синий кит). Тело животных этого класса состоит из головы, шеи,
туловища, передних и задних конечностей (как правило, пятипалых) и хвоста. Хвост
и конечности у некоторых отрядов редуцированы или отсутствуют. У других
зверей конечности превратились в крылья (летучие мыши), ласты (тюлени, киты). На
голове у млекопитающих расположены ротовая полость и органы зрения, слуха,
обоняния и вкуса.
Снаружи млекопитающие покрыты сложно устроенной кожей. На коже имеется
шерстяной покров, окраска которого определяется пигментами и может быть
одноцветной или разноцветной. Шерстяной покров играет важную роль в
терморегуляции и состоит из волос разного типа: направляющих, пуховых, остевых,
чувствительных (вибрисс). У некоторых групп шерстяной покров сильно редуцирован или
отсутствует. На некоторых участках тела вместо шерсти могут быть другие
роговые образования: чешуйки, присоски, когти и ногти, мозоли, рога и копыта.
В коже также имеются многочисленные железы. Потовые железы имеют важное
значение для терморегуляции и обмена веществ. Сальные железы смазывают кожу и
шерсть, придавая им эластичность и защищая от влаги. Пахучие железы служат
для обозначения территории, привлечения партнёра, обороны. Во многих случаях
запах, исходящий от вещества железы, является главным опознавательным
признаком для вида.
'- Передняя п.эп.з
Pw -_^. . "-L у'-* - .
Рисунок 6.7.1.1. Внешнее строение серой крысы-пасюка
6.7.2.
Внутреннее
строение
Внутренние органы млекопитающих будут подробны рассмотрены в 10-й главе;
здесь же мы дадим лишь общую характеристику внутреннего строения животных
этого класса.
Скелет подразделяется на череп, позвоночник, пояса конечностей и кости
самих конечностей. Череп устроен проще по сравнению с черепом пресмыкающихся и
состоит из мозговой коробки, защищающей головной мозг, и лицевой части,
включающей сросшуюся с черепом верхнюю челюсть и нижнюю челюсть, сочленяющуюся с
чешуйчатой костью.
В лунках (альвеолах) на челюстях находятся зубы: резцы, клыки, предкоренные
и коренные. Разные типы зубов выполняют различную функцию (так, клыки
разрывают добычу, а коренные зубы измельчают и перетирают пищу) . В течение жизни
все зубы, кроме коренных, сменяются один или несколько раз. Первым шейным
позвонком (атлантом) череп крепится к позвоночнику.
Позвоночник состоит из шейного, грудного, поясничного, крестцового и
хвостового отделов. Позвонки (кроме крестового отдела) соединяются, оставаясь
свободными, что обеспечивает гибкость тела. Рёбра образуют вместе с грудиной
грудную клетку, защищающую сердце и лёгкие. Пояс передних конечностей состоит
из парных лопаток и ключиц; вороньи кости пресмыкающихся превратились у
млекопитающих в отростки лопаток. К лопаткам присоединяются плечевые кости, а к
ним - кости предплечья (локтевые и лучевые). Заканчиваются передние
конечности кистью. Пояс задних конечностей (таз) состоит из сросшихся между собой и
с крестцовыми позвонками седалищных, лобковых и подвздошных костей. Скелет
каждой из задних конечностей состоит из бедра, костей голени (большой и малой
берцовых) и стопы.
^
Ушная fidnuBHHJ
Рисунок 6.7.2.1. Строение головы кролика
Мускулатура развита хорошо. Большое количество различных по назначению мышц
обеспечивает сложные движения млекопитающих.
Млекопитающие дышат лёгкими. Воздух в них попадает через ротовую полость
или нос, далее через гортань, трахеи и бронхи. Сами лёгкие состоят из
лёгочных пузырьков - альвеол; благодаря этому значительно увеличивается
поверхность газообмена. Роль кожного дыхания очень невелика.
Механизм дыхания связан с изменением объёма грудной клетки в результате
движения рёбер и диафрагмы (перегородки, разделяющей грудную и брюшную
полости) . Чем меньше размеры тела, тем больше совершается дыхательных движений.
Замкнутая система кровообращения состоит из большого и малого кругов. По
малому кругу кровь движется к лёгким и от них; по большому кругу кровь
разносится к голове, внутренним органам и конечностям. В четырёхкамерном сердце,
состоящем из двух предсердий и двух желудочков, артериальная и венозная кровь
полностью разделены. Частота сердечных сокращений зависит от интенсивности
обмена веществ и может составлять десятки и сотни ударов в минуту. Эритроциты
в зрелом состоянии лишены ядер, что увеличивает количество переносимого ими
кислорода. Благодаря совершенной системе кровообращения и шерстяному покрову
млекопитающие способны поддерживать постоянную температуру тела: 36-38 °С.
Защитные функции организма возлагаются на кровь и иммунную систему,
состоящую из лимфатических желёз и большого количества лимфатических протоков.
Пищеварительный тракт начинается ротовой полостью. В ней расположен язык,
который помогает перемещать пищу во рту и заглатывать её, и зубы. Их число и
форма зависит от того, какой пищей питается животное. Протоки слюнных желёз,
открывающиеся в ротовую полость, выделяют слюну, смачивающую пишу.
Из ротовой полости по пищеводу пища попадает в желудок, иногда разделённый
на несколько отделов. В желудке и в следующем после него кишечнике пища
переваривается, питательные вещества всасываются в кровь. Непереваренные остатки
через прямую кишку и анальное отверстие выходят наружу.
Органы выделения - парные почки, находящиеся в брюшной полости.
Мочеточниками они соединяются с мочевым пузырём; в нём накапливается моча. У зверей
мочеполовое и анальное отверстия разделены; клоака имеется только у
однопроходных .
У млекопитающих функционируют две системы контроля: эндокринная и нервная.
Эндокринная система при помощи выделяемых железами гормонов регулирует многие
внутренние процессы организма. Нервная система регулирует как внутренние
процессы (сердцебиение, перистальтические сокращения желудка и т.п.), так и
высшую психическую деятельность. Большие полушария головного мозга покрыты
корой, именно в ней происходят основные процессы высшей нервной деятельности. У
наиболее высокоорганизованных млекопитающих кора образует извилины и борозды,
резко увеличивающие её площадь. Много извилин имеет и мозжечок,
обеспечивающий координацию сложных движений.
Степень развития органов чувств зависит от образа жизни млекопитающего.
Так, киты не различают запахов, а у обитателя подземных ходов крота
недоразвиты глаза.
Наземные млекопитающие обладают очень хорошим, тонким обонянием. Животные
по запаху обнаруживают друг друга, получают сигналы опасности, выслеживают
добычу. У большинства млекопитающих, особенно тех, которые ведут ночной образ
жизни, хорошо развит слух; этому способствуют подвижные наружные ушные
раковины. Длинные волосы (вибриссы, «усы»), расположенные, как правило, возле
носа и глаз, помогают животным осязать пространство вокруг себя. У обезьян
главным органом осязания являются кончики пальцев. Большого совершенства у
млекопитающих достигли глаза.
6.7.3.
Размножение
и развитие
Млекопитающие раздельнополы; самцы и самки обычно различаются по величине,
окраске и поведению. Несмотря на то, что практически все млекопитающие
живородящи, строение их органов размножения отличается некоторыми особенностями.
Яичники самки невелики, а развивающиеся в них яйцеклетки имеют очень
маленькие размеры и почти лишены желтка. Когда яйцеклетка созревает, она
поступает в яйцевод, где и происходит оплодотворение. Оба яйцевода открываются в
матку - мускулистый мешок, стенки которого могут очень сильно растягиваться.
Яйцеклетка прикрепляется к стенке матки и начинает делиться. Всё дальнейшее
развитие плода происходит в этом органе.
Вокруг маленького зародыша образуются оболочки, которые одной своей
стороной срастаются со стенкой матки. Эти оболочки образуют плаценту; в ней
кровеносные сосуды матери через пуповину тесно связаны с кровеносными сосудами
плода. Через стенки сосудов из крови матери в кровь зародыша поступают пита-
тельные вещества и кислород. Углекислый газ и другие вредные для зародыша
вещества поступают в обратном направлении и удаляются уже самим организмом
матери.
У зародыша млекопитающего на ранних стадиях развития имеются хорда,
жаберные щели и другие признаки низших хордовых. По мере роста он растягивает
стенки матки. Продолжительность такого внутриутробного развития у
представителей разных видов различна. Это зависит, главным образом, от размеров
животного: беременность у хомячков, к примеру, длится 11-15 суток, у собаки - 2
месяца, а у слона - 20-22 месяца. Размеры влияют и на количество детёнышей: у
крупных животных их 1-2, а у мелких может быть один или даже два десятка.
Когда заканчивается срок беременности, наступают роды. Мышцы матки
сокращаются и выталкивают плод через половое отверстие наружу. Детёныш делает вдох -
и его лёгкие расправляются, после этого он может дышать сам. Пуповина может
разорваться или мать сама перегрызает её.
Самка выкармливает детёнышей молоком; отсюда и происходит название класса.
Молоко образуется в млечных железах, которые могут быть расположены на груди
или на брюхе животного. Протоки этих желёз открываются маленькими отверстиями
на конце сосков. Их число тоже может быть различным, в зависимости от
плодовитости данного вида. Молоко начинает вырабатываться к моменту родов. Оно
питательно и содержит все необходимые для молодого организма вещества - жиры,
белки, углеводы, различные витамины и минеральные соли, а также воду.
Первое время детёныши кормятся только одним молоком. Со временем они
переходят на пищу, которая станет для них обычной.
Рисунок 6.7.3.1. Детёныши опоссума в сумке
Детёныши у большинства млекопитающих рождаются слепыми и даже иногда
голыми. Самка ещё до родов строит гнездо, где могло бы находиться родившееся
потомство. Она согревает детёнышей своим телом, вылизывает их и кормит. У
других млекопитающих (например, некоторых копытных) детёныши рождаются полностью
сформировавшимися и уже через несколько часов могут следовать за матерью. В
этом случае она только кормит и охраняет их. Вообще, потомством, в основном,
занимается мать, но у некоторых видов это делает отец. Инстинкт нередко даже
заставляет родителей рисковать своей жизнью, чтобы спасти жизнь детёныша.
Молодняк любит играть, бороться, преследовать друг друга, прыгать и бегать.
Всё это служит хорошей тренировкой и способствует выработке приёмов защиты и
нападения, которые могут быть индивидуальными. Такие игры характерны только
для млекопитающих.
6.7.4. Поведение
млекопитающих
Сложное поведение млекопитающих обусловлено высоким уровнем развития
головного мозга. Низшие млекопитающие по развитию высшей нервной деятельности не
сильно отличаются от пресмыкающихся и птиц. Другие группы (собаки, дельфины,
человекообразные обезьяны) достигают самого высшего уровня развития
психической деятельности среди животных.
Рисунок 6.7.4.1. Семья гориллы.
Для отдельных особей, семей, стай (у травоядных - стад) характерна
привязанность к определённой территории, которую животные метят тем или иным
способом (мочей, выделениями пахучих желёз и т.п.) и защищают от вторжения
особей того же вида. В пределах стад и стай существует сложная внутренняя
иерархическая структура.
Для ряда зверей (северные олени, песцы, киты, летучие мыши) характерны
регулярные сезонные миграции. Иногда можно наблюдать и массовое переселение
животных в связи с интенсивным размножением или недостатком кормов; многие
животные при этом гибнут.
У млекопитающих хорошо вырабатываются условные рефлексы. Это позволяет им
легко приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды.
Рисунок 6.7.4.2. Африканские слоны на водопое
Некоторые виды с наступлением неблагоприятного сезона впадают в глубокий
сон или спячку. В течение спячки они существуют за счёт запасов жира,
накопленных летом и осенью.
6.7.5.
Эволюция
млекопитающих
Млекопитающие произошли от живших в конце палеозоя зверообразных
пресмыкающихся - терапсид. Первые млекопитающие обнаружены в триасе 170 миллионов лет
назад. В юрском периоде уже существовали 5 отрядов яйцекладущих
млекопитающих, впоследствии вымерших. Чуть позже появились первые сумчатые; среди
ископаемых мелового периода были обнаружены первые плацентарные (насекомоядные).
Рисунок 6.7.5.1. Вымершие млекопитающие. Слева -
гигантский безрогий носорог индрикотерий, справа - дейнотерий
В палеоцене сумчатые начали вымирать, а плацентарные млекопитающие,
наоборот , развивались, достигнув в эоцене расцвета. В это время существовало около
30 отрядов зверей, часть из них впоследствии вымерла. Полагают, что общее
количество вымерших отрядов составляет 20, а вымерших видов - 8000.
Из существовавших ранее, но вымерших к настоящему времени зверей можно
отметить крупных копытных (гиппарион, индрикотерий, большерогий олень),
хоботных (меритерий, мастодонт), хищных (пещерный медведь, саблезубый тигр).
Некоторые из них (например, мамонты) вымерли в эпоху, когда уже существовал
пещерный человек.
Назовём основные отличия млекопитающих от пресмыкающихся:
• строение черепа, поясов конечностей;
• более совершенное строение зубов;
• наличие шестяного покрова и многочисленных желёз на коже;
• четырёхкамерное сердце с полным разделением артериального и венозного
кровотока;
• лёгкие с хорошо развитой ячеистой структурой;
• наличие лимфатической системы;
• постоянная температура тела;
• выкармливание детёнышей молоком;
• развитый головной мозг и органы чувств;
• высокий уровень психической деятельности.
6.7.6. Классификация млекопитающих
Класс млекопитающих разделяется на два подкласса: первозвери и настоящие
звери. К первому подклассу относятся яйцекладущие млекопитающие, в настоящее
время представленные отрядом однопроходных (клоачных). Это единственные на
сегодняшний день млекопитающие, откладывающие яйца и имеющие клоаку, в
которую впадают кишечник и мочеполовое отверстие. Строение костей черепа,
плечевого пояса конечностей, устройство глаз и органов обоняния сближает их с
пресмыкающимися . Сосков нет; примитивные трубчатые молочные железы открываются
наружу многочисленными отверстиями. Яйца вынашиваются в специальной сумке
(ехидны) или высиживаются в гнезде (утконос). Яйцекладущие теплокровны,
однако при температуре воздуха ниже 26° их собственная температура тела
понижается.
Отряд однопроходных разделяется на два семейства: утконосы и ехидны; 5
видов . Передняя часть головы утконоса вытянута в плоский «клюв», покрытый
мягкой кожей. Спина ехидн покрыта острыми иглами. Клоачные сохранились только в
Австралии, Тасмании и Новой Гвинее; все они охраняются государством.
Настоящие звери живородящи. Подкласс делится на два надотряда: сумчатые и
плацентарные. Первый надотряд представлен единственным отрядом сумчатых. Это
наиболее примитивные из существующих ныне живородящих млекопитающих.
Настоящая плацента у всех, кроме сумчатых барсуков, отсутствует. Детёныши рождаются
недоразвитыми, длиной до 3 см и сразу после рождения помещаются в сумку,
образованную кожной складкой. Там же находятся соски молочных желёз. Головной
мозг примитивен. В остальном сумчатые мало отличаются от настоящих зверей.
Длина тела сумчатых составляет от 4 (сумчатые мыши) до 160 см (серый
кенгуру) •
Рисунок 6.7.6.1. Однопроходные. Слева направо:
утконос, австралийская ехидна, проехидна Бруйна
По разнообразию адаптации сумчатые не уступают плацентарным. Среди них
имеются лазающие, прыгающие, бегающие, роющие и даже летающие (планирующие)
формы. Питаются животной и растительной пищей; многие всеядны. Многие сумчатые
(сумчатый волк, сумчатая летяга, сумчатый тушканчик) внешним видом напоминают
плацентарных млекопитающих; это типичный пример конвергенции.
Наиболее примитивные из этих животных - опоссумы; в меловом периоде от них
произошли все остальные семейства. Постепенно сумчатые, обитавшие
первоначально в Северной Америке, заполнили весь земной шар, однако в Европе и
других материках Старого света они вымерли в миоцене. В настоящее время сумчатые
обитают в Австралии, Новой Гвинее и Америке. Кенгуру и коала стали символами
Австралии. 9 семейств (опоссумовые, хищные сумчатые, сумчатые муравьеды, бан-
дикутовые, сумчатые кроты, ценолестовые, поссумовые, вомбатовые, кенгуровые),
260 видов. По новейшим данным в отряде сумчатых прослеживаются семь чётких
эволюционных линий, позволяющих разделить эту группу животных на семь
отрядов: опоссумовые, малобугорчатые (ценолестовые), чилийские опоссумы, хищные
сумчатые (сумчатые волки, сумчатые муравьеды и настоящие хищные сумчатые),
бандикутообразные (бандикутовые и кроличьи бандикуты), сумчатые кроты, высшие
сумчатые (коаловые, вомбатовые, поссумовые, поссумы-пигмеи, поссумы-медоеды,
сумчатые летяги, кенгуровые); как следствие, возрастает и количество
семейств. Численность многих видов сокращается, в частности, из-за
акклиматизации плацентарных млекопитающих; эти виды охраняются человеком.
Плацентарные млекопитающие - это 18 (по другим системам, 17-25) отрядов:
насекомоядные, шерстокрылые, рукокрылые, приматы, неполнозубые, панголины,
зайцеобразные, грызуны, китообразные, хищные, ластоногие, трубкозубы,
хоботные, даманы, сирены, непарнокопытные, мозоленогие, парнокопытные. Все они
произошли от насекомоядных млекопитающих.
Неполнозубые обитают в саваннах и тропических лесах Центральной и Южной
Америки, ведя ночной образ жизни. Они отличаются тем, что их зубы не
дифференцированы, а также лишены эмали и корней; у муравьедов зубов нет совсем.
Тело длиной 12-120 см покрыто шерстью; у броненосцев верхняя часть головы,
туловища и хвоста покрыта панцирем из подвижно соединённых костных и роговых
пластин. Питаются мелкими животными, а также растительной пищей. 3
современных семейства: броненосцевые, муравьедовые, ленивцевые; 30 видов. Многие из
них являются объектом охоты (ради мяса). Среди ископаемых неполнозубых
известны гигантские формы (например, шестиметровые мегатерии - гигантские
ленивцы) .
udv '?&&*$
.^РЯШТ**
*$?* '-<•
Рисунок 6.7.6.2. Сумчатые. Верхний ряд, слева направо: опоссумовые (северный
опоссум, пушистый опоссум, толстохвостый опоссум), сумчатый муравьед. Нижний ряд, слева
направо: хищные сумчатые (тасманийский сумчатый дьявол, узконосая сумчатая мышь,
восточноавстралиискии сумчатый тушканчик), сумчатые кроты (большой сумчатый крот)
Рисунок 6.7.6.3. Сумчатые. Верхний ряд, слева направо: бандикутовые (длинноносый
бандикут, восточный полосатый бандикут), ценолестовые (перуанский ценолест), вомба-
товые (тасманийский вомбат). Нижний ряд — поссумовые, слева направо: коала,
гигантская сумчатая летяга, сахарный летающий поссум, пятнистый кускус
»> г» ■*-• JfSf Jm* • • * '*• :^v -* ^^^^^^^^^ ■
Рисунок 6.7.6.4. Сумчатые, семейство кенгуровые. Слева направо: серый
восточный кенгуру, кенгуру Матши, гребнехвостый кенгуру, мускусный кенгуру
Рисунок 6.7.6.5. Верхний ряд — неполнозубые, слева направо: броненосцевые
(девятипоясный броненосец), ленивцевые (трёхпалый ленивец, ленивец Гоффма-
на). Нижний ряд, слева направо: семейство муравьедовые отряда неполнозубые
(большой муравьед, тамандуа), панголины (яванский панголин)
Панголины, или ящеры - ещё одна крайне своеобразная группа млекопитающих.
Тело длиной 30-80 см, за исключением морды, брюха и внутренней поверхности
ног, покрыто крупными ромбическими чешуями. Зубы частично или полностью
отсутствуют , зато в ороговевшем желудке имеется складка с роговыми зубами.
Длинный язык, которым панголин ловит муравьев и термитов, покрыт клейкой
слюной. Ведут наземный и древесный ночной образ жизни; при опасности сворачива-
ются в клубок. Панголины населяют саванны и тропические леса Юго-Восточной
Азии, Экваториальной и Южной Африки; 7 видов. Численность этих животных
снижается из-за охоты на них ради мяса, обладающего якобы лечебными свойствами.
Рисунок 6.7.6.6. Африканский трубкозуб
Единственный вид отряда трубкозубов ведёт ночной образ жизни в безлесных
пространствах Африки к югу от Сахары. Днём трубкозубы спят в норах глубиной
до 3 м. Длина тела 1-1,5 м, масса - 50-70 кг. Лицевая часть головы вытянута в
длинную трубку. Зубы лишены эмали, клыки и резцы отсутствуют. Трубкозубы
питаются термитами и муравьями, которых собирают длинным языком. Численность
сокращается из-за охоты на них со стороны человека.
6.7.7. Насекомоядные
Насекомоядные - наиболее древняя и примитивная группа плацентарных
млекопитающих. Это небольшие (от 3 до 40 см) зверьки с удлинённой головой. Тело
покрыто густой шерстью или щетиной, у ежей - иглами. Зубная система слабо
дифференцированная, резцы, клыки и коренные зубы практически не отличаются друг
от друга. Головной мозг развит плохо (за исключением обонятельного отдела),
извилин нет. Некоторые насекомоядные размножаются три раза в год, принося в
помёте по 25 детёнышей.
Насекомоядных 9 семейств: щелезубовые, тенрековые, выдровые землеройки,
златокротовые, ежовые, прыгунчиковые, землеройковые, кротовые, выхухолевые.
Прыгунчиковых в настоящее время часто выделяют в отдельный отряд. Свыше 400
видов в Евразии, Африке и Северной Америке, от побережья Северного Ледовитого
океана до пустынь. Ведут наземный, подземный или полуводный, преимущественно
ночной образ жизни.
Насекомоядные истребляют вредных насекомых. Выхухоль и кроты являются
объектами пушного промысла. Численность некоторых видов сокращается, они
находятся под охраной.
•-- y .-- ч'^,_- X-* \ ж + *г/
Рисунок 6.7.7.1. Насекомоядные. Верхний ряд, слева направо: гаитянский
щелезуб, обыкновенный тенрек, златокрот Гранта. Нижний ряд, слева
направо: обыкновенный ёж, ушастый ёж, короткоухий слоновый прыгунчик
Рисунок 6.7.7.2. Насекомоядные. Верхний ряд — землеройковые, слева
направо: малая белозубка, бурозубка-крошка, обыкновенная кутора. Нижний
ряд: европейский крот, крот-звездорыл, выхухоль
Рисунок 6.7.7.3. Филиппинский шерстокрыл
К насекомоядным близки шерстокрылые, два вида которых обитают в лесах
Филиппин, Индокитая и Малайского архипелага. Все конечности и хвост у них
соединены покрытой шерстью перепонкой, при помощи которой они могут планировать
с дерева на дерево.
6.7.8. Рукокрылые
Рукокрылые - единственные млекопитающие, способные к длительному активному
полёту. Передние конечности превращены в крылья; на удлинённых предплечье и
фалангах пальцев, как на каркасе, растянута кожистая летательная перепонка.
Другим концом она крепится к боковой стороне тела и хвосту. На грудине, как у
птиц, имеется киль. Длина тела от 3 до 40 см; размах крыльев до 1,5 м. Ушные
раковины достигают огромных размеров; многие из летучих мышей ориентируются в
полёте благодаря испускаемым ими ультразвуковым колебаниям частотой до 130
кГц очень высокой интенсивности. Эхолокация позволяет летучим мышам различать
препятствия диаметром до 0,1 мм на расстоянии в несколько метров.
Рукокрылые - процветающий отряд млекопитающих, по численности уступающий
только грызунам. Два подотряда: крыланы и летучие мыши (в последнем более 15
семейств), отличающиеся строением конечностей; свыше 900 видов по всему
земному шару кроме Арктики и Антарктики. Некоторые улетают на зиму в тёплые
края. Рукокрылые появились в эоцене от насекомоядных, обладавших способностью
к планирующему полёту.
Рукокрылые ведут ночной образ жизни, днём вися головой вниз в кронах
деревьев, пещерах, постройках человека. Питаются насекомыми, некоторые виды -
нектаром и плодами. Продолжительность жизни до 20 лет. Живут, в основном,
колониями; в некоторых пещерах одновременно обитают десятки миллионов летучих
мышей.
Летучие мыши полезны тем, что уничтожают вредных ночных насекомых, в том
числе кровососов и вредителей сельского хозяйства. Тропические виды опыляют
растения. Некоторые американские рукокрылые питаются кровью теплокровных
животных, могут заразить их бешенством.
Рисунок 6.7.8.1. Летучие мыши. Верхний ряд, слева
направо : большая ночница, серый ушан, малая вечерница,
рыжая вечерница. Нижний ряд, слева направо:
средиземноморский нетопырь, нетопырь-карлик, двуцветный
кожан , широкоухий складчатогуб
Рисунок 6.7.8.2. Слева направо: летучие мыши (летучая
мышь-вампир, большой ложный вампир), крыланы
(обыкновенный крылан, молотоглав)
Рисунок 6.7.8.3. Колония водяных ночниц
6.7.9. Хищные
Хищные - отряд млекопитающих, питающихся преимущественно животной пищей.
Длина тела составляет от 13 см до 3 м (медведь), вес - до 700 кг. У этих
животных хорошо развиты клыки, несколько коренных зубов приспособлены для
разрывания мяса. Не менее хорошо развиты когти.
В отряде 280 видов, объединяемых в два подотряда, 7 семейств. Рассмотрим
вкратце каждое из них.
Собачьи имеют острую морду, стоячие уши и длинный пушистый хвост. Около 30
видов, распространённых по всему земному шару, кроме Антарктиды. Питаются
животной пищей, иногда падалью. Некоторые виды охотятся в одиночку, другие
собираются стаей.
Собачьи приносят большую пользу, истребляя грызунов. Песец и лисица -
ценные промысловые звери (пушнина); их разводят на зверофермах. Волк одомашнен,
от него произошли все породы домашних собак. Волк и некоторые другие звери
истребляют полезных (в том числе домашних) зверей и птиц; стаей могут
нападать на человека.
Медвежьи - крупные животные (белый медведь - самый крупный современный
хищник) с массивной мордой, мощными лапами и огромными когтями. Хвост короткий.
7 видов от пустынь до арктических льдов. Медведи, живущие в северных краях,
на зиму устраивают берлогу и впадают в спячку. Медвежье мясо съедобно, шкуры
используются на ковры. В ряде стран медведи находятся под охраной.
Енотовые - наоборот, небольшие животные. Туловище покрыто густым пушистым
мехом, хвост длинный. На некоторые виды охотятся (используется мех). 7 видов
в Юго-Восточной Азии (панда) и в Америке; в Европе акклиматизирован енот-
полоскун .
Последние исследования, проведённые несколько лет назад на основе
сравнительной анатомии и ДНК-анализа, показали, что большая панда (бамбуковый
медведь) относится не к куньим, как считалось ранее, а к семейству медвежьих.
Рисунок 6.7.9.1. Собачьи. Верхний ряд, слева направо: волк, шакал,
койот. Нижний ряд, слева направо: песец, енотовидная собака, лисица
Рисунок 6.7.9.2. Медвежьи. Слева направо: белый
медведь , бурый медведь, очковый медведь, барибал
Следующее семейство хищных млекопитающих - куньи. Имеют гибкое вытянутое
тело, покрытое густым, пушистым мехом. Около 70 видов. Наземные виды (ласки,
хорьки, куницы) питаются млекопитающими и птицами. Барсуки роют норы, питаясь
как животной, так и растительной пищей. Выдры имеют плавательные перепонки и
поедают водных животных.
Почти все куньи, особенно соболь, норка, горностай и калан, - объект
промысла благодаря ценному меху.
Рисунок 6.7.9.3. Енотовые. Верхний ряд, слева направо: обыкновенный енот, кошачий
енот, носуха. Нижний ряд, слева направо: пото, бамбуковый медведь, малая панда
Рисунок 6.7.9.4. Куньи. Верхний ряд, слева направо: ласка, горностай, чёрный хорёк,
барсук. Нижний ряд, слева направо: лесная куница, соболь, речная выдра, морская
выдра (калан)
Виверровые относятся уже к другому подотряду хищных. Это небольшие стройные
животные с короткими ногами и длинным хвостом; многие из них по облику похожи
на куниц. Питаются мелкими животными, иногда орехами. Около 75 видов,
обитающих на Земле и деревьях в Африке, Южной Азии и Юго-Западной Европе. Мангусты
могут поедать ядовитых змей.
Рисунок 6.7.9.5. Виверровые. Верхний ряд, слева направо:
африканский мангуст, бинтуронг, фосса. Нижний ряд, слева направо:
обыкновенная генетта, мунго, африканская циветта
Гиеновые включают 4 вида собакоподобных животных. Короткое туловище спереди
выше, чем сзади. Имеют толстую шею и массивную голову. Тело покрыто грубой
шерстью, иногда образующей гриву.
Гиены обитают в Африке, Средней и Юго-Западной Азии, населяя полупустыни,
степи и саванны. Ведут ночной образ жизни, питаются падалью, лишь изредка
нападая на живых животных. Известны случаи нападений на детей. Держатся
поодиночке, лишь во время еды соединяются в стаю.
Кошачьи имеют небольшую голову, стройное мускулистое тело, мощные ноги с
втяжными когтями, длинный хвост. Хорошо развиты слух и зрение. Около 40 видов
кроме Австралии, Антарктиды, Океании и Мадагаскара. Ведут сумеречный и ночной
образ жизни. Одни виды охотятся в одиночку, другие (например, львы) -
группами (прайдами). Лев, тигр, ягуар, пума - хищники, опасные для человека.
Численность кошачьих сильно сокращается, во многих странах они охраняются.
Гепардов приручали для охоты на антилоп. Дикая кошка одомашнена - от неё
произошли все породы домашних кошек.
Рисунок 6.7.9.6. Гиеновые. Слева направо: полосатая
гиена, земляной волк
Рисунок 6.7.9.7. Кошачьи. Верхний ряд, слева направо: лев,
ягуар , леопард. Нижний ряд, слева направо: тигр, снежный барс, пума
Первыми хищниками были креодонты - ещё один подотряд хищных млекопитающих.
5 семейств этих животных существовали с палеоцена до плиоцена. Креодонты -
предки ластоногих и современных хищных.
Ластоногие - отряд водных млекопитающих, часто относимых к отряду хищных.
Веретенообразное тело, покрытое коротким волосом, превращенные в ласты
конечности, слой жира толщиной до 8 см - всё это приспособления для жизни в воде.
Здесь эти животные развивают скорость до 30 км/ч, в то время как на суше они
неповоротливы. Когда ластоногие находятся в воде, их ноздри открываются лишь
в момент вдоха и выдоха, а в остальное время плотно закрыты. Ластоногие
способны нырять на длительное время (некоторые виды - больше часа), при этом у
них в 10-20 раз замедляется пульс, снижается интенсивность других
физиологических процессов. Самые крупные представители отряда - морские слоны - весят
до 3 тонн и достигают в длину до 5,5 метров.
Ластоногие обладают развитым головным мозгом, хорошо поддаются дрессировке.
Они ощущают запахи, хорошо видят и слышат в воде. Большинство ластоногих -
стадные животные.
Большую часть времени ластоногие проводят в воде, всплывая на поверхность
лишь для дыхания. На сушу или лёд они выходят в период размножения и для
отдыха. Молоко ластоногих очень питательное; к концу периода вскармливания
детёныш весит в несколько раз больше, чем новорождённый.
Ластоногие питаются рыбой и морскими беспозвоночными - моллюсками,
ракообразными. Морской леопард может съесть пингвина или тюленя.
Ластоногие обитают в полярных и умеренных морях обоих полушарий. Несколько
видов живут только во внутренних озёрах: Каспийском море, Байкале, Ладожском
озере. Многие ластоногие - объект промысла (мех, кожа, жир, моржовый клык).
Численность многих ластоногих существенно снизилась из-за неконтролируемого
промысла, они охраняются государством.
32 вида объединяются в 3 семейства. Моржи отличаются длинными клыками
верхней челюсти. Два семейства тюленей - настоящие и ушастые - различаются по
наличию ушной раковины. Первые произошли от перешедших в эоцене к водной жизни
примитивных куниц, вторые - от примитивных медведей.
Рисунок 6.7.10.1. Настоящие тюлени. Верхний ряд, слева направо:
гренландский тюлень, кольчатая нерпа, каспийский тюлень, ларга.
Нижний ряд, слева направо: морской заяц, тюлень Уэделла, морской
леопард, средиземноморский тюлень-монах
Рисунок 6.7.10.2. Слева направо: ушастые тюлени
(морской котик, сивуч, морской лев), морж
6.7.11. Китообразные
Китообразные также обитают в воде, однако, в отличие от ластоногих, они
полностью перешли к жизни в этой стихии. Синий кит - самое большое животное
на Земле - весит до 150 т (около 40 слонов) и имеет в длину до 33 м; за сутки
он съедает 2-4 тонны пищи. С другой стороны, среди китов встречаются и срав-
нительно небольшие животные размерами чуть больше 1 м.
Веретеновидное обтекаемое тело, лишённое волос, переходит в сжатый с боков
хвост с двухлопастным плавником. Передние конечности также превратились в
плавники; задние конечности исчезли совсем. Губчатый скелет и толстый слой
жира обеспечивают плавучесть в воде. Ноздри снабжены клапанами, наружного уха
нет.
Киты могут подолгу (до 1,5 часов) нырять на глубину (кашалоты - до 1,2 км).
Это возможно благодаря пониженной чувствительности дыхательного центра к
содержанию углекислого газа в крови, повышенному содержанию миоглобина и
резервам кислорода в капиллярной сети, а также резкому понижению скорости
физиологических процессов при нырянии.
Крупные детёныши рождаются в воде. Молоко в десять раз жирнее коровьего.
Киты живут 30-50 лет.
Из органов чувств у китов лучше всего развит слух, они ориентируются в воде
при помощи эхолокации. Звуковые сигналы используются также для передачи
информации друг другу. Развиты вкус и осязание, зрение имеет незначительную
роль, а обоняние утрачено. Китообразные, особенно дельфины, обладают
высокоразвитым головным мозгом, имеют исключительные способности к дрессировке.
Известны случаи, когда дельфины спасали тонущих людей.
Предки китов - хищные креодонты - перешли к жизни в воде 60 миллионов лет
назад. Известны сотни вымерших видов. Современные китообразные разделяются на
два подотряда (около 80 видов). К зубатым китам относятся хищники, питающиеся
рыбой и головоногими моллюсками. Усатые киты процеживают воду с планктоном
через своеобразное «сито» - китовый ус, состоящий из роговых пластин.
Киты обитают по всему Мировому океану от Арктики до Антартики. Многие виды
регулярно мигрируют на 5-10 тысяч километров.
Киты - важный объект зверобойного промысла. Используются мясо, жир,
спермацет, китовый ус. Численность многих видов сокращается; в настоящее время
китобойный промысел контролируется международными организациями.
Рисунок 6.7.11.1. Зубатые киты. Слева направо: каша-
лотовые (кашалот), клюворылые (ремнезуб Блэнвиля),
речные дельфины (лаплатский дельфин)
Рисунок 6.7.11.2. Зубатые киты, семейство дельфиновые. Верхний ряд, слева направо:
афалина, дельфин-белобочка, морская свинья. Нижний ряд, слева направо: косатка,
белуха , нарвал
Рисунок 6.7.11.3. Усатые киты. Верхний ряд, слева направо: гладкие киты
(гренландский кит), полосатиковые (финвал, сейвал). Нижний ряд, слева направо: полосатиковые
(блювал (синий кит), малый полосатик), серые киты (серый кит)
6.7.12. Грызуны
Грызуны - наиболее богатый видами отряд млекопитающих (более трети всех
видов класса). Всех их объединяет своеобразное строение зубов, приспособленных
для твёрдой растительной пищи. Развитые изогнутые резцы растут в течение всей
жизни и самозатачиваются. Клыков нет, а между резцами и коренными зубами
имеется большой промежуток.
Большинство грызунов - мелкие животные (мышь-малютка длиной всего 5 см) ;
водосвинка может достигать в длину 1 м.
Около 2000 видов разделены на три подотряда: белкообразные (6 семейств:
бобровые, американские бобры, беличьи, летяговые, мешотчатые крысы, мешотча-
топрыгуновые), дикобразообразные (семейства дикобразовые, древесные
дикобразы, свинковые, водосвинковые, пакарановые, агутиевые, шиншилловые, крысиные
шиншиллы, колючие шиншиллы, нутриевые, восьмизубые, гребнемышиные,
тростниковые крысы, скальные крысы, землекоповые, гребнепалые, гоферовые и др.),
мышеобразные (семейства соневые, колючесоневые, селевиниевые, мышовковые, тушкан-
чиковые, слепышовые, мышиные, хомяковые, бамбуковые крысы, шилохвостые и
др.). Грызуны живут от арктических пустынь до тропических лесов, больше всего
их в степи. Они ведут наземный, подземный и полуподземный, полуводный и
древесный образ жизни. Белки-летяги владеют планирующим полётом.
Рисунок 6.7.12.1. Белкообразные. Верхний ряд, слева
направо : европейский бобр, канадский бобр, американская
летяга. Нижний ряд, слева направо: обыкновенная белка,
восточно-американский бурундук, бурундуковая крыса
Рисунок 6.7.12.2. Дикобразообразные. Верхний ряд, слева направо: индийский дикобраз,
американский дикобраз, морская свинка, водосвинка (капибара). Нижний ряд, слева
направо: обыкновенная агути, багамская хутия, нутрия, длиннохвостая шиншилла
\;«Ш:
Рисунок 6.7.12.3. Мышеобразные. Верхний ряд, слева направо: орешниковая соня, соня-
полчок, песчаный тушканчик. Нижний ряд, слева направо: чёрная крыса, домовая мышь,
ондатра
Рисунок 6.7.12.4. Белкообразные. Слева направо: чернохвостая луговая
собачка, тринадцатиполосый суслик, байбак, желтобрюхий сурок
Рисунок 6.7.12.5. Мышеобразные. Слева направо:
сибирская красная лесная полёвка, обыкновенная полёвка,
сибирский лемминг, обыкновенный хомяк
Зимой многие грызуны залегают в спячку. Животные этого отряда очень
плодовиты, поэтому их численность может колебаться в сотни раз. Многие виды -
серьёзные вредители сельского и лесного хозяйства, повреждают продукты на
складах. Крысы, мыши, бурундуки, сурки и некоторые другие животные -
переносчики опасных заболеваний человека. Белка, ондатра и нутрия - ценные пушные
звери.
Первые грызуны появились, по-видимому, ещё в конце мелового периода. Их
предками были примитивные насекомоядные.
6.7.13.
Зайцеобразные
Похожими на грызунов животными являются зайцеобразные. Для них характерны
две пары резцов в верхней челюсти. Это небольшие животные размером 12-75 см и
массой до 4,5 кг. Ведут очень подвижный образ жизни.
Зайцеобразные обитают в лесах, кустарниках и открытых равнинах Старого и
большей части Нового света. В Австралию и Новую Зеландию их завезли люди; там
по причине отсутствия естественных врагов эти животные стали настоящим
бедствием.
2 семейства: зайцевые и пищуховые; около 80 видов. Первые зайцеобразные
появились в палеоцене.
Рисунок 6.7.13.1. Зайцевые. Слева направо: заяц-
беляк, заяц-русак, дикий кролик
Рисунок 6.7.13.2. Пищуховые. Слева направо: северная
пищуха, пищуха Гловера, рыжеватая пищуха
Зайцеобразные - объект промысла, используются мясо и мех. Кролик одомашнен,
разводится на зверофермах. Некоторые виды - вредители сельского и лесного
хозяйства, переносчики возбудителей опасных заболеваний
6.7.14.
Копытные
Достаточно многочисленна группа копытных животных, включающая шесть
современных отрядов: сирены, даманы, хоботные, непарнокопытные, мозоленогие и
парнокопытные . Некоторыми зоологами выделяется ещё большее количество отрядов,
другие рассматривают, например, мозоленогих как подотряд парнокопытных. Все
копытные произошли от древних кондилятр, известных по отложениям палеогена;
предками кондилятр были, скорее всего, хищные креодонты. Рассмотрим по
порядку все отряды копытных.
Несмотря на принадлежность к копытным, у сирен передние конечности
превратились в ласты, а задние и вовсе отсутствуют. Это водные животные, на сушу
они не выходят. Торпедообразное тело заканчивается цельным хвостовым
плавником. Морские коровы достигали в длину 8 м и весили до 3,5 т. Зубы
приспособлены к питанию водной растительностью.
^ef^v
Рисунок 6.7.14.1. Истреблённая человеком стеллерова корова
Три семейства с несколькими видами: морские коровы, дюгоневые и ламантино-
вые. Численность сирен сокращается, они нуждаются в охране. Морские коровы,
открытые экспедицией Беринга в 1741 году, к 1765 году истреблены.
Рисунок 6.7.14.2. Сирены. Слева дюгонь, справа - американский ламантин
Даманы (жиряки) - примитивные растительноядные животные длиной до 60 см.
Они похожи на Зайцев, однако также относятся к копытным животным. Резцы
постоянно растут, клыков нет. Арабскому названию даманов обязана своим
названием страна Испания. Около 10 видов.
Рисунок 6.7.14.3. Даманы. Слева скалистый даман, справа - древесный даман
Расцвет хоботных пришелся на неоген: в это время обитали мастодонты, дейно-
терии и прочие вымершие животные. К настоящему времени остались только 2-3
вида животных семейства слоновых в лесах и саваннах Юго-Восточной Азии и
Африки (к югу от Сахары). Это крупные животные высотой до 3,5 м с массивным
туловищем. Толстая кожа покрыта редкими волосами. Верхняя губа и нос срослись
вместе и образуют хобот, служащий одновременно хватательным органом, органом
обоняния, осязания. Пара сильно развитых резцов превратилась в бивни.
Рисунок 6.7.14.4. Хоботные. Слева индийский слон, справа - африканский слон
Слоны питаются растительной пищей, которую собирают хоботом. Воду набирают
в хобот, а затем выливают в рот. Живут стадами.
Слоны в значительной мере истреблены человеком и находятся под охраной.
Бивни («слоновая кость») используются для изготовления различных изделий и
украшений. Слоны легко приручаются и поддаются дрессировке.
Непарнокопытные - крупные животные (длина носорогов до 4 м, вес - до 3,5 т)
с нечётным количеством пальцев на конечностях. Третий палец развит лучше
других и несёт основную тяжесть тела. Желудок простой. У некоторых (современные
носороги) на голове рог.
Непарнокопытные (гиппарионы, индрикотерии) - типичные представители
неогеновой фауны; в настоящее время отряд представлен тремя семействами:
лошадиные, носороговые и тапировые, около 20 видов в Африке, Южной Азии и Америке.
Дикая лошадь (тарпан), в настоящий момент истреблённая, - вероятный предок
домашних пород лошадей. Дикий африканский осёл - родоначальник домашнего
осла . Гибридами осла и лошади являются мулы и лошаки. Все эти животные широко
используются человеком в сельском хозяйстве (как тягловая сила, а также для
производства молока и мяса), в качестве транспорта, для конного спорта.
Дикие непарнокопытные в значительной мере истреблены и находятся под
охраной.
Рисунок 6.7.14.5. Непарнокопытные. Верхний ряд - лошадиные,
слева направо: лошадь Пржевальского, квагга, дикий африканский
осёл. Нижний ряд - носороговые, слева направо: суматранский
двурогий носорог, чёрный носорог, яванский носорог
Отряд мозоленогие часто относят к парнокопытным. Это крупные двупалые высо-
коногие животные высотой до 2 м. Подошвы ног покрыты мозолистыми утолщениями.
Семейство верблюдовых включает 4 вида в Монголии и Южной Америке. Верблюды и
ламы одомашнены и распространились по всей Передней и Средней Азии, Северной
Африке и горным районам Южной Америки, дают мясо, шерсть и молоко,
используются как тягловая сила. Верблюды до сих пор являются основой жизни народов
Сахары.
Рисунок 6.7.14.6. Непарнокопытные, семейство тапировые. Слева
обыкновенный тапир, справа - чепрачный тапир
Рисунок 6.7.14.7. Мозоленогие. Слева направо:
дромедар, бактриан, гаунако, викунья (вигонь)
Парнокопытные - наиболее богатый видами отряд современных копытных. Они
отличаются чётным количеством пальцев, одетых копытами. Ключицы отсутствуют.
Эти животные, как и непарнокопытные, растительноядны. К подотряду нежвачных
относят бегемотовых, свиных и пекариевых. Жвачные парнокопытные отличаются
сложным строением желудка; у большинства из них на голове имеются рога.
Подотряд включает в себя семейства оленьковых, оленевых (плотнорогих), вилоро-
гих, полорогих и жирафовых - более 200 видов.
К парнокопытным относится большинство сельскохозяйственных животных:
коровы, буйволы, яки, овцы, козы, свиньи. Многие дикие парнокопытные - объект
охоты. Численность парнокопытных заметно сокращается; некоторые из них
находятся под охраной.
Рисунок 6.7.14.8. Парнокопытные. Верхний ряд — свиные, слева направо: кабан, баби-
русса, бородавочник. Нижний ряд, слева направо: пекариевые (ошейниковый пекари), бе-
гемотовые (гиппопотам), оленьковые (водяной оленёк)
кш
ЗА- тжг^ •-'• xj
■ч^Л*^
Рисунок 6.7.14.9. Парнокопытные, семейство оленевые. Верхний ряд, слева направо:
благородный олень, лань, северный олень, лось. Нижний ряд, слева направо: косуля,
мунтжак, белохвостый олень, кабарга
Рисунок 6.7.14.10. Парнокопытные. Верхний ряд, слева направо: вилорогие (вилорогая
антилопа), жирафовые (жираф, окапи). Нижний ряд — полорогие, слева направо:
индийский буйвол, як, бантенг
5^ ^/^^^r^^^bto
Рисунок 6.7.14.11. Парнокопытные, семейство полорогие. Верхний ряд, слева направо:
зубр, бизон, бородатый козёл, винторогии козёл. Нижний ряд, слева направо: архар,
гарна, четырёхрогая антилопа, полосатый гну
Рисунок 6.7.14.12. Парнокопытные, семейство полорогие. Верхний
ряд, слева направо: джейран, серна, ориби. Нижний ряд, слева
направо: сайгак, канна, нильгау
6.7.15. Приматы
Приматы помещаются зоологами обычно куда-то в середину списка отрядов
млекопитающих; хищные и копытные звери, несомненно, лучше их приспособлены к
жизни. Однако, многие приматы отличаются высочайшим среди животных уровнем
психической деятельности, поэтому традиционно мы рассмотрим эту группу
животных в самом конце класса млекопитающих, а затем перейдём к описанию человека.
Размеры тела приматов колеблются от 15 см до 2 м; масса гориллы может
достигать 200 кг. Волосяной покров развит хорошо. Как правило, имеется хвост.
Пятипалые конечности развиты хорошо, у многих видов большой палец
противопоставляется остальным. На концевых фалангах пальцев имеются ногти.
Головной мозг у высших обезьян развит очень хорошо, имеются многочисленные
борозды и извилины. В связи с приспособленностью к жизни на деревьях, из
органов чувств лучше всего развиты зрение (у обезьян - цветное бинокулярное) и
слух, а вот обоняние ослаблено.
Два подотряда: полуобезьяны и обезьяны. К первым относят семейства тупайе-
вых, лемуровых, индриевых, руконожковых, лориевых и долгопятовых. Все
полуобезьяны обладают примитивным мозгом и не очень похожи на настоящих обезьян.
Около 50 видов на Мадагаскаре, в тропической Африке и Юго-Восточной Азии. Ту-
пай некоторые зоологи относят к насекомоядным или выделяют в отдельный отряд.
Рисунок 6.7.15.1. Полуобезьяны. Верхний ряд, слева направо: тупайевые
(обыкновенный тупайя), индриевые (хохлатый индри), руконожковые (мада-
гаскарская руконожка). Нижний ряд - семейство лемуровые, слева
направо : краснохвостый изящный лемур, рыжий мышиный лемур, кошачий лемур
Рисунок 6.7.15.2. Полуобезьяны. Слева направо: лориевые (тонкий
лори, галаго), долгопятовые (западный долгопят, долгопят-призрак)
Обезьяны (около 170 видов) обитают в тропических лесах Южной Америки
(широконосые обезьяны; 2 семейства - игрунковые и цепкохвостые) и Африке и Азии
(узконосые обезьяны). Последние разделяются на мартышковых, гиббоновых, пон-
гид (человекообразных обезьян) и гоминид. К семейству гоминид помимо
нескольких вымерших видов по анатомическому строению относятся и люди.
Рисунок 6.7.15.3. Обезьяны. Верхний ряд — широконосые обезьяны, слева направо: иг-
рунковые (львиная игрунка), цепкохвостые (паукообразная обезьяна Жоффруа, белоплечии
капуцин, беличья саймири). Нижний ряд — мартышкообразные, слева направо: мартышка-
диана, голуболицая мартышка, японский макак, магот
Рисунок 6.7.15.4. Обезьяны, семейство мартышкообразные. Верхний ряд, слева направо:
дрилл, мандрил, бабуин, гелада. Нижний ряд, слева направо: анубис, красная гвереца,
мартышка гусар, обыкновенный носач
Рисунок 6.7.15.5. Обезьяны. Верхний ряд, слева направо: гиббоно-
вые (белорукий гиббон, сиаманг), человекообразные обезьяны
(орангутан). Нижний ряд - человекообразные обезьяны, слева
направо: горилла, карликовый шимпанзе, обыкновенный шимпанзе
Предками приматов были насекомоядные мелового периода, сходные с тупайями.
Сами обезьяны произошли от долгопятов (причём независимо в Старом и Новом
свете). Ископаемые человекообразные обезьяны появились в олигоцене.
Практическое значение обезьян невелико. Узконосые обезьяны широко
используются для медико-биологических экспериментов; ДНК человека и шимпанзе
совпадают почти на 100 %.
Высокий уровень психического развития человекообразных обезьян позволяет
легко приручать их и дрессировать. Так, шимпанзе любопытны, поддаются
обучению, основанному на подражании, отличаются развитым общественным поведением.
В общении они используют разнообразную мимику и жесты, а также около 30
звуков . Шимпанзе можно научить пользоваться простейшими орудиями труда.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Литпортал
ШЕРЛОК ХОЛМС И ПЯТНО ПУАССОНА
В. Вайнин, Г. Горелик
Доктор Уотсон, на правах друга ворвавшийся без доклада, застал Холмса
играющим на скрипке. Уотсон нетерпеливо кашлянул. Знаменитый сыщик слегка
поморщился .
— Как поживаете, Холмс? — не выдержал Уотсон.
Холмс вздохнул и опустил смычок:
— Скверно, доктор. Замучили посетители...
— Посетители? — рассеянно переспросил Уотсон и тут же с жаром воскликнул: —
Должен вам сообщить, Холмс, жизнь полна удивительных совпадений!
— Не могу с вами не согласиться. — Холмс искоса посмотрел на друга. —
Всякий раз, когда я беру в руки скрипку, приходите вы и начинаете кашлять.
Поразительное совпадение!
— Да что вы! — отмахнулся Уотсон. — Мой случай гораздо интересней! Только
вчера вечером я вернулся из-за океана...
— ...где блестяще распутали замысловатое преступление, — невозмутимо про-
должил Холмс.
— А вы полагаете, что это совершенно невозможно? — спросил несколько обес-
кураженно Уотсон, опускаясь в кресло.
— Ну что вы! Я уверен, что ваша история весьма занимательна.
— О да! — воспрянул духом Уотсон. — Думаю, что даже вам она покажется
любопытной .
— Надеюсь, — Холмс пошуровал кочергой в камине и, устроившись в кресле,
принялся набивать трубку.
— Как вы знаете, недавно меня пригласили в Лос-Анджелес, на Всемирный
конгресс по судебной медицине, — начал свой рассказ доктор. — Я провел там с
неделю, и каждый день обедал в одном и том же ресторанчике. Там собиралась
довольно занятная публика, наблюдать за которой — одно удовольствие, особенно
для судебного врача и криминалиста. И вот однажды я стал свидетелем такой
сценки.
Трое подвыпивших парней решили, видимо, поразвлечься. По-своему, конечно,
по-американски: к огромной колонне, около трех футов в диаметре, они
прилепили с помощью жевательной резинки серебряный доллар, вытащили свои кольты и
начали соревноваться в меткости. А за колонной какая-то парочка невозмутимо
потягивала коктейль. Лица девушки я не видел — она сидела ко мне спиной, но
обратил внимание на ее удивительно красивые иссиня-черные волосы. Для парочки
такие переделки были, наверное, не в диковинку, да и чувствовали они себя за
колонной как за крепостной стеной. А поскольку публика не обращала особого
внимания на пальбу, то и мне пришлось делать вид, будто ничего особенного не
происходит. Но вдруг брюнетка за колонной вскрикнула и стала сползать под
столик; ее белое платье было в крови. Как из-под земли появились полицейские,
схватили парней, а я поспешил на помощь пострадавшей. К счастью, она
оказалась всего лишь в обмороке: пуля разбила ее бокал, содержимое которого и
приняли сначала за кровь. А когда девица — некая мисс Крэзифил1 — очнулась,
выяснилось, что один из стрелявших парней — Том Найс — был отвергнутым ее
поклонником .
— Простите, Уотсон, — Холмс подбросил полено в угасающий камин и сунул в
трубку раскаленный уголек, — так в чем же, собственно, сложность этого...
происшествия?
— Как? Вы еще можете об этом спрашивать? — изумился доктор. — Ведь полиция
совершенно растерялась, и если бы не я... Парни, развлекавшиеся стрельбой в
доллар, единодушно утверждали, что и понятия не имели, кто находится за
колонной. При этом они особенно напирали на то обстоятельство, что при всем
желании не могли подстрелить эту пташку, даже рикошетом. И если бы не я,
полиция отпустила бы с миром всю эту бандитскую компанию...
— Так к какому же выводу вы пришли, дорогой доктор? — полюбопытствовал
Холмс.
— Дорогой Холмс! — торжественно произнес доктор.— Я отдаю должное вашему
проницательному уму, вашим познаниям в химии и криминалистике. Но есть одна
область знания, которой вы почему-то не уделили должного внимания. Это
физика. И я, признаться, давно ею увлекаюсь.
— Вот как? — Холмс попытался выразить на своем лице удивление.
— Ну... если говорить точнее, я занимаюсь историей физики, которая требует
меньших математических познаний, а увлекает, пожалуй, еще более, чем сама
физика ... Да! На чем я остановился? Так вот, полиция уже совсем было собралась
отпустить Тома Найса и его дружков, как вдруг я вспомнил о пятне Пуассона, и
это сразу же позволило предъявить задержанным обвинение в покушении на
убийство!
1 Crazy feel (англ.) — сумасшедшее чувство, влюбленная.
— А где же, доктор, «удивительные совпадения», которыми так «полна жизнь»?
— Ну, разве не удивительно то, что как раз накануне вечером я закончил
читать книгу по истории оптики, в которой, в частности, подробно рассказывалось
о пятне Пуассона?!
— Напомните, пожалуйста, и мне, — попросил знаменитый сыщик, — что это за
пятно.
— Как, вы не знаете? — изумился Уотсон.
— Дорогой друг, — улыбнулся Холмс, — вы уже не раз объясняли мне довольно
простые вещи. Будьте же снисходительны и сегодня!
Доктор Уотсон прокашлялся.
— Еще в те далекие времена, когда в физике безраздельно господствовала
корпускулярная теория света, Френель выдвинул волновую гипотезу. Великий
Пуассон , ознакомившись с этой работой, запротестовал:
«Если дело обстоит так, как утверждает месье Френель, — заявил он, — то в
центре тени, которую отбрасывает на экран непрозрачный диск, должно
находиться светлое пятно. Как вы понимаете, господа, это абсурд!». Однако поставили
эксперимент. И что же выяснилось? В центре тени оказалось светлое пятнышко!
По иронии судьбы оно было названо пятном Пуассона.
— Занятно, — сказал Холмс. — Я и не знал, что эта штука так называется. Но
какое, собственно, отношение имеет этот феномен к делу, о котором вы
рассказываете?
Польщенный доктор снисходительно улыбнулся:
— Вам следовало бы знать, дорогой Холмс, что согласно законам квантовой
механики не только свет, но и каждое материальное тело в какой-то степени
обладает волновыми свойствами. Следовательно, даже пули подвластны эффекту
Пуассона. И преступнику это было известно — он сознался, что читал научно-
популярные книжки. Стреляя в колонну, Том Найс рассчитывал попасть в центр
«тени» и прикончить коварную мисс Крэзифил, имея, в то же время, бесспорное
алиби. Он нисколько не сомневался, что собьет невежественных полицейских с
толку. И это ему удалось бы, если бы не ваш покорный слуга...
— Ловко, Уотсон. Однако, — вздохнул Холмс, — ваша версия грешит чрезмерной
стройностью.
— Вот вы утверждаете, например, что даже пули подвластны эффекту Пуассона.
Неплохо сказано. Для поэта. Но не для криминалиста. Давайте прикинем, какова
власть этого эффекта над пулями...
Холмс на мгновенье задумался. Доктор недоуменно смотрел на него.
— Ну вот, Уотсон, — проговорил Холмс, — так я и думал, приблизительно
десять в минус тридцать четвертой степени.
— Ради бога, Холмс! — голос доктора дрогнул. — Что это значит?
— Это значит, во-первых, что эрудиция в области истории физики без знания
самой физики вряд ли принесет вам мировую славу, а во-вторых, для того чтобы,
как вы говорите, прикончить свою неверную возлюбленную, бравому парню
понадобилось бы палить в колонну без отдыха на протяжение десяти... э... в двадцать
седьмой степени лет. То есть в миллиарды миллиардов раз дольше, чем
существует наша Вселенная. Полагаю, что за это время он наверняка придумал бы что-
нибудь поостроумней. Да и бедная колонна рухнула бы за это время от
усталости.
— Холмс, умоляю!.. Откуда вы взяли эти фантастические числа? Миллиарды
миллиардов . . .
— В том-то и дело, дорогой доктор, что физика уже несколько сотен лет как
стала количественной наукой. Это во времена Аристотеля можно было слыть
знатоком физики, употребляя лишь слова, а не числа. Теперь о пятне Пуассона.
Действительно, по корпускулярной теории света тень от круглого непрозрачного
предмета — идеальный круг идеально черного цвета. Правильно и то, что соглас-
но волновой теории тень из-за дифракции может быть «испорчена» светлым
пятнышком в центре. Светло должно быть всюду на экране, куда световые волны,
идущие по разным путям, приходят в фазе. Центр тени — как раз такое место. Но
каков размер этого светлого пятнышка? Нетрудно убедиться, что он
пропорционален длине волны. А для пули длина волны Де Бройля — которую вы, вероятно,
имели в виду, упомянув о волновых свойствах пуль, — ничтожна. Ибо она равна
чрезвычайно малой константе Планка, деленной на вполне ощутимые величины
массы пули и ее скорости. Так что пятно Пуассона для пуль (если, конечно, не
говорить о когерентности источника «пулевых волн») тоже чрезвычайно мало.
Соответственно ничтожна и вероятность попадания пули в центр тени. Если
подставить надлежащие численные значения величин, нетрудно получить количественный
ответ, который вам и показался фантастическим.
— Хм... Вероятность мала, но все же... все же не равна нулю! А ведь убийце
могло и просто повезти?! — в отчаянии воскликнул Уотсон.
— Теоретически не исключено. Однако наша Вселенная слишком молода, чтобы
хоть раз обеспечить подобное везенье, — невозмутимо заметил Холмс.
— А как же бокал? — все еще не сдавался доктор.
Холмс неторопливо поднялся с кресла, положил трубку на каминную полку и
снова взял в руки скрипку.
— Готов побиться об заклад, — улыбнулся он, — что среди посетителей
ресторана находилась еще одна девица — назовем ее, скажем, мисс Мэдлав. Она
сгорала от ревности. И, судя по всему, именно мисс Крэзифил стояла на ее пути...
— Я все понял! — воскликнул доктор Уотсон. — Мисс Мэдлав2, которой колонна
отнюдь не мешала, под шум чужой пальбы незаметно выстрелила в соперницу. Не
так ли?
Вздохнув, Шерлок Холмс прижал подбородком скрипку.
— К счастью, она промахнулась, и благодаря общей суматохе ей удалось
скрыться, — воодушевлено продолжал доктор.
В ответ ему зазвучала прелюдия си-бемоль минор с ее переплетением двух тем.
Доктору Уотсону вдруг почудилось, что высоким чистым голосом наука воспевает
свою историю, а та мудро и бережно задает ей вопросы...
2 Mad love (англ.) — безумная любовь.
Литпортал
РИБОФАНК
Пол Ди Филиппо
Биология - естественная область
противоречий, точно так же, как физика -
область единства.
Фримэн Дайсон. «Бесконечность во всех
направлениях».
Физика - это частный случай биологии.
Джон Касти. «Комплексификация».
Биология исключительно хорошо
усваивается. Она дает ряд широких
экспериментальных обобщений, а затем позволяет
согласовывать или устанавливать с ними
связь бесконечно многообразных
феноменов . Прожилки зародыша в яйце, нервные
движения нетерпеливой лошади, уловки
мальчика, занятого счетом, инстинкты
рыбы, поганка на корне садового цветка
и слизь на сырой приморской скале -
десятки тысяч подобных явлений служат
доказательствами и соответствующим
образом освещаются. И эти обобщения не
только захватывали своими щупальцами и
собирали воедино все факты
естествознания и сравнительной анатомии, они
всегда как бы распространялись все дальше
на мир интересов, лежащих за их
законными границами.
Герберт Уэллс. «Анна-Вероника».
Однажды в
Телевизионном
Городе
Ну, чего вы, чуваки? Чего? Я ж не рыпаюсь, я паинька, так зачем же вы лази-
ки на меня наводите? И не денусь никуда отсюда, ноль шансов - стоит ли меня
сторожить, как помесь дикую?
Извини, чувак, паршиво слышу - у твоего летика движок слишком шумный. Как я
попал сюда, интересуешься? Да просто залез. Ну, твой-то вопрос - легкий. А
вот у меня потруднее найдется. Вот был я типа Кинг-Конг навороченный - был,
да сплыл. Так как же, черт возьми, я теперь отсюда выберусь?
А ведь еще совсем недавно, в шесть часов самого, что ни на есть, рядового
субботнего вечера, сидел я в метамолочном кафе под названием «Лачужка-
развалюшка» и пенял на судьбу, имея на то оченно даже веские основания. Эх,
до чего ж я измельчал - ни на ангстрем разницы между мною и силикробом. Ни
чувы у меня, ни шайки, ни капусты. И ноль шансов обзавестись либо первой,
либо второй, либо третьей. От такой беды одно спасение - залить за воротник
новейший токсомозгодрай из ассортимента старушки «Лачужки».
Так вот, стало быть, потребовал я у столика карту напитков. «Багий кисель»,
«коктейль-молот» - все старье. Только одно незнакомое пойло - «беспроблемин-
супер». Заказал порцаику, и прибыла она в виде чашки молока, охлажденного и
вспененного да присыпанного молотой корицей. С напитком я в два глотка
расправился - прямо скажем, не фонтан, обыкновенная смесь синтепротеинов и ней-
ротропинов, бульончик из длинных молекул, воплощенное представление какого-то
биобрухо о рае в блистерной упаковке.
Короче, никакого эффекта, кроме ощущения, будто полость за глазами
наполнилась ракетным топливом. И по-прежнему личные перспективы смотрятся ничуть не
привлекательнее бритой крысиной задницы.
В том-то и беда, что подаваемые в кабаках тропы и строберы - детские
игрушки . Хочешь ловить ядреный кайф, закидываться настоящей крутой дурью -
прибивайся к шайке, и желательно, чтобы в этой шайке был лепила, гордящийся
стерильностью своего инструментария. Подходящих банд много - я бы затесался к
ферментам, или к баянистам, или в шайку Созвездие Кита, или на худой конец
примкнул к орто.
Но, как уже сказано, не попал я ни в одну такую «организацию», и нет
надежды когда-нибудь попасть. Да и не больно-то стремлюсь, ежели честно. Слишком
токсичны, на мой вкус, все эти гоп-компании.
И вот сижу я в баре, в черепушку будто жидкого кислорода под завязку
налили, точно я - не я, а готовый к аварийному старту «Челленджер». И будущее
свое вижу в еще более мрачных тонах, чем до того, как обнулил башлятник
бесполезного пойла ради. Слизываю со стакана коричный ободок - и тут заходит не
кто иной, как Касио, мой старый чувак.
Вообще-то Касио не старый, моложе меня, ему пятнадцать. Он тощий и бледный,
и прыщей на нем побольше, чем на работяге с диоксиновои фабрики. Хотя мог бы
и нормальную кожу иметь - если б не забывал регулярно мазаться эпикремом. Он
носит в каштановых волосах несколько привитых нитей оптоволокна, щеголяет
жилеткой из имиполекса, пузырящейся, точно грязевой вулкан, и дюжиной желейных
браслетов на левом запястье.
- Диз, привет! - Мы с Касио стукнулись кулаками. - Как оно, твое «ничего»?
Касио тоже ни в какой банде не числится, но он по сему поводу озабочен
меньше моего. Всегда на подъеме, всегда счастлив, рот до ушей. Может, это из-
за музыки - сколько помню Касио, без нее он ни шагу. Если чего-то по жизни не
хватает - он это «что-то» всегда может найти в музоне. Ни разу еще не унывал
при мне. Порой даже подмывает хорошенько врезать ему по довольной
физиономии. . .
- Да не здорово, чувак. Жизнь пуста, как брюхо у тайваньского ребенка, что
кишечный зет-вирус подцепил.
Касио придвинул стул к столику.
- С Шаки-то у вас как, все нормалек?
Я застонал. Дернул же меня черт нагородить приятелю вздора про свои
отношения с Шаки! Не иначе, в тот злополучный день крыша моя не на месте была.
- Сделай одолжение, выброси из головы эту чушь!
Не было между мной и Шарлоттой ничего, усек?
Касио напустил на себя недоуменный вид:
- То есть, как это - ничего не было? Ты же так убедительно доказывал, что
теперь она - твоя чува...
- Нет, старик, ты все не так понял. Забыл - мы ж тогда здорово вмазали? Ну,
и поперло меня...
Из жилетки Касио вылез длинный качающийся стебель, разросся в шар,
рассосался .
- Да ты чего, Дез? Я ж и раньше Знал. Только и разговоров во всем Тиви-Сити
- про тебя да про Шаки.
У меня сердце раздулось, как бицепс метастероидного уродца, и в горло
прыгнуло.
- О нет! Чувак, скажи, что это неправда!..
- Прости, Дез, не хотел тебя расстроить...
Ну, я попал! В аэрорыбью пену, да по самые ноздри!
Шаки - это подружка Турбо. А Турбо - вожак боди-артистов. Боди-артисты -
самая крутая банда в Телевизионном Городе.Ая- просто грязь между их вечно
босыми пальцами ног.
Я отодвинулся вместе со стулом от столика. Что-то в «Лачужке-развалюшке»
вдруг сделалось душновато. Ведь каждому известно, что я здесь завсегдатай.
- Касио, я прогуляться не прочь. Ты как?
- Ага, конечно.
Т-стрит - длинный бульвар, проходящий с севера на юг. Шириной он с бывший
Парк Ужасов, что в Тиви-Сити считался главным пугалом. Бульвар протянулся от
59-й аж до 72-й и был набит гражданами-полноправами и недогражданами-
неполноправами, андроморфами и гиноморфами, кибами и трансгенами, и все
ожидали урочного часа, апогея субботней ночи, когда зазвучит гимн города. К
одиннадцати уже повсеместно будет искрить, мерцать и полыхать, но в такие
ночи Тиви-Сити, весь залитый янтарно-красно-зелено-синим неонеоном, лично мне
кажется малехо старомодным. А ведь мини-городу на берегах Гудзонова залива
всего-то навсего тридцать лет, ничто по сравнению с возрастом остальных
районов Нуэво-Йорка, однако, он уже начинает сдавать. Я попробовал себя
представить вдвое старше, чем я есть, - пожалуй, к тому времени и сам начну скрипеть
суставчиками.
Впрочем, каракули, которыми уличное хулиганье покрывает все доступные
плоскости, не дают городу хоть чуточку уподобиться любому другому. И пускай
свежее граффити посыпают багами-краскоедами, не помогает это ни шиша - мазилки
спешат по следам уборщиков и все восстанавливают. Мы с Касио миновали уйму
таких лозунгов, вот лишь некоторые из них:
Если хочешь быть мужчиной, заимей конец с пружиной.
Мы не мастурбируем, мы мозги стробируем.
Ты беден? Ты бледен? Ты съеден!
У сына Пса нет ни синапса.
Не надо позировать - надо дозировать.
Нет преград для разума, окромя маразма.
- Дез, а куда мы с тобой чапаем? - поинтересовался Касио, отстегнув, чтобы
меня угостить, браслет.
- Да никуда конкретно, - ответил я, набив рот потоусваивающим симбионтом со
вкусом земляники. - Так, похиляем по улицам, может, прикольное что-нибудь
попадется.
При этом я задавался вопросом: стоит ли возвращаться домой? А ну как там
меня поджидает Турбо со своей гопой, чтобы осведомиться, чего это я так
разболтался насчет его пассии.
Вскоре мы набрели на какого-то чувака - он приткнул к обочине тачку с
убранным верхом. Парень этот тыкал отверткой в керамическую панель
энергозаправки , как будто надеялся ее починить!
- Малайская модель, сто тридцать две лошадки? - спросил Касио.
- Угу, - ответил парень хмуро.
- Говорят, дрянь страшенная, дерьма багьего не стоит.
Чувак от таких слов взбесился, замахал на нас отверткой:
- А ну, брысь отсюда, шпана недоделанная!
Касио сорвал с руки браслет, запустил им в незнакомца, крикнул мне:
- Ноги!
Мы рванули. За углом остановились отдышаться.
- Что это было? - спросил я.
- Да так, пустячок. Тухлые яйца и суперлипучка.
Мы чуть животы не надорвали от хохота. Потом пошли дальше. Пристроились на
хвост двум гулам из Океанлага, судя по казенной одежке, только что к нам
перебрались с островов для перемещенных лиц. Хотели развести лохов на башли, но
у них такая дикая феня - даже не придумали, как подойти.
- Ну, чего, теперь на джипни - и в фавелу?
- Нет, мон, сначала хочу хавануть рамена.
- Где надыбаем?
- А лапшемет закоротим.
- И - в зеки? Ты чего, компанеро, прикалываешься? Под мангу косишь?
Заметили жирнягу, потащились следом - надо же разобраться, мужчина или жен-
щина. Облачено это чудо-юдо было в такие просторные шелка, что хватило бы на
целый клуб парашютистов, а походочка - ну совершенно бесполая. Оно свернуло в
шлемокайфятник на 65-й - наверняка там была назначена встреча с клиентом.
- Терпеть не могу жирняг, - сказал Касио. - Зачем набирать весу больше, чем
для здоровья полезно, да еще, если никто тебя не заставляет?
- А зачем ходить с угрями, если можно без них обойтись?
Касио, похоже, обиделся:
- Так ведь это, Дез, совсем другое. Я просто забываю про крем. Не нарочно
же.
Мне сделалось перед Касио неудобно. Это ж мой единственный кореш, и он
сейчас рядом, а ведь меня разыскивает Турбо, и коли разыщет - влететь может не
только мне. А я себе позволяю такие грубые приколы!
Я обнял Касио За плечи:
- Прости, чувачок. Давай будем считать, что я ничего не говорил. Стерли,
ладно? У тебя башли есть?
- Есть маленько...
- Ну, так пошли потратим! С того, что тратишь, налогов не платишь, верно
же? Махнули в клуб «ГаАс»!
Касио повеселел:
- Давай! Там всю ночь «Не врозь» играет. Может, Джинко даст мне полабать.
- Козырно звучит! Айда.
Над нашими головами проносились на своих летиках нейромусора - и частные, и
муниципальные; даже с такой большой высоты турбореактивным выхлопом нам
обдувало шеи. Чувак стоит в летучей клетке, рука в перчатке сжимает палочку-
пришибалочку, на морде - «совиные зенки». Порхает этакое чучело над Тиви-
Сити, высматривает, где какое безобразие или несообразие намечается, и
коршуном вниз - не допустить или устранить. Если поступит команда от градонадзора,
то и шокер свой паскудный в ход пустит, и даже лазерную трубку.
Клуб «ГаАс» занимал энную часть миллиона квадратных футов в здании,
вмещавшем некогда старинную телевизионную сеть, от которой Тиви-Сити унаследовал
название. С тех пор, как метамедиум поглотил свободные телеканалы, домина
стояла необитаемой. Клуб «ГаАс» не в счет - он ведь не платил за аренду.
Мы дали в дверях на лапу хмурому анаболическому качку и прошли.
В клубе «ГаАс» имиполексные стены - они корчатся, как жилетка Касио, био-
морфные рябь и усики так и пляшут.
Было еще совсем рано, около восьми, на эстраде только что разместился «Не
врозь». С Джинко я встречался лишь однажды, но сейчас сразу узнал его,
несмотря на зеленую кожу и листовую шевелюру. Касио поднялся к нему побазарить,
а я сел у стены за столик и заказал пивчик-живчик.
Ко мне вернулся Касио:
- Прикинь, Джинко разрешил мне сесть за мегабасы!
От пива я расслабился, даже почти забыл про свои проблемы.
- Козырно, чувак. Глотни-ка живчика - бабульки-то твои.
Касио сел рядом, и мы с ним побазарили, точно в старые добрые времена,
когда мы - сопляки, школьники - трескали свои порцайки мнемотропинов, как
хорошие маленькие нарики.
- А помнишь, кто-то в учительской столовке подлил в компот «мартышку-
шалунишку» ?
- Ага. Столько преподов резвились, ну точно базобезьяны в брачный сезон -
умирать буду, вспомню. Миссис Спенсер, та вообще к потолочным балкам прыгала...
- Эх, молодость, молодость!
- Дез, а я ведь моложе, чем ты. Мне тогда было одиннадцать, тебе -
двенадцать .
- Да, Касио, но те дни уже стерты. Мы теперь взрослые, и у нас большие
взрослые проблемы.
И стоило изречь эту мудрую сентенцию, как все проблемы снова на меня
нахлынули, словно океанские волны на измененный Лос-Анджелесом калифорнийский
берег.
Касио мне сочувствовал, это было видно, но вряд ли мог чем-нибудь пособить.
Поэтому встал и сказал:
- Ладно, Дез, пойду-ка я поиграю.
Он отошел на несколько шагов, а затем скакнул обратно, будто его задницу и
столик соединяла резинка. Впрочем, вовсе даже и не будто.
- Постой-ка миллисекундочку, - сказал я. - Жилетка твоя со стенкой
спарилась . - Я вынул карманный лазик и перерезал отросшую от стены псевдоподию.
- Спасибо, чувак, - поблагодарил Касио и отчалил.
А я остался сосать пивчик-живчик и ждать, когда подготовится «Не врозь». И
вот, наконец, шлейфы размотаны, проверены мегабасы и другие инструменты, все
лабухи переоделись в хитовые костюмы, и грянула оригинальная композиция
«Эфферентная Элли».
Через сорок пять минут и еще два пива, с похвальной чуткостью заказанного
для благодарного друга оркестра, я вышел на оптимальный даунлинк с Касио и
чуваками из «Не врозь». Чувствовал, как пузырится во мне музыка, точно какой-
нибудь звуковой троп. Я постукивал ногой, покачивал-потряхивал головой, будто
в спазмах, будто на нервах вдруг миелин растворился; до того заторчал, что
даже не заметил, как меня окружила шайка Турбо.
Когда закончилась очередная тема, и у меня прояснился взгляд, нарисовались
все они: Турбо, его чувиха Шаки, обнимавшая его за талию, Джитер, Хек, Пабло,
Мона, Вел, Зигги, Перец, Ворота, Зейн и уйма других - я даже кличек их не
знал.
- Ка-ка-как ваше «ничего», чуваки? - спросил я.
А они молчат, физии каменные, как у дешевого тьюринговского робота первого
уровня с барахлящими контурами мимикрии. Что до меня, то я пальцем не мог
шевельнуть от страха. Мог только смотреть.
Все боди-артисты были голые, если не считать спандексовых ремней - и у
пацанов , и у девчонок. Это для обеспечения требуемого экстеро- и интерорецеп-
торного ввода. Кожа в пятнах коричневого загара - на манер жирафьей шкуры.
Тела стройные, поджарые. А мышцы до того рельефны - хоть анатомию по ним
изучай.
По чью душу они сюда явились и с какой целью, не было для меня вопросом.
Боди-артисты - первая банда в Тиви-Сити. Самая сильная, самая коварная, самая
навороченная свора мозгостроберов из всех свор, которые когда-либо бегали по
тросам или лазали по столбам. Да с кем их вообще можно сравнить? С векторами?
Это жалкая кучка чмошников, тратящих свою жизнь на сон в матпространстве. (Я
не верю хвастливым утверждениям будто они способны исчезать в четвертом
измерении.) С хард-и-нейро? Шизанутые мясорубки, негативы своих соперников
евнухов. С даонами? Ребята неплохие, но я не разделяю некоторые их взгляды.
Писать в штаны и называть это сатори, гм... Со слюнявчиками? Нет, вечное детство
- не перспектива. С ампутаторами? Отрубать от себя куски и снова их
приращивать , чтобы убедиться в своей нечувствительности к боли? Ну-ну... Стройняшки?
Толпа ходячих скелетов. Голобезьяны? Нет уж, и так одни мартышки кругом, не
подписываюсь. Юные патриутки? Еще чего, больно охота всю жизнь нырять в
расовую память!
Нет, если кто и способен переплюнуть боди-артистов за те же денежки, так
это лишь адонисы или сапфо, но у них в черепушках такие баги ползают, что и
представить нельзя - от ужаса напрочь рецепторы заблокируются.
Ну, зато вам-то не сложно представить, как я себя чувствовал в фокусе
недоброго внимания боди-артистов. Эх, если бы ребята явились сюда, чтобы за-
звать меня в свою компанию!.. Но ведь у них другая затея - выпустить мне
потроха...
«Не врозь» грянул новую тему. Касио увлеченно наяривал, все на свете забыв;
в мою сторону он даже не косился. А если бы покосился и понял, что
происходит , то ничем бы не смог помочь.
Турбо с картинной грацией сел напротив меня, усадил Шаки к себе на колени.
- Ну что, Дез, - произнес он холодным, как сверхпроводник, голосом, - ходят
слухи, что ты теперь у Шаки тайный любовничек?
- Что ты, Турбо, ни в коем разе! В этой мессаге - ни единого слова правды!
Клянусь!
- Да я тебе верю, чувак, - ухмыльнулся Турбо, и они с подругой перевились
туловищами, как две спирали ДНК. - Для такого ультрамачо, как ты, наша Шаки
недостаточно клевая.
Посмотрел я на Шаки - и встретил взгляд, полный равнодушия. Возникло такое
чувство, будто я авокадовую косточку проглотил. Шарлотта Тэч - суперклассная
цыпочка камбоджииско-гавайских кровей, ее предки иммигрировали в Тиви-Сити,
когда япошки создали Азиатско-Тихоокеанское Экономическое Сообщество и всех
бывших граждан прогнали взашей из прекративших свое существование государств.
У нее зеленые глаза, точно лампочки дисководов, и аппетитные грудки цвета
крепкого чая.
Оглядев меня с ног до головы, она принялась любоваться собственными
ногтями. А потом, не шевельнув ни единым мускулом (по крайней мере, если и
шевельнула, я этого не заметил), она громко, перекрывая музыку, щелкнула каждым
суставом каждого пальца.
Я проглотил скользкую косточку и проговорил:
- Нет, Турбо, она для любого клевая!
Турбо наклонил голову к Шаки.
- Так-то оно так, Дез, но есть одна проблема. Шаки с любым не ляжет. Она
даже ни с кем из боди-артистов не ляжет, кроме меня. А если ты попробуешь на
нее залезть, она запросто отщипнет тебе яйца. Усек?
- Да усек, конечно, усек.
Турбо свинтился с Шаки.
- Ну что ж, с этим мы разобрались, но остался другой вопрос: что нам делать
с великим умником, который вздумал трубить на весь свет, что он терся с боди-
артисткой?
- Турбо, только давай без фуфла! Ничего я такого не...
- Заткнись, я думать буду.
Пока Турбо думал, все его мышцы шевелились - как будто под кожей ползали
змеи.
Выгнав из меня шлаки вместе с потом, Турбо сказал:
- Полагаю, честь нашей организации будет спасена, если мы тебя затащим на
мост Джорджа Вашингтона и...
- О, радиационные отходы! Турбо! Чувак, кореш, ну что ты, в самом деле?!
Какая необходимость...
Турбо поднял ладонь, заставив меня умолкнуть:
- Но нас могут замести экомусора - за сбрасывание дерьма в реку.
Все боди-артисты от души поприкалывались над этой шуткой. Я пытался поржать
заодно, но вышло только жалкое «хи-хи-хи».
- А с другой стороны, - кисть и предплечье поднятой руки Турбо описали дугу
в двести семьдесят градусов - в той же плоскости, где находилось плечо, -
если хочешь стать боди-артистом, то знай: твоя кандидатура всегда была в
списке, даже когда ты разбрасывался своими дурацкими похвальбами.
- Ой, правда?! Турбо, да! Я согласен! Ты даже не представляешь, как я...
Турбо вскочил на ноги, да так резко, что Шаки кубарем покатилась через весь
клубный зал.
- Джитер, Хек! Будете эскортировать кандидата. Эй, все! Возвращаемся в
сеть!
Мы вылетели из клуба «ГаАс», как пробка из бутылки с шампанским. У меня
кружилась голова, точно польская космическая станция. Я с боди-артистами!
Просто не верится! И плевать, что я не знаю, куда лежит наш путь. Пускай даже
они меня втянут в авантюру и до конца жизни придется штрафы платить! Я не
рыпаюсь , я - паинька!
Город мне теперь казался воплощенной психоделической сказкой, порождением
буйной фантазии голобрухо. Средиземьем, Волшебной Страной, Небесами
Обетованными. А воздух-то до чего холодный! Как робопаранейроны на моих голых руках.
Мы двигались на восток, к прибрежному парку. Я вскоре не выдержал бешеного
темпа, приотстал. Но Джитер и Хек вернулись, подхватили меня под руки, и мы
понеслись дальше.
Вскоре очутились среди деревьев. Бежали по безлюдным аллеям под грязными
натриевыми лампами. Справа тянуло запахом Гудзонова залива. Над головами
ревели турбинами полицейские, но до нас им, похоже, не было дела.
Наконец мы остановились в темном местечке, под неработающим фонарем.
Последние полмили Джитеру и Хеку приходилось меня нести; я еле дышал, а никто
другой даже не запыхался. И вот я снова на ногах.
Кто-то нагнулся и потянул кверху металлический люк со сломанным замком. Бо-
ди-артисты спустились один за другим. Я, волнуясь, точно ребенок, впервые в
жизни закидывающийся тропом, тоже полез вниз, зажатый с боков Хеком и Джите-
ром.
Тиви-Сити занимал сотни акров земли, которая раньше полого спускалась к
Гудзонову заливу. Восточная половина Телевизионного Города была построена на
твердой почве, а западная стояла на огромной платформе, возведенной над
путями для магнитолевитационных поездов транспортной компании «Конрейл».
Спустившись на пятнадцать ступенек, я увидел подбрюшье Тиви-Сити в свете
нескольких заключенных в защитные клетки ламп: ржавое созвездие заклепок в
чешуйчатом стальном небе. Лестница уперлась в двутавровую балку шириной с мою
ладонь. Я осторожно сошел на нее, но отпустить лестницу не рискнул. Поглядел
вниз.
Там, в сотне футов, бесшумно делал сто восемьдесят миль в час освещенный
поезд.
Я полез назад.
- Ты куда это, чувак? - поинтересовался сверху Хек.
- Обратно... А разве мы не? . .
Я возвратился на двутавр, сделал два вихляющих шажка в манере слюнявчика,
осторожно лег и обвил железяку руками и ногами.
Хек и Джитер не уговаривали меня подняться. Как бежали бок о бок, так и
дальше побежали, буксируя бедолагу Деза точно вагон по монорельсу. Мне
оставалось только закрыть глаза и молиться.
Наконец я почувствовал остановку. А затем меня подняли, словно куль. И в
следующее мгновение отпустили. Я в ужасе прикинул, сколько лететь до земли
или проходящего поезда, и каков будет удар в ощущениях. Если выживу -
запросто можно будет в ампутаторы подаваться.
Лететь, как выяснилось, надо было считанные футы. До сети. Я врезался в
нее, и меня подбросило. Несколько раз качнуло. Дождавшись неподвижности, я
осмелился раскрыть глаза.
Боди-артисты находились здесь же - кто стоял, кто лежал в хитросплетении
тросов из углеродного волокна. Каждый великолепно сохранял равновесие. С
красивого лица Турбо не сходила улыбочка пожирателя радиационных отходов. -
Добро пожаловать в сеть, кандидат. А ты не так уж и плохо держишься. Знавал я
чуваков, которые в обморок падали, когда впервые оказывались на нашей
лесенке . Сейчас мы двинем дальше, не отставай.
И боди-артисты помчались по сети. Им каким-то образом удавалось
координировать и компенсировать сотни самых разнонаправленных импульсов; каждый шаг
делался стремительно - и безошибочно. Как аэросерфингисты, они взлетали на
гребни волн движения друг друга.
Что же до меня, то я ухитрялся как-то перемещаться, в основном на
четвереньках .
Мы достигли платформы, прикрепленной к одному из гигантских столбов,
подпирающих город. И там боди-артисты взялись за дело. То есть за ширяние крутой
дурью.
Я и не подозревал о том, что Зигги - лепила у боди-артистов. А теперь вижу,
как он шарится среди хромоварок и аминорезок, точно рыба в ухе, и ясен
пузырь : не кто иной, как этот биобрухо, поддерживает огонь в нейротопках моих
новых корешей.
Пока Зигги трудился, мне оставалось только наблюдать, как трутся Турбо и
Шаки. Понятное дело, они это специально для меня устроили, захотели сыпануть
песочку в мои дюзы. Но я старался давить в себе чувства. Даже когда Шаки...
Ладно, не буду описывать подробно, скажу лишь одно: такая поза в человеческом
исполнении - это нечто из разряда невероятного.
Наконец пришел Зигги с чашкой неразбавленного багьего киселя.
- Отведай, чувачок, - проговорил он с гордой улыбкой творца, - чтобы
маленько получше представлять себе, каково это - быть боди-артистом.
Смаковать неразведенный кисель не хотелось, поэтому я вылакал единым духом.
Но даже от послевкусия едва не вытошнило.
Через полчаса я уловил перемену.
Я встал и двинулся по сети. Турбо и остальные принялись дергать тросы -
кверху и книзу.
Но я удержался на ногах. Даже поднял одну. А потом встал на руки!
- Наш пацан! - саркастически произнес Турбо. - Мне и невдомек было, что ты
такой козырный. Мы тебя ведь лишь самую малость подкрепили - экстеро, интеро
и проприо. Ну, еще добавили миофибриллового усилителя и кой-чего для вывода
токсинов усталости. И все это недолговечно, как любовь шлюхи. А сейчас - дуй
за мной!
Турбо помчался по сети, я - вдогонку.
- Больше никто? - спросил я.
- Нет, Дез, только я и ты - верные кореша.
Мы спустились на землю. Я, когда без посторонней помощи чесал по двутавру,
казался себе владыкой мира.
И снова мы промчались по улицам Тиви-Сити. В этот раз я без труда держался
вровень с Турбо.
Впрочем, может быть, он просто не спешил, хотел, чтобы у меня создалось
ложное ощущение безопасности. Я решил приглушить восторг и вести себя
осмотрительнее - если получится.
Но вот мы остановились на южной границе Тиви-Сити. Перед нами высилась
самая высокая хаза Нуэво-Йорка - сто пятьдесят этажей из стали и органобетона.
- Нам предстоит небольшое восхождение, - сообщил Турбо.
- Чувак, да За кого ты меня держишь? За Кинг-Конга навороченного? Стенка -
зеркало!
- И так, и не так! В этом-то и прелесть старых постмодернистских зданий.
Блеск нас замаскирует, а зацепок и опор тут достаточно, полезешь - убедишься.
Он взлетел по водосточной трубе на следующий этаж. Слишком резво - мне не
угнаться.
Но Зато я мог просто следовать за ним! Прикиньте, чуваки, мне это удава-
лось. Я сбросил обувь и полез За Турбо. Врать не стану, было страшно, но я
словно обезумел, в экстазе был, витал в своей собственной микрогравитации.
Первые пятьдесят этажей сдались легко. Я карабкался за Турбо, смотрел, как
он выбирает опору за опорой, и делал так же. Когда он улыбался мне, я
улыбался в ответ. Даже смекнув, что он просто прикалывается.
Одолев треть пути, мы остановились отдохнуть на широком уступе. Вниз я не
смотрел - хоть и приобрел великолепное чувство равновесия, все равно взгляд с
такой высоты - что пригоршня песка в дюзе.
Площадка примыкала к освещенному окну, мы прилипли к стеклу, и увидели
робота-уборщика - он сосредоточенно пылесосил ковер. Мы постучали, но робот
даже звукоулавливателем не повел. И тогда мы полезли дальше.
Достигли срединной отметки, и началось! Я подустал, торможу, а Турбо,
наоборот , прибавил прыти. Я карабкаюсь, а он шастает вокруг белкой, корчит рожи
да по заднице меня шлепает:
- Скоро ты сорвешься, Дез. Я тебя сюда специально затащил. Пальцем не
тронешь Шаки, никогда в жизни не тронешь, усек? Так шмякнешься - ни хрена от
тебя не останется, на молекулы разлетишься.
И тому подобное. Я внешне никак не реагирую, знай себе лезу. И тогда он
говорит :
- Слышь, Зигги наш слабоват на голову сделался в последнее время. Мнемотро-
пы забывает принимать.
Может, по рассеянности не рассчитал срок действия твоей дозы? Вот обидно-то
будет, если ты сейчас скиснешь!
- Лажа! Ты меня разыгрываешь! - Я инстинктивно закрутил головой - а ну как
Турбо тянется, чтобы схватить меня, оторвать от стенки, сбросить!
Он был ниже, висел головой вниз, зацепившись пальцами ног за край уступа.
Я увидел землю.
Подо мной раскинулся Тиви-Сити, он здорово смахивал на свою модель в одну
сотую натуральной величины, такие в голостудиях можно увидеть.
Я замер. И услышал, как ломаются мои ногти.
- Что такое, Дез? Никак, скис?
Меня привел в чувство издевательский тон Турбо. Я не хочу падать! Не хочу
слушать его токсичный смех, пролетая все эти десятки этажей!
- Наперегонки до самого верха, идет? - спросил я.
Тут он малость сбавил гонор:
- Незачем, чувак. Как лез, так и лезь. Только не пробуй одновременно
схватиться за две зацепки.
Я и не пробовал - еще семьдесят пять этажей.
Крыша здания была украшена шпилем, окруженным узеньким помостом с перилами.
Я из последних сил пролез под перилами и сел, свесив ноги. Но мне
происходили перемены, я это уже чувствовал, потому не удивился, когда Турбо сказал:
- Теперь уже точно все выдохлось, Дез. Я бы на твоем месте и думать забыл
насчет спуска этим же путем. Да и мусора скоро явятся. Малолеткам за такие
дела сроки пустяковые дают, через год откинешься, главное, будь паинькой и не
рыпайся. А как выйдешь на свободу, заглядывай к нам.
И нырнул вниз головой, да еще напоследок вильнул мне задницей!
Ну а теперь я еще раз свой вопросик повторю. Я уже не Кинг-Конг
навороченный. Как же, черт возьми, я отсюда выберусь?
Работяжка
Только что Работяжка спала - а в следующий миг сна ни в одном глазу. Одетая
лишь в простенькую бежевую безрукавку, она поднялась с красно-черного
узорчатого коврика перед дверью спальни на босые ноги, потянулась. Мистер Майкл -
она это чувствовала - еще спал. Мистер Майкл очень много работает, ему
необходимо отсыпаться. А вот Работяжка всегда встает рано, потому что ей надо
много сделать по хозяйству. Если сегодня мистер Майкл поедет в офис, то она
сможет там урвать часок сна. Но по утрам Работяжка всегда просыпается раньше
мистера Майкла. Потому что такова ее служба.
Однако этим утром она не спешила покидать лежку. Этим утром пахло как-то
необычно. Трепещущими ноздрями она потянула воздух. Беспокоящий запах
проникал в коридор из спальни мистера Майкла. Может быть, в этом нет ничего
плохого , но... кто его знает. Постучать или как-нибудь иначе разбудить мистера
Майкла Работяжка не имела права. Впрочем, он и сам должен скоро подняться - у
него очень плотное расписание. Может быть, тогда и выяснится, что это за
запах . А может, и не выяснится.
Работяжка убрала за уши недлинные прядки бурых волос, привела в порядок
шерстку на лице, вылизала под мышками - вот и весь утренний туалет. Теперь
можно спуститься в кухню. Чтобы туда попасть, первым делом надо пройти
длинным коридором. Там пол из мрамора с прожилками, по нему тянется длинный ковер
с восточным узором. В каменных стенах - витражные окна. На востоке горит
солнце, оттуда через стекла проникают лучи, рисуя на ковре разноцветные
узоры. Работяжке нравятся эти узоры, потому что они напоминают мазки мармелада
на поджаренном ломтике хлеба. Гренок с мармеладом - любимая еда Работяжки.
Каждое утро она заказывает ее пищевому аппарату, лишь изредка берет яйцо,
чтобы у меха не пропадал глянец. Сегодня она попросит гренок с мармеладом. У
нее есть привилегии, и одна из них - есть то, что ей нравится. Когда она
здесь поселилась, мистер Майкл так и сказал: «Работяжка, ты можешь заказывать
пищевому аппарату все, что захочешь». И таким правом надо гордиться! В
Училище приходилось есть, что давали тренеры. А мистер Майкл ей доверяет.
За следующей по коридору дверью находилась спальня, принадлежавшая жене
мистера Майкла.
Работяжка собиралась миновать эту дверь без остановки, но вдруг услышала
подозрительный шум: ритмичные стоны, размеренное кряхтенье и какие-то
регулярные глухие толчки. Она догадывалась, что это за звуки, но любопытство
подсказывало : надо все же проверить.
Тяжелая дверная ручка из золота имела форму свернувшегося кленового листа.
Над этой ручкой располагался пультик современного замка, а под - старомодная
Замочная скважина. К ней-то и приникла Работяжка карим оком.
Так и есть! Подложив под живот зеленую плюшевую подушку, на кровати лежит
супруга мистера Майкла, сзади пристроился ее новенький андроморф, потомок
бычьего племени. Пахнет смесью мужского и женского пота, а еще смазкой.
Работяжка при виде этой картины расстроилась. Нет, совсем не такая жена
нужна мистеру Майклу. Оторвавшись от замочной скважины, Работяжка двинулась
дальше по коридору.
Вот и конец ковровой дорожки, дальше - широкие ступеньки винтовой лестницы.
Босым ступням холодно на голом мраморе - Работяжка спустилась бегом, На
первом этаже она сначала пересекла большой вестибюль с бюстами на постаментах и
растениями в кадках, с картинами в позолоченных рамах. Дальше - огромный
салон, здесь принимают важных гостей и устраивают собрания-заседания. Кабинет
мистера Майкла - стеллажи с книгами, массивный ореховый стол, плазменный
экран во всю стену. Еще несколько комнат - и она в кухне, сияющей кафелем и
хромом.
Обычно по утрам кухня пустовала. Правда, в дни официальных приемов тут
спозаранку кипела деятельность, приглашенные повара готовили мудреные блюда,
которые пищевому аппарату не закажешь. Работяжке не нравилось бывать на кухне.
В такие дни она вообще не любила отклонений от распорядка. Хорошо, что
сегодня - самое обычное утро.
Она подошла к пищевому аппарату.
- Пищевой аппарат, сделай мне гренок с мармеладом.
- Закончился хлеб, - ответила машина.
Закончился хлеб? Но ведь Работяжка настроилась на гренок с мармеладом! И
хлеба еще вчера было много. Куда же он подевался?
- Почему закончился хлеб? - спросила она.
- Ночью жена мистера Майкла отдала хлеб Быку. У меня было три буханки. Все
три буханки съел Бык. Вот почему больше нет хлеба.
Значит, это из-за жены мистера Майкла Работяжка сегодня осталась без
гренка! Ее хлеб скормлен андроморфу!
- В десять утра начнет работать доставка хлебобулочных изделий, -
сочувственно подсказал пищевой аппарат.
- До десяти утра я уеду вместе с мистером Майклом.
Меня не будет в десять утра дома. Надо съесть что-нибудь другое. -
Работяжка подумала и решила: - Сделай мне кашу из кукурузных хлопьев, сверху - ложка
мармелада.
- Мармелада нет. Бык и его съел, вместе с ореховым маслом.
У Работяжки непроизвольно сжались кулачки. Что за утро! Сначала этот запах
из комнаты мистера Майкла, а теперь... Ей не нравились сбои в распорядке дня.
Ладно еще - когда в доме повара, но ведь сегодня поваров нет...
- Тогда я съем яйцо, - сообщила Работяжка.
- Заказ принят, - отозвался пищевой аппарат.
- Может, и мармелад есть? Хотя бы на одно яйцо?
- Мармелада нет даже на одно яйцо.
- Тогда я съем яйцо без мармелада.
Работяжка села за стол с металлическими ножками и белым кафельным верхом.
Пищевой аппарат выдал яйцо, Работяжка его съела и тщательно слизала с блюдца
желток. У меха сохранится лоск, но ведь яйцо не такое вкусное, как мармелад.
Работяжка распорядилась, чтобы пищевой аппарат приготовил завтрак для
мистера Майкла и его жены и накрыл стол в южной столовой. После этого она по
коридорам и подсобкам сама прошла в южную столовую.
Там уже находился мистер Майкл, сидел за длинным полированным столом, читал
газету, потягивал кофе.
- Доброе утро, - поздоровалась Работяжка.
- Доброе, - мрачновато отозвался мистер Майкл.
Работяжка содрогнулась: да что же это за день такой!
Мистер Майкл просто на себя не похож. Он слишком много трудится, подумала
Работяжка. Слишком о многом ему приходится думать. Всё государственные дела -
на свои просто времени не остается. Мистеру Майклу надо бы побольше
заботиться о собственном здоровье.
Работяжка свернулась клубочком в его ногах, рядом со столом - отсюда ей
будет видно все происходящее.
Прибыл завтрак. Жена мистера Майкла не пришла вовремя, тем не менее, он
приступил к еде.
Только когда чудесный бекон по-канадски, яйца всмятку и вареная на пару
рыба остыли, жена мистера Майкла появилась в дверях.
Одета она была для поездки по магазинам: цвета слоновой кости пиджак -
спереди коротко, сзади фалды аж до колен; голубая шелковая блузка, светло-желтая
юбка, отороченная лентой с узором из тюльпанов. Чулки цвета голубой металлик,
кремовые туфли на высоком каблуке. Дорогие духи не могли укрыть от чуткого
носа Работяжки запахи недавнего совокупления.
Жена мистера Майкла осторожно - как будто у нее что-то болело - уселась и
принялась лениво ковыряться в тарелке. Некоторое время оба молчали. Потом
мистер Майкл отложил газету - захрустевшую слишком громко для ушей Работяжки
- и сказал:
- Сегодня из Вашингтона приедут важные люди. Захотят познакомиться с тобой.
- Какая скучища! И в котором же часу я должна их ублажать?
Мистер Майкл процедил, явно сдерживая гнев:
- В два.
- Попробую успеть.
Гнев вырвался:
- Уж попробуй! И попробуй только не успеть! Ты моя жена, и у тебя есть
обязанности перед государством, точно так же, как и у меня.
- Никто меня не назначал на должность жены премьер-министра!
- Сама себя назначила, когда вышла за меня замуж!
И не спорь! Ты прекрасно знала, что я могу стать премьером, рано или
поздно. Да, черт побери, разве я многого от тебя требую? Изредка присутствовать
на официальных мероприятиях. Думаешь, мне легко? Управлять целым континентом
- по-твоему, пустячное дело?
- Ты рвался на эту работу. Я - нет.
Мистер Майкл сложил на груди руки, словно боялся, что они натворят бед.
Исполненная сочувствия Работяжка сжала кулачки.
- Давай не будем ссориться. Постарайся к двум подъехать в министерство.
- Хорошо, я пронесусь по магазинам галопом.
- Вот и прекрасно. Ценю. - Мистер Майкл опустил взгляд на Работяжку: - Пора
ехать. Окажи услугу, принеси мой брифкейс. Я его оставил у кровати.
- Я принесу брифкейс. Где вы будете меня ждать?
- На крыльце. Да, и машину туда подгони.
- Я подгоню машину, - пообещала Работяжка.
По пути к гаражу она обдумала услышанный в столовой спор. И утвердилась в
мысли, которая в первый раз пришла наверху, у двери в спальню: эта женщина
недостойна быть супругой мистера Майкла.
В гараже Работяжка подошла к роскошной машине - спортивный фасон,
минимальный дорожный просвет, плавные линии корпуса.
- Мистер Майкл желает, чтобы ты его ждала у крыльца.
- Я открою ворота гаража. Проеду по дорожке до ворот ограды. Когда и они
отворятся, я обогну дом и остановлюсь перед входной дверью.
- Правильно.
Машина завела керамический двигатель и открыла ворота гаража. Работяжка
вышла. Вернулась в дом, поднялась по лестнице для прислуги на второй этаж, в
коридор и приблизилась к двери в спальню мистера Майкла.
Дверь была растворена нараспашку.
И комната не пустовала.
Работяжка вошла и застыла как вкопанная - на кровати, среди скомканного
белья, в томной позе лежала гиноморф. Заслышав шаги Работяжки, она открыла
глаза.
- Здравствуй, - сказала гиноморф. - Я гетера, модель Поэтесса. Хочешь, я
тебе спою?
- Нет, - ответила потрясенная Работяжка. - Я не хочу, чтобы ты мне пела. Я
хочу знать, что ты здесь делаешь.
- Я теперь собственность мистера Майкла. Он меня купил и доставил сюда.
Хочешь узнать мою родословную?
- Нет.
- Все равно изложу. Я составлена из пяти биологических видов, плюс три
процента человеческих генов.
Строение скелета - от приматов, этим обеспечено изящество и кажущаяся
хрупкость . Вешу я всего-навсего сорок килограммов. Мускулатура - от семейства
кошачьих, кожа - производная от шкуры серны. Мозг создан на основе мозга норки.
Индекс вагинального сокращения - девяносто. Феромоны подобраны специально для
возбуждения мистера Майкла.
Гиноморф соблазняюще задвигала руками и ногами, слегка выгнула спину,
приподняв лобок. Работяжка возмущенно смотрела, в голове царил сумбур.
- Я сделана из двенадцати биологических видов, - нашлась она, наконец.
- У меня сто, сорок, восемьдесят, это в сантиметрах, - сообщила Поэтесса. -
А у тебя какие размеры?
Работяжка опустила голову, посмотрела на свой мускулистый живот, не
прикрытый безрукавкой, на крепкие, но не сказать что изящные бедра.
- Я своих размеров не знаю.
Гетера оскалила в улыбке ровные острые зубки, по губам пробежал язычок -
Работяжка слышала даже его шорох.
- Мне кажется, ты вообще мало что знаешь, - предположила гетера.
- Это действительно так, - подтвердила Работяжка.
Теперь они находились в офисе. А в офисе все не так, как дома - другие
звуки, другие запахи. В офисе мистера Майкла не было окон, а потому не было и
пятен мармеладного цвета на желтовато-коричневом ковре, с которым почти
сливался наряд Работяжки. Дома Работяжка могла вести себя как заблагорассудится
- конечно, когда ее услуги не требовались мистеру Майклу. В офисе же, как и в
других общественных местах, приходилось все время быть наготове. Здесь она
служила непрерывно, и служила гораздо старательнее, чем в поместье с оградой
под током и с включенными охранными датчиками.
Работяжка своим усердием гордилась, и гордилась по праву. Один человек в
Училище ее даже похвалил: «Работяжка, ты самая старательная из всех, кого мне
довелось тренировать». Люди в Училище были строгими, но по-своему хорошими.
Однако таких хороших, как мистер Майкл, среди них не встречалось.
Но сегодня Работяжке никак было не сосредоточиться на своих обязанностях.
Явились первые посетители, записавшиеся на прием к мистеру Майклу.
Работяжка лежала позади обитого бурой кожей кресла с широкими бронзовыми шляпками
гвоздей, помалкивала. Мистер Майкл беседовал с людьми из Вашингтона.
Работяжка уделяла им лишь самую малость внимания, она их даже не видела из своего
укрытия. Да и к чему думать об этих людях, если они проверены охраной и
пахнут неопасно? Для нее они были только голосами - слегка раздражающими, потому
что отвлекали от раздумий о домашних неурядицах.
По дороге сюда, в автомобиле, Работяжка ненавязчиво обнюхала мистера Майкла
- не прицепился ли к нему запашок гетеры? У нее отлегло от сердца - должно
быть, мистер Майкл успел вымыться. Но, когда машина разогналась на подъездной
дорожке и на периферии усадьбы, у поста охраны, обросла эскортом из
мотоциклистов , Работяжка поняла, что для радости причин нет. Да, мистер Майкл
нормально пахнет - но зато ведет он себя ненормально. Он просто сам не свой!
Ах, если бы Работяжка могла чем-нибудь помочь мистеру Майклу! Ему, такому
трудолюбивому, досталась плохая жена, и он вынужден находить утешение в
объятиях противного гиноморфа!
Работяжка ничего бы не пожалела, чтобы сделать мистера Майкла счастливым.
А разговор с посетителями продолжался. Работяжка проголодалась, потому что
мистер Майкл в этот раз не сделал перерыва на полдник. Она решила при первой
возможности наверстать упущенное - может быть, министерская кухня выдаст
гренок с мармеладом? Глупый пищевой аппарат - почему отдал Быку-андроморфу ее
утреннюю порцию?! Надо поговорить с машиной, объяснить, что больше так
поступать нельзя.
Но Работяжке вдруг надоело раздумывать над своими проблемами - тем более
что способов быстро с ними справиться фантазия не подсказывала. И она решила
послушать.
- ...А я вам говорю, что игнорировать их не следует.
Может, отсюда, из Торонто, Сыновья Дикси и кажутся заурядной группой
радикалов , но у нас им сочувствуют многие, в том числе и весьма влиятельные люди...
Посетитель говорил эмоционально - Работяжке это показалось нелепым. Зато
речь мистера Майкла звучала как надо - спокойная, бесстрастная. Мистер Майкл
умел вести себя должным образом.
- Но я ведь и не предлагаю их игнорировать. Я лишь хочу сказать, что мы не
можем позволить себе такую роскошь, как потакание экстремистам. Союз -
слишком новое, слишком хрупкое образование. Естественно, первые лет десять не
обойтись без великого сумбура и трудных компромиссов - пока народ не
привыкнет к новой власти. Но мы, жители Квебека, давно имеем дело с сепаратистами,
накопили богатый опыт и знаем, что здесь необходима твердость. Вообще-то,
джентльмены, я собирался задать вопрос насчет того, как ваши избирательные
округа могут отнестись к запрету группировок наподобие Сыновей Дикси.
Наступила тяжелая пауза - посетители были в шоке.
- Но это же возмутительно! - наконец воскликнул один из них. - Грубейшее
нарушение конституции!
- Вынужден вам напомнить, что Союз больше не живет по этому закону. Новое
время требует новых мер.
И такую меру, как запрет радикалистских группировок, я намерен вынести на
рассмотрение парламента, если только вы меня не убедите, что она вызовет
открытый мятеж.
Никаким организациям, выступающим за свержение Союза насильственным ли,
мирным ли путем, мы не позволим легально действовать на нашей территории.
Посетители бурчали, фыркали и хмыкали. Мистер Майкл дал им пороптать, а
затем сказал - как отрезал:
- Джентльмены, боюсь, что вам придется считать вопрос с Сыновьями Дикси
решенным. А сейчас предлагаю перейти к более важным проблемам. В первую очередь
я имею в виду переговоры с бразильцами - они на нас давят, требуют уступить
север штата Чиапас. Согласимся мы на это или нет?
Работяжка перестала прислушиваться к беседе - голод снова дал о себе знать.
Скорее бы добраться до кухни... Но вот мистер Майкл глянул на ручные часы:
- Ну что ж, джентльмены, мы неплохо поработали, пора и отдохнуть. Вы ведь
пробудете здесь еще несколько дней, так что мы успеем обсудить оставшиеся
проблемы. Помнится, вы изъявляли желание познакомиться с моей очаровательной
супругой. Она должна прибыть с минуты на минуту.
Потом все ждали. Отлежавшая бок Работяжка сменила позу. Жена мистера Майкла
так и не появилась. Когда посетителям была высказана уйма извинений, мистер
Майкл вернулся в свое кресло. Посидел в безмолвии. Внезапно грохнул кулаком
по столу:
- С этой женщиной надо что-то делать! - И, помолчав, повторил: - Надо что-
то делать!
Работяжка мысленно согласилась с ним.
Через несколько дней Работяжка осталась дома в одиночестве.
И это было необычно. Раньше мистер Майкл всюду брал ее с собой. Даже в
заграничных поездках она его сопровождала. Работяжка побывала во многих местах
- в основном это были города, и все они казались ей одинаковыми, разве что
пахли по-разному.
Но в этот раз мистер Майкл отправился не за границу, а к доктору. Вот уже
полгода он регулярно ездит на процедуры - с тех пор, как врачи научились
лечить от старости. А Работяжку с собой не берет - говорит, это для ее же
блага . Потому что местонахождение клиники - великая тайна, а Работяжку могут
выкрасть , чтобы эту тайну выпытать. Выкрасть! Работяжке было смешно. Да кто на
нее обращает внимание? Кому придет в голову, что ей могут быть известны
важные сведения? Все-таки лучше бы ей сопровождать мистера Майкла... Но он не внял
уговорам. Никаких свидетелей - только он и автомобиль! И у автомобиля по
возвращении будет очищена кратковременная память.
Что же касается жены мистера Майкла, то Работяжка не знала и знать не
хотела, где та находится. Плохая женщина причиняет мистеру Майклу неприятности -
и потому для Работяжки ее судьба не имеет никакого значения.
А значение имеет только то, что в первый раз за полгода - и во второй раз с
тех пор, как Работяжка стала спутницей мистера Майкла, - она с ним
рассталась .
И потому ей было не по себе.
Она бродила по огромному дому, не зная, как скоротать время до возвращения
хозяина. Поднялась на второй этаж. Когда поравнялась с дверью в спальню жены
мистера Майкла, остановилась - в коридор сочился запах Быка. Подчиняясь
необъяснимому порыву, Работяжка нажала на золоченую ручку. Та ушла вниз без
сопротивления , дверь отворилась.
Бык лежал на диванчике абсолютно голый, если не считать сбруи из резиновых
лямок на гениталиях. Листал журнал с цветными картинками. Когда вошла
Работяжка , положил журнал на крепкий мускулистый живот, картинками кверху. Она
заметила, что на них изображены совокупляющиеся - в разных позах.
- Привет, - поздоровался Бык. - Хочешь заняться сексом?
- Нет, - ответила Работяжка. - Я Работяжка. Я не занимаюсь сексом, ни с
кем. Хочу побеседовать.
- Я умею беседовать, - сообщил Бык.
- Вот и хорошо. Хочешь что-нибудь съесть, пока мы будем беседовать?
- Я люблю ореховое масло.
Работяжка подошла к коммуникатору:
- Пищевой аппарат?
- Да?
- Банку орехового масла в спальню жены мистера Майкла.
- С ложкой?
У Быка лицо сделалось смущенным:
- Без ложки.
- Без ложки, - повторила в коммуникатор Работяжка.
Когда прибыло масло, Бык торопливо свинтил крышку, запустил в банку
короткие толстые пальцы и принялся увлеченно есть. При этом вид у андроморфа был
такой виноватый, будто он считал свое занятие непозволительным. Работяжка
наблюдала с сочувствием - она-то знала, как приятно есть то, что тебе больше
всего по вкусу.
- Скажи, тебе нравится заниматься сексом с женой мистера Майкла?
Бык, похоже, стушевался еще сильнее.
- Что ты имеешь в виду? Секс - это секс, то, для чего я предназначен. А
нравится мне есть ореховое масло. Ты считаешь, что мне должен нравиться и
секс?
- Может, понравился бы с кем-нибудь другим?
- Но ведь ты сказала, что не намерена заниматься со мной...
Работяжку осенила идея:
- Я в этом доме не единственная.
- Ты хочешь сказать, в доме есть другая, и она желает секса?
- Да. Пойдешь к ней?
- Мне не положено выходить из этой комнаты.
- Тебе положено обеспечивать секс, когда это нужно.
- Это факт. Но он противоречит запрету покидать комнату. Что я могу
сделать?
- Послушаться меня. А я разрешаю тебе выйти из комнаты.
- Еще раз скажи, кто ты?
- Работяжка, спутница мистера Майкла.
- Видимо, это означает, что я должен тебе подчиняться.
- Совершенно верно. Следуй за мной.
Работяжка вышла в коридор и привела Быка к спальне мистера Майкла. Та
оказалась на запоре - не проблема, Работяжка знала код. Оказалось, что гиноморф
моется - во вмурованной по самые бортики в пол широченной ванне, среди гор
мыльной пены, виднелись изящное лицо и коленка.
Гетера Поэтесса заметила Быка, и у нее расширились глаза и раздулись
ноздри. Андроморф ответил на это мгновенной эрекцией.
- Это ты хочешь заниматься со мной сексом?
- Такова моя природа, - ответила она.
- И моя такова. Разрешается ли нам заниматься сексом в ванне?
- Да, это допустимо.
Бык сорвал с гениталий «сбрую» и кинулся в воду. Работяжка оставила морфов
наедине друг с другом.
Жена мистера Майкла вернулась домой первой, через пять часов после того,
как Работяжка сыграла роль сводни. Хозяйка хватилась своего Быка, а когда
выяснила его новое местонахождение, пришла в бешенство. Парочка все еще бурно
совокуплялась, только из ванны перебралась на пол, к кровати, забрызгав водой
и пеной ковер. Работяжка подсматривала из коридора, как жена мистера Майкла
безуспешно пытается их растащить. Даже на удары острого металлического
каблука туфельки, снятой с ее ноги, сексуальные партнеры не реагировали. Были
вызваны специальные дрессировщики, но и им не удалось прекратить спаривание.
- Все без толку, миссис. У них петля обратной связи получилась - а это
штука серьезная, надо везти в мастерскую.
- Ну, так везите! - рявкнула жена мистера Майкла. - Я не желаю терпеть в
доме эту мерзость.
Все еще брыкающую задами неразлучную парочку вынесли из здания и погрузили
в кузов машины. Работяжка тайно ликовала.
Но через несколько дней жена мистера Майкла приобрела Жеребца, а сам мистер
Майкл нашел утешение у Лунной Бабочки.
Среди ночи Работяжка проснулась. Ей вообще плохо спалось последнее время -
с того утра, как не досталось на завтрак гренка с мармеладом. (Одно утешение
- Жеребец любил овсяные хлопья.)
Мистер Майкл был все время в делах, почти не уделял ей внимания, и она
тосковала, и порой ее посещала крамольная мыслишка - так ли уж это правильно,
когда ты должна быть всегда рядом со своим спутником, и без него тебе жизнь
не жизнь?
От таких раздумий сразу делалось дурно - потому что они противоречили
урокам, полученным в Училище. Приходилось напоминать себе, что ей положено
заботиться только о мистере Майкле, о его благополучии. Она специально для него и
появилась на свет, у нее нет других причин для существования.
А тут еще этот шум...
Но ведь не должно быть внизу никакого шума! Потому что сейчас глубокая
ночь. Правда, однажды там уже шумели среди ночи - пришли охранники выяснять
причину какого-то «прорыва периметра». Но дело тогда оказалось в испорченном
датчике. Может, и в этот раз датчик сломался?
Но все равно нужно спуститься и выяснить, в чем дело.
Однако Работяжке удалось дойти только до мраморной лестницы.
Там ей путь преградили четверо мужчин в светоискажающих костюмах, с
приборами ночного видения на глазах. В руках пришельцы держали пистолеты, на
поясах висело другое оружие. Это были вовсе не охранники.
- Так-так, - протянул один. - Вы только поглядите, кто у нас тут!
Понаделали трансгенов, сволочи, проходу нет! Сейчас я этой твари башку отстрелю!
- Не горячись, сынок! - потребовал другой, судя по манерам, вожак. - Хоть
мы и вырубили ребят по периметру, это вовсе не значит, что можно шуметь
сколько душа пожелает. Без моей команды - никакой стрельбы. А тварь нам
полезнее живой - время сэкономит. Ну-ка, - обратился он к Работяжке, -
подскажи, где спит наш драгоценный премьер?
Работяжка смотрела на террористов, совершенно не испытывая страха. Наконец
она ответила, хладнокровно обдумав каждое слово:
- Я провожу. Но вам следует забрать и жену мистера Майкла, иначе она
поднимет тревогу.
- Ну и помесь пошла - ни на грош лояльности. Ладно, красотка, веди.
Работяжка проводила незнакомцев к двери в спальню жены мистера Майкла. Один
из четверых вставил в паз замка противозаконную отмычку, та в три секунды
перебрала все возможные комбинации, и дверь отворилась.
Жена мистера Майкла спала в объятиях Жеребца. Незнакомцы не удержались от
потрясенных возгласов, чем разбудили женщину и ее партнера.
Обоих загнали в комнату мистера Майкла, где его самого обнаружили в
аналогичной ситуации, в обществе гиноморфа.
Один из террористов включил верхний свет, показавшийся Работяжке в столь
поздний час слишком ярким. Пришельцы сняли очки и отключили светоискажатели,
чем обрадовали Работяжку - у нее уже заболели глаза.
Двое морфов и их испуганные хозяева сгрудились в центре комнаты. Морфы были
нагишом, люди - в халатах. Трое террористов держались спокойно, четвертый
нервозно водил стволом из стороны в сторону.
Работяжка нерешительно свилась в клубочек у ног мистера Майкла. Знала, что
он ловит ее взгляд, но не поднимала глаз.
- Кто вы такие? И от кого?
- Сыновья Дикси, вот мы кто. Смекнули, что не дошло наше мнение до нужных
ушей, и решили изменить ситуацию. Правильно я говорю, ребята?
- Вам всем это дорого обойдется!
- Вряд ли от таких угроз мы станем хуже стрелять. Скорее наоборот. Так что
советую слушаться нас, ежели неприятностей не хотите.
- Какие у вас намерения? - спросила жена мистера Майкла.
- Вывезем вас с премьером на пикничок. Ему давно пора отдохнуть от
государственных забот. А потом отпустим целыми и невредимыми, если правительство
согласится нас выслушать.
- С трансгенами-то как быть? - спросил второй террорист.
- Сексуальные игрушки пристрели, только без шума.
А тварь, которая нам помогла, не трогай - вдруг еще пригодится.
Никто и глазом моргнуть не успел, как из кобуры второго террориста вылетел
пистоляп и дважды кашлянул. Пули в желатиновой оболочке ударили в морфов и
лопнули, высвободив лизис-катализатор. Оба за минуту превратились в лужицу
вязкой жижи, на ее поверхности еще некоторое время плавали жесткие крылья
Лунной Бабочки.
- Итак, друзья мои... - заговорил вожак.
Работяжка незаметно протянула руку, выпустила острый как бритва коготь и
вонзила его глубоко в лодыжку жены мистера Майкла.
Та завизжала.
Самый слабонервный из террористов выстрелил ей в глаз.
Прежде чем его палец успел расслабиться на спусковом крючке, и прежде чем
успели напрячься на собачках пальцы его товарищей, Работяжка бросилась в
битву.
Когда тридцать процентов генов тебе достались от росомахи, ты серьезный
боец. Вскоре четверо лежали с разорванными глотками, кровь замарала ковер, на
котором недавно резвились Бык и Поэтесса.
Работяжка спокойно слизала кровь с губ - нет, все-таки мармелад куда
вкуснее. Потом, часто смачивая слюной ладони, тщательно очистила мех на лице. И
только после этого повернулась к мистеру Майклу.
Он рыдал, лежа поперек трупа жены.
Работяжка бесшумно подошла к нему, ласково тронула за плечо. Он вздрогнул.
- Мистер Майкл, все уже в порядке.
- Ах, Работяжка, - всхлипнул мистер Майкл, - осиротели мы с тобой...
Петушиный бой
Согласен, образ жизни мусорного цыгана - отнюдь не самый комфортный, и
нервы для него требуются крепкие. Ну и, понятное дело, неважнецкая это карьера
для человека женатого - о чем Джеральдина никогда не устанет мне напоминать.
Но я не женат. И не имею привычки прислушиваться к доводам Джеральдины.
И все же, чем сурова такая судьба? Во-первых, ты все время в пути. Вынужден
обходиться самым малым - в котомке вещей не больше, чем у бхопальского нищего
слепца. Во-вторых, ты всегда свободен - ну, почти всегда - и болтаешься, как
у Быка ядра. Невостребованная твоя задница факсуется по свету, с одной
горячей точки на другую - в зависимости от того, в какой фирме, или корпорации,
или компании начальство вдруг задумывается о спасении души: а не пора ли,
дескать, расчистить крошечное местечко в великом-превеликом свинарнике,
каковым сделался мир за последний свинский век.
Впрочем, встречаются уголки совсем даже неплохие - в плане отдыха после
трудового дня. К примеру, когда мы в Милане прочищали водопровод (какой-то
мерзавец слил туда в восемьдесят шестом двадцать тонн коктейля из ядовитых
отходов и испортил весь городской запас питьевой воды), я вовсю повышал свой
культурный уровень - посещал церкви, любовался «Тайной вечерей» (на мой
взгляд, картина здорово выиграла после обработки реставрационными багами,
хотя скептики утверждали, что теперь это смахивает на компьютерную живопись) и
знакомился с архитектурой итальянских стриптиз-клубов. (Один располагался в
настоящем дворце, и среди девчонок, по слухам, были настоящие принцессы. И
это вполне возможно, я же помню, когда закрылось Монако, целому поколению
золотой молодежи пришлось в срочном порядке искать себе заработок.)
А бывает, черти заносят тебя на такие дремучие кулички, что городишко
Роберт -Ли в штате Техас (это моя родина) в воспоминаниях поднимается вровень с
Новым Орлеаном, празднующим Марди-гра. То приходится стучать зубами ниже
пятидесятой широты в компании одних лишь глупых жирных пингвинов, сокращая
антарктический разлив нефти, то - прожаривать штаны на стапятидесятиградусной
жаре1, демонтируя Ближневосточный завод химического и биологического оружия.
И в том, и в другом случае после смены заняться больше нечем, кроме как
резаться в гаш-карты, драить мозги эйфоротропами и чесать языки с ромалами.
Иногда такие разговоры приводят к тому, что парни натурально хватают друг
друга за глотку - надо же как-то нагружать рецепторы. Но это не для меня, я
стараюсь ладить с теми, с кем меня сводит судьба. Когда проработаешь с
человеком бок о бок несколько лет, он для тебя привычен и малоинтересен, как твоя
престарелая усатая тетушка или чопорная троподозировщица в начальной школе.
Выяснять отношения уже просто глупо.
Поэтому чаще мы просто делимся воспоминаниями. А поскольку народ мы
бывалый, то и вспомнить нам есть что. Послушать любого из нас - мороз по коже
гарантирован . Случалось нам и под радиоактивным снежком ходить, и излучение
шинковало нам хромосомы в капусту - двухголовой змее такое даже не снилось; и
трудились, стоя по пояс в вонючем болоте, в каше из отработанного древнего
1 По Фаренгейту. По Цельсию — около 66°. — Примеч. ред.
моторного масла, и промышленных растворителей, и бог знает чего еще, и тут
вдруг перед тобой появляется пасть амазонского аллигатора-мутанта, и он
шпарит к тебе скорее восточного экспресса, и ты едва успеваешь врубить силоумно-
житель и нанести единственный верный удар.
Но вот что удивительно: все эти байки, все эти ужастики, звучащие в
раздевалке после смены, вовсе и не пугают нас, цыган, а совсем даже наоборот. Мы
благодаря им себя чувствуем людьми особенными, нужными. Да если на то пошло,
кто другой возьмется делать эту черную, но необходимую работу? По идее, для
общества чистка бедной замордованной планеты - задача номер один, и еще не
изобретен робот, который сравнится с нами по возможностям, который хотя бы
способен вытерпеть то дерьмо, которое мы терпим. Ведь мы ежедневно проходим
через круги ада, где у любого детища эвристики сгорят все ПЗС2 и растворятся
панели.
Что же до помесей, то им путь в наши ряды заказан - за этим следит
профсоюз . И пока мы регулярно проходим обследование и получаем инъекции ремонтно-
восстановительных силикробов, смертельные заболевания опасны для нас не
больше, чем для среднего нуэво-йоркца или невадца.
И не то чтобы я хотел славы, или там чувство долга перед человечеством
играло бы какую-то роль. Ни черта подобного. Опросите тысячу цыган - вряд ли
сыщете среди них хоть одного гринписа. Я свое дело делаю потому, что за него
хорошую зарплату платят, да еще и премии, и через пятнадцать лет можно выйти
на пенсию. «Даллас детокс инкорпорейтед» ввела у себя такую систему, как
только ее придумали, - и потому я горжусь тем, что работаю в этой фирме.
А еще я горжусь оттого, что она на сто процентов американская, не так уж и
много осталось фирм, способных этим похвастаться, с тех пор как десять лет
назад заработал в полную силу Союз.
Я не сторонник ни Сыновей Дикси, ни других легальных или подпольных
конституционалистских группировок. Но все-таки чем-то не по душе мне правление
франко-канадцев. И одно дело - жить под их властью, а другое - вкалывать на
них. Слава богу, хоть от этого я пока избавлен.
В общем, на жизнь мне грех жаловаться, денег и приключений хватает, пусть
даже, как я уже говорил, это не карьера для женатого человека, о чем Джераль-
дина никогда не устанет мне напоминать.
Но я не женат. И никогда не прислушиваюсь к мнению Джеральдины.
Когда Стэк вошел в помещение для отдыха, помахивая метамедийной распечаткой
с логотипом «ДДИ» в верхнем углу (пинцет, щиплющий биспираль) и улыбаясь, мы
сразу поняли, что получен хороший заказ. Но даже не догадывались, насколько
он хорош, пока наш бригадир не заговорил:
- Мальчики и девочки, да будет вам известно, парламент наконец
проголосовал . Все, «Сликслэк» приказал долго жить, и «ДДИ» может забрать себе тело.
Мы эту весть встретили таким восторженным ревом, что затряслись, застучали
биополимерные панели в просторном модуле на берегу озера Байкал в Великой
Свободной Монголии - такое громкое название носила вонючая дыра, где мы
подвизались на поприще раскисления почвы, восстановления экобаланса и т.п. Мы
успешно выполнили свою задачу и теперь собирались домой, в милые, родные США
(я до конца своих дней буду так называть свою страну и плевать хотел на
запрещающие законы). А тут оказывается: мы не просто возвращаемся в
цивилизованные края, но еще и работенку там получим - вот это пруха так пруха!
Отдохнем от экзотической еды, смуглокожих женщин и смешной туземной болтовни, в
которой без таблетки ни словечка не разберешь. Все-таки Боженька любит бедно-
2 Прибор (точнее - полупроводник) с зарядовой связью. Наиболее ярким представителем
приборов данного класса является ПЗС-матрица, используемая сейчас как регистратор
изображения во всех цифровых фотоаппаратах и веб-камерах. — Примеч. ред.
го цыгана!
Я опустошил шкафчик и принялся складывать разбросанные по койке вещи в
ранец , и тут ко мне - воплощенная непосредственность - подошла Джеральдина. А я
притворился, будто ее не замечаю.
- Лью, - проговорила она голоском сладеньким, как засахаренный батат с
кукурузным сиропом, - Стэк подыскал для нас жилье в Ваксахачи. Поселимся в
тамошнем мотеле, и все номера - двухместные. Вот я и подумала: как насчет того,
чтобы...
Тут я посмотрел на Джеральдину. Она носила серьги, изображавшие знак
биоугрозы, каштановые волосы были острижены еще короче, чем мои, поперек лба -
косая челка. Никакой косметики, только силикробовые татуны - бабочки по углам
губ, и округлости чуточку распирают форменный дэдэишный комбез. Она вполне
сошла бы за мою сестренку, да вот только не было у меня никогда сестры.
- Джеральдина, я ценю твою идею, или намек, или предложение, да как ни
назови . Но я уже говорил однажды и готов повторить хоть миллион раз: химия тут
ни при чем. Мы с тобой - неподходящие контакты. Мне может прийтись по вкусу
только женщина большая, шумная и глупая, а ты - совсем другого сорта.
Татуны в миллиметре под кожей Джеральдины возмущенно затрепыхали
крылышками, а из глаз вытекли слезинки - как влага израильского оросительного корня.
- Я... я для тебя смогу быть глупой. Да, Лью, смогу, если ты правда этого
хочешь. Я слышала, появилось несколько новых тропов - как раз для таких
случаев. «Отупин», «дебилон»... Цены кусаются, но ради тебя я на это пойду. Честное
слово!
Я шлепнул себя ладонью по лбу:
- О-о, блин! Джеральдина, я тебя не прошу измениться, заруби это раз и
навсегда у себя на носу. Я только пытаюсь объяснить, что мы с тобой не созданы
друг для друга. Видишь ли, - я по-отечески обнял ее рукой за плечи, - ты
прирожденная цыганка. Когда нужно со дна бухты грязь вычистить или опрыскать
заеденный грушевой молью лес - тут тебе равных нет. Какую бы работу нам с тобой
Стэк ни поручал, мы всегда справлялись прекрасно, горжусь тем, что ты - моя
напарница. Но наши отношения могут быть только профессиональными, и дальше
никогда не зайдет, ты поняла?
К концу моей речуги Джеральдина перекрыла краники. Вытерла кулачками глаза,
затем протянула мне ладошку. Мы обменялись рукопожатиями.
- Ладно, - проговорила она с печалью проповедника, видящего, как
разбегается его паства, - пусть будет, как ты хочешь. Все лучше, чем ничего.
Мы расцепили руки.
- Увидимся в самолете, Лью.
Я вернулся к сбору вещичек. Ну и взбалмошная девчонка моя напарница! Не
понимаю, почему многие люди не умеют сдерживать эмоции. Да и не пытаются, если
честно. Ведь у нас, слава Богу, есть тропы и строберы - только руку протяни,
и ты в порядке. Даже представить страшно, каково жилось человеку считанные
десятилетия назад, пока ученые головы не разобрались досконально, из каких
винтиков-болтиков состоят мозги, и не подобрали к ним все ключики-отверточки.
Правда, слишком уж полагаться на все эти штучки вряд ли стоит. В защиту
естественного образа жизни можно сказать немало слов. Взять хотя бы меня, к
примеру. Если, в школе учась, я принимал все прописанные мнемотропины и
многому благодаря им научился - что же, и дальше ими давиться? Черта с два, не
для меня это. Мой батька так говаривал: «Сынок, если бы Господь хотел, чтобы
мы получали знания в таблетках, он бы сделал так, чтобы их было легко
глотать» .
В тот же день, к вечеру, мы вышли на зарезервированную для ДЦИ суборбиту. В
пути шутили и смеялись, мечтая, как вскоре будем гулять по улицам любимого
Далласа. Не успели попривыкнуть к полету, как нам велят снова застегнуть рем-
ни и приготовиться к посадке, то бишь принять циркадные регуляторы.
Всем хороши такие вот прыжки - за одним исключением: не успеваешь даже
почувствовать толком, что ты путешествуешь. Только что твоя задница была в
Монголии; часа не прошло, а ты уже дома. Неадаптированным мозгам такое не
переварить .
Пару часов проторчали в таможне - дольше, чем летели. Двух наших ромал
вывернули наизнанку - парни решили подзаработать, провезя в крови монгольских
багов и толкнув их далласской диаспоре гонгонгских экспатриантов как этноэк-
зотику. Но таможенные датчики расшифровывают негенотипные коды быстрее, чем
плевок сохнет на перегревшемся реакторе, и Стэку пришлось повертеться как
угрю на сковородке, доказывая, что наши невинные овечки заразились, сами о том
не подозревая, и промывка кровеносной системы будет для них достаточно
серьезным наказанием.
В здании космовокзала мы прошли через атриум, и тут ввалилось отделение эм-
вээфовской спецполиции; вооруженные хромоварками и пистоляпами, были эти
ребята суровы, как восьмидесятилетние девы с либидоблокировкой, намеренные
сразиться с какой-нибудь инфекцией или инвазией из Четвертого Мира. Мы уступили
им дорогу и сделали это со всем нашим уважением, ведь силовикам из МВФ
достается работенка по-грязнее, чем цыганам. Да к тому же мы имеем дело с хорошо
знакомыми неприятностями, а эти парни всякий раз сталкиваются с новым
сверхопасным дерьмом.
Снаружи нас ждали два дэдэишных энергенетикса (модель «коровье брюхо») с
водителями. Большинство ребят сразу полезли в микроавтобусы (я постарался
очутиться не в той машине, которую облюбовала Джеральдина). Но пришлось
задержаться из-за Тино и Дрифтера - тех самых, которых прихватили на таможне, -
им страсть как захотелось по-маленькому. Это был побочный эффект замены
крови. Будут течь до Завтра, как крыша хижины хлопкоуборщика в грозу.
- Не выбрасывайте зря биомассу, парни, - крикнул им Стэк.
Тино и Дрифтер промолчали, но каждый открыл крышку бака, расстегнул комбез,
прижался к фургону и чем мог пополнил запас топлива в машине. Потом оба
застегнулись и вяло полезли в кузова. Сидевшая со мною рядом Тамаринд,
чернокожая девчонка в весе петуха, никогда за словом в карман не лазившая, спросила:
- Что, ребята, это мало похоже на те гнезда, куда вы втыкались в прошлый
раз?
Тут мы дали волю хохоту. Цыганское товарищество ржало, ревело и выло так,
что даже Дрифтер с Тони не вытерпели и присоединились.
А мы на них зла за потерянное время не держали, понимая, что в следующий
раз таможенники схватят за руку кого-нибудь другого. Если до этого дойдет, то
мы, цыгане, будем держаться друг за дружку, как слои ламинированной клещехва-
том сталефанеры.
Вот так, веселясь в отвязной цыганской манере, мы двинули к югу и выехали
из скопления блестящих стеклом далласских башен. Нас ждала новая работа.
Ваксахачи расположен милях в двадцати пяти к югу от Далласа, так что
примерно через сорок минут мы были на месте. «Коровье брюхо» трудно гнать
быстрее шестидесяти в час, а когда оно груженое - и подавно. Кое-кто из наших
задремал - это полезно, когда действуют циркадные регуляторы, но я слишком
разволновался из-за возвращения домой, чтобы уснуть, поэтому открыл оконное
стекло, пустив в машину знакомые пыльные запахи техасского лета, и стал
разглядывать ползущий мимо пейзаж.
Мы проехали через небольшой грушевый сад. На деревьях было полно помесей,
они собирали скоророщенные плоды. Человек-надсмотрщик лежал в тени, пульт
связи с обручами трансгенов - рядом, под рукой. Если спросите меня, что это
были за помеси, я так отвечу: процентов пятьдесят - шимпанзе, процентов сорок
- лемур и десять процентов - человек. Но за точность этих цифр не поручусь.
- Не люблю я трансгенов, - сказала Тамаринд. - Слава богу, у нас есть
законы, чтобы их держать в узде.
- Уже не говоря про обручи и диет-поводки, - добавил я. И тут у меня возник
интересный вопросик, я решил не держать его при себе: - Слышь, Там, ты вот
все говоришь, что трансгенов не любишь. А как же собственная
наследственность? Ведь когда-то, века назад, твои предки находились в таком же
положении, что и наши помеси.
- Черта с два! Мои предки были людьми! Большая разница.
Я понял, что она имела в виду.
- Ну что ж... Спасибо трансгенам хотя бы на том, что благодаря их появлению
реднек3 вроде меня общается на равных с такой девчонкой, как ты, и редко
задумывается, правильно ли это.
Там ущипнула меня за плечо:
- Ты совершенно прав, Лью.
Вскоре мы запарковались на площадке перед мотелем, о котором говорила на
озере Байкал Джеральдина. Кругом стояло много машин, каждая с дэдэишными
сплетенными молекулами на бортах. Как выяснилось чуть позже, другие цыганские
бригады уже обосновались в номерах корпуса, что служил раньше персоналу ССК.
Не иначе, предстоит один из самых крупных демонтажей в моей практике. Если
повезет, работа затянется надолго, и я вдоволь посплю на настоящей койке,
вдоволь поем доброй американской пищи и от души поугощаюсь сладким техасским
пунтангом - эх, скорей бы подвергнуть эту сочную вкуснятину органолептическо-
му экспресс-анализу!
В вестибюле мотеля Стэк устроил нам перекличку.
- Стрелок, вам с Бензиновым Биллом - триста шестнадцатый.
Я выругался. Бензиновый Билл, получивший это прозвище За татун на могучем
правом бицепсе - кружащаяся формула Кекуле в виде змейки с собственным
хвостом в зубах - тот еще сукин сын. Мне никогда не удавалось поладить с этой
шпаной. Может, и правда лучше было бы поселиться с Джеральдиной - пусть бы и
пришлось без конца отражать женские посягательства.
Я нашел в толпе Билла, и мы в напряженном молчании двинулись к нашему
номеру.
Когда пришли, Билл произнес:
- Слышь, ты, башка-отстойник, если мне приспичит затащить сюда разъем-маму,
лучше сваливай, как только мигну. И чтоб до утра духу твоего здесь не было.
Я положил ранец и спокойно посмотрел на Билла.
- Приятель, жаль тебя расстраивать, но факт есть факт: ты страшен, как
помесь обезьяны и рогатой жабы, и ни одна «мама» не взглянет на тебя во второй
раз, разве что за большие бабки или под комбинированным кайфом - «страхолюб»
с «пофигином».
Билл сгреб нагрудник моего комбеза:
- Ты, козлина...
- Билл, - сказал я спокойно и вежливо, - вспомни, что было в Марселе.
Он фыркнул, но отпустил меня. Отошел к своей койке, принялся распаковывать
ранец. Больше я не слышал требований «свалить», когда ему «приспичит».
Хорошее это дело, скажу я вам - с самого начала все по своим местам
расставить .
В хлопотах день пролетел стремительно, но все же мы успели совершить экс-
3 Реднеки (англ. rednecks — «красношеие») — жаргонное название жителей глубинки США,
вначале преимущественно юга, а затем и области при горной системе Аппалачи.
Соответствует русскому «деревенщина» или «колхозник», но в оригинале может применяться и
как ругательное слово наподобие русских «жлоб», «быдло», и как гордое
самоназвание . — Примеч. ред.
курсию на ССК - познакомиться с тем, что нам предстояло стереть с лица
планеты.
Но все были слегка разочарованы, прибыв на древний сверхпроводящий супер-
коллайдер, чья история изобиловала взлетами и падениями. ССК едва высовывался
из земли, он почти целиком схоронился под прерией, вместе с ускорительно-
накопительными кольцами, криогенными системами охлаждения и соленоидами
детекторов заряженных частиц.
Это круглое в плане сооружение имело в диаметре около пятидесяти миль, и
было совершенно загажено за десятилетия «невинных» экспериментов,
«практически не дающих радиации». (Мне было известно, что лунная установка, пришедшая
на смену ССК, в два раза больше, и ее строительство обошлось в два раза
дороже, хоть и велось в безвоздушном пространстве, с применением новых СП-
кабелей .)
Впрочем, когда мы оказались внизу, у всех поприбавилось энтузиазма.
Предстоящая нам работа выглядела несложной - никакой экзотики, если не считать
жидкого водорода, - зато практически вечной, больно уж велик был этот ССК. Не
заказ, а просто подарок судьбы!
Мы вернулись в мотель. К тому времени опустились сумерки, словно шелковые
простыни в «Пари-Хелмсли». Оказалось, ДДИ в нашу честь устроила вечеринку с
грандиозным техасо-мексиканским барбекю. Я уже тысячи раз говорил (и не
однажды рядом находился Стэк и слышал), что с работодателями нам сказочно
повезло . Пахло жарким - бизоньи стейки и котлеты из постносвинки. Я держал в руке
кружку холодного пивчика-живчика и смотрел, как одна за другой в небе
проклевываются звезды - точно разрозненные пиксели на древнем монохромном мониторе
Господа Бога. И слушал оживленную болтовню приятелей-цыган, и размышлял о
том, какая классная работа мне предстоит. Еще никогда в жизни я не был так
близок к раю, даже не допускал мысли, что он вообще может существовать на
нашей скорбной земле. И эта тихая радость, столь чистая и столь
противоестественная , настораживала меня. Ибо, как оказалось, она предвещала неприятности.
И вот закончилась первая рабочая неделя, и мы, цыгане, решили это событие
отметить. Несколько дней вкалывали, как проклятые, рвали жилы и наживали
грыжу - а после смены никаких развлечений, кроме тех, что предлагает плазменный
экран, да еще игры во флэшкарты, да метаболизирования самогонки в грязном
придорожном баре под названием «У Сэлли Мустанг» (владелица носила белый
конский хвост); короче говоря, нам срочно требовалась психологическая разрядка.
Собралась компания - я, Джеральдина, Там, Тино, Спад, Женева, Иг-И и еще
несколько наших, в том числе и Бензиновый Билл. Мы заказали автобус до
Далласа - чтобы Оттянуться с большой буквы.
Машину вел я, и получалось очень даже легко. Мы все прошли тщательный
тюнинг в дэдэишной клеткомойке, и нажитые на работе хвори и болячки исчезли без
следа. Кожа у меня стала упругой, как у домашнего любимца фирмы «Гедоникс
плюс». За ультрапрозрачным монокристаллическим лобовым стеклом мчалась
навстречу ночная декорация в потрясно высоком разрешении; все тени
просматривались во фрактальную глубину. Я не сомневался, что эта ночь внесет мегацифру в
файл «расходы на развлечения».
И вот мы в Далласе, и чешем прямиком в Дип-Эл-лум, первый в городе район
аттракционов. Паркуем автобус, включаем его защиту и топаем по запруженным
народом тротуарам, взбрыкивая попками в цыганской манере; парни идут так, как
будто у них бочка между ног, девчонки - будто скользят верхом по смазанному
шесту.
Не буду скрывать правду: шагая по улицам с друзьями-чавэлами, я гордился,
как десятилетний мальчишка, обрюхативший соседку-вдову. Я упивался духом
товарищества, солидарности; я вполне понимал свою социальную значимость - и это
было кайфово до невозможности.
В Дип-Эллуме было яблоку негде упасть - кто только не явился сюда, чтобы
провести в атмосфере праздника искусственный галогенный день. Встречались
помеси , выполнявшие поручения своих хозяев. Попадались малолетние пептид-
попперсы (четыре или пять когорт от моей по генетической линии) - сами себе
господа, они носились вместе с друзьями по шайкам и ватагам, щеголяя
прикольными шмотками в стиле «потенциал действия». Мелькали в толпе геронты и гулы.
За всем присматривали САС-копы с лазиками и шокерами, их задача - не
допускать столкновений между различными группировками. Ну и, понятное дело, район
кишел местными легашами. Но при всей своей стохастичности картинка была
вполне гомеостазная.
По барам мы двинули около восьми, открыли рецепторы всяким музонам,
заглушавшим фоновый звуковой спектр, - от многополярной музыки до старомодного
кантри-вестерна, исполняемого на одиноком синтезаторе. Ну и, понятное дело,
мы не забывали отдавать должное всевозможным делириантам и слабым опьяните-
лям.
Около полуночи я вроде опомнился - как будто мое сознание превратилось в
клубок из ниточки длиной в световой год, и эта ниточка размоталась до конца.
- Где мы? - спросил я у Тино.
- В «Неизведанных долях».
Я припомнил: так называется бар, где мы осели. Дым, шум, народу битком. Не
кабак, а пещера троглодитов. На стенах из настоящего камня горели неонеоновые
надписи: «Перестрой свой белок Мар2», «Какой у тебя ампераж?» и тому
подобное . Бармен был из помесей, с обезьяньей доминантой. Он висел на хвосте под
потолком и четырьмя человеческими кистями смешивал напитки.
И тут вдруг меня пробило на секс - точно сель хлынул по высохшему руслу или
открылся спускной клапан автоутробы. Я вспомнил, как несколько дней назад мне
жгуче хотелось забуриться в какую-нибудь простую техасскую розетку. Сию же
секунду у меня появился рог подлиннее и покрепче, чем у домашнего карликового
единорога. Я окинул взглядом танцевальную площадку, заметил, как Джеральдина
трясет худенькой попкой перед каким-то местным пижоном. А затем мой взгляд
сполз с Джеральдины - и остановился на девушке моей мечты.
Высотой она была все шесть футов, спасибо каблукам-шпилькам. Пятидюймовые
шипы цвета слоновой кости, росшие из ее пяточных костей, венчались золотыми
колпачками. Ступни были голые, если не считать специальных прыжковых
подошв , - я их заметил, когда красотка подскакивала к потолку. Носила она также
неопреновые колготки, а выше пояса не было ничего. Ее огромные груди
благодаря имплантированным кронштейнам были тверды и энергичны, как рукопожатие топ-
менеджера. Коэффициент преломления ее ореолов был изменен - они, по сути,
превратились в зеркала. На щеках - пятнышки радужно переливающихся чешуи. Я
бы побился об заклад на недельный заработок - у нее язык с кошачьей
шершавостью . Короче, не девочка - сказка. То, что клеткомойщик прописал.
Я спрыгнул на танцевальную площадку, неудержимый, как робокоп с тяжелым
вооружением и искрящейся проводкой.
Партнер ее, по всей очевидности, родился южнее границы - я сразу узнал
бразильца. Понаехало браззи в Техас, с тех пор как Заговор Докторов с целью
ликвидации премьер-министра вызвал такой переполох в высших эшелонах САС.
Я похлопал браззи по плечу.
- Хэй, менино, не позволишь ли и мне поучаствовать?
Вот ведь башка-отстойник! Будто и не заметил меня. Зато его чувихе моя идея
как будто понравилась. Она провела по нижней губе языком - я мог бы
поклясться , что расслышал в грохочущей музыке наждачный скрежет. Нахальство браззи и
кокетство его розетки так меня завели, что я перестал себя контролировать.
Развернул бразильца личиком к себе и вырубил ударом правой в челюсть. Потом
сграбастал его девочку и потащил к двери. Она ни миллисекунды не противилась.
В каком-то темном коридорчике я ее прижал к стенке и просунул язык ей в
глотку, аж до середины. Затем моя пятерня нашла ее лобок. Я чуть не помер от
огорчения, обнаружив полный мужской комплект. С поцелуем было покончено в тот
же миг, а вот руку я не убрал - слишком растерялся.
- Милый, в чем проблема? - спросила она. - Неужели тебе это не нравится?
В моей ладони все принялось корчиться и дергаться, как лангуста на крючке.
Привело это к немедленной детумесценции и судорожной инвагинации.
О, черт! Радиационные отходы! Я подцепил герма!
Когда я был в Далласе в последний раз, гермы не казали носу из своих
клубов, у нормального парня вроде меня было мало шансов напороться на кого-
нибудь из них. Похоже, и в самом деле мир катится к чертям.
Я отпрянул и наступил на чью-то ногу. Да это же малютка браззи! Мигом я
принял защитную стойку.
Он мне что-то протягивал. Свою визитку. Я малость опешил. Дождавшись, когда
я успокоюсь и расслаблюсь, он вложил мне карточку в ладонь.
- Сеньор, - заявил браззи, - вы будете иметь честь встретиться со мной,
Флавиано Диасом, в здешнем петушатнике, иначе вашим трупом будет украшено
окно этого импорио.
Поклонился и ушел. А я глянул на карточку: «Флавиано Диас, инструктор по
капоэйре, красный пояс, первая ступень».
В пыльном дворе позади мотеля я стоял босой, с голой грудью, обливался
потом под солнцем субботнего полдня - жара была, как в фильме «Секси-сиуксы».
Ну что за паршивый способ коротать досуг - тренируясь для поединка,
имеющего все шансы закончиться моей скоропостижной смертью через извлечение
внутренностей! И винить в этом некого, сам свалял дурака. Мой батька часто
говорил: «Сынок, мучить себя нет проку, если есть еще кого мучить». И его совет я
собирался выполнить - или умереть.
Я взял из украденного на складе ящика очередной пятифунтовый куль муки.
Вразвалку прошел в тень кряжистого болотного дуба - других деревьев около
мотеля не было. С ветки на веревке, на высоте моей головы, свисала изодранная
пластиковая сетка. Я вынул из нее распоротый мешок и вложил полный. Отступил
на несколько шагов, оставив на земле цепочку мучных следов.
А затем, глядя на подвешенный мешок, я двинулся кошачьей поступью, стараясь
гнать из тела и ума напряжение и сомнение в конечном успехе. Я наступал на
воображаемого врага; я делал финты; я отскакивал и уворачивался. Когда решил,
что паршивый мешок муки напрочь запутан и сбит с толку, развернулся на одной
ноге, а второй, параллельно земле, нанес удар.
Стеклянный полумесяц, блеснув на солнце, рассек пластик и ткань, и мука
разлетелась облачком, точно строительные силикробы.
За моей спиной кто-то свистнул. Я обернулся и увидел Бензинового Билла.
- Рад, что ты их не носил, когда мы с тобой поцапались, - сказал он.
Эти слова заставили меня вспомнить Марсель - мы тогда участвовали в великой
средиземноморской приборке. Он только появился в бригаде и сразу окрысился на
меня, наверное, потому что других парней, равных ему по габаритам, у нас не
было. Мне осточертели его бесконечные наезды, и я решил разобраться раз и
навсегда. Нашел в городе школу савата, или, как говорят сами лягушатники, «ле
бокс франсэ». Поддерживая нужную форму с помощью тропов, быстро научился
пинком убивать муху в полете. А в скором времени хорошенько взгрел Билла. Он же,
будучи парнем леноватым, тренироваться ради реванша не стал.
Позже, когда мы на тайско-кампучийской границе занимались восстановлением
биома джунглей и жили в бывших лагерях беженцев, я не упустил возможности
немножко поучиться кик-боксингу в ближайшем монастыре.
Я думал, что наработал очень ловкие движения. Думал до тех пор, пока не
посмотрел фильмы с выступлениями разных мастеров капоэйры.
Капоэйра - это бразильский бокс, удары наносятся и руками, и ногами. Блюдо
африканское, но с приправой из багийского тропико-фанка. Порой может походить
на самый невинный танец. Пока капоэирист не влепит своему противнику пяткой
снизу в челюсть.
В общем, поединок между мною и Флавиано Диасом в петушатнике обещал быть
небезынтересным. И не мешало бы мне выжить, чтобы было о чем вспоминать на
склоне лет. Я глянул на оцененные Биллом усовершенствования. Сразу после
ссоры в «Неизведанных долях» я посетил магазин телесных принадлежностей - решил
не терять времени. Хозяйничал там геронт - из тех, о ком говорят «песок
сыплется». Я усердно мотал на ус лекцию - авось пригодится что-нибудь из его
опыта.
- Поверь мне, я этих бразильцев знаю. По владению ножом они на равных с
аргентинцами. Твой неприятель выберет пару шпор из суперсплава на основе стали,
скорее всего уилкинсоновские или жиллеттовские. Это хорошие шпоры, но они
тяжеловаты. А вот эти, - он достал и открыл тонкий футляр, показывая две
прозрачные сабельки на черном бархате, - как раз то, что надо. Биостекло фирмы
«Корнинг». Режущая кромка ничуть не тупее, чем у лезвия из суперсплава, но
сама шпора легкая как перышко. И уследить за ней трудно. Кроме того, она
хорошо совместима с костным веществом. Врастим стекло прямо в твою большеберцо-
вую кость.
Помолчав, старик добавил:
- Да, кстати, по закону я должен тебе напомнить, что эти лезвия можно
носить исключительно в декоративных целях. А теперь, если ты с этим условием
согласен, может, приступим к установке?
Ну, что тут скажешь? Я взял шпоры.
А еще я дал себя уговорить на покупку двух пряно-ароматических желез - они
крепятся на запястье у пульсовых точек. С ними-де я буду себя чувствовать
настоящим мачо, женщины начнут липнуть как мухи на мед. Я не стал ему
рассказывать о том, как сам ухитрился влипнуть.
Я помахал ногами, посверкал шпорами - специально для Билла.
- Да, красиво, - признал он. - Но все-таки ставки делаются три к двум в
пользу Диаса. Я тоже решил поднаварить чуток на твоем горе, сосунок. - Билл
заржал. - До вечера, увидимся в петушатнике.
Он ушел, не дожидаясь моих возражений. Впрочем, я не был уверен в том, что
Билл стопроцентно заблуждается на мой счет.
Пришел черед нового мешка с мукой, и тут во дворе появилась Джеральдина. Я
притворился, будто не увидел.
- Лью, умоляю тебя, не надо. Ты же знаешь, компания тебя от Диаса защитит.
Не стоит зря рисковать своей жизнью, да к тому же идти против закона.
- Джеральдина, ты, кажется, что-то сказала?
- Да, я что-то сказала, упрямая ты постносвинячья задница! Я сказала, что
не надо гробить себя из-за дурацкой гордыни!
- Прости, Джеральдина, но мне никогда не удается расслышать, что ты
говоришь . То одно мешает, то другое.
- Да провались ты пропадом, чертов золотарь! Чтоб тебе кишки выпустили!
Моя ступня припечаталась к земле, поднялось мучное облачко.
- Джеральдина, ты меня недооцениваешь. Вот увидишь, как я надеру попку
этому щенку...
Она только зыркнула на меня и пошла прочь, В дверях мотеля оглянулась и
крикнула:
- А железы твои воловьим потом воняют! Тренировку я прекратил. С такими
болельщиками, как Билл и Джеральдина, трудно удерживать боевой дух хотя бы на
высоте дюйма от земли.
Я стоял на левой ноге, правая, согнутая в колене, была поднята. Банданой я
вытер лезвие. Потом сделал то же и с другим.
Вечером я слопал большой стейк, фунт спагетти и яблочный пирог, сопроводив
все это дозой пищеварина. К началу поединка желудок опустеет, а тело получит
все необходимые белки и углеводы. Потом я отправился вздремнуть, и сон пришел
на удивление легко. Когда сыграл будильник, я встал и принял душ. Надел
ботинки устричного цвета - их пришлось разрезать, чтобы пролезли шпоры.
Блестящие лезвия я прикрыл штанинами джинсов - получилось не слишком изящно, ну да
сойдет.
Ни с кем не попрощавшись, я взял одноместный мобиль на батарейке и поехал в
город. К общению не тянуло. Пускай ромалы добираются сами, а не захотят, так
пусть в мотеле остаются. Билл и Джеральдина здорово меня разозлили.
Петушатник находился в Камспаник-барио, на старом товарном складе. Его
запущенный вид не вязался с понатыканными кругом дорогими тачками. Я оставил
среди них свое транспортное средство и вошел в здание.
Там ветхие трибуны взбирались под темные стропила. И все места были заняты
почтеннейшей публикой, закинувшейся возбудином в ожидании развлекухи. В
центре помещения располагался круглый деревянный помост высотой по лодыжку, а
шириной с домашний плавательный бассейн. Ринг был покрыт слоем песка. На нем
двое парней счищали пролитую кровь - стало быть, матч только что кончился.
Я нашел рефери - блондинку с неразвитыми перьями на месте бровей - и
объяснил ей, кто я и зачем пришел. Через минуту она разыскала в толпе Диаса и
привела ко мне. Прав оказался продавец - бразилец носил уилкинсоновские лезвия.
- Сеньор, я рад убедиться, что имею дело с человеком чести.
- Цыпленочек, честь тут ни при чем. Я хочу только поиметь в задницу одного
маленького заезжего извращенца, любителя гермов.
- Да будет вам известно, сеньор, эта леди, несмотря на особенности ее
анатомии, великолепная танцовщица, и я буду счастлив защитить ее репутацию,
похоронив сеньора в земле, которая его взрастила.
После этого «обмена любезностями» мы разделись возле ринга. Рефери тем
временем привела Ищейку.
Живот Диаса был словно из гранита вырезан. Шоколадного цвета кожа. Ростом
он едва доставал мне до грудины, зато мускулатура торса моей не уступала ни в
чем. Ладно, авось мое преимущество в росте чего-то стоит. Главное - не
подпускать бразильца вплотную.
Мы нацепили кевларовые гульфики. Я заметил Бензинового Билла - устроился в
первом ряду, злорадная улыбка от уха до уха. И держит мою одежду и обувь!
Черт с ним - еще не факт, что они мне снова понадобятся. Чувствовал я себя
странно, казалось, яйца раздулись, стали большими, как у Хомяка.
Рефери отдала приказ Ищейке. Та сначала подскочила ко мне, лизнула, пробуя
пот, куснула за руку между большим и указательным пальцем, чтобы кровь чуть-
чуть пустить.
- Ничего, - прорычала Ищейка, погоняв жидкости по ротовой полости.
Той же процедуре она подвергла и Диаса, с таким же результатом.
- Ну что ж, сеньор и мистер, вы оба находитесь под воздействием разрешенных
веществ, противозаконные стимуляторы не обнаружены. Давайте начинать
представление !
Мы поднялись на ринг, и толпа разразилась варварским ревом, которому бы
позавидовала публика древнеримского Колизея.
Рефери заговорила в пристегнутый к вороту микрофон:
- Граждане и прочие, сейчас вы увидите грандиозный матч. Слева от меня -
гость Великого Далласа сеньор Флавиано Диас, из-за южной границы.
Диас получил бурные аплодисменты - ничего удивительного, кругом хватало его
земляков.
- А справа от меня - коренной техасец из Роберт-Ли, мистер Лью по прозвищу
Стрелок.
По части оваций я Диасу не уступил. Пока публика орала и хлопала, я искал
знакомые лица - Джеральдина здесь и кое-кто из ребят. Затем снова
сосредоточился на предстоящей драке.
- Итак, петухи, вам обоим известны правила. То есть вы знаете, что здесь
нет никаких правил. За исключением того, что победитель решает, получит
проигравший лечение или нет. Вперед, и да победит лучший петух!
И рефери поспешно отошла. Как только ее вторая стопа оторвалась от ринга,
Диас напал.
Для начала он испробовал галопанте, удар рукой в ухо - чтобы я потерял
равновесие. Я уклонился, и кулак лишь вскользь прошел по виску. Какая жгучая
боль!
Я в долгу не остался - ткнул двумя напряженными пальцами сеньору в
солнечное сплетение. Будто в доску! А ведь я стопку в несколько листов сталефанеры
пробивал. Ничего, это он только притворяется, будто не почувствовал.
Толпа не скупилась на кровожадные вопли. Диас, точно идя на поводу у
почтеннейшей публики, провел бенсу, удар ногой вперед. Я смотрел, как движется
его правая нижняя конечность: сначала будто в замедленном кино, но все
разгоняясь ; стальное лезвие целит в мое горло. В самый последний момент я ушел
вниз. Упав на ладонь, лодыжкой подсек единственную опорную ногу Диаса.
Но он, вместо того чтобы шлепнуться на песок, превратил свое движение в ау,
то бишь колесо, и снова очутился на ногах на другом краю ринга. Я ринулся
вдогонку, рассчитывая ослабить его парой-тройкой крепких плюх. Несколько
головокружительных секунд мы обменивались прямыми ударами в корпус и голову, и
не возьмусь судить, кому досталось больше. Мы вошли в клинч, оттолкнулись
друг от друга.
И вдруг Диас оказался ко мне спиной. «Вот она! - подумал я. - Твоя первая и
последняя ошибка. Попался, ублюдочек!» Я вознамерился разрезать его, как
только повернется.
Но он не повернулся. А сгруппировался и сиганул назад, с выходом на руки!
Макаку - обезьяна! Одним прыжком одолел полринга.
И теперь я стоял к нему спиной.
Я резко повернулся.
Поздно!
Сначала почувствовал острую боль и лишь потом сообразил, что случилось. Два
синхронных удара пришлись в бедра. Подлый браззи рассек мне бедренные
артерии.
Я зашатался. Потом рухнул ничком. Из меня вместе с кровью вытекала сила.
- А теперь, - проговорил Диас, - я выполню свое обещание.
По голосу я определил, где он стоит. Собрав последние крохи сил, я сделал
некое подобие стойки на руках, и вонзил обе шпоры сеньору в брюхо. И рванул
книзу, отчего у Диаса подломились ноги. Внутренности вывалились на кровавый
песок.
- Тебе любой, кто на ферме вырос, скажет: не подставляй мулу задницу, -
кое-как проговорил я и вырубился. Только успел подумать напоследок: если оба
проиграли, то как же быть с лечением?
Не прошло и тридцати секунд, как явились блюстители закона.
Позже я узнал, что Диас обладал дипломатической неприкосновенностью, и
когда у него пошли к нулю жизненные показатели, власти испугались
международного скандала. Только по этой причине они сорвали субботнюю народную забаву -
малость поздновато для меня.
Короче говоря, полицейские вышибли двери и пустили «страсти-мордасти»,
«реву-корову» и «каку-воняку», чтобы подавить всякое сопротивление. Зрители
пукали , плакали и звали мамочку, а мы с Диасом валялись, истекая кровью. Мне
повезло - я лежал у двери, потому и не слишком надышался.
Но все же отключился еще раз.
А когда очухался, понял, что моя голова лежит на коленях у Джеральдины.
Она плакала. От слезоточивого газа, предположил я.
Джеральдина проговорила сквозь рыдания:
- Лью, ты не бойся, не бойся, не бойся! У меня с собой аптечка. Специально
для тебя принесла. Я тебя уже заштопала.
Я хотел потрогать бедра, но не удалось - Джеральдина перехватила мою
пятерню и прижала к своему лицу. А потом - наверное, машинально - принялась тереть
моим запястьем по своей шее. Как раз тем местом, где была накладная железа.
- Все обойдется, Лью. Я добьюсь твоего освобождения под залог, и буду
приходить к тебе в больницу. Вот увидишь!
Долго пришлось искать голос, облюбовавший себе укромный уголок где-то в
глубине меня.
- Джеральдина... я тебя не слушаю, - прохрипел я.
- Да, Лью, я знаю. Ты меня никогда не слушаешь.
Большой Едок
Это откровенный рассказ о том, как я спас Чикаго от Второго Потопа, не дал
сестре окончательно превратиться в багу и заработал себе продвижение по
службе - из класса серволайт прямо в альфа-симбланды. И все это - за один-
единственный день.
Правда, не обошлось без содействия Большого Едока.
То судьбоносное утро начиналось в точности так же, как и любое другое.
В семь пичужка-болтушка защебетала мне в ушко. Она не совсем синтетическая
- старая модель, дельтаволновая, синкретическая. Сразу включилось реле
просыпания, всплыли в сознании воспоминания. Я ведь общественник, я - серво-лайт,
ждет меня служба, пора на арбайт. Живо вскочил - и с песней вперед! День
пламенеет , труба зовет! Вот на что намекала пичуга, моя верная слуга и подруга.
- Пора вставать, Корби! Пора вставать! Семь ноль одна ноль три! А то на
работу опоздаешь. Пора вставать!
Нету сна ни в одном глазу, на пол с койки уже ползу. Только свесил с
кровати чресла, как она превратилась в кресло.
- Хватит трещать, я уже не сплю! Птаха умолкла, раскрывши клюв.
По пробегающим в черепе рифмам мне стало ясно: надо срочно поправлять
здоровье. Так что первой процедурой утреннего туалета стала смена липучки.
Отработавшее свое изделие фирмы «Каби-Фарм» я сорвал, а свежее пришлепнул за
ухом. Чуткий встроенный датчик, чтобы липучка не бросалась в глаза, изменил
ее окраску на шоколадную - под цвет моей кожи.
Употребив тропы, я пожелал узнать новости. Птичкины эндопланты
(производства «Тогай-Мэджик») отреагировали на мои голосовой приказ-заказ. Яркий попугай
осекся на полуфразе и разразился цээнэсовским аудиопотоком; сигнал шел по
шлейфу мультиплексовой передачи, который не позволял пичужке-болтушке
удаляться от насеста.
«Вчера мэр Джордан начал недельное празднование своего восьмидесятилетия.
Первым мероприятием послужило открытие построенной концерном
„ДаймлерКрайслер аэроспейс" новой станции Жолье на чикагско-монреальской магнитолеви-
тационной дороге. Церемонию посетили североамериканский премьер-министр,
директор Биорегиона Великие Озера, несколько высокопоставленных представителей
Всемирного Банка и множество товарищей мэра по его прежней команде. Все
побывали затем на званом вечере, где вместе с ними развлекались звезды
многочисленных фабрик грез, от Болливуда до Тайконга, включая столь известных
деятелей, как Ньюси Флузи, Джонни Куэсти и Вуббо Кита.
Комиссия по надзору за трансгенами выпустила демон-релиз с предупреждением
о том, что знаменитая беглая помесь, известная под кличкой Чокнутый Кошак,
возможно, проникла в БВО. Просьба ко всем траншам сообщать о любых
подозрительных лицах своим симбиотическим баззвормам4 или патрульным робокопам.
Сегодня во второй половине дня проходившая перед Торговой палатой
демонстрация антимодов вылилась в массовые беспорядки. Традиционный лозунг «Без
наворотов и хронокроя» вскоре сменился криками «Трансгенов - на мыло!». Власти
объявили зоной чрезвычайного положения сферический сегмент в девятнадцать
дуговых градусов, изолировали за полчаса три квартала и пустили газы «безмятеж»
и «рвотонедержин».
Новости с финансовых фронтов. Индекс Ханг-Сенг отмечает повышение
активности в торговле, такова реакция на лихорадку пражской биржи. Мумбайские
брокеры ответили на это...»
- Помягче, - приказал я, и попугайский голос Центральной Нервной Сети
снизился до успокаивающего шепота.
Пичужка-болтушка - это связь с ЦНС, но связь примитивная, ограниченная по
возможностям. Увы, никакой другой мои измененные биопараметры не допускают.
Мне крепко досталось - нейросети всмятку, мысли так и норовят рифмоваться, а
виртуалка или даже обычная трехмерка для меня теперь недоступны. Не репа у
меня теперь, а рэпа. В том смысле, что она любую ерунду перекладывает на рэп.
Ту катастрофу мало кто помнит. Да и неудивительно, ведь столько воды
утекло, и мир так быстро меняется. И эти катастрофы, одна другой круче: Хронотро-
повая война, вторжение Большой Серой Сикарахи... Скандалы меньших масштабов и
сиюминутные диковины быстро забылись. Да и к тому же событие, о котором речь,
произошло больше десяти лет назад. Тогда пострадали три миллиона человек,
плюс-минус сколько-то там. Но ведь это всего лишь четыре процента от
населения, и вдобавок жертвы рассеяны по всему Североамериканскому Союзу.
А случилось вот что. Около трех миллионов перципиентов настроились на канал
«Виртуально-музыкальное шоу», чтобы насладиться получасовой программой «Рэп-
классика». Вот тут-то возьми да и случись диверсия. (Помнится, виновных в
преступлении так и не вычислили, хотя подозревали многих - от Сыновей Дикси
до Пушек Лимба.) Ни один перец даже не успел сообразить, что происходит, уже
не говоря о том, чтобы отключиться. Скорость двоичной передачи ВМШ вдруг
утроилась, защита не среагировала, и на невинный сигнал наложилась пиратски
изготовленная копия микропрозовской «Реформы хардкора», обычно выпускаемой по
государственной лицензии и предназначенной для государственных и
корпоративных пенитенциарных учреждений.
Вклинившаяся программа свое дело сделала. Текст «Реформы хардкора» имел
облик невинного рэпа, однако ей удалось отключить волевые центры перцев и
проложить новые нервные пути в трех миллионах мозгов, сделав полувековой
давности рэп доминантной поведенческой парадигмой.
В конце концов, власти прекратили работу ВМШ, но к тому моменту три
миллиона человеческих мозгов уже было зомбировано.
- И один из этих мозгов принадлежал мне - в ту пору тринадцатилетнему
невинному ангелочку, жившему вместе с мамочкой и сестричкой в проджексе
«Турецкий модерн».
Ладно, не буду нагнетать атмосферу, пугая читателя сверх всякой меры. Курсы
лечения тропами и восстановителями со временем почти восполнили урон,
понесенный нервной системой. Почти - но не совсем. Внешне я стал вообще
совершенно нормален, если не считать пустякового тика. Но хоть я на голову и окреп, а
Баззворм (buzzworm) — популярная в начале восьмидесятых компьютерная игра. Длинный
лупоглазый червяк ползает по лабиринту, уничтожая распределенную там пищу. — Примеч.
пер.
все равно обожаю рэп! Хотите - верьте, хотите - не верьте, любить его буду до
самой смерти!
К сожалению, максимум, на что оказались способны крупнейшие лаборатории -
такие как «Ново-Нордиск», «Кантаб» и «Неосефарм», - это создать троп,
снимающий симптомы недуга. Дневная доза стихосомов позволяет худо-бедно
контролировать квазитурет-синдром. Правда, в стрессовых ситуациях, в моменты
пробуждения или под воздействием других сильнодействующих препаратов я не очень
правильно говорю и думаю.
Естественно, были судебные процессы, и со временем жертвам катастрофы
выплатили компенсацию. Каждый получил десять тысяч северосоюзных долларов.
Я половину этой суммы отдал маме. Грустно вспоминать, как она все истратила
за одну поездку на Вторую Месу, знаменитую своими индейскими казино. Ей не
хватило денег даже на короткую экскурсию в Большой Каньон - а ведь она так
давно мечтала пролететь по нему на Лед-Зеппелине. Тысячу я выделил сестре -
насколько нам с мамой известно, Шарман эти деньги тоже профукала. А те, что
оставил себе, я решил поберечь.
И хотя перед катастрофой я не думал всерьез о переселении из «Турецкого
модерна», впоследствии надумал жить отдельно. Видел я, как опускаются живущие
на инвалидное пособие - когда день-деньской валяешься на койке, а разум твой
шарится по виртуалке, ничем хорошим это кончиться не может. Поэтому я дал на
лапу одному мелкому муниципальному чиновнику, и в обход закона мое имя попало
в список «лотерейных» кандидатов в Депобщраб. На оставшиеся бабки я накупил
черного ширева, оно помогло со скрипом пройти тест на профпригодность. (Я мог
бы получить оценку и повыше, но волновался и выдал рифмованный ответ, что не
понравилось экзаменаторам.)
Эта оценка в дополнение к моему официальному статусу нетрудоспособного лица
обеспечила меня первой - и пока единственной - в моей жизни работой: кормить
Едоков и выполнять распоряжения шефа нашего корпуса Ченгиза Озтюрка.
А он будет рвать и метать, если я опять опоздаю.
Поэтому я налил растительного молока «Пионер» в чашку со «Стрессген-
суперхлопьями» и торопливо съел. Облачился в синюю с золотом депобщрабовскую
форму-облегайку и был уже почти у двери своей стандарт-комнаты, когда через
мои фильтры пришло личное сообщение с кодом высшего приоритета и громогласно
прервало едва слышные новости ЦНС.
- Корби, - заорал попугай, - это мама! Я из дома звоню! Скорее приезжай! С
твоей сестрой беда!
Прежде чем я успел запротестовать - мол, опоздаю на работу, если к тебе
поеду, не можешь ли сама как-нибудь справиться? - мама отключилась, не оставив
мне другого выбора, кроме как смазать пятки и бежать без оглядки. На пути
моем - стул, я его лягнул; на пути моем - дверь, я рычу как зверь. Дверь ушла в
стенку, бегу по ступенькам. Вот я в интраметро, дух перевожу. Что случилось с
сестрой? Ладно, там погляжу.
До «Турецкого модерна» я добрался в два счета.
Квартал успел состариться еще до моего рождения, а теперь он и вовсе
казался древним, как ноев ковчег. Неумные дома, серые улицы, неполноправные
граждане, мусорящие на площадях. Всюду карманники и попрошайки, каждый дом -
логово шайки. На улицах патрулируют мутавимы и ходжи, куколке с сексовым
прикидом лучше им на глаза не попадаться.
Девятым валом нахлынуло мое безрадостное прошлое. Но я, облаченный в синее
с золотом, мужественно поднял голову и двинулся через толпы зевак, не
удостаивая их даже взглядом. Пусть видят: ничто меня с этим местом не связывает.
Чтобы не лезли в голову рифмы, надо думать о чем-нибудь нейтральном. Я
вспоминал историю квартала.
Когда я был еще мальчишкой, во времена Последнего Джихада, вскоре после па-
дения Стамбула, МВФ стал пускать беженцев в разные страны, города и
биорегионы. В Чикаго прибыли главным образом турки - их насильственно вселили в
построенный второпях проджекс.
Одним из этих поселенцев был мой папа.
Он полюбил местную девушку по имени Чита Гарвей. Она и стала моей матерью.
В шестнадцать лет она была очень симпатичной кубо-гаитянкой. Родственникам
папы не очень-то пришлась по вкусу перспектива межконфессионального брака, но
он все же состоялся, и вскоре на свет появился сын, а затем и дочь.
Когда мне было восемь, а сестренка была новорожденной, папа и его дядя,
фанатик по имени Зеки, серьезно поспорили. Зеки утверждал, что отец предал свой
род. Слово за слово, и дошло до потасовки. И до крутой потасовки - Зеки
выхватил из кармана нейрошунт военного образца (разработанный снеговиками и
«участвовавший» в операции «Рок Касбаха»5) и прижал его к отцовской шее.
Быстро пробурившись к позвоночнику, шунт завладел контролем над папиными
моторными импульсами и буквально заставил его не дышать.
После смерти отца я был главным (и единственным) мужчиной в семье. Пока не
отселился.
А теперь мама вновь заставляет меня вспомнить былую роль, хотя я давно снял
с себя заботу о ней и о сестре.
Когда я поднимался по стертым ступеням знакомого до боли девятого корпуса
(жильцы его в шутку прозвали Золотым Рогом), на меня упала медлительная тень
дирижабля с лазерным управлением. И я с грустью вспомнил мамину стародавнюю
несбывшуюся мечту о посещении Большого Каньона. Что же они с Шарман не
оставят меня в покое, что же все тянут меня в проклятое прошлое? Им наплевать на
то, каких бабок и хлопот мне стоило получить даже паршивую должность серво-
лайта. Им наплевать, что я могу ее лишиться из-за сущего пустяка - такого,
как опоздание.
«Эх, вот бы совершить что-нибудь выдающееся, - думал я, поднимаясь на
вонючем лифте (стены кабины были сплошь в похабных сентенциях местных жителей), -
показать, что я не просто инвалид, взятый на работу из жалости, что я -
профи... Может, тогда бы мне жилось поспокойнее...»
Но я совершенно не догадывался, какой приз-сюрприз припасло для меня
ближайшее будущее.
На сорок четвертом этаже я подошел к знакомой двери. Было слышно через мак-
ромолекулярные стены, как кричат друг на друга мама и Шарман, так что я даже
не постучал. Просто приложил ладонь к потоанализатору генного экрана и вошел.
На меня обрушилось запоздалое дежа-вю. За год, пока я здесь отсутствовал,
ничего из мебели не переставляли - а значит, не было и других перемен. На
полке так и стоял мой детский набор «Юный генетик». Устаревшая филипсовская
виртуола щеголяла пятнами - три года назад я ее пытался перекрасить глупокра-
ской.
На подоконнике цеплялась за жизнь вечноумирающая орхидения.
Мама стояла ко мне спиной, заслоняла сестру. Когда повернулась и отошла, я
понял, отчего она такая расстроенная и почему она вызвала меня.
Шарман обзавелась еще несколькими усиками. Да к тому же по обеим бокам и
бедрам появились ряды жучиных ножек, и все эти отростки противно шевелились,
дергались и корчились. Одежда была поделена на сегменты - чтобы не стеснять
движения многочисленных конечностей.
- О нет! - воскликнул я. - Шарм, я думал, ты уже порвала с Тараканами...
У сестренки всегда было томно-миловидное личико, несмотря на космы и живые
черные с радужным отливом протеогликановые усики, торчащие на добрый метр из
лба. Но теперь это лицо, искаженное горем, страхом и слезами, казалось урод-
5 Намек на песню английской группы «Клэш» «Rock the Casbah». — Примеч. пер.
ливым.
- Я никогда не порву с Тараканами! У меня просто башлей не было на все
нужные навороты, а как появились, так я и...
В разговор вмешалась мама:
- Расскажи брату, как ты добыла две тысячи сас-баксов! Давай выкладывай!
Шарман возмущенно выпрямилась:
- Ладно, мамочка, расскажу. На кошках выиграла. Мама оглянулась на меня в
поисках поддержки:
- Нет, ты слышал?! Родная мать во всем себе отказывает, кроме азартных игр,
а она последние деньги крадет! Эта jeune fille estupida6, не способная
отличить гепарда от оцелота, все ставит на один забег!
- Это я-то не могу отличить?! Да я вернула вдвое больше, чем взяла!
- А остальное зачем растранжирила?! Во что превратила свое прекрасное тело?
- Моя грудная клетка, во что хочу, в то и превращаю. И кто бы говорил! Это
ты у нас, что ли, мисс Бетти Базовая Линия?!
В суматохе я далеко не сразу обнаружил в мамином облике перемены.
Шоколадная кожа в пятнышках, как шкура у ее любимых беговых кошек. Прозрачные усы,
на манер кошачьих, дыбились над ртом.
- Ерунда! Моя пустяковая слабость - как старомодная тень для век моей
memere7 по сравнению с твоими безумствами. И, кроме того, belle gato8 -
млекопитающее, как и мы. А тараканы...
Этот шар угодил точно в лузу. Шарман взорвалась!
- Ну, давай! - завопила она. - Договаривай! Тараканы - это насекомые! Жуки!
Баги! Ничего, меня этим не оскорбишь. Жуки прекрасны! Они по развитию не ниже
нас, а выше! Существовали задолго до млекопитающих и останутся, когда мы сами
себя истребим. Горжусь тем, что я - Таракан! И как только денег раздобуду,
панцирь куплю, целиком! Сейчас идет война цен между «Нейрокрином» и «Берлек-
сом», хитин уже не дороже простогландина! У Долгоносика есть щитки, красивые
- никакими словами не описать.
- Ай-яй-яй! - запричитала мама. - Дамбалла, Эрзули и Иисус, спасите меня от
этой маленькой хамки!
И вдруг мои ноги точно в кисель превратились. В который уже раз я слушаю
этот спор? В сотый, наверное. Наши жизни - будто фильмы, но мамина и сестрен-
кина все снова и снова прокручиваются, а моя - на паузе.
Сколько ж еще терпеть эту пытку? Когда совершу я к бегству попытку? Пусть
эти тетки рвут себе глотки, только меня отпустите, уродки! Надо брать
ситуацию в свои руки, пока эти скандалистки не вырвали из меня сердце.
Я устало опустился на стул, мой взгляд упал на настольный аквариум. Там
плавала четверка чешуйчатых трилобитов. Возня этих водяных гусениц напомнила
о работе, и я вскочил, как ужаленный.
- Да прекратите же! Вы ничего не решите, если будете друг на друга орать.
Разве так должны толковать дочь и мать? Мама, вам с Шарман пора убрать пальцы
с горячих клавиш. Что было, то быльем поросло, надо жить дальше. - Тут у меня
возникла спасительная мысль: - Вот что, пускай Шарман при мне денек
потусуется . У нас будет время обо всем поговорить, авось что-нибудь путное из этого
вылупится. А вечером я ее привезу, и мы поужинаем вместе.
- Корби, ты всегда был таким славным мальчиком, - заулыбалась мама. - Не
сомневаюсь, ты сумеешь вправить мозги нашей la cucaracha9.
Шарман напряглась:
6 глупая девица (фр., исп.)
7 бабушка (фр.).
8 прекрасный кот (исп.).
9 таракан (исп.).
- Мама, я предупреждаю...
Я схватил Шарман под локоток, шлепнул по одной из растущих из живота ножек
(та инстинктивно поджалась) и потащил к двери.
- Корби, - провожал меня в коридоре мамин крик, - я приготовлю твой любимый
мамонтовый стейк!
Только в поезде, что ехал через город, Шарман заговорила со мной.
- Мамонтовый стейк! - фыркнула она. - А для меня - только котлетка из овце-
волчатины, и то, если долго клянчить!
Я слегка успокоился, доставучие рифмы отступили в какие-то маловажные доли
мозга. Слава богу, Шарман не собиралась хранить угрюмое молчание. Поглядим,
вдруг да удастся выправить ситуацию.
- Зря ты так, Шарман. Знаешь же, мама - не из породы домохозяек. Да и после
папиной смерти нелегко ей пришлось. А ты, вон, играть вздумала. Неужто не
понимаешь, что этим блокируешь ее рецепторы? У нее и правда только одно
развлечение в жизни осталось...
Шарман напряглась, отростки на животе принялись шевелиться, как ножки
задавленного таракана. Видимо, она еще не научилась как следует управлять этими
конечностями.
- А как насчет меня? Я для нее что, не развлечение? Почему она мной не
интересуется, моей жизнью? Тебя всегда расхваливает, превозносит до небес. А
мне от нее достаются только гной и слизь.
- Шарм, зачем так вульгарно? Мама меня больше любит, потому что я ей,
наверное, чем-то папу напоминаю. И она мной гордится, потому что я выбрался из
проджекса. И работу нашел... Правда, это не бог весть что, но все же... Ну а что
она твои лейкотрины катализирует, так это...
- Знаю, знаю, из-за Тараканов. Ну, ладно. У меня для вас с мамой есть
новость . Я уже не личинка. Я взрослая. И я все решила! Быть Тараканом - это
здорово. Это великая честь. Сделался Тараканом - оставайся им до конца. И
очень скоро я стану Тараканом полностью. Потому что со дня на день начнутся
великие события, и Тараканы...
Шарман осеклась.
- О чем это ты? Что за гадкие капканы ставят нам твои Тараканы?
Она обхватила себя всеми восемью руками - две основные и шесть
дополнительных , - замкнулась, и мне больше не удалось вытянуть из нее ни слова.
Когда остановился поезд, мы в очереди к выходу оказались за Человеком-
Видимкой. Жуткое зрелище всех его работающих внутренностей вызвало у меня
желание исторгнуть съеденные на завтрак суперхлопья.
Ну и выдался денек, хоть головкой об пенек!
Наверху мы зепто подождали на зеленом берегу озера Мич, под деревьями.
Свежий ветер теребил нам волосы. На чистых водах играло солнце. Недалеко от
транзитной остановки высилась штаб-квартира Корпуса Едоков, подчиненного
властям БВО. Мы с Шарман двинулись в этом направлении по утопающей в тени
адамовых деревьев пешдорожки.
Штаб-квартира КЕ в прошлом веке была аквариумом Шедд. Но, как и все зоо- и
аквапарки былых времен, с пришествием помесей океанариум оказался не при
деле.
Когда трансгены всех мастей - в том числе и чудища, каких матушка-природа
по собственной воле никогда бы не произвела на свет, - стали попадаться не в
книжках и фильмах, а на улицах, в транспорте и магазинах, а то и в кроватях
отдельных представителей человеческой расы (например, продукция «Гедоникс-
плюс»), зевакам разонравилось смотреть на клетки с тоскующими пленниками. Все
зоопарковладельцы быстро распродали экспонаты по лабораториям и занялись
другими делами. Даже как хранилище видов, находящихся под угрозой исчезновения,
Зоопарк больше не был нужен - эту работу на себя взял Большой Генетический
Банк.
Но все-таки бывший туристский аттракцион сохранил кое-какие связи с
животным миром, и у меня нередко возникал повод об этом подумать.
В дверях я встретил Шарика, своего приятеля и коллегу - он тоже работал
Кормильцем Едоков. И видок у него был замотанный.
- Привет тебе, Шарик, ходячий кошмарик, - чуточку нервничая, сказал я. -
Как настроение у нашего Оззи?
Физиономия Шарика - сплошь вислые складки и глубокие морщины - очень
подходит к собачьей кличке. Всегда-то он уныл, и свет ему не мил. А когда по уши в
заботах, как сейчас, так просто олицетворение вселенской тоски до гробовой
доски.
- Меня Хан напугал. Он же всегда такой апоптозный, а нынче просто на себя
не похож! Представляешь, дал нам всем отгул, велел посетить в Петле10
официальный контакт-фестиваль. Ну, это что-то вроде сенситивного тренинга - как
правильно обращаться с демонстрантами-антимодами. Вот ты скажи, неужели тот
Хан, которого мы знаем и ненавидим, способен уронить хотя бы йоктослезинку,
если кто-нибудь из нас треснет по зубам чертова горлопана?
Действительно, для Оззи это странновато. Но все же я решил, что слышу
хорошую новость - хорошую по сравнению с предыдущими. Мне даже зепто полегчало.
Однако Шарик тут же меня разочаровал:
- Он у всех спрашивает, где тебя носит. Сдается, для кадета Корби у него
особое задание.
- Всемогущий Огун! Ну, я и влип, как базово-линейный кур в ощип!
- Вовсе даже и не обязательно. Я же говорю: наш Хан на себя не похож.
Может, и не спустит с тебя шкурку. Но все-таки не стоит тебе медлить.
- Твоя правда. Спасибо за предупреждение, Шарик. С меня - ответная услуга.
- Да ладно, какие счеты между чуваками. Э, а кто эта симпотная бага? Хочешь
со мной денек провести, а, божья коровка?
Пока мы с Шариком толковали, Шарман скучала и помалкивала, да шевелила
новыми конечностями в запрограммированной последовательности - чтобы
попривыкнуть к управлению ими. (Я надеялся, что она не забыла принимать цекропины.)
Однако последние слова Шарика ее вывели из себя:
- Ты, хордовое! Жуй ромашник и помалкивай в намордник!
- Шарман, не заводись. Шарик, это моя младшая сестра, только она сегодня не
в духе. Ты уж не обижайся.
- Млекопитающее не должно заступаться за Таракана.
- Шарм, инкапсулируй раздражение в вакуоль! Шарик, вот что, я тебя попозже
найду. А сейчас пора получать от начальника горькие пилюли.
Я провел Шарман в офис Ченгиза Озтюрка. В приемной усадил сестру на диван-
чик-обниманчик фирмы «Био-сферикс».
- Здесь побудь. Мы еще не договорили насчет проблем нашей маленькой
зародышевой линии. Через зептосекунду вернусь.
- Просто сидеть и ждать? Да я со скуки сдохну.
- Можешь волосы свои пересчитать. Найди себе развлечение, не сестра, а
сплошное мучение. Вот, картинки порастрируй. Некогда мне с тобой нянчиться,
начальник ждет, по башке надает...
Никогда еще любящий братец не позволял себе такого обращения с Шарман. Но
это, похоже, открыло ей глаза на широту моей натуры, и она хмуро взяла пару
ретинокрасителей, предназначенных для скучающих посетителей.
- Глазоувеличитель фирмы «Оливетти», - насмешливо проговорила она. - Ну и
хлам!
Я так изменился в лице, что Шарман замолкла и надела очки.
Деловой, торговый и культурный центр Чикаго. — Примеч. пер.
Пройдя зигзаг световой ловушки, я очутился в рабочем кабинете Озтюрка.
Ченгиз Озтюрк - ветеран Последнего Джихада. Он занимал пост в светском
правительстве Турции и едва не погиб в осажденном шахидами-убийцами Стамбуле.
Озтюрк пережил самый мощный штурм города и пострадал от новейшего оружия.
Существовала раньше такая болезнь - ксеродерма пигментозум. Тот, кто ее
цеплял, становился настолько чувствителен к солнцу, что, проведя под ним (еще
до образования Великой Озоновой Дырищи) средней продолжительности день,
приобретал рак кожи и другие клеточные заболевания.
Озтюрк был поражен боевым инфекционным агентом, выведенным из возбудителя
этой ретроболезни. И теперь заразу не искоренить, она подстроила свою
жизнедеятельность под его физиологические процессы.
Достаточно попадания на кожу нескольких фотонов с частотой видимого света,
чтобы мой шеф забился в конвульсиях. И это спустя зепто времени закончится
гипермучительной смертью.
Его эвакуировали в светонепроницаемой гомеокапсуле и поместили в подземную
операционную, куда не проникал ни единый фотон, и там костолепы и клетковары
тщательно его обследовали. Но помочь ничем не смогли, разве что адаптировали
его зрение к инфракрасному свету и подыскали кабинетную работу альфа-
симбланда.
Со временем он стал шефом Корпуса Едоков, моим начальником. Есть ли нужда
добавлять, что тяжелый жизненный опыт не сделал его приятным в общении
старичком-бодрячком?
Я уже одолел зиг и пробирался через заг, когда наткнулся на облипучку-
приставучку фирмы «Доу-Хьюз» - последний защитный барьер между Озтюрком и
миром.
Лицо встретилось с податливой преградой. О черт! Меня вмиг опеленала
полуорганическая пленка, с головы до ног, заклеилась сзади. А из паза в автомате
пошла новая «простыня» - на тот случай, если мне удастся справиться с первой.
В коконе самостоятельно проделались отверстия напротив рта и ноздрей - это
чтобы я мог дышать и отвечать. Глаза остались зашорены - в них как бы нет
нужды.
Никакая опасность мне не угрожала. Будь у меня оружие, я бы не смог им
воспользоваться . Даже если бы держал в руке готовый к включению лазик, пленка бы
его нейтрализовала, проникнув в механизм или обездвижив палец на кнопке.
Впрочем, обмануть липучку можно, на то есть разные мудреные способы, да
только кому захочется подкоптить старикашку Озтюрка? Этот параноик
перестраховывается абсолютно без необходимости.
Я застыл в дверном проеме.
- Капитан Озтюрк? Это я, кадет Корби... Комната была затоплена низкочастотным
свечением,
И я, ничего не видя, будто кожей чувствовал на себе взгляд модифицированных
глаз Озтюрка. Ну и работенку я себе подыскал! Впрочем, все лучше, чем гнить в
«Турецком модерне».
Озтюрк наконец заговорил. Смешной у него был голос, почти механический. И
тут я понял, что означали слова старины Шарика «на себя не похож».
- Кадет, мне требуется ваша помощь в небольшом эксперименте. Известно ли
вам, что в зоне нашей ответственности замечен террорист по кличке Чокнутый
Кошак?
- Так точно, сэр.
- Мне очень не хочется, чтобы Едоки пострадали от действий злоумышленника.
Поэтому я перестроил их диет-поводки. Но в полном масштабе процедуру
кормления не запустил - хочу сначала провести эксперимент, убедиться, что не будет
превышен установленный уровень ненаблюдаемого вредного эффекта. Возьмите вот
этот образец и скормите колонии Речное Устье.
Я протянул руку - медленно, чтобы не спровоцировать приставучку на
морозильную реакцию. На мою облепленную ладонь Озтюрк положил сверток.
- Если хотите, можете с помощью комп-перчатки проанализировать новую
молекулярную структуру поводка, - предложил Озтюрк.
- Виноват, сэр, но комп-перчатками я не пользуюсь. У меня нейроинвалид-
ность...
В голосе Озтюрка почему-то зазвучало удовлетворение.
- Ах да, конечно. Я должен помнить о таких вещах. Ладно, кадет. Приступайте
к выполнению задачи.
Я затаил дыхание - вот сейчас речь зайдет о предстоящей выволочке! Но - не
зашла. Появилось ощущение, что я остался в одиночестве. Наверное, Озтюрк
скрылся в соседней, жилой, комнате. Ладно, не ждать же прощального поцелуя. Я
поскакал в обратном направлении.
Пройдя половину световой ловушки, освободился от облипучки. В приемной
забрал Шарман - она, ясное дело, разнылась, что я не дал досмотреть «Жаркую
багровую равнину», фильм студии «СиМ». Заказал шкодовские реасанки и карман-
комп фирмы «Талиджент». Надо было выполнять поручение.
Мы катили по улицам на север. Шарман сидела в седле позади меня, колючие
насекомьи ножки впились в мои ребра.
По пути я размышлял, почему для такого задания капитан Озтюрк выбрал именно
меня. Странно, как ни крути. Что это, намек на признание заслуг, на
повышение? Или это просто воля случая, надо делать дело, мозги не мучая?
Естественно, ответа я так и не нашел, Потому засунул вопрос в долгий ящик.
Вскоре мы очутились на берегу, напротив колонии Речное Устье, в шести
кварталах к югу от Оук-Стрит-бич, где играют на жаре в баскетбол беззаботные
транши.
Мы с Шарман стояли на низком органобетонном пирсе с эмблемой КЕ - он
предназначался для служебных нужд: парковка транспортных средств, кормление
Едоков и тому подобное. Я показывал на жилище Едока. Оно было совсем рядом, в
полуклике от берега.
Озерная рябь сильно блестела. Притеняя глаза, Шарман сказала:
- Ух, ты, какой здоровенный! Между прочим, я здесь еще ни разу не была. Все
равно, что жить в Нуэво-Йорке - и не увидеть Тиви-Сити. Из чего сделано, из
камней?
- Камни, грязь, деревья, плавник, сломанные автомобили. Что Едоки собрали в
озере, то и пошло в дело. Строители они просто классные.
Сказал я это, гордясь по праву, моим подопечным пою я славу. Долго я был
при Едоках радетелем, знаю цену их добродетелям. Хорошие это помеси -
честные , непритязательные, ответственные. А я их вдобавок считал красивыми - что
бы там ни говорили скептики.
А ведь - подумать только - не будь теракта, не было бы появления Едоков,
как свершившегося факта! Так бы и жили создания эти только в лабораторном
проекте.
Двадцать лет назад БВО подвергся нашествию мутировавших водорослей. Самым
первым захватчиком был видоизмененный канадский рдест Elodea canadensis, ин-
тродуцированный в фарватер реки Святого Лаврентия. По части воспроизводства
он легко заткнул за пояс «папашу» - ему понадобилась всего лишь неделя, чтобы
удвоить свою биомассу. Применив довольно простую хемокомпьютерную технологию,
егеря БВО прекратили распространение рдеста-мутанта, но биорегион тут же был
атакован еще более агрессивной водорослью - тысячелистником-аллигатором. Ее
тоже прикончили, но это были только передовые части большой напасти.
Следующей проблемой стала печально известная помесь водяного гиацинта и
сальвинии плавающей.
Через несколько дней весь БВО стал зоной бедствия и оказался под ЧП-
колпаком.
Сегодня соплюхи вроде моей сестры, родившейся позже катастрофы, могут не
верить в способность маленького неядовитого цветущего водяного растения
причинить чудовищные убытки. А я не только в учебники заглядывал; в моей детской
памяти запечатлелись огромные массы плавучей растительности.
Гиасальвиния (так ее назвали впоследствии) удваивала массу через каждые два
дня, новые растения отделялись от своих вегетативно размножающихся родителей
и уплывали колонизировать девственную территорию.
Водоросль собиралась в гигантские плоты, до двух метров толщиной, и вскоре
покрыла весь БВО. Растительность мешала судоходству, опутывала трубопроводы,
по которым подавалась промышленная химия и питьевая вода, и даже
способствовала наводнениям, вытесняя водяные массы. Когда начали гнить старые и корот-
коживущие растения, они поглощали свободный кислород, отчего задыхались рыба
и фитопланктон. Как ужасно при этом воняло тухлятиной! Да вдобавок ковры
водорослей великолепно служили для размножения комаров, а те кусались будь
здоров !
Чтобы ликвидировать эту угрозу, пришлось собрать войска биорегуляции со
всего Союза. Прежде чем они добились успеха, массы генетически идентичных
растений вошли в мировую историю.
В этой борьбе у нас было чудо-оружие - Едоки. Выращенные в спешке, но с
умом, из нутрий и ламантинов, и, естественно, человеческих зародышевых линий
(которые всегда так волнуют горлопанов), гиасальвиниядные Едоки (другие
названия: ламантрии, нутрантины, озерные коровы) распространились по терпящей
бедствие экосистеме со всей быстротой, на какую только были способны их
производители : «Инвитроген», «Призм», «Биоцин» и «Каталитика».
Кризис был преодолен, но Едоки остались - защищать БВО от грядущих
напастей. Великие Озера они называли своей родиной. И, где бы они ни плавали,
всегда возвращались, привязанные невидимой нитью пищевого снабжения, к своим
берегам. И там их встречал Кормилец, такой как ваш покорный слуга, скромный
трудяга диет-поводка.
- Как ты добиваешься, чтобы они подплывали? - спросила Шарман, как мне
показалось , с неподдельным интересом.
- А вот так.
Я вынул карманкомп и набрал личный код. Опустил машинку в воду, где она
принялась испускать ультразвуковой призыв.
Через несколько минут появился первый Едок.
Большой Едок. Глава колонии. Он был в полтора раза крупнее любого нутранти-
на и вдвое умнее. И только ему полагалась речевая приспособа.
Из воды вылетела мохнатая бурая торпеда. Большой Едок обрызгал нас с головы
до ног - так он всегда здоровался, - и Шарман завизжала.
Он ухватился за пристань ловкими пальцами, но туловище осталось в воде. По
морде озерной коровы сбегали ручейки. Уши и челюсти у нее были впечатляющие -
генные инженеры не даром ели свой хлеб.
- Корби, - ухмыльнулся Большой Едок. - Как поживаешь?
Я дотронулся до скользкого маслянистого меха.
- Спасибо, Большой, все у меня в порядке. Как твоя хозяйка, как детеныши?
- У нее все хоро-шо. И у мелких хоро-шо. Мы караулим. Мы спим. Мы строим.
Жизнь хоро-ша.
- Рад это слышать.
Шарман опустилась рядом со мной на корточки,
- А можно... Можно его погладить?
- Конечно. Большой Едок, это моя сестра Шарман.
- Шар-ман. Здрав-ствуй.
Сестра инстинктивно нашла и почесала любимое местечко Большого Едока, за
ушами. Она как будто вернулась в невинные хроногоды.
- Ах, какие мы мяконькие да пушистенькие... Я не удержался:
- А мне казалось, у вас, Тараканов, млекопитающие не в чести...
Шарман тут же взъелась:
- Мы людей ненавидим, привилегированную расу. А бедненькие помеси ни в чем
не виноваты, это вы их такими сделали. Мы солидарны со всеми угнетенными
существами ! И наступит день, когда...
- Когда что? Шарман не ответила.
- Демагогию порешь - в точности как этот маньяк, Чокнутый Кошак. Вот
погоди, кто-нибудь стуканет - попадешь в кутузку.
Шарман встала:
- А мне плевать. Мы готовы сражаться за то, во что верим.
Большой Едок оборвал наш спор:
- Кор-би, зачем ты поз-вал меня?
- Ах да. Пора новую пилюлю пробовать. - Я открыл полученный от капитана 03-
тюрка пакет.
Большой Едок удивился:
- Поче-му сей-час? Мало дней про-шло.
- Сам знаю, что мало. Это особенная таблетка. Защита.
- За-щита? - Большой Едок взъярился: - Кто хочет зла стае?
- Бешеная помесь. - Я пропустил мимо ушей возмущенное фырканье Шарман.
Подумав, Большой Едок решил:
- Я дру-гих приве-ду.
Он исчез под водой, а мы с Шарман остались ждать. Вскоре подвалила стая
Едоков.
Большинство Кормильцев - лентяи, они просто сигналят о доставке таблеток и
выкладывают их на пирсе - по одной на каждую озерную корову. И если кто-
нибудь не получит свою порцию или ошибка в программе вскоре вызовет смерть от
внутренних кровоизлияний и тахикардии, Кормилец переживать не будет. Да и
чего переживать из-за каких-то помесей? Всегда можно новых наделать.
Но это не по мне. Я своих подопечных всегда кормлю в индивидуальном
порядке . К работе отношусь ответственно.
И вот, пока Большой Едок чинно наблюдал издали (он всегда получает дозу
последним, заботится о том, чтобы никто в стае не остался обделенным), я одну
за другой побросал новые таблетки ламантриям. А они появлялись, проглатывали
и исчезали, и казалось, этой демонстрации усатых морд не будет конца.
Я покормил уже половину стаи (двадцать минут, пятьдесят ламантрий), как
вдруг заметил краешком глаза молоденькую озерную корову, она приблизилась к
Большому Едоку и что-то ему пропищала. Он выслушал и подплыл к пирсу.
И тут произошло нечто немыслимое - Большой Едок ударил меня по ладони, и
оставшиеся таблетки полетели в воду.
- Пло-хие таб-летки, - заявил он. - Ко-ровы будут без ума.
- Чего? - растерялся я. - Ты что имеешь в виду?
- Ко-ровы не поплы-вут домой. Поплы-вут на Восьмую ста-нцию.
Восьмая станция - один из искусственных островов, насыпанных в озере Мич в
разгаре войны с гиасальвинией. Он уже много лет заброшен, там ничего
интересного нет, кроме многочисленных граффити в одном местечке, где в хорошую
погоду устраивают пикники.
- Ну, Большой, ты даешь! Вот уж чего не ждал от тебя...
- Боль-шой Едок дол-жен плыть. Дол-жен помочь боль-ным.
- Нет! Погоди! Можно мне с тобой?
Я запрыгнул на реактивные санки. Шарман плюхнулась в седло позади меня.
- Шарм...
- Молчи! Сам хотел, чтобы я с тобой поехала. Только-только интересное нача-
лось - неужели ты меня бросишь?
Большой Едок уже поплыл. У меня не было времени на споры.
Я ввел пароль в процессор реасанок и врубил тягу. Мы понеслись по воде, ну
в точности Нептун с дочкой, и быстро обогнали Едоков.
А вскоре показалась Восьмая станция, островок в редких пятнышках обветшалых
построек, заросших плющом-вощом и прочим бурьяном, чьи семена принесло сюда
ветром рьяным.
Когда мы приблизились, удалось все разглядеть как следует. И вот что было
обнаружено нами с расстояния нескольких метров от берега: ламантрии лежали на
старом причале-пандусе, а вокруг них какие-то типы возились с лямками и
пряжками.
Шарман узнала их прежде меня.
- Это же Тараканы!
Увиденное мне не понравилось. Я успел повернуть на сто восемьдесят, назад
махнул, но тут - стрельба, и я струхнул.
- На берег! Живо! - заорал вооруженный Таракан. Я снова развернул реасанки
и высадился. Шарман подбежала к крикливому Таракану.
- Долгоносик?..
Тот нарочито тщательно оглядел мою сестру через оптический прицел. Ствол
винтовки - изделия фирмы Ортоптера» - тоже смотрел на нас. Сопротивление
бесполезно . Рыпнешься - продырявит дурака, как несчастного жука.
- Вот что, Шарман, я не знаю, что ты тут делаешь, - проговорил Таракан в
блистающем крылатом панцире. - Не знаю, как ты нас нашла и с какой целью -
помочь или помешать. Но мы не допустим, чтобы ты расстроила наши планы. Этим
трансгенам больше не быть рабами!
- Что вы собираетесь с ними сделать? - спросил я.
Долгоносик присмотрелся к моей форме.
- А, парнишка из Депобщраба. Шарман, это небось твой братец. Кажется, мы
были правы, когда решили не привлекать тебя к операции.
- К какой операции?
- Здешних трансгенов обработал сам Чокнутый Кошак. Новый троп. Теперь они
будут выполнять тщательно разработанные инструкции, каждую строго в
назначенное время. Все до одного возьмут ранцы со взрывчаткой и отправятся в реку
Чикаго . Мы взорвем все коммунальные туннели под рекой и затопим Петлю. И тогда
кранты всему киберобеспечению города.
- А как же бедные Едоки?.. - пролепетала Шарман.
- Это малая жертва, чтобы освободить все племя.
- Нет! - закричал я.
- Вредить людям - это нормально, - попыталась разубедить Долгоносика
Шарман . - Они заслуживают. Но зачем губить помесей?
- Поздно. Операция начата, ничего уже не отменить. Нам придется взорвать
заряды, как только они прибудут на место. Медлить рискованно - взрывчатку
могут обнаружить. А значит, коровы не успеют бежать. Ну и что с того, что
погибнут? Главное - мы победим. А ну-ка, оба - вон туда, к стенке.
Ох-ох, неважнецкие наши дела. Похоже, этим Тараканам не нужны свидетели...
И тут началось!
Озерная корова - это, конечно, не дельфин, но она способна плыть с
чудовищной скоростью и выпрыгивать из воды на изрядную высоту. Оставшиеся в здравом
уме Едоки взлетали и падали на скользкий склон, и в каждой ламантрии было не
меньше ста килограммов. Они обрушились на Тараканов как девятый вал, спасая
своего Кормильца. Сбили Жуков с ног, примяли к мокрому органобетону.
Я бросился к подлецу Долгонсику, пинком расколол его панцирь и ухмыльнулся:
ружье у меня, теперь я здесь командую!
Подбежав к воде, я нашел знакомую голову.
- Кор-би, - проговорил Большой Едок, - это от них нам нуж-на за-щита?
- Уже не нужна, Большой. Как-нибудь обойдемся. Вы уже догадались - в темном
кабинете капитана Озтюрка я разговаривал не с кем иным, как с Чокнутым Коша-
ком. При этом и бедняга Оззи присутствовал, вернее, его труп.
Негодяй неспроста выбрал меня. Он знал, что с перчатками я не работаю, что
у меня мозги не в порядке, а значит, не хватит соображалки разгадать его
коварный план. Да только не учел прохвост, что я не прост: к работе своей не
отношусь формально, все делаю четко, правильно и нормально.
Немногие люди могут похвастаться тем, что побывали в одной комнате со
знаменитым трансгеном-террористом и ушли живыми. Какое-то время обо мне метаме-
диум трубил - мол, скромный юный герой в синем с золотом, спаситель города и
все такое. И кажется вполне естественным, что начальство КЕ повысило меня в
должности - мне досталась работа Хана.
Что же до Шарлотты, то она полностью разочаровалась в Тараканах, а
поскольку в Корпусе Едоков появилась кадетская вакансия, да к тому же я вышел в
начальники...
Ну а вы теперь знаете, каково живется инвалидам в городе Чикаго.
Шунт
Я сидел у себя в офисе и скучал, как скучает в пасмурный день сборщик
урожая на нью-мексиканской солнечной ферме. Два месяца безделья - с ума можно
сойти. Любой клиент бы мне сейчас сгодился, даже самый завалящий. Хотя бы
разъем-папа, ищущий сбежавшую разъем-маму. Хотя бы геронт, жаждущий
подключиться к полузаконному, недолицензированному суперхитовому мечтарику «Голден
эйдж». (У «Вудстока» в этом году юбилей - столетие со дня основания фирмы, и
в честь события выпущен ностальгический вирт-альбом, специально для еще не
покинувших сей мир фанатов ретро-стиля.) Хотя бы десятилетний шкет, которому
не терпится получить гражданские права, и он готов пробираться через лазейки
в законодательстве. (Парламент САС только что понизил возрастной ценз до
двенадцати лет, но даже этот предел уже подвергается натиску новейших тропов.)
Хотя бы огорченная и разгневанная супруга, что мечтает задать взбучку мужу,
подозреваемому в недельной оргии с гермами. Все они побывали у меня в разное
время, и когда-нибудь появятся новые клиенты, тут не может быть никаких
сомнений. И я, как встарь, буду брать деньги, и выполнять заказы, не задавая
лишних вопросов. При моих-то более чем скромных доходах нельзя быть слишком
разборчивым.
И тут я спохватился, что сейчас нет особых причин беспокоиться об этической
стороне моей профессии. Уже полдня прошло, и вторая половина вряд ли будет
веселей, чем дебаты между кандидатами от зеленых и консерваторов на пост
губернатора Кубы. Иначе говоря, день ничем не отличим от шестидесяти
предыдущих.
За самомоющимися окнами (у домов новых серий тьма достоинств, но вот
вопрос : долго ли еще я смогу платить за офис?) над рекой Чарлз сверкало солнце.
На противоположном берегу высился построенный силикробами черный купол -
десять лет назад власти возвели его над Массачусетским Технологическим, когда
явилась Большая Серая Сикараха. На самом деле это не полушарие - стены купола
уходят под землю, образуя полностью замкнутую сферу. Она была создана всего-
то навсего за сутки, а вид такой, будто ее строили много месяцев. Помню, как
я смотрел этот «спектакль» из своей «ложи». Все подразделения силовых
структур САС, управляемые высшими копами и лепилами, отражали натиск бешеной
жизни: против щупальцев и усиков - брандспойты и струи энзимовой взвеси. Когда
ферменты растворили все, что появилось на поверхности земли, в дело вступили
силикробы, они-то и создали шар-саркофаг. И теперь один Бог ведает, что про-
исходит внутри - не было времени установить там датчики. Зато снаружи купол
охраняется хорошо - круглосуточно барражируют полицейские в летающих клетках.
Что ж, бывают обстоятельства, с которыми ты вынужден смириться.
Я уже подумывал насчет откупорить пивчик-живчик и растрировать какую-нибудь
трехмерку (от безделья обзавелся привычкой смотреть дневные игры, особенно
«Твоя жизнь он-лайн»), как вдруг услышал шаги в коридоре за дверью. Поспешно
убрав ноги со стола, я попытался сделать вид, будто работы у меня побольше,
чем у четырехрукого бармена в вечерний час.
Неизвестный не прошел мимо двери, как сделали многие до него. Раздался
стук.
Я глянул на охранный экран и увиденным остался удовлетворен.
- Прошу.
Сработал замок, дверь распахнулась.
На посетительнице был очень стильный костюм - кислотные фиолетовый и
оранжевый цвета. Пиджак с асимметричными лацканами, отороченными голубой искусст-
веннорощенной норкой; к большему отвороту приколота орхидения - она бросилась
мне в глаза с шести футов. Юбка слева доставала до лодыжки, зато правая нога
была обнажена целиком. Хромовые котурны добавляли к росту четыре дюйма.
Вьющиеся черные волосы были уложены в высокую прическу, а на лоб падал светлый
локон. Канареечно-желтые радужки, маленький плотно сжатый рот. На щеке
миниатюрный любовный рубчик в виде астрологического символа Венеры.
- Нельзя ли зашторить окна? - спросила она,
- Леди, но ведь мы на сороковом этаже...
- Откуда вам знать, что напротив нет оптики? Сейчас нанокамеры где только
не попадаются. Закройте окна, пожалуйста.
Я пожал плечами и скомандовал:
- Шторы.
Полотна непрозрачного пьезопластика, свернутые в рулоны по верхним краям
окон, поползли по стеклу под действием слабого электрического тока. Я
прибавил света и сказал:
- Присаживайтесь. Могу я вам предложить чего-нибудь выпить?
Она села и положила обнаженную правую ногу на левую. Я увидел татун на
бедре - пантера. Раз в полминуты кошка раскрывала пасть в беззвучном рыке.
- Благодарю. Я бы предпочла шипучку-кипучку, если у вас найдется.
Я дал пинка заснувшей у меня в ногах помеси:
- Хомяк, проснись! У нас посетитель.
Хомяк открыл глаза, проморгался, расправил усы и молвил:
- Сэр, нужны ли вам мои услуги?
- Угадал, тупой трансген. Живо неси мне пивчик-живчик, а для леди -
шипучку-кипучку.
Хомяк встал, надел короткую безрукавку, прошел к магнитному мини-
холодильнику , принес напитки и спросил:
- Сэр, разве было так уж необходимо будить меня?
- Да, лодырь ты этакий. Спи дальше.
Хомяк не преминул воспользоваться разрешением.
- Самый дешевый трансген, - пожаловался я гостье. Она помахала ладонью:
- Не важно. Меня зовут Женева Гиппельштиль-Имхаузен. Вы позволите взглянуть
на вашу лицензию?
Я протянул карточку. Сейчас она показывала ксиву массачусетского частного
детектива. Женева несколько раз сложила пополам и разогнула карточку -
появились интерфейсы САС, «Еврокомм», МВФ, бразильская и орбитальная визы. Сложила
в последний раз - увидела героя трехмерки «Секси-сиуксы», нагишом, в одной из
его знаменитых поз. Выдержка Женевы была достойна восхищения. Ни один мускул
не дрогнул на лице, лишь чуть-чуть порозовел любовный рубчик. Она мне вернула
карточку со словами:
- Кажется, здесь есть все, что мне необходимо знать о вас.
- В таком случае вы можете рассчитывать на мои услуги, - проговорил я,
подразумевая, что готов оказывать не только услуги частного сыщика, и еще раз
полюбовался ее ножками. - Можно поинтересоваться, что вас сюда привело?
Она наклонилась ко мне:
- Я хочу, чтобы вы кое-кого шунтировали. Так-так. Ей удалось меня удивить.
Чего только не случается в нашем бизнесе.
- Ведь вы это делаете иногда, не правда ли? - приподняла она аккуратно
вычерченную бровь.
- Конечно, делаю, но это непросто. Стоит подороже, чем обычные мои услуги.
- Не имеет значения. Очень уж много поставлено на карту.
Я мысленно увеличил цену в полтора раза.
- Мне нужно узнать побольше, прежде чем я соглашусь взяться за дело. Кого
вы хотите шунтировать, и чем он перед вами так провинился?
Она вздохнула:
- Речь идет о моем муже Юргене фон Бюлове. Он сбежал, похитив новейший троп
в принадлежащей мне фирме. Может, вам доводилось слышать о «Гиппельштиль-
Имхаузен»? Немецкое предприятие, специализируется на биоактивных веществах.
Украденный препарат проходил экспериментальную проверку. Это сверхмощный ней-
ротропин. О нем даже говорить сейчас очень опасно. Потому-то я и просила
зашторить окна. Надеюсь, ваш офис проверялся недавно?
Я кивнул.
Она продолжала, но с явной неохотой:
- А препарат, украденный моим мужем, - это троп, стимулирующий осмысление
стохастических явлений. Это означает, что он позволяет проникнуть в суть
динамики хаоса. Мы надеялись выбросить его на рынок, опередив конкурентов. И
тут - бегство моего мужа, с несколькими дозами экспериментального препарата и
планом его доработки. Если до Юргена раньше нас доберутся конкуренты, возьмут
кровь на анализ и расшифруют молекулу тропа - прощай, наш патент.
- Почему же ваш супруг совершил кражу в собственной фирме? Вы что, не
делились с ним прибылью?
На лице Женевы появилось смущение пополам с отвращением:
- Мой супруг - мот. Он умеет только тратить, а зарабатываю я. Приходилось
его держать на коротком диет-поводке. Как видите, поводок оказался не слишком
прочным.
- Хотелось бы получше представлять себе, что это за новинка. Для чего
служит , как ею пользоваться. Откуда у вас уверенность, что Юрген уже не продал
украденный троп конкурентам?
- Не продал, у него другой замысел. Видите ли, он азартный игрок. И этот
троп...
- Уж не хотите ли вы сказать, что троп повысит его шансы на выигрыш?
- Совершенно верно, - кивнула она. - Юрген увидит строгую логику в
кажущейся хаотичности игры.
«О, мать мутантов! - подумал я. - Вот это круто!» И мысленно удвоил свой
гонорар.
- Но почему бы не обратиться к официальным структурам?
- Слишком много дырок для утечки информации.
Мне нужен один профессионал.
Я встал, подошел к ней, поднес руку к ее лицу. Она даже не моргнула. Я
легонько провел загрубелым большим пальцем по любовному рубчику. Эге, да под
ним побольше рецепторов удовольствия и нервных волокон, чем под эпидермисом
домашнего любимца десятого поколения! Эта дамочка знает толк в оргазмах.
Когда она открыла глаза, я проговорил:
- Похоже на то.
У меня не было любовных связей с тех пор, как бросила жена. Частному сыщику
приходится иметь дело в основном с ревнивцами, мошенниками, уличной шпаной и
полицией. А когда я и вовсе не при делах, вынужден общаться только с Хомяком.
Сам не возьму в толк, почему я приобрел этого паршивца. И ведь модель
отнюдь не навороченная. Лучшая функция - кусать хозяина: не моешься регулярно -
получай инфекцию на неделю-другую. А мозгов - кот наплакал. Приходится
формулировать команды с минимумом двусмысленности, иначе Хомяк может преподнести
неприятный сюрприз, как в тот раз, когда я распорядился «залить машину
метаном» . В игры сложнее шашек не играет, да и в шашки всегда проигрывает.
И ко всему прочему это вовсе не домашний любимец. Хомяк псевдоженообразен,
но стерилен, и сексуальности в нем не больше, чем у замороженной скумбрии.
Фигура - ни то ни се, а из-за своего спецрациона он пахнет мокрым сеном. Не
урод, но и не секс-сиукс. Эх, если б я мог раскошелиться на Золотую Серну или
на Змеиный Стан, мне бы сейчас жилось совсем по-другому...
И все-таки я привык к этой помеси. Так привыкаешь к старым тапкам или к ди-
ванчику-обниманчику, продавленному по твоей фигуре. Ну, и у Хомяка не отнять
умения стряпать, прибираться в офисе и тактично кивать, когда я пытаюсь что-
то втемяшить в его куцый умишко.
Вот и выходит: нет ничего странного в том, что я к нему обратился, когда
ушла Женева.
Сдается мне, в первую очередь надо съездить в Логан - а ну как зацепим там
ведущую к Бюлову ниточку. Он удрал три дня назад, но это не самый простывший
след в моей практике.
- Да, сэр, нам нужно съездить туда. Правда, я не помню почему. Сейчас я
пытаюсь думать, а это трудная работа. Дайте мне немного времени, сэр. Одной
минуты должно хватить, я уверен...
- Хомяк! - Сэр?
- Хватит чушь молоть. Неси сюда мой пистолет.
Я не любитель расхаживать вооруженным до зубов. Лазики, пистоляпы, пулевики
- не для меня. В самых острых ситуациях я предпочитаю пускать в ход острый
ум, спокойствие и железную логику - или быстрые ноги. Если надо кого-то
вырубить , сгодится и шокер - да и ни к чему брать на душу грех смертоубийства.
Все, что нужно, - квадратный дюйм обнаженной кожи противника, чтобы влепить
разряд тока, который перегрузит высшие нервные функции вроде тех, что вводят
во искушение прикончить безобидного частного сыщика.
Я пришлепнул к бедру принесенный Хомяком пистолет, его биополимерный ствол
сам законтачил с кобурным лоскутом на штанине. Если шпалер вдруг понадобится,
встроенные потоанализаторы освободят его, как только ладонь ляжет на
рукоятку. Выдвинув ящик стола, я взял нейрошунт и светящиеся оранжевым липучки.
Сунул их в боковой карман жилетки, чтобы легко достать в случае чего. И двинул
в аэропорт в теплой компании Хомяка. В уме я уже тратил еврики, обещанные мне
Женевой.
В Логане я пошел прямиком к стоянке такси. С кем угодно готов был
поспорить , что разъем-папа с такими барскими замашками, как у фон Бюлова, лишний
раз не станет расходовать энергию на перемещение массы.
Так и есть - третий опрошенный мною таксист вспомнил, что вез разыскиваемое
лицо. Машина была тьюринговская, второго уровня, со всеми положенными прибам-
басами, включая высокую степень контроля.
- Мне необходимо увидеть документ, удостоверяющий ваше право на
следственную деятельность. Если у вас есть такой документ, мне необходимо его увидеть.
Прошу предъявить документ.
Я сунул карточку в паз. Такси удовлетворилось считанной информацией и
выплюнуло мою ксиву.
- Да, сэр, я транспортировало описанного вами человека. Вот его
изображение.
Такси высветило портрет фон Бюлова, совпадавший с цифровым снимком, который
мне показывала Женева. Лицо будто топором вырубленное, светло-пегие волосы,
недобрые сиреневые глаза. Но вообще - красив, как красива чистокровная базо-
во-линейная борзая, и почти столь же невротичен и норовист. Эти чертовы
европейские аристократы сумели очистить свою породу, благо, сейчас несложно
устранять мелкие врожденные недостатки вроде лейкемии или гемофилии, из-за
которых раньше король Англии походил на дворняжку.
Всеми своими митохондриями я чувствовал: нелегкое это будет шунтирование.
- Вот его родословная, считанная моими чипами проверки хромосом, сэр.
И побежали по экрану цифры и метаграфика - волна за волной.
- Хорошо, давай твердые копии и того, и другого. Родословная пригодится на
тот случай, если у фон Бюлова изменится внешность. Но это случится едва ли.
Тот, кого я ишу, - явно самовлюбленный типаж, такие всех, кроме себя, считают
дураками. Ему небось и в голову не приходит, что его могут искать.
- Ну и куда ты его подкинул?
- Подкинул, сэр? Такое действие способно причинить ущерб здоровью человека,
а мне строжайше...
- Где он вышел?
- У «Копли-плаза».
Чего и следовало ожидать. Он двинул напрямик в крупнейшее городское казино.
Я понесся в город с бешеной скоростью - обшивка машины едва успевала
подстраиваться под аэродинамические флуктуации, по десять раз в секунду меняя
свою форму. Завыл сиреной какой-то мусор в летике, но я ответил кодом
приоритета, и дорожного полицейского как ветром сдуло с моего пути. При таких
темпах я доведу дело до конца куда быстрее, чем самому бы хотелось.
Добравшись до «Копли», я пошел прямиком к регистрационной консоли. За ней,
между прочим, торчал настоящий человек. У «Копли» такая политика: никаких
помесей в штате, а тем, кого приводят посетители, лучше не маячить
(естественно, к телохранителям это не относится). Пришлось оставить Хомяка в хлеву.
Портье был чернокожим - точнее, пегим, но с преобладанием черного цвета.
Волосы на голове собрал в хохолок, связал золотой проволокой. Я показал ему
карточку:
- Я веду расследование.
- Масса - частный сыщик? - Глаза мигнули дважды, но на лице осталось
бесстрастное выражение.
Я глянул на свою ксиву. Дурацкое такси возвратило ее с изображением секси-
сиукса. Я вывел нужное удостоверение.
- Чем могу помочь, сэр?
Я сунул левую руку в карман жилетки, нащупал нейрошунт.
- У вас проживает человек по имени Юрген фон Бюлов?
Мой визави просканировал память.
- Сегодня утром съехал, сэр. Багье дерьмо!
- Догадываюсь: он сорвал куш, перевел деньги в Парагвай и махнул в теплые
края на суборбе?
- Это не так, сэр. Мистер фон Бюлов очень сильно проигрался. И если бы мы
не добились от него перевода страховой суммы на счет нашего отеля - а мы
всегда принимаем эту меру предосторожности, имея дело с азартными игроками, - у
него бы не хватило денег, чтобы оплатить проживание. В итоге мистер фон Бюлов
остался ни с чем. Не будь я сейчас на работе, позволил бы себе пошутить: он
остался со своим породистым носом.
Что за ерунда?! Либо игра в казино такая же непредсказуемая, как итог
Четвертых Мировых выборов, либо украденный троп - фуфло. Ни один из этих вариан-
тов меня не устраивал.
- А он не упоминал о своих планах?
- Нет, сэр.
Тупик. Опечаленный, я отвернулся,
И тут что-то ткнулось мне в лодыжки. Я посмотрел вниз и увидел Плавника.
Плавник - челорыб. Мы с ним давно знакомы, время от времени оказывали друг
другу услуги. Этот парень принадлежал к секте плавильщиков, которая
стремилась хоть отчасти искупить вину человечества в истреблении дельфинов. (По
утверждениям сектантов, род людской не оправдан оттого, что впоследствии
поголовье дельфинов в океанах и морях было восстановлено.)
У Плавника руки были вплавлены в тело, ноги сварены друг с другом от паха и
до пальцев. Носил он облегайку из серой скользкой ткани, которая обеспечивала
организму нормальную жизнедеятельность, и придавала Плавнику сходство с
торпедой. Ездил на колесной тележке с питанием от батареек.
- Привет, Плавник. Как твой метаболизм?
- Бывает лучше. Я слышал, как ты с портье разговаривал...
- А почему бы нам с тобой не подышать свежим воздухом?
Я вышел, а Плавник выехал из «Копли». На улице было полно прохожих, никто
не обращал на нас внимания.
- Так что ты знаешь, а, Плавник?
- Вчера я весь день пробултыхался в казино, надеялся раскрутить какого-
нибудь везунчика на пожертвование для нашей церкви. И видел того типа, по чью
душу ты сюда явился. Вот уж у кого не клевало! Он даже заговариваться начал,
когда непруха пошла косяком. «Турбулентность, - говорит. - Это все
турбулентность, шум и странные аттракторы. Никак не оседлать поток...»
Если судить по этим словам, тропы тогда еще не заработали, или фон Бюлову
было очень трудно контролировать новый поток данных.
- Так-так, продолжай.
- Когда он вконец проигрался, подошел ко мне. «Челорыб, - говорит, - мне
нужна черная дурь. Кто в этом городе ею торгует?»
- И ты его направил...
- К клоачным крысам. А то к кому же? Я кивнул. Хорошая наводка.
- Спасибо, Плавник. Я бы тебе руку пожал, если бы мог.
- Рукопожатия - это человеческий шовинизм! Ты лучше позаботься, чтобы на
счет церкви легли приличные башли.
- Сделаю. До встречи, приятель.
- Свободного тебе плавания.
Я вернулся и забрал из хлева Хомяка, дал чаевые девчонке-скотнице.
- Спасибо, сэр, рад видеть вас вновь, сэр, я очень терпеливо ждал, сэр...
- Хомяк, заткнись!
- Слушаюсь, сэр.
И мы пошли искать клоачных крыс.
За минувшие полвека Бостон подвергся десятку бандитских нашествий. Сначала,
в восьмидесятых и девяностых, приходили «чистокровники» и «слабаки» из Лос-
Анджелеса , потом явились «гонконгские клещи», когда этот свободный порт резко
покраснел. Их сменяли камбоджийцы, испанцы, колумбийцы, новошотландцы, браз-
зи, ямайцы... Период правления каждой шайки был недолог и заканчивался резней,
а переходящий приз - Бостон - доставался новым победителям. Но, в конце
концов , стереотип иноземных нашествий был сломан двумя факторами: образованием
Североамериканского Союза и победой тропов и других синтетических биоактивных
веществ над органическими наркотиками. САС поставил на своих границах
железный занавес, зарубежным конкурентам не было ходу на его территорию. Селевый
поток легальных нейротропинов хлынул в школы и на улицы, и вскоре появилась
целая армия юных биобрухо с домашними аминошинковками и хромоварками, и они
создали уже незаконные тропы и строберы. Образовавшиеся специфические ниши
были заполнены разными шайками, войны за передел сфер влияния были редкими и
незначительными, общественный порядок не нарушался, и власти в большинстве
случаев глядели на «шалости» молодежи сквозь пальцы.
В целом сеть распространения синтетиков имела хаотичную структуру,
вычленить строгую иерархию было невозможно, но все же отдельные банды обладали
неоспоримо высоким статусом.
И одну из первых позиций списка занимали генералисты клоачные крысы.
К-крысы жили в лабиринте заброшенных труб, по которым сливались отходы в
ядовитую бухту. Когда весь город переоснастили грязекомпостирующей техникой,
в старой клоаке отпала надобность. С тех пор то и дело кто-нибудь ставил
вопрос о ее демонтаже, но в бюджете метроплекса не находилось средств на
подобную «косметику».
На шею пролилась холодная вода - как будто меня погладил зомби. Я стоял по
щиколотку в мерзкой жиже. Хомяк дрожал, но не от холода.
Нас окружали крысы, освещенные моим фонарем. Все они подверглись
стоматологическим усовершенствованиям, за что их и прозвали крысами. А в остальном -
обычная разношерстная шайка, каких полно.
- Что, фраер, захотелось крысиным ядом ширнуться?
- Нет уж, спасибо. Нельзя ли повидать Цуму-Пуму?
- Пума у нас кореш деловой, с кем попало не базарит.
- Мы с ним знакомы. Агрессивности у крыс поубавилось.
- А что За дело-то у тебя? Объяснил.
- Жди здесь.
Я ждал. Крысы присматривали за мной. Один типчик грыз что-то вроде
человеческого бедра. Хомяка по-прежнему трясло.
- Успокойся. Пока я рядом, никто тебя не обидит.
- Не могу справиться с собой, сэр. Это нехорошие люди.
Крысы услышали и захихикали. Вернулся тот, с кем я говорил.
- Пума тебя примет.
Из лабиринта труб мы выбрались под большой купол, помещение было завалено
пожитками - гнездо крыс, понял я. Меня подвели к двери в личные покои Пумы.
Мы с Хомяком дальше шагали без сопровождения.
Цума-Пума возлежал на груде подушек, облаченный в доспехи из эластичного
пьезопластика, с эффекторами, соединенными с электрохимической биосистемой
организма. На шее, запястьях и лодыжках пьезопластик был покрыт рыжевато-
коричневой шерстью. Лицо не было закрыто. Рядом сидела домашняя любимица -
модель Зеленая Канарейка, оглаживала перышки. Когда мы вошли, она испустила
пронзительную трель.
- Привет, корешок, давно не виделись, - сказал Пума. - С тех пор, как я
спас твой хвост от «мозговых костей». - Пума рассмеялся. - Хотя это только
моя версия.
- Которую ты всем выдаешь за стопроцентно правдивую. А я не разбиваю ее в
пух и прах, и, стало быть, ты мне должен услугу.
- Смотря какой величины тебе требуется услуга.
- У тебя сегодня был клиент. - Я описал фон Бюлова. - Что ему понадобилось?
- Прости, чувачок, но этого я тебе не скажу. Сам знаешь, все наши сделки -
коммерческая тайна. Если будем, хе-хе, крысятничать, к нам перестанут ходить.
- За эти стены ничего не выйдет, ты же знаешь, - возразил я.
Но Пума оставался непреклонен:
- Извини. Может, чем другим смогу помочь? Я сдернул с бедра шокер. Пума
расхохотался.
- Зачем тебе эта игрушка? Хочешь меня вырубить? Тогда я и подавно ничего не
скажу.
Я прицелился ему в грудь и нажал на спуск. Стрелка впилась в доспех и сразу
выпустила микрокрючки.
- Мазила! Даже не оцарапал!
- Знаю.
Я послал по проволоке ток. Пума на своей лежанке сделался твердым, как
доска.
- Батареек в шокере хватит на месяц бесперебойной работы. Когда я уйду из
этой вонючей норы вместе с Канарейкой, сюда попробуют ворваться твои крысы.
Вряд ли получится - ты ведь хорошо позаботился о безопасности жилища.
Наверное, смерть от жажды - это просто кошмар.
- Засужу картель, продавший мне этот паршивый доспех!
- Только в том случае, если ответишь на мои вопросы.
Пума устало вздохнул - дескать, вот же привязался.
- Так и быть. Этот парень хотел, чтобы мы расшифровали его кровь. Нас такая
просьба заинтересовала, да мы и сами собирались взять у него пробу. Но он был
начеку и навел на нас лазик. Шутить он явно не был настроен, ну, и мы от
приколов воздержались. И тогда он изложил свою проблему. Мы так поняли, что ему
понадобился мощный математический сопроцессор и кой-какие нейрографические
примочки. Мы их выложили, и он вроде остался доволен.
- Он не говорил, что собирается с ними делать?
- Приятель, трудновато дышать в таком костюмчике...
- А будет еще труднее. Продолжай. Куда он направился?
- Ну, в общем, заплатив нам, он остался почти ни с чем. Поинтересовался,
где можно сыграть по крупному. Я ответил, что казино в нашем городе
консервативные, в долг фишек не дадут. И это чистая правда, Бостон - это тебе не
Облако Оорта. Так что я ему посоветовал ехать в Атлантик-Сити.
- Ладно. - Я выдернул стрелку и смотал проволоку. Пума обмяк.
- Трудно с тобой дружить, - сказал он. - Но и ссориться не вижу смысла.
Увидимся, частный легаш.
Снова очутившись на улице, я подключился к терминалу «Бостонского банка».
Решил заплатить за наводку Плавнику, прежде чем двину в Атлантик-Сити.
Стоявший передо мной парень вынул из бабкомата свою карточку. Хотел
засунуть в карман, но что-то его остановило. Он посмотрел на карточку, выругался,
выхватил пистолет и пальнул в бабкомат.
Аппарат отозвался электронным визгом, на четырех колесах вылетел из ниши в
стене и попытался дать деру. Но налетел на зеваку-коммивояжера, сбил с ног.
Выроненный чемоданчик с образцами товаров раскрылся от удара о дорожное
покрытие .
Зазвучала музыка. Закричала женщина.
Обиженный автоматом парень снова выстрелил. И на сей раз свалил машину.
Вокруг разбитого дымящегося бабкомата собиралась толпа. От пострадавшей
машины остро пахло горелыми электронными внутренностями. Взбешенный юзер
подошел к ней, растолкав зевак, запустил руку в пробоину и вынул свою настоящую
карточку.
- Имитаторы, мать их! В прошлый раз у меня вот так же карточку сперли -
пятнадцать тысяч САС-баксов, как корова языком!
- Мир жесток, - произнес кто-то в толпе, якобы сочувственно.
- Я тоже не подарок. - И крутой юзер похлопал по пристегнутому к бедру
пистолету.
Поездка из Бостона в Атлантик-Сити на «Серафиме» длилась девяносто минут.
Фон Бюлов опережал меня на несколько часов, и я выбрал самый быстрый, хоть и
далеко не самый дешевый вид транспорта. Впрочем, о деньгах я не жалел.
Напротив , радовался возможности спокойно посидеть, подумать.
Хомяк заснул в соседнем кресле. Спросил бы меня кто, зачем взял с собой
трансгена - я бы не нашелся с ответом. Может, потому что сидеть с ним рядом
уютно, как дома. А рассчитывать на помощь Хомяка в серьезной переделке было
бы просто смешно. Да, наверное, дело в боязни одиночества. Мне нужна
компания . Может быть, Хомяк для меня вроде талисмана.
Впрочем, провоз помеси-невелички стоил вдвое меньше моего проезда,
Я почесал Хомяка за ухом и сосредоточил все мысли на деле.
Фон Бюлов - мономаньяк, пробу ставить некуда. Псих без справки. Но в его
крови - формула, и если бы он ее сумел расшифровать, то на такой товар
нашлись бы десятки покупателей - от немецкого концерна ГНП до АТЭС. Но вместо
того чтобы за месяц с выгодой сбыть краденое, он все тратит на несколько
адреналиновых выбросов в казино. Вот это мне непонятно. Может быть, его кто-то
зомбировал, и теперь он не сможет ни на секунду расслабиться, пока крупье не
скажет ему «двадцать одно»? В моей практике бывали случаи и похлеще.
Через полчаса я перестал ломать голову. Нет смысла докапываться, почему
психи делают то, что они делают. Будь у меня хоть крупица психиатрического
таланта, я бы смог ответить на вопрос, почему я однажды пришел домой, а
квартира заполнена саморазмножающейся пеной, благоверной же и след простыл. Что
произошло, то произошло, с этим и буду разбираться, а чьи-то сумбурные мотивы
и внезапные порывы - не для моих скромных мозгов. Женева Гиппельштиль-
Имхаузен хочет вернуть свое имущество, и я ей в этом посодействую - за очень
приличный гонорар.
Я вспомнил, как гладил большим пальцем ее горячий любовный рубчик, и
подумал: может, ей от меня еще что-нибудь понадобится?
Земля проносилась за монокристаллическими окнами поезда, она казалась
пятном - как при ускоренной прокрутке фильма. В пути я подремал несколько минут.
День выдался не из легких.
Около восьми вечера поезд прибыл в Атлантик-Сити. Мы с Хомяком покинули
вагон и прошли на дощатую набережную - Бордуок.
Когда я был здесь в последний раз, Бордуок перебирался на новую дамбу,
которая не давала повышающему свой уровень Атлантическому океану затопить
город. Применялась супердревесина корпорации «Бехтель-Канемацу-Гошо»,
сооружение стало четырехъярусным, и теперь оно протягивалось мимо всех казино. Очень
эффектно, вполне в крикливом стиле Атлантик-Сити.
Тротуары были заполнены гражданами и помесями. На уличных артистов пялились
гости города, вокруг разъема-мамы в бикини, заправившейся лошадиной порцией
«костомяки», собралась толпа. Она, развернув корпус на сто восемьдесят,
взялась за пятки и пошла колесом - живая лента Мёбиуса. Доказывая свою
односторонность, артистка легла на ковровую дорожку; многоногие мини-кибы с
присосками на ножках бегали по спинно-грудной поверхности. Классный фокус.
Я задержался, чтобы купить спирулина11-дог и лимонад-содовую. Если фон
Бюлов здесь, он вероятнее всего торчит в казино, так что можно не спешить.
- Тебе взять чего-нибудь? - спросил я у Хомяка.
- Да, сэр, пожалуйста. Как заманчиво выглядят чили-доги! Мне один, но с
двойным соусом.
Я исполнил желание Хомяка, памятуя о том, что перекармливать его нельзя -
запросто протянет лапки. Впрочем, чили-доги продаются только людям,
зарегистрированным владельцам трансгенов. Может, поэтому помеси и не убегают? Вернее,
убегают, но немногие.
Когда мы подкрепились, я скомкал салфетку и бросил на Бордуок. Ее тут же
Спирулина (лат. Spirulina) — род осциллаториевых цианобактерий (сине-зелёных
водорослей) . Спирулина содержит до 70% полноценного белка, что в 1,5 раза больше, чем
в соевых бобах. Культивируется в ряде стран в кормовых целях. Используется также как
пищевая добавка. — Прим.ред.
подхватил мусорохват.
- Пошли, возьмем за Задницу мистера фон Бюлова, - сказал я Хомяку.
- Если вы считаете это нужным, сэр, то мы так и сделаем.
Беглеца я нашел в казино «Тайм Уорнер Сире», возле рулетки. Карточка -
удостоверение личности - лежала перед ним на столе, настроенная на показ
денежного баланса. И он передвигал башлятник с красной цифры на черную, с черной
на красную и так далее, и цифра на карточке росла, как на дрожжах. Я последил
за фон Бюловым. Сиреневые глаза горели адским огнем, на лице - маниакальная
сосредоточенность. Понятно: действие доработанного клоачными крысами
экспериментального стимулятора интеллекта сейчас на пике. Фон Бюлов с головой ушел в
нелинейную динамику рулетки, и хаос везения укладывается в постижимую для его
разума форму.
Он не потерял ни фишки. Выигрыш поднялся до геостационарной орбиты.
Потрясающее везение одного из игроков не укрылось от остальных. Вокруг его
рулетки собралась толпа жиголадок и милашек-валяшек, домашних любимцев и
свободных башлеловов, уже не говоря о менеджерах казино, с такими физиономиями,
будто проглотили по горсти червей.
Вряд ли они будут возражать, подумал я, против шунтирования мистера фон
Бюлова.
Я приблизился к нему сбоку. Менеджеры остановили игру, чтобы проверить
рулетку и просканировать окружающих - не оказывает ли кто скрытого воздействия.
Я этим воспользовался:
- Юрген, твоя жена просила кое-что передать. Он аж подпрыгнул:
- Кто ты? Откуда можешь знать мою жену? - Глаза сощурились, как будто он
решил испытать на мне свою способность проникать в суть вещей. На лице
дрогнул мускул. - А если и знаешь, что с того?
- Не спрашивай, кролик, по ком рычит пантера, она рычит по тебе.
Он отодвинул стул.
- Ладно, только ради бога, не здесь. Давай выйдем.
Мы вышли на безлюдный балкон. Наверху поблескивало звездное небо, как
змеиная чешуя. Нас с фон Бюловым разделяло примерно четыре фута. Я чувствовал
Хомяка - он был сбоку.
- Юрген, Женева требует вернуть троп. Он фыркнул:
- Так пусть явится сюда и заберет.
- Она очень занята, вот и прислала меня. - Нейрошунт прятался в моей
ладони.
Но я и глазом не успел моргнуть, как фон Бюлов направил на меня лазик -
крупповскую карманную модель.
- Не усложнял бы ты, Юрген... - И я метнулся к нему.
Лазерный луч прошел рядом, даже жилетку задел - запахло горелой неразрывай-
кой. Второго выстрела фон Бюлов сделать не успел - я прижал свое оружие ему к
шее.
Нейрошунт в миллисекунду забурился под кожу и прицепился к спинному мозгу.
Фон Бюлов рухнул на пол.
Я повернулся. Хомяк бился в судорогах, на его безрукавке, напротив сердца,
чернела прожженная дыра. Я подошел к нему, поднял на руки.
- Нехорошо, сэр, нехорошо... - пролепетал он и умер. Я вернулся к фон Бюлову.
Для начала отвесил полдюжины крепких пинков, целясь в живот и пах. Он не
издал ни звука, да он и не чувствовал ничего ниже шеи, и не видел, чем я
занимаюсь. Затем я налепил оранжевый знак - пусть видят, что он шунтирован.
Выкатил из казино автокресло с посаженным в него фон Бюловым и повез на вокзал.
Как я и ожидал, администрация мне не мешала и не поднимала шума. Хомяка я
оставил в казино - менеджеры обещали сделать все, что положено. Мой счет к
Женеве увеличился на цифру, равную цене Хомяка, без учета амортизации.
На вокзале я купил дозу «вкуса мести» в павильончике фирмы «СиМ».
Полутора часов, проведенных в вагоне, вполне хватило, чтобы полностью
выразить фон Бюлову мое неудовольствие.
Не забыть бы сказать Женеве, чтобы заткнула уши, когда вынет из мужа шунт...
Пеленка
Стоял погожий летний день. Окно детской комнаты на втором этаже было
распахнуто . Словно приглашало: добро пожаловать, беда.
Те, кто строил этот умный и чуткий дом, позаботились о его охране.
Автономный воздушный занавес окна препятствовал насекомым, крупным песчинкам и
летающему органическому мусору, наподобие листьев ткач-деревьев или пены аэро-
рыб. Крошечные сторожа на реактивной тяге непрестанно патрулировали за окном
по хаотической траектории, и если замечали приближение постороннего предмета
или живого существа, кидались наперерез, отталкивали. Крупные пришельцы,
весом более пятисот граммов, были уже в ведении охранной сети дома и
интегрированных в нее боевых систем.
Но пташку, похожую на воробья, маленькую и проворную, вроде той, что
опустилась на подоконник, ни одна система заметить не смогла.
Птица осмотрела детскую комнату. В отделке стен - силикробовые мультики:
сказочные персонажи резвятся на постоянно меняющемся фоне. Гадкий Серый Волк
преследует закутанную в плащ Красную Шапочку; маленькая танцовщица в
заколдованных красных башмачках пляшет до полного изнеможения.
Посреди комнаты стояла на двух ножках белая биополимерная кроватка в форме
половинки разрезанного вдоль яйца. На боковой консоли мигал оранжевый логотип
фирмы «Байер». В кроватке лежал кверху животиком обнаженный ребенок, мальчик
пяти-шести месяцев. Над ним плавал мобайл, изображающий землю и некоторые из
ее бесчисленных искусственных спутников. Большой шар вращался, а его
крошечные компаньоны кружились в сложном орбитальном танце, никогда не сталкиваясь
друг с другом; все это поддерживалось только направленными магнитными полями
кроватки.
А под мальчиком находилась Пеленка, на уголке отчетливо виднелась эмблема
«Иксис». Пеленка была величиной с большое махровое полотенце. Гликопротеин-
гликолипидовая псевдокожа была раскрашена в синие пастельные тона, а
текстурой напоминала древний пенополистирол, в какой упаковывали яйца. На
поверхности Пеленки было много шишечек, и располагались они тесно, а дно мелких ямок
имело лоск органики, как у сырой печени.
Птица вспорхнула с подоконника и опустилась на борт кроватки, коготки
впились в материал байеровской ракушки.
И тут произошли два события.
Все силикробовые персонажи на стенах замерли, оцепенели, за исключением
Лесника, только что явившегося на выручку к проглоченной Красной Шапочке. Он
выронил двухмерный топор и завопил:
- Вторжение! Вторжение! Всем охранным кибам - в детскую!
В тот же момент описался ребенок - желтая струйка ударила на несколько
сантиметров .
Когда на Пеленку упали первые капли, она отреагировала, как того требовал
ее трофический инстинкт. Участок Пеленки, находившийся между ногами мальчика,
вытянулся, точно псевдоподия или складка, образовал чашечку и собрал урину
для своих собственных метаболических целей, одновременно очистив и осушив
кожу ребенка.
Пока Пеленка была занята этим делом, птица нырнула в кроватку. И воткнула
клюв в Пеленку. И в единый спастически-взрывной миг перекачала в нее
содержимое своих искусственных носовых мешочков.
А как только птица избавилась от ядовитой ноши, она выпорхнула из колыбели
и устремилась к окну. Но теперь окно было начеку и ловко поймало птицу в
мгновенно расширяющуюся паутину из липких нитей от фирмы «Ивакс». Птица дала
себе команду на самоуничтожение и взорвалась, опалив оконную раму.
А в кроватке Пеленка корчилась и колыхалась, точно раненый осьминог. Из нее
стремительно вырастали фрактальные цветы и падали на младенца, а тот в страхе
плакал.
Через секунду-другую цветы сплелись в синюю сеть. Один жгут упал на рот
ребенка , и крики прекратились.
Распахнулась дверь в детскую, явились разнообразные кибернеты.
Но было слишком поздно. Пеленка задушила мальчика в своих объятиях, как
душит жертву базово-линейная анаконда.
Растерянные, беспомощные кибы смогли только записать хруст ломающихся
костей.
Я скинул с плейера серебряный считыватель данных, оборвал звуки смерти
маленького Гарри Дэй-Льюиса, зафиксированные меньше суток назад. И хотя я уже
раз десять проглядел трагическую сцену, но так и не привык к этому летальному
хрусту. Наверное, к такому просто невозможно привыкнуть.
Я сидел в своем офисе, в здании, где располагался бостонский филиал
Департамента внутренней разведки и охраны Североамериканского Союза. И хотя я уже
шестнадцать месяцев занимал угловую комнату на шестнадцатом этаже, с тех пор
как получил повышение, - она для меня как была, так и осталась чужой. Я
столько лет был частным сыщиком и ютился в дешевых офисах, что отвык от
роскоши, такой, как самоочищающиеся ковры фирмы «Органогенезис» и ёрзаномичные
кресла фирмы «Зенека». Уже не говоря о регулярном поступлении денег на мой
денежный баланс. Но после того, как я выполнил заказ Женевы Гиппельштиль-
Имхаузен, мне пришлось распрощаться с частным сыском, потому что на этом деле
я сломался.
Я ей возвратил сбежавшего муженька, но зато потерял своего верного
напарника, беспомощную дешевую помесь по кличке Хомяк. Если бы раньше спросили, что
для меня значит этот бестолковый паршивец, я бы ответил: зепто. Но тогда я
плохо знал самого себя, даже не подозревал о своих симпатиях к этому
трансгену.
Хомяка я приобрел вскоре после ухода жены, и, очевидно, многие мои
нерастраченные чувства переадресовались к нему. По крайней мере, так полагала
доктор Варела из «Бихевиоральной прагматики», когда я там подвергался
психоанализу. Но это случилось лишь после того, как я опустился на самое дно,
докатился до клиники для нариков. Троп, аналог мелатонина, к которому я
пристрастился, позволял мне спать двадцать два часа в сутки, а приятные сны
обеспечивал второй троп, «траумверкс» (по иронии судьбы, это продукция
фабрики «Г-И», принадлежавший моей бывшей клиентке Женеве Гиппельштиль-Имхаузен).
Отлеживая бока день-деньской и кайфуя, я нарастил тридцать фунтов дурного
жира, а потом на улице угодил под рутинную полицейскую облаву и оказался в
клинике у мисс Варелы. Когда вышел оттуда со справкой о восстановлении моего
статуса полноценного члена общества, решил вернуться на правоохранительное
поприще, чтобы не переучиваться для другой работы. Поступил на службу в ДВР,
начал как простой патрульный в участке на родном Кенмор-сквере, но постепенно
достиг своего нынешнего положения: детектив Отдела полипептидной
классификации и контроля, более известного как Протеиновая Полиция.
И теперь, задумчиво крутя считыватель данных между пальцами, будто надеясь
ощутить неосязаемые наноцарапины, являющиеся ключом к разгадке убийства Гарри
Дэй-Льюиса, я подумал: может, я слишком стар для такой работы? Ведь прежде
считал себя готовым помериться силами с любой мерзостью. Но с таким
чудовищным злом я имею дело впервые.
- Желает войти Касимзомарт Саундерс, - сообщила дверь кабинета.
- Впускай.
К-Март - мой нынешний напарник. Он человек. Его родители эмигрировали в САС
из Казахстана в пору Последнего Джихада. Для такого коренного сасовца, как я,
он выглядит уж чересчур экзотично: смуглая кожа, монгольский хохолок и
длинные вислые усы. Сегодня он надел рубашку без рукавов (наша работа не требует
ношения установленной формы), а на безрукавке - лозунг Самоотверженных
Голубовато-Зеленых: «Дайте мне эвтаназию - или дайте мне смерть». Мой напарник -
большой юморист.
Многозначительно помахав карманкомпом, он сказал:
- Получил, наконец, информацию о семействе Дэй-Льюис. Их заботливые
работодатели на цензуру денег не жалеют. Пропускают данные через десяток умных
фильтров, чтобы ни одна коммерческая тайна не вышла наружу. Но здесь - все,
что нам нужно. Просмотришь?
- Конечно. Перекачай.
Через секунду файл появился на моем экране. Я взял его со стола и запустил
в стену, как непропеченную пиццу. Умный лист прилип «вверх ногами», но тут же
сориентировался, и изображение перевернулось, позволив нам быстро проглядеть
файл. К-Март подвел итог:
- Обычные технари-плутократы. Политические убеждения - каких и можно
ожидать от членов Партии полуортодоксальных новоперонистов. Штепсель, Маршалл,
работает на «Кситроникс», отвечает за полевые испытания всякой всячины.
Розетка, Мелисма, возглавляет совместное предприятие, детище «Сима-лабз» и
«Финикс биокомпозитс». Ничего особо подозрительного, разве что оба иногда
порознь посещают «Гедоникс плюс». Она предпочитает линию Першерона, а ему
больше по нраву Лунная Бабочка.
Я поспешил сделать предостерегающую мудру со всей быстротой, на какую была
способна не простимулированная «гипергибкостью» рука.
- Без крайней необходимости...
Я не договорил, что совать нос в чужие грешки можно только с позволения
высокого начальства. К-Март ухмыльнулся, он был еще молод:
- Беглых овцеволков бояться - в лес не ходить, Я просто решил, что
исчерпывающая информация тебе не помешает. Короче говоря, в прошлом году они решили
обзавестись чадом, когда общий доход достиг двухсот миллионов, и тем самым
пропиарили себя как лакомую добычу для преступников. В потенциальных киднеп-
перах недостатка нет: Сыновья Дикси, Лига Сельских Джентльменов, Радикал-
Оптимисты, Плюс-Фурьеристы, да всех не перечесть. Любая из этих банд с
удовольствием наложила бы лапы на их потомство.
- Но ничего явного, я правильно понял? Ни писем с предупреждениями, ни
анонимных помесей-курьеров, ни посылок со взрывчаткой?
- Действительно, все было совершенно спокойно до нападения на Пеленку.
- А нельзя допустить, что сами родители тут замешаны? Может, какая-нибудь
афера со страховкой? Послеродовая депрессия?
- Нет. Можешь воспроизвести запись допроса, убедишься, что их горе было
очень искренним.
- Тем не менее, надо проверить все версии.
К-Март покручивал усы, как древнеопереточный злодей.
- У меня появились кое-какие предположения. Хочешь поделюсь?
- Делись.
- В похищении должна была участвовать сама Пеленка - вместе с мальчиком
выбраться за окно, получив от птицы зомбирующую инъекцию. Но из-за неудачного -
по вине конструкторов - расположения ганглий жидкость попала не туда, куда
надо, Пеленка взбесилась, и дельце не выгорело.
Я быстро обдумал версию К-Марта. Нет, маловероятно. Пеленка с младенцем -
это довольно большая масса, охранная система непременно ее бы заметила.
Преступники, которым хватило ума создать птицу-«невидимку», просто не могли
упустить такую важную деталь. Возможно, перепрограммированная Пеленка смогла
бы все-таки преодолеть охранный периметр дома. Но где бы ее тогда подобрали?
Ей и дюйма незамеченной не проползти по городу. К тому же в окрестностях не
было обнаружено подозрительных незнакомцев. Нет, хотя версия похищения
напрашивается в первую очередь, она, скорее всего, ошибочная.
- Я до вчерашнего дня ничего ни о каких Пеленках не слышал. Это что,
новинка?
К-Март пробежался по гиперссылкам и нашел нужную информацию:
- «Иксис» полгода назад обнародовал весь пакет документации по Пеленкам,
все результаты бета-тестирования. Через месяц после этого правительство САС
разрешило открытую торговлю Пеленками, Сейчас обсуждается продажа лицензии в
другие страны. Правда, ВТО тянет с выдачей лицензии на всемирную торговлю.
- Какова их доля на рынке?
- Около десяти процентов. У Пеленок нет многих высших функций других
«нянек» . Большинство родителей предпочитает Плюшевых Мишек и Матушек-Гусынь;
другие модели предназначены для детей постарше. А Пеленки дешевы и удобны для
круглосуточного санитарного ухода и контроля. Им не надо спать - это тоже
большой плюс. Ничего удивительного, что за полгода их доля поднялась от нуля
до десяти процентов.
Я встал с имиполексного кресла, и оно тотчас приняло заданную «по
умолчанию» конфигурацию.
- Закажи в хлеву детектор лжи. - Я предпочитал не иметь напрямую дела с
помесями Внутренней налоговой службы, пускай этим занимается К-Март. - Нанесем
иксисовским знайкам-зазнайкам визит.
У «Иксиса», как у многих мегакартелей, нет штаб-квартиры, это
рассредоточенная организация. Местное отделение располагалось в нескольких минутах езды
от центра Бостона, в пригороде под названием Ньютон.
Мы с К-Мартом встретились на улице. Он заказал и патрульную машину, и
детектор лжи. Машина - стандартная «Дэу-Игления» с керамическим водородным
двигателем (обыкновенная вода потихоньку разлагается в биореакторе, полном
одноклеточных водорослей, с помощью фотонов, улавливаемых солнечными батареями на
крышах). Детектор лжи - модели Минипифон-Нейросканер. Обладая инфракрасным
зрением, вомероназальным органом и акустико-латеральной системой, это
змееподобное существо способно регистрировать эпидермальный и субдермальный
кровоток, а также анализировать феромоны и выдыхаемые вещества. Якобы этого
достаточно , чтобы определить, чиста ли совесть у подозреваемого. По моему же опыту
судя, с базово-линейными людьми такой фокус проходит стопроцентно, те же, кто
подвергся различным усовершенствованиям, способны в разной степени снижать
процент вероятности разоблачения. Но большинство благонадежных граждан не
усматривают необходимости в обмане Змеи, а потому не приобретают специальные
техсредства. Тот же, кто это делает, лишь привлекает к себе внимание (по
крайней мере, если не всей полиции, то мое). Значит, ему есть что скрывать.
- Я поведу, - вызвался К-Март, и мы все расположились в машине.
Змея заползла на заднее сиденье, не произнеся ни слова.
В «Иксисе» нас встретил баваб - массивная модель Султанов Евнух, 15%
человеческой родословной, остальное - смесь обезьяны и буйвола. Такого же точно
трансгена я вижу каждый вечер в парадной своего дома - он служит швейцаром.
Евнух навис над нами, точно каланча - косматая башка вровень с притолокой. На
боку у него висел ятаган - устройство экспресс-анализа. Жидкая протеаза,
залитая под давлением в рукоятку, может быть распылена через микропоры лезвия,
и тогда она в пикосекунду разъест плоть нарушителя порядка.
Не обнаружив на нас знаков принадлежности к «Иксису», Евнух исторг свирепый
рык. Но мы, махнув удостоверениями ДВР, включили в нем контур рабской
покорности , и он нас пропустил.
Мы не предупреждали о своем визите, чтобы не запустить процедуру
экстренного прикрытия задницы. Хотя новости об убийстве Дэй-Льюиса уже попали в мета-
медиум и разнеслись миллионом новостных демонов, а значит, любой менеджер
«Иксиса», даже самый скудоумный, не утративший мало-мальской способности
оценивать ущерб, уже приготовился к нашему появлению. Так что пришлось ждать,
когда секретарь организует нам встречу с кем-нибудь из випов. Я это время
потратил на любование миграцией пестрых теплокровных растений в терраниумах и
попытке разобраться в чертежах сигнальных путей, которыми были украшены
стены.
Наконец явился представитель фирмы - молодой разъем-папа с улыбкой от уха
до уха, со скромным гребнем из бронзового цвета драконьих шипов от лба до
копчика; в костюме для шипов имелись соответствующие отверстия. На физиономии
была написана гордость за только что полученный диплом спеца по управлению
биобизнесом. Ну, ясно, перед нами - агнец на заклание, разведчик брода в
речке, возможно, кишащей пираньями. Безопасность фирмы - любой ценой! Меня
затошнило .
Он протянул ладошку:
- Добро пожаловать, офицеры. Я Так Китченер, связь с общественностью и
анализ потенциальных рисков. Чем могу помочь?
- Вы, конечно, слышали о вчерашнем убийстве, совершенном Пеленкой?
Китченер поцокал языком:
- Это весьма досадно, даже прискорбно. Грубейшее нарушение инструкции по
использованию. Ни при каких обстоятельствах на Пеленку не должны попадать
выделения птичьих желез внешней секреции. Пользователи Пеленки допустили
небрежность, тут никаких сомнений. Надеюсь, вы согласны со мной? Полагаю,
вопрос об ответственности нашей фирмы не стоит?
- Еще не знаю, собственно, мы для того и пришли - разобраться. Хотелось бы
побывать в вашем конструкторском бюро, поговорить с теми, кто придумывал
Пеленку .
- Нет ничего проще! Вам надо только проследовать за мной в стерилизационный
шлюз.
Вскоре мы с К-Мартом и Змеей были вымыты, опылены и упакованы в спецовки.
На выходе нас будет поджидать еще менее приятная процедура, с внутренним
зондированием, чтобы мы гарантированно не вынесли никаких секретов.
Мы покинули шлюз и прошли мимо автоутроб и парагенезис-камер, яслей и ума-
палаток; кругом кишел деловитый персонал «Иксиса».
- Как видите, - хвастал Китченер, - у нас корабль без малейшей течи.
Строжайше соблюдаются все требования и инструкции. «Будем беречь здоровье
подопечных - просуществуем вечно!» Такая у нас поговорка...
К-Март резко перебил:
- Полноправ Китченер, позвольте напомнить, мы - не инспекторы санитарной
службы. Мы - Протеиновая Полиция. И мы пытаемся раскрыть убийство, в котором
участвовало изделие вашей фирмы.
Ума не приложу, почему люди до сих пор ловятся на прием «хороший
полицейский - плохой полицейский». Не Зная, кто из нас старший, Китченер
вопросительно посмотрел на меня. Но я лишь «беспомощно» поднял брови в ответ.
Молодой менеджер нервно провел рукой по черепным шипам - они сгибались, как
плотная резина.
- Ну да, разумеется. Почему бы вам не опросить непосредственно
разработчиков Пеленки?
- Верно, почему бы нам этого не сделать? И Китченер повел нас к яйцеголо-
вым.
Хотя мне и раньше по долгу службы приходилось иметь дело с двумозгами, при
виде голых сверхчерепушек меня тотчас замутило. Знайки сидят в специальных
креслах - с подчелюстниками вместо подлокотников, в окружении своих
спецприборов и шлейфов подключения к виртуалке; природный метаболизм усилен
всевозможной пищевой и троповой экзоподпиткой, и на нас, посетителей, эти господа
взирают немигающими глазами уэллсовских марсиан.
Липкие взоры восьми церебрально-усовершенствованных на К-Марта не
подействовали - а может, он просто лучше, чем я, умел притворяться невозмутимым. Как
бы там ни было, он сразу приступил к опросу головастиков.
- А ну-ка, скажите, умники: сколько вы оставили запасных доступов к
ганглиям Пеленки?
Конструкторы обменялись друг с другом многозначительными взглядами, потом
один из них заговорил:
- Я Саймон, начальник октады. На ваши вопросы буду отвечать я. Никаких
тайных точек ввода информации мы не делали. Компания опубликовала исчерпывающую
информацию о Пеленке.
- Допустим, что вы не лжете. - К-Март со значением посмотрел на Змею - та
пока безмолвствовала, но мне не очень верилось, что она способна тягаться с
этими хитрованами. - Кого вы обокрали, чтобы сделать Пеленку? Да
признавайтесь же, я ведь знаю: вы, ловкачи, вечно друг у дружки открытия тибрите. Кто
мог подсунуть «Иксису» мину замедленного действия, кому нужно, чтобы вы сели
в лужу?
Саймон не очень натурально изобразил оскорбленную невинность:
- Все наше вдохновение, все находки - непосредственно от сверхчувственной
бесконечной шелдреиковскои идеосферы. Мы, не жалея времени и сил, бороздим
неизведанные дали идеопространства. Обвинять нас в краже - все равно, что
уничижать самое наше существование!
Дальнейший опрос ничего не дал - умники отвечали крайне неохотно, каждое
слово приходилось вытягивать из них точно клещами. Наконец даже у К-Марта
иссякло упорство. Когда уходили, напарник повернулся к ближайшему двумозгу и
сказал:
- Пока, ребята. Увидимся у Мадам Ондатры.
Мы медленно шли к выходу; по пути я пытался обдумывать другую версию.
Слащавая рожица Китченера не способствовала моему сосредоточению.
И тут я кое о чем вспомнил. О работе Дэй-Льюиса-старшего.
Я повернулся к Китченеру:
- Кто испытывал Пеленку в полевых условиях?
- Этот сотрудник только что ушел в длительный отпуск...
- Он лжет, - перебила Змея.
В яблочко! К-Март аж подпрыгнул.
- В соответствии с конституцией САС я должен зачитать вам ваши права. Вы
имеете право на кибернетического защитника пятого уровня Тьюринга...
Китченер рассмеялся, как подросток, застигнутый с ладонью в штанах на
организованном церковью Амиш пикнике.
- Офицеры, уж не собираетесь ли вы арестовать меня за пустяковую оговорку?
Я лишь хотел сказать, что сотрудника, которым вы интересуетесь, пришлось
уволить за нанесение ущерба фирме.
- Имя! Вернее, исчерпывающие сведения о нем. Что он натворил?
- Его Зовут... Постойте... Дайте припомнить... Берт, кажется. Нет: Бертран Майр.
- И почему вы от него избавились?
- Грубое нарушение инструкций и кража корпоративной собственности.
- А поточнее?
Китченер снова пригладил драконий гребень: - Небольшая сексуальная
проблема . Вступал в половые сношения с продукцией.
Иногда я пытаюсь представить, каково жилось человеку в девственные времена.
А ведь закончились они, между прочим, всего-то столетие назад. Правда, и
сейчас хватает народу из ретрокогорты - естественно, без кое-каких
первоначальных органов или нейронов. Но даже из разговоров с геронтами невозможно
понять , каким был в действительности их мир.
Одна из самых больших загадок - как они ухитрялись заниматься сексом.
Препятствий было хоть пруд пруди: венерические болезни, трудноизлечимые неврозы,
невозможность перемены пола, социальное угнетение естественных влечений.
Наконец, секс-рабами тогда были люди, и свое дело они делали «без души», терпя
унижения ради куска хлеба.
Вензаболевания сейчас большая редкость. Они не исчезли совсем, и бывает,
что преступник намеренно заражает жертву, - но случайно уже ничего такого не
подцепить. Помню, в прошлом году мы выследили извра, он распространял нео-
коро, болезнь, при которой пенис растет внутрь тела. Эскулапов-психиатров
заменили троподозировщики. Пластическая анатомия - это уже покоренная вершина.
Законодательство наконец учло естественные потребности (по крайней мере в
САС; как в других краях - не знаю), и рынок завален тысячами и тысячами
разнообразных домашних любимцев с тысячами и тысячами эротических функций. А
сколько дополнительных органов - надо заметить, не всегда полезных - теперь
доступно для человека!
Несмотря на все это, осталась горстка хесомагари, «крученых пупков»,
которых извращенность натуры или бьющий через край темперамент толкают на поиски
не одобряемых обществом утех. Одним из них и был Бертран Майр.
Мы скачали все сведения о нем, прежде чем покинуть «Иксис». Майр был сыном
Ровены и Бориса Майр, граждан САС, бывших переселенцев, не выдержавших тягот
жизни на борту «Водолея», плавучей аркологии и станции ОТЕС у побережья
Мадагаскара. Выигранные ими в лотерею койко-места перешли к другим арконавтам, а
супруги вернулись в Бостон. Вскоре после рождения Бертрана Борис скончался.
Он угодил в разгар войны за территориальный передел между Парнями Из Морга и
Тайскими Ребятами в Чарльстауне. Ровена там и живет по-прежнему, она больше
ни с кем не связывала надолго свою жизнь. Бертран вырос архетипическим
одиночкой: ни друзей, ни партнера, ни кратких любовных связей. Очевидно, такой
уединенный образ жизни он вел и после того, как стал полноправным
гражданином.
Интуиция сыщика нарисовала мне маменькиного сынка, точную копию своего
покойного папаши, разбалованного, изнеженного интроверта. Последние годы своей
учебы в школе Майр проявлял наклонности к генной инженерии. Получив в подарок
стандартную детскую помесеварку фирмы «Скайос-Нова», он вскоре прикупил на
карманные деньги еще кое-какие прибамбасы и научился делать существ уровня
кольчатых червей. Он полюбил нуклеотиды и аминокислоты, даже чересчур
полюбил . Похоже, о нравственных и юридических границах он имел самое туманное
представление. Майр чуть не вылетел из школы, когда в шутку поселил в душевой
неспособных к воспроизводству анкилостом. Они были запрограммированы на
тридцатидневный срок жизни - но за это время успевали выделить в кишечник своих
жертв аналог псилоцибина. После выпускных экзаменов обнаружилось, что скандал
с анкилостомами изрядно подпортил ему репутацию. Ни одна приличная фирма не
желала принимать его на работу хромоваром, вернее, желающие находились, но
требовали, чтобы Майр прошел курс лечения коррективными тропами; вероятно, он
всякий раз отказывался. Предпринимателей можно понять: кому нужен работник,
не отвечающий за свои поступки? Наконец ему удалось устроиться испытателем в
«Иксис», и долгие десять лет он проработал на этой должности, не имея
взысканий.
- А потом появилась Пеленка, - сказал К-Март уже в офисе, когда мы
заканчивали изучение файла.
- Должно быть, в Майре сработал какой-то скрытый механизм. Так бывает.
Человек держится, держится и вдруг из-за малейшего пустяка срывается.
- Поскольку он больше всех остальных разработчиков уделял времени Пеленке,
то привык относиться к ней, как к своей собственности. Даже домой брал! А что
если дирекция «Иксиса» настояла, чтобы он сам попользовался Пеленкой? Как ты
думаешь, это возможно?
Я пожал плечами:
- На то он и испытатель.
- Черт! Благодарение Иштар, что я работаю в админисфере! Короче, он запал
на Пеленку и попытался ее приспособить для сексуальных забав. А когда об этом
узнало начальство и дало нашему Майру пинка под зад, он улетел суборбитальным
транспортом, прихватив изделие. Затем решил позаботиться о том, чтобы никто
другой не владел Пеленкой.
Согласно кивнув, я сказал:
- Похоже, нам следует нанести визит полноправу Майру.
- Опять заказывать Змею?
- Нет, Бульдога.
Бульдог - это коктейль из собаки, волка и гиены, разумеется, с толикой
человечины. Мы предпочитали брать его с собой на захваты, когда ожидалось
сопротивление , от слабого до среднего. А модус операнди Майра и его
психологический портрет наводили на мысль, что при аресте он будет вести себя
агрессивно. Имея вес в три четверти человеческого, Бульдог способен завалить
полдюжины несуперменов раньше, чем вы успеете сказать ему «Цикл Креба!»
В машине, по пути к зарегистрированному последним месту жительства Майра,
мы получили ориентировку. Как будто мы, заинтересовавшись персоной Майра,
каким-то телепатическим образом спровоцировали его. Новое преступление с
участием Пеленки! На сей раз нападение совершила служебная помесь Думбинни. Ее
отправили из дома с каким-то поручением, а когда она вернулась, то выглядела
напрочь сбитой с толку. Получив приказ идти в свою кормушку, помесь вместо
этого направилась в человеческую детскую, и вскоре хозяева обнаружили, как
она грызет Пеленку испачканными в яде тупыми зубами. К счастью, ребенок был
спасен прежде, чем у Пеленки начались конвульсии.
- Мы должны остановить этого парня, - сказал К-Март, - иначе наши задницы,
да и задницы всего Отдела, получат на всю глубину обратной связи. Ты ведь
знаешь, что собой представляет средний пеленковладелец? Это упертый плутократ
с большими связями. И он не из тех, кто спускает такие вещи на тормозах.
- Согласен, но все же мне куда интереснее знать, что творится в мозгах у
нашего паршивца.
- Точно! Потом напишешь статью для нашего журнала «ДВР на страже закона».
Но сначала надо все-таки поймать преступника.
Последнее зарегистрированное место жительство Майра оказалось одним из
старых кембриджских асимметричных ризоматических строений. Баваб представлял
собой трясущегося от старости киба, расходящиеся швы корпуса были замазаны глу-
поцементом фирмы «Радио-Шак». Штуковина объяснила, как дойти до квартиры
Майра; тамошняя дверь впустила нас, считав данные с удостоверений.
Застоявшаяся вонь и слой пыли (в таких дешевых жилищах устройство
самоочистки - большая редкость) подсказали нам, что никто не живет здесь уже добрый
месяц.
- Тупик! - сказал К-Март. - Проклятие.
- Спокойствие, спокойствие. Поищем, авось да найдем какую-нибудь зацепку.
Бульдога мы оставили сторожить у двери, а сами приступили к обыску
помещений.
Я нашел порнозаначку Майра в хитроумнейшем тайнике. Одна часть неровной, на
вид глухой стены на самом деле представляла собой укоренившийся мутант мор-
ского полипа с прекрасными способностями к мимикрии. Он доставал корнями до
водопровода, но его, очевидно, давно не кормили. Когда я повел по стене
пальцами, полип выдал себя - раздвинул гибкие створки, протянул щупальца и вяло
попытался заглотить мою руку.
Я вскрикнул, подбежал К-Март с лазиком в руке и укокошил тварь. Внутри еще
дрожащего полипа я заметил несколько накопителей данных.
Мы их воткнули в карманкомп К-Марта - благо, совпали контакты. И тут я
заметил , что кое-чего не хватает, а именно обязательной вэтэошной нашлепки:
«Приобрести эту модель может только полноправный гражданин в возрасте
двенадцати лет и старше». А затем я сосредоточился на картинках.
В те девственные времена, которые я недавно вспоминал, пышным цветом цвела
порноторговля. Товар поступал в основном из бывшего государства Япония и был
известен как бура-сера. Это живые картинки с юными школьницами, которые
поднимают юбочки, показывая простенькое, строго функциональное белье. Иногда
товаром служили не только картинки, но и само белье, предпочтительно
замаранное . С постепенным снижением возрастного ценза на получение гражданских прав
эта торговля исчезла - вернее, влилась в главный порнопоток.
Но то, что мы с К-Мартом нашли в тайнике, было несомненным потомством бура-
серы.
На каждом снимке я видел наряженных в узорную одежду людей, в самом широком
возрастном диапазоне - от новорожденного до старика. К-Марта затошнило.
- Ведь эта мерзость даже не противозаконна! Просто глупо! Какая может быть
связь между этой манией и убийствами?
Я выключил экран.
- Может, и никакой, Кае. А может, Майр до того задвинулся на сексе, что ему
достаточно было малейшего толчка. Его вышибли из «Иксиса» и попытались
отобрать Пеленку - и с тех пор он способен думать только о мести.
И тут опять пришло сообщение. Испорчена третья Пеленка, на сей раз
поработал пчелиный рой. К счастью, человеческих жертв нет.
- Что дальше? - спросил К-Март. - Может, поговорить с Ровеной Майр?
- А что, это идея. Надо спросить, где она взяла родительскую лицензию.
Ровена Майр жила в бесчувственном доме, в трущобах прямо под путями
«Серафима». Ежечасно «Бостон-Монреаль», сверхскоростной поезд, подвешенный к
монорельсу, рассекал тут воздух, как ракета, и его прохождение чувствовалось
всеми внутренностями.
Ветхий спуск возле дома Майр обжили безработные, существующие на пособие, и
их нелегальные чада. Взрослые пили пивчик-живчик, а детвора играла с дешевыми
живыми трилобитами, этим летом они были в моде. На нас бросали недобрые
взгляды, но задерживать не пытались. Бульдог двигался замыкающим - на тот
случай, если кто-нибудь решит сунуться следом. Когда поднялись на третий этаж
и уже приближались к квартире Ровены Майр, я заметил, как рука К-Марта
потянулась к лазику.
Эту даму я не знал в лицо и был готов к любым сюрпризам., но только не к
тому, что увидел, когда дверь, наконец, отворилась на наш стук.
Ровена Майр оказалась фразеттоидом, членом группы ультраэгоцентристов,
отколовшейся от бывшего Общества Креативного Анахронизма. Очевидно, Борис тоже
принадлежал к этой компании. Надо же, а я думал, фразеттоиды уже давным-давно
исчезли. Стоит ли удивляться, что Майрам неуютно жилось в спартанском,
утилитарном окружении «Водолея»...
Ровена перелепила свое тело, чтобы походить на потрясающих фэнтезийных див
с полотен художника, чьим именем прозвалась ее группировка. Огромные
сферические сиськи, талия до того тонкая, что ясно: не обошлось без пересадки многих
органов, и каллипигийский зад. Она носила крошечный лифчик из
металлизированной ткани и украшения в псевдоварварском стиле. С пояска - цепочки из фальши-
вого золота - свисало несколько лент разноцветного шелка.
И она была такая самоуверенная, такая отстраненно-холодная, такая
невероятная, что находиться с ней в одной комнате - все равно, что соседствовать с
древней аниматронной фигурой. Я попытался представить, что она - моя мать.
Получилось, но с большой натяжкой.
- Чем могу помочь, офицеры?
- Мы по поводу Бертрана, вашего сына. Можно войти?
- Хм... Почему бы и нет?
Квартира была обставлена в стиле «Конан-супер». Мы уселись на златотканые
узорчатые подушки и рассказали, в какую задницу загнал себя сын полноправы
Ровены.
- Мне чертовски жаль малыша Берти. Он всегда был таким хорошим мальчиком,
таким многообещающим. Рыжая Соня свидетель, я делала для него все, что было в
моих силах. Но не понимаю, чем могу помочь вам.
- Вы с ним не виделись, не разговаривали в последнее время?
- Мы с ним не виделись и не разговаривали уже несколько лет.
К-Март встал:
- Не возражаете, если мы тут немного осмотримся? Ровена вскочила с подушки:
- Боюсь, это проблема, если только у вас нет ордера на обыск.
К-Март кивнул на затворенную дверь:
- А там что?
- Моя молельня, капище Дагона. Уверяю вас, это просто невинное хобби. Но -
сакральная территория, вторжение посторонних означает ее осквернение. А
теперь, офицеры, если вы не против, мы попрощаемся. Мне хочется побыть одной...
К-Март принялся ходить по комнате, одновременно пуская «дымовую завесу»:
- А знаете, меня ведь тоже растили дагонитом, но давненько уже я не имел
связей с единоверцами. Не по своему желанию - обстоятельства, знаете ли.
Сколько лет не видел настоящего капища! Раз я верую в Дагона, значит, можно
все-таки войти?
Прежде чем Ровена успела вмешаться, К-Март рывком отодвинул дверь.
Пеленка ждала. Она вскинулась перед нами на дыбы - высокая, как человек, и
вдвое шире человека. Дрожащая синяя стена криптоплоти. И эта большая Пеленка
в отличие от знакомых мне маленьких испускала нашатырно-фекальное зловоние.
Похоже, малыш Берти серьезно потрудился над ее параметрами.
К-Март не успел выстрелить - на него навалилась Пеленка, вмиг обтянула, как
облипучка-приставучка.
Завизжала Ровена. У меня тоже был лазик, но я не мог стрелять - боялся
продырявить беспомощного К-Марта.
Кто-то пронесся мимо меня, тяжелый и стремительный, и задел, да так сильно,
что я развернулся кругом. Когда снова утвердился на ногах, увидел, как наш
Бульдог - сплошные клыки и когти - вцепился в Пеленку. Он нацелился на
главный узел, вырвал его с кровавым пучком нитевидных отростков. Пеленка опала,
как проколотый надувной матрац.
Я подошел к облепленному грязью К-Марту, помог встать. Мимо меня в комнату
устремилась Ровена с криком: «Берти! Берти! Я пыталась им помешать!»
К-Март был здорово напуган, но невредим.
- Богиня Тара! Ну и запашок - как у нас в Казахстане, когда я провалился в
нужник.
С лазиком на изготовку я проследовал за Ровеной в комнату. Однако, чтобы
справиться с малышом Берти, оружие не потребовалось. Чудовищный кукловод,
злоумышленник, манипулировавший убийцами-Пеленками, лежал в огромной байеров-
ской люльке - такие применяются обычно для лечения обширных ожогов. Берти был
голым, лишь прикрыт широченным матерчатым полотенцем. В безвольной руке лежал
сонический инъектор фирмы «Аллеликс». Судя по лицу Бертрана, лишенному какого
бы то ни было выражения, инъектор он зарядил слоновьей дозой «новорождина»
или другого тропа с ретрогрессивным, синопсоразделяющим действием.
Заливаясь слезами, Ровена упала на колени перед колыбелью. Теперь эта
парочка смахивала на безвкусную модерновую версию «Пиеты».
Подошел К-Март, покачал головой:
- Богиня Тара!
Я вспомнил, как сам был чокнутым:
- У всех у нас пупки крученые, К-Март. По крайней мере, у тех, кто родился
человеком.
Направляясь к выходу, я наткнулся на Бульдога - он уничтожал вещественное
доказательство. В пылу схватки древние инстинкты одержали верх над служебной
выучкой. Я хотел дать ему пинка, но передумал.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Компьютер
ЛОКАЛЬНАЯ СЕТЬ
(продолжение)
НАСТРОЙКА WI-FI СЕТЕЙ
Подавляющая часть ноутбуков и других мобильных устройств, которые доступны
на рынке, оснащаются Wi-Fi-адаптерами для доступа к беспроводным сетям. Это
могут быть домашние сети, сети в общественных местах, корпоративные и многие
другие сети. О том, как подключится к такой сети и как ее правильно настроить
рассказано в этой статье.
Прежде чем браться за настройку сети, нужно иметь базовые представления о
том, как она вообще работает. С этого и начнем.
Работа Wi-Fi сетей во многом напоминает работу обычных Ethernet-сетей с той
лишь разницей, что вместо медного кабеля используются радиоволны1.
1 Смена среды передачи потребовала смену метода доступа к среде с CSMA/CD на
CSMA/CA. Беспроводные сети являются полудуплексными, то есть на одном и том же
канале (радиочастоте) может одновременно передавать только одна станция. Существует
несколько стандартов, которые описывают Wi-Fi-сети: 802.11, 802.11b, 802.llg, 802.lln
и 802.11а. Первые 4 работают на частотах около 2.4 ГГц, 802.11а — в диапазоне 5 ГГц.
Каждый диапазон разбит на каналы — интервалы частот, на которых непосредственно и
ведется передача.
Стандартами предусмотрено два основных типа организации Wi-Fi сетей:
Infrastructure
При такой организации сети все хосты (хостом2 я буду называть устройство,
которое подключается к сети) подключаются к точке доступа (Access Point).
Проще говоря, это коробочка с антенкой и гнездом для подключения сетевого
кабеля, которая стоит от 30$. В роли точки доступа может выступать
маршрутизатор, компьютер или другое устройство с Wi-Fi-адаптером.
Точка доступа выступает своеобразным посредником при обмене данными между
хостами. Другими словами, если одно устройство хочет что-то передать другому,
то сначала идет передача от первого устройства точке доступа, а потом от
точки доступа второму устройству.
Вторая важная функция точки доступа заключается в объединении беспроводной
и проводной сети. Кроме этой функции, точка доступа обеспечивает
аутентификацию устройств и реализует политики безопасности сети. Более подробно об этом
будет сказано ниже.
Ad-Hoc
При таком способе организации сети устройства подключаются напрямую без
точки доступа. Такой способ часто применяется, когда нужно соединить два
ноутбука или компьютера между собой.
Я рекомендую строить домашние сети с использованием точки доступа. Вкратце
распишу преимущества Infrastructure перед Ad-Hoc:
1) В Ad-Hoc-сетях максимальная теоретическая скорость ограничивается
значением в 11 МБит/сек (802.11b). Для Infrastructure максимальная
теоретическая скорость 450 МБит/сек (802.11п), 54 МБит/сек (802.llg) и 11
МБит/сек (802.11b). Реальные скорости в несколько раз меньше.
2) Точку доступа можно разместить таким образом, чтобы обеспечивался
оптимальный уровень качества покрытия для всех хостов сети. Для увеличения
площади покрытия можно разместить несколько точек доступа, объединив их
проводной сетью.
3) Настраивать Infrastructure сеть значительно проще, чем Ad-Hoc .
4) Точки доступа могут предоставлять расширенные возможности вроде DHCP,
NAT, маршрутизации и т.д.
По большому счету, Ad-Hoc-сети используются для эпизодической передачи
данных с одного устройства на другое, когда нет точки доступа.
Перед тем, как перейти непосредственно к описанию настройки сети,
необходимо сказать пару слов о безопасности беспроводных сетей.
Безопасность Wi-Fi-сетей
Протокол WEP
Изначально стандарт 802.11 предполагал использование протокола WEP для
Вопрос о максимальном расстоянии между двумя станциями изначально некорректен.
Максимальное расстояние зависит в первую очередь от наличия на пути радиосигнала
препятствий, а также мощности передатчика, чувствительности приемника, конструкции
антенн, их расположения и других факторов.
В некоторых случаях вопросы размещения беспроводных сетей следует согласовать с
соответствующими органами госнадзора. Небольшие домашние сети можно размещать и
использовать и без разрешения, но для сетей побольше такое разрешение стоит получить.
2 Host (англ.) — хозяин (гостиницы), в данном случае - узел компьютерной сети.
обеспечения безопасности обмена данными между устройствами в сети. Этот
протокол позволяет шифровать поток передаваемых данных по алгоритму RC4 с
использованием ключа длинной в 40 или 104 бита (пароль длинной в 5 или 13
символов) . К этому ключу добавлялись еще 24 бита, которые меняются динамически.
Эти 24 бита называются вектором инициализации (Initialization Vector). В
итоге данные шифруются с использованием 64 или 128-битного ключа.
Протокол WEP предусматривает два способа аутентификации пользователей при
подключении к сети:
• Open System (открытая сеть, в этом случае для подключения к сети не
нужно вводить пароль)
• Shared Key (сеть с общим ключем, при подключении к сети нужно ввести
пароль длинной в 5 или 13 символов)
Сейчас использование протокола WEP не рекомендуется из-за его невысокой
надежности. Взлом WEP-сети занимает считанные минуты и не требует особых
знаний. Сначала происходит перехват пакетов в сети, а потом происходит их
анализ .
Чтобы как-то защитить сети от несанкционированного доступа на смену
протоколу WEP пришел протокол WPA и WPA2
Протокол WPA
В этом случае сеть защищена значительно лучше за счет динамической
генерации ключей шифрования, а также с использованием более стойких алгоритмов
шифрования. Это позволяет серьезно улучшить безопасность сети.
По возможности рекомендуется использовать протокол WPA23. Существует два
варианта реализации защиты на основе проткола WPA
• Pre-Shared Key или Personal , когда на точке доступа указывается пароль
и чтобы подключится к сети нужно ввести тот пароль.
• С использованием RADIUS-сервера. Этот способ применяется в основном в
корпоративных сетях. В домашних сетях он не используется. При
подключении к беспроводной сети пароль передается на точку доступа, которая его
передает RADIUS-серверу, если пароль верен, то RADIUS-сервер разрешает
подключение. Обмен информацией между точкой доступа и сервером
происходит с использованием шифрования. Взломать такую сеть очень сложно и
занимает много времени. Гораздо проще найти другие способы получения
доступа к нужной информации.
Пароли
Использование протокола WPA еще не гарантирует, что Вашу сеть не взломают.
Сейчас взлом паролей происходит по словарям. При выборе пароля это стоит
учитывать. Вот пару рекомендация по выбору пароля не только для WPA-сетей, но и
для других задач (e-mail, ICQ....)
1) Не используйте в пароле обычные слова, даты и т.д. В этом случае
подобрать нужный пароль не составит большого труда
2) Старайтесь, чтобы в пароле использовались спецсимволы, большие и
маленькие буквы. Например: A!C@E#R$F%aAn&s.ru . Взлом такого пароля может
занять несколько лет. Естественно, что за это время информация потеряет
3 Если уж хотите защитить свою сеть — используйте WPA или WPA2; WEP, как и
фильтрация по MAC, отключение SSID-broadcasting'a — это скорей "защита от дурака", чем
препятствие для взломщика. В этом случае лучше уж создавать открытую сеть. Проблем с
настройкой меньше.
свою актуальность и прямой взлом теряет смысл.
3) Не используйте одни и те же пароли везде и как можно чаще их меняйте
4) Для хранения паролей используйте соответствующие утилиты. Я пользуюсь
утилитой KeePass. Она также может сгенерировать случайный пароль и
позволяет установить пароль на доступ к Вашим паролям.
5) Пожалуйста, не пишите пароли на бумажках и не клейте их на монитор.
Эти несложные рекомендации позволят Вам сильно усложнить жизнь взломщику, а
также сохранить свои нервы
Безопасность — это вещь комплексная. Об этом нельзя забывать.
Теперь рассмотрим как же создать сети Ad-Hoc и Infrastructure.
Настройка
Infrastructure
Настройку такой сети стоит начинать с настройки точки доступа. Процедура
настройки и сами настраиваемые параметры для большинства точек доступа
аналогичны. Практически все точки доступа имеют как минимум один разъем для
подключения к проводной сети. Чтобы настроить точку доступа ее нужно сначала
подключить с помощью сетевого кабеля к ноутбуку или ПК. Настройка большинства
точек доступа производится через Web-интерфейс (то есть, через браузер).
Приступим .
Подключаем точку доступа с помощью кабеля к ноутбуку или ПК, настраиваем
подключение4 и запускаем браузер. В окошке адреса вводим IP-адрес точки
доступа . Его можно узнать в инструкции к точке доступа:
4 См. начало публикации в №5 за 2012 г.
В моем случае это 192.168.0.50. Стоит обратить внимание, что интерфейс, к
которому подключена точка доступа, должен быть в той же подсети, что и сама
точка доступа, иначе у Вас не получится зайти в настройки.
Теперь нужно ввести логин и пароль для доступа к настройкам. Они должны
быть указаны в инструкции к точке доступа. Как правило, логин — admin , а
пароль — или тоже admin , или пустой.
Переходим на вкладку с настройками Wi-Fi сети:
/'чззавпом!
(^ httpc//19l2J68jD.50/h_wiirfess^html
» *t X I Поиск 'LiveSearch'
"U" & Jjg DWL G700AP
DWL-G700AP
Qf * Б! w ЯВ * !%} Страница » ^ Сераис »
2.4GHz Wireless Access Point
Wireless
Home
Advanced Tools
Status
Mode ' Access Point ■»
SSID. Home - '•-■ -■-
Channel • Б •»
Authentication ; Open System ■'_■ Shared <ey
; VVPA P5K ••< WPA2 PSK
; WPA : WPA2
Dassp>ira^e
Confirmed Dassphr3=e
& <J О
Apply Caned Help
avascnptdocument.forrr.s|0].si
LJ ф Интернет | Защищенный режим: вьисл.
\ICC% -
На других точках доступа эта вкладка будет иметь аналогичный вид.
Рассмотрим основные настройки:
• SSID — это идентификатор сети. Все устройства в одной беспроводной сети
должны иметь один и тот же идентификатор
• Channel — номер канала. По сути, это указывает частотный диапазон, в
котором и будет работать беспроводная сеть
• WPA2-PSK — включаем WPA2-аутентификацию.
• Passphrase — ключевая фраза. Может иметь от 8 до 63 символов. Это и есть
ключ доступа к сети. Чтобы подключится к этой точке доступа, нужно его
ввести.
Также в настройках точки доступа можно настроить ее IP-адрес:
D-Link
Building NvtworVi tor P(.~oj>t(.-
DWL-G700AP
->4/rPlus G
2.4GHz Wireless Access Point
Home
Advanced Tools
Status
LAN IP Dynamic IP Address
e static IP Address
IP Address 192 168 0 50
Subnet Mask 255.255.255.0
Gateway 0 0 0 0
DNS Server
Л <Э Q
Apply Caned Help
Теперь рассмотрим, как же подключится к этой беспроводной сети. Сначала на
примере Windows ХР, а потом на примере Windows Vista
Windows XP
Открываем «Сетевые подключения» и щелкаем правой кнопкой мышки по
«Беспроводное сетевое подключение. В меню выбираем «Свойства»:
>еслроводное сетевое
:оединен1
1ет под '
Отключить
Г^юоютр доступам 6естфоеодг**х сетей
Исправить
Подключения типа мост
создать ярлык
Переименовать
Свойства
[••*~
По аналогии с Ethernet-подключениями, настраиваем IP-адрес беспроводного
интерфейса:
-1- Беспроводное сетевое соединение - свой... [ ? |ГХ
Общие Беспроводные сети Дополнительно
Подключение через:
Сетевой адаптер Broadcom 802.11
Настроить..
Компоненты, используемые этим подклочением.
0 Sg К/иент для сетей Microsoft
@ J§Служба доступа к файлам и принтерам сетей Мюго
0 J*) Планировщик пакетов QoS
В
Протокол Интернета (TCP/IP)
Установить
Двойства
Описание
Протокол TCP/IP - стандартный протокол глобальных
сетей, обеспечивающий связь между различными
взаимодействующими сетями.
0 При подключении вывести значок в области уведомлений
0 Уведомлять при ограниченном или отсутствующем
подключении
ОК
Отмена
Свойства: Протокол Интернета (TCP/IP)
Общие
Параметры IP могут назначаться автоматически, если сеть
поддерживает эту возможность В противном случае параметры
IP можно получить у сетевого администратора.
О Получить IP-адрес автоматически
0 Испопьзовать следующий IP-адрес
1Р*дрес; 192 168 0
Маска подсети 255 255 255
Основной шлоз
192 1Б8
0 Испопьзовать следующие адреса DNS-серверов
Предпочитаемый DNS-cepeep: 192 168 0 1
Альтернативный DNS-cepoep:
Положительно
S
Отмена
Жмем ОК и переходим на вкладку «Беспроводные сети»:
-1- Беспроводное сетевое соединение свой... (? |[Х
Общие Беспроводные сети Дополнительно
0 Использовать Wndows для настройки сети
Доступные сети
Чтобы получить дополнительные сведения о беспроводной
сети в радиусе действия, в том числе как подключиться и
отключиться, щелкните кнопку ниже.
Беспроводные сети
ijjNbj
Предпочитаемые сети
Автоматически подключаться к первой из доступных
сетей из следующего списка:
Добавить..
Подробнее о настройке беспроводной
сети
Дополнительно
ОК
Отмена
Жмем на кнопку «Беспроводные сети». Должно появится примерно такое окошко:
Беспроводное сетевое соединение
Сетевые задачи
сети
- тпгм
[Просмотреть текущий список \
|ВИ*
Выберите беспроводную сеть
Щелкните по пункту в приведенном ниже списке, чтобы подключиться к
беспооеодной сети в радиусе действия или получить дополнительные сведения.
J, Установись UWJPpTJBUHHyiU
сеть
Родственные задачи
^/ Подробнее о беспроводных
сетях
•vV Изменить порядок,
предпочтения сетей
г^> Изменить дополнительные
параметры
Выполняется поиск беспроводной сети в радиусе действия.
Для поиска доступных сетей, жмем на «Обновить список сети». Через некоторое
время получаем результат поиска:
Сетевые задачи
& Обновить список сети
Установить беспроводную
сеть
Родственные задачи
^i> Подробнее о беспроводных
сетях
<^> Изменить порядок
предпочтения сетей
'*£> Изненить дополнительные
параметры
Выберите беспроводную сеть
Щелкните по пункту в приведенном ниже списке, чтобы подключиться к
беспроводной сети в радиусе действия или получить дополнительные сведения.
(О)
Ноше
Р безопасная беспроводная сеть (WPA2)
Чтобы подключиться к этой сети, нажмите кнопку "Подключить". Может
потребоваться ввод дополнительных сведений.
Подключить
3S
Как видим, наша сеть Ноте с WPA2 успешно нашлась.
Если у Вас ваша сеть не нашлась, то можно попробовать ее добавить вручную,
нажав на «Установить беспроводную сеть». Может такое быть, что на точке
доступа просто отключена широковещательная рассылка SSID и при поиске такая сеть
невидима. Поддержка WPA2 появилась в Windows XP начиная с Service Pack 2. Это
тоже стоит учитывать.
Выбираем нужную сеть и нажимаем «Подключить». В окошке вводим два раза тот
пароль, который вводили при настройке точки доступа:
Беспроводное сетевое подключение
Для подключения к сети Хоте" требуется ключ сети (также называется ключом
WEP или WPA). Сетевые ключи помогают предотвратить несанкционированное
подключение к сети.
введите ключ и нажмите кнопку "Подключить"
Ключ сети: •••••••••
Подтверждение ключа:
•I
Подкл!
«рчить!
Отмена
Когда ввели, нажмем «Подключить». Через мгновение получаем примерно такое:
-1- Беспроводное сетевое соединение свой... [? |[Х|
Общие | Беспроводные сети | Дополнительно
0 Использовать Windows для настройки сети
Доступные сети
Чтобы получить дополнительные сведения о беспроводной
сети в радиусе действия, в том числе как подключиться и
отключиться, щелкните кнопку ниже.
Беспроводные сети
Предпочитаемые сети:
Автоматически подключаться к первой из доступных
сетей из следующего списка:
Ф1.1.1.,иШ].1Ш,1.|1Ш..1.И
Добавить.
Удалить
Свойства
Подробнее о настройке беспроводной
сети.
Дополнительно
Ь [
ОК
Отмена
Как видим, мы успешно
подключились к сети Ноте.
Теперь скажу пару слов об этом
окошке. Беспроводных сетей,
к которым подключается
ноутбук , может быть несколько.
Чтобы добавлять новые сети
жмем на кнопочку «Добавить...»
Когда добавили сеть, она
появляется в списке. Теперь
объясню зачем же те
кнопочки «Верх» и «Вниз». Если в
том списке будут, например,
две сети: Ноте 1 и Ноте 2,
то в случае, если они обе
доступны, то ноутбук
подключится к той, которая стоит
выше в списке. Е ели доступна
только одна сеть, то ноутбук
подключится к ней.
Все, на этом подключение к
беспроводной сети закончено.
Windows Vista/7
Чтобы подключится к сети
нужно запустить «Центр
управления сетями и общим
доступом». Потом нажать
на «Подключится к сети»:
у « Центр управления сетями и общим доступом
' \*f I По
Задачи
Просмотр компьютеров и
устройств
Подключиться к сети
Управление беспроводными
Установка подключения или
Управление сетевыми
подключениями
Диагностика и
восстановление
[
Центр управления сетями и общим доступом
*
ACER
(?тот компьютер)
Интернет
И- Нет подключения
-л
Доступны беспроводные сети.
В окошке отразится список доступных сетей. Можно нажать на
кнопочку «Обновить» справа вверху:
Выберите сеть для подключения
Отображать Все
*.'
Ноте
Сеть с включенной безопасностью
riLJ
гстансЕкд подключения или сети
Открыть центр'.правления сетями и сбщим дсс*\псм
Подключи!*
$
Отмемл
Нажимаем на «Подключится». Вводим ключ к сети, который вводили при
настройке точки доступа:
Введите ключ безопасности или парольную фразу сети для Ноте
Получить ключ безопасности или парольную фразу можно у того, кто создал эту сеть.
Ключ безопасности сети или парольная фраза
П Отображать вводимь е знаки
._^» Если у вас есть фл?ш-нгкспите'-ь USE с параметрами се*и для Heme, вставьте
Подключить Отмена
IK
Нажимаем «Подключить»:
Успешное подключение к "Ноте'
Ij/J Сохранить параметры зтой сети
21 Запускать это подключение автоматически
И закрываем окошко. Потом указываем размещение. В моем случае это «Дома»,
Вот и результат:
ll^^j-EHj
^ « Центр управления сетями и общим доступом
Задачи
Просмотр компьютеров и
устройств
Подключиться к сети
Управление беспроводными
Установка подключения или
Управление сетевыми
подключениями
Диагностика и
восстановление
•
i ^ » }~£^\ ■ '*
Windows
>~ .V-1
0 -
Центр управления сетями и общим доступом
Пессг.чтр п;лмси карты
ACER
(лот комгьютер)
Ноте
Интернет
\& Нспе С-зстная сеть)
Доступ
Подключение
Локзльмэя сеть и Интернет
Веспрокодное г етеЕое соединение (Ноте)
•••. Уровень сигнала: хороший
Настрсйка
ПрССГ-.'СТС
СС'СТСЯНИЯ
Отключить
U ОСций доступ и сетевое обнаружение
Сетеяое обнаружение о есл
Общий доступ к файлам о вел.
Общий доступ к общим
папкам
Использование общих
принтеров
Общий доступ с гарольной
защитой
" вмкл. |нст установленных принтеров)
Настройки беспроводного интерфейса полностью аналогичны настройкам
Ethernet-интерфейса.
Вот и все. Теперь мы успешно подключились к беспроводной сети с
использованием WPA2-аутинтификации.
Настройка Ad-Hoc
Прежде, чем описывать непосредственно процедуру настройки такой сети, опишу
ее в двух словах. Эта процедура состоит из двух этапов:
1) одно устройство (ноутбук, ПК и т. д.) создает сеть
2) второе устройство к этой сети подключается
В этом материале будет показано создание открытых Ad-Hoc сетей.
Windows XP
Создание сети
Запускаем «Сетевые подключения» и заходим в «Свойства беспроводного
подключения» :
L_ «1»
>еслроеодное сетевое
:оединен1
1ет подю
Отключить
Гфооютр достутых беспроводгсде сетей
Исправить
Подключения типа мост
Создать ярлык
Переименовать
Свойства
Настраиваем IP адреса, как было описано ранее , переходим на
вкладку «Беспроводные сети» и жмем на кнопочку «Дополнительно»:
Дополнительно
Сети для доступа
О Любая доступная сеть (с точкой доступа)
О Сеть по точке доступа только инфраструктура)
0 Сеть компьютер-компьютер только (произв.)
□ Автоматическое подключение к любой сети
Закрыть!
Указываем «Сеть компьютер-компьютер...» и жмем «Закрыть»,
Нажимаем на кнопочку «Добавить...».
5 См. начало публикации в №5 за 2012 г.
Беспроводное сетевое соединение свой... |? |(Х|
Общие Беспроводные сети Дополнительно
0 Использовать Windows аля настройки сети
Доступные сети
Чтобы получить дополнительные сведения о беспроводной
сети в радиусе действия, в том числе как подключиться и
отключиться, щелкните кнопку ниже
Беспроводные сети
Предпочитаемые сети
Автоматически подклочаться к первой из доступных
сетей из следующего списка:
Добавить.
Подробнее о настройке беспроводной , .- _- >
сети. {Дополнительно!
ОК
Отмена
Должно появится вот такое окошко:
Свойства беспроводной сети
Связи | Проверка подлинности Подклочение
Сетевое имя (SSID): www acerfans nj
0 Подкпочиться. даже если сеть не ведет вещание
Клоч беспроводной эети
Данной сети требуется клоч для следующих операи*.
Проверка по длинно сти: Открытая
Шизроеание данных
Отклонено
ОК
ш
Отмена
Вверху в поле SSID указываем название сети и задаем параметры шифрования.
Предполагается, что такая сеть создается временно, и она будет удалена
после передачи данных. Если Вы планируете ее использовать постоянно, то нужно
убрать галочку «Подключатся, если сеть не ведет вещание». Если ту галочку
оставить , то это может помочь злоумышленнику получить несанкционированный
доступ к Вашему ноутбуку!
Жмем «ОК»:
-1- Беспроводное сетевое соединение - свой.
Общие | Беспроводные сети | Дополнительно
1^1 Использовать Windows для настройки сети
Доступные сети
Чтоб» получить дополнительные сведения о беспроводной
сети в радиусе действия, в том числе как подключиться и
отключиться, щелкните кнопку ниже.
Беспроводные сети
Предпочитаемые сети
Автоматически подключаться к первой из доступных
сетей из следующего списка:
www acerfапз ru (автоматически)
Добавить.
Удалить
Свойства
Подробнее о настройке беспроводной
сети
Дополнительно
^
Отмена
Как видим, сеть успешно создалась. Теперь рассмотрим вопрос о подключении к
такой сети из Windows XP.
Подключение
к Ad-Hoc сети
Сначала переходим на страничку Сетевые подключения и два раза щелкаем по
подключению к беспроводной сети (можно и через «Свойства», как описано выше).
Цр | От»
•94-соединение
тк/к-чено
_.Г1 Сетевом szsn-rto 139-4
_слроводмое сетевое
.оединение
\М~}^ Подклк
ЬЛ j( сети
"| ,^ Сетево.
Сетевой адаптер Broadcom 802, llg
Должно открыться такое вот сообщение:
Выберите беспроводную сеть
Щелкните по пункту в поведенном ниже списке, чтобы подключиться к
беспроводной сети в радиусе действия или получить дополнительные сведения.
www.acerfans.nj
'pif-bi'iiK-i ник
Незащищенная сеть компьютер-компьютер ■ • 11
Так как средства безопасности не включены в этой сети, передаваемая
через нее информация может быть видна другим пользователям. Чтобы
подключиться к этой сети, нажмите кнопку Подключить*.
Находим нашу беспроводную сеть и подключаемся к ней, нажав на
кнопку «Подключить» внизу. Нас Windows XP честно предупреждает:
Беспроводное сетевое подключение
J\
g\ Выполняется подключение к незащищенной сети 'www.acertans.ru*
' \ Сведения, посылаемые через эту сеть, не зашифрованы и могут
быть видимы другим пользователям.
Подключить
ключи
Отмена
Вот мы и подключились:
Выберите беспроводную сеть
Щелкните по пункту в приведенном ниже списке, чтобы подключиться к.
беспроводной сети в радиусе действия или получить дополнительные сведения.
«3»
Т
www .acerfa ns.ru
Незащищенная сеть компьютер-компьютер
Подключено ^
В данный момент вы подключены к этой сети. Чтобы отключиться от
сети, нажмите кнопку "Отключить*.
Ноте
'Г безопасная беспроводная сеть (WPA2)
•II
Теперь рассмотрим, как создавать такую сеть в Windows Vista.
Windows Vista/7
Создание сети
Сначала переходим в «Центр управления сетями и общим доступом». Щелкаем на
пункте «Управление беспроводными сетями»:
« Центр управления сетями и общим доступом
Задачи
Просмотр компьютеров и
устройств
Подключиться к сети
Упоавлени« беспооволными
Установка подключения или
Управление сетевыми
подключениями
Диагностика и
восстановление
[
♦tl'
Центр управления сетями и общим доступом
<ЯШ
ACER
[зтот компьютер)
11- Нет подключения
Доступны беспроводные сети
Подключиться к сети
Интернет
Жмем на кнопочку «Добавить»:
Lfffl « Управление беспроводными сетями
<г +
Управление беспроводными сетями, использующими (Беспроводно
Windows пытается подключиться к угим сетям в порядке, указанном ниже. Для изменен!
сети в списке выше или ниже. Сетевые профили могут быть также добавлены или удале
с£э Добавить 'jij*.1 Свойства адаптера ^ Типы профилей ^ Центр управления сетями
Й 1
Добавить беспроводную сеть L
Выбираем «Создать сеть компьютер-компьютер».
Как добавить сеть7
ci£i Добавить сеть, находящуюся в зоне действия этого
компьютера
Будет показан список обнаруженные сетей и предоставлена возможность
выбрать нужную сеть. После подключения профиль для этой сети буде*
сохранен на компьютере.
£■■ Создать профиль сети вручную
** При этом создается новый профиль се~и или обнаруживается существующая
сеть, и профиль сети сохраняется на компьютере. Необходимо знать имя сети
(iSID) и ключ безопасности (если он есть)
* Создать сеть "компьютер-компьютер"
При ?тсм создается временная сеть для сбщегс доступа к файлам или для
подключен*!?"»: Интернет,'
Отмемл
Щелкаем «Далее»:
V Л А
Настройка беспроводной сети компьютер-компьютер
Сеть "компьютер-компьютер" - ото временная сеть, используемая для общего доступа к
файлам, презентациям или к подключению к Интернету для нескольким компьютеров
или устройств
Компьютеры и устройства в сетях компьютер-компьютер должны быть расположены в
пределах 10 метров друг от друга.
Если в данный момент существует подключение к другой беспроводной сети, то оно
может быть разорвано е результате создания мой сети.
Отмена
В верхнем окошке вводим имя сети (SSID), ниже указываем параметры безопас-
о =
^ Л ч&Яйгт:- ■■'- •
^^^^HL=d^^Ja£3ali
Дайте имя этой сети и выберите параметры безопасности I
Имя сети: www.acerfans.ru
Тип безопасности:
Ключ безопасности или
парольная фраза:
[7] Сохранить параметр
Нет проверки подлинности (0 »
ы зтой сети
Псмсчь выбрать
- • 3Tt secД'.и itie :ма> г.
Дале^-, ]
Отмена
ut
Нажимаем на «Закрыть»:
Сеть www.acerfans.ru готова к использованию
Эта сеть будет отображзться в списке беспроводных сетей и останется активной,
пока все пользователи не выполнят отключение Сообщите имя сети и ключ
безопасности (если ом задан) тем пользователям, которым вы хотите разрешить
подключаться к зтой сети.
Имя беспроводной сети: www.acerfans.ru
Ключ безопасности сети: не защищено
Чтобы разрешить общий доступ к файлам, откройте Центе: управления сетами и
сещим дест, пем в пгнели управления и включите общий доступ к файлам
Закрыть
На
Вот и наша сеть:
Lfftl w Управление беспроводными сетями
1
Управление беспроводными сетями, использующими (Беспроводное сете
Windows пытается подключиться к зтим сетям в порядке, указанном ниже. Для изменения пор;
сети в списке выше или ниже. Сетевые профили могут быть также добавлены или удалены.
с^э Добавить г=э Удалить 'If* Свойства адаптера £ Типы профилей ^ Центр управления
Сети, доступные для просмотра и изменения (1)
www. а с erfans.ru Е^:с™^:н: ~с гг^'л^е
Ти
Как настраивать IP-адреса, маски подсети и прочие вещи описано ранее , для
беспроводного подключения процедура полностью аналогична.
Теперь перейдем к подключению к Ad-Hoc-сети из Windows Vista
Подключение
к Ad-Hoc сети
Процедура подключения к такой сети аналогична процедуре подключения к точке
доступа. Сначала заходим в «Центр управления сетями и общим доступом» и жмем
на «Подключится к сети»:
Задачи
Просмотр компьютеров и
устройств
Подключиться к сети
Управление беспроводными
Установка подключения или
Управление сетевыми
подключениями
Диагностика и
восстановление
Центр управления сетями и общим доступом
Л
ACER
?тот компьютер)
lu- нет подключения
Доступны беспроводные сети
6 См. начало публикации в №5 за 2012 г.
В списке выбираем нужную сеть:
L ■УУттД
* 'ЙРЖ^ГП'-
Выберите сеть для подключения
Отображать Все
»• W
www, acerf ans.ru Незащищенная сеть
1* Ноте
(_еть с включенной безопасностью
*5И
/стансека подключения или сети
Открыть центр '.правления сетями и сбщим дсс.псм
Подключаться
ГТЬСЯ
W
Отмена
и нажимаем на кнопку «Подключится». Windows Vista нас предупреждает:
www.acerfars.ru - небезопасная сеть
Все равно подключить
Информация передаваемая nepei >ту сеть может быто видна
другим пользованиям
"♦ Подключиться к другой сети
Отмена
Выбираем сетевое размещение:
Выберите расположение для сети "'www.acerfans.ru"
Windows будет автоматически применять соответствующие сетевые параметры
для этого расположения
/ЧШ^ Дома
|* ■ |3к Используйте его v себя дома или в аналогичны? местам Ваш компьютер
мсжнс будет обнаружить и ot-i сможете | ■ -~ '"
устройства в этейтети.
■ видеть другие компьютеры и
"^L_ На работе
'^ШшЬ Испол»1уйте его у себя на работе или в аналогичны:- местах Ваш
компьютер можно будет обнаружить и вы сможете видеть другие
компьютеры и устройства в этой сети
Общественное место
Рекомендуется использовать Б аэропорта;-, Интернет-кафе и други:-
общественных местах, или при прямом подключении к Интернету
Обнаружение други> компьютеров и устройств будет ограничено.
Настроить имя тип расположения и ;нзчс>;д,пя ?тсй сети
Помочь выбрать
Отмена
и закрываем окошко:
Успешное подключение к "www.acerfans.ru
[у| Сохранить параметры этой сети
3d»ЧЬИ
;£п_
Должен получится примерно такой результат:
« Центр управления сетями и оЪшим доступом
Задачи
Просмотр компьютеров и
устройств
(1одключиться к сети
Управление беспроводными
сетями
Устэновка подключения или
сети
Управление сетевыми
подключениями
Диагностика и
восстановление
у
&£*л*ж
^БмрЦвр Windows
4)ri№bl Ш1 llfill ЦП II III llll
Устройства Bluetooth
Центр управления сетями и общим доступом
Прс
' % |> х
ACtK vvww.acerf ans.ru
(«тот компьютер)
.^ www acerlans rj (Частная сеть!
Доступ Только локальная есть
Подключение Беспроводное сетевое соединение
(www.aeerfans ги)
■•''.'Уровень сигнэлз: отличный
3J Общий доступ и сетевое обнаружение
Сетевое обнаружение о вкл
Общий доступ к файлам о вкл.
Общий доступ к общим О выкл >
гапкам Ьт
Использование общих О выкл, (нет установленных принтеров)
принтеров
Общий доступ с парольной О выкл.
азщитэй
:мстр пс пней к-.эрты
Интернет
Настройка
Пргсмотр
состояния
Отключить
V
V
V
111
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Химичка
ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРАТОВ И ПЕРХЛОРАТОВ
Engager
Пиротехника, завораживающая своей яркостью и красотой, постоянно
притягивает к себе умы многих любителей этого искусства. Многие начинают свои
собственные пиротехнические изыскания, но, пролистывая пиротехнические сайты и
форумы, многие начинающие пиротехники сталкиваются с проблемой необходимости
добывания важнейших пиротехнических компонентов - хлоратов и перхлоратов. В
интернете можно найти множество способов их получения, но они, как правило,
плохо и неясно изложены и далеко не всегда дают хорошее понимание процессов и
рождают много вопросов. Составляя этот обзор, автор пытался разъяснить многие
теоретические и практические аспекты получения хлоратов и перхлоратов, а так
же привести примеры готовых конструкций и практических методик реализации тех
или иных процессов связанных с получением хлоратов и перхлоратов. Конечно,
данное руководство далеко не полно и в нем не хватает еще много, но оно может
стать хорошим подспорьем в решении нелегкой задачи синтеза этих весьма
необходимых в пиротехнике соединений. Изначальная версия руководства была
банальным переводом английского варианта расположенного на сайте нидерландского
пиротехника Wissel'a. Качество перевода, в общем, оставляло желать лучшего и
иногда искажало некоторые практические аспекты проблемы. В связи с
актуальностью проблемы, автором была подготовлена дополненная и полностью
переработанная, сверенная с научной и практической литературой версия руководства,
которая и предлагается вниманию читателя.
ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРАТОВ
Предисловие
В промышленных масштабах хлораты производят электролизом горячих растворов
соответствующих хлоридов. Этот метод в меньших масштабах легко может быть
использован юными пиротехниками. Существуют и другие методы производства
хлоратов , но они представляют интерес только при производстве маленьких количеств
хлората. Один из этих методов - термическое разложение гипохлоритов натрия
или кальция, которые легко доступны каждому (Отбеливатель "Белизна" - это
водный раствор гипохлорита натрия, а хлорная известь это ни что иное, как ги-
похлорит кальция). При нагревании раствора гипохлорита он разлагается на
хлорид и хлорат. Полученный хлорат выделяют и очищают. Этот простой метод очень
удобен, так как требует минимального количества оборудования. Раньше в
промышленности хлораты производили способом Бертоло - пропуская газообразный
хлор через раствор щелочи. Для кустарного производства этот метод плохо
подходит из-за высокой токсичности хлора, кроме того он крайне малоэффективен,
вследствие чего он и был вытеснен электрохимическим методом.
Получение хлоратов
электролизом
Электрохимический метод получения хлоратов основывается на электролизе
водных растворов хлоридов. Электролиз ведут в стойкой к коррозии емкости,
содержащей раствор хлорида. Для приготовления хлоратов могут быть использованы
многие хлориды, но использование хлорида натрия (поваренная соль) имеет
некоторые преимущества: во-первых, это возможность легко получать из него другие
хлораты путем реакций обмена; во-вторых, если желаемый продукт - перхлораты
то они так же могут быть получены из перхлората натрия, который в отличие от
перхлората калия хорошо растворим в воде.
В пиротехнике наибольшее применение находят хлорат калия и хлорат бария,
которые так же могут быть получены электрохимическим методом без
промежуточного использования хлората натрия, но эти процессы менее удобны, по причинам
меньшей растворимости хлората калия, и по причине невозможности проведения
некоторых реакций обмена с хлоратом бария, который к тому же весьма токсичен.
В пиротехнике большое использование находит и перхлорат аммония, но в
отличие от других перхлоратов получение его указанным методом невозможно ввиду
образования высокочувствительных взрывоопасных соединений - трихлорида азота
и хлората аммония, которые с легкостью детонируют сами по себе, а также могут
вызывать инициирование пиротехнических смесей содержащих их даже в ничтожных
количествах.
Теория процесса
Реакции, проходящие при электролизе, еще не до конца изучены даже в наши
дни. Общий процесс, описанный ниже, взят из химической литературы в которой
наибольшее признание получила теория Фоестера и Мюллера, появившаяся около 80
лет назад.
При электролизе концентрированного раствора хлорида натрия без разделения
электродных пространств хлорат натрия образуется как в результате химического
взаимодействия в растворе первичных продуктов электролиза, так и их
электрохимического окисления.
Первичные процессы
Первичные процессы на электродах приводят к образованию хлора на аноде и
гидроксид анионов и водорода на катоде:
Анод: 2С1" -> С12 (водн.) + 2е
Катод: 2Н20 + 2е -> Н2 + 20Н"
В результате смешения анодных и катодных продуктов на первой стадии в
зависимости от рН раствора образуются гипохлориты или хлорноватистая кислота:
С12 (водн.) + 20Н" -> СЮ" + С1" + Н20
С12 (водн.) + ОН" -> НС10 + С1"
Максимальная скорость протекания первичных реакций максимальна при рН=7,6.
Вторичные процессы
Образование хлората в растворе может происходить как по химическому, так и
по электрохимическому механизмам. Рассмотрим каждый из этих процессов.
1. Электрохимический процесс. Протеканию электрохимического процесса
соответствует уравнение:
6С10" + 60Н" + бе -> 2С103" + 4С1" + ЗН20 + 1,502
Доля, приходящаяся на электрохимический процесс, в общем процессе
образования хлората зависит от концентрации ионов гипохлорита вблизи анода. Ее можно
уменьшить, изменяя рН электролита, его температуру, удельный объем
электролита на единицу нагрузки, а также ограничивая или затрудняя диффузию ионов
гипохлорита к аноду.
2. Химический процесс. Образованные на первой стадии гипохлорит и
хлорноватистая кислота взаимодействуют между собой по схеме:
2НС10 + СЮ" -> СЮз" + 2С1" + 2Н+
НСЮ + 2С10" -> СЮз" + 2С1" + Н+
Протеканию этих реакций благоприятствует слабокислая среда и повышение
температуры. Скорость обоих реакций близка между собой и максимальна при значе-
ниях рН около 6, при этих условиях концентрация хлорноватой кислоты и иона
гипохлорита максимальна.
В процессе получения хлората по химическому механизму, отсутствуют потери
выхода по току на выделение кислорода, и достигается высокий выход по току.
Протеканию процесса по химическому механизму способствуют повышение
концентрации NaCl в при анодном пространстве, поддержание рН на нужном уровне,
повышение температуры, затруднение процессов диффузии ионов гипохлорита к
аноду, и возможно быстрый вывод образовавшегося гипохлорита и хлорноватистой
кислоты из межэлектродного пространства ячейки.
Побочные процессы
Одновременно с основными процессами получения хлората, на катоде, аноде и в
остальном электролите протекают побочные процессы.
1. На катоде может происходить восстановление хлората до хлорида:
СЮ" + Н20 + 2е -> С1" + 20Н"
СЮз- + ЗН20 + бе -> С1" + 60H"
Для снижения потерь на восстановление к электролиту добавляют соли хрома.
При восстановлении соли хрома на катоде образуется слой из его соединений,
препятствующих прохождению ионов гипохлорита и хлората.
2. На аноде возможен разряд гидроксид ионов или молекул воды с выделением
кислорода:
2Н20 - 4е -> 02 + 4Н+
3. На платиновых, магнетитовых и пероксидно-свинцовых анодах возможно
дальнейшее окисление хлората в перхлорат:
С103" + Н20 - 2е -> С104" + 2Н+
На графитовых анодах потенциал, необходимый для окисления в перхлорат не
достигается, поэтому на графитовых анодах выделение перхлората не происходит.
Пути
оптимизации
процесса
Как видно из указанных выше механизмов видно, что на оптимальное протекание
процесса влияют рН, температура и удельная нагрузка на объем электролита.
Рассмотрим влияние всех факторов в отдельности.
1. Оптимизация нагрузки на электролизер. Как известно, согласно закону Фа-
радея выход электрохимической реакции прямо пропорционален силе тока
проходящего через электролит и времени его пропускания. Понятно, что увеличение силы
тока приведет к увеличению скорости процесса, но при слишком большой силе
тока выделение хлора будет происходить быстрее, чем его поглощение, что в свою
очередь приведет к сильному уменьшению скорости процесса за счет
непосредственных потерь хлора. Во-вторых, выделение хлора из электролита будет повышать
рН раствора за счет роста количества гидроксид ионов, не вступивших во вто-
ричные реакции (см. первичные процессы). Повышение рН раствора ведет к
уменьшению скорости вторичного химического процесса и к увеличению доли протекания
менее эффективного электрохимического процесса. Помимо указанных негативных
влияний, негативным фактором является так же и то, что выделяющийся из
раствора хлор будет сильно коррозировать части электролизера, не погруженные в
раствор. Таким образом, для поддержания эффективности работы необходимо
дозировать силу тока, которая должна быть не более 2-х ампер на каждые 100 мл
электролита.
2. Контроль рН. В общем случае контроль температуры и рН не является
обязательным, но при соответствующем контроле выход хлората будет значительно
выше . Как описано в теории максимуму скорости химического вторичного процесса
соответствует рН около 6, что соответствует слабокислотной среде. Кроме того,
величина рН электролита сильно влияет на коррозию электродов, так графитовые
аноды имеют тенденцию к увеличению коррозии при высоком рН, и контроль рН
будет увеличивать срок их службы. Контроль рН осуществляют при помощи
периодического добавления в раствор соляной кислоты.
3. Контроль температуры. Контроль температуры также не обязателен, но при
должном контроле эффективность процесса сильно увеличивается. Контроль
температуры можно осуществлять при помощи термостата с нагревательным
(охлаждающим) элементом, или при помощи обыкновенной водяной бани. Как упоминалось
ранее, повышение температуры будет увеличивать эффективность процесса, за счет
более эффективного поглощения хлора и смещению вторичных процессов в
химическую область, но повышение температуры будет увеличивать и коррозию
электродов. Оптимальное соотношение этих процессов лежит в пределах между 60° С и
80°С. При повышении температуры скорость коррозии графитовых анодов растет
наиболее быстро. Поэтому электролизеры с графитовыми анодами обычно работают
при температурах около 4 0 ° С, что сильно снижает коррозию анодов.
4. Минимизация побочных процессов. При оптимальном пути реакции, когда
вторичный процесс преимущественно химический, на образования одного моля хлората
требуется 6 Фарадеев заряда, но если реакция пойдет по другому пути, то для
получения одного моля хлората потребуется уже 9 Фарадеев заряда. Как показано
в теории значительную роль среди побочных процессов играют процессы
восстановления хлората в хлорид. Раньше для предотвращения восстановления продукта,
его доступ к катоду блокировали при помощи мембраны. В наши дни вместо этого
в раствор добавляют хроматы или бихроматы - при восстановлении они образуют
на катоде слой гидратированых оксидов хрома, который блокирует доступ ионов
гипохлорита и хлората к поверхности катода. Что касается возможности
образования перхлоратов, стоит упомянуть о том, что реакции образования перхлоратов
не протекают до тех пор пока концентрация хлорида не упадет до 10%. Для
повышения эффективности электролизеры конструируют таким образом, чтобы они
производили почти чистый хлорат (без примеси перхлората), что достигается
постоянным поддержанием концентрации хлорида натрия выше 10%.
Питание
электролизера
Скорость процесса напрямую зависит от тока проходящего через электролит.
Энергия, потребляемая электролизером, зависит от силы тока и напряжения и
связана с ними отношением Р = I*U. Из этого видно что снижение напряжения
снижает затраты энергии (важнейший фактор для промышленного производства), но
напряжение не может быть снижено ниже 3,5-4,5 вольт. Из них примерно 3 вольта
требуется для образования хлората, а остальное напряжение расходуется на
преодоление сопротивления электролизера. Согласно закону Ома напряжение равно U
= I*R, поскольку сопротивление раствора при электролизе меняется во время
работы, то меняется и напряжение между электродами ячейки1. Для того чтобы
процесс производства хлората шел нормально необходимо поддерживать напряжение
в указанных выше пределах. Есть два пути регулировки напряжения: изменение
напряжения источника и изменение сопротивления ячейки электролизера.
Повышение напряжения может осуществляться как вручную, так и автоматически.
Если источник тока не поддерживает изменения напряжения, то имеет смысл
изменять сопротивление электролизера. Сопротивление электролизера можно изменить
путем изменения расстояния между катодом и анодом. При увеличении расстояния
между ними сопротивление электролизера увеличивается, а напряжение
уменьшается; при сближении электродов сопротивление электролизера будет падать, а
напряжение возрастет.
Стоит помнить о том, что увеличение сопротивления ведет к увеличению
нагрева электролита и в некоторых случаях может появиться необходимость охлаждения
раствора для предотвращения коррозии электродов. Понижение сопротивления в
свою очередь ведет к увеличению нагрузки на электросети и источник питания.
Конструкция
электролизера
Конструкции электролизеров могут быть весьма различными и варьироваться от
стеклянной банки с гвоздем и электродом от батарейки до отлично продуманных
коррозионно-стойких электролизеров с термостатами, рН контролем,
циркулирующим электролитом и калориметрами. Хотя и самые простые электролизеры будут
работать, но они будут требовать гораздо больше внимания. Если вы
намериваетесь использовать электролизер для постоянного производства, есть смысл
уделить больше времени конструкции электролизера, что сильно облегчит его
последующую эксплуатацию и повысит эффективность производства. Два главных
недостатка простейших электролизеров - это медленное протекание процесса
производства и большие затраты электроэнергии. В промышленности на производство 1 кг
хлората расходуется 4,5-5,5 киловатт' часов .
В одном из последующих разделов будет приведен пример конструкции простого
электролизера, на основе которого можно придумать свой. Электролизер
приведенный в качестве примера имеет ряд недостатков, но он хорошо иллюстрирует
принципы конструкций такого рода.
При создании конструкции электролизера, прежде всего, стоит определиться с
его объемом, материалами конструкции и электродов, рассмотрим каждый их этих
факторов.
Объем камеры
Емкость электролизера - главный фактор влияющий на выход продукта, от него
Автор плохо понимает электрическую часть. В данном случае требуется низковольтный
источник питания, обеспечивающий большой ток, поскольку электрохимические процессы
основаны на переносе электронов. Такой источник имеет малое внутреннее
сопротивление, поэтому падение напряжения на нем будет незначительным - изменение
сопротивления электролизера будет мало влиять на напряжение приложенное к нему. На
электролизере будет выделяться мощность P=U2/R. Поскольку сопротивление электролизера все-
таки меняется — будет меняться и ток через электролизер. Этот ток следует
стабилизировать . Стабилизировать ток можно путем изменения напряжения источника питания. Если
источник не имеет стабилизации по току — тогда это придется делать вручную.
зависит и ток необходимый для питания электролизера. Главное правило в том
что сила тока, приходящаяся на каждые 100 мл раствора, не должна превышать 2
ампера. Если будет приходиться больше, то большая часть хлора будет
улетучиваться из электролизера снижая эффективность процесса и повышая рН. Для того
чтобы получить представление о производительности можно привести такие цифры:
ток в 2 ампера будет превращать 0,73 грамма хлорида натрия в 1,32 грамма
хлората натрия в час (при эффективности 100%), если превратить получившийся
хлорат натрия в хлорат калия, то выход составит 1,53 грамма. Исходя из желаемого
темпа производства, можно рассчитать соответствующий объем электролита.
Например, чтобы получить 100 грамм хлората калия в день надо 100 мл * 100 г /
(1,53 г * 24 ч) = 272 мл электролита. Согласно указанному выше правилу 2-х
ампер, для такой производительности потребуется ток силой 2А * 272 мл / 100
мл = 5,44 ампера. На практике производительность электролизеров всегда меньше
идеальной.
Материал корпуса
электролизера
Одна из главных проблем хлоратных электролизеров - это агрессивность
электролита. Немногие материалы не поддаются коррозии при контакте с электролитом
или его парами. Коррозии подвергаются почти все металлы, многие виды
пластмасс , а при некоторых условиях даже стекло.
Некоторые металлы и сплавы (например, сталь) могут быть использованы, если
они необходимым образом защищены от коррозии. Для этих целей они могут быть
покрыты стойкими материалами (например, тефлоном или некоторыми сортами
резины) . Кроме того, они могут быть защищены путем так называемой "катодной"
защиты - это значит, что они будут защищены при их использовании в качестве
катода. Зашита работает потому, что отрицательный потенциал электрода
предохраняет материал от окисления в том случае, если плотность тока (ток через
единицу площади поверхности электрода) будет достаточно высока.
Материал
Железо
Нержавейка
Титан
Медь
Таллий
Платина
Алюминий
Полиэтилен
Полипропилен
Поливинилхлорид
Резина
Клей (ПВА)
Стирол
Графит
Силикон
Бетон
Стекло
Керамика
Дерево
Без защиты
—
-
++
—
++
++
—
+
+
++
+ -
+ -
-
+
—
+
++
++
--
С защитой
+
+
++
++
++
++
+ -
X
X
X
X
X
X
+
X
X
X
X
X
Такие металлы как титан, цирконий, талий и ниобий при контакте с электроли-
том образуют защитную пленку, препятствующую дальнейшему окислению метала.
Эти металлы применяют для изготовления промышленных электролизеров (чаще
всего используют титан, так как он наиболее дешев). Для домашнего производства
удобнее использовать общедоступные материалы, например, стекло и пластмассу
(ПВХ), дополнительным преимуществом использования этих материалов заключается
в гораздо большей простоте и удобстве работы с ними.
Таблица, приведенная выше, содержит информацию о стойкости некоторых
материалов к коррозии при работе в хлоратных электролизерах с применением
катодной защиты, а так же без нее. Второй знак показывает возможности применения
материала при производстве перхлоратов, знак X показывает, что катодная
защита материала невозможна из-за отсутствия у него электропроводности.
Материал электродов
Список материалов, которые могут использоваться для изготовления
электродов , очень ограничен. Положительный заряд анода сильно помогает окислению,
выделяющиеся газы вызывают коррозию материала электрода. Ниже описаны
наиболее распространенные материалы, используемые для изготовления анодов.
Графит - дешев и легкодоступен. На самом деле графит подвергается коррозии,
но она идет достаточно медленно. Поэтому он пригоден для использования, хотя
и требует периодической замены. К недостаткам графита относится и сложность
очистки электролита от продуктов его коррозии, невозможность получения
перхлоратов , а так же необходимость вести электролиз при более низких
температурах, что повышает его стойкость к коррозии, но снижает эффективность
процесса . Тем не менее, графит достаточно распространен в технике, и его можно
легко добыть из цинковых батареек.
Платина - очень стойкий анодный материал, главным недостатком которого
является его высокая цена. Коррозия таких анодов электродов протекает крайне
медленно. Аноды из платины пригодны как для производства хлоратов, так и для
производства перхлоратов, обеспечивают высокую эффективность и сильно
упрощают обработку электролита.
Двуокись свинца - аноды из двуокиси свинца, нанесенного на графит или
другой субстрат являются дешевой альтернативой платиновым. Такие аноды стойки к
коррозии и годятся для производства перхлоратов. Более детальную информацию
об изготовлении таких анодов можно найти в соответствующем разделе.
Двуокись марганца - другой оксид стойкий к окислению, и пригодный для
изготовления анодов. Его получают термическим разложением нитрата марганца
налепленного на электрод. К сожалению детальная информация об этом материале у
меня отсутствует, но ее можно найти в литературе по электрохимии.
Магнетит - раньше имел широкое применение в промышленности, но в настоящее
время используется редко. Электрод изготавливают плавлением магнетита
(FeO*Fe203) с последующей заливкой в формы нужной конфигурации. У меня мало
информации об этом материале, но опять же нужную информацию можно найти в
литературе по электрохимии.
Для изготовления катодов можно использовать обычную и нержавеющую стали или
медь, эти материалы защищенные отрицательным зарядом катода обладают
достаточной стойкостью к коррозии и могут быть использованы для изготовления
хлоратов , тем не менее, части катодов не погруженные в электролит будут окис-
ляться выделяющимися газами и парами электролита, что может привести к
снижению срока эксплуатации катода и даже его разрушению. Стоит обратить внимание
на то, что использование хлората изготовленного в электролизере с медным
катодом может быть опасным (в продукте могут присутствовать продукты коррозии
меди), но эта проблема легко решается тщательной фильтрацией раствора (смотри
пункт об очистке полученного продукта).
Пример простейшего
электролизера
На схеме ниже приведена схема электролизера на 200 мл электролита. Электо-
лизер снабжен графитовым анодом, покрытым двуокисью свинца. Электролит -
водный раствор хлорида натрия с добавкой бихромата калия или фторида натрия
(если используется графитовый анод, то добавляют бихромат калия, если анод из
двуокиси свинца то добавляют фторид натрия). Катод обычно представляет собой
спираль из нержавеющей стали "обкручивающую" анод (смотри схему). Часть
катода не погруженная в воду быстро коронирует под действием хлора
улетучивающегося из раствора, во избежание накопления хлора в камере электролизера, в
крышку вставляют трубку для вентиляции. Температуру раствора контролируют
путем помещения электролизера в водяную баню. рН раствора проверяется два раза
в день с помощью индикаторной бумажки, и при необходимости доводится до
нужного уровня добавлением соляной кислоты. В качестве источника питания можно
воспользоваться блоком питания от старого компьютера. Сила тока проходящего
через раствор в таком электролизере должна быть около 4-х ампер. Если
источник тока не поддерживает изменения напряжения, то его можно изменить путем
приближения (удаления) электродов друг от друга2.
Вентиляционная
трубка
Катод
■Пластмассовая
крышка
Стеклянный корпус
б котором
находится 200 мл
электролита
Лучше использовать реостат.
Приготовление
электролита
Перед изготовлением хлората необходимо приготовить свежий электролит. Как
упоминалось ранее, обычно сначала из хлорида натрия получают хлорат натрия,
который при необходимости может быть превращен в хлорат калия или бария
реакцией обмена. Для изготовления хлоратов калия и бария можно использовать
соответствующие хлориды, но использование в качестве начального продукта хлорида
натрия имеет много преимуществ. Главное - хлорат натрия очень хорошо
растворим в воде, это позволяет легко удалять из раствора нерастворимые примеси,
которые присутствуют почти всегда. В случае использования других хлоридов все
численные значения масс и др. должны быть пересчитаны на соответствующий
хлорид.
Приведу описания процесса подготовки электролита шаг за шагом:
1. Готовят раствор хлорида натрия. Для этого в воде растворяют поваренную
соль из расчета 40 г хлорида натрия на 100 мл воды. Раствор доводят до
кипения, после чего дают остыть до комнатной температуры, и фильтруют
для удаления всех не растворенных примесей.
2. Для увеличения эффективности процесса в раствор добавляю 2-4 грамма на
литр хромата/бихромата натрия или калия. Напомню, что указанные
соединения хрома - канцерогены и после их добавления следует применять
соответствующие меры предосторожности. Если в электролизере используется
анод из двуокиси свинца, то добавление соединений хрома только снизит
эффективность. При использовании таких анодов в раствор нужно добавить
2-4 грамма на литр фторида натрия или калия. Хотя фториды натрия и
калия не являются канцерогенами, они так же достаточно токсичны и
обращение с ними так же требует соответствующих мер предосторожности.
3. Перед использованием рН раствора доводят до необходимого уровня 5,5-
6,5. Для повышения рН можно используют раствор едкого натра, а для
уменьшения - соляную кислоту. Не используйте слишком концентрированные
растворы - это крайне неудобно, для изменения рН удобно использовать
растворы с концентрацией около 2%.
Эксплуатация
электролизера
Подбор тока
Как уже было отмечено, напряжение и сила тока в ячейке могут варьироваться,
ток необходимый для работы ячейки зависит от конструкции ячейки и от желаемой
производительности. Главное правило - через каждые 100 мл электролита должен
проходить ток силой не превышающий 2 ампер. В случае применения в
электролизере графитовых анодов, имеет смысл использовать более низкую силу тока
(обычно используют ток с плотностью 30 мА на кв. см поверхности анода) , это
увеличит срок службы анода, но понизит скорость процесса. Более детальную
информацию можно получить в разделе "скорость получения продукта".
Поддержание
оптимальных
условий
Как указывалось в теории, из-за потерь хлора, рН электролита будет
постоянно расти. Помимо этого будут наблюдаться потери воды расчет испарения и
вступления в химическую реакцию. Для хорошей эффективности температура раствора
должна находиться в определенных пределах, определяемых оптимальной
температурой процесса и коррозией электродов. Через некоторое время необходимо
подливать в раствор воду (для компенсации испарившейся и вступившей в реакцию),
но лучше вместо простой воды подливать в раствор свежий электролит. Это
увеличит концентрацию хлорида и увеличит эффективность, а также предотвратит
излишнее образование перхлората, что при использовании графитовых анодов крайне
важно.
Вместе с контролем количества жидкости необходимо следить за рН раствора
который должен быть около 6. Для уменьшения рН применяют 2% соляную кислоту.
Если было добавлено слишком много кислоты, то рН раствора может быть повышен
до нужного уровня с помощью раствора 2% раствора едкого натра. рН раствора
имеет тенденцию к саморегуляции, так при слишком низком рН сильно увеличится
выделение хлора, который покидает раствор и увеличивает рН. рН раствора может
быть измерен с помощью обычной лакмусовой бумажки, но если бумажку погрузить
в электролит, то она может просто обесцветиться под действием гипохлорита, в
этом случае для измерения рН используют пробу из предварительно
прокипяченного в течение 5 минут раствора (при кипении гипохлорит разлагается).
Установление постоянной температуры обычно происходит достаточно быстро. В
случае эксплуатации вне помещения температура в электролизере будет
изменяться от погодных факторов и от времени суток. Для поддержания постоянной
температуры такого электролизера необходимо специальное устройство. Обычно
электролизеры требуют охлаждения, но это тоже зависит от конструкции
электролизера.
Скорость
получения
продукта
Время превращения хлорида в хлорат зависит от тока и эффективности.
Эффективность электролизеров сильно варьируется, поэтому точное время производства
рассчитать не представляется возможным. Тем не менее, полагая эффективность
равной 100%, время производство можно вычислить примерно. Как показано в
теории, при оптимальном пути процесса для образования 1 моль хлората требуется 6
Фарадей заряда. Один Фарадей - заряд соответствующий одному молю электронов,
то есть произведение заряда электрона на число Авогадро: (1,6*10~19)*
(6,03*1023) = 96480 Кл, поскольку 1 А соответствует протеканию одного кулона
в секунду, то один Фарадей соответствует 96480/3600 = 26,8 А'ч. В нашем
случае для производства одного моля хлората требуется 6 Фарадей, т.е. 160,8
ампер-часов (Ач) . Так к примеру, если электролизер содержит 100 грамм хлорида
натрия и эффективность полагается 100%-ной, то для преобразования
потребуется: (100/58,6) *160,8 = 274,4 А'ч. А если к примеру, через электролит
протекает ток силой 3 ампера, то на преобразование потребуется 274,4 / 3 = 91,47
часа (91 час 28 мин).
Обработка
электролита
По завершении процесса, необходимо выделить полученный продукт из раствора
и очистить его от примесей. Это может быть сделано следующим образом.
Фил ь тров ание
Обычно электролит содержит коллоидные примеси, которые почти всегда
визуально не заметны. Для их обнаружения можно использовать "рассеивающий" эф-
фект. Для обнаружения коллоидных частиц через одну из сторон стеклянного
контейнера с электролитом пропускают луч света из яркого фонарика, в случае
отсутствия коллоидных частиц луч света в растворе будет невидим, если
коллоидные примеси все же присутствуют, то луч света в растворе будет хорошо виден
(такой же луч получается при включении фонарика в тумане). Обычно примеси
являются продуктами коррозии электродов, корпуса или недогруженных в воду
частей электролизера. Эти примеси могут быть слишком малы, и их не всегда можно
удалить фильтрованием через фильтровальную бумагу, иногда примеси могут быть
отделены фильтрованием через ткань или вату. На этой стадии очистки
достоинства использования хлорида натрия становятся очевидными: в случае
использования хлорида калия, для удаления из него нерастворимых примесей необходимо
использовать горячее фильтрование, что зачастую приводит к забиванию фильтра
кристаллами хлората калия, образующимися при охлаждении раствора.
Разложение
гипохлорита
В полученном растворе всегда содержится некоторое количество гипохлорита,
примесь которого в хлорате сильно снижает его стойкость и резко уменьшает
безопасность его применения. Для удаления гипохлорита раствор нагревают до
кипения и выдерживают в течение 15 минут, затем в раствор добавляют 2% NaOH
до рН = 8-9.
Проведение
реакций обмена
После отделения примесей очищенный раствор хлората натрия может быть
использован для получения других хлоратов, например хлоратов калия и бария, а
так же для получения перхлоратов. Ниже будет описан метод получения хлората
калия, метод получения других хлоратов совершенно аналогичен приведенному, но
пропорции должны быть соответствующим образом пересчитаны.
На каждые 100 г начального хлорида натрия берут 127 г хлорида калия. Хлорид
калия растворяют в минимальном количестве кипящей воды. Полученный раствор
охлаждают, в случае выпадения нерастворенного остатка хлорида калия доливают
воду до его полного растворения. Раствор хлорида калия без нерастворенных
примесей приливают в раствор хлората натрия. Из раствора кристаллизуется
белый хлорат калия. Полученный раствор доводят до кипения и каждые 5 минут
добавляют к нему воду, порциями по 20 мл, до полного растворения хлората калия.
После полного растворения хлората калия, раствор выпаривают до образования
первых кристаллов хлората калия. Полученный раствор охлаждают до нуля
градусов и отфильтровывают образовавшийся хлорат калия. Хлорат калия промывают
небольшим количеством ледяной воды и после чего высушивают.
Очистка продукта
Для очистки полученного продукта можно использовать перекристаллизацию.
Низкая растворимость хлората калия в холодной воде позволяет произвести
хорошую очистку с небольшими потерями продукта. Для хорошей очистки одиночной и
даже двухразовой перекристаллизации может быть недостаточно, так как при
использовании продукта в составах цветных огней даже ничтожные примеси натрия
окрашивают пламя в желтый оттенок. Для хорошей очистки продукта необходимо не
менее 3-х перекристаллизации. Методика перекристаллизации приведена ниже.
35 грамм хлората калия растворяют в 100 мл воды и доводят раствор до
кипения. В кипящий раствор добавляют еще 20 мл воды до полного растворения хлора-
та. После растворения проверяют рН кипящего раствора, который должен быть
нейтральным или слегка щелочным. В случае кислого рН, в раствор добавляют КОН
до рН = 7-8. Данная процедура необходима для полного удаления следов кислот,
при отсутствии такой обработки применение хлората в пиротехнических составах
станет весьма опасным. Полученный раствор охлаждают до комнатной температуры.
Кристаллизовавшийся хлорат калия отфильтровывают и сушат при температуре не
выше 100°С.
Получение хлоратов
термическим разложением
гипохлоритов
Этот метод получения хлоратов намного более прост, чем метод электролиза,
тем не менее, выход продукта невелик, в силу чего метод пригоден только для
производства лишь небольших количеств хлората.
Исходные материалы
В качестве исходного материала можно использовать гипохлорит натрия,
который в значительном количестве содержится в различных отбеливателях,
наибольшим содержанием которого отмечено в отбеливателе "Белизна", лучше всего
использовать отбеливатель без ароматизаторов и других ненужных продуктов.
Концентрация гипохлорита в отбеливателе может быть различной, в простейшем
случае, если отбеливатель представляет собой водный раствор содержащий
исключительно гипохлорит натрия, можно выяснить его концентрацию, путём простого
сравнения масс одинаковых объемов отбеливателя и чистой воды. Различие в
массах соответствует массе гипохлорита растворенного в пробе отбеливателя. Ниже
приведен метод для раствора содержащего 4% гипохлорита, в случае более
концентрированных растворов отбеливатель необходимо разбавить до данной
концентрации. Основой данного метода является реакция диспропорционирования
горячего разбавленного раствора гипохлорита:
3NaC10 -> NaC103 + 2NaCl
При использовании более концентрированных растворов гипохлорита, гипохлорит
разлагается на хлорид и кислород, без образования хлората:
2NaC10 = 2NaCl + 02
Поэтому очень важно использовать растворы небольшой концентрации, если в
результате проведения разложения обнаруживается выделение кислорода, раствор
гипохлорита разбавляют.
Методика проведения
диспропорционирования
Литр 4% раствора гипохлорита натрия наливают в емкость из термостойкого
стекла или нержавеющей стали и доводят до кипения. Кипячение ведут до тех
пор, пока раствор не упарится до примерно 140 мл (возможно отклонение на 10-
20 мл) . Раствор охлаждают до 0°С, в случае выпадения кристаллов их удаляют
фильтрованием. В отдельной емкости готовят раствор 28 грамм хлорида калия в
80 мл кипящей воды, охлаждают и отфильтровывают от нерастворенных примесей,
после чего приливают раствор к упаренному раствора отбеливателя. После слива
растворов должны появится белые кристаллы хлората калия. Раствор доводят до
кипения и приливают в него воду до полного растворения хлората. После чего
раствор вновь охлаждают до 0°С и отфильтровывают кристаллы хлората калия.
Полученный хлорат промывают небольшим количеством ледяной воды и высушивают.
Очистку продукта производят также как и при очистке продукта полученного
электролитическим методом (см. выше).
Получение хлоратов
из хлоридов
химическим окислением
Это самый старый способ получения хлоратов, использованный Бертоло, впервые
открывшего хлорат калия. Способ достаточно прост в реализации и быстр, а
также дает возможность сразу получать продукт, свободный от солей натрия, но
выход продукта относительно невелик, кроме того метод требует работы с
газообразным хлором. Для получения хлора можно использовать многие реакции,
например:
4НС1 + Мп02 = МпС12 + С12 + 2Н20
4НС1 + РЬ02 = РЬС12 + С12 + 2Н20
16НС1 + 2КМп04 = 2МпС12 + 5С12 + 2КС1 + 8Н20
14НС1 + К2Сг207 = ЗСгС13 + ЗС12 + 2КС1
4НС1 + Са(0С1)2 = 2С12 + СаС12 + 2Н20
2НС1 + NaCIO = С12 + NaCl + Н20
Ниже приведена методика получения хлората калия из карбоната калия:
ЗК2С03 + ЗС12 = 5KC1 + КСЮз + ЗС02
Для получения хлората калия растворяют 100 г карбоната калия в 65-70 мл
кипящей воды и через раствор (при слабом кипении) пропускают хлор. Реакцию
считают законченной, когда в растворе не будет обнаруживаться карбонат-ион;
раствор при этом делается нейтральным (или слабокислотным). Прежде чем проверить
среду на кислотность, нужно прекратить ток хлора, а затем испытать лакмусовой
бумажкой отдельную, предварительно охлажденную пробу. Если вместо того чтобы
порозоветь, бумажка обесцветится, это значит, что в растворе присутствует ги-
похлорит (образуется при недостаточно высокой температуре реакции). Затем
прибавление воды объем жидкости доводят до 200 мл, раствор фильтруют горячим
от возможных примесей и оставляют для кристаллизации. Выпавшие кристаллы
хлората отфильтровывают, промывают небольшим количеством ледяной воды и сушат
при 70°С.
ПОЛУЧЕНИЕ
ПЕРХЛОРАТОВ
Предисловие
Раньше перхлораты получали термическим разложением хлоратов, но из-за
низкой эффективности этот способ теперь не используется, в наше время перхлораты
получают электрохимически. Существуют возможности получения перхлоратов
химическим окислением хлоратов, но в настоящее время они слишком дороги, но имеют
неплохие перспективы на будущее. Перед началом получения перхлоратов стоит
определиться с методом. Если у вас есть возможность использовать большие
количества хлоратов невысокой цены (используются как гербициды), то для вас
есть смысл получать перхлораты термическим разложением хлоратов - этот метод
быстр и не требует каких-либо реактивов кроме самого хлората. Если же у вас
есть готовый электролизер для производства хлоратов и в нем использован
подходящий для производства перхлоратов анод, то удобнее воспользоваться
электрохимическим методом. Можно использовать и химическое окисление хлоратов, но
используемые реактивы весьма дороги, хотя сам метод быстр и прост.
Электрохимический метод
Хлораты могут быть окислены до перхлоратов электрохимически, с почти 100%-
ным выходом. В качестве исходного материала для изготовления перхлоратов
удобнее всего использовать хлорат натрия, производство перхлората калия из
хлората калия сильно осложнено крайне низкой растворимостью перхлората и
низкой растворимостью бертолетовой соли. Еще одним плюсом хлората натрия
является возможность последующей переработки перхлората натрия в перхлораты других
металлов. Ниже будет описан способ использующий хлорат натрия.
Теория процесса
При электролизе раствора хлората натрия без разделения электродных
пространств происходит его окисление с образованием перхлората. Перхлорат натрия
образуется исключительно путем электрохимического окисления. Процесс
окисления протекает с образованием хлорной и хлорноватистой кислоты:
2С103" + Н20 = НС104 + НС103 + 2е
Одновременно на катоде происходит разряд ионов водорода, и образование
щелочи, реагирующей с НСЮз и НСЮ4:
2Н20 + 2е = Н2 + 20Н"
НС104 + НСЮз + 20Н" = С104~ + С10з~ + 2Н20
Таким образом, суммарный процесс выражается следующим уравнением:
С10з~ + Н20 = С104~ + Н2
В промышленный процессах электролиз проводят с применением в качестве
анодов платиновых сеток, а в качестве катодов - перфорированных никелевых
пластинок. В качестве катодных материалов иногда используют нержавеющую сталь и
графит. С целью избежания потерь тока на разрядку гидроксид ионов ОН"
поддерживают небольшую кислотность электролита 0,1-0,15 г/л НС1. При избытке же
кислоты может произойти разложение С10з~, а так же разряд ионов хлора на аноде.
Промышленный процесс проводят при концентрации хлората натрия 500-700 г/л,
температуре 40-60°С, анодной плотности 0,3-0,7 А/см2 и катодной 0,01-0,2
А/см2, с напряжением в электролизерах 6-10 В. В таких условиях начальный
выход по току составляет 95-98%. К концу процесса, при концентрации NaC104 900-
1000 г/л и NaC103 ниже 50 г/л выход по току снижается и составляет 40-50%. В
среднем выход по току составляет около 85%.
Установлено, что оптимальное значение анодной плотности тока 0,4-0,5 А/см2.
В процессе ведения электролиза с применением платиновых анодов и стальных
катодов для исключения восстановления катодов в электролит добавляют 3-4 г/л
Na2Cr207. В этом случае максимальный выход по току достигается при 30-40°С.
Разработан способ с применением в производстве анодов из диоксида свинца,
нанесенного на графит путем электроосаждения на токопроводящую подложку из
графита. Устранение при этом механических повреждений покрытия и придание ему
однородности достигают обработкой эпоксидной смолой, силиконовым каучуком или
другими аналогичными материалами. Известно также, что в качестве токопроводя-
щего субстрата для анодов из диоксида свинца можно применять тантал. При
использовании анодов из диоксида свинца выход перхлората натрия по току
несколько ниже (на 5%), чем при работе с платиновыми анодами.
Получение перхлоратов с применением двуокиси свинца в качестве анода
проводят при анодной плотности тока 0,15 А/см2 и катодной 0,07 А/см2, при
напряжении 4,7-5,7 В. К раствору добавляют 0,5 г/л NaF и не вводят ЫагСг207. Участие
фторида натрия позволяет завершить процесс до конечной концентрации NaC103,
которая достигается на платиновых анодах без резкого уменьшения выхода по
току, который составляет в среднем около 90%.
Конструкция
электролизера
Конструкции электролизеров для производства перхлоратов почти не отличаются
от конструкций хлоратных электролизеров. Главное отличие заключается в
материале анода, который должен подходить для производства перхлоратов. Некоторые
электроды для производства хлоратов могут быть использованы и для получения
перхлоратов. Еще одним отличием является то, что для производства перхлоратов
рН и температура важны в намного меньшей степени, чем при производстве
хлоратов. Помимо этого, напряжение в перхлоратных электролизерах должно быть
немного выше, чем таковое в хлоратных. Это обусловлено тем, что перхлорат
обладает более высоким электродным потенциалом образования. В остальном хлоратные
и перхлоратные электролизеры аналогичны.
Материал
электродов
Так же как и в хлоратных электролизерах, в качестве материала катода могут
быть использованы нержавеющая сталь и медь. Но применение медных катодов
порождает некоторые трудности, связанные со сложностью удаления растворенных
продуктов коррозии меди. Материал анодов для производства перхлоратов должен
иметь высокую стойкость к кислороду, при ее отсутствии кислород будет
реагировать с анодом предотвращая окисление хлората в перхлорат. Для производства
перхлоратов пригодны аноды из диоксида свинца, платины или магнетита.
Описание этих материалов можно найти в разделе об анодах для производства
хлоратов .
Приготовление
электролита
Перхлорат натрия может быть изготовлен напрямую из хлорида натрия путем
электролиза, причем производство перхлората не требует введения в электролит
никаких дополнительных добавок. Приготовление электролита для получения
перхлоратов аналогично приготовлению хлоратного электролита (см. в получении
хлоратов). Если же требуется получить перхлорат из хлората, то нужно
изготовить другой электролит, приготовление которого описано ниже.
Готовят насыщенный водный раствор хлората натрия. Для этого в 100 мл
кипящей воды растворяют 60 грамм хлората натрия, раствор охлаждают, а затем
фильтруют от нерастворенных примесей. Для увеличения эффективности процесса в
раствор добавляю 2-4 грамма на литр хромата/бихромата натрия или калия.
Напомню, что указанные соединения хрома - канцерогены и после их добавления
следует применять соответствующие меры предосторожности. Если в электролизере
используется анод из двуокиси свинца, то добавление соединений хрома только
снизит эффективность. При использовании таких анодов в раствор нужно добавить
2-4 грамма на литр фторида натрия или калия. Хотя фториды натрия и калия не
являются канцерогенами, они так же достаточно токсичны и обращение с ними так
же требует соответствующих мер предосторожности.
Эксплуатация
электролизера
Производство перхлората требует более высокого напряжения, чем производство
хлората, а температура и рН для производства перхлоратов почти не имеют
значения. Как и при производстве хлоратов сила тока в электролизере может сильно
варьироваться, но напряжение должно оставаться постоянным. Для производства
перхлоратов обычно используют напряжение в 5-7 вольт. Сила тока может
варьироваться, но должна находиться на уровне приемлемом для предотвращения
коррозии электродов. Правило о максимальной силе тока в объеме электролите,
соблюдение которого необходимо для производства хлоратов из хлоридов, для
окисления хлоратов в перхлорат не имеет значения. Единственным ограничением
является то, что плотность тока (сила тока приходящаяся на квадратный сантиметр
поверхности электрода) не должна превышать 200 мА на сантиметр, что
необходимо для уменьшения коррозии электродов. Как уже упоминалось, температура в
электролизере не имеет большого значения, но все-таки должна быть меньше
60°С, это сильно уменьшит коррозию электродов а также защитит их от
растрескивания. Во время электролиза количество воды будет постоянно уменьшаться за
счет испарения и вступления в реакцию, поэтому ее необходимо подливать,
удерживая объем электролита постоянным.
Скорость
получения
продукта
Скорость электролиза прямо пропорциональна силе тока: чем больше сила тока,
тем быстрее закончится процесс. Превращение одного моля хлората в 1 моль
перхлората согласно сказанному в теории требует 2 Фарадей заряда. То есть, к
примеру, для превращения 100 грамм хлората натрия в перхлорат натрия
требуется 50 А'ч (при эффективности 100%). На практике эффективность всегда меньше
100%, поэтому для окончания процесса окисления требуется немного больше
времени, чем по расчету.
Обработка
электролита
Так же как и при производстве хлоратов, раствор полученный после окончания
окисления должен быть очищен от нерастворимых примесей, после чего может быть
использован для получения перхлората калия, аммония или других перхлоратов.
Фил ь тров ание
Почти всегда электролит содержит коллоидные примеси, которые визуально
незаметны. Для их обнаружения можно использовать "рассеивающий" эффект. Для
обнаружения коллоидных частиц через одну из сторон стеклянного контейнера с
электролитом пропускают луч света из яркого фонарика, в случае отсутствия
коллоидных частиц луч света в растворе будет невидим, если коллоидные примеси
все же присутствуют, то луч света в растворе будет хорошо виден (такой же луч
получается при включении фонарика в тумане). Обычно примеси являются
продуктами коррозии электродов, корпуса или не погруженных в воду частей
электролизера. Эти примеси могут быть слишком малы, и их не всегда можно удалить
фильтрованием через фильтровальную бумагу, иногда примеси могут быть отделены
фильтрованием через ткань или вату. На этой стадии очистки достоинства
использования хлорида и хлората натрия становятся очевидными: в случае
использования хлорида или хлората калия, для удаления из них нерастворимых примесей
необходимо использовать горячее фильтрование, что зачастую приводит к
забиванию фильтра кристаллами перхлората калия, образующимися при охлаждении
раствора .
Удаление хроматов
и бихроматов
Для удаления из раствора хроматов или бихроматов, которые использовались
для увеличения эффективности электролиза, обычно используют хлорид бария. При
добавлении в электролит небольших порций 10%-ного раствора хлорида бария хро-
маты и бихроматы выделяются в виде нерастворимых осадков, хромат и бихромат
бария имеют желтый цвет, если при добавлении появляется белый осадок (это
хлорат или перхлорат бария), добавление хлорида бария прекращают и полученный
раствор фильтруют.
Разложение
хлората
Следующей ступенью очистки является удаление из раствора остатков хлората.
Стоит напомнить о том, что хлораты и перхлораты используются в совершенно
различных пиротехнических композициях, присутствие хлоратов в некоторых из
них может быть весьма опасным. Если электролизер работал настолько мало, что
не превратил большую часть хлората в перхлорат, то пытаться уничтожить весь
хлорат будет крайне сложно, если не невозможно. Если вы собираетесь получать
перхлорат аммония, то необходимо почти полное отсутствие хлоратов, в
противном случае будет образовываться крайне неустойчивый и взрывоопасный хлорат
аммония. Примеси хлората могут быть разложены действием некоторых химических
веществ, в промышленности для этих целях употребляются сульфит натрия. В
домашних или лабораторных условиях для разложения хлората проще использовать
сульфат железа (II) - железный купорос, который широко применяется в качестве
фунгицида.
Проведение
реакции обмена
Если продукт содержит примеси хлората, то применить его для производства
перхлората невозможно из-за образования в нем хлората аммония. Неочищенный
перхлорат может использоваться только для изготовления перхлората калия. Ниже
приведена методика получения перхлоратов калия и аммония.
Для получения перхлората калия берут 70 г хлористого калия на каждые 100 г
начального перхлората, для получения же перхлората аммония на каждые 100 г
начального перхлората берут 50 г хлорида аммония. Хлорид растворяют в
минимальном объеме воды и смешивают с электролитом. Образуется белый осадок
соответствующего перхлората. Полученный раствор доводят до кипения и небольшими
порциями добавляют воду до полного растворения перхлората. После полного
растворения перхлората измеряют рН раствора, который должен быть нейтральным или
слегка щелочным (рН = 7). Если рН не лежит в пределах между 7 и 8, то его
изменяют до нужного уровня при помощи раствора соответствующего гидроксида и
соляной кислоты. Раствор охлаждают до 0°С, отфильтровывают перхлорат и
промывают небольшим количеством ледяной воды. Для удаления примесей натрия продукт
очищают 3-х кратной перекристаллизацией по методу приведенному ниже.
Очистка
полученного
продукта
Полученный продукт очищают путем перекристаллизации. Приведенный ниже метод
эффективен для очистки перхлората калия ввиду его низкой растворимости. Его
потери будут минимальными, а чистота продукта сильно увеличится. Потери при
очистке указанным методом перхлората аммония будут сравнительно велики, но
описанный метод все же применим. Ниже описан процесс перекристаллизации.
Изготавливают раствор 20 г перхлората калия на 100 мл воды или 50 г
перхлората аммония на 100 мл воды, раствор доводят до кипения и выжидают несколько
минут, после чего в раствор добавляют по 10 мл воды до полного растворения
перхлората. Проверяют рН кипящего раствора. При кислом рН в раствор добавляют
соответственно либо гидроокись калия, либо раствор аммиака до рН = 7-8. Это
важно - следы кислоты сделают перхлорат опасным для использования в
пиротехнических композициях! Раствор охлаждают до комнатной температуры, очищенный
продукт кристаллизуется, его отфильтровывают, промывают ледяной водой и сушат
при температуре не выше 100°С.
Изготовление перхлоратов
термическим разложением
хлоратов
Этот метод получения перхлоратов основан на склонности хлоратов к диспро-
порционированию. При нагревании хлораты быстро разлагаются, образуя перхлорат
и хлорид, а при дальнейшем нагреве происходит разложение хлоратов и
перхлоратов в хлориды:
4КС103 = ЗКС104 + КС1
2КС103 = 2КС1 + 302
КС104 = КС1 + 202
Термическим разложением можно получать многие перхлораты, но наиболее
удобным является разложение хлората калия, так как в этом случае продукт
разложения с легкостью отделяется от хлорида перекристаллизацией. Ниже приведена
методика для получения перхлората калия из его хлората.
50 г чистого от примесей органических веществ хлората калия помещают в
фарфоровый тигель и нагревают до 370°С, то есть до расплавления соли, и
выдерживают при указанной температуре около получаса. При этом расплав постепенно
затвердевает, поскольку продукты разложения - хлорид и перхлорат имеют более
высокие температуры плавления, чем хлорат. При нагревании расплава иногда
наблюдается вспучивание массы от выделяющегося кислорода (что нежелательно),
особенно при быстром нагревании и при использовании загрязненного хлората.
Сильное каталитическое действие на разложение хлората оказывают следы оксидов
тяжелых металлов, которые попадают в хлорат с исходными веществами, из
материала тиглей (особенно шамотных) и других источников. Разложение хлората с
выделением кислорода снижает выход продукта. После окончания реакции и
остывания расплава, его кипятят в 200 мл воды. Полученный раствор фильтруют горя-
чим. Выпавший при остывании бесцветный кристаллический осадок перхлората
калия отфильтровывают, промывают на фильтре 2-3 раза малыми количествами
холодной воды и сушат при 80°С. Для полной очистки перхлората обычно хватает
двойной перекристаллизации.
ИСТОЧНИК ТОКА
Для производства хлоратов можно использовать различные источники тока,
главными требованиями к которым являются:
1) Источник должен давать постоянный ток
2) Напряжение создаваемое источником должно быть более 3,5 вольт в случае
хлоратов и более 5 В в случае перхлоратов.
В идеальном варианте источник должен давать:
1) Сглаженный ток на выходе
2) Должен иметь индикаторы напряжения и силы тока
3) Иметь возможность поддержки напряжения на постоянном уровне3
4) Обладать хорошей мощностью.
Такие источники тока используются в лабораториях и зачастую достаточно
дороги. Подобные источники тока можно приобрести в магазинах электрокомплектую-
щих, например магазинах "Чип и Дип".
В качестве альтернативы таким источникам можно использовать другие
распространенные источники тока, например зарядные устройства для автомобильных
аккумуляторов , блоки питания компьютеров, зарядники для батареек и др.
Зарядники для автомобильных аккумуляторов в целом являются наиболее
оптимальными альтернативными источниками постоянного тока. Но, как и все приборы,
предназначенные для четко определенных целей, имеют ряд плохих качеств. Во-
первых такие источники дают пульсирующий постоянный ток, который не всегда
можно измерить при помощи обычного тестера, во-вторых такие источники не
позволяют плавно регулировать и поддерживать необходимое напряжение и силу
тока, не имеют защиты от короткого замыкания и имеют плохие средства индикации.
Указанные недостатки создают ряд проблем, которые, впрочем, почти всегда
разрешимы.
Источник с
регулятором
Покупное зарядное устройство хорошо для зарядки, и для производства
хлоратов естественно не предназначено, чтобы настроить его на нужный лад требуются
усовершенствования. Первым делом нужно прочитать инструкцию и найти в ней
напряжение и ток заряда, произведение этих параметров является максимальной
мощностью устройства. Ее нужно записать или запомнить. Из закона Ома следует
что R=U/I, подставляя в это выражение напряжение заряда и максимальный ток
заряда, получим минимальное сопротивление нагрузки. Если к клеммам устройства
подключить нагрузку с меньшим сопротивлением устройство сгорит. Когда
начальные параметры найдены, можно приступать к сборке регулировочной схемы. Для
этого потребуются некоторые радиодетали:
1) Амперметр, рассчитанный на работу с током не ниже максимального тока
заряда
2) Вольтметр, рассчитанный на работу с напряжением не ниже напряжения
заряда.
3) Набор автомобильных лампочек на 12 В
3 На самом деле должен поддерживать ток на постоянном уровне.
4) Резисторы, максимальная мощность которых ниже максимальной мощности
устройства, номинальное сопротивление резисторов может быть различным,
выбор конкретного номинала зависит от параметров устройства и желаемых
пределов регулировки тока, весьма удобны резисторы номиналом 50 или 100
Ом. Резисторы выбирают с тем расчетом, чтобы их суммарное сопротивление
при подставлении в формулу закона Ома вместе с напряжением заряда давало
желаемое изменение величины тока.
После того как элементы куплены, зарядное устройство и элементы собирают
воспользовавшись следующей схемой:
■*П^| Автомобильная лампа (12В)
Резистор
Подвижный ключ
Зарядное
устройство
<*>
Ф
г
II □ □ □ II
t
®
Вольтметр
®
Амперметр
Приведенная схема позволяет изменять ток в электролизере, изменяя величину
сопротивления подводящей сети. Поскольку резисторы обладают значительным
сопротивлением, то изменение положения резисторного ключа позволяет грубо
регулировать ток, в то время как изменение положения лампочного ключа позволяет
подстроить ток более точно. Стоит упомянуть о том, что большинство зарядных
устройств не имеют возможности регулировки напряжения, которое будет немного
ниже 12 В.
Источник без
регулятора
В принципе зарядное устройство для аккумуляторов можно использовать и без
регулировочной схемы, но в этом случае невозможно контролировать силу тока.
Как было показано в теории через каждые 100 мл электролита должно течь не
более 2 А, в противном случаю выход продукта будет низким, что связано с боль-
шими потерями хлора. В случае если нагрузкой устройства будет лишь
электролизер, сила тока в нем может намного превысить рекомендуемые пределы, сильно
снижая выход и требуя частого регулирования рН, приведет к излишнему нагреву,
и сильной коррозии электродов (особенно графитовых). В этом случае есть
хорошее решение, позволяющее сильно повысить производительность процесса - нужно
использовать серию электролизеров. При увеличении числа электролизеров общее
сопротивление цепи возрастает, а ток в цепи снижается. Снижение силы тока
уменьшает потери, уменьшает нагрев электролизеров и их коррозию, что приводит
к сильному повышению эффективности процесса. Таким образом, зарядным
устройством можно воспользоваться и без регулировки, имея хорошую эффективность
производства. Перед организацией каскада электролизеров необходимо решить
вопрос об их количестве. С одной стороны увеличение количества электролизеров
увеличивает выход продукта, но с другой стороны требует большего количества
материалов и увеличению времени и трудоемкости их обслуживании. Лучшим
вариантом является золотая середина - электролизеров должно быть столько, чтобы
ток в них был меньше 2 А на 100 мл электролита а напряжение оставалось выше
3,5 В, что обычно требует работы 2-х или 3-х электролизеров.
Проблема
замеров тока
Еще одной болезненной проблемой зарядных устройств является нестабильность
их тока. Значения тока и напряжения, измеренные при помощи приборов, являются
усредненными, хотя и пригодными для оценки скорости процессов. Но,
конструируя электролизер, стоит помнить о том, что пиковые значения напряжения
отличаются от измеряемых средних значений. Профиль колебания в общем случае
сложен, и различен для каждого конкретного устройства, но для примерных оценок
можно принять, что пиковые значения больше измеряемых в 1,414 раза.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ АНОДОВ
ИЗ ДВУОКИСИ СВИНЦА
Аноды из двуокиси свинца представляют собой дешевую альтернативу платиновым
в процессе производства хлоратов и перхлоратов. Они слабо подвергаются
коррозии и имеют ряд удобств, большой плюс такого рода анодов состоит в том, что
после работы электролит не содержит коллоидных остатков коррозии, что сильно
облегчает очистку электролита. За многие годы изобретено много методов их
производства, и многие из них легко реализуемы в домашних условиях.
Рассмотрим один из них.
Чистая двуокись свинца является довольно хрупкой и механически мало
прочной, что требует крайне аккуратного обращения. Чаще для удобства используют
электроды из диоксида свинца, нанесенного на графитовый субстрат. Соединение
двуокиси свинца с графитом обеспечивает прекрасную электрическую проводимость
и обеспечивает достаточную механическую прочность. Хотя изготовление таких
электродов достаточно просто, оно имеет ряд тонкостей, например слой двуокиси
свинца должен быть ровным и хорошо прилегать к субстрату. В случае
проникновения электролита под слой двуокиси свинца графитовый субстрат будет быстро
коррозировать, что сделает электрод бесполезным. (В процессе окисления
хлоратов в перхлораты графитовые аноды неприменимы в силу того, что не
обеспечивают достаточного потенциала и быстро разрушаются, не образуя даже следов
перхлората, засоряя электролит трудноудаляемыми нерастворимыми примесями).
Удобным способом производства свинцово-графитовых электродов является
электролиз специально приготовленного покрывающего раствора с медным катодом и
анодом из графита, который будет являться субстратом для изготовляемого
электрода . Трудностью процесса покрытия является склонность диоксида свинца к
растрескиванию. Для того чтобы слой диоксида свинца был ровным и не содержал
трещин можно добавлять в покрывающий раствор неионные поверхностно-активные
вещества или вращать анод во время электролиза. Вращение анода требует
изготовления специальной установки, но дает хорошие результаты.
Покрывающий
раствор
Покрывающий раствор представляет собой раствор двух солей - нитрата свинца
(250 г/л) и нитрата меди (50 г/л). Для приготовления раствора используют
дистиллированную воду, а полученный раствор подкисляют азотной кислотой до рН =
1.
Вращательная
установка
Установка состоит из мотора прикрепленного к короткой металлической трубке.
Графитовый анод вставлен в эту трубку примерно на 1 см, а соединение
герметизируется тугоплавким клеем. Оптимальная скорость вращения мотора составляет
около 1000 оборотов в минуту. Металлическая трубка соединяется с источником
тока при помощи скользящего контакта.
Маленький мотор
1000 об/мин
Скользящий
контакт
Тугоплавкий ^
клей ^ \
Графит
Медный
каггсд
220V
Графитовая основа
Небольшие графитовые палочки могут быть добыты из старых цинковых батареек.
В самом крупном виде батареек длина графитового стержня составляет около 8
см, а толщина 0,8 см. Перед использованием графитовые стержни очищают при
помощи горячей воды и пара, по завершении очистки к графиту, во избежание его
повторного загрязнения, можно прикасаться только чистыми, обезжиренными
предметами. Графитовый анод прикрепляется к металлической трубке, а соединение
заклеивается клеем (для предотвращения коррозии метала).
Обработка
графитового
субстрата
Перед покрытием двуокисью свинца графит требует специальной обработки,
необходимой для хорошего прилегания слоя двуокиси. Такую обработку проводят
электролизом 10% раствора NaOH с анодом из графитового субстрата и стальным
или медным катодом. Напряжение в электролизере 5-6 вольт, а плотность тока
0,05-0,1 А/см2. При электролизе графитовый анод подвергается коррозии,
выделяя в раствор нерастворимые продукты серого цвета. После электролиза
графитовый анод погружают в 10% HN03 на 10 минут, затем дважды промывают водой.
Теперь графитовый субстрат готов к покрытию.
Покрытие
Покрытие производят электролизом покрывающего раствора с медным катодом и
анодом из обработанного графитового субстрата. Качество покрытия существенно
улучшается если покрывающий раствор имеет температуру около 55°С, но при
повышении температуры выше 60°С эффект становится обратным. Покрытие ведут до
образования слоя двуокиси толщиной 0,8-1 мм, после чего готовый анод вынимают
и промывают дистиллированной водой. Если покрытие произведено верно, графит
будет покрыт черным слоем двуокиси свинца. В идеале слой диоксида должен быть
очень ровным, но это наблюдается от раза к разу. Если покрытие все же имеет
изъяны - ничего страшного, их можно замазать тугоплавким клеем, тогда
полученный электрод не потеряет своей работоспособности, но будет требовать
периодической замены заклейки.
Использование
свинцово-графитных
электродов
Свинцово-графитовые аноды с успехом могут быть использованы в хлоратных и
перхлоратных электролизерах, как альтернатива платиновых, с единственным
отличием: для увеличения эффективности процесса окисления хроматы и дихроматы
использовать нельзя - это приводит к снижению эффективность. Для увеличения
эффективности таких электродов используют фторид натрия или раствор
плавиковой кислоты. Стоит напомнить о том, что соединения свинца весьма токсичны.
Особенной токсичностью обладают растворимые соли свинца (в частности нитрат и
ацетат), они накапливаются в организме и поражают нервную систему, поэтому
при работе с такими электродами необходимо соблюдать меры предосторожности.
АНАЛИЗ
ПОЛУЧЕННЫХ
ПРОДУКТОВ
При приготовлении пиротехнических составов в домашних условиях, всегда
имеется необходимость в идентификации и проверке чистоты химических веществ.
Загрязненные вещества часто являются причинами несчастных случаев, и риск при
их использовании сильно возрастает. Для производства и применения хлоратов и
перхлоратов эти проблемы особенно актуальны. Каждое вещество пиротехнического
состава индивидуально и обладает рядом исключительных свойств, так, к
примеру, ошибочное применение хлората вместо перхлората или использование
перхлората загрязненного хлоратом может привести к образованию нестабильных и
опасных в обращении взрывчатых смесей. Поэтому необходимо овладеть не только
методами определения хлоратов и перхлоратов, но так же и научиться обнаруживать
в них примеси. Помимо определения хлоратов и перхлоратов, в их производстве
часто требуются методы определения содержания исходных хлоридов. Существует
несколько методов определения смесей хлорид + хлорат + перхлорат, эти методы
будут описаны ниже. Дальнейшее изложение предполагает наличие у читателя
базовых знаний в области аналитической химии и знакомства с такими методами
анализа как титрование и осаждение. Описание этих широко применяемых методов
можно найти в литературе по химическому анализу.
Определение
хлоридов
Качественное
определение
При очистке хлоратов часто бывает полезно знать, насколько хорошо хлорат
очищен от хлорида. Несмотря на то, что содержание хлорида обычно не оказывает
влияния на безопасность пиротехнических составов, оно все же нежелательно,
так как хлориды могут изменять цвет пламени и делать смеси более
гигроскопичными. Для определения хлоридов можно использовать следующий метод.
Берут 100 мг пробы, добавляют 2 мл воды и встряхивают для растворения
возможно присутствующих хлоридов, при необходимости отделяют нерастворенные
примеси. К полученному раствору добавляют несколько капель 10% раствора нитрата
серебра. В присутствии хлоридов выпадает белый осадок хлорида серебра.
Количественное
определение
Метод пригоден для количественного определения хлоридов, например, для
определения количества хлорида присутствующего в хлоратном электролите. Метод
требует применения некоторой аппаратуры и требует химических реактивов,
которые есть в наличии далеко не у каждого начинающего пиротехника.
Сначала готовят раствор нитрата серебра. Хорошо измельченный нитрат серебра
квалификации ч.д.а. высушивают при 120°С в течении 2-х часов и оставляют
остывать в закрытом бюксе или эксикаторе. Готовят четко завешенную навеску
нитрата серебра 8,5 г, растворяют ее в воде и разбавляют водой до 500 мл
используя мерный цилиндр. Рассчитывают молярность полученного раствора, используя
вес растворенной навески.
В случае применения чистого перекристаллизованного нитрата серебра
квалификацией ниже ч.д.а. раствор предварительно стандартизуют по хлориду натрия.
Готовят раствор-индикатор, для этого растворяют 5 г дихромата калия или 4,2 г
хромата натрия вместе с 0.7 г дихромата натрия в 100 мл воды. Пробу хлорида,
содержащую порядка 0,025 моль хлорида, помещают в 250 мл коническую колбу,
которую ставят на лист белой бумаги, и добавляют в колбу воду, до объема в 25
мл. Пипеткой в колбу добавляют 1 мл индикатора. После чего при помощи бюретки
медленно прикапывают раствор нитрата серебра, до тех пор, пока красная
окраска появляющаяся при добавлении каждой порции станет исчезать намного
медленнее (это указывает на то, что большая часть хлорида осадилась). Прикапывание
продолжают по каплям до тех пор, пока после встряхивания колбы раствор
полностью не окрасится в красно-коричневый цвет. После этого определяют
корректировку по цвету индикатора, для этого добавляют 1 мл индикатора к воде,
количество которой совпадает с количеством тестируемого раствора, окраску
раствора доводят до окраски раствора с пробой при помощи 0,01 М раствора нитрата
серебра. Найденная корректировка обычно составляет не более 0,03-0,1 мл
нитрата серебра и вычитается из объема раствора нитрата серебра использованного
при титровании пробы. Затем титрование новых проб проводят еще дважды,
результаты должны совпасть с точностью до 0,1 мл. Из полученных данных
рассчитывают содержание хлорида в исходной пробе.
Качественное
определение
хлоратов
В домашней пиротехнике часто возникает необходимость определения примеси
хлората в пиротехническом составе или в изготовленном перхлорате. Ниже будут
описаны два метода определения хлората: первый метод - очень чувствителен,
прост, быстр и легок, но требует реактивов, которые могут быть добыты лишь у
поставщиков химических реактивов; второй метод - довольно груб и сможет
указать наличие в перхлорате калия хлората калия лишь в том случае, если
последнего в перхлорате будет не менее 20% процентов по массе, и может быть
использован лишь для отличия хлората от перхлората.
Первый
метод
Метод позволяет установить наличие даже небольшого количества хлората, и
пригоден для тестирования пиротехнических смесей, поскольку нитраты, хлориды
и перхлораты не влияют на результаты.
В пробирку помещают около 100 мг фенилантраниловой кислоты и добавляют 0,5
мл концентрированной серной кислоты. Пробирку встряхивают до полного
растворения фенилантраниловой кислоты (обычно это занимает несколько минут). В
пробирку помещают 500 мг тестируемой пробы, добавляют 2 мл воды и хорошо
встряхивают для полного растворения хлората возможно присутствующего в пробе,
не растворившиеся продукты удаляют фильтрованием. В полученный раствор
добавляют несколько капель раствора фенилантраниловой кислоты. Образование
оранжевого или красного осадка указывает на присутствие в пробе хлората; если в
пробе содержатся чистый хлорид или перхлорат, образующийся осадок будет иметь
белую окраску.
Второй
метод
Этот метод крайне малочувствителен и может быть использован для отличия
хлоратов от перхлоратов, а так же может указать на крайне высокое загрязнение
перхлората хлоратом. Тест основывается на том факте, что смеси хлората с
сахаром воспламеняются при контакте с серной кислотой.
Берут пробу тестируемого вещества и тщательно растирают ее в фарфоровой
ступке, ступку тщательно моют горячей водой, высушивают и растирают в ней
немного столового сахара. Осторожно смешивают 500 мг растертой пробы и 500 мг
растертого сахара, смесь формируют в виде конуса и прикапывают на него
несколько капель концентрированной серной кислоты, если смесь содержит более
20% хлората, происходит возгорание.
Третий
метод
Этот метод широко распространен в литературе по аналитической химии и
является достаточно чувствительным.
Готовят анилиновый реагент, для этого 3,6 грамма анилина вносят в 100 мл
17% соляной кислоты. 2 г раствора пробы (для максимальной чувствительности
вносят твердую пробу) смешивают с 2 мл реагента и 0,5 мл воды. В присутствии
значительного количества хлората сразу наблюдается изменение окраски, которая
становится сначала красной, а затем немедленно становится темно-синей. Если
хлораты содержатся в небольших количествах, синяя или зеленая окраска
появляется в течении 30 минут. При вливании реагента в пробирку с твердой пробой,
на поверхности пробы появляется синяя окраска.
Четвертый
метод
Данный метод обладает огромной чувствительностью и позволяет обнаружит
хлораты в концентрациях 1 к 100000.
В качестве реагента используется сульфат марганца в сиропообразной (конц.)
фосфорной кислоте. Каплю исследуемого раствора помещают на часовое стекло, и
добавляют каплю реагента. Стекло быстро нагревают на микрогорелке и дают ему
остыть. В присутствии хлората появляется фиолетовое окрашивания. Блеклая
окраска может быть интенсифицирована каплей 1% спиртового раствора дифенилкар-
базида, в присутствии хлората он окисляется в дифенилкарбоксид, давая
глубокое фиолетовое окрашивание. Стоит иметь ввиду, что в аналогичные эффекты дают
персульфаты, нитраты, броматы и иодаты.
Количественное
определение хлоратов
Хотя приведенные ниже методы не могут обнаружить следовые количества
хлоратов, они весьма удобны для определения содержания хлората в электролите хло-
ратных или перхлоратных электролизеров. Анализируемые пробы не должны
содержать гипохлорита, для их удаления к раствору добавляют избыток щавелевой
кислоты с последующим титрованием перманганатом калия.
Йодометрический метод
Раствор обрабатывают для удаления гипохлорита и разбавляют так, чтобы
раствор содержал порядка 0,02 моль/л хлората. 25 мл раствора хлората помещают в
коническую колбу и добавляют 3 мл концентрированной соляной кислоты, а затем
для удаления воздуха добавляют две порции гидрокарбоната натрия по 0,3 г
каждая. После чего сразу добавляют 1 г чистого иодида калия и 22 мл
концентрированной соляной кислоты. Колбу закрывают шлифованной крышкой и встряхивают,
после ее оставляют на 5-10 минут. Иод выделяется в результате следующей
реакции: С103" + 61" + 6Н+ -> С1" + 312 + ЗН20.
Образовавшийся йод титруют 0,1 М раствором по стандартной методике.
Метод с солью Мора
Раствор обрабатывают для удаления гипохлорита и разбавляют до получения
раствора содержащего порядка 0,02 моль/л хлората. 25 мл пробного раствора
помещают в 250 мл коническую колбу. В колбу добавляют 25 мл 0,2 М раствора соли
Мора (сульфат аммония-железа (II)) в 2 М серной кислоте. Осторожно добавляют
12 мл концентрированной серной кислоты. Смесь нагревают до кипения, охлаждают
струей воды до комнатной температуры. Избыток Fe2+ титруют перманганатом
калия или 0,02 М раствором дихромата калия, используя индикатор состоящий из 20
мл смеси 1:1 воды и ортофосфорной кислоты и 0,5 мл дифениламиносульфоната
натрия.
Гравиметрия
Метод может быть использован для определения содержания хлората в
электролите хлоратных или перхлоратных электролизеров во время их работы. Метод не
нуждается в бюретке или в точно приготовленных стандартных растворах, тем не
менее, измерения надо вести аккуратно.
Для удаления гипохлоритов пробу кипятят в течении 15 минут, после чего
пробу разбавляют водой до получения 100 мл раствора содержащего порядка 0,2 г
хлората. К раствору добавляют 50 мл 10% перекристаллизованного сульфата
железа (II) , и кипятят раствор в течение 15 минут. Раствору дают остыть, после
чего добавляют в него азотную кислоту до полного растворения образовавшейся
соли железа (III) , при помощи нитрата серебра из раствора осаждают хлориды.
Полученные кристаллы AgCl отделяют, промывают, высушивают и взвешивают.
Качественное
определение
перхлоратов
Для определения перхлоратов можно воспользоваться одним из методов
приведенных ниже. Почти все методы определения перхлоратов затрудняются
присутствием других веществ, поэтому ниже приведены наиболее удобные методы.
Первый
метод
Краситель метиленовый голубой, не содержащий примеси солей цинка, дает с
перхлоратом фиолетовый кристаллический осадок. Персульфаты и некоторые
тяжелые металлы мешают определению, но оно возможно в присутствии хлоратов. Этот
метод крайне чувствителен.
Второй
метод
Хлорид тетрафениларсония, вступая в реакцию с перхлоратом, образует
нерастворимый комплекс. Перренаты, перманганаты, иодаты, хлористая ртуть (I),
хлористое олово (IV) и хлористый цинк также образуют нерастворимые комплексы, и
будут мешать открытию перхлората.
Третий
метод
Соли калия, рубидия и цезия осаждают перхлорат из холодного насыщенного
водного раствора. Спиртово-водные растворы или безводный этанол значительно
уменьшают растворимость перхлората калия, и поэтому их следует предпочесть
растворам в холодной воде. Соли аммония мешают определению, метанолом
заменить этанол нельзя.
Количественное
определение
перхлоратов
Для количественного определения перхлората в растворе можно воспользоваться
методом приведенным ниже. Метод очень удобен для определения перхлората в
электролите из перхлоратного электролизера, весьма надежен и дает точные
результаты.
Готовят раствор метиленового синего растворением в воде. Берут пробу
исследуемого раствора и проверяют на рН, если он кислый, то раствор подщелачивают
при помощи раствора гидроксида натрия. К пробе добавляют раствор метиленового
синего, из раствора тотчас выпадает фиолетовый осадок нерастворимого
комплекса перхлората с метиленовым синим. Осадок отделяют, высушивают, взвешивают и
рассчитывают содержание перхлората в пробе. Стоит иметь в виду, что
нерастворимый осадок дают и нитраты, но осадок в этом случае имеет голубую окраску.
Методы
определения
смесей
Метод определения
содержания кислорода
Этот быстрый и простой метод позволяет определить количество кислорода
присутствующего в смесях хлорид + хлорат + перхлорат, наиболее часто
встречающихся на практике. Метод позволяет определить соотношение между любыми двумя
компонентами смеси, и может быть весьма полезным для анализа электролита из
хлоратного или перхлоратного электролизера. Для хороших результатов все
измерения необходимо производить тщательно.
Точно завесить пробирку и записать ее массу (Ml) и поместить в нее примерно
1 грамм хорошо измельченной пробы. Пробирку прогревают на малом огне для
удаления из образца следов влаги. При равномерных интервалах времени пробирку
взвешивают, когда изменение массы прекращается пробу можно считать сухой. В
пробирку добавляют 100 мг сухого диоксида марганца, тщательно перемешивают
содержимое, после чего проводят взвешивание (М2). Пробирку сильно нагревают,
сначала содержимое плавится, а затем разлагается с выделением кислорода,
после чего смесь затвердевает. Пробирку нагревают еще сильнее, и в случае
присутствия в смеси перхлората чуть ниже температуры плавления происходит еще
одно разложение. Избегайте слишком сильного нагрева, чтобы не дать пробирке
расплавиться, разложение заканчивается раньше. Пробирку охлаждают и
записывают ее массу (МЗ). Состав может быть выражен формулой типа КСЮх, где х -
молярное содержание кислорода. Так для хлорида х=0, для хлората х=3, для
перхлората х=4. Нецелые значения соответствуют смесям, например х=3,5 означает
что смесь состоит из смеси хлората и перхлората 1:1. По измеренным значениям
массы значение х вычисляют по формуле:
х= [(МЗ-М2)*Му] / [16*(МЗ-М1>]
В этой формуле My - молярная масса хлорида. Например, если исходная смесь
состоит из солей калия то My будет молярной массой хлорида калия т.е. 74,6.
Анализ форм
кристаллов
Другим путем быстро различить хлорат и перхлорат является наблюдение форм
кристаллов, образующихся при перекристаллизации. Этот метод применим только в
тех случаях, если хлорат составляет значительную часть состава смеси или же
есть уверенность в том, что анализируемый образец - чистый хлорат или
перхлорат . В последнем случае этот метод является простым и надежным способом
отличия хлората и перхлората. Ниже приведены формы кристаллов хлората и
перхлората калия, и их форма не соответствует соответствующим соединениям натрия и
аммония.
Кристаллы образующиеся из смесей KCl/KC103/KC104/NaCl/NaC103/NaC104/HCl
имеют различные формы. Наиболее распространенные приведены ниже:
Вид в
микроскоп
ш
Л*
<&>
Невооруженным
глазом
"
4li Поверхность
•&
<&>
Форма кристаллов
Моноклинная
Моноклинная
Ромбическая
Ромбическая
Первый тип кристаллов - "плоские пластинки", являются хлоратом калия КС103.
Кристаллы образуются в виде тонких пластинок, почти квадратной формы. Иногда
они отражают свет, переливаясь различными цветами, что связано с тем, что они
очень тонки. Они достаточно легки и плавают в растворе и на его поверхности.
По мере их вырастания они становятся больше и тонут, прекращая переливаться
различными цветами.
Второй формой кристаллов является так называемые "кактусовые колючки", так
же являются хлоратом калия, КС103. Они выглядят совершенно иначе, чем первая
форма кристаллов, но их каркасная структура абсолютно такая же. Форма
кристаллов зависит от присутствия в кристаллизующемся растворе других веществ
(например, хлорида калия).
Третьей формой кристаллов обладает загрязненный перхлорат калия. Он
выглядит как иголки, но их совместный рост отличается от "кактусовых колючек". Они
не образуют скоплений как кактусовые колючки и растут более длинными и
тонкими . Под микроскопом можно ясно увидеть, что они ромбические. Чистый перхлорат
калия выглядит иначе, как и в предыдущем случае, различие форм
обуславливается наличием примесей.
Четвертой формой кристаллов являются кристаллы чистого перхлората калия.
Если кристаллизация происходит достаточно медленно, то из раствора могут
вырасти кристаллы достаточно большого размера (полсантиметра или около того).
Они чисто ромбические и это легко увидеть невооруженным глазом. Под микроско-
пом можно легко идентифицировать и более мелкие кристаллы.
Указанные выводы были описаны после кристаллизации из раствора всех
возможных комбинаций веществ упомянутых выше и подтверждены данными
рентгеноскопического анализа.
БЕЗОПАСНОСТЬ
ПРИ РАБОТЕ
Безопасность
работы с хлоратами
1. Полученные хлораты не должны содержать кислых примесей, которые сильно
снижают стойкость смесей и склонны к самовозгоранию. Причиной этих явлений
является реакция кислот с хлоратом, при котором выделяется нестабильная
кислота НСЮз, которая разлагается с выделением СЮг, способного вызывать
возгорание органических материалов. Кислые хлораты можно обезопасить обработкой
раствором соответствующей щелочи или добавлением в смесь карбонатов. Обратите
внимание, что для того чтобы не испортить цвет пламени состава, в котором
планируется использовать хлорат, необходимо использовать щелочь или карбонат
с тем же катионом что и в исходном хлорате.
2. Смеси хлоратов с фосфором, серой, сульфидами и сульфатами крайне опасны
и их использование недопустимо. Термическая стойкость таких составов сильно
снижена, они чувствительны к ударам и трению, а также склонны к
самовоспламенению при хранении. Применение таких составов крайне опасно. Стабильность
таких смесей может быть значительно повышена добавлением в смесь карбонатов или
других веществ, нейтрализующих кислые примеси.
Механизм самовоспламенения
серо-хлоратных смесей
Смеси содержащие серосодержащие материалы под действием влаги и кислорода
воздуха выделяют небольшие количества серной кислоты:
2S + 2Н20 + 302 = 2H2S04,
которая легко реагирует с серой, образуя смесь политионовых кислот,
родоначальницей которых является тритионовая кислота H2S306 • Политионовые кислоты в
смеси достаточно стойки, но при испарении или нагреве разлагаются, выделяя
S02:
H2S306 = H2S04 + S02 + S,
реакция необратима, но потери кислоты компенсируются окислением новых
порций серы. Указанные процессы в серосодержащих смесях приводят к накоплению
серной кислоты, которая весьма гигроскопична и притягивает в смесь еще больше
влаги, катализируя собственное образование. Под действием серной кислоты
хлорат калия переходит в сульфат, образуя хлорноватую кислоту, которая
постепенно разлагается, выделяя С102. S02 образующийся при разрушении политионовых
кислот так же вступает в реакцию с хлоратом калия:
S02 + 2КС10з = 2СЮ2 + K2S04.
Выделяющийся С102, являясь сильным окислителем, окисляет серу:
2С102 + 4S = 2S02 + S2C12,
или суммируя приведенные уравнения:
S02 + 2КС103 + 4S = 2S02 + S2C12 + K2S04.
Как видно из уравнения количество S02 быстро растет, каждая новая порция
S02 удваивается. Начинается постоянно нарастающий цепной процесс, результатом
которого является выделение все больших количеств теплоты, что в результате
приводит к локальному нагреву смеси и ее самоинициированию, а при быстром
нагреве и к взрыву.
3. Смеси любых хлоратов с солями аммония или перхлоратом аммония крайне
опасны в силу возможного образования крайне нестабильного хлората аммония,
образующегося в результате обменной реакции, влага попадающая в состав
ускоряет процесс. Образовавшийся хлорат аммония через некоторое время разлагается
образуя СЮг, окисляющий различные материалы. Такие смеси могут
самовозгораться во время хранения, а так же детонировать без всяких видимых причин.
Исключение составляет хлорид аммония, используемый в некоторых дымовых
составах, но смеси на его основе так же требуют осторожности.
4. Смеси хлоратов с металлами и нитратами обнаруживают те же проблемы, что
и смеси хлоратов с солями аммония. Это связано с тем, что многие нитраты под
действием металлов могут образовывать аммиак, который реагирует с хлоратами
образуя хлорат аммония, что может привести к самовозгоранию или взрыву без
всяких видимых на то причин. Скорость выделения аммиака сильно увеличивается
при наличии в смеси влаги.
5. Смеси хлоратов или перхлоратов, содержащих примесь хлоратов,
несовместимы с асфальтом и сахаром. Асфальт всегда содержит большое количество примесей
катализирующих распад хлоратов, что часто приводит к самовоспламенению смесей
или взрыву. Смеси же хлоратов с сахаром возгораются в присутствии кислых
примесей, чувствительны к ударам и трению а так же склонны к детонации при
контакте с медными предметами. Любые топлива окисляющиеся при комнатных
температурах, образующие нестабильные хлораты, реагирующие с хлоратом при
температурах ниже 100°С, или образующие ниже 100°С легкоокисляющиеся пары, непригодны
для применения в хлоратных составах. Распространенным топливом,
удовлетворяющим указанным требованиям является крахмал, который безопасен при применении
в хлоратных композициях.
6. Смеси хлоратов с порошками магния, алюминия и цинка имеют заниженные
температуры воспламенения и сильно изменяются при хранении. Под действием
влаги порошки металлов медленно реагируют с хлоратом, образуя нестабильные
продукты, делая смеси крайне чувствительными и непригодными к использованию.
7. Смеси на основе хлоратов не должны содержать примесей тяжелых металлов и
меди, которые являются хорошими катализаторами разложения хлоратов. Облучение
хлоратных составов ультрафиолетовым или солнечным светом так же катализирует
их разложение. Особенно опасными примесями являются следы Мп02, Fe203, CoO и
NiO которые снижают температуру разложения хлоратов на 100-200°С. Смеси
хлоратов с соединениями меди и серой при непродолжительном хранению взрываются,
это обусловлено тем, что в составах образуется нестабильный хлорат меди,
который вступает в автокаталитическую реакцию с серой и инициирует детонацию
смесей.
8. Растворы хлоратов в органических растворителях крайне чувствительны к
ударам и нагреванию. Возможны сильные взрывы.
Безопасность работы
с перхлоратами
1. Обратите внимание на то, что смеси на основе перхлоратов в присутствии
следов хлората, столь же опасны и нестабильны, как и смеси на основе
хлоратов . Перхлорат можно использовать в смеси именно как перхлорат только в
случае полного отсутствия в нем хлората!
2. Смеси содержащие перхлорат аммония содержащие медь или дихроматы
воспламеняются при более низких температурах, чем смеси их не содержащие. Медь,
ее оксид, а также хлорат натрия и дихромат калия являются хорошими
катализаторами для разложения перхлоратов, поэтому смеси перхлората содержащие их
должны использоваться с большей осторожностью, чем другие перхлоратные смеси.
3. Смеси перхлората аммония с окисью меди и магнием крайне чувствительны к
действию влаги, под действием которой может произойти самовозгорание смесей.
Поэтому для увеличения яркости синего цвета, получаемого на основе составов
аммония перхлорат + оксид меди, магний использовать нельзя.
4. Смеси перхлоратов с серой чувствительны к удару и трению, особенно если
в смеси присутствует песок. При ударе такие смеси способны к детонации,
причем сила взрыва мало уступает тринитротолуолу.
5. Растворы перхлоратов в органических растворителях крайне чувствительны к
ударам и нагреванию. Возможны сильные взрывы.
СИНТЕЗЫ ХЛОРАТОВ
Хлорноватая
кислота НСЮз
Кислота существует только в растворе. Водный раствор ее можно
сконцентрировать в вакууме до плотности 1,282 г/см3 при 14,2°С (что соответствует
приблизительно составу НС10з*7Н20 с 40,1%-ным содержанием НСЮз). При дальнейшем
испарении в вакууме над концентрированной H2S04 раствор постепенно разлагается
с выделением зеленого газа; НСЮ4 при этом не образуется. При достижении
концентрации НСЮз 51,8% (соответствует гидрату НСЮ3*4,5Н20) внезапно начинается
энергичное газовыделение.
Водные растворы кислоты довольно стойки на свету, но разлагаются при
нагревании выше 40°С. При минус 20°С растворы НСЮ3 различных концентраций
загустевают , но не закристаллизовываются. Крепкий раствор кислоты имеет желтоватый
цвет, разбавленный раствор бесцветен. Запах концентрированной кислоты,
особенно при нагревании, острый, напоминающий азотную кислоту. Разбавленная
кислота на холоду запаха не имеет. По силе НСЮ3 равна НС1 и HN03 •
Получение хлорноватой кислоты:
Ва(С10з)2*Н20 + H2S04 = 2НС103 + BaS04 + Н20
322 г хлората бария растворяют в 500 мл кипящей воды и при перемешивании
медленно добавляют горячую смесь концентрированной H2S04 (53,3 мл H2S04,
плотность 1,84 г/см3) в 53,3 мл воды. При этом лучше, если будет небольшой
избыток Ва(СЮ3)2, а не H2S04. Осадок BaS04 оставляют стоять, по крайней мере, I
ч, затем сливают 2/3 чистого отстоявшегося раствора, а остаток
отфильтровывают на воронке Бюхнера. Фильтрат объединяют со слитым раствором и таким
образом получают 660 мл 22%-ной НСЮ3 (плотность 1,11 г/см3) . При упаривании
такого раствора в вакуум-эксикаторе над концентрированной H2S04 получают 40%-
ный раствор НСЮз- Формально 40%-ный раствор с плотностью 1,28 г/см3 отвечает
составу НС103*7Н20.
Свойства полученного продукта. Бесцветный раствор, который хранят в
стеклянной посуде. Чистый раствор НСЮз незначительно разлагается при 95°С, но не
очень чистые растворы начинают разлагаться уже при 40°С.
Хлорат
лития
LiC103
Белые ромбические кристаллы, молярная масса 90,39. Плотность 2,63 г/см3.
Обладает наибольшей растворимостью из всех неорганических солей,
растворимость в воде 313,5 г в 100 мл воды при 18°С. Образует гидрат Ь1С1Оз*0,5Н20 -
белые кристаллы расплывающиеся на воздухе. При нагревании до 65°С гидрат
плавится, теряя воду и образуя безводную соль. Безводный хлорат лития плавится
при 129°С, при 270°С начинает разлагаться с выделение перхлората, при 400°С
полностью разлагается образуя хлорид и кислород.
Получение хлората лития:
LiOH + НС103 = LiC103 + Н20
Готовят раствор 25 г LiOH в 300 мл воды и медленно вливают в 345 мл 22%
раствора НСЮз (плотность 1,11 г/см3) , раствор хорошо размешивают и оставляют
на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха. Полученный хлорат
нагревают до плавления (129°С), выливают в ступку, после чего быстро измельчают и
помещают в склянку с плотно пришлифованной пробкой.
Li2C03 + 2НС103 = 2LiC103 + С02 + Н20
Для получения хлората лития 38 г Li2C03 небольшими порциями вносят в 345 мл
22% раствора НСЮ3 (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор после
добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха. Полученный хлорат
нагревают до плавления (129°С), выливают в ступку, после чего быстро измельчают
и помещают в склянку с плотно пришлифованной пробкой.
Хлорат
натрия
NaC103
Бесцветные кристаллы кубической системы, плотность 2,4 90 г/см3 при 15°С.
Температура плавления 261°С; при температуре 465°С реактив разлагается с
выделением кислорода. Хорошо растворим в воде (49,7% при 20°С), очень мало
растворим в этиловом спирте. Гигроскопичен.
Хлорат натрия может быть получен электролизом водного раствора NaCl, или
пропусканием хлора через горячий раствор NaOH. Но при необходимости может
быть получен другими методами:
Na2C03 + 2НС103 = 2NaC103 + С02 + Н20
Для получения хлората натрия 44 г Ыа2СОз небольшими порциями вносят в 345
мл 22% раствора НСЮз (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха, а полученный
продукт измельчают и помешают на хранение.
Хлорновато-кислый натрий можно получить из бертолетовой соли по следующей
реакции, проводимой в спиртовой среде:
2КС103 + Na2S04 = K2S04 + 2NaC103
Растворяют 100 г КСЮз и 60 г Na2S04 при нагревании в 600 мл воды.
Полученный раствор при охлаждении смешивают с 375 мл этилового спирта, и смесь
оставляют на 2 суток. Жидкость декантируют, осадок K2SO4 промывают 30%-ным
этиловым спиртом, соединяя промывную жидкость с основным раствором. Из раствора
отгоняют спирт, остаток упаривают до появления кристаллической пленки и
охлаждают . Для очистки соль перекристаллизовывают из воды.
Хлорат
калия
КС103
Бесцветные кристаллы моноклинной системы, устойчивые на воздухе. Плотность
2,32 г/см3. Реактив растворим в воде (6,8% при 20°С), реакция раствора
нейтральная; мало растворим в 95%-ном этиловом спирте (0,8% при 20°С) и
глицерине (3,3% при 20°С); почти нерастворим в абсолютном этиловом спирте.
Температура плавления 368,4°С. Около 400°С переходит в КСЮ4 и КС1, при 550°С
выделяется весь кислород и остается КС1. Хлорат калия негигроскопичен и не
образует кристаллогидратов. Препарат, загрязненный горючими примесями (уголь,
крахмал, бумага), нельзя ни нагревать, ни растирать в ступке (возможен
сильный взрыв!).
Хлорат калия может быть получен электролизом раствора КС1, пропусканием
хлора в горячий раствор КОН, диспропорционированием гипохлорита КсЮ, а также
обменной реакцией с ЫаСЮз. Все указанные методики приводились, их можно
найти в соответствующих разделах.
Получение хлората калия:
К2С03 + 2НС103 = 2КС103 + С02 + Н20
Для получения хлората калия 70 г К2СОз небольшими порциями вносят в 345 мл
22% раствора НСЮ3 (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор после
добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха, а полученный продукт
измельчают и помешают на хранение.
КОН + НСЮз = КСЮз + Н20
Готовят раствор 58 г КОН в 100 мл воды и медленно вливают в 345 мл 22%
раствора НСЮз (плотность 1,11 г/см3) , раствор хорошо размешивают и оставляют на
10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха. Полученный хлорат измельчают
и помещают на хранение.
Хлорат
кальция
Са(С103)2
Белые моноклинные кристаллы, плотность 2,711 г/см3. Образует гидраты:
Са (СЮз) 2*2Н20 (разлагается с частичной дегидротацией при 100°С) ,
Са (СЮз) 2*4Н20 (плавится при минус 7,6°С, теряя две молекулы воды) и
Са (СЮз) 2*6Н20 (плавится при минус 26,8° С, теряя две молекулы воды). Хорошо
растворим в воде 194,5 г в 100 мл Н20 при 25°С. Растворим в спирте и ацетоне.
Гигроскопичен, на воздухе расплывается. В смеси с горючими веществами
взрывается при ударе или нагревании. Поэтому обращаться с Са(С103)2 следует
осторожно !
Получение хлората кальция:
Са(ОН)2 + 2НС103 = Са(С103)2 + 2Н20
Для получения хлората кальция 38 г Са(ОН)2 небольшими порциями вносят в 345
мл 22% раствора НСЮз (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают почти досуха. Хлорат
кальция выделенный из водного раствора раскатывают ровным слоем в широкой миске и
сушат на медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный
продукт быстро измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой
крышкой.
СаСОз + 2НС103 = Са(С103)2 + С02 + Н20
Для получения хлората кальция 52 г СаС03 небольшими порциями вносят в 345
мл 22% раствора НСЮз (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают почти досуха. Хлорат
кальция, выделенный из водного раствора, раскатывают ровным слоем в широкой миске
и сушат на медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный
продукт быстро измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой
крышкой.
Хлорат
стронция
Sr(C103)2
Белые ромбические кристаллы. Плотность 3,152 г/см3, хорошо растворим в воде
(174 г в 100 мл Н20 при 18°С) , не растворим в спирте. Образует
кристаллогидраты Sr (СЮз) 2*8Н20 и Sr (СЮз) 2*ЗН20 представляющие собой белые игольчатые
кристаллы. При нагревании до 120°С кристаллогидраты обезвоживаются, при
дальнейшем нагреве разлагаются. При быстром нагревании разлагается со взрывом. В
смеси с горючими веществами взрывается при ударе или нагревании. Поэтому
обращаться с Sr(C103)2 следует осторожно!
Получение хлората стронция:
Sr(OH)2 + 2НС103 = Sr(C103)2 + 2Н20
Для получения хлората кальция 64 г Sr(OH)2 небольшими порциями вносят в
345 мл 22% раствора НСЮз (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают почти досуха. Хлорат
стронция, выделенный из водного раствора, раскатывают ровным слоем в широкой
миске и сушат на медленном огне до прекращения выделения паров воды.
Полученный продукт быстро измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо
притертой крышкой.
SrC03 + НСЮз = SrC103 + С02 + Н20
К 350 мл 22% раствора хлорноватой кислоты, медленно небольшими порциями при
перемешивании добавляют 80 грамм карбоната стронция. Полученный раствор
размешивают в течение 5 минут, после чего оставляют на час. Непрореагировавшии
карбонат стронция отфильтровывают, а маточный раствор выпаривают почти
досуха. Хлорат стронция, выделенный из водного раствора, раскатывают ровным
слоем в широкой миске и сушат на медленном огне до прекращения выделения паров
воды. Полученный продукт быстро измельчают и помешают на хранение в емкость с
хорошо притертой крышкой.
Хлорат бария
Ва(С103)2
Образует гидрат, молярная масса 322,26. Прозрачные кристаллы моноклинной
системы, плотность 3,179-3,3 г/см3. Хорошо растворим в воде (25,1% при 20°С),
растворим в ацетоне, мало растворим в этиловом спирте. При 120°С хлорновато-
кислый барий теряет кристаллизационную воду, а при медленном нагревании до
250°С разлагается на Ва(С104)2 и ВаС12 (частично выделяя кислород). При
быстром нагревании разлагается со взрывом. В смеси с горючими веществами
взрывается при ударе или нагревании. Поэтому обращаться с Ва(С10з)2 следует
осторожно !
Получение хлората бария:
Ва(ОН)2 + 2НС10з = Ва(С103)2 + 2Н20
Для получения хлората кальция 90 г Ва(ОН)2 небольшими порциями вносят в
345 мл 22% раствора НС103 (плотность 1,11 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают почти досуха. Хлорат
бария, выделенный из водного раствора, раскатывают ровным слоем в широкой миске
и сушат на медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный
продукт быстро измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой
крышкой.
2КС10з + ВаС12*2Н20 = Ва (С103) 2*Н20 + 2КС1 + Н20
Готовят растворы 151,6 грамм ВаС12*2Н20 в 220 мл кипящей воды и 152,11
грамм КС103 в 280 мл кипящей воды. Растворы сливают и тщательно перемешивают.
Раствор упаривают до объема около 200 мл, медленно охлаждают до комнатной
температуры, а потом водой со льдом. Кристаллы чистого хлората бария
отфильтровывают и оставляют для сушки. Маточный раствор упаривают на малом огне
досуха, остаток заливают 200 мл ацетона, нерастворившийся хлорид калия
отфильтровывают , а ацетоновый раствор испаряют, выделяя еще немного хлората бария.
Хлорат бария, выделенный из водного раствора, раскатывают ровным слоем в
широкой миске и сушат на медленном огне до прекращения выделения паров воды.
Хлорат бария, полученный из ацетона, перекристаллизовают и высушивают
аналогичным образом, в неперекристаллизованном виде сушить нельзя - возможен
сильный взрыв.
(NH4)2S04 + KCIO3 = NH4CIO3 + K2S04
2NH4CIO3 + Ва(ОН)2 = Ва(С103)2 + 2NH3 + 2Н20
В фарфоровой чашке растворяют 60 г (NH4)2S04 и 100 г КСЮз в 300 мл горячей
воды. При постоянном перемешивании раствор упаривают до консистенции жидкой
кашицы и охлаждают. Полученную массу переносят в колбу и обрабатывают ее 1300
мл 80%-ного этилового спирта. Выпавший осадок K2S04 отфильтровывают, промыва-
ют спиртом и от фильтрата отгоняют спирт. Остаток от перегонки, содержащий
NH4C103 (осторожно NH4C103 взрывчат) нагревают в фарфоровой чашке на водяной
бане, добавляют 150 мл насыщенного раствора Ва(ОН)2 и нагревают (под тягой)
до тех пор, пока перестанет ощущаться запах аммиака и жидкость приобретет
явно выраженную щелочную реакцию, далее раствор выпаривают почти досуха.
Остаток растворяют в пятикратном количестве воды. В полученном растворе осаждают
избыток Ва(ОН)2, пропуская через раствор С02; осадок отфильтровывают.
Фильтрат упаривают до начала кристаллизации, и после охлаждения кристаллы
препарата отсасывают на воронке с пористым стеклом и сушат их при 30-50°С.
Хлорат аммония
NH4C103
Мелкие игольчатые кристаллы. NH4CI03 неустойчив и не может храниться долгое
время. При работе с NH4CIO3 необходима осторожность, так как вещество
способно взрываться без видимых причин, особенно при температуре выше 100°С. В
тонких слоях NH4C103 безопасен. Хорошо растворим в воде.
Получение хлората аммония:
Ва(С10з)2*Н20 + (NH4)2S04 = BaS04 + 2NH4C103 + H20
Смешивают концентрированные растворы исходных солей, взятых в стехиометри-
ческих количествах. Осадок хлорида бария отфильтровывают, а в раствор
приливают этанол, до полного высаливания NH4CIO3.
СИНТЕЗЫ ПЕРХЛОРАТОВ
Хлорная
кислота НС104
Бесцветная сильно дымящая очень гигроскопичная подвижная жидкость. Очень
разбавленная НСЮ4 имеет сильнокислый вкус. Плотность 1,768 г/см3 при 22°С.
Температура плавления минус 112°С, температура кипения 16°С при 18 мм рт. ст.
При смешении с эквивалентным количеством воды (моль кислоты на моль воды)
кислота затвердевает при охлаждении в кристаллическую кашицу, представляющую
собой гидрат НС104*Н20, температура плавления 50°С. С большим количеством
воды кислота соединяется с шипением, образуя дигидрат НС104*2Н20, который
смешивается с водой во всех отношениях.
При перегонке разбавленных растворов хлорной кислоты сначала испаряется
вода, затем при 203°С перегоняется дигидрат, содержащий около 72% НС104. Такая
кислота дымит на воздухе, но вполне устойчива. Безводную кислоту нельзя
перегонять под атмосферным давлением, так как она разлагается. Этот процесс
протекает в несколько стадий. При 50°С из кислоты долгое время выделяются густые
белые пары и желтый газ, одновременно в приемнике собирается несколько капель
темно-красной жидкости, содержащей 94,77%-ную НСЮ4, которая внезапно
взрывается с громадной силой. Остаток в перегонной колбе содержит 87,75%-ную НС104,
затвердевающую в белые кристаллы.
НС104 является самой сильной из всех известных кислот. Хлорная кислота
вызывает на коже болезненные ожоги. При соприкосновении с горючими веществами
(уголь, бумага и др.) сильно взрывается. При нагревании, а также часто при
хранении (даже в темноте) разлагается со взрывом. Обращаться с кислотой
необходимо с большой осторожностью. Работа с водными растворами кислоты
безопасна.
Приготовление
хлорной кислоты
1. 70%-ный раствор хлорной кислоты можно получить, действуя на хлорно-
кислый аммоний смесью азотной и соляной кислот:
NH4C104 + HN03 + 2HC1 = НСЮ4 + N2 + С12 + ЗН20
В колбу емкостью 2 л вносят 500 г NH4CIO4, 600 мл воды, 295 мл НЫОз
(плотность 1,40) и нагревают под тягой до сильного кипения. Из капельной воронки,
конец которой почти доходит до жидкости, приливают сначала быстро, в конце
медленнее (всего в течение 25 мин) раствор 90 мл НС1 (плотность 1,19) в 400-
500 мл воды. Во время приливания кислоты реакционный раствор должен энергично
кипеть. Далее раствор кипятят 1 ч, изредка пополняя испаряющуюся воду, затем
его переливают в большую фарфоровую чашку и быстро упаривают (под тягой) до
появления тяжелых белых паров НСЮ4. При выпаривании НСЮ4 необходимо
тщательно оберегать раствор от попадания органических веществ: бумаги, дерева,
резины и др. (Взрывоопасно!). Полученная кислота свободна от NH3, но обычно
содержит примесь HN03 • Для удаления последней прибавляют небольшое количество
соляной кислоты (чистой) и снова упаривают до появления белых паров.
Оставшаяся кислота отвечает дигидрату НС104*2Н20.
Для получения совершенно чистого препарата кислоту перегоняют. Перегонку
ведут из колбы Вюрца емкостью 1л с пришлифованным холодильником (см.
рисунок) .
Отводная трубка колбы должна быть не короче 40 см, чтобы обеспечить
достаточное воздушное охлаждение (в противном случае может лопнуть форштосс
холодильника) . Термометр укрепляют в горле колбы при помощи кусочка резиновой
трубки. Резина во избежание сильного разъедания парами НСЮ4 должна находится
не ближе 20 см от отводной трубки. Нижний конец форштосса холодильника
соединяют с приемником при помощи резиновой пробки. Еще лучше проводить перегонку
в приборе на шлифах под вакуумом. В колбу, чтобы избежать толчков, помещают
несколько стеклянных капилляров. За 1 ч в таком приборе можно легко перегнать
до 500 г кислоты. Дистиллят содержит небольшое количество С12 и С120, которые
можно удалить, слегка нагревая раствор и продувая через него воздух.
2. 70%-ную HCIO4 можно получить также при взаимодействии хлорно-кислого
натрия с соляной кислотой:
NaC104 + НС1 = НСЮ4 + NaCl
К 260 мл соляной кислоты (плотность 1,19) прибавляют (под тягой) при
непрерывном перемешивании небольшими порциями 130 г NaC104. Смесь оставляют на
несколько часов (4-8ч), изредка перемешивая, затем отсасывают через стеклянный
фильтр, промывая осадок 30-40 мл соляной кислоты. Фильтрат вместе с
промывными водами упаривают в фарфоровой чашке (под тягой) до удаления хлоридов
(проба с АдЫОз) • Обычно это совпадает с появлением густых белых паров НС104.
Раствор охлаждают и отфильтровывают небольшое количество неразложившегося NaC104
через пористый стеклянный фильтр. Получают около 150 г хлорной кислоты
плотностью 1,6 г/см3. Для очистки кислоту перегоняют в вакууме при 15-20 мм рт.
ст. в приборе на шлифах. При 48-54°С отгоняется вода со следами хлорной
кислоты; при 107-111°С перегоняется 70-72%-ная НСЮ4. Если же не отбирать
первую фракцию отдельно, то получают около 220-230 г 65%-ной НС104.
3. Получение безводной НС104 связано с опасностью сильного взрыва, особенно
при соприкосновении с органическими веществами. Сравнительно безопасный метод
получения основан на обезвоживании дигидрата (соответствующего 72%-ной НС104)
с помощью олеума или Р2О5. Водоотнимающий реагент добавляют к хлорной кислоте
очень осторожно, при интенсивном перемешивании и при сильном охлаждении
реакционного сосуда твердым С02, температура реакционной смеси ни в коем случае
не должна быть выше 0°С. Олеума (или Р205) вносят столько, чтобы небольшое
количество НС104 осталось в виде моногидрата. При избытке водоотнимающего
реагента образуется крайне опасный хлорный ангидрид CI2O7. При правильном
проведении операции обезвоживания получается совершенно бесцветная жидкость.
Перегонку полученного раствора НС104 при H2S04 рекомендуется проводить в
приборе , изображенном на рисунке ниже:
1 - приемник для H2S04, 2 - трубка-испаритель, 3 -
электронагревательная спираль, 4 - капельная воронка, 5 - соединительная
трубка, 6 - приемник для НС104.
Все узлы прибора должны быть соединены с помощью шлифов. Трубку 2 из
термостойкого стекла (желательно из кварца) с внутренним диаметром 30 мм и длиной
около 600 мм устанавливают в слегка наклонном положении и соединяют с
приемниками 1 для H2SO4 и 6 для HCIO4, охлаждаемыми сухим льдом.
Электронагревательную спираль 3 включают через ЛАТР; при напряжении 45-50 В и сопротивлении
спирали около 30 Ом внутри трубки 2 поддерживается температура 60-70°С. Всю
систему через приемник 6 соединяют с вакуумным насосом. Между насосом и
приемником устанавливают пустую склянку и поглотитель с натронной известью (на
рисунке не показаны) для защиты масла насоса от окислов хлора и паров НСЮ4.
Перегоняемую смесь (НС104 + H2S04) приливают по каплям из воронки 4 с такой
скоростью, чтобы время пребывания кислоты в трубе 2 составляло 15-20 с. В
приемнике 6 собирается бесцветная безводная НСЮ4. Выход 75%.
Примечания:
1. Безводную HCIO4 следует хранить при охлаждении сухим льдом в
толстостенной склянке с пришлифованной пробкой и пришлифованным колпачком.
Разумеется, все виды смазок для шлифов исключаются. В этих условиях (минус
78,5°С) кислота довольно устойчива в течение нескольких недель, но и при
этом выделяется некоторое количество газов. При переносе склянки с НС104
в теплое помещение пробку следует немедленно приоткрыть, иначе
выделяющиеся газы могут разорвать сосуд.
2. Отработанную H2SO4 из приемника 1, содержащую НСЮ4 выливают в холодную
воду при энергичном перемешивании, и раствор выливают в канализацию.
Методика регенерации этой смеси не разработана.
Перхлорат
аммония
NH4C104
Бесцветные кристаллы ромбической системы, плотность 1,95 г/см3. Хорошо
растворим в воде (17,25% при 20°С), из органических растворителей лучшим
является метиловый спирт. Негигроскопичен, кристаллогидратов не образует. При
быстром нагревании плавится при 450°С (с разложением). При медленном нагревании
разложение начинается при 210°С:
2NH4C104 = N2 + С12 + 202 + 4Н20
Смеси хлората аммония с органическими веществами может взрываться при
нагревании или ударе (подобно КС103) .
Перхлорат аммония может быть получен обменной реакцией перхлората натрия с
сульфатом или другой солью аммония. Метод получения хлората аммония был
описан в разделе о приготовлении перхлоратов электролизом. При необходимости
получения хлората аммония из других веществ можно воспользоваться следующими
методами.
Получение перхлората аммония:
NH3*H20 + НСЮ4 = NH4CIO4 + Н20
Постепенно добавляют NH3*H20 (ч.д.а., плотность 0,91) к 400 мл 30%-ной НС104
(ч.д.а. или ч.) до слабощелочной реакции на лакмусовую бумажку. Раствор
нагревают до кипения, охлаждают и фильтруют через складчатый фильтр. Фильтрат
упаривают на водяной бане почти досуха (маточного раствора должно остаться не
более 10 мл). Остаток охлаждают до комнатной температуры. Выпавшие кристаллы
отсасывают на воронке Бюхнера, хорошо отжимают и сушат при 110°С. Выход 165-
168 г (95% по НС104) .
NH4N03 + NaC104 = NH4C104 + NaN03
Для приготовления перхлората аммония 48 г нитрата аммония растворяют в 100
мл кипящей воды, туда же вносят 73,5 г перхлората натрия свободного от
примеси хлората. Смесь размешивают до полного растворения исходных солей, хорошо
обворачивают сосуд полотенцем и оставляют остывать до комнатной температуры,
после чего сосуд с раствором охлаждают водой со льдом до 0°С. Выпавшие
кристаллы перхлората аммония отфильтровывают и промывают небольшим количеством
ледяной воды. Для получения продукта свободного от примеси нитрата натрия его
дважды перекристаллизовывают.
Перхлорат
лития LiC104
Белые кристаллы, плотность 2,432 г/см3. Крайне гигроскопичен, образует три-
гидрат LiC104*3H20. Хорошо растворим в воде и органических растворителях.
Растворимость грамм в 100 мл растворителя при 25°С: вода - 60, метанол - 182,
этанол - 152, ацетон - 136, диэтиловой эфир - 113,72. Температура плавления
247,6°С, при нагревании до 438°С разлагается с выделением кислорода.
Получение перхлората лития:
LiOH + НС104 = LiC104 + Н20
Готовят раствор 25 г LiOH в 300 мл воды и медленно вливают в 83 мл 72%
раствора НС104 (плотность 1,675 г/см3), раствор хорошо размешивают и оставляют
на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха. Полученный хлорат
нагревают до плавления (247°С), выливают в ступку, после чего быстро измельчают и
помещают в склянку с плотно пришлифованной пробкой.
Li2C03 + 2НС104 = 2LiC104 + С02 + Н20
Для получения хлората лития 38 г Li2C03 небольшими порциями вносят в 83 мл
72% раствора НС104 (плотность 1,675 г/см3) , аккуратно помешивая раствор после
добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха. Полученный хлорат
нагревают до плавления (247°С), выливают в ступку, после чего быстро измельчают
и помещают в склянку с плотно пришлифованной пробкой.
Перхлорат
натрия NaC104
Безводный реактив - бесцветные кристаллы в форме прямоугольных призм. На
воздухе реактив постепенно поглощает влагу и образует моногидрат. Температура
плавления 482°С (с разложением) . Моногидрат NaC104*H20 - кристаллы в форме
ромбических призм, плотность 2,02 г/см3. Над концентрированной H2S04 или при
нагревании до 50°С теряет воду. Реактив хорошо растворим в воде (65,63%
безводной соли при 15°С), этиловом спирте и диэтиловом эфире. Насыщенный водный
раствор кипит при 143°С.
Перхлорат натрия может быть получен электролизом раствора хлората натрия,
описанного в соответствующем разделе, термическим разложением хлората натрия,
а так же нейтрализацией бикарбоната натрия хлорной кислотой, по методике
приведенной ниже.
Получение перхлората натрия:
2НС104 + Na2C03 = 2NaC104 + С02 + H20
В горячий раствор 100 г Na2CO3*10H2O (ч.д.а.) в 300 мл воды постепенно
приливают 194 мл 30%-ной HCIO4 (ч.д.а.) до очень слабокислой реакции на лакмус.
Раствор оставляют на 1 ч, затем проверяют реакцию раствора, добавляя в случае
необходимости немного Na2C03 или НС104. Если образуется осадок (кристаллы
КСЮ4) , раствор фильтруют и фильтрат выпаривают досуха на водяной бане. Затем
чашку с солью переносят под тягу на песочную баню, нагретую до 100-150°С,
постепенно повышают температуру до 180-200°С и выдерживают соль при этой
температуре до тех пор, пока не прекратится выделение белого дыма НС104. Остаток
растворяют в минимальном количестве холодной воды, фильтруют, если требуется,
и раствор упаривают на водяной бане до состояния кашицы. Кристаллы отсасывают
на воронке с пористой стеклянной пластинкой (можно использовать и плотный
бумажный фильтр) и сушат, постепенно повышая температуру до 220-230°С. Выход
65-68 г (90%) безводного NaC104.
Перхлорат
калия КС104
Бесцветные прозрачные кристаллы ромбической системы, плотность 2,524 г/см3.
Температура плавления 600-620°С (с разложением на КС1 и 02) . Мало растворим в
воде (1,7% при 20°С) , раствор имеет нейтральную реакцию. В отличие от NaC104,
КС104 не растворяется в этиловом спирте.
Перхлорат калия может быть получен электролизом раствора хлората калия,
описанного в соответствующем разделе, обменной реакцией КС1 с NaC104,
термическим разложением хлората калия, а также нейтрализацией бикарбоната натрия
хлорной кислотой.
Получение перхлората калия:
4КС103 = ЗКС104 + КС1
В шамотный тигель емкостью 100-150 мл помещают 50-80 г КС103 (ч) и
нагревают газовой горелкой сначала медленно примерно до 100°С, а затем, увеличив
пламя, быстро доводят массу до плавления, стараясь не перегревать ее. Если
масса слишком вспучивается, пламя уменьшают. Через 30-35 мин содержимое тигля
загустевает и покрывается коркой. Как только перестанет выделяться кислород,
нагревание прекращают, тигель охлаждают, и массу растирают в порошок.
Растворяют при кипячении 65-70 г такого порошка в 200 мл воды и раствор фильтруют
горячим. Фильтрат быстро охлаждают, выпавший кристаллический порошок
отсасывают на воронке Бюхнера, дважды промывают на фильтре холодной водой и
проверяют на отсутствие хлоридов (проба с AgN03) • В случае необходимости соль пе-
рекристаллизовывают еще раз, затем сушат в сушильном шкафу при 80°С. Выход
25-30 г. Полученный препарат обычно соответствует реактиву квалификации ч.
NaC104 + KC1 = КС104 + NaCl
Растворяют 100 г очищенного перекристаллизацией NaC104 в 80 мл воды и
фильтруют. В фильтрат добавляют раствор 54 г КС1 (ч.) в 170 мл воды, при этом
температура смеси повышается до 40°С (реакция экзотермическая). Смесь
охлаждают до 15-20°С и выпавшие кристаллы КС104 отсасывают на воронке Бюхнера.
Кристаллы переносят в стакан и промывают декантацией водой до полного
удаления хлоридов (при добавлении AgN03 к пробе промывной воды, подкисленной HN03,
не должна появляться муть). Промытые кристаллы отсасывают на воронке Бюхнера
и сушат при 80°С. Выход 90 г (80%).
Перхлорат
кальция
Са(С104)2
Бесцветные кристаллы, плотность 2,651 г/см3. Гигроскопичен, образует гидрат
Са (СЮз) 2*4Н20. Хорошо растворим в воде и органических растворителях.
Растворимость грамм в 100 мл растворителя при 25°С: вода - 189, метанол - 237,
этанол - 166, ацетон - 62. Практически нерастворим в диэтиловом эфире. При
нагревании до 477°С разлагается с выделением кислорода.
Получение перхлората кальция:
Са(ОН)2 + 2НС104 = Са(С104)2 + 2Н20
Для получения перхлората кальция 38 г Са(ОН)2 небольшими порциями вносят в
83 мл 72% раствора НСЮ4 (плотность 1,675 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха и сушат на
медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный продукт быстро
измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой крышкой.
СаСОз + 2НС104 = Са(С104)2 + С02 + Н20
Для получения перхлората кальция 52 г СаСОз небольшими порциями вносят в 83
мл 72% раствора НСЮ4 (плотность 1,675 г/см3), аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха и сушат на
медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный продукт быстро
измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой крышкой.
Перхлорат
стронция
Sr(C104)2
Белые кристаллы, плотность 2,95 г/см3. Гигроскопичен, образует гидраты
Sr (CIO4) 2*2Н20, и Sr (CIO4) 2*4Н20. Хорошо растворим в воде и органических
растворителях. Растворимость грамм в 100 мл растворителя при 25°С: вода - 309,
метанол - 212, этанол - 180, ацетон - 150. Нерастворим в диэтиловом эфире.
При нагревании до 472°С разлагается выделяя кислород.
Получение перхлората стронция:
Sr(OH)2 + 2НС104 = Sr(C104)2 + 2Н20
Для получения перхлората стронция 62 г Sr(OH)2 небольшими порциями вносят в
83 мл 72% раствора НСЮ4 (плотность 1,675 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха и сушат на
медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный продукт быстро
измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой крышкой.
SrC03 + 2НС104 = Sr(C104)2 + С02 + Н20
Для получения перхлората стронция 75 г SrC03 небольшими порциями вносят в
83 мл 72% раствора НС104 (плотность 1,675 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха и сушат на
медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный продукт быстро
измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой крышкой.
Sr(N03)2 + 2КС104 = Sr(C104)2 + 2KN03
Готовят раствор 138 грамм перхлората калия в 1л кипящей воды, в раствор
добавляют 106 грамм нитрата стронция, раствор мешают в течение 10 минут, затем
выпаривают досуха. Полученный остаток заливают 300 мл ацетона и тщательно
мешают . Не растворившийся нитрат калия отфильтровывают, а ацетоновый раствор
испаряют. Полученный перхлорат досушивают до полного исчезновения запаха
ацетона и помещают на хранение в емкость с герметично закрытой пробкой.
Перхлорат
бария Ва(С104)2
Белые кристаллы, плотность 3,574 г/см3. Дает гидрат Ва (С104) 2*ЗН20 - белые
кристаллы с гексагональной решеткой. Хорошо растворим в воде и органических
растворителях. Растворимость грамм в 100 мл растворителя при 25°С: вода -
198, метанол - 217, этанол - 125, ацетон - 125. Нерастворим в диэтиловом
эфире. При нагревании до 477°С разлагается выделяя кислород.
Получение перхлората бария:
Ва(ОН)2 + 2НС104 = Ва(С104)2 + 2Н20
Для получения перхлората стронция 87 г Ва(ОН)2 небольшими порциями вносят в
83 мл 72% раствора НС104 (плотность 1,675 г/см3) , аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха и сушат на
медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный продукт быстро
измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой крышкой.
ВаСОз + 2НС104 = Ва(С104)2 + С02 + Н20
Для получения перхлората бария 100 г ВаСОз небольшими порциями вносят в 83
мл 72% раствора НС104 (плотность 1,675 г/см3), аккуратно помешивая раствор
после добавления каждой новой порции. Раствор еще раз хорошо размешивают и
оставляют на 10 минут. Полученный раствор выпаривают досуха и сушат на
медленном огне до прекращения выделения паров воды. Полученный продукт быстро
измельчают и помешают на хранение в емкость с хорошо притертой крышкой.
Ba(N03)2 + 2КС104 = Sr(C104)2 + 2KN03
Готовят раствор 138 грамм перхлората калия в 1 л кипящей воды, в раствор
добавляют 131 грамм нитрата бария, раствор мешают в течении 10 минут, затем
выпаривают досуха. Полученный остаток заливают 300 мл ацетона и тщательно
мешают . Не растворившийся нитрат калия отфильтровывают, а ацетоновый раствор
испаряют. Полученный перхлорат досушивают до полного исчезновения запаха
ацетона и помещают на хранение в емкость с герметично закрытой пробкой.
Электроника
АЦП С CENTRONICS
В.В. Печерских, А.В. Барсов, В.В. Конюшко
Аналого-цифровая измерительная система использует протокол
обмена информацией через интерфейс Centronics - параллельный порт
компьютера IBM PC.
Параллельный порт персонального компьютера с интерфейсом Centronics служит
для организации канала связи с принтером, но его рабочие функции можно
использовать и для подключения нестандартных устройств [1]. Максимальная
скорость обмена информацией через этот интерфейс достигает 100 кбайт/с и в
большей степени определяется быстродействием компьютера. Для обеспечения нужного
порядка обмена данными многие электрические цепи LPT1 используются
нестандартно .
Принципиальная схема прибора изображена на рисунке. Одноканальный аналого-
цифровой преобразователь напряжения работает в режиме статического о.з.у. с
произвольной выборкой. Основу прибора составляет 8-разрядная микросхема АЦП
К572ПВЗ (AD7574), функционирующая в режиме автоматического преобразования
изменяющегося во времени аналогового напряжения в числовой код [2]. Входное
напряжение от 0 до +10 В преобразуется в двоичное число от 0 до 255. Сигналы RD
и CS, необходимые для работы АЦП, формируются программно и через буферный
усилитель Ml и 8-разрядный регистр М2 поступают на М4. АЦП М4 с помощью
внутренних логических устройств управления и синхронизации формирует сигналы
«Сброс», «Начало преобразования», сигналы управления буферным регистром и
выходной сигнал BUSY. Рабочую частоту внутреннего генератора тактовых импульсов
(500 кГц) устанавливают внешними элементами R1 и С1. После полного цикла
преобразования, который длится 7.5 мкс, информация через мультиплексор МЗ
направляется в компьютер. Микросхемы М5 и Мб генерируют опорное напряжение -10
В. Размер платы адаптера 5x5 см, потребляемый ток 0.1 А от источника питания
+5 В.
Порт принтера
LPT I
Принципиальная схема устройства. Ml - К1533АП6 (SN74ALS245), М2
- К1533ИР23 (SN74ALS374) , МЗ - К1533КП11 (SN74ALS257) , М4 -
K572IIB3(AD7574) , М5, Мб - К1168ЕП1 (ICL7660) ; CI - KM56,
остальные - К50-6.
Внеся незначительные конструктивные и программные изменения в схему
адаптера, можно использовать 12-разрядную микросхему АЦП К572ПВ1 (AD7570).
Система сбора информации проходила испытание как на стационарном компьютере
Pentium-100, так и на переносном Notebook-386SX33 и показала хорошие
результаты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств
сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. M. : Эком, 1997. С. 158,
160.
2. Мячин Ю.Л. 180 интегральных микросхем: Справочник. М.: Патриот, 1993. С.
123.
Электроника
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УСТАНОВКИ
В.В. Редько, Б.А. Багинский
Преобразователь напряжения для питания ультразвукового пьезопре-
образователя построен на базе резонансного инвертора.
Согласование с нагрузкой обеспечивает выходной фильтр на основе
последовательного колебательного контура с параллельной и
последовательной компенсацией. Преобразователь обеспечивает ток в
нагрузке 0.5 А ± 10% в широком диапазоне изменения сопротивления
нагрузки (50-400 Ом) при входном напряжении 220 В ± 15%,
автоматически настраиваясь на частоту механического резонанса нагрузки.
Мощность преобразователя 100 Вт, выходной ток - синусоида
частотой 22 ± 2 кГц.
В настоящее время в промышленности широко используются ультразвуковые
технологические установки с пьезокерамическими преобразователями на стандартные
рабочие частоты 18, 22 и 44 кГц [1].
Схема замещения преобразователя на основе пьезокерамики марки ЦТС-24
представлена на рис. 1, где Сэ - собственная электрическая емкость
преобразователя, контур С, L, R - электрический аналог механической резонансной системы.
О f j
< 50-75 м
3-6 н
о *■
Рис. 1. Схема замещения пьезокерамического преобразователя.
На рис. 2 приведены схема силовой части преобразователя (а) и
функциональная схема системы управления (б) , на рис. 3 - принципиальная схема системы
управления. Принцип действия резонансного преобразователя заключается в
импульсном возбуждении последовательного колебательного контура, образованного
дросселем L1, приведенной к первичной обмотке емкости конденсатора СЗ и
собственной электрической емкости пьезопреобразователя. Этот контур настроен на
частоту резонанса ~45 кГц, что обеспечивает минимальные габариты при
коэффициенте гармоник выходного напряжения <20%.
Конденсатор С4 обеспечивает жесткость выходной характеристики при изменении
сопротивления нагрузки и настроен с дросселем L1 на частоту резонанса 22 кГц.
Силовой трансформатор Tpl имеет распределенный зазор в сердечнике - в
результате его индуктивность намагничивания частично компенсирует емкостный
характер нагрузки. Такое построение резонансного контура (фильтра) дает наибольшую
эффективность, минимум массы и входной реактивной мощности [2].
При включении инвертора генератор с фазовой автоподстройкой частоты ФАПЧ
выдает импульсы с начальной частотой 40 кГц, которыми синхронизируется широт-
но-импульсный модулятор ШИМ. С выхода ШИМ через усилители-формирователи
управляющие импульсы подаются на затворы транзисторов Т1 и Т2 полумостового
инвертора, в диагональ которого включен резонансный контур. С дополнительной
обмотки силового трансформатора снимается сигнал обратной связи, полностью
повторяющий напряжение на нагрузке, а с резистора R4 - токовый сигнал.
Компараторы К1 и К2 выделяют фазы этих сигналов, а система ФАПЧ по фазовому сдвигу
между ними настраивается на резонанс нагрузки. Сигнал с резистора R4 подается
также и на ШИМ, который, изменяя длительность управляющих импульсов,
стабилизирует ток нагрузки. На рис. 4 показаны диаграммы напряжений и токов в
ключевых точках преобразователя.
Опытный образец преобразователя проходил испытания на Томском заводе
приборных подшипников в качестве источника питания ультразвуковой моечной
машины. Испытания показали высокую надежность прибора и соответствие его
параметров техническим требованиям.
Основные параметры преобразователя: максимальная выходная мощность 100 Вт,
выходной ток 0.5 А ± 10%, рабочая частота 22 ± 2 кГц, габариты 300x200x110,
масса 2.3 кг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые
электротехнологические установки. Л.: Энергоиздат, 1982.
2. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М. : Энерго-
атомиздат, 1986.
0.6
R
50-
-1.2н
-400
-н<ь
<л
-%-
т
N
-сп-
Ч
«^ \о
N. ОО
11 Л
§
1,
f
о
1
а и
(4
7—t
+
m
Рис. 2. Электрическая схема силовой части преобразователя напряжения (а) и
функциональная схема системы управления (б). ВИП - вспомогательный источник питания; К1,К2
- компараторы, ФАПЧ - генератор с фазовой автоподстройкой частоты; ШИМ - широтно-
импульсный модулятор; УФ1,УФ2 - усилители-формирователи; Т1,Т2 - КП707А; Д1-Д6 -
КД226А; С1 - К50-35-400В-220 мкФ; С2-С6 - К73-17; R1,R2 - С5-37В-5; R3 - С2-33-1-120
кОм; R4 - С2-33-2-3.3; R5,R6 - С2-33-0.5-120 кОм; L1 - М2000НМ1, К-20-10-15, 230
витков проводом ПЭВ2-0.6; Tpl - мо-пермаллой МП140, К50х25х9, wl = 120 витков
проводом ПЭВ2-0.6, w2 = 180 витков проводом ПЭВ2-0.5.
Рис. 3. Принципиальная схема системы управления источника питания
(функциональные обозначения блоков см. на рис. 2 б). М1,М2- К554САЗ; МЗ - К142ЕН8Б;
М4 - К1561ГГ1; М5 - К1114ЕУ4; Т1,Т2 - КТ961А; Д1,Д2,Д9 - КД521А; ДЗ-Д7,Д11 -
КД212А; Д8,Д12 - КС530А; Д10,Д13 - КС515А; С1 - К50-35-2200.0-15В; С5,С7 -
К50-35-100.0-15В; С8 - К73-17-1.8нФ-63В, остальные КМ6; R20 - СПЗ-32а-0.25;
R16 - 330 Ом; R17 - 56 кОм; R21 - 15 кОм; R10,R24 - C2-33-1.0, остальные С2-
33-0.25; Tpl - ТПП-237$ Тр2,ТрЗ - мо-пермаллой МП140, К12х6хЗ, wl = w2 = 120
витков проводом ПЭВ2-0.1.
г\
~Т
г\ .
/
А\\ /Г\
\^/t{ t
^У-С
2 ^Sh
Рис. 4. Диаграммы токов и напряжений в ключевых точках преобразователя.
Системы
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
РАЗДЕЛ 1
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ1
Происхождение физических
сигналов и единицы их измерения
В этой статье мы будем прежде всего иметь дело с обработкой физических
сигналов , выполняемой на основе аналоговых и цифровых методов. Прежде всего,
рассмотрим несколько ключевых понятий и определений, необходимых для
понимания сущности предмета.
Новый университетский словарь Вебстера определяет сигнал как
"обнаруживаемую (или измеряемую) физическую величину или импульс (типа напряжения, силы
тока или напряженности магнитного поля), которая может быть передана как
сообщение или как информация". Ключом к этому определению являются слова:
обнаруживаемая, физическая величина и информация.
По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал
постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято
делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами, которое выражается в
том, что в природе все измеримые физические величины представляются
аналоговыми сигналами. В этой статье аналоговые сигналы характеризуются
электрическими переменными, скоростью их изменения и связанной с ними энергией или
1 Уолт Кестер
мощностью. Для преобразования других физических величин (температуры,
давления и т.п.) в электрические сигналы используются датчики. Такая область, как
нормализация сигнала (signal conditioning), означает подготовку физических
сигналов к обработке и включает в себя такие аспекты, как датчики (например,
датчики температуры и давления), изолирующие и инструментальные усилители и
т.д.
■ Характеристики сигналов
♦
♦
♦
♦
Сигналы являются
физическими величинами
Сигналы можно измерить
Сигналы содержат
информацию
Все сигналы являются аналоговыми
■ Единицы измерения
♦
♦
♦
♦
♦
♦
Температура: °С
Давление: Н/м2
Масса: кг
Напряжение: В
Электрический ток
Мощность: Вт
А
Рис. 1.1. Характеристики сигналов.
Некоторые сигналы представляют собой реакции на другие сигналы. Хороший
пример - отраженный сигнал радара или ультразвуковой системы отображения, в
которых отраженный сигнал является результатом действия известного
переданного сигнала.
С другой стороны, существуют сигналы, которые называются цифровыми, где
сигнал, определенным образом обработанный, преобразован в цифры. Возможно,
эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но возможно,
что между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных
в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях.
В случае цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в
двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым
преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового
сигнала, которое затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным
процессором (DSP) . После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть
преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового
преобразователя (ЦАП).
Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что
сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме
обработки физических аналоговых сигналов - проблеме извлечения информации.
Цели обработки
физических сигналов
Главная цель обработки физических сигналов заключается в необходимости
получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в
амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в
спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких
сигналов. Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она
может быть использована различными способами.
В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся в
сигнале. В частности, смена формата имеет место при передаче звукового
сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением
(FDMA). В этом случае аналоговые методы используются, чтобы разместить
несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи через
радиорелейную станцию микроволнового диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель.
В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется
в цифровую с использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая
индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во времени (многоканальный
доступ с временным разделением, TDMA) и передается по последовательной цифровой
линии связи (как в T-carrier-системе).
Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот
сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и
передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую
полосу пропускания канала. В высокоскоростных модемах и системах адаптивной
импульсно-кодовой модуляции (ADPCM) широко используются алгоритмы устранения
избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах мобильной
связи, системах записи звука MPEG, в телевидении высокой четкости (HDTV).
Промышленные системы сбора данных и системы управления используют
информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной
связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите
внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков,
устройств нормализации сигнала (signal conditioners) и DSP (или
микроконтроллеров) . Analog Devices предлагает семейство микросхем Microconverters™, которые
включают прецизионные аналоговые схемы, АЦП, ЦАП, микроконтроллеры и flash-
память на одном кристалле.
В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и
основной целью является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация,
автокорреляция, свертка и т.д., часто используются для выполнения этой задачи
и в аналоговой, и в цифровой областях.
■ Извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота,
спектральные составляющие, временные соотношения)
■ Преобразование формата сигнала (телефония с разделением
каналов FDMA, TDMA, CDMA)
■ Сжатие данных (модемы, сотовые телефоны, телевидение
HDTV, сжатие MPEG)
■ Формирование сигналов обратной связи (управление
промышленными процессами)
■ Выделение сигнала из шума (фильтрация, автокорреляция,
свертка)
■ Выделение и сохранение сигнала в цифровом виде для
последующей обработки (БПФ)
Рис. 1.2. Цели обработки сигналов
Формирование
физических
сигналов
В большинстве приведенных ситуаций (связанных с использованием DSP-
технологий) , необходимы как АЦП, так и ЦАП. Тем не менее, в ряде случаев
требуется только ЦАП, когда физические аналоговые сигналы могут быть
непосредственно сгенерированы на основе DSP и ЦАП. Хорошим примером являются дисплеи с
разверткой видеоизображения, в которых сгенерированный в цифровой форме
сигнал управляет видеоизображением или блоком RAMDAC (преобразователем массива
пиксельных значений из цифровой в аналоговую форму). Другой пример - это
искусственно синтезируемые музыка и речь. В действительности, при генерации
физических аналоговых сигналов с использованием только цифровых методов
полагаются на информацию, предварительно полученную из источников подобных
физических аналоговых сигналов. В системах отображения данные на дисплее должны
донести соответствующую информацию оператору. При разработке звуковых систем
задаются статистическими свойствами генерируемых звуков, которые были
предварительно определены с помощью широкого использования методов ЦОС (источник
Звука, микрофон, предварительный усилитель, АЦП и т.д.).
Методы и технологии
обработки
физических сигналов
Сигналы могут быть обработаны с использованием аналоговых методов
(аналоговой обработки сигналов, или ASP), цифровых методов (цифровой обработки
сигналов, или DSP) или комбинации аналоговых и цифровых методов (комбинированной
обработки сигналов, или MSP). В некоторых случаях выбор методов ясен, в
других случаях нет ясности в выборе и принятие окончательного решения
основывается на определенных соображениях.
Что касается DSP, то главное отличие его от традиционного компьютерного
анализа данных заключается в высокой скорости и эффективности выполнения
сложных функций цифровой обработки, таких как фильтрация, анализ с
использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и сжатие данных в реальном
масштабе времени.
Термин "комбинированная обработка сигналов" подразумевает, что системой
выполняется и аналоговая, и цифровая обработка. Такая система может быть
реализована в виде печатной платы, гибридной интегральной схемы (ИС) или
отдельного кристалла с интегрированными элементами. АЦП и ЦАП рассматриваются как
устройства комбинированной обработки сигналов, так как в каждом из них
реализованы и аналоговые, и цифровые функции.
Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью
интеграции (VLSI) позволяют осуществлять комплексную (цифровую и аналоговую)
обработку на одном кристалле. Сама природа ЦОС подразумевает, что эти функции
могут быть выполнены в режиме реального масштаба времени.
Сравнение аналоговой и
цифровой обработки сигнала
Сегодняшний инженер стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и
цифровых методов для решения задачи обработки сигналов. Невозможно обработать
физические аналоговые сигналы, используя только цифровые методы, так как все
датчики (микрофоны, термопары, тензорезисторы, пьезоэлектрические кристаллы,
головки накопителя на магнитных дисках и т.д.) являются аналоговыми
устройствами. Поэтому, некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для
дальнейшей обработки сигналов аналоговым или цифровым методом. В
действительности, цепи нормализации сигнала - это аналоговые процессоры, выполняющие
такие функции как усиление, накопление (в измерительных и предварительных
буферных усилителях), обнаружение сигнала на фоне шума (высокоточными
усилителями синфазного сигнала, уравнителями и линейными приемниками), динамическое
сжатие диапазона (логарифмическими усилителями, логарифмическими ЦАП и
усилителями с программируемым коэффициентом усиления) и фильтрация (пассивная и
активная).
Несколько методов реализации процесса обработки сигналов показано на рис.
1.3 . В верхней области рисунка изображен чисто аналоговый подход. В
остальных областях изображена реализация DSP. Обратите внимание, что, как только
выбрана DSP технология, следующим решением должно быть определение
местоположения АЦП в тракте обработки сигнала.
ФИЗИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
ДАТЧИК
ДАТЧИК
ДАТЧИК
ДАТЧИК
АНАЛОГОВОЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
АНАЛОГОВОЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
АЦП
АНАЛОГОВАЯ
ОБРАБОТКА
СИГНАЛА
АЦП И
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
| ^
i
—И DSP
i
—Ш DSP
I
(
ЦАП
ЦАП
; кодек или
*ЧП ; УСТРОЙСТВО AFE ЦА"
DSP
Рис. 1.3. Обработка аналоговых и цифровых сигналов.
Вообще, поскольку АЦП перемещен ближе к датчику, большая часть обработки
аналогового сигнала теперь производится АЦП. Увеличение возможностей АЦП
может выражаться в увеличении частоты дискретизации, расширении динамического
диапазона, повышении разрешающей способности, отсечении входного шума,
использовании входной фильтрации и программируемых усилителей (PGA), наличии
источников опорного напряжения на кристалле и т.д. Все упомянутые дополнения
повышают функциональный уровень и упрощают систему. При наличии современных
технологий производства ЦАП и АЦП с высокими частотами дискретизации и
разрешающими способностями существенный прогресс достигнут в интеграции все
большего числа цепей непосредственно в АЦП/ЦАП. В сфере измерений, например,
существуют 24-битные АЦП со встроенными программируемыми усилителями (PGA),
которые позволяют оцифровывать полномасштабные мостовые сигналы 10 mV
непосредственно, без последующей нормализации (например, серия AD773x). На голосовых
и звуковых частотах распространены комплексные устройства кодирования-
декодирования - кодеки (Analog Front End, AFE) , которые имеют встроенную в
чип аналоговую схему, удовлетворяющую минимуму требований к внешним
компонентам нормализации (AD1819B и AD73322). Существуют также видео-кодеки (AFE) для
таких задач, как обработка изображения с помощью ПЗС (CCD), и другие
(например, серии AD9814, AD9816, HAD984X).
Практический пример
В качестве практического примера использования DSP сравним аналоговый и
цифровой фильтры низкой частоты (ФНЧ), каждый с частотой среза 1кГц. Цифровой
фильтр реализован в виде типичной дискретной системы, показанной на рис. 1.4.
Обратите внимание, что в диаграмме принято несколько неявных допущений. Во-
первых, чтобы точно обработать сигнал, принимается, что тракт АЦП/ЦАП
обладает достаточными значениями частоты дискретизации, разрешающей способности и
динамического диапазона. Во-вторых, для того, чтобы закончить все свои
вычисления в пределах интервала дискретизации (l/fs) , устройство ЦОС должно иметь
достаточное быстродействие. В-третьих, на входе АЦП и выходе ЦАП сохраняется
потребность в аналоговых фильтрах низкой частоты (anti-aliasing filter и
anti-imaging filter), хотя требования к их производительности невелики.
Приняв эти допущения, можно сравнить цифровой и аналоговый фильтры.
H(f)
1 кГц
АНАЛОГОВЫЙ
АНТИАЛАЙЗИНГОВЫЙ
ФИЛЬТР
АЦП
х(п]Г
НИЗКОЧАСТОТНЫЙ
ЦИФРОВОЙ
ФИЛЬТР
У(п)
±
> ЦАП
АНАЛОГОВЫЙ
АНТИИМИЖДИНГОВЫЙ
ФИЛЬТР
fs= 10 кГц
ВЕЛИЧИНА у(п) ДОЛЖНА БЫТЬ
ВЫЧИСЛЕНА В ТЕЧЕНИЕ
ИНТЕРВАЛА ДИСКРЕТИЗАЦИИ 1/fs
Рис. 1.4. Цифровой фильтр.
аналоговый фильтр
Фильтр Чебышева 6 порядка,
неравномерность 0,5 дБ
ДБ
о
-20
-40
-60
-80
-100
J I I L
\ I I I
|\ I I I
I \ I I I
-1 - \ I 1 1-
I \ I I I
I \ I I I
I \ I I I
J V--L ' J-
I ^^ I I I
i X i i i
I \J I I
I Г< I I
-\ h ^Sj 1 +"
I I ^4^ i i
I I ^vj I
pNc t
1 2 3
Частота (кГц)
цифровой фильтр
FIR-фильтр на 129 коэффициентов,
неравномерность 0,002 дБ, линейная
фазочастотная характеристика,
дБ частота отсчетов fs = 10 kSPS
о
-20
-40
-60
-80
-100
щ
-|__| I 1 +
I mJ """"" I [
1 2 3
Частота (кГц)
Рис. 1.5. Сравнение амплитудно-частотных характеристик аналогового и
цифрового фильтров.
Требуемая частота среза обоих фильтров - 1 кГц. Аналоговое преобразование
реализуется фильтром Чебышева первого рода шестого порядка (характеризуется
наличием пульсаций коэффициента передачи в полосе пропускания и отсутствием
пульсаций вне полосы пропускания). Его характеристики представлены на рис.
1.5. На практике этот фильтр может быть представлен тремя фильтрами второго
порядка, каждый из которых построен на операционном усилителе и нескольких
резисторах и конденсаторах. С помощью современных систем автоматизированного
проектирования (САПР) фильтров создать фильтр шестого порядка достаточно
просто, но чтобы удовлетворить техническим требованиям по неравномерности
характеристики 0,5 дБ, требуется точный подбор компонентов.
.MODULE fir_sub;
{ FIR Filter Subroutine
Calling Parameters
10 --> Oldest input data value in delay line
14 --> Beginning of filter coefficient table
L0 = Filter length (N)
L4 = Filter length (N) M1,M5 = 1
CNTR = Filter length - 1 (N-l)
Return Values
MR1 = Sum of products (rounded and saturated)
10 --> Oldest input data value in delay line
14 --> Beginning of filter coefficient table
Altered Registers
MX0,MY0,MR
Computation Time
(N-l) +6 cycles = N + 5 cycles
All coefficients are assumed to be in 1.15 format. }
.ENTRY fir;
fir:MR=0, MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5)
CNTR = N-l;
DO convolution UNTIL CE;
convolution: MR=MR+MX0*MY0(SS), MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5);
MR=MR+MX0*MY0(RND);
IF MV SAT MR;
RTS;
.ENDMOD;
Рис. 1.6. Программа на ассемблере: FIR фильтр для ADSP-21xx
(одинарная точность).
Представленный же на рис 1.4 цифровой FIR-фильтр со 129 коэффициентами
имеет неравномерность характеристики всего 0,002 дБ в полосе пропускания,
линейную фазовую характеристику и намного более крутой спад. На практике такие
характеристики невозможно реализовать с использованием одних только аналоговых
методов. Другое очевидное преимущество схемы состоит в том, что цифровой
фильтр не требует подбора компонентов и не чувствителен к дрейфу частоты, так
как она (частота) стабилизирована на кристалле. Фильтр со 129 коэффициентами
требует 129 операций умножения с накоплением (MAC) для вычисления выходной
выборки. Эта обработка должна быть закончена в пределах интервала
дискретизации 1/fs, чтобы обеспечить работу в реальном масштабе времени. В этом примере
частота дискретизации равна 10 кГц, поэтому для обработки достаточно 100 мкс,
если не требуется производить существенных дополнительных вычислений.
Семейство DSP ADSP-21xx может закончить весь процесс умножения с накоплением (и
другие функции, необходимые для реализации фильтра) за один командный цикл.
Поэтому фильтр со 129 коэффициентами требует быстродействия более 129/100 мкс
= 1,3 миллиона операций с секунду (MIPS). Существующие DSP имеют намного
большее быстродействие и, таким образом, не являются ограничивающим фактором
для этих приложений. Быстродействие серии 16-разрядных ADSP-218x с
фиксированной точкой достигает 75MIPS.
На рис. 1.6 приведен ассемблерный код, реализующий фильтр на DSP
процессорах семейства ADSP-21xx. Обратите внимание, что фактические строки
исполняемого кода помечены стрелками; остальное - это комментарии.
Конечно, на практике имеется много других факторов, рассматриваемых при
сравнительной оценке аналоговых и цифровых фильтров или аналоговых и цифровых
методов обработки сигнала вообще. В современных системах обработки сигналов
комбинируются аналоговые и цифровые методы реализации желаемой функции и
используются преимущества лучших методов, как аналоговых, так и цифровых.
Обработка сигналов
в реальном времени
■ Цифровая обработка сигналов;
♦ Ширина спектра обрабатываемого сигнала ограничена частотой
дискретизации АЦП/ЦАП
Помните о критерии Найквиста и теореме Котельникова
♦ Динамический диапазон сигнала ограничен разрядностью
АЦП/ЦАП
♦ Производительность процессора DSP ограничивает объем
обработки сигнала, так как:
. Для работы в реальном масштабе времени все вычисления,
производимые процессором DSP, должны быть закончены в
течение интервала дискретизации, равного 1/fs
■ Не забывайте об аналоговой обработке сигнала
♦ При высокочастотной/радиочастотной фильтрации, модуляции,
демодуляции
♦ Аналоговые антиалайзинговые и восстанавливающие фильтры
(обычно ФНЧ) для ФЦП и ЦАП
♦ Там, где диктуют здравый смысл и экономические выкладки
Рис. 1.7
Литература
1. Сигналы и линейные системы. - Домашняя лаборатория, 2009 №№ 4-11.
ГЛАВА 2.
ДИСКРЕТНЫЕ
СИСТЕМЫ1
Блок-схема типичной дискретной системы ЦОС представлена на рис. 2.1.
Обычно, прежде чем подвергнуться реальному аналого-цифровому преобразованию,
аналоговый сигнал проходит через цепи нормализации, которые выполняют такие
функции, как усиление, аттенюация (ослабление) и фильтрация. Для подавления
нежелательных сигналов вне полосы пропускания и предотвращения наложения
спектров (aliasing) необходим фильтр низкой частоты или полосовой фильтр.
fa
i
i
St'
и
V
ФНЧ
или »,
ПФ
АЦП
(N-БИТ)
КВАНТОВАНИЕ
-/*■ DSP
/ПО АМПЛИТУДЕ
у
ж"
\ *
у
V
fs
ЦАП
(N-БИТ)
—►
ФНЧ
или —
ПФ
ЦИСКРЕТИЗАЦИЯ
ПО ВРЕМЕНИ
4
> >
*■
К
\
fa
W I
Рис. 2.1. Структура дискретной системы.
На рис. 2.1 представлена система, работающая в реальном масштабе времени. В
ней АЦП непрерывно дискретизирует сигнал с частотой, равной fs, и выдает
новый отсчет процессору ЦОС (DSP) с такой же частотой. Для обеспечения работы в
реальном масштабе времени DSP должен закончить все вычисления в пределах
интервала дискретизации l/fs и передать выходной отсчет на ЦАП до поступления
следующего отсчета с АЦП. В качестве примера типичной функции DSP может
выступать цифровой фильтр.
В случае использования алгоритма БПФ, блок данных загружается в память DSP.
Пока работает алгоритм БПФ, тем временем новый блок данных загружается в
память для обеспечения работы в реальном масштабе времени. DSP должен вычислить
БПФ в течение интервала передачи данных, чтобы быть готовым к процессу
обработки следующего блока данных.
Дискретизация
аналоговых
сигналов по времени
Концепции дискретизации по времени и квантования по амплитуде аналогового
сигнала иллюстрируются на рис. 2.1. Выборка непрерывных аналоговых данных
должна осуществляться через интервал дискретизации ts = l/fs, который необхо-
1 Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт
димо тщательно выбирать для точного представления первоначального аналогового
сигнала. Ясно, что чем больше число отсчетов (более высокие частоты
дискретизации) , тем более точным будет представление сигнала в цифровом виде, тогда
как в случае малого числа отсчетов (низкие частоты дискретизации) может быть
достигнуто критическое значение частоты дискретизации, при котором теряется
информация о сигнале. Это следует из известного критерия Найквиста,
сформулированного на рис.2.2.
КРИТЕРИЙ НАЙКВИСТА
Частота дискретизации fs сигнала с шириной полосы fa должна
удовлетворять условию fs > 2fa, в противном случае
информация о сигнале будет потеряна
Эффект наложения спектров возникает, когда fs < 2fa
Эффект наложения спектров широко используются в таких
задачах, как прямое преобразование ПЧ в цифровую форму
Рис. 2.2. Критерий Найквиста.
Проще говоря, критерий Найквиста требует, чтобы частота дискретизации была,
по крайней мере, вдвое больше полосы сигнала, в противном случае информация о
сигнале будет потеряна. Если частота дискретизации меньше удвоенной полосы
аналогового сигнала, возникает эффект, известный как наложение спектров
(aliasing).
,СИГНАЛ В РЕЗУЛЬТАТЕ
НАЛОЖЕНИЯ СПЕКТРОВ = fs " fa
ВХОДНОЙ СИГНАЛ = f.
t
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: fa НЕМНОГО НИЖЕ, ЧЕМ U
Рис. 2.3. Эффект наложения спектров во временной области.
Для понимания смысла наложения спектров, как во временной, так и в
частотной областях, сначала рассмотрим случай представления во временной области
выборки одного тонального сигнала синусоидальной формы, показанный на
рис.2.3. В этом примере частота дискретизации fs лишь немного больше частоты
аналогового входного сигнала fa, что не удовлетворяет критерию Найквиста.
Обратите внимание, что в действительности сделанная выборка соответствует сиг-
налу, частота которого равна разности частот дискретизации и частоты
исходного сигнала fs-fa. Соответствующее представление этого примера в частотной
области показано на рис.2.4, б.
Далее рассмотрим случай выборки с частотой fs одночастотного сигнала
синусоидальной формы частоты fa, осуществленной идеальным импульсным дискретиза-
тором (см. рис. 2.4, А) . Как и в предыдущем случае, примем, что fs > 2fa. В
частотном спектре на выходе дискретизатора видны гармоники (aliases или
images) исходного сигнала, повторяющиеся с частотой fs, то есть на частотах,
равных |±Kfs±fa|, где К = 1, 2, 3, 4, ...
А
В
fa
(
1
"* JUMA 1
1
Г
1
1
1
0.5fs
1
Г
0.5fs
1
•
i
i
i
f
«
/
fS
а
i
и
1
т
1
■< ЗОНАЗ
1 1
т
1
1
1.5fs
1.5fs
I
» .
JUMA 4
I
T
i
i
i
i
2
S
■.
2fs
1
•
i
i
1 ,,
1
T
i
:«
У J
Рис. 2.4. Аналоговый сигнал с частотой f а, дискретизированный
идеальным АЦП с частотой fs, имеет составляющие на частотах
| ±Kf s±f а |, к = 1, 2, 3 ...
Частотная зона Найквиста определяется как полоса спектра от 0 до fs/2.
Частотный спектр разделен на бесконечное число зон Найквиста, каждая по 0,5 fs.
На практике идеальный дискретизатор заменяется на АЦП, используемый совместно
с процессором БПФ. БПФ-процессор обеспечивает присутствие на выходе только
компонент сигналов, частоты которых попадают в первую Зону Найквиста, то
есть, в полосу от 0 до f s/2 .
Теперь рассмотрим случай, когда частота сигнала выходит за пределы первой
зоны Найквиста (рис.2.4 В). Частота сигнала немного меньше частоты
дискретизации, что соответствует условию, представленному во временной области на
рис.2.3. Обратите внимание, что даже при том, что сигнал находится вне первой
зоны Найквиста, его составляющая fs-fa попадает внутрь зоны. Возвращаясь к
рис.2.4 А, поясним, что, если нежелательный сигнал появляется в области любой
из гармоник частоты fa, он также возникает и на частоте fa, приводя, таким
образом, к появлению побочного частотного компонента в первой зоне Найквиста.
Такой процесс подобен работе смесителя, используемого для детектирования
аналоговых сигналов. При этом подразумевается, что перед дискретизатором (или
АЦП) осуществляется фильтрация, подавляющая компоненты, частоты которых
находятся вне полосы Найквиста и после дискретизации попадают в ее пределы.
Рабочая характеристика фильтра будет зависеть от того, как близко частота внепо-
лосного сигнала отстоит от fs/2, а также будет определяться величиной
требуемого подавления.
Фильтры для устранения
эффекта наложения спектров
(антиалайзинговые фильтры)
Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала (огибающей сигнала или
видеосигнала) подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой
зоне Найквиста. Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе
идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который
находится за пределами "полосы Найквиста", в любой зоне Найквиста будет
создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста. По этой причине ФНЧ
используется почти со всеми АЦП для подавления нежелательных сигналов.
Важно правильно определить характеристики НЧ-фильтра. Первым шагом является
получение характеристик сигнала, подлежащего дискретизации. В случае, когда
наивысшая из интересующих нас частот равна fa, фильтр пропускает сигналы,
лежащие в полосе частот от 0 до fa, тогда как сигналы с частотой выше fa
ослабляются .
Предположим, что частота сопряжения фильтра равна fa. На рис.2.5а показан
эффект, обусловленный переходом сигнала ненулевой амплитуды от минимального
до максимального ослабления в динамическом диапазоне системы.
f
D
i.
R
1
!\ /'
! \ / !
! \ / ;
1 \ > !
! у ;
1 / \ !
; / \ 1
■ / \ ;
!/ \ ;
/ V
А< \
/ • ;\
/ч ', ; \
*
-
2
Затухание в полосе задержки = DR
Полоса пропускания: от fa до fs - fa
Частота точки перегиба АЧХ: fa
®
fa Kfs - fa
гч xi
! \ / I
\ /
i \ х .
' ч / '
\ / !
' \ х '
! X N. !
I X N. i
' / N '
! / \ !
i / N !
>Х \ i
! / N '
/ \1
х X
Х\" 1 \
/ N ! \
^ | N
/* 1 i \
X \ ч\\' i N
2
Затухание в полосе задержки = DR
Полоса пропускания: от fa до Kfs - fa
Частота точки перегиба АЧХ: fa
А
Kfs
Рис. 2.5. Избыточная дискретизация уменьшает требования к
крутизне спада ФНЧ.
Возможно, что во входном сигнале присутствуют существенные компоненты с
частотой, большей максимальной частоты fа. Диаграмма показывает, как эти
компоненты с частотой выше fs~fa дают НЧ-составляющую внутри полосы от 0 до fa.
Эти НЧ-составляющие неотличимы от реальных сигналов и поэтому ограничивают
динамический диапазон значением, которое на диаграмме показано как DR.
Некоторые авторы рекомендуют устанавливать параметры ФНЧ, принимая во
внимание частоту Найквиста fs/2, но это предполагает, что ширина полосы сигнала
находится от 0 до f s/2, что случается редко. В примере на рис. 2.5 а НЧ-
составляющие, которые попадают в диапазон между fa и fs/2, не представляют
для нас интереса и не ограничивают динамический диапазон.
Переходная зона ФНЧ определяется частотой сопряжения fa, частотой полосы
Задержки fs-fa и требуемым затуханием в полосе задержки DR. Динамический
диапазон системы выбирается исходя из требований точности воспроизведения
сигнала.
При всех прочих равных условиях фильтры становятся более сложными по мере
того, как увеличивается крутизна спада. Например, фильтр Баттерворта дает
ослабление 6 дБ на октаву для каждого порядка. Для достижения ослабления 60 дБ
в диапазоне от 1 МГц до 2 МГц (1 октава) требуется как минимум фильтр 10-го
порядка - это нетривиальный фильтр, весьма трудный в разработке.
Поэтому для высокоскоростных приложений, требующих более высокой крутизны
спада и меньшей неравномерности в рабочей полосе при линейной фазовой
характеристике, больше подходят фильтры других типов. В частности, этим критериям
удовлетворяют часто применяемые эллиптические фильтры. Существуют компании,
специализирующиеся на поставках заказных аналоговых фильтров. В качестве
примера можно привести компанию ТТЕ.
Из этого обсуждения видно, как недостаточная крутизна спада ФНЧ может
компенсироваться более высокой частотой дискретизации АЦП. Выбрав более высокую
частоту дискретизации (избыточную дискретизацию), мы уменьшаем требование к
крутизне спада и, следовательно, сложность фильтра за счет использования
более быстрого АЦП с более высокой скоростью обработки данных. Это иллюстрирует
рис.2.56, на котором показан эффект, возникающий при увеличении частоты
дискретизации в К раз, в то время как требования к частоте сопряжения fa и к
динамическому диапазону DR остаются на прежнем уровне. Более пологий спад
делает этот фильтр проще для проектирования, чем в случае рис.2.5а.
Процесс проектирования ФНЧ начинается с выбора начальной частоты
дискретизации от 2,5 fa до 4 fa. Определим характеристики фильтра, основанные на
требуемом динамическом диапазоне, и посмотрим, является ли такой фильтр
реализуемым с учетом ограничения стоимости системы и работы. Если реализация
окажется невозможной, полезно рассмотреть вариант с более высокой частотой
дискретизации, для которого, возможно, потребуется более быстрый АЦП. Следует
отметить, что sigma-delta-АЦП изначально являются преобразователями с
избыточной дискретизацией, и данное обстоятельство существенно ослабляет
требования к ФНЧ, что является дополнительным плюсом данной архитектуры.
Требования к ФНЧ могут быть несколько ослаблены, когда вы уверены, что
сигнал с частотой, которая попадает в полосу задержки fs-fa, никогда не
достигнет амплитуды основного сигнала. Во многих приложениях появление таких
сигналов на этой частоте действительно маловероятно. Если максимум сигнала в
полосе частот fs-fa никогда не превысит X дБ над амплитудой основного сигнала, то
требования к затуханию в полосе задержки фильтра может быть уменьшено на ту
же самую величину. Новое требование к затуханию в полосе задержки fs-fa
основано на понимании того факта, что в этом случае значение подавляемого сигнала
составляет DR-X дБ. В случае реализации этого варианта будьте внимательны при
устранении любых шумов, частоты которых могут быть выше частоты fa - это
нежелательные сигналы, которые также будут создавать НЧ-составляющую в полосе
сигнала.
Субдискретизация
(Undersampling)
Сюда относится гармоническая дискретизация (Harmonic Sampling),
дискретизация модулированных сигналов (Bandpass Sampling), дискретизация на промежуточ-
ной частоте (ПЧ), IF Sampling, прямое преобразование ПЧ в цифровую форму.
К настоящему моменту мы рассмотрели случай дискретизации низкочастотных
сигналов (видеосигналов или огибающих), когда все интересующие нас сигналы
лежат в первой зоне Наиквиста. На рис.2.6А представлен случай, когда полоса
подлежащих дискретизации сигналов ограничена первой зоной Наиквиста и в
остальных зонах Наиквиста имеются боковые частотные компоненты.
1
А
В
С
1
Зона 1 ,
/Л1
~\ллл\
\/л,<
0,5fs fs 1,5fs 2fs 2,5fs 3fs 3>5fs>:>
Зона 2
Г\ШГ\/ЛП\/ЛГ^ „
0,5fs f
/Л/.\
s 1,5fs
t Зона 3
0,5fs fs 1,Sfs
2
i
fs 2,5fs 3fs 3,5fs^
ЛЧг\А\„
2fs 2,5fs 3fs 3,5^
Рис. 2.6. Дискретизация на гармониках.
На рис.2.6В представлен случай, когда полоса подлежащего дискретизации
сигнала полностью находится во второй зоне Наиквиста. Часто процесс
дискретизации сигнала, находящегося вне первой зоны Наиквиста, называется
субдискретизацией или гармонической дискретизацией. Обратите внимание, что боковая
полоса в первой зоне Наиквиста содержит всю информацию об исходном сигнале,
только его местоположение изменено (порядок частотных компонентов в спектре
обратный, но это легко корректируется переупорядочиванием спектральных
компонентов на выходе БПФ).
На рис.2.6С показан вариант подлежащего дискретизации сигнала,
ограниченного третьей зоной Наиквиста. Обратите внимание, что в первой зоне Наиквиста
нет обращения частоты. Фактически, частоты подлежащих дискретизации сигналов
могут лежать в любой уникальной зоне Наиквиста, и боковая полоса в первой
зоне Наиквиста является точным представлением сигнала (за исключением обращения
частоты, которое происходит, когда сигналы расположены в четных зонах
Наиквиста) . Здесь мы можем вновь ясно сформулировать критерий Наиквиста:
Для сохранения информации о сигнале частота дискретизации должна быть
равной или большей, чем удвоенная ширина его полосы.
Обратите внимание, что в этой формулировке нет никакого упоминания об
абсолютном местоположении полосы дискретизируемых сигналов в частотном спектре
относительно частоты дискретизации. Единственное ограничение состоит в том,
что полоса подлежащих дискретизации сигналов ограничена одной зоной
Наиквиста, то есть, полосы сигналов не должны перекрывать частоту fs/2 с любым
множителем (фактически, это и является функцией антиалайзингового фильтра).
Дискретизация сигналов, лежащих выше первой зоны Наиквиста, стала
популярной задачей, связанной с телекоммуникациями, потому что этот процесс
эквивалентен аналоговой демодуляции. Обычной практикой становится дискретизация
сигналов ПЧ с последующим использованием цифровых методов для обработки
сигнала с устранением таким способом потребности в демодуляторе ПЧ. Ясно, что с
ростом ПЧ растут и требования к производительности АЦП. Ширина полосы входа
АЦП и характеристики, связанные с допустимыми искажениями сигналов, должны
быть адекватны скорее ПЧ, чем основной полосе частот. Это является проблемой
для большинства АЦП, предназначенных для обработки сигналов в первой зоне
Найквиста, поэтому для субдискретизации нужен АЦП, который может обрабатывать
сигналы в других (более высокочастотных) зонах Найквиста.
Статическая передаточная
функция АЦП и ЦАП и
погрешности по постоянному току
Наиболее важным моментом, характеризующим и ЦАП, и АЦП является тот факт,
что их входы или выходы являются цифровыми, поэтому сигнал подвергается
квантованию. Обычно N-раЗрядное слово представляется одним из 2N возможных
состояний, поэтому у N-раЗрядного ЦАП (с фиксированным источником опорного
напряжения) может быть только значении аналогового выхода, и он может выдавать
различных комбинаций, соответствующих значениям аналогового входа. Как
правило , входные аналоговые сигналы существуют в виде напряжений или токов.
Разреш.
способность N
2-бит
4-бит
6-бит
8-бит
10-бит
12-бит
14-бит
16-бит
18-бит
20-бит
22-бит
24-бит
2N
4
16
64
256
1024
4096
16384
65536
262144
1048576
4194304
16777216
Напряжение
(10В FS)
2.5 В
625 мВ
156 мВ
39.1 мВ
9.77 мВ (10 мВ)
2.44 мВ
610 мкВ
153 мкВ
38 мкВ
9.54 мкВ (10 мкВ)
2.38 мкВ
596 нВ*
ppm FS
250,000
62,500
15,625
3,906
977
244
61
15
4
1
0.24
0.06
% FS
25
6.25
1.56
0.39
0.098
0.024
0.0061
0.0015
0.0004
0.0001
0.000024
0.000006
dBFS
-12
-24
-36
-48
-60
-72
-84
-96
-108
-120
-132
-144
*600 нВ - это шум Джонсона при ширине полосы 10 КГц, R=2.2 кОм и при 25°С
Легко запомнить: 10-разрядное квантование при значении полной шкалы
FS = 10 В соответствует LSB = 10 мВ, точность 1000 ppm или 0.1%.
Все остальные значения можно вычислить умножением на коэффициенты,
равные степени числа 2.
Рис. 2.7. Квантование: величина, соответствующая младшему биту (LSB).
Разрешающая способность преобразователей данных может быть выражена
несколькими различными способами: весом младшего разряда (LSB), долей от полной
шкалы размером в один миллион (ppm FS) , милливольтами (мВ) и т.д. Различные
устройства (даже от одного производителя) специфицируются по-разному, так что
для успешного сравнения устройств пользователи АЦП и ЦДЛ должны уметь
преобразовывать характеристики из различных спецификаций. Величина младшего
значащего разряда (LSB) для приборов с различной разрешающей способностью
приведена на рис.2.7.
FS
АНАЛОГОВЫЙ
ВЫХОД
000 001 010 011 100 101 110 111
ЦИФРОВОЙ ВХОД
Рис. 2.8. Передаточная функция идеального 3-разрядного ЦДЛ,
111 —h
110
ЦИФРОВОЙ Ю1
выход
100
011
ою-1-
А
г-у—'
I/
А
/ I
X
I
V
г~г
/ i
001 —|" Г-7* '
/
000 \/ I I
V
X
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ
КВАНТОВАНИЯ
АНАЛОГОВЫЙ ВХОД
FS
Рис. 2.9. Передаточная функция идеального 3-разрядного АЦП,
Прежде чем рассматривать различные архитектуры АЦП и ЦАП, необходимо
обсудить ожидаемые характеристики и важные аспекты спецификаций. Ниже будет
рассмотрено определение погрешностей и технических требований, предъявляемых к
АЦП и ЦАП. Это важно для понимания сильных и слабых сторон различных
архитектур АЦП и ЦАП.
Первые преобразователи данных применялись в области измерения и управления,
где точный выбор времени преобразования обычно не имел значения, и скорость
передачи данных была невелика. В таких приложениях были важны характеристики
АЦП и ЦАП по постоянному току, а характеристики, связанные с синхронизацией и
характеристики по переменному току не имели существенного значения. Сегодня
ко многим, если не к большинству преобразователей, используемых в системах
дискретизации и восстановления сигнала, предъявляются жесткие требования по
характеристикам на переменном токе (характеристики по постоянному току могут
быть не существенны). Данные характеристики будут рассмотрены далее в этом
разделе.
На рис.2.8 представлена идеальная функция передачи однополярного 3-
разрядного ЦАП, а на рис.2.9 - однополярного 3-разрядного АЦП. В ЦАП входной
и выходной сигналы квантованы, и график содержит восемь точек. Независимо от
способа аппроксимации этой функции, важно помнить, что реальной
характеристикой передачи является не линия, а множество дискретных точек.
Входной аналоговый сигнал АЦП не квантован, но его выходной сигнал является
результатом квантования. Поэтому характеристика передачи состоит из восьми
горизонтальных прямых (при рассмотрении смещения, усиления и линейности АЦП
мы рассматриваем линию, соединяющую средние точки этих отрезков).
В обоих случаях полная цифровая шкала (все "1") соответствует полной
аналоговой шкале минус значение младшего разряда LSB (значение, формируемое
источником опорного напряжения или кратная ему величина). Это происходит потому,
что, как упоминалось выше, цифровой код представляет собой нормализованное
отношение аналогового сигнала к опорному сигналу.
Переходы АЦП (идеальные) имеют место, начиная с 1/2 LSB выше нуля, и далее
через каждый LSB, до 1 LSB ниже полной аналоговой шкалы. Так как входной
аналоговый сигнал АЦП может иметь любое значение, а выходной цифровой сигнал
квантуется, может существовать различие до 1/2 LSB между реальным входным
аналоговым сигналом и точным значением выходного цифрового сигнала. Этот
эффект известен как ошибка (погрешность) или неопределенность квантования и
проиллюстрирован на рис.2.9. В приложениях, использующих сигналы переменного
тока, эта ошибка квантования вызывает явление, называемое шумом квантования,
которое будет обсуждаться в следующей главе.
Для преобразователей данных существует много способов цифрового
кодирования: двоичное кодирование, двоичное кодирование со смещением, кодирование
дополнительным кодом по основанию 1, дополнительным кодом по основанию 2, кодом
Грея, двоично-десятичным кодом и другие. В примерах этой части, посвященной
главным образом обсуждению проблем, связанных с аналоговым трактом
преобразователей, будут использоваться простой двоичный код и двоичный код со
смещением без рассмотрения достоинств и недостатков этих и любых других способов
цифрового кодирования.
В примерах на рис.2.8 и 2.9 применяются униполярные преобразователи,
работающие с сигналом только одной полярности. Это самый простой тип, но в
реальных приложениях более полезны биполярные преобразователи. Имеется два типа
биполярных преобразователей. Более простой из них - это в сущности просто
униполярный преобразователь с отрицательным смещением на величину,
соответствующую единице старшего разряда (MSB), (во многих преобразователях можно
переключать это смещение, чтобы использовать их и как униполярные, и как
биполярные) . Другой, более сложный тип, известен как преобразователь знака (sign-
magnitude) и имеет N информационных разрядов, а также дополнительный разряд,
который показывает знак аналогового сигнала. ЦАП типа sign-magnitude
применяется довольно редко, а на АЦП типа sign-magnitude сконструированы большинство
цифровых вольтметров (DVM) .
В АЦП и ЦАП различают четыре типа погрешностей по постоянному току:
погрешность смещения, погрешность усиления и два типа погрешностей, связанных с
линейностью. Погрешности смещения и усиления АЦП и ЦАП аналогичны погрешностям
смещения и усиления в усилителях. На рис.2.10 показано преобразование входных
сигналов биполярного диапазона (хотя погрешность смещения и погрешность нуля,
идентичные в усилителях и униполярных АЦП и ЦАП, различны в биполярных
преобразователях, и это следует учитывать). Характеристики передачи и ЦАП, и АЦП
могут быть выражены как D=K+GA, где D - цифровой код, А - аналоговый сигнал,
К и G - константы. В униполярном преобразователе К равно 0, в биполярном
преобразователе со смещением -1 MSB. Погрешность смещения - это величина, на
которую фактическое значение К отличается от идеального значения. Погрешность
усиления - это величина, на которую G отличается от идеального значения. В
общем случае, погрешность усиления может быть выражена разностью двух
коэффициентов , выраженной в процентах. Эту разность можно рассматривать, как вклад
погрешности усиления (в мВ или значениях младшего разряда LSB) в общую
погрешность при максимальном значении сигнала. Обычно пользователю
предоставляется возможность минимизации этих погрешностей. Обратите внимание, что, в
случае операционного усилителя сначала регулируют смещение усилителя при
нулевом входном сигнале, а затем настраивают коэффициент усиления при значении
входного сигнала, близких к максимальному. Алгоритм настройки биполярных
преобразователей более сложен.
+FS
+FS
ПОГРЕШНОСТЬ
СМЕЩЕНИЯ
ИДЕАЛЬНАЯ
ПОГРЕШНОСТЬ
НУЛЯ
НЕТ ПОГРЕШНОСТИ УСИЛЕНИЯ:
ПОГРЕШНОСТЬ НУЛЯ =
ПОГРЕШНОСТЬ СМЕЩЕНИЯ
ИДЕАЛЬНАЯ
'ПОГРЕШНОСТЬ УСИЛЕНИЯ ЕСТЬ;
ПОГРЕШНОСТЬ СМЕЩЕНИЯ = О
ПОГРЕШНОСТЬ НУЛЯ
ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
ПОГРЕШНОСТЬЮ УСИЛЕНИЯ
Рис. 2.10. Погрешность смещения нуля преобразователя и
погрешность усиления.
Интегральная нелинейность ЦАП и АЦП аналогична нелинейности усилителя и
определяется как максимальное отклонение фактической характеристики передачи
преобразователя от прямой линии. В общем случае, она выражается в процентах
от полной шкалы (но может представляться в значениях младших разрядов).
Существует два общих метода аппроксимации характеристики передачи: метод конечных
точек (end point) и метод наилучшей прямой (best straight line) (см.
рис.2.11).
МЕТОД КОНЕЧНЫХ ТОЧЕК МЕТОД НАИЛУЧШЕЙ ПРЯМОЙ
ВЫХОД
ПОГРЕШНОСТЬ
ЛИНЕЙНОСТИ = Х
ВХОД
У погрешность
ЛИНЕЙНОСТИ * Х/2
вход
Рис. 2.11. Метод измерения суммарной погрешности линейности.
При использовании метода конечных точек измеряется отклонение произвольной
точки характеристики (после коррекции усиления) от прямой, проведенной из
начала координат. Таким образом в компании Analog Devices, Inc. измеряют
значения интегральной нелинейности преобразователей, используемых в задачах
измерения и управления (так как величина погрешности зависит от отклонения от
идеальной характеристики, а не от произвольного "наилучшего приближения").
Метод наилучшей прямой дает более адекватный прогноз искажений в
приложениях, имеющих дело с сигналами переменного тока. Он менее чувствителен к нели-
нейностям технических характеристик. По методу наилучшего приближения через
характеристику передачи устройства проводят прямую линию, используя
стандартные методы интерполяции кривой. После этого максимальное отклонение
измеряется от построенной прямой. Как правило, интегральная нелинейность, измеренная
таким образом, учитывает только 50% нелинейности, оцененной методом конечных
точек. Это делает метод предпочтительным при указании впечатляющих
технических характеристик в спецификации, но менее полезным для анализа реальных
значений погрешностей. Для приложений, имеющих дело с сигналами переменного
тока, лучше определять гармонические искажения, чем нелинейность по
постоянному току, так что для определения нелинейности преобразователя необходимость
в использовании метода наилучшей прямой возникает довольно редко.
Другой тип нелинейности преобразователей - дифференциальная нелинейность
(DNL) . Она связана с нелинейностью кодовых переходов преобразователя. В
идеальном случае изменение на единицу младшего разряда цифрового кода точно
соответствует изменению аналогового сигнала на величину единицы младшего
разряда . В ЦАП изменение одного младшего разряда цифрового кода должно вызывать
изменение сигнала на аналоговом выходе, в точности соответствующее величине
младшего разряда. В то же время в АЦП при переходе с одного цифрового уровня
на следующий значение сигнала на аналоговом входе должно измениться точно на
величину, соответствующую младшему разряду цифровой шкалы.
Там, где изменение аналогового сигнала, соответствующее изменению единицы
младшего разряда цифрового кода, больше или меньше этой величины, говорят об
дифференциальной нелинейной (DNL) погрешности. DNL-погрешность
преобразователя обычно определяется как максимальное значение дифференциальной
нелинейности , выявляемое на любом переходе.
Если дифференциальная нелинейность ЦАП меньше, чем -1 LSB на любом переходе
(см. рис.2.12), ЦАП называют немонотонным, и его характеристика передачи
содержит один или несколько локальных максимумов или минимумов.
Дифференциальная нелинейность, большая чем +1 LSB, не вызывает нарушения монотонности, но
также нежелательна. Во многих приложениях ЦАП (особенно в системах с обратной
связью, где немонотонность может изменить отрицательную обратную связь на
положительную) монотонность ЦАП очень важна. Часто монотонность ЦАП явно
оговаривается в техническом описании, хотя, если дифференциальная нелинейность
гарантированно меньше единицы младшего разряда (то есть, |DNL| < 1 LSB) ,
устройство будет обладать монотонностью, даже если это явно не указывается.
FS
АНАЛОГОВЫЙ
ВЫХОД
НЕМОНОТОННОСТЬ
000 001 010 011 100 101 110 111
ЦИФРОВОЙ ВХОД
Рис. 2.12. Функция передачи неидеального 3-разрядного ЦАП,
111 —
110-
АНАЛОГОВЫЙ
ВЫХОД 101-
юо-
011-
010-
001-Ь г-А-
000
\/
А
А I
У
А I
А
А
А !
г-А
А ПРОПУЩЕННЫЙ
/ | КОД
ЦИФРОВОЙ ВХОД
FS
Рис. 2.13. Функция передачи неидеального 3-разрядного ЦАП.
Бывает, что АЦП немонотонен, но наиболее распространенным проявлением DNL в
АЦП являются пропущенные коды (см. рис.2.13). Пропущенные коды (или
немонотонность) в АЦП столь же нежелательны, как немонотонность в ЦАП. Опять таки,
это возникает при DNL > 1 LSB.
Определение отсутствующих кодов сложнее, чем определение немонотонности.
Все АЦП характеризуются некоторым шумом перехода (transition noise),
иллюстрируемым на рис.2.14 (представьте себе этот шум как мелькание последней цифры
цифрового вольтметра между соседними значениями). По мере роста разрешающей
способности диапазон входного сигнала, соответствующий уровню шума перехода,
может достичь или даже превысить значение сигнала, соответствующее единице
младшего разряда. В таком случае, особенно в сочетании с отрицательной DNL-
погрешностью, может случиться так, что появятся некоторые (или даже все)
коды, где шум перехода будет присутствовать во всем диапазоне значений входных
сигналов. Таким образом, возможно существование некоторых кодов, для которых
не существует значения входного сигнала, при котором этот код гарантированно
бы появился на выходе, хотя и может существовать некоторый диапазон входного
сигнала, при котором иногда будет появляться этот код.
ШУМ ПЕРЕХОДА КОДА DNL ШУМ ПЕРЕХОДА КОДА
выходной
КОД АЦП
ВХОД АЦП ВХОД АЦП ВХОД АЦП
Рис. 2.14. Совместное действие шума перехода кода АЦП и
дифференциальной нелинейности (DNL).
Для АЦП с невысокой разрешающей способностью можно определить условие
отсутствия пропущенных кодов как сочетание шума перехода и дифференциальной
нелинейности, при котором гарантировался бы некоторый уровень (скажем, 0.2 LSB)
свободного от шума кода для всех кодов. Однако при этом невозможно достичь
столь высокой разрешающей способности, которую обеспечивают современные
сигма-дельта АЦП, или даже меньшей разрешающей способности для АЦП с широкой
полосой пропускания. В этих случаях производитель должен определять уровни
шумов и разрешающую способность каким-нибудь другим способом. Не так важно,
какой метод используется, но спецификация должна содержать четкое определение
используемого метода и ожидаемые характеристики.
Погрешности по переменному току
в преобразователях данных
В течение последнего десятилетия основное применение АЦП и ЦАП находят в
дискретизации и восстановлении аналоговых сигналов переменного тока. Очень
упрощенно, дискретная система - это система, где мгновенное значение сигнала
переменного тока оцифровывается с периодическими интервалами. Полученные циф-
Г
I
I
I
ровые коды могут использоваться для сохранения формы сигнала (на компакт-
дисках CD или цифровых магнитных лентах DAT), для сложных вычислений с
отсчетами (цифровая обработка сигнала DSP), для фильтрации, компрессии и других
операций. Обратная операция - восстановление - требуется, когда ряд цифровых
кодов подается на ЦАП для восстановления формы аналогового сигнала. Здесь
ярким примером является CD- или DAT-плеер, но эта технология очень широко
используется также в телекоммуникациях, радио, синтезаторах и во многих других
областях.
Преобразователи данных, используемые в этих приложениях, должны иметь
высокую производительность при работе с сигналами переменного тока, но могут
обходиться без хороших характеристик тракта по постоянному току. Первые
высококачественные преобразователи, разработанные для таких приложений, обычно
создавались с хорошими характеристиками по переменному току, но плохими или
ненормированными характеристиками по постоянному току. Сегодня существуют более
приемлемые проектные компромиссы, и большинство преобразователей имеют
гарантированные характеристики по постоянному и переменному току. Тем не менее,
ЦАП для цифровой звукозаписи, которые должны быть чрезвычайно
конкурентоспособны по цене, продаются со сравнительно низкими характеристиками по
постоянному току, но не из-за низкой производительности по постоянному току, а из-за
отсутствия проверки качества в ходе производства.
Если обсуждение параметров по постоянному току можно производить
одновременно и для ЦАП, и для АЦП, то их характеристики по переменному току слишком
различаются и потому заслуживают раздельного рассмотрения.
Искажения и шум
в идеальном
N-разрядном АЦП
К настоящему времени мы анализировали процесс дискретизации без
рассмотрения такой операции АЦП, как квантование. Теперь будем трактовать АЦП как
идеальный дискретизатор, но учитывать при этом эффекты квантования.
Идеальный N-раЗрядный АЦП имеет погрешности (по постоянному или переменному
току), связанные только с процессами дискретизации и квантования.
Максимальная погрешность, которую имеет идеальный АЦП при оцифровывании входного
сигнала, равна ±1/2 LSB. Любой аналоговый сигнал, поступающий на вход идеального
N-раЗрядного АЦП, производит шум квантования. Среднеквадратичное значение
шума (измеренное по ширине полосы Найквиста, от постоянного тока до fs/2)
приблизительно равно весу наименьшего значащего разряда (LSB) q, деленному на
Vl2, . При этом предполагается, что амплитуда сигнала составляет, по крайней
мере, несколько младших разрядов, так что выход АЦП изменяет свое состояние
почти при каждом отсчете. Сигнал ошибки квантования от входного линейного
пилообразного сигнала аппроксимируется сигналом пилообразной формы с
максимальным размахом q, и его среднеквадратичное значение равно q/Vl2 (см. рис.2.15).
Можно показать, что отношение среднеквадратичного значения синусоидального
сигнала, соответствующего полной шкале, к среднеквадратичному значению шума
квантования (выраженное в дБ) равно:
SNR = 6,02N +1,76 дБ,
где N - число разрядов в идеальном АЦП. Это уравнение имеет силу только в
том случае, если шум измерен на полной ширине полосы Найквиста от 0 до fs/2,
как показано на рис.2.16. Если ширина полосы сигнала BW меньше fs/2, то
значение отношения сигнал/шум (SNR) в пределах ширины полосы сигнала BW
возрастет вследствие уменьшения энергии шума квантования в пределах ширины полосы.
Для этого условия правильным будет следующее выражение:
SNR = 6,027V + 1,76дБ + lOlog
(
2-BW
ЦИФРОВОЙ А
выход
/
АНАЛОГОВЫЙ
вход
ОШИБКА
q=1LSB
т
СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ = q/"Vl2
С/Ш (SNR) = 6.02N +1.76 дБ +101од
2«BW
ДЛЯ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА,
СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ПОЛНОЙ
ШКАЛЕ АЦП
Рис. 2.15. Шум квантования идеального п-разрядного АЦП,
ШУМ КВАНТОВАНИЯ RMS = q / \|12Г
q = АМПЛИТУДА СИГНАЛА, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ LSB
SNR = (6.02N + 1.76) дБ. ПРИ ШИРИНЕ ПОЛОСЫ tJ2
N = ЧИСЛО РАЗРЯДОВ
ПРИНИМАЕТСЯ. ЧТО ШУМ КВАНТОВАНИЯ РАВНОМЕРНО
РАСПРЕДЕЛЕН В ПОЛОСЕ ОТ 0 ДО У2
(БЫВАЮТ ОСОБЫЕ СЛУЧАИ. КОГДА ЭТО НЕ ТАК)
DC
BW
fs
Если BW < —г то:
f ДЛЯ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА.
SNR = 6.02N +1,76 дБ + 101од —5— соответствующего полной
2»BW ШКАЛЕ АЦП
Рис. 2.16. Спектр шума квантования.
Приведенное уравнение отражает состояние, именуемое избыточной
дискретизацией, при котором частота дискретизации выше, чем удвоенная ширина полосы
сигнала. Корректирующую величину часто называют запасом по дискретизации.
Обратите внимание, что для данной ширины полосы сигнала удвоенная частота
дискретизации увеличивает отношение сигнал/шум на 3 дБ.
Хотя среднеквадратичное значение шума довольно точно приближается к q/Vl2,
его частотная область может сильно коррелировать с входным аналоговым
сигналом. Например, корреляция будет больше для периодического сигнала малой
амплитуды, чем для случайного сигнала большой амплитуды. Весьма часто в теории
полагают, что шум квантования появляется в виде белого шума, распределенного
равномерно по всей ширине полосы Найквиста от 0 до fs/2. К сожалению, это не
так. В случае сильной корреляции шум квантования будет сконцентрирован около
каких угодно гармоник входного сигнала, но только не там, где бы Вы хотели.
В большинстве приложений входной сигнал АЦП представляет собой полосу
частот (он обычно смешан с некоторым шумом) со случайным шумом квантования. Тем
не менее, в приложениях спектрального анализа (или при выполнении БПФ на АЦП,
использующих спектрально чистый синусоидальный сигнал, см. рис.2.17)
корреляция между шумом квантования и сигналом зависит от отношения частоты
дискретизации к частоте входного сигнала. Это демонстрируется на рис.2.18, где
идеальный выход 12-разрядного АЦП представлен с использованием БПФ с 4096
точками. На левом графике отношение частоты дискретизации к входной частоте было
выбрано равным точно 32, и худшая гармоника составляет 76 дБ от основной
частоты. Правый график показывает эффект некоторого смещенного отношения,
приводящего к относительному разбросу спектра случайного шума, благодаря которому
динамический диапазон, свободный от гармоник (SFDR), достигает 92 дБ. В обоих
случаях среднеквадратичное значение всех шумовых компонентов равно q/Vl2, но
в первом случае шум сконцентрирован около гармоник основной частоты.
АНАЛОГОВЫЙ
ВХОД
fa
>
fs
ИДЕАЛЬНЫЙ
N-РАЗРЯДНЫЙ
АЦП
N
/
/
БУФЕР
ПАМЯТИ НА
МСЛОВ
БПФ
ПРОЦЕССОР
(М ТОЧЕК)
М
у ТОЧЕЧНЫЙ
СПЕКТРАЛЬНЫЙ
ВЫХОД
Рис. 2.17. Анализ динамических характеристик идеального n-разрядного АЦП.
Обратите внимание, что это изменение нелинейных искажений АЦП является
следствием процесса дискретизации и корреляции ошибки квантования с входной
частотой. В практике аналого-цифрового преобразования ошибка квантования
вообще проявляется как случайный шум из-за случайной природы широкополосного
входного сигнала и того факта, что обычно имеется небольшой шум системы,
который действует, как подмешиваемый псевдослучайный сигнал при дальнейшем
распределении спектра ошибки квантования.
Отмеченное очень важно, потому что для определения характеристик АЦП часто
используется быстрое преобразование Фурье (БПФ) для монотонного
синусоидального сигнала. Для точного измерения нелинейных искажений АЦП должны быть
предприняты шаги, гарантирующие, что испытательная установка верно измеряет
искажения, идущие от АЦП, с учетом эффекта корреляции шума квантования. Это
достигается соответствующим выбором соотношения испытательных частот и частот
дискретизации, а иногда - добавлением к входному сигналу некоторого шума
(псевдослучайного сигнала).
О
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
fs/fa = 32
М = 4096
500 1000
SFDR = 76 дБс
2000
fc / fa = 32.25196850394
Ъ а
500 1000
SFDR = 92 дБс
2000
Рис. 2.18. Влияние отношения частоты дискретизации к входной частоте
на динамический диапазон (SFDR) для идеального 12-разрядного АЦП.
(ДБ)
20 -
40
60
80-
100 -
120
ПОЛНАЯ ШКАЛА АЦП
А
N = 12 БИТ
М = 4096
74дБ= 6,02N + 1,76 дБ
СРЕДНЕКВ. ЗНАЧЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА КВАНТОВАНИЯ
I /Мч
33 дБ= 10log^2 )
\
74дБ
МИНИМАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ШУМА БПФ .„ с
— — — — — — — -Р — 107дБ
I I I i i I
ПРОМЕЖУТКИ МЕЖДУ ПИКАМИ
4096
Рис. 2.19. Минимальный уровень шума идеального 12-разрядного АЦП
при 4096-точечном БПФ.
Вернувшись к рис.2.18, обратите внимание, что минимальный уровень шума,
полученного с помощью БПФ, приблизительно равен 100 дБ от полной шкалы АЦП, то-
гда как теоретическое отношение сигнал/шум 12-разрядного АЦП равно 74 дБ.
Минимальный уровень шума от БПФ не равен отношению сигнал/шум АЦП, потому что
БПФ действует, подобно аналоговому анализатору спектра с шириной полосы fs/M,
где М - число точек БПФ. Теоретически минимальный уровень шума БПФ равен
101одю(М/2) дБ, то есть ниже минимального уровня шума квантования из-за так
называемого выигрыша БПФ в отношении сигнал/шум (см. рис.2.19). В случае
идеального 12-разрядного АЦП с отношением сигнал/шум 74 дБ, использование БПФ с
4096 точками привело бы к выигрышу в отношении сигнал/шум в 101одю (4096/2) =
33 дБ, приводя, таким образом, к предельному отношению сигнал/шум 74+33=107
дБ. В действительности, минимальный уровень шума БПФ может быть еще уменьшен
за счет увеличения количества точек БПФ, подобно тому, как минимальный
уровень шума аналогового анализатора спектра может быть уменьшен за счет сужения
ширины полосы пропускания. При испытаниях АЦП, использующих БПФ, важно быть
уверенным, что количество точек БПФ достаточно велико для того, чтобы
нелинейные искажения можно было отличить от минимального уровня шума БПФ.
Искажение и шум
в реальных АЦП
На практике дискретизация сигнала в АЦП (с интегрированным устройством
выборки-хранения УВХ), независимо от архитектуры, проходит при наличии шумов и
искажений сигнала, как это показано на рис.2.20. Широкополосному аналоговому
входному буферу присущи широкополосный шум, нелинейность и конечная ширина
полосы. УВХ (SHA) вносит дальнейшую нелинейность, ограничение полосы и
дрожание апертуры. Квантующая часть АЦП вносит шум квантования, интегральную и
дифференциальную нелинейности. В этом обсуждении предполагается, что сигналы
с последовательных выходов АЦП загружаются в буферную память длиной М и что
БПФ процессор имеет спектральный выход. Также допускается, что арифметические
операции БПФ не вносят никаких существенных погрешностей в АЦП. Однако при
проверке минимального выходного уровня шума должен быть рассмотрен выигрыш в
отношении сигнал/шум БПФ (зависящий от М).
АЦП
АНАЛОГОВЫЙ
вход
УСТРОЙСТВО
ВЫБОРКИ-
ХРАНЕНИЯ
(УВХ)
14-
РАЗРЯДНЫЙ
АЦП (КОДЕР)
В ПАМЯТЬ
• ШУМ • ШУМ • ШУМЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ
• ИСКАЖЕНИЯ • ИСКАЖЕНИЯ • ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ
• ОГРАНИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ • ОГРАНИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ НЕЛИНЕЙНОСТЬ
• ДРОЖАНИЕ АПЕРТУРЫ • ИНТЕГРАЛЬНАЯ
НЕЛИНЕЙНОСТЬ
ТЕСТ-
СИСТЕМА
+
БУФЕР
ПАМЯТИ НА
МСЛОВ
БПФ
М ТОЧЕК
М
ТОЧЕК
.СПЕКТРАЛЬНЫЙ
ВЫХОД
• ВЫИГРЫШ В ОТНОШЕНИИ СИГНАЛ-ШУМ = 10log Щ-)
• ПОГРЕШНОСТЬ ИЗ-ЗА ОКРУГЛЕНИЯ 1
(НЕЗНАЧИТЕЛЬНАЯ)
Рис. 2.20. Модель АЦП, показывающая источники шумов и искажений сигнала.
Приведенный ко
входу тепловой шум
Широкополосные внутренние цепи АЦП вносят некоторое среднеквадратичное
значение широкополосного шума из-за воздействия тепла и дисперсии шума кТ/С.
Этот шум присутствует даже для сигналов постоянного тока и объясняет тот
факт, что результатом работы большинства широкополосных (с высокой
разрешающей способностью) АЦП является распределение кодов, сконцентрированное вокруг
номинального значения входного сигнала (см. рис.2.21). Чтобы измерить его
значение, вход АЦП заземляется, накапливается большое количество выходных
отсчетов и составляется график в виде гистограммы (иногда упоминаемый как
гистограмма с заземленным входом). Так как шум имеет почти Гауссово
распределение, стандартное отклонение гистограммы легко рассчитывается в соответствии с
эффективным среднеквадратичным значением входного шума. Обычной практикой для
выражения среднеквадратичного значения шума является его выражение в терминах
младших разрядов, хотя оно может быть выражено как среднеквадратичное
значение напряжения.
РАЗМАХ ВХОДНОГО ШУМА
Я* 6.6 х СР. КВ. ЗНАЧ. ШУМА
i
i
i
/
i
i
•
П'"'
/
/
1
f
/
1
/
f
t
t
f
t
f
I
1
/
/
/
f
k кол
ч
4
\
V
/1»
НЕСТВО СЛУЧАЕВ
4
\
\
\
\
V
4
> I
\
\
ч
4
4
\
4
\
\
\
4
4
ШУМА
4
4
n-4 n-3 n-2 n-1 n n+1 n+2 n+3 n+4
ВЫХОДНОЙ КОД
Рис. 2.21. Гистограмма, показывающая распределение
выходного кода при действии шума на вход АЦП.
вероятности
Существуют различные способы описания характеристик аналогового тракта АЦП.
На ранней стадии технологии АЦП (более 30 лет назад) не существовало
серьезной стандартизации характеристик аналогового тракта, измерительного
оборудования и методов или они не были хорошо изучены либо были недоступны. Спустя
почти 30 лет производители и заказчики узнали больше об измерении
динамических характеристик преобразователей. Спецификации наиболее популярных сегодня
преобразователей представлены на рис.2.22. Фактически все спецификации
представляют характеристики преобразователя в частотной области. БПФ является
основой практически всех измерений и подробно обсуждается в разделе 5 этой
публикации .
■ Гармонические искажения
■ Наихудшие гармоники
■ Общие гармонические искажения (THD)
■ Общие гармонические искажения и шум (THD + N)
■ Отношение сигнал-шум и искажения (SINAD, or S/N +D)
■ Эффективное количество разрядов (ENOB)
■ Отношение сигнал-шум (SNR)
■ Аналоговая полоса пропускания (для полного сигнала,
для малого сигнала)
■ Динамический диапазон, свободный от гармоник (SFDR)
■ Двухтональные интермодуляционные искажения
■ Многотональные интермодуляционные искажения
Рис. 2.22. Определяющие динамические характеристики АЦП.
Явления интегральных
и дифференциальных
нелинейных искажений
Одним из важнейших для понимания аспектов при определении нелинейности АЦП
и ЦАП является то, что передаточная функция преобразователя данных имеет
особенности, которые отсутствуют в обычных линейных устройствах типа
операционных усилителей (ОУ) или усилительных блоков. Полная интегральная нелинейность
АЦП обусловлена интегральной нелинейностью входного буфера, УВХ (SHA) и
полной интегральной нелинейностью передаточной функции АЦП. Но дифференциальная
нелинейность, которая присутствует исключительно вследствие цифрового
кодирования, может значительно изменяться в зависимости от принципов применяемого
цифрового кодирования АЦП. Полная интегральная нелинейность дает составляющие
искажений, у которых амплитуда изменяется в зависимости от амплитуды входного
сигнала. В частности, интермодуляционные составляющие второго порядка
увеличиваются на 2 дБ при увеличении сигала на 1 дБ, а составляющие третьего
порядка увеличиваются на 3 дБ при повышении уровня сигнала на 1 дБ.
Дифференциальная нелинейность в передаточной функции АЦП порождает
гармоники, которые зависят не только от амплитуды сигнала, но и от положения точки
дифференциальной нелинейности на передаточной функции АЦП. На рис.2.23
показаны две передаточные функции АЦП, имеющих различную дифференциальную
нелинейность. Левая диаграмма показывает погрешность, которая имеет место при
наличии нелинейности в середине шкалы. Поэтому сигнал, проходящий через эту
точку, и при "больших", и при "малых" сигналах подвергается искажениям, не
зависящим от относительной амплитуды сигнала. Правая диаграмма показывает
другую передаточную функцию АЦП, которая имеет погрешности дифференциальной
нелинейности в точках, соответствующих 1/4 и 3/4 полной шкалы. Сигналы,
превышающие 1/2 шкалы АЦП, подвергнутся действию этих искажений, в то время как
сигналы, не превышающие 1/2 шкалы размаха, не имеют искажений.
Большинство быстродействующих АЦП разработаны так, чтобы дифференциальная
нелинейность равномерно распределялась по всей ширине динамического диапазона
АЦП. Поэтому для сигналов, которые находятся в пределах нескольких дБ полной
шкалы АЦП, полная интегральная нелинейность передаточной функции определяет
гармонические искажения. Для сигналов более низких уровней содержание
гармоник определяется дифференциальной нелинейностью и в общем случае не
уменьшается с уменьшением амплитуды сигнала.
Рис. 2.23. Типичный вид дифференциальной нелинейности (DNL) АЦП/ЦАП.
Нелинейные искажения,
наихудшая гармоника,
общие нелинейные искажения (THD),
общие нелинейные искажения
плюс шум (THD + N)
Существует множество способов количественного описания искажений в АЦП.
Анализ БПФ может использоваться для измерения амплитуды различных гармоник
сигнала. Гармоники входного сигнала могут отличаться от других составляющих
искажений их положением в частотном спектре. На рис.2.24 показан 7 МГц
входной сигнал, дискретизированный с частотой 20 MSPS, и положение его первых
девяти гармоник. Гармоники частоты fa попадают на частоты, равные | ±Kfs±nfa | ,
где п - порядок гармоники иК=0, 1, 2, 3, .... В общем, только вторая и
третья гармоники точно определены в технической документации, потому что они,
как правило, наибольшие, хотя в некоторых случаях могут определять значение
наихудшей гармоники (worst harmonic). Нелинейные искажения обычно
определяются в дБс (децибелы ниже несущей) , хотя на звуковых частотах они могут быть
определены в процентах. Нелинейные искажения, как правило, определяются при
входным сигнале с размахом, близким к полной шкале преобразователя (от 0,5 до
1 дБ ниже полной шкалы для предотвращения амплитудного ограничения), хотя
возможно определение их и на любом другом уровне. Для сигналов с размахом,
существенно меньшим полной шкалы, из-за дифференциальной нелинейности
преобразователя другие составляющие (не прямые гармоники) могут ухудшать
характеристики прибора.
Величина полных нелинейных искажений (THD) определяется как отношение
среднеквадратичного значения основной частоты сигнала к среднему значению корня
из суммы квадратов (root-sum-square) его гармоник (существенны только первые
пять) . Полные нелинейные искажения АЦП также определяются входным сигналом
величиной, близкой к полной шкале АЦП, но могут быть найдены и на любом ином
уровне.
Полные нелинейные искажения плюс шум (THD + N) являются отношением
среднеквадратичного значения основной частоты сигнала к среднему значению корня из
суммы квадратов (root-sum-square) его гармоник и всех шумовых компонент
(исключая постоянную составляющую). Ширина полосы, в которой измеряется шум,
должна быть задана. В случае БПФ ширина полосы занимает промежуток от 0 до
fs/2 (если ширина полосы измерения от 0 до fs/2, THD+N = SINAD - см. ниже)
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ
АМПЛИТУДА
ГАРМОНИКИ НА ЧАСТОТАХ: |±Kfs±nfa|
п = ПОРЯДОК ГАРМОНИКИ
Е
I
} i
!
2
12 3 4 5 6
ЧАСТОТА (МГц)
fa
7
= 7 МГц
fs = 20 MSPS
А
г
8 9 10
Рис. 2.24. Расположение составляющих гармонических искажений:
входной сигнал = 7 МГц, скорость (частота) дискретизации = 20 MSPS.
Показатель сигнал/шум/искажения (SINAD),
показатель сигнал/шум (SNR) и
эффективное число разрядов (ENOB)
Показатель сигнал/шум/искажения (SINAD) и показатель сигнал/шум (SNR)
заслуживают особого внимания, потому что все еще имеются некоторые разногласия
между производителями АЦП относительно их точного определения.
Сигнал/шум/искажения (SINAD, или S/N+D) - это отношение среднеквадратичного
Значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов (RSS)
всех других спектральных компонентов, включая гармоники, но исключая
постоянную составляющую. SINAD является хорошим индикатором общих динамических
характеристик АЦП, таких как функция входной частоты, потому что включает все
компоненты, которые создают шум (включая тепловой шум) и искажения. Он часто
представляется в виде графика для различных амплитуд входного сигнала. Если
ширина полосы сигнала и шума одинаковы, то SINAD = THD+N. Типичный график для
12-разрядного АЦП AD9220 с частотой дискретизации 10 MSPS представлен на
рис.2.26.
График SINAD показывает, где характеристики АЦП по переменному току
ухудшаются из-за искажений на высоких частотах, причем обычно этот график строится
для частот, значительно превышающих частоту Найквиста для оценки
характеристик в приложениях, использующих субдискретизацию. SINAD часто преобразуется
в эффективное число разрядов (ENOB), используя выражение для теоретического
отношения сигнал/шум идеального N-раЗрядного АЦП: SNR = 6,02N + 1,76 dB.
Уравнение решается для N, и значение отношения сигнал/шум заменяется на
SINAD:
ENOB = SINAD - 1,76 dB / 6,02
Отношение сигнал/шум (SNR или SNR без гармоник) рассчитывается так же, как
и SINAD, за исключением того, что из выражения исключаются гармоники сигнала
и оставлены только шумовые составляющие. Практически, необходимо исключить
только первые пять доминирующих гармоник. Показатель сигнал/шум будет
ухудшаться на высоких частотах, но не так быстро как SINAD, так как из него
исключены компоненты гармоник.
Во многих описаниях АЦП довольно свободно принимается, что SINAD равно SNR,
так что инженер должен быть внимательным при интерпретации этих
характеристик.
SINAD (Отношение сигнала к шуму и искажениям):
♦ Отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала
к среднему значению корня из суммы квадратов (RSS) всех
остальных составляющих спектра, включая гармоники, но
исключая постоянную составляющую.
ENOB (Эффективная разрядность):
SINAD-ITS^
6.02 дБ
SNR (Отношение сигнал/шум или отношение сигнал/шум без
гармоник):
♦ Отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала
к среднему значению корня из суммы квадратов (RSS) всех
остальных составляющих спектра, исключая первые пять
гармоник и постоянную составляющую
Рис. 2.25. Отношение сигнал/(шум и искажения) (SINAD),
эффективная разрядность (ENOB), отношение сигнал/шум (SNR).
80
75
70
SINAD
(ДБ) 65
60
65
50
45
40
-С
.5d
3
-6.0dB
-2U.UC
В
::^
■*
»»
*
ч
v
»
V..
*>,
~~ч
13.0
12.2
11.3
10.5
9.7
8.8
8.0
7.2
ENOB
6.3
0.1 1.0 10.0
ЧАСТОТА АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА НА ВХОДЕ (МГц)
Рис. 2.26. Отношение сигнал/(шум и искажения) (SINAD) и
эффективное число разрядов (ENOB) при различных уровнях входного
сигнала 12-разрядного, 10 MSPS АЦП AD9220.
Аналоговая
ширина полосы
Аналоговая ширина полосы АЦП - это та частота, на которой спектральный вы-
ход основной смещенной частоты (как было определено при анализе БПФ)
уменьшается на 3 дБ. Она может быть определено как для малого сигнала (полоса
пропускания малого сигнала SSBW), так и для сигнала на уровне полной шкалы
(полоса пропускания максимального сигнала FPBW). Поэтому между производителями
могут встречаться большие различия в характеристиках.
Как и для усилителя, спецификация аналоговой полосы пропускания
преобразователя не предполагает, что АЦП поддерживает хорошие характеристики
гармонических искажений во всей полосе частот. В действительности, SINAD (или ENOB)
большинства АЦП начинает ухудшаться значительно раньше, чем частота входного
сигнала приблизится к значению, соответствующему ослаблению на 3 дБ. На
рис.2.27 представлены эффективное число разрядов (ENOB) и частотная
характеристика входного сигнала, соответствующего полной шкале АЦП с FPBW 1 МГц, но
ENOB начинает быстро понижаться на частотах, превышающих 100 кГц.
ENOB
УСИЛЕНИЕ (ВХОДНОЙ СИГНАЛ
СООТВЕТСТВУЕТ ПОЛНОЙ ШКАЛЕ FS)
FPBW = 1MHz
ENOB (ВХОДНОЙ СИГНАЛ
СООТВЕТСТВУЕТ ПОЛНОЙ ШКАЛЕ FS)
ENOB (ВХОДНОЙ СИГНАЛ -20 ДБ)
10 100 1k 10k 100k
ВХОДНАЯ ЧАСТОТА АЦП (Гц)
УСИЛЕНИЕ
ЮМ
Рис. 2.27. Зависимость усиления (полоса пропускания) АЦП и
эффективной разрядности (ENOB) от частоты сигнала. Показаны важные
параметры спецификации ENOB.
Динамический диапазон,
свободный от гармоник (SFDR)
Вероятно, наиболее значительным моментом для АЦП, используемых в
коммуникационных приложениях, является их динамический диапазон, свободный от гармоник
(SFDR). Спецификация SFDR для АЦП аналогична спецификации точки пересечения
уравнений третьего порядка для смесителей и малошумящих усилителей (LNA).
SFDR АЦП определяется как отношение среднеквадратичного значения амплитуды
сигнала к среднеквадратичному значению пикового побочного спектрального
состава , измеренного в первой зоне Найквиста от 0 до f s/2. На графике SFDR
строится как функция амплитуды сигнала и может быть выражен относительно
амплитуды сигнала (дБс) или полной шкалы АЦП (dBFS), как показано на рис.2.28.
ДБ
ПОЛНАЯ ШКАЛА (FS)
УРОВЕНЬ ВХОДНОГО СИГНАЛА (НЕСУЩАЯ)
SFDR(dBFS)
т
SFDR (dBc)
УРОВЕНЬ МАКСИМАЛЬНОЙ
ГАРМОНИКИ
ЧАСТОТА
2
Рис. 2.28. Свободный от гармоник динамический диапазон (SFDR).
Для сигнала, имеющего амплитуду, близкую к полной шкале АЦП, пиковая
спектральная линия определяется несколькими первыми гармониками основной частоты.
Но когда сигнал опускается на несколько дБ ниже полной шкалы, появляются
другие спектральные линии, которые не являются прямыми гармониками входного
сигнала. Это, как обсуждалось ранее, происходит из-за дифференциальной
нелинейности передаточной функции АЦП. Поэтому, SFDR учитывает все источники
искажения, независимо от их происхождения.
100
90
80
SFDR 70
(ДБ)
60
50
40
30
20
10
°-8
ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ = 41 MSPS
ВХОДНАЯ ЧАСТОТА = 19,5 МГЦ
z:
dBc,/
л
••
I
•у
•
>•••
^
SFDR = 80 дБ
ЛИНИЯ
I ОТСЧЕ
ТА
0 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
УРОВЕНЬ МОЩНОСТИ ВХОДНОГО СИГНАЛА (dBFS)
Рис. 2.29. Зависимость SFDR
разрядного 41 MSPS АЦП AD9042.
от входной мощности для 12-
Широкополосный 12-разрядный АЦП AD9042 с частотой дискретизации 41 MSPS,
является АЦП, разработанным для коммуникационных приложений, где SFDR очень
важен. На рис.2.29 представлены характеристики SFDR для входного сигнала 19,5
МГц, дискретизированного с частотой 41 MSPS. Обратите внимание, что минимум
SFDR в 80 дБс получен во всей первой зоне Найквиста (от 0 до 20 МГц). На
графике также показано значение SFDR, выраженное как dBFS.
В общем случае SFDR существенно больше, чем теоретическое значение
отношения сигнал/шум N-раЗрядного АЦП (6,02N + 1,76 дБ). Например, 12-разрядный АЦП
AD9042 с SFDR 80 дБс имеет типичное отношение сигнал/шум 65 дБс
(теоретическое 74 дБ). Это объясняется тем, что есть существенное различие между
измерениями искажений и шума. Выигрыш в отношении сигнал/шум БПФ (33 дБ для БПФ с
4096 точками) допускает существование частотных линий значительно ниже
наблюдаемого минимального уровня шума. Увеличение разрешающей способности АЦП
может увеличивать отношение сигнал/шум АЦП, но не обязательно улучшает его
SFDR.
Двухтональные
интермодуляционные
искажения (IMD)
Двухтональные интермодуляционные искажения (IMD) измеряют, подавая на АЦП
два спектрально чистых синусоидальных сигнала с частотами fi и f2, обычно
довольно близкими друг к другу. Амплитуда каждой компоненты устанавливается на
6 дБ ниже полной шкалы для того, чтобы АЦП не входил в ограничение при
совпадении сигналов по фазе. На рис.2.30 показано местоположение составляющих
второго и третьего порядка. Обратите внимание, что составляющие второго порядка
приходятся на те частоты, которые могут быть удалены цифровыми фильтрами. Но
составляющие третьего порядка 2f2-fl и 2fi-f2 располагаются близко к исходным
сигналам и их более трудно фильтровать. Если не определено иное,
двухтональные интермодуляционные искажения (IMD) относятся к этим составляющим третьего
порядка. Значение интермодуляционных искажений выражается в дБс относительно
уровня любой из двух первоначальных частот, а не их суммы.
Обратите внимание, что, если частоты имеют значения, близкие к fs/4, то
третьи гармоники основных частот могут затруднить идентификацию компонент
2f2-fi и 2fi-f2. Это происходит потому, что третья гармоника fs/4 равна 3fs/4 и
она, соответственно, порождает компоненту fs - 3fs/4 = fs/4. Точно также, если
две частоты располагаются близко к fs/3, то вторая гармоника может мешать
измерениям по той же причине: вторая гармоника fs/3 равна 2fs/3 и она,
соответственно, порождает компоненту fs - 2fs/3 = fs/3.
Концепция точек пересечения кривых второго и третьего порядка неправильна
для АЦП, потому что уровень составляющих искажений изменяется непредсказуемым
образом (он не является функцией амплитуды сигнала). АЦП начинает
ограничивать сигналы, приближающиеся к полной шкале, не постепенно (точка ограничения
на 1 дБ отсутствует). Как только сигнал превышает диапазон изменения входных
сигналов АЦП, АЦП действует в качестве жесткого ограничителя, внезапно
создавая критические искажения из-за амплитудного ограничения. С другой стороны,
для сигналов, значительно меньших полной шкалы, уровень искажений остается
относительно постоянным и не зависимым от уровня сигнала.
В коммуникационных приложениях часто измеряется многотональный SFDR.
Большим числом тонов более точно моделируется широкополосный частотный спектр
систем сотовой телефонии типа AMPS и GSM. На рис.2.31 представлены
характеристики 4-тональной интермодуляции 12-разрядного АЦП AD6640 с быстродействием
65 MSPS. Большое значение SFDR увеличивает способность приемника фиксировать
слабые сигналы в присутствии сильных и предотвращать маскировку слабых сигна-
лов интермодуляционными помехами сильных.
А А
2
А
©
2f1 - f2
А
3
Щ- f 1
2 )= СОСТАВЛЯЮЩАЯ 2 ПОРЯДКА
(Т) = СОСТАВЛЯЮЩАЯ 3 ПОРЯДКА
f-l = 5 МГц, f2 = 6 МГц
®
3^Гз) 2f2 - fi
f2 + fl
2f-| A 2f2
2f1 + f2
3f2
1 4 5 6 7 10 11 12 15 16 17 18
ЧАСТОТА, МГц
Рис. 2.30. Составляющие 2-го и 3-го порядка в результате
воздействия двухтонального сигнала fl = 5 МГц, f2 = 6 МГц.
МОЩНОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНО FS
fl
-20
-40
-60
-80
-100
120
d
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ 65 MSP,
S
J
l4i1fP1P"P^ffHI^ f'' 'И" P44P1W
с 6.5 13.0 19.5 26.0 32
ЧАСТОТА, МГц
.5
Рис. 2.31. Тестирование многотональным сигналом: 12-разрядный 65
MSPS АЦП AD6640.
Уровень собственных
шумов (NPR)
Проверка уровня собственных шумов широко применяется для измерения характе-
ристики передачи линии связи, использующей систему с многоканальным доступом
с частотным разделением каналов (FDMA). В типичной FDMA-системе звуковые
каналы шириной 4 кГц загружаются в "частотный стек" для передачи через
коаксиальный кабель, радиорелейную станцию микроволнового диапазона или спутниковое
оборудование. На приемном конце системы FDMA данные демультиплексируются и
возвращаются к 4 кГц индивидуальным каналам основной полосы частот. В FDMA
системе, имеющей более 100 каналов, сигнал FDMA может быть аппроксимирован
Гауссовым шумом с соответствующей шириной полосы. Индивидуальный 4 кГц канал
может быть проверен на предмет собственных шумов, используя узкополосный ре-
жекторный фильтр и специально настроенный приемник, который измеряет мощность
шума внутри 4 кГц полосы подавления (см. рис.2.32).
ИСТОЧНИК
ГАУСС0ВСК0Г0
ШУМА
ИСТОЧНИК
ГАУСС0ВСК0Г0
ШУМА
/
СР.КВ.
ЗНАЧЕНИЕ
ШУМА
ФНЧ
ФНЧ
1
""о
РЕЖЕКТ
ФИЛЬТР
\
1
ч
РЕЖЕКТ
ФИЛЬТТ
>
\
1
1
АСТОТ/
СИСТЕМА
ПЕРЕДАЧИ
N
АЦП -/-
(\ \
NPR \
\
\
\
\
\
0,5fs
УЗКОПОЛОСНЫЙ
ПРИЕМНИК
ПАМЯТЬ И
ПРОЦЕССОР
БПФ
Рис. 2.32. Измерение уровня собственных шумов (NPR).
Измерения уровня собственных шумов (NPR) производятся весьма просто.
Среднеквадратичное значение мощности шума сигнала внутри полосы подавления
измеряется узкополосным приемником при отключенном режекторном фильтре. Затем
подключается режекторный фильтр и измеряется остаточный шум внутри канала.
Отношение этих двух значений, выраженное в дБ, является уровнем собственных
шумов (NPR). Для соответствующей характеристики системы проверяется несколько
интервалов частот в пределах шумовой полосы (в области низких, средних и
высоких частот). Измерение уровня собственных шумов в АЦП осуществляется
подобным же образом, за исключением использования аналогового приемника, который
заменен буферной памятью и процессором БПФ.
Обычно уровень собственных шумов (NPR) представляется на графике. График
NPR отображает функцию среднеквадратичного значения уровня шума в пиковом
диапазоне системы. Для очень низкого уровня широкополосного сигнала
нежелательным (в нецифровых системах) является, прежде всего, тепловой шум, который
независим от уровня входного широкополосного сигнала. В этой части кривой
увеличение на 1 дБ подаваемого широкополосного входного сигнала вызывает
увеличение уровня собственных шумов на 1 дБ. По мере увеличения уровня широкопо-
лосного входного сигнала, усилители в системе начинают работать с
перегрузкой, создавая интермодуляционные помехи, которые увеличивают уровень шума
системы. По мере того, как входной сигнал продолжает увеличиваться,
усиливаются эффекты "шумовой перегрузки" и NPR существенно уменьшается. FDMA-системы
обычно работают в режиме, когда уровень подаваемого широкополосного сигнала
на несколько дБ ниже точки максимума уровня собственных шумов.
В цифровой системе с АЦП шум в пределах интервала является, прежде всего,
шумом квантования, если используются низкие уровни входного широкополосного
сигнала. В этой части кривая NPR имеет линейную зависимость. По мере того,
как уровень широкополосного входного сигнала увеличивается, некоторое время
сохраняется линейное соответствие между уровнем входного шума и NPR. Но на
некотором уровне шум амплитудного ограничения, вызванный жестким
ограничивающим действием АЦП, начинает преобладать. Теоретическая кривая для 10-, 11- и
12-разрядных АЦП представлена на рис.2.33.
NPR
(ДБ)
60
55
50
45
-30 -25 -20 -15 -Ю
УРОВЕНЬ СР.КВ.ЗНАЧ. ПОДАВАЕМОГО СИГНАЛА = -20log(k) дБ
Рис. 2.33. Теоретический уровень шума (NPR) для 10, 11 и 12-разрядных АЦП.
В многоканальных высокочастотных коммуникационных системах NPR может,
также, использоваться для моделирования искажений, вызванных большим количеством
индивидуальных каналов, подобно тому, как это имеет место в FDMA-системе. При
этом режекторный фильтр помещается между источником шума и АЦП, и результат
расчета БПФ используется вместо аналогового приемника. Для AD9042 ширина
полосы режекторного фильтра устанавливается в несколько мегагерц, как показано
на рис.2.34. Здесь уровень собственных шумов (NPR) - это глубина режекции.
Идеальный АЦП генерирует только шум квантования внутри полосы режекции, но на
практике существуют дополнительные шумовые компоненты из-за
интермодуляционных искажений, вызванных нелинейностью АЦП. Обратите внимание, что уровень
собственных шумов достигает 60 дБ, тогда как расчетное значение равно 62,7
ДБ.
ДИАПАЗОН АЦП = ±Vq
а
_ СР.КВ.ЗНАЧ
~ ШУМА
12-разр
62,7 ДБ
57,1дБ
51,6дБ
Рис. 2.34. 12-разрядный 41 MSPS АЦП AD9042: измеренный NPR 60 дБ
(расчетное значение 62,7 дБ).
Дрожание апертуры и
апертурная задержка
Другая причина того, что отношение сигнал/шум (SNR) АЦП уменьшается с
увеличением входной частоты, может быть выведена из рис.2.35, который показывает
эффекты дрожания фазы в дискретизаторе АЦП (или внутреннем в УВХ) . Дрожание
фазы вызывает ошибку напряжения, которая является функцией скорости
нарастания сигнала и приводит к существенному ухудшению отношения сигнал/шум, как
показано на рис.2.36. Это довольно серьезный эффект, особенно на высоких
частотах входного сигнала. Поэтому, должна соблюдаться особая осторожность при
минимизации фазового шума в дискретизаторах любой системы. Эта осторожность
должна распространяться на все компоненты, в которых присутствуют тактовые
сигналы: непосредственно генератор (например, таймер серии 555 не отвечает
требованиям, но даже кварцевый генератор может создавать проблемы, если он
используется в активном устройстве совместно с шумной логикой); тракт
передачи (эти тактовые сигналы очень уязвимы к помехам всех видов) и фазовый шум,
вводимый в АЦП или ЦАП. Общим источником фазового шума в преобразователе
является дрожание апертуры в общей цепи УВХ (SHA).
Два десятилетия назад схемы дискретизации АЦП создавались отдельно из УВХ
(SHA) и АЦП. Проектирование интерфейса было трудным делом, и главная причина
этого заключалась в дрожании апертуры в УВХ. Сегодня большинство систем
дискретизации использует схемы дискретизации АЦП с интегрированной схемой УВХ.
Дрожание апертуры УВХ может быть не определено явным образом в спецификации,
но это не служит поводом для беспокойства, если SNR или ENOB ясно определены.
Иными словами, гарантия определенного отношения сигнал/шум (SNR) является
неявной гарантией определенного адекватного значения дрожания апертуры. А
использование дополнительной высококачественной схемы УВХ иногда приводит к
улучшению значений эффективного числа разрядов (ENOB) на высоких частотах да-
же в лучших дискретизирующих АЦП и может оказаться более выгодным, чем замена
АЦП на более дорогую модель.
АНАЛОГОВЫЙ
вход
dv
= наклон
Av=^. At
dt
AVRMS = ПОГРЕШНОСТЬ ДРОЖАНИЯ АПЕРТУРЫ
I
ЗНАЧЕНИЕ
ВЫХОДНОГО
— I СИГНАДА УВХ
At RMS = ДРОЖАНИЕ АПЕРТУРЫ
ХРАНЕНИЕ
ВЫБОРКА
Рис. 2.35. Влияние дрожания апертуры и фазового шума тактового генератора.
Рис. 2.36. Ухудшение SNR из-за дрожания фазы сигнала синхронизации АЦП.
Необходимо отметить, что существует также фиксированный компонент, который
присутствует при определении апертуры дискретизации АЦП. Этот компонент,
обычно называемый временем эффективной апертурной задержки, не дает ошибки.
Его наличие приводит к появлению интервала между временем команды АЦП на
дискретизацию и временем, когда получен реальный отсчет (см. рис.2.37). Интервал
может быть положительным или отрицательным. Изменение или допуск этого
параметра важны в приложениях с одновременной дискретизации с помощью двух АЦП
или в других приложениях типа I- и Q-демодуляции, где два АЦП требуют
совместной синхронизации.
СИНУСОИДАЛЬНЫЙ
входной
АНАЛОГОВЫЙ
СИГНАЛ I
\ /
ч /
+te <
ИМПУЛЬСЫ
ДИСКРЕТИЗАЦИИ
>\U
у—ч +FS
/ ПЕРЕХОД ЧЕРЕЗ 0
/ 0\/
-FS
i -txi
> ie
<
Рис. 2.37. Время эффективной апертурной задержки.
Динамические
характеристики ЦАП
Очевидно, что для цифро-аналогового преобразователя наиболее важными
являются такие характеристики сигнала, как время установки (settling time),
всплеск сигнала вследствие перерегулирования при изменении сигнала на выходе
ЦАП, называемый далее ложным сигналом (выбросом, glitch), искажения и
свободный от помех динамический диапазон сигнала (SFDR).
Время установки ЦАП - это время от начала изменения цифрового кода до
момента, когда сигнал стабилизируется в пределах некоторого диапазона ошибки,
как это показано на рис.2.38. Сравнивать времена установки усилителей трудно,
так как их диапазоны ошибки могут отличиться от усилителя к усилителю, но
диапазон ошибки ЦАП практически не меняется и равен ±1 или ±1/2 LSB.
Время установки ЦАП состоит из четырех различных периодов: время
переключения (в течение которого цифровое переключение осуществлено, но на выходе нет
изменений), переходное время (slewing time) (в течение которого скорость
изменения выходного сигнала ограничена скоростью нарастания на выходе ЦАП) ,
время восстановления (recovery time) (когда ЦАП восстанавливает значение
после быстрого перехода и может быть выброс на фронте) и линейное время
установки (linear settling time) (когда значение на выходе ЦАП приближается к его
конечной величине экспоненциально или почти экспоненциально). Если переходное
время мало по сравнению с тремя другими (как это обычно бывает в случае с
токовыми выходами ЦАП), то время установки не будет существенно зависеть от
перепада уровня выходного сигнала. С другой стороны, если переходное время
занимает существенную часть общего времени, то время установки будет тем
больше , чем больше величина перепада.
>
1
IIUI ГЕ1
1
1
1
"МЕРТВЫЙ'
ПЕРИОД
иность /
ПЕРИОД
НАРАСТАНИЯ
' л f-—
i i ^
ВРЕМЯ
УСТАНОВЛЕНИЯ
ЛИНЕЙНОЕ
ВРЕМЯ
Рис. 2.38. Время установления ЦАП.
В идеале изменения на выходе ЦАП от одной величины до другой должны
проходить монотонно. На практике возможно появление выброса фронта (overshoot),
отрицательного выброса перед фронтом (undershoot) или то и другое
одновременно (см. рис.2.39). Это неконтролируемое состояние выхода ЦАП в течение
перехода известно как ложный сигнал. Он может являться результатом двух явлений:
емкостной связи цифровых переходов с аналоговым выходом и свойствами
некоторых ключей в ЦАП, работающих более быстро, чем другие, и создающих временные
выбросы по уровню.
t
k ИДЕАЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД ,
^
t
ПЕРЕХОД С ДВУМЯ
1 ВЫБРОСАМИ
и
Г)
^
t
ПЕРЕХОД С ОДНИМ
ВЫБРОСОМ
[\
t
Рис. 2.39. Переходная характеристика цап (с паразитными выбросами)
Емкостная связь часто дает примерно равные положительные и отрицательные
выбросы (иногда называемые дуплетом ложного сигнала), которые далее в большей
или меньшей степени удается компенсировать. Ложный сигнал, появляющийся
вследствие несинхронности переключения, в общем случае униполярен, имеет
большую амплитуду и представляет собой гораздо большую проблему.
Для оценки ложных сигналов измеряют площадь, огибаемую фронтом такого
сигнала , и иногда неточно называемую энергией ложного сигнала. Употребление
термина "энергия ложного сигнала" неправильно, так как площадь под кривой
ложного сигнала измеряется вольт-секундами (Volt-seconds) (или более вероятно uV-
секунды или pV-секунды). Пиковая площадь под кривой ложного сигнала - это
площадь под максимальным положительным или отрицательным импульсом ложного
сигнала. Площадь импульса ложного сигнала - это область под вольт-секундной
кривой, которая может быть рассчитана после аппроксимации формы сигнала
треугольниками и вычисления их площади посредством вычитания отрицательной
площади из положительной. Величина ложного сигнала, порождаемого переходом между
кодами 0111...111 и 1000...000, обычно является самой большой. Ложные сигналы
в других точках перехода кода (таких как 1/4 и 3/4 полной шкалы) обычно имеют
меньшую величину. На рис.2.40 отмечен ложный сигнал быстрого ЦАП с малым
значением такого сигнала в середине его динамического диапазона. Пиковые и
импульсные площади ложного сигнала рассчитываются с использованием
треугольников , как это было описано выше. Время установки измеряется с момента, когда
сигнал покидает начальный диапазон ошибки в 1 LSB, и до момента, когда он
входит и остается в пределах конечного диапазона ошибки в 1 LSB. Размер шага
между областями перехода также равен 1 LSB.
2мВНА
ДЕЛЕНИЕ
ВРЕМЯ УСТАНОВЛЕНИЯ = 4.5 не
СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ ВЫБРОСА = 1.34 пВс
ПИКОВАЯ ПЛОЩАДЬ ВЫБРОСА = 1.36 пВс
Рис. 2.40. Выбросы сигнала ЦАП: суммарная
1.34 пВс, время установления - 4.5 не.
площадь импульса -
Время установки ЦДЛ важно в таких приложениях, как блок развертки RGB-
сигнала в мониторах, а характеристики в частотной области типа SFDR в общем
случае более важны в телекоммуникациях.
Если мы рассмотрим спектр сигнала, преобразованного в ЦАП из цифровой
формы, то обнаружим, что, в дополнение к ожидаемому спектру (который будет
содержать одну или больше частот, в зависимости от природы восстановленного
сигнала), в нем также будет присутствовать шум и составляющие искажений.
Искажения могут быть определены в терминах нелинейных искажений, динамического
диапазона, свободного от помех (SFDR), интермодуляционных искажений или всех
вышеперечисленных вместе. Под нелинейными искажениями понимается отношение
высших гармоник к гармонике основной частоты, на которой восстановлен чистый
(теоретически) синусоидальный сигнал. Эти искажения являются наиболее общей
характеристикой искажений. Динамический диапазон, свободный от помех (SFDR) -
это отношение энергии наибольшей из гармоник (обычно - это гармоника основной
частоты, но не обязательно) к энергии основной частоты.
При восстановлении с помощью ЦАП синусоидального сигнала, сгенерированного
в системе прямого цифрового синтеза (DDS), зависимые от кода ложные сигналы
формируют гармоники как внутри полосы, так и за ее пределами. Сигнал проходит
через уровень, соответствующий середине шкалы, дважды за один цикл. Поэтому
ложный сигнал имеет вторую синусоидальную гармонику, как
показано
на
рис.2.41. Обратите внимание, что гармоники более высокого порядка,
составляющие которых попадают в основную полосу Найквиста (от 0 до fs/2), не
фильтруются.
f0 = ЗМГц
fs = 10 MSPS
+ полной шкалы
СЕРЕДИНА ШКАЛЫ
ПОЛНОЙ ШКАЛЫ
АМПЛИТУДА
НЕВОЗМОЖНО
ОТФИЛЬТРОВАТЬ
fS"fO
fs-2fo
i
I
6 7 8
ЧАСТОТА (МГЦ)
10
Рис. 2.41. Проявление код-Зависимых выбросов сигнала в спектре
выходного сигнала.
■
■
■
■
■
■
Разрешающая способность ЦАП
Общая нелинейность
Дифференциальная нелинейность
Код-зависимые выбросы
Отношение тактовой частоты к выходной
Аналитический подход затруднен!
(даже
для идеального
ЦАП)
Рис. 2.42. Источники искажений в ЦАП синтезаторов частоты (DDS).
Руководствуясь одной лишь характеристикой площади под кривой ложного
сигнала, трудно предсказать нелинейное искажение или SFDR. Другие факторы, такие
как полная линейность ЦАП, также способствуют возникновению искажений.
Поэтому, общепринята проверка восстановительной способности ЦАП в частотной
области (с использованием анализатора спектра) на различных тактовых и сигнальных
частотах, как показано на рис.2.43. Типичное значение SFDR для 14-разрядного
ЦАП AD9772 представлено на рис.2.44. Тактовая частота равна 65 MSPS и
сигнальная частота анализируется до 25 МГц. Как и в случае с АЦП, шум
квантования будет проявляться в виде увеличенного нелинейного искажения, если
отношение между частотой синхронизации и выходной частотой ЦАП представляется целым
числом. Таких отношений нужно избегать при измерении SFDR.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИЛИ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ
ПК
ОПОРНАЯ
ЧАСТОТА
)
/
СИСТЕМА
DDS
1
fc
N
/
/
РЕГИСТР
1
i
i
N
/
/
ЦАП
1
1
'
fo
'
АНАЛИЗАТОР
СПЕКТРА
Рис. 2.43. Схема измерения SFDR цифро-аналогового преобразователя.
Спад частотной характеристики
(Rolloff ) ЦАП sin(x)/x
Выходной сигнал ЦАП может быть представлен в виде ряда прямоугольных
импульсов шириной, равной обратной величине тактовой частоты, как показано на
рис.2.45. Обратите внимание, что восстановленная амплитуда сигнала составляет
-3,92 дБ на частоте Найквиста fs/2. Для компенсации этого эффекта в
большинстве случаев достаточно использовать инверсный фильтр sin(x)/x. Значения
составляющих основной частоты также ослабляются функцией sin(x)/x.
70
it
40
66
X "
ОТ ЛА
40
S6
10
_ OflBFI
?12dBFI
I
T«dBFI
io it зо :» so
f.^'ji ГНИ»
Рис.2.44. Типичное значение SFDR для 14-разрядного ЦАП AD9772
ДИСКРЕТИЗИРУЕМЫИ
СИГНАЛ
ВОССТАНОВЛЕННЫЙ
СИГНАЛ
1
а|
,- —
-3.92 дБ
sin
7tf
*f
ГАРМОНИКИ
ГАРМОНИКИ
'-• ? \,.-
\
-4-
ГАРМОНИКИ
У ^ -
0.5f,
1.5f,
2f,
2.5f,
3f„
Рис. 2.45. Спектр выходного сигнала ЦАП с огибающей вида sin х/х
(амплитуда нормализованная).
ЛИТЕРАТУРА
1. Сигналы и линейные системы. - Домашняя лаборатория, 2009 №№ 4-11.
2. Цифровая обработка сигналов. - Домашняя лаборатория, 2010 №№ 1-9.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Матпрактикум
МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Майер Р.В.
Не стойте и не прыгайте,
не пойте, не пляшите
Там, где идёт строительство
или подвешен груз.
«Пластилиновая ворона»
Введение
Метод конечных элементов (МКЭ) — численный метод решения дифференциальных
уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений,
возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для
решения задач механики деформируемого твёрдого тела (сопромата), теплообмена,
гидродинамики и электродинамики [1].
Возникновение метода конечных элементов связано с решением задач
космических исследований в 1950-х годах. Идея МКЭ была разработана в СССР ещё в 1936
году, но из-за неразвитости вычислительной техники метод не получил развития,
поэтому впервые был применён на ЭВМ лишь в 1944 году Аргирисом. Этот метод
возник из строительной механики и теории упругости, а уже затем было получено
его математическое обоснование. Существенный толчок в своём развитии МКЭ
получил в 1963 году после того, как было доказано то, что его можно рассматри-
вать как один из вариантов распространённого в строительной механике метода
Рэлея—Ритца, который путём минимизации потенциальной энергии сводит задачу к
системе линейных уравнений равновесия. После того, как была установлена связь
МКЭ с процедурой минимизации, он стал применяться к задачам, описываемым
уравнениями Лапласа или Пуассона. Область применения МКЭ значительно
расширилась, когда было установлено (в 1968 году), что уравнения, определяющие
элементы в задачах, могут быть легко получены с помощью вариантов метода
взвешенных невязок, таких как метод Галёркина или метод наименьших квадратов. Это
сыграло важную роль в теоретическом обосновании МКЭ, так как позволило
применять его при решении многих типов дифференциальных уравнений. Таким образом,
метод конечных элементов превратился в общий метод численного решения
дифференциальных уравнений или систем дифференциальных уравнений.
С развитием вычислительных средств возможности метода постоянно
расширяются, также расширяется и класс решаемых задач. Практически все современные
расчёты на прочность проводят, используя МКЭ.
Сущность МКЭ заключается в следующем [2]. Область, в которой ищется решение
дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество подобластей
(элементов). В каждом из элементов произвольно выбирается вид
аппроксимирующей функции. В простейшем случае это полином первой степени. Вне своего
элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах
элементов (узлах) является решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты
аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних
функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты
выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система
линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству
неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо
пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями ЭВМ.
Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних,
система линейных алгебраических уравнений имеет разрежённый вид, что существенно
упрощает её решение.
С точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных элементов
заключается в том, что минимизация функционала вариационной задачи
осуществляется на совокупности функций, каждая из которых определена на своей
подобласти, для численного анализа системы позволяет рассматривать его как одну из
конкретных ветвей диакоптики — общего метода исследования систем путём их
расчленения.
Метод конечных элементов сложнее в реализации метода конечных разностей. У
МКЭ, однако, есть ряд преимуществ, проявляющихся на реальных задачах:
произвольная форма обрабатываемой области; сетку можно сделать более редкой в тех
местах, где особая точность не нужна.
Долгое время широкому распространению МКЭ мешало отсутствие алгоритмов
автоматического разбиения области на «почти равносторонние» треугольники
(погрешность , в зависимости от вариации метода, обратно пропорциональна синусу
или самого острого, или самого тупого угла в разбиении). Впрочем, эту задачу
удалось успешно решить (алгоритмы основаны на триангуляции Делоне), что дало
возможность создавать полностью автоматические конечно-элементные САПР.
Примеры
применения
метода
Рассмотрим несколько задач, решаемых методом МКЭ, которые могут быть
использованы при изучении основ компьютерного моделирования. В них требуется
промоделировать плоскую деформацию тела, при которой его точки смещаются па-
раллельно плоскости рисунка. В состоянии равновесия система имеет минимальное
значение потенциальной энергии. Тело разбивают на стержневые или
четырехугольные элементы. Программа, решающая подобные задачи, содержит процедуру, в
которой перебираются все элементы конструкции, и вычисляется суммарная
потенциальная энергия U системы. Узлы сетки смещаются на небольшие случайные
величины, после чего еще раз рассчитывается потенциальная энергия Ui. Если Ui <
U, то эти смещения принимаются, а если нет - отвергаются. Эта процедура
повторяется многократно. В результате последовательности итераций определяется
искомое состояние системы с наименьшим значением потенциальной энергии.
Задача 1
Рассчитайте деформацию фермовой конструкции из 5 звеньев, к концу которой
подвешен груз.
Для решения этой задачи следует написать программу, в которой перебираются
все стержни, вычисляется их удлинение (сжатие) и суммарная потенциальная
энергия системы. Рассмотренным выше методом определяется ее состояние, при
котором U минимально. Результат решения задачи - на рис. 1.1.
Задача 2
В вертикальную стену вмонтирована горизонтальная балка (консольное
закрепление) . К ее концу привязан трос с грузом mi, перекинутый через неподвижный
блок. К средней части балки подвешен груз т2. Необходимо рассчитать форму
балки в состоянии равновесия.
От реальной конструкции перейдем к конечно-элементной аппроксимации.
Сечение балки разобьем на четырехугольные элементы. Потенциальная энергия
системы:
(h-Llf+(l2-L2f+... + (le-Lef ,
* 7=1 А '
где Lj , lj (i; = 1,2,...,6 ) - длины четырех сторон и двух диагоналей
четырехугольного элемента в ненапряженном и деформированном состояниях, к -
коэффициент жесткости. При этом приближенно считается, что этот конечный элемент
эквивалентен четырехугольнику, вершины которого соединены упругими стержнями.
В отдельной процедуре рассчитывается суммарная энергия элементов 1-2-13-14,
2-3-12-13, 3-4-11-12 и т.д. К этому значению U прибавляется потенциальная
энергия грузов ТПу&1\ + ^2<?^2 * Ре3Ультаты моделирования - на рис. 1.2 и 1. 3 .
Задача 3
К верхней части упругого вертикального стержня прикреплена горизонтальная
жесткая балка АВ длиной L, на конце которой расположен груз массы т.
Рассчитайте форму стержня.
Пронумеруем вершины, как показано на рис. 1.4. Используемая программа PR-1
представлена ниже. Координаты вершин четырехугольных элементов сохранены в
массивах x[i], y[i]. С помощью функции Wto^, <х2, 0С3, 0С4) вычисляется
потенциальная энергия 6 стержней, соответствующих четырехугольнику с вершинами 0С±,
i = 1,2,3,4.... В процедуре Pot_En рассчитывается суммарная потенциальная
энергия всей системы, включая энергию груза на стержне АВ. Результаты - на рис.
1.5. Аналогично решается следующая задача.
k b ok
Vk 6*^13
У i\
?i Ъ F3
x
Рис. 1.
1 }
{Free
Pascal}
Uses crt, graph; Const N=14; M=2;
Var dll,dl2,dl3,dl4,dl5,dl6,U,Ul,k,c,xl,yl: real; { PR-
v,i,j,DV,MV: integer; x,y,a,b: array[-1..N+1] of real;
Function W(il,i2,i3,i4:integer): real;
begin dll:=sqrt(sqr(x[il]-x[i2])+sqr(y[il]-y[i2]))-10;
dl2:=sqrt(sqr(x[i2]-x[i3])+sqr(y[i2]-y[i3]))-30;
dl3:=sqrt(sqr(x[i3]-x[i4])+sqr(y[i3]-y[i4]))-10;
dl4:=sqrt(sqr(x[i4]-x[il])+sqr(y[i4]-y[il] ) )-30;
dl5:=sqrt(sqr(x[il]-x[i3])+sqr(y[il]-y[i3]))-c;
dl6:=sqrt(sqr(x[i2]-x[i4])+sqr(y[i2]-y[i4]))-c;
W:=k*(sqr(dll)+sqr(dl2)+sqr(dl3)+sqr(dl4)+sqr(dl5)+sqr(dl6)); end;
Procedure Pot_En;
begin U:=W(1,8,7,0)+W(2,9,8,1)+W(3,10,9,2)+W(4,11,10,3)+
W(5,12,ll,4)+W(6,13,12,5)+200*(y[13]-5*(y[6]-y[13])); end;
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi'); Randomize;
For i:=0 to 6 do begin x[i]:=0; y[i]:=30*i; end;
For i:=7 to 13 do begin j:=i-7; x[i]:=10; y[i]:=30*j; end;
k:=400; c:=sqrt(sqr(x[0]-x[8])+sqr(y[0]-y[8]));
Repeat Pot_En; U1:=U;
xl:=x[13]+5*(x[13]-x[6]); yl:=y[13]-5*(y[6]-y[13]);
For i:=0 to N do begin a[i]:=x[i]; b[i]:=y[i];
x[i]:=x[i]+random(100)/1000-0.05;
y[i]:=y[i]+random(100)/1000-0.05; end;
y[0]:=0; x[0]:=0; y[7]:=0; x[7]:=10; If x[l]<0 then x[l]:=0;
If x[3]<0 then x[3]:=0; If x[5]<0 then x[5]:=0;
Pot_En; If U>U1 then begin For i:=0 to 13 do begin
x[i]:=a[i]; y[i]:=b[i]; end; end; inc(v); If v>5000 then v:=0;
If (U<Ul)and(v mod 50=0) then begin cleardevice;
For i:=0 to 13 do begin circle(90+round(x[i]*M),400-round(y[i]*M) ,2) ;r
line(90+round(x[i]*M),400-round(y[i]*M),
90+round(x[i-l]*M),400-round(y[i-1]*M)); end;
circle(90+round(xl*M),400-round(yl*M),5); end;
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
Задача 4
К консоли переменного сечения приложены силы Fi, F2 и F3, направленные
вертикально вниз. Необходимо рассчитать форму консоли. Результат моделирования -
на рис. 1.6.
Задача 5
Труба прямоугольного сечения из упругого материала сжимается с
противоположных сторон. Рассчитайте ее форму при различных нагрузках.
Для решения задачи достаточно рассмотреть деформацию четверти трубы.
Разбиение на элементы, нумерация вершин и результаты моделирования представлены
на рис. 2.1 и 2.2. Текст используемой программы PR-2 приведен ниже. Тем же
способом рассчитывается форма П-образной пластины, концы которой сжимают
(рис. 2.3).
Задача 6
Труба круглого сечения из упругого материала сжимается в вертикальном
направлении. В горизонтальном направлении она ограничена вертикальными
пластинами. Необходимо рассчитать ее форму при различных нагрузках. Результаты
решения - на рис. 2.4, 2.5 и 2.6.
Uses crt, graph; Const N=13; g=9.8; m=5; { PR-2 }
c: array[0..N]of real=(30,30,30,20,10,0,0,10,20,30,40,40,40,40);
d: array[0..N]of real=(0,10,20,20,20,20,30,30,30,30,30,20,10,0);
Var dll,dl2,dl3,dl4,dl5,dl6,U,Ul,k: real; i,DV,MV: integer;
x,y,a,b: array[0..N] of real; {Free Pascal}
Function W(il,i2,i3,i4:integer):real;
begin dll:=sqrt(sqr(x[il]-x[i2])+sqr(y[il]-y[i2]))-10;
dl2:=sqrt(sqr(x[i2]-x[i3])+sqr(y[i2]-y[i3]))-10;
dl3:=sqrt(sqr(x[i3]-x[i4])+sqr(y[i3]-y[i4]))-10;
dl4:=sqrt(sqr(x[i4]-x[il])+sqr(y[i4]-y[il]))-10;
dl5:=sqrt(sqr(x[il]-x[i3])+sqr(y[il]-y[i3]))-14.1;
dl6:=sqrt(sqr(x[i2]-x[i4])+sqr(y[i2]-y[i4]))-14.1;
W:=k*(2*sqr(dll)+sqr(dl2)+2*sqr(dl3)+sqr(dl4)+sqr(dl5)+sqr(dl6)); end;
Procedure Pot_En;
begin U:=W(0 ,1,12 ,13) +W(l ,2 ,11,12) +W(2 , 9,10 ,11) +W(2 ,3, 8, 9) +
W(3,4,7,8)+W(4,5,6,7)+40*y[6]{+60*x[13]}; end;
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi'); Randomize;
For i:=0 to N do begin x[i]:=c[i]; y[i]:=d[i]; end; k:=20;
Repeat Pot_En; U1:=U;
For i:=0 to N do begin a[i]:=x[i]; b[i]:=y[i];
x[i]:=x[i]+random(20)/100-0.1; y[i]:=y[i]+random(20)/100-0.1; end;
x[5]:=0; x[6]:=0; y[0]:=0; y[13]:=0;
If y[7]>y[6] then у[7]:=y[6]; Pot_En;
If U>U1 then begin
For i:=0 to N do begin x[i]:=a[i]; y[i]:=b[i]; end; end;
If U<U1 then begin cleardevice; For i:=l to N do begin
circle(20+round(x[i]*M),300-round(y[i]*M),2);
line(20+round(x[i]*M),300-round(y[i]*M),
20+round(x[i-l]*M),300-round(y[i-1]*M)); end; end;
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
Другие учебные компьютерные модели рассмотрены в статьях и книгах,
размещенных на сайте http://rmajer.narod.ru (komp-model.narod.ru).
Литература
1. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с.
2. Галагер Р. Метод конечных элементов: Основы. М.: Мир, 1984. 428 с.
Мышление
ВЕРХОМ НА БОМБЕ
Александр Никонов
ВМЕСТО ПРОЛОГА
История показывает, что прогресс науки
постоянно сковывался тираническим влиянием
определенных концепций, когда их начинали
рассматривать в виде догм. По этой причине
необходимо периодически подвергать
глубокому исследованию положения, которые стали
приниматься без обсуждения.
Луи де Бройль
Работать «на стыке» - далеко не всегда
счастливый удел, хотя бывают и крупные удачи.
Иосиф Шкловский
Очевидцы говорят, что это было страшно. Так страшно, что кровь стыла в
жилах, а волосы на голове шевелились (впрочем, как выяснится в эпилоге, волосы
шевелились по другой причине)... Но, главное, ничто не предвещало беды.
Провидение не дало обывателям никакого намека. 12 апреля люди вечером просто
пришли с работы. Кто-то пропустил по стопочке, закусив привычным для этих мест
соленым огурцом, кто-то, посмотрев телевизор, лег спать - в провинции люди
обычно ложатся рано, поэтому большинство горожан катастрофа застала спящим.
Взрыв раздался ночью, в 1 час 34 минуты. Позже специалисты оценили его
мощность тридцатью тоннами в тротиловом эквиваленте. Людям просто повезло, что
эпицентр оказался не в городе, а на его окраине, за чертой поселения - только
поэтому обошлось без жертв. Но мало не показалось никому: в половине домов
были выбиты окна и двери, взрывной волной срывало крыши и канализационные
люки на мостовой, которые потом летели, словно снаряды, чтобы сокрушить
ближайшее препятствие.
Конечно, началось расследование, о взрыве сообщили газеты, и некоторое
время городок Сасово Рязанской области был на устах у всей страны. В гипотезах
недостатка не было. И взрыв НЛО, и случайная потеря бомбы военным самолетом...
У «аномальщиков» и «контактеров» были даже такие экзотические предположения,
как выброс из тела нашей планеты некоего «гравиболида». А после взрывов домов
в Москве возникла и укрепилась версия о том, что под Сасово на поле
взорвались брошенные колхозниками мешки с удобрениями - аммиачной селитрой.
Любопытно, что гипотезы о причинах этой катастрофы - одна экзотичнее другой
- до сих пор еще вздуваются, словно пузырьки, в океане отечественной прессы1.
Это значит, что истина не установлена и официальной версии нет. Почему? Может
быть, потому, что в тяжелом 1991 году, когда случилось это странное событие,
у страны была масса других проблем? Или потому, что загадка взрыва не
поддавалась разгадке методами тогдашней науки? Что вообще установили прибывшие на
место эксперты?
Они много чего установили...
Во-первых, оценили мощность взрыва по причиненным разрушениям - 30 тонн
тротила, как уже было сказано. Во-вторых, нашли воронку. Она находилась в 400
метрах от городской черты и была диаметром 28 метров и глубиной 4 метра. В-
третьих, такая воронка никак не тянула на 30 тонн взрывчатки. Максимум две
тонны. В-четвёртых, в воронке не было обнаружено никаких следов взрывчатых
веществ. То есть, селитры тоже, так что гипотезу об удобрениях можно смело
закрывать...
Кроме того, поражал сам характер разрушений. Окна и двери во многих случаях
были выбиты не внутрь домов, а наружу, словно взрывная волна пришла изнутри
жилищ. Аналогичным образом лопались банки с закатанными огурцами: они
взрывались изнутри, с них срывало жестяные крышки, и они летели точно так же, как
крышки канализационных люков. Лопались электрические лампочки и даже детские
игрушки. Предметы и дома словно распирало и разрывало изнутри. А столбы
неподалеку от центра взрыва оказались наклоненными не от воронки, а в сторону
воронки .
Люди опытные знают, когда такое бывает. И поэтому сразу сделали запрос
военным : ребята, а вы тут вакуумную бомбу часом не теряли? Может, случайно с
самолета выпала, а?.. Те, разумеется, ответили, что ни в коем случае.
Соврали? Времена были действительно безалаберные. Но прежде - пара слов о том, что
такое вакуумный взрыв...
По-другому этот взрыв называется объемным. Прекрасная штука, надо сказать!
Производится так... Боеприпас падает на землю и начинает из специального
баллона распылять горючий аэрозоль. Который в смеси с окислителем (воздух) образу-
В этом можно убедиться, если сделать поиск в google.com на слова: взрыв Сасово.
ет на местности огромное облако, готовое к подрыву. Далее срабатывает запал
бомбы, и облако взрывается. Оно взрывается чуть медленнее обычной твердой
взрывчатки, но зато в огромном объеме. И после ухода взрывной волны за ней
образуется область отрицательного давления (поэтому бомбу и назвали
вакуумной) . Далее эта область резко «схлопывается» окружающей атмосферой.
Преимущества такого боеприпаса - он всепроникающ, как сама атмосфера, и позволяет
достать живую силу противника там, где ее не могут достать осколки и взрывная
волна обычного фугаса. Поэтому вакуумная бомба, как негуманное оружие,
запрещена Женевской конвенцией. Что, разумеется, не мешает нам ее производить.
(Совсем недавно2 по информканалам прошло сообщение, что в России начат выпуск
вакуумных бомб, сходных по мощности с тактическим ядерным оружием - такая
бомба при весе в 7 тонн дает взрыв, эквивалентный 40 тоннам тротила.
Экономично !)
Короче говоря, по всем параметрам это был объемный взрыв, и можно было бы
не верить военным, если б не одно «но»: никаких металлических деталей от
бомбы в районе воронки также обнаружено не было. А при такой силе взрыва вес
бомбы должен был достигать нескольких тонн. Этого более чем достаточно для
обнаружения!..
Таким образом, стало возможным твердо сделать несколько отрицательных
утверждений :
1) взрыв был вызван не химической взрывчаткой;
и
2) это не была вакуумная бомба «made in USSR»...
А дальше исследователи начинали теряться в догадках и поневоле уходили в
мистику, поскольку взрыву предшествовали разные удивительные и необъяснимые
явления.
За четыре часа до взрыва на окраине Сасова начали летать огромные
светящиеся шары, похожие на шаровые молнии, только больше. Один из них видели прямо
над железнодорожной станцией пассажиры, работники станции и машинист
маневрового тепловоза, который и поднял тревогу. Аналогичные шары и свечение в небе
над местом будущего взрыва наблюдали курсанты местного летного училища
гражданской авиации и рыбаки.
За пару часов до взрыва над местом будущей воронки жителями окраин были
замечены два больших красных шара в воздухе. Ощущалось легкое сотрясение земли.
Наконец, непосредственно перед катастрофой жители близлежащих деревень
увидели над местом взрыва две яркие голубые вспышки и услышали нарастающий гул,
приняв происходящее за грозу.
...Ну, а дальше начался сам взрыв. Именно «начался», ибо он был довольно
продолжителен по времени. Сперва раздался низкий нарастающий звук, загудела и
затряслась земля, потом город накрыла ударная волна. Раскачивались дома,
падали шкафы и телевизоры, сонных людей сбрасывало с кроватей, звенело бьющееся
стекло, срывалась кровля с крыш. Проверка, произведенная позже, показала, что
во многих местах под землей полопались канализационные трубы. При этом в
непосредственной близости от воронки никаких разрушений вообще не было -
деревья и кустарник там стояли совершенно целые, не поломанные и не опаленные
температурным воздействием... Затем, достигнув максимума, взрыв так же
постепенно стих. А воронка после взрыва еще некоторое время светилась по ночам,
нервируя солдат, стоявших в оцеплении.
Разгадка сасовского взрыва так и не была найдена. Российская публика,
замученная интенсивными политическими событиями и поисками пропитания в пустых
магазинах, вскоре забыла об этом происшествии. И вряд ли нашлось в стране
много голов, которые задались вопросом: а не может ли это повториться в го-
2 Относительно 2008 г.
раздо больших масштабах и в более населенных местах?..
Между тем это начало повторяться с пугающей частотой...
Через год с небольшим - в июне 1992 года, в семи километрах от того же Са-
сова, на засеянном кукурузном поле появилась еще одна воронка. Ее диаметр
составлял 12 метров, а глубина 4 метра. Взрывной характер воронки однозначно
читался по кольцевому выбросу грунта, который лежал валиком вокруг. Кроме
того, вокруг воронки были раскиданы крупные комья земли.
В течении 10 последующих лет на территории России прогремело еще 12
аналогичных по своим проявлениям взрывов. Скажем, 4 марта 1999 года в Курской
области произошел, как писали корреспонденты, «чудовищный взрыв». Официальные
бумаги были менее эмоциональны. Так, работники местного военкомата,
занимавшиеся выяснением причин случившегося, позже написали в отчете: «Мощный взрыв
неизвестного происхождения произошел возле деревни Ушаково Фатежского района
Курской области 3-4 марта 1999 года. Размеры воронки 13x8 м, глубина 5 м.
Взрывом вывернуло около 4000 т земли...»
Вскоре в нескольких километрах от Ушаково было найдено еще восемь свежих
взрывных воронок.
В управлении МЧС поначалу было две версии - метеориты и подрывы взрывчатки.
Обе не подтвердились. Ни метеоритных осколков, ни следов взрывчатки и
кусочков металла от адских машин в воронках и поодаль от них обнаружено не было.
После того как самые естественные версии были таким образом опрокинуты,
официальный Курск признал причиной этих явно взрывных воронок «оползневые
явления» . Такое странное заключение выдали научные сотрудники курского
Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от
эрозии , которые принимали участие в работе комиссии МЧС. Иначе как отпиской это
назвать было нельзя, но все сразу успокоились. К тому же версия об оползнях
(куда и чего там сползло, интересно?) противоречила показаниям случайных
свидетелей, которые видели нечто удивительное, о чем мы еще вспомним в свое
время и в своем месте.
Почвоведы составили свое заключение, основываясь на одном факте: воронка не
была вызвана падением тела сверху, взрыв шел снизу, из почвы. Может быть,
грунтовые воды? Но как тогда объяснить следующий факт: температура грунтовых
вод ранней весной (напомним, все это произошло 4 марта) не очень отличается
от нулевой; между тем, лабораторные исследования проб грунта показали, что
почва подверглась нагреву до температуры свыше 1000°С!
Поэтому не всех заключение почвоведов убедило. Некоторые, несмотря на
отсутствие следов метеорита, продолжали настаивать на внеземном происхождении
воронок. Заключение Главного управления по делам гражданской обороны и
чрезвычайным ситуациям Курской области, например, гласило:
«Взрыв, вероятно, был вызван объектом высокой кинетической и тепловой
энергии. Судя по направлению выброса грунта, падение объекта проходило со стороны
южного (юго-восточного) направления. Расплавление прибрежной части льда на
пруду, возможно, произошло и по причине попадания на него обломков (частиц)
объекта. Прожженные отверстия диаметром до 5 см наблюдались и в ледяных
глыбах, разбросанных вокруг воронки и нависающих по краям кратера. Исходя из
повышенной относительно окружающего фона радиации в зоне воронки, следует
предполагать , что взрыв был вызван падением метеорита. Последовавшие за этим
взрывы - результат выброса пара или воспламенения смеси водорода и кислорода
при разложении воды от высокой температуры...»
Покопавшись в архивах, можно обнаружить, что подобные явления, когда на
ровном месте земля вдруг начинает взрываться, случались и ранее. Причем не
только в России. В мае 1967 года в Марлиане (Франция) прямо посреди поля,
засеянного клевером, были найдены невесть откуда появившиеся воронки. Они
поразили наблюдателей наличием в них вещества яркого пурпурного цвета. Химический
анализ, проделанный в Дижонском университете, показал, что это сплав
кристаллов кварца и окиси алюминия. Самые обычные вещества, вот только чтобы их
сплавить, нужна температура свыше полутора тысяч градусов. Но при этом листья
клевера, росшие вокруг воронки, не были ни обуглены, ни даже высушены.
В следующем году (1968) нечто подобное произошло в Швейцарии. Там поутру
рыбаки увидели на льду местного озера несколько странных полыней. Странность
была в том, что лед вокруг них был раскидан так, словно под водой что-то
взорвалось. Вызванные водолазы нашли на дне озера нехарактерное для донных
отложений кристаллическое вещество...
Надо сказать, человечество проявило не слишком большую заинтересованность в
расследовании этих случаев. Скорее всего, это произошло только потому, что
пока все подобные взрывы обходились без жертв. Но это только пока. Взрыв,
эквивалентный 30 тоннам тротила, типа сасовского, произойди он не на окраине, а
в самом городе, унес бы немало жизней. И, не зная природы этих взрывов, кто
может утверждать, что 30 тонн тротила - это их предел? А если будет 60? Или
160? А если килотонна?..
Что это было? Когда и где это произойдет в следующий раз? И не является ли
это предвестником чего-то более страшного, чего мы даже не можем себе
представить?
ЧАСТЬ 1.
РОЖДЕНИЕ РОДИНЫ
Когда б вы знали, из какого сора...
Анна Ахматова
Если вы держите в руках эту публикацию, вы наверняка не француз. Во всяком
случае, я очень на это надеюсь. Потому что в мою память неизгладимо врезался
один эпизод с французского телевидения - до смерти его не забуду! На игре
«Кто хочет стать миллионером» игроку-французу задали вопрос: что вращается
вокруг Земли? Варианты ответов были такими: Луна, Солнце, Марс, Венера. Игрок
задумался...
Это не был пропитой неграмотный бомжара, это был интеллигентный с виду
господин в весьма культурных очочках с интеллигентными залысинами и седыми
волосами в тех местах головы, где они еще оставались.
Вопрос был на полторы тысячи евро. Игрок думал. Думал тяжело и упорно,
работа мысли явственно отражалась на его породистом лице. Вопрос был труден,
поэтому игрок взял подсказку зала, полного французов. И, надо сказать,
французы почти не подкачали - мнение зала разделилось: 42% проголосовало за Луну,
56% - за Солнце. Игрок поверил залу...
Отрывок из этой программы валяется где-то в Интернете, и многие русские,
посмотрев его, не верят в подлинность происходящего. Они считают, что это
какой-то очень хитрый монтаж. Меня и самого порой одолевают сомнения: не монтаж
ли? Уж больно невероятно.
Но если такие люди, как эти французы, существуют в реальности, им мою
публикацию читать не нужно. Потому что я не собираюсь объяснять читателю то, что
приличный человек должен знать с пятилетнего возраста от мамы. Я не
рассчитываю на академиков, но весьма надеюсь, что читатель помнит, при какой
температуре кипит вода, знает, сколько планет в Солнечной системе, что-то слышал о
химии и примерно представляет, как устроены атомы. В России, слава богу,
каждый школьник знает, что вокруг атомного ядра вращаются электроны, причем их
количество равно количеству положительно заряженных протонов в центре ядра,
отчего в целом атом электронейтрален. Иные титаны ума, я уверен, даже помнят,
что, помимо протонов, в ядре атома есть также незаряженные частицы, которые
называются нейтронами. А большего нам знать и не нужно. Поехали!..
Глава 1.
Как птица Феникс
Начало этой публикации было положено, когда четыре с половиной миллиарда
лет тому назад где-то на окраине Млечного пути взорвалась очередная
сверхновая звезда...
Я так издалека начинаю, потому что большое видится на расстоянии. И если мы
хотим понять, что происходит у нас под ногами, то не нужно уподобляться
свинье, уткнувшейся рылом в землю, а нужно поднять голову и устремить взор к
звездам. Конечно, там, на небе, сплошная астрономия, а внизу - приземленная
геология, и что, казалось бы, между ними общего?.. Однако новое порой
рождается именно на стыке нестыкуемого - там, где его найти совершенно не
ожидаешь . И в этой публикации, которая, строго говоря, должна была быть написана
только лет через десять-двадцать (именно таков разрыв между окончательным
утверждением новых парадигм в науке и появлением массовых научно-популярных
книжек о них), вы познакомитесь с самыми новейшими научными воззрениями.
Которые не так давно начали свое шествие в науке, и с которыми еще не успели
согласиться (и даже познакомиться) многие ученые. Но которые своей
блистательной перспективностью уже завоевали немалый авторитет среди малой публики.
Собственно говоря, для успеха любой теории основополагающими являются две
вещи. Теория должна основываться на эмпирических, опытных данных, объяснять
их... И она должна обладать предсказательной силой. Именно такие теории
называют научными. С этой точки зрения фрейдизм или марксизм - не наука, поскольку
не обладают свойством опровергаемости. А вот теория относительности вполне
научна! Научной является всякая теория, которую можно подтвердить или
опровергнуть с помощью эксперимента. Процесс возникновения науки происходит так...
Появляются новые опытные данные, которые не вписываются в старую модель.
Ученый, поскрипев извилинами, выдумывает новую модель, и она ему очень нравится:
новая теория чертовски красива, и она еще лучше прежней объясняет не только
все известные факты (включая те новые данные, которые в старую теорию не
вписывались) , но и позволяет делать рискованные предсказания. Что значит
рискованные?
Это значит, что рискует ученый, который в целях проверки своей теории
заявляет: если верна моя модель, должно существовать такое-то неизвестное пока
явление, нужно провести эксперимент и проверить. Если результат эксперимента
с предсказанием не совпадает, теория неверна. Если совпадает - теория
блистательно подтверждается и начинает считаться истинной (то есть актуальной на
сегодняшний момент). Именно такое рисковое предсказание сделал однажды
Эйнштейн относительно искривления пространства вблизи больших масс. И результат
проведенного эксперимента вписал теорию относительности в списки признанных,
то есть верных, истинных теорий. А лет через десять все магазины Европы были
завалены популярными книжками, объясняющими обывателю суть теории
относительности .
Теория, которой посвящена данная работа, не только основана на известных
эмпирических фактах, но и позволила сделать несколько совершенно
блистательных предсказаний, тем самым подтвердив свою истинность. Но выводы, вытекающие
из этой теории, столь непривычны, столь ошеломляющи, что принять ее сегодня
готовы не все ученые. Так же, как не все физики старого поколения приняли
Эйнштейна. Так же, как позже Эйнштейн психологически не смог принять
квантовую теорию. Она казалась ему чересчур непривычной, абсурдной и
несправедливой. Психология - тонкая штука...
Но читателю в этом смысле легче: его мозги не загружены старыми теориями и
потому новейшие лягут легко, словно тут и были.
Итак, начало этой работе было положено, когда четыре с половиной миллиарда
лет тому назад где-то на окраине Млечного пути взорвалась очередная
сверхновая звезда...
Разбросанное взрывом вещество смешалось с космической пылью. Затем
постепенно, под действием гравитации, эта смесь стала стягиваться к новому центру
тяжести, появление которого в спиральном рукаве нашей галактики было
спровоцировано тем же взрывом Сверхновой. Чем больше сжималась туманность, тем
быстрее она вращалась - как фигурист, который прижимает раскинутые руки,
собираясь «в кучку», и тем самым резко увеличивает скорость своего вращения.
Скорость вращения нашей туманности, от практически нулевой в самом начале
сжатия , выросла до весьма ощутимых величин. И, в конце концов, центробежные силы
уравновесили силы гравитации и сжатие остановилось. Настал момент так
называемой ротационной неустойчивости. В это время туманность напоминала
двояковыпуклую линзу. Диаметр этого газопылевого образования аккурат укладывался в
нынешнюю орбиту Меркурия - 100 миллионов километров. В середине холодной
туманной линзы было сгущение, позже превратившееся в Солнце, а на периферии -
более-менее разреженный газ. По-другому такую туманность астрономы называют
небулой. Температура в центре небулы была тогда всего ничего - несколько
тысяч градусов. Обычный физический нагрев сжимающегося газа. Кто накачивал
ручным насосом велосипедное колесо и собственной ладонью чувствовал нагрев
сжимающегося газа, знает, о чем речь.
Мы сегодня знаем общее количество вещества в Солнечной системе и, исходя из
этого, можем количественно оценить промежуток времени от момента взрыва
сверхновой звезды (пора бы уже дать ей какое-нибудь имя, этой нашей звезде-
прародительнице, из пепла которой мы состоим!) до момента наступления
ротационной неустойчивости. Процесс этот, надо признаться, занял некоторое время.
Правда, по астрономическим часам время совершенно ничтожное - миллион лет.
Эволюция звездной системы шла по экспоненте. Вообще, экспонента - общий
закон для всех эволюционных процессов. Выглядит экспоненциальный процесс так:
сначала все идет медленно-медленно, потом быстрее, быстрее, быстрее и, в
конце концов, приобретает скорость взрыва. А после взрыва начинается новый этап
медленного роста, но уже на качественно новом уровне: тогда растет уже нечто
другое, порожденное взрывом.
Чтобы проиллюстрировать экспоненту для нашего случая, примем весь миллион
лет сгущения межзвездного газа за один час. Поставим таймер и посмотрим. И
увидим, что одна сотая доля всей массы, раскиданной взрывом сверхновой,
сгустилась за 45 минут. За следующие 15 минут (без нескольких секунд) в центре
сконденсировалась ровно половина газа, составлявшего будущую солнечную
систему. А оставшаяся половина массы слетелась за несколько секунд до финального
гонга. Вот вам экспонента.
Что же представлял собой этот самый газ, который сгустился до крутящейся
приплюснутой туманности? Клёвую кашу из новеньких атомов, наработанных в
ядерной топке сверхновой и потом раскиданных взрывом по межзвездному
пространству! Там была вся таблица Менделеева. Были там и радиоактивные элементы
- как долгоживущие, так и с периодом полураспада в сто тысяч или миллион лет.
Сейчас их в нашей Солнечной системе уже нет - давно вымерли. А когда-то были
и сыграли очень важную роль.
...Для тех, кто в танке и, к стыду своему, напрочь забыл, что такое изотопы и
радиоактивные элементы, поясняю максимально просто, как для французов. Глянем
в таблицу Менделеева. Что мы там увидим? Мы увидим массу всякой интересной
всячины! Вот, например, элемент под №6 - углерод, который обозначается буквой
С. Номер элемента в периодической таблице - не просто цифирка в реестре. Она
означает, что в ядре углерода 6 протонов. А вокруг них, соответственно, по
своим орбитам вращаются 6 электронов. Атомный вес углерода 12 единиц. Это вес
ядра. За единицу веса принят вес одного протона. Значит, помимо шести
протонов , в ядре атома углерода есть еще шесть частиц без электрического заряда
(12-6 = 6). Мы знаем, как они называются, - нейтроны. Вес нейтрона
практически равен весу протона.
Таким образом, ядро атома углерода под номером 6 с атомным весом 12 сделано
из шести протонов и шести нейтронов, вокруг которых болтаются шесть
электронов .
Ядро атома железа, которое стоит в таблице Менделеева под номером 26 и
имеет атомный вес, равный 56 единицам, сделано из 26 протонов и 30 нейтронов
(56-26), вокруг которых крутятся по орбитам 26 электронов, уравновешивая
своими 26-ю отрицательными электрическими зарядами 26 положительных зарядов
протонов. И делая атом полным, законченным и электронейтральным.
Однако в природе встречаются атомы-уродики, в которых нейтронов больше, чем
положено по штату. Такие атомы называются изотопами. Например, вместо шести
нейтронов в ядре углерода их может быть восемь. Тогда атомный вес возрастает
на две единички, и углерод называют С-14, в отличие от обычного углерода С-
12. Изотопы нестабильны и норовят развалиться на более стабильные
составляющие. Время жизни у каждого изотопа свое. Например, у С-14 период полураспада
составляет примерно 5500 лет. Это значит, что За пять с половиной тысяч лет
из килограмма такого углерода распадется полкило. Из тысячи атомов развалится
500 штук. Из двух атомов - один. А из одного?
Хороший вопрос.
Один атом углерода за 5500 лет распадется с вероятностью 1/2.
...Кроме изотопов, нестабильными являются также те элементы таблицы
Менделеева, которые имеют очень большой порядковый номер и атомный вес. Ядра этих
атомов, состоящие из многих десятков частиц, столь крупны, что протоны,
расположенные на противоположных краях огромного ядра, довольно далеко отстоят
друг от друга. В этих условиях мощные, но короткодействующие ядерные силы,
скрепляющие протоны в ядре, уже не справляются - над ними начинают
преобладать более слабые, но зато дальнодействующие силы электростатического
отталкивания между одноименно заряженными протончиками. И ядро разваливается.
Такой самопроизвольный распад называется радиоактивностью. При распаде
нестабильного ядра получается стабильное ядро, а прочь от него улетают «лишние»
частицы и высокоэнергетичные кванты электромагнитного излучения - гамма-лучи.
Именно эти гамма-лучи и сыграли ключевую роль в истории нашей крутящейся
туманности. Они ионизировали атомы, из которых туманность состояла.
Для тех, кто опять-таки страдает склерозом, напомню, что ионизация атома -
это отрыв от него одного или нескольких электронов. Гамма-квант шарахает по
электрону и срывает его с орбиты. Электрончик отправляется в свободный полет,
а атом в целом, потеряв один отрицательный заряд, соответственно, перестает
быть электронейтральным и приобретает положительный заряд +1. Если атом
теряет два электрона, он приобретает заряд +2.
Короче говоря, из-за радиоактивности и сопутствующей ей ионизации наша
туманность состояла из частично ионизированного газа - плазмы. Плазма -
электропроводник. А в центре небулы, к тому времени разогретом до нескольких
тысяч градусов и потому начавшем тускло светиться темно-красным светом,
появились первые конвекционные потоки, которые выносили избытки тепла к внешним
границам небулы. От горячего центра нагретый газ поднимался вверх, остывал и
снова опускался вниз. Так зимой в комнате движется воздух, нагреваемый
батареей.
Силы Кориолиса - те самые, которые мы проходили в школе и из-за которых в
северном полушарии реки подмывают правый берег, - закручивали конвекционные
потоки плазмы в нашей небуле против направления вращения туманности. Они
завивались в спирали, и вся эта конструкция напоминала соленоид.
К этой картине надо добавить силовые линии магнитного поля галактики,
которые сгустились в небуле и приобрели форму «бабушкиного клубка шерсти» (по
сути, они навивались на небулу при сборе ее массы). Что же получилось?
Классическая картина - проводники (конвекционные потоки плазмы) движущиеся в
магнитном поле. Электромотор! В проводниках должны генерироваться электрические
токи. Но поскольку эти проводники закручены в катушку соленоида, такая
конструкция обязана генерировать свое магнитное поле. И это поле было очень
мощным, поскольку энергия для него черпалась непосредственно от энергии
гравитационного стягивания будущей звезды.
Дальнейшее описать популярно не представляется возможным (точнее, вполне
представляется, но для этого понадобился бы целый том весом в килограмм),
поэтому сложную физику процесса я описывать не стану, а просто опишу то, что
увидел бы внешний наблюдатель, представься ему такая возможность...
Небула, жестко армированная, словно скелетом, магнитными силовыми линиями,
начала вращаться, как одно целое - как твердое тело, то есть угловая скорость
всех атомов в ней стала одинаковой. До этого она вращалась, как облако газа:
разные слои и частицы неслись с разными скоростями; примерно так сейчас
вращается Солнце - слоями. И здесь возникает любопытный момент. Мы тут говорили,
что небула представляла собой газовую туманность в форме линзы. А какова была
плотность этой туманности, как вы думаете? Она была как воздух? Нет! Это была
почти пустота, практически лабораторный вакуум. И вот эта «почти пустота» с
редкими частицами и «вмороженными» в нее магнитными силовыми линиями
вращалась , как единое целое! Разве не поразительно? Кроме того, произошло
значительное уплощение толстенькой линзы небулы, она стала больше похожа на
монету.
И вот, через некоторое время после того как небула перестала быть
хаотической кашей, «схватилась» и стала вращаться единым целым, наш внешний
наблюдатель увидел бы потрясающую картину - резкий сброс экваториальной части
крутящейся туманности. Физика этого процесса должна быть понятна людям, хорошо
знакомым с теоретической механикой, и совершенно неинтересна широкому
читателю. Просто от экватора крутящейся туманности рывком отделилась часть массы,
образовав «дымное кольцо». Из этого кольца позже и появились планеты...
Момент количества движения был сброшен - фигурист раскинул прижатые руки, и
его вращение замедлилось. Туманность стала крутиться медленнее, поэтому силы
Кориолиса в центре сгущения ослабли почти до нуля, струи плазмы перестали
закручиваться в спирали, соленоид разрушился, а с ним отключилась генерация
магнитного поля небулы.
Получается, что небула будто специально включила собственное магнитное
поле, чтобы сбросить часть массы для формирования планетной системы. Сколько же
длился этот космический миг сброса части лишней массы и формирования прото-
планетного диска? Ничтожных сто лет! Впечатляющий мгновенный аккорд после
миллиона лет поначалу неспешного, а потом ускоряющегося сгущения!
Ну, а дальше пошло как по маслу. Поскольку скорость вращения центрального
сгущения (протосолнца) упала, центробежные силы уже не могли противостоять
гравитации, газ начал активно сжиматься, температура расти, и, в конце
концов, в центре всей этой газовой кучи, состоящей в основном из водорода,
начались термоядерные реакции - зажглась звезда.
А что в это время происходило со сброшенным газовым бубликом, крутящимся
вокруг звезды? Он начал жить своей жизнью. И жизнь эта была удивительной.
Магнитное поле небулы до его отключения было довольно сильным. А внутренняя
часть протопланетного диска, охваченная этим полем, была ионизированной, то
есть токопроводящей. Когда рубильник был выключен (соленоид распался) и поле
стало разрушаться, в токопроводящем диске навелись круговые электрические
токи . Известное дело: вспомните школьный опыт - учитель размыкает цепь в
индукционной катушке, и стрелка вольтметра делает мах, фиксируя скачок напряжения.
Это происходит из-за того, что в катушке наводится ток, который стремится
сохранить магнитное поле от распада. В школьном опыте это явление (скачок
напряжения) продолжается долю секунды. Но в небуле катушка соленоида была в
тысячу миллиардов раз больше. Поэтому скачок напряжения растянулся на тысячи
лет. И все это время во внутренней части протопланетного диска (где потом
сформировались планеты земного типа) гуляли мощные электротоки.
В результате газовый бублик стал разделяться на множество более тонких
отдельных колец. Это произошло потому, что токи, текущие в одном направлении,
притягиваются. (Опять-таки школьный опыт - притяжение друг к другу
проводников с однонаправленным током). Сначала этих тонких колец вокруг протосолнеч-
ной небулы было очень много, но потом они стали сливаться друг с другом.
Причем слияние нескольких соседних тонких газовых колец в одно не приводило к
его утолщению. Напротив, сечение колец уменьшалось, они становились все
плотнее и плотнее по тем же самым причинам взаимопритяжения.
А потом произошло необычное явление - крутящиеся вокруг протосолнца тонкие
газовые обручи начали в отдельных местах словно перетягиваться невидимыми
нитками, превращаясь в кольцевую связку «сосисок» неравной длины. В физике
это явление называется пинч-эффектом: когда через плазменный шнур течет ток,
на нем начинают образовываться кольцевые манжеты из магнитных силовых линий,
которые вскоре пережимают проводник полностью.
Позже под действием гравитации эти сосиски превратились в газовые шары -
глобулы, из которых потом собрались планеты. Разновеликих глобул были десятки
тысяч, а их диаметры достигали миллиона километров.
Любопытно, что, как только в оторвавшемся от небулы газовом бублике
навелись токи, бублик засветился мерцающим белым светом - по тем же причинам, по
которым светится неоновая лампа. И чем больше потом уплотнялись тонкие
плазменные кольца, получившиеся из распавшегося бублика, тем ярче они светились.
При этом Солнца на тот момент еще не было, оно только-только
раскочегаривалось и едва теплилось багрово-красным цветом.
Дальнейший процесс сборки планет из газовых глобул современной науке хорошо
известен, его прекрасно описали математически российские ученые Тимур Энеев и
Николай Козлов еще в 1980 году. Причем интересно, что их замечательное
открытие было сделано, что называется, «от бедности». Точнее говоря, для упрощения
работы. До Энеева и Козлова считалось, что планеты собирались из
притягивающихся друг к другу твердых частичек - сначала маленьких пылинок, потом кусков
покрупнее, типа метеорита, затем из штуковин размером с добрый астероид... Но
математически просчитать столкновение мириадов упругих частичек на тогдашних
ЭВМ было невозможно из-за разных результатов соударений. Ведь при соударении
твердых частичек возможно как их слипание, так и дробление, а также упругий
удар с разлетом... ЭВМ могла просчитать только тысячу таких взаимодействующих
частичек. Слишком мало!.. Задача представлялась неразрешимой. А посчитать
хотелось . Поэтому Энеев и Козлов сделали себе поблажку. Они решили, что каждое
сближение двух частиц завершается их слиянием, а не отталкиванием и
дроблением . Это позволило увеличить число частичек с тысячи до десятков тысяч. Но по
физической сути это допущение означало одно: ученые фактически отказались от
модели объединения твердых тел и перешли к модели абсолютно неупругих
соударений, похожих на слияния капелек ртути.
Совершенно другая физика! Противоречившая тогдашним представлениям о
рождении солнечной системы, зато делавшая возможными расчеты.
Провернув этот хитрый финт, Энеев и Козлов загрузили советскую ЭВМ
исходными данными (протопланетный диск плотно упакован газовыми сгустками - глобула-
ми, которые вращаются по круговым орбитам в поле силы тяжести массивного
центрального тела и гравитационно взаимодействуют друг с другом) и пошли, надо
полагать, пить чай, пока шкафы ЭВМ грелись и гудели. Подсчет дал неожиданный
результат. Неожиданно прекрасный, я бы сказал. Машина, погудев, показала
картину Солнечной системы, полностью соответствующую реальной! Модель Энеева-
Козлова выдала не только такие принципиальные параметры Солнечной системы,
как необходимое число планет и закон Тициуса-Боде (закон планетарных
расстояний) , но даже особенности вращения отдельных планет, например, обратное
вращение Венеры!
Это могло означать только одно: модель, скорее всего, правильная, и
соударения действительно шли неупруго. Но для окончательного триумфа модели и
присвоения ей звания истинной нужно было еще сделать предсказание. И такое
предсказание Энеев и Козлов сделали: в соответствии с их моделью в Солнечной
системе должен быть еще один пояс астероидов - за Нептуном... Всем, кроме
французов , известен пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Но даже ученым тогда
ничего не было известно о втором поясе астероидов. Однако позже этот пояс был
открыт, там крутятся сотни астероидов диаметром по 200-300 км...
Так гипотеза стала теорией. Оставался лишь один вопрос: почему соударения
протопланетных глобул были неупругими, хотя, по идее, должны были быть
упругими? Сейчас ответ на него найден: ионизация газа, которая постоянно
поддерживалась короткоживущими радиоактивными элементами, не позволяла частичкам
вещества собираться в твердые и потому упругие комки - электростатическое
отталкивание положительно заряженных ионов противилось силам всемирного
тяготения. Потому-то сбор планет происходил не из твердых частиц и тел, но из
газовых протопланетных сгустков - глобул. По мере сбора протоземли ее масса
увеличивалась и, соответственно, возрастали силы гравитационного стягивания. Это
приводило к увеличению средней плотности. В результате радиус растущей прото-
планеты оставался в пределах миллиона километров. В таком же состоянии
(газовых протопланет) находились первое время и другие планеты земного типа. И
лишь затем началась конденсация, поскольку к этому времени подвымерли корот-
коживущие изотопы и стала спадать степень ионизации.
В газовой протопланете, объединенной силами гравитации, рост крупных
твердых тел был невозможен, и конденсация протовещества с последующим уплотнением
его в твердую планету была подобна «мягкому пеплопаду» к центру тяжести.
Происходила она довольно медленно - в течение следующего миллиона лет - и
напоминала то ли слияние капель, то ли слипание крупных хлопьев пепла в
медленном полете.
Из этого «пепла» и получилась Земля.
Глава 2.
Ингредиенты
Сейчас Земля напоминает слоеный пирог. Внутри - жидкое ядро с твердым
ядрышком, выше - мантия, еще выше - твердая корочка. Но чтобы правильно
приготовить пирог, нужно знать состав исходных продуктов. Каким он был? Это важный
вопрос, от которого зависит наше с вами будущее.
Но прежде ответим на другой вопрос: откуда автор знает, что происходило
четыре с половиной миллиарда лет тому назад с Солнечной системой, если он там
не был? Отвечу: от науки. Наука над этой проблемой очень много билась.
Науке, например, давно было известно, что 98% момента количества движения
Солнечной системы сосредоточено в ее планетах, хотя масса планет составляет
только 1/700 долю от массы Солнца (момент количества движения - это
произведение массы на скорость и на расстояние до центра вращения: М = m-vr) . И
было совершенно непонятно, каким же образом небуле удалось сбросить часть веще-
ства вместе с моментом количества движения для дальнейшего производства из
него планетной системы. Этот больной вопрос очень долго не находил ответа,
пока английский астрофизик Фред Хойл не предположил, что в сбросе лишней
массы туманности могло помочь ее собственное магнитное поле.
Как только магнитное поле включилось и заставило туманность вращаться, как
единое целое, то есть с одной угловой скоростью, так сразу момент количества
движения, выраженный через эту самую угловую скорость (ср) , приобрел следующий
вид: М = m-cp-r2. В формуле появился квадрат! То есть в системе, которая
вращается с одной угловой скоростью, момент количества движения «сам по себе»
сместился к краю системы. Именно поэтому и произошел отрыв. А когда от
экватора небулы оторвался газовый бублик, вместе с ним ушел и «лишний» момент
количества движения. Каковой мы сегодня имеем удовольствие наблюдать и
рассчитывать... Прекрасное объяснение!
Догадке Хойла долго не верили. Дело в том, что молодые звезды, которые
только-только зажглись, не имеют магнитного поля, выходящего за пределы самой
звезды. А для сброса бублика нужно было поле, протянувшееся на сотни
миллионов километров от протосолнца! И это смущало... Но ведь Хойл и не говорил
ничего про уже зажегшуюся звезду, он говорил именно о протозвезде - небуле. И его
догадка о том, что в рождении планетной системы решающую роль сыграла
короткая вспышка магнитного поля небулы, позже была успешно дополнена физическим
механизмом того, как именно оно могло включиться и выключиться (очень
упрощенно мы этот механизм описали главкой выше).
Вообще, Фред Хойл претерпел много несправедливостей в своей жизни. И
отношение к нему научного сообщества не всегда было однозначным. Хойл вообще не
походил на строгого кабинетного ученого - ни внешне, ни внутренне. По
наружности он напоминал не профессора, а скорее рабочего - этакий простой парень с
мясистым носом. В очках, правда... Еще он писал научно-фантастические рассказы,
что не считается в кругу ученых серьезным занятием, да и, занимаясь научной
деятельностью, допускал порой рискованные шутки, а также высказывал странные
идеи.
Родился Хойл в 1915 году в Йоркшире. Его отец торговал шерстью, а сына
больше тянуло к звездам. Окончив колледж, парень попал в хорошие руки Поля
Дирака - знаменитого физика, открывателя антиматерии, который и вылепил из
Хойла настоящего ученого. Хойл почти сразу же после появления на научном
горизонте начал потрясать научную общественность всякими интересными штуками.
Например, он на пару с коллегой разработал весьма странную теорию
стационарной Вселенной. Тут нужно кое-что пояснить...
В начале века, когда Хойл еще только учился в школе, в науке господствовала
точка зрения, будто Вселенная вечна и бесконечна. Эта теория была настолько
проста и антибожественна, что «на ура» принималась всеми учеными. Если
Вселенная вечна, значит, никакого сотворения не было, и вопрос с Богом можно
закрыть . XIX век своими величайшими открытиями во всех науках - физике, химии,
биологии, геологии - постепенно приучил ученых к тому, что библейская точка
зрения на мир смешна и антинаучна. Сейчас в это мало кто поверит, но еще в
начале XIX века большинство ученых-геологов, например, всерьез разделяло
теорию Всемирного потопа! . . Привыкнув за сто лет бить Бога и Библию по всем
фронтам, ученые были несколько обескуражены, когда на их горизонте появились
данные о том, что Вселенная расширяется и, возможно, когда-то она вся была
сосредоточена в одной точке, которую и нужно считать началом мира. Начало
мира - это что, сотворение, что ли? Нехорошо...
Однако число достоверных астрономических данных о том, что галактики
разлетаются прочь друг от друга, год от году росло. Вслед за этим росло и число
сторонников теории разлета Вселенной - в основном среди молодых ученых,
которым легче принимать новое. А монстры и зубры типа Хойла психологически еще
сопротивлялись этому, выдумывая новые объяснения новых фактов в рамках старой
парадигмы.
Да, Хойл не был сторонником теории разлета, которая сегодня является
главенствующей в астрофизике. Напротив, высмеивая эту теорию, именно он и дал ей
смешное, с его точки зрения, название - теория Большого взрыва (по-английски
это звучит действительно Забавно - Big Bang). Но название это оказалось столь
точным, что закрепилось в науке официально, и сегодня уже никому не кажется
смешным.
Между прочим, сомнения Хойла в том, что Вселенная имеет начало, были
основаны не на пустом месте: до 1950 года астрофизики сильно занижали расстояния
до соседних галактик, и в сочетании с теорией разлета галактик это давало
возраст Вселенной меньший, чем возраст Земли. Абсурд! Поэтому Хойл вместе с
Бонди и Голдом сразу после войны нарисовали другую модель Вселенной, которая
хоть и расширяется (спорить с накопленными фактами, говорящими о том, что
расстояния между галактиками растут, было невозможно), но при этом не имеет
начала. Как же Хойл и его приятели вышли из положения? Они постулировали, что
на освободившихся после разбега галактик местах образуется новое вещество, из
которого потом вновь появляются звезды и галактики. Причем зарождение
вещества происходит с такой скоростью, что средняя плотность Вселенной всегда
остается постоянной величиной, несмотря на ее расширение.
Образование вещества из пустоты? Это было уже не просто смело, это было
нагло ! Это противоречило законам сохранения. И потому было подвергнуто резкой
критике. Тем не менее, работа Хойла долгое время оставалась одной из самых
цитируемых в мире астрофизики, потому что прекрасно описывала все известные
на тот момент факты.
Но потом сторонники теории Большого взрыва сделали рискованное
предположение, которое должно было или опрокинуть или подтвердить их теорию. Они
предсказали, что после Большого взрыва должны были остаться следы - остаточная
температура. И в шестидесятые годы эта температура (реликтовое излучение)
было найдено! С тех пор интерес к теории стационарной Вселенной пропал сам по
себе.
Любопытно, однако, что сам Хойл вовсе не отказался от своей теории, хотя,
возможно, и поддерживал ее уже из чисто спортивного интереса. Тем не менее, в
2000 году в издательстве Кембриджского университета вышла его книга с
оригинальным названием: «Другой подход к космологии: от Статической Вселенной
через Большой Взрыв к Реальности». В этой книге старичок реанимировал теорию
стационарной Вселенной. Только теперь она у него все время пульсирует...
Однако не нужно думать, что Хойл всю жизнь только и делал, что производил
эксцентричные идеи. Нет. Он был добротным теоретиком, весьма уважаемым в
научном сообществе. Именно Хойл впервые вплотную занялся вопросом происхождения
химических элементов. Известно, что звезды состоят на 75% из водорода и на
23% из гелия. Эти вещества - два главных химических элемента Вселенной. И
лишь пара процентов остается на остальные полторы сотни элементов
периодической таблицы. Почему именно так?
Хойл ответил на этот вопрос. Он взял железный арифмометр и рассчитал всю
цепочку реакций, протекающих в недрах звезд, получив прекрасные результаты,
обладающие предсказательной силой. Из теории ядерных реакций Хойла следовало,
что у углерода-12 должен быть один совершенно неочевидный энергетический
уровень , равный 7,82 МэВ. Этот уровень позже был обнаружен экспериментально.
Труд Хойла о термоядерном синтезе в недрах звезд считается классическим, у
него даже есть свое сокращенное название, как у старого приятеля: физики
фамильярно называют эту работу «B2FH». Именно она легла в основу нового раздела
космогонии - ядерной астрофизики.
Короче говоря, научные заслуги Хойла несомненны и подтверждены многочислен-
ными наградами. В Англии за научные заслуги Хойлу королевой было присвоено
звание рыцаря. А в 1997 году Шведская академия наук наградила его премией
Крэфорда «за пионерский вклад в исследование звездной эволюции». Между
прочим, эта неизвестная у нас премия лишь чуть-чуть уступает нобелевской по
размеру денежного вознаграждения...
Что же касается самой «нобелевки», то здесь произошла весьма странная и
некрасивая история. В некоторых книгах можно прочитать, что Хойл - нобелевский
лауреат. Это ошибка. Не был он нобелевским лауреатом. И все из-за своего
эксцентричного характера!
В 1983 году Нобелевский комитет присудил премию двум астрофизикам - Субра-
маньяну Чандрасекару и Уильяму Фаулеру «за теоретические и экспериментальные
исследования ядерных реакций по формированию химических элементов во
Вселенной» . Поскольку родоначальником всего этого дела был Хойл, его имя должно
было присутствовать в списке награжденных первым. Но его там не было. Почему?
Фаулер, вернувшийся с награждения, тет-а-тет рассказал Хойлу, что у
Нобелевского комитета «есть железное правило: если кто-то критиковал их, то не
видать ему премии».
- Вообще-то это правда, я не особенно учтиво отзывался о них после истории
с премией за пульсары... - признавался Хойл.
Действительно, когда-то горячий Хойл жестко критикнул шведов за
неприглядную историю с открытием пульсаров. Звезды-пульсары в 1967 открыла аспирантка
Кембриджа Джоселин Белл. А премию за это открытие в 1978 году дали ее
начальнику Энтони Хьюишу. Хойл решил, что это несправедливо, о чем опубликовал
материал в «Тайме». И поплатился за это...
Умер великий астрофизик совсем недавно - в 2001 году. И на его могиле я бы
выбил вместо эпитафии следующие слова самого Хойла: «Чтобы в процессе
исследования достигнуть чего-то действительно стоящего, необходимо пойти против
мнения коллег».
Хойл часто шел против мнения большинства. И вместе с тем он сам являет
собой прекрасный пример того, что новые идеи типа Биг Бэнга порой так и не
принимаются старыми конями науки, которые борозды, конечно, не испортят, но и на
новую борозду, пропаханную не ими, будут коситься с подозрением...
Ладно, возвращаемся к тому, с чего начали эту главу - к ингредиентам, из
которых свалялась наша планета...
Итак, нобелевский недолауреат Хойл бросил догадку о том, что именно
магнитное поле небулы сыграло важную роль в формировании планетной системы. Мысль
им была брошена на уровне чистой идеи, без детального продумывания механизма
включения-выключения поля. Этот механизм был позже проработан другими людьми.
Проработан и дополнен очень важными деталями. Кем конкретно? Сделал это
советский ученый Владимир Ларин, который гениально свел воедино все, что было
известно до него, и расположил это все в логическом порядке. Пустяк, по-
вашему? .. Действительно, нарисовав описанную выше картину рождения Солнечной
системы, Ларин ничего нового сам не открыл. Но ведь и Менделеев тоже не
открыл ни одного элемента! А просто расположил все известные и открытые не им
химические элементы в определенном логическом порядке. Но после этого химия
стала наукой. А до того была свалкой фактов...
Давайте снова вернемся на 4,5 миллиарда лет назад, к моменту, когда в тех
зонах, где скоро появятся планеты, летали пока еще здоровенные рыхлые
образования, сделанные из мягких хлопьев слипшегося вещества. А из чего были
сделаны хлопья? Дело в том, что в каждой зоне, где формировались планеты, состав
химических элементов был разным. Иными словами, ингредиенты всех планет-
пирогов нашей Солнечной системы различались. Почему так получилось, ведь
первоначальный состав туманности был хаотичным, то есть вполне однородным?
Потому что вещество в туманности было частично ионизировано, и после сброса про-
топланетного бублика ему пришлось лететь прочь от протосолнца, продираясь
сквозь магнитные силовые линии. А ионизированные частицы, то есть частицы,
имеющие электрический заряд, не могут так же свободно, как нейтральные
частицы, пересекать решетку магнитных силовых линий. Магнитное поле их тормозит,
останавливает.
При этом атомы разных элементов имеют разную склонность к ионизации.
Скажем, цезий ионизировать легко - электрон с его внешней оболочки улетает
просто от света зажженной спички. А вот атом гелия ионизировать очень сложно,
его для этого нужно изрядно побомбардировать высокоэнергичными фотонами. И
потому одни атомы - с высокой склонностью к ионизации - задерживаются около
протосолнца магнитным полем, а другие, у которых склонность к ионизации
низкая, улетают свободно. Именно поэтому на периферии Солнечной системы крутятся
гигантские газовые пузыри (Юпитер, Сатурн и пр.) , а вблизи от Солнца -
маленькие «металлические» планеты.
небула в режиме ротационной неустойчивости
«100 млн км
Рис. 1. Магнитная сепарация вещества по степени его ионизации.
Ионы (черные точки) задерживаются силовыми линиями магнитного
поля небулы. Нейтральные частицы (кружочки) свободно пролетают
через магнитные «прутья»
Склонность химических элементов к ионизации называют потенциалом ионизации.
И если взять табличку с потенциалами ионизации всех элементов таблицы
Менделеева , то можно прикинуть, как именно прошла магнитная сепарация вещества,
сколько, каких именно элементов и на каком расстоянии от Солнца зависло в
разных зонах. Иными словами, из чего потом собрались Земля, Марс, Венера...
Но для начала посмотрим, справедлива ли сама эта идея: действительно ли
магнитное поле туманности сыграло решающую роль в сепарации химических
элементов. Догадку эту легко проверить, поскольку кое-что о составе разных тел
Солнечной системы мы знаем. Что же нам известно?
1. Нам очень хорошо известен состав Солнца.
2. Мы знаем, из чего сделана земная оболочка, до глубины примерно 150 км.
Пробурилось человечество в глубь планеты пока только на 12 километров, но
некоторые обломки пород с гораздо больших глубин у нас есть - их выдавило на
поверхность разными геологическими процессами. Мы также знаем, из чего
состоит поверхность Луны, поскольку оттуда космическими аппаратами и астронавтами
доставлены пробы грунта.
3. Наконец, благодаря метеоритам нам известно, из чего сделан пояс
астероидов , который находится за орбитой Марса.
Итак, у нас есть три точки. Три зоны.
Что ж, для начала неплохо. Откладываем на вертикальной оси относительную
распространенность разных химических элементов, а на горизонтальной - их
потенциалы ионизации. Все очень просто: для того, чтобы убедиться, что
количество того или иного химического элемента зависит от его потенциала ионизации,
нам нужно получить на графике линию, не параллельную горизонтальной оси.
Посмотрите на графики (рис. 2-4) и убедитесь: распределение элементов в
Солнечной системе действительно зависит от потенциала их ионизации. Лишь на
одном графике линия параллельна горизонтальной оси - на графике «Земля -
Луна». Так и должно быть: обе эти планеты сформировались в одной зоне (на одном
расстоянии от Солнца), поэтому их состав совершенно одинаков. Система
работает!..
looo Ь
м
Ж
х
л
К
о.
3
и
о
о
X
л
и
ж
о
о
X
к
Z
V
X
о
100 г
10 =•
0.) г
0.01
-
Т Г 11
г
-
г
=
-
-
тгтп
-о к
\ и
-
1
Мо
Gt Pi
NlRe
Co
Cu
Agft
г. So Мл В
N. ™ V Bip^.Si
ИГ AJCay**
"П
Sr
u
Ba Ce
lb
Nb
1
** w
Ta
l
T« $e
Os
It
Pt
Be As
Ci"2»
Si
1
Hg
s
p
J
с
Br
1
CI
6 t io
Потенциалы ионизации (первого электрона, вольт)
12
Рис.2. Распределение элементов в зависимости от потенциала
ионизации. Зона «Метеориты - Земля»
И вот в этот захватывающий момент повествования я вынужден нажать на тормоз
и сделать небольшую остановку. Наверняка эти графики, которые обычным
читателем воспримутся совершенно спокойно или, вернее всего, будут им равнодушно
пролистаны, некоторых геологов, астро- или геофизиков, если таковые
попадутся , приведут в состояние легкого шока. И мне понятно, почему.
to
«I
ж
I
10
g 10-
s
Потенциалу ионимими (первого электрона вольт)
3 5 7 9 1! 13 15 17 20 22
Т—I—I—I—I—I—I—I—J—I—I—I—I—I—I—I 1 I—I—Г
Bi
Sr
10
10-ie
Рис.3. Распределение элементов в зависимости от потенциала
ионизации. Зона «Земля - Солнце»
Графики эти малоизвестны. Потому что ими, строго говоря, некому
интересоваться: геологи не интересуются космосом, а данные здесь чисто космохимиче-
ские. Астрофизики не очень интересуются внутренностями планет, да к тому же
опубликованы эти графики были в рамках той науки, которой астрономы не
интересуются - в геологической литературе.
И опубликованы не Хойлом. Хотя совершенно непонятно, почему умница Хойл,
высказав свое предположение о влиянии магнитного поля небулы на эволюцию пла-
нетнои системы, не сделал еще один маленький и совершенно очевидный шаг - не
сопоставил распространенность разных элементов в Солнечной системе в
зависимости от расстояния до светила. Возможно, он был занят более важным делом -
писал разоблачительную статью в «Тайме», сочинял очередной научно-
фантастический рассказ или просто ковырял в носу. Гениям все простительно...
Вместо него эту нудную работу по скрупулезному сбору материалов и
вычерчиванию графиков сделал упомянутый уже Владимир Ларин. Результат его настолько
поразил, что Ларин решил поделиться своим открытием с... С кем? С коллегами? Но
коллеги его были геологами, их мало интересовал космос. Тогда с
астрофизиками!
100 ;
10:
I
3
%
X
о*
о
I
* o,t E
■
X
1.0
0.01
г
*
■>
»
—
S
»
■с*
Г"
к
- **
\
_L_
Сг
та J Re
SB,6" Gdsc^ *&M«*
. i.AlCl ^v*» Й *
Sr v BiPb W
Gi Cu
Na
i i i i
Те
Sb fc sc
CU Cd
1
PI Au
Ir M
Zn
' '
S
H*
Jp
с
» 1
CI
L
о
N
7 8 9 10 11
Потенциалы иониэаиии (первого электрона, аольт)
12
13
14
Рис.4. Распределение элементов в зависимости от потенциала
ионизации. Зона «Земля - Луна»
Ларин позвонил Иосифу Шкловскому...
Широкой публике астрофизик Шкловский памятен тем, что он долгие годы был
упорным сторонником множественности цивилизаций в космосе и постоянно
порывался искать братьев по разуму. А к концу жизни разочаровался и кардинально
переменил свою точку зрения по этому вопросу - стал столь же упорно и горячо
отрицать существование иных цивилизаций и считать земную цивилизацию
единственной, существующей во Вселенной... Это вообще характерно для творческих и
художественно одаренных людей - такие вот эмоционально окрашенные метания. Тем
более если вспомнить, что в молодости Шкловский мечтал быть художником-
портретистом. А стал блистательным астрономом. Что не мешало ему писать
юмористические миниатюры и новеллы.
Природная веселость нет-нет, да и проявляла себя в Шкловском самым
неожиданным образом. Причем порой сама судьба помогала астрофизику в его
хулиганствах. Однажды после знаменитого XX съезда нашей горячо любимой партии
Шкловского в составе научной делегации судьба занесла в Грузию. И надо ж такому
случиться, перед самым вылетом из Москвы он купил и съел на улице пирожок!
Пирожок, как это часто бывало в СССР, оказался с тухлецой. И уже в автобусе,
пересекающем солнечную Грузию, московский пирожок дал о себе знать.
Сигнал из желудка астрофизик принял и правильно расшифровал. Но поделать
ничего не мог: вокруг сидел целый салон его более молодых коллег, а
местность, по которой передвигался автобус, не изобиловала ни кустами, ни
деревьями, так что просить водителя остановиться означало опозорить себя перед юной
научной порослью. И астрофизик, закусив губу, терпел адские спазмы, стараясь
удержать внутри то, что отчаянно рвалось на волю. Тянулись мучительные
минуты, десятки минут, а автобус потряхивало, и когда-нибудь организм просто не
выдержал бы! Это Шкловский отчетливо понимал.
И тут ему в голову от отчаянья пришла гениальная, как тогда показалось,
идея: автобус проезжал мимо городка Гори, где находится дом-музей Сталина. «А
не заехать ли нам поклониться Вождю?» - осторожно бросил идею в массы
Шкловский, рассчитывающий, что уж при музее-то туалет должен быть непременно! Не
сразу, но массы его поддержали, и через какое-то время автобус уже подруливал
к музею.
Музей был закрыт.
Свет померк в глазах Иосифа Самуиловича. Но тут судьба смилостивилась над
ним. Мгновенно, откуда ни возьмись, налетели тучи, и начал сеяться дождь.
Несостоявшиеся экскурсанты бросились обратно в автобус, и Шкловский остался во
внутреннем дворике музея один. Он мгновенно подскочил к запертой двери
мемориального домика, где родился Отец Всех Народов, рывком сбросил штаны и...
Трудно сказать, какое зрелище открылось на следующий день перед работниками
музейного комплекса, учитывая, что естественный позыв ученому нечеловеческим
усилием воли удалось подавлять и накапливать в течение очень длительного
времени.
Но зато потом, по его собственному признанию, астрофизик почувствовал такое
облегчение, такую солнечную эйфорию... Причем эйфория эта была не только
физического свойства, но и морального, ведь он выразил свое отношение к Лучшему
Другу Физкультурников самым адекватным и максимально доходчивым образом.
Но не всегда хулиганства Шкловского были столь безобидны. Порой он отпускал
весьма жестокие шутки! Судите сами... Будучи молодым аспирантом, Шкловский в
телячьем вагоне, столь характерном для сталинской эпохи, ехал со студентами в
эвакуацию. Что такое студенты? Галдящий, хохочущий, орущий, поющий и обильно
матерящийся народ. Шкловский, кстати сказать, сам был страшный матерщинник,
так что общий ритм на правах старшего задавал он... Однако был во всем этом
галдящем вагоне один ботан, который со всеми не матерился и вообще выбивался
из ряда хулиганствующих раздолбаев интеллигентскими манерами и хилым видом.
И вот однажды этот ботан встает с нар, подходит к Шкловскому и, обращаясь к
нему на «вы» (!), говорит:
- А нет ли у вас почитать чего-нибудь по физике?
От обращения на «вы» и от этой дурацкой просьбы Шкловский поморщился. И тут
у него созрел адский план. Дело в том, что перед поездкой он зачем-то швырнул
в свой сидор монографию Гайтлера «Квантовая теория излучения». Книжка так и
лежала мертвым грузом, поскольку, начав ее читать, Шкловский ничего не понял.
Вообще! Дальше предисловия и первого параграфа ему продвинуться так и не
удалось , несмотря на то, что он был уже аспирантом. А тут к нему подошел зеленый
третьекурсник. Сейчас будет потеха!
Шкловский достал книжку и небрежно протянул ботану:
- На, старичок. Книжка простенькая, но познавательная.
Несколько дней долговязого студента было не видно и не слышно. Он тихо-тихо
лежал на своих нарах и при свете керосинки смотрел в книгу. Шкловский и забыл
об этой суровой шутке, но когда поезд уже подъезжал к конечной станции их
путешествия, ботан подошел к разбитному аспиранту и вернул монографию:
- Спасибо. Это очень трудная, но весьма глубокая и интересная книга.
Шкловский потрясенно молчал. Его шутка, способная убить в студенте всякую
уверенность в своей физической состоятельности, едва не убила ее в аспиранте.
Как вы думаете, кто был этим дохлым студентом-третьекурсником? Его фамилия
сейчас известна всему миру. Многие называют его отцом русской водородной
бомбы. Впрочем, Андрей Сахаров - не единственный претендент на это громкое
звание . Отцом водородной бомбы называют также нобелевского лауреата Виталия
Гинзбурга, хотя возглавлял водородный проект Игорь Тамм, а эти двое были
всего лишь его сотрудниками...
Кстати, тому обстоятельству, что именно Тамм возглавил столь ответственный
проект, Виталий Гинзбург не перестает удивляться по сей день:
- Как в этот проект попал сам Тамм, я не очень понимаю. Ведь Тамм - бывший
меньшевик. Как он не сел? Он мне сам говорил, что у него всегда приготовлен
сидор с вещами на случай посадки. Тамм, например, гордился, что был
участником Первого съезда Советов. И на каком-то голосовании мандатами проголосовал
против своей фракции. Ленин зааплодировал и крикнул ему: «Браво, Тамм!..» Уже
одного этого достаточно для вышки. Младший брат Тамма - инженер - был
расстрелян ни за что ни про что. То есть Тамм был еще родственником врага
народа . Кроме того, его критиковали за идеализм. То есть было, за что его сажать,
было... Да и меня тоже. Это ведь меня бомба спасла, иначе от косточек моих
давно бы следов не осталось. Ведь грехов у меня было много! Во-первых, женился
на ссыльной, по сути, на враге народа... Во-вторых, постоянно доносы на меня и
на Тамма поступали в органы. Меня обвиняли в низкопоклонстве, а еще в
идеализме . В низкопоклонстве - за то, что часто ссылался в своих трудах на работы
зарубежных ученых. А в идеализме уже и не помню, за что. Ну и, в-третьих,
язык у меня слишком длинный. Что думаю, то и говорю...
Это правда. Крепкое словцо, точно характеризующее кого-либо, из Гинзбурга
порой вылетает3. В этом он от Шкловского недалеко ушел. Шкловский был также
необычайно острым и быстрым на язык. В 1973 году он на долгий срок стал
невыездным за то, что вместе с Сахаровым подписал письмо в защиту астронома-
диссидента Любарского. И это было сделано в то время, когда сорок членов
Академии наук в едином порыве подписали публичную декларацию, осуждающую
Сахарова . Коммунистическая партия немедленно наказала Шкловского - астрофизика не
пустили на конференцию в Гренобль, несмотря на то, что международное научное
сообщество пригласило его туда сделать один из самых престижных докладов.
И когда иностранные коллеги спрашивали, где же мистер Шкловский, выездные
советские ученые (видимо, из тех сорока, что подписали правильную бумагу)
отвечали, что «Шкловский очень занят» или что «у него очень плохое здоровье».
После серии таких ответов один американский астроном, встретившись с Иосифом
Шкловским, спросил: «Я слышал, у вас плохо со Здоровьем?» На что Шкловский
незамедлительно выдал: «Да, у меня диабет. Слишком много Сахарова!»
Никаких иллюзий по поводу советской власти Шкловский никогда не питал, и в
оценках этой власти и ее прихвостней не стеснялся. Эйзенштейна, например,
откровенно называл сталинским холуем. Просто удивительно, что кровавая коса
террора просвистела над его головой, не задев. Хотя волосы Шкловскому той
косой все же посекло, поскольку с каждый взмахом она опускалась все ближе и
ближе...
В 1936 году почти вся научная астрономическая школа в Ленинграде (около 30
человек) была арестована и расстреляна. Шкловского тогда спасла только
юность. Хотя и юность спасала не всех... Вот как позже описывал Шкловский эту
эпоху в своих мемуарах: «...стукачей у нас было мало. Но они, конечно, были, и
скоро мы это почувствовали в полной мере. Один за другим стали исчезать кое-
кто из наших товарищей... Исчезновение Коли Рачковского произвело на меня тяго-
3 Виталий Лазаревич Гинзбург умер 8 ноября 2009 г.
стное впечатление - я кожей почувствовал, что "чей-нибудь уж близок час"».
Шкловский даже не подозревал, насколько близок! Вскоре и на него лег в
партком донос, в котором молодого астронома обвиняли в троцкизме. По тем
временам такой донос, как позже вспоминал Шкловский, «был равнозначен убийству
из-за угла, причем безнаказанному».
К счастью для отечественной науки, Шкловский уцелел. Ландау однажды
посетовал, что он опоздал родиться:
«Мне бы следовало это сделать на 6-7 лет раньше». Он имел в виду, что к
тому времени, как он попал в Копенгаген к Нильсу Бору, все основные открытия в
квантовой механике уже были сделаны. Шкловскому в этом смысле повезло - он
родился и выучился аккурат к расцвету астрофизики. И успел сделать в этой
науке массу открытий и блистательных сбывшихся предсказаний...
Шкловский создал в нашей стране целую астрономическую школу. Именно ему
принадлежит всем известный термин «реликтовое излучение». Он предложил
эффектный метод «искусственной кометы», позволивший проводить оптические
наблюдения за лунными ракетами. Шкловский раскрыл тайну радиоизлучения Крабовидной
туманности, и свою статью об этом считал лучшей работой жизни. Причем если
Менделеев увидел свою таблицу во сне, то Шкловскому его догадка об электронах
сверхвысоких энергий в магнитных полях Крабовидной туманности тоже явилась в
некоем полусонно-сомнамбулическом состоянии, в которое он внезапно впал в
трамвае №17, идущем от Пушкинской площади до Останкино. За те 45 минут, что
полз трамвай, стиснутый толпой Шкловский успел провести весь теоретический
расчет, а приехав домой, в свой останкинский барак, сел и на едином дыхании,
без помарок написал в «Доклады Академии наук» свою знаменитую статью. Эта
статья вызвала в мире целый взрыв научного интереса и шквал новых
исследований...
Неискушенной публике, которой электроны до фонаря, масштаб этого человека
лучше всего продемонстрирует отношение к нему мировой научной элиты. В
соответствии с негласным табелем о рангах, сложившимся в США, Шкловский по своему
научному весу равнялся Эдварду Теллеру - отцу американской водородной бомбы и
был вхож в круг нобелевских лауреатов. Подвозивший Шкловского на частную
вечеринку к Теллеру американский ученый, который открыл одну из разновидностей
квазаров, в эту элитную тусовку не входил, о чем честно сказал Шкловскому:
- Что вы! Теллер - это такая величина! Я не могу к нему просто так прийти...
Вот этому-то титану с международным именем, «живому богу астрофизики»,
другу обоих отцов советской водородной бомбы, члену Национальной академии наук
США и позвонил наш скромный Ларин.
Шкловский от встречи отказался.
Это было вполне естественным поступком: в Академию наук часто звонят разные
сумасшедшие, чтобы познакомить научную общественность со своими теориями об
устройстве мироздания. Как правило, они вполне безобидны и единственный вред
от них - потеря времени. Но порой эти граждане бывают очень опасны. Один из
таких психов, за что-то обидевшись на большую науку, решил покарать ее в лице
Сергея Капицы, набросившись на того с топором. Капицу спасла только хорошая
реакция - он перехватил топор и шарахнул обухом нападающему в лоб. И этот
случай был не единственным. Другой сумасшедший изобретатель вечного двигателя
чуть не запорол отверткой директора философского института.
Шкловского тоже одолевали психи: «Помню, например, как меня, так же как и
всех московских астрономов, одолевал один особо одержимый псих, который
изобрел уникальную оптическую систему под названием «телескоп-микроскоп»
(«посмотришь с одного конца - телескоп, с другого - микроскоп»)... Запуск первого
советского искусственного спутника Земли и последовавшие после этого бурные
события подействовали на них примерно так же, как валерьянка на кошек... Атаки
на мою персону стали особенно ожесточенными после запущенной по моему предаю-
жению искусственной кометы - облака паров натрия, выпущенного с борта
спутника . Опыт действительно производил впечатление, особенно когда такая комета
образовывалась в верхних слоях атмосферы. Хорошо помню, например, отклик на
этот эксперимент одного психа-баптиста, содержащий такие строчки: «Куды
пущаете ракету! Забыли церкву и собор!» А когда в 1962 году вышла моя книга
«Вселенная, Жизнь, Разум», для меня настали совсем тяжелые времена...»
Один из таких психов даже прислал Шкловскому свою новую теорию Вселенной,
написанную четырехстопным ямбом. Вот только формулы ему уложить в
«онегинскую» рифму не удалось, поэтому они торчали из строк в разные стороны...
Так что реакцию Шкловского на предложение Ларина встретиться вполне можно
понять. Но Ларин был неумолим, он названивал с завидной периодичностью, а
светило мировой науки раз за разом под надуманными предлогами отказывалось
согреть своими лучами никому не известного геолога. Причем Шкловский
беседовал с Лариным вполне грамотно - так, как и нужно разговаривать с
ненормальными - мягко и заботливо. Он то ссылался на плохую погоду, говоря, что не
простит себе, если, идя к нему, Ларин простудится и, не дай бог, помрет, то
выдумывал еще какую-то столь же вескую причину для отказа.
Тут еще вот какая штука... Ларин медленно говорит, и в телефонной беседе это
вполне может насторожить незнакомого собеседника: а не с сумасшедшим ли я
имею дело? Да и весь внешний вид, а также манеры доктора геолого-
минералогических наук Владимира Ларина эту настороженность только
подкрепляют. Во-первых, Ларин слишком похож на ученого из какого-нибудь XIX века -
копна волос, усы, интеллигентская бородка, тонкие очки, смахивающие на
пенсне . Явный псих! К тому же он, когда шутит, делает это с совершенно каменным
выражением лица, повергая собеседника в состояние растерянности.
Тем не менее, настойчивость Ларина и врожденная интеллигентность
Шкловского , которая не позволяла ему просто бросать трубку, привели, в конце концов,
к результату - они встретились. Это историческое событие случилось по месту
работы Шкловского, и астрофизик сразу увел Ларина подальше от своих
сотрудников - в коридор. Ларин думает, что Шкловский сделал это из опасения: «Там
ведь были беззащитные женщины!» А мне кажется, Шкловский просто постеснялся
при коллегах унижать себя беседой с сумасшедшим.
Они сели на диван, стоявший в коридоре. Иосиф Шкловский внимательно
осмотрел внешность собеседника - торчащие волосы, глубокие глаза, наверняка
отметил некую флегматичность манер, после чего со всей возможной еврейской
мягкостью спросил:
- Скажите, вы шизофреник?
И вот здесь Ларин не растерялся:
- Нет, - ответил он со своим обычным каменным выражением лица. - Хуже. Я
невротик.
В глазах Шкловского мелькнул испуг, но он быстро взял себя в руки и
успокаивающе спросил:
- А в чем разница?
- Шизофреник уверен, что дважды два - пять, и его это совершенно не
беспокоит . А невротик твердо знает, что дважды два - четыре, и его это страшно
нервирует.
Шкловский расхохотался, расслабился и протянул руку:
- Давайте, что у вас там?
Ларин извлек талмуд текста, и Шкловский отдернул руку:
- Нет-нет-нет! Читать ничего не буду! Расскажите в двух словах.
Двух слов не понадобилось. Ларин просто протянул астрофизику те самые три
графика, которые вы видели выше. И тут же сам смог убедиться в мгновенной
реакции и необычайно остром уме Шкловского. Едва взглянув на график, тот пора-
женно воскликнул:
- А разве Хойл этого не сделал?!..
И тут же сник:
- Да, Хойл этого не сделал...
Некоторое время Шкловский сидел молча, совершенно потрясенный простотой
того, что должен был сделать и не сделал английский ученый, находившийся
буквально в полушаге от подтверждения своей гениальной догадки.
- Почему же он этого не сделал?..
После этой краткой диванной беседы астрофизик Шкловский пригласил геолога
Ларина выступить у них на семинаре - рассказать астрофизикам про ту часть
астрофизики, которая так долго ускользала от их внимания, будучи столь
очевидной...
«Да что, черт возьми, такого необычного в этих графиках?» - наверняка
останется в недоумении читатель, фамилия которого не Шкловский, не Хойл и не
Ларин. А то, что подтверждение хойловской догадки Лариным позволило последнему
определить состав исходного вещества планеты. И это привело к таким выводам,
с которыми многим ныне живущим ученым согласиться невероятно сложно. Уж
слишком нетривиальные вещи вытекают из тривиальных графиков! Слишком непривычные...
А к чему же привыкла старая научная школа?
Если спросить любого ученого, как устроена Земля, он отошлет к детской
энциклопедии или научно-познавательному фильму ВВС. Эти материалы в доступной
форме ознакомят интересующихся с устройством нашей планеты, расскажут, что у
нее есть внутреннее железное ядро, есть силикатная мантия и тонкая оксидная
кора. Такова устоявшаяся точка зрения.
Но верна ли она? А если верна, то насколько?
Если настойчиво начать спрашивать у геологов, откуда они знают про железное
ядро Земли, они отмахнутся и отправят вас к геофизикам. И будут правы:
геология - наука поверхностная. В том смысле, что ковыряет она самую-самую
поверхность планеты, причем делает это в сугубо практических целях - для поиска
полезных ископаемых. Максимальная глубина пород, с которым имели дело геологи,
- 150 км. Оттуда иногда выдавливает куски через кимберлитовые трубки. А о
том, что находится ниже, геологи могут только строить предположения. То ли
дело геофизики или космогонисты! Вот те занимаются делами масштабными!..
Однако, если вы придете к «масштабным» геофизикам или космогонистам, они
отошлют вас обратно к геологам. Потому что наличие твердого ядра внутри
планеты методами геофизики доказать-то можно, но из чего оно сделано... Спросите у
геологов, им виднее, они говорят, что ядро из железа. Значит, так оно и есть.
Любопытно, что всяких разных теорий происхождения Земли (есть теория
изначально горячей Земли, есть теория изначально холодной Земли и пр.) у космого-
нистов много, но все они самым удивительным образом рисуют одну картину:
силикатная оболочка - железное ядро. Потому что подгоняют задачу под уже
известный ответ. Но откуда взялся сам ответ-то?
К середине прошлого века, когда начали бурно развиваться космогонические
теории о зарождении Солнечной системы, в геологии уже была теория о
силикатной оболочке планеты и ее железном ядре. И эту теорию планетологи просто
включили частью в свою теорию. С тех пор и в космологии, и в геологии одна
общая теория на всех. Но никто за нее отвечать не хочет. «Космисты» считают,
что в конкретном устройстве планеты компетентнее геологи, потому что они
каждый день ее ковыряют и все знают про базальты, породы, вулканы; геологи бурят
планету на километры... А геологи, в свою очередь, полагают, что инструментарий
для исследования глубоких недр есть только у геофизиков. Ведь именно они
открыли наличие твердого ядра внутри планеты!
Действительно, открыли. Правда, еще раньше это сделали математики и
астрономы. Уже в середине XIX века, исходя из некоторых особенностей вращения
планеты, они поняли, что плотность Земли неравномерна: в центре она гораздо вы-
ше, чем у поверхности. Через полвека появилась новая наука - сейсмология. Она
изучала землетрясения, которые оказались весьма полезными для изучения
внутренней структуры планеты. Дело в том, что землетрясение посылает по планете
сейсмические волны. И поскольку разные среды проводят волны по-разному, по
характеру их прохождения можно судить о том, что внутри нашего шарика.
В первые десятилетия прошлого века вся планета покрылась сетью сейсмостан-
ций. Как по сейсмической тени от землетрясений было найдено ядро планеты,
вполне ясно из приведенного ниже рисунка.
Очаг
землетрясения
Рис.5. Схема распространения сейсмических волн внутри планеты.
Была даже определена плотность этого ядра. Но вот из чего оно сделано?
Предположили, что из железа. Идея эта родилась не на пустом месте. Железо -
устойчивый, тяжелый и очень распространенный в природе материал. Отличный
кандидат на заполнение центра планеты!
Данные сейсмологии тоже вроде бы говорили в пользу железа: скорость
распространения сейсмической волны через земное ядро была близка к скорости звука в
железе. Раз похоже на железо, значит, железо и есть, чего тут долго думать!..
Правда, хулиганистый Хойл, предостерегая коллег от подобных поспешных
выводов, однажды тиснул в очень солидном научном журнале публикацию о том, что
Луна сделана... из швейцарского сыра. Дело в том, что скорость распространения
звука в сыре и в лунном реголите (лунном грунте) совершенно одинаковы. В
конце своей сенсационной статьи Хойл даже написал короткий стишок про сыр и
Луну, напоминающий детскую считалку. Шутка гения. Эйнштейн когда-то тоже язык
фотографу показал. Так до сих пор везде с высунутым языком и висит...
Модель Земли, которая в XX веке утвердилась в головах ученых, выглядит
следующим образом: после того, как планета собралась, наконец, из космического
хлама в кучку, она разогрелась до высоких температур, железо в ней
выплавилось и стекло вниз, к центру планеты, а шлаки всплыли вверх, как это бывает в
домне. Так получилось железное ядро и силикатная мантия.
Анализ метеоритного вещества будто бы подтвердил эту гипотезу: метеориты
бывают железные, а бывают каменные (силикатные). И вроде бы все сходится: вот
оно, межпланетное вещество, из которого формировались планеты!
На вопрос о том, как получилось, что внешние планеты - газовые пузыри, а
внутренние - твердые и железные, отвечали следующим образом. Солнечный ветер
легко выдувал легкие элементы таблицы Менделеева к краю системы, и из них
сформировались газовые гиганты. А тяжелые элементы более инерционны, поэтому
они остались вблизи от Солнца, и из них сформировались планеты земного типа -
маленькие и тяжеленькие.
Что ж, вчерне эта теория неплохо описывала действительность. Но постепенно
начали накапливаться факты, ей противоречащие. И, как обычно бывает, поначалу
эти факты почти не замечались. Когда всплывает некий факт, противоречащий
существующей теории, на теорию тут же ставят заплатку - вносят небольшое
уточнение, которое с натяжкой могло бы этот факт объяснить. Так ставили когда-то
заплатки на птолемеевскую модель, так Хойл ставил заплатки на модель
стационарной Вселенной... Видимо, противоречащие факты должны накопиться в некую
критическую массу, прежде чем рвануть...
И они накапливались.
Лет через двадцать после Второй мировой войны физики, которые занимались
взрывным обжатием металлов, обнаружили, что при высоких давлениях (таких, как
в центре Земли) плотность железа ощутимо больше плотности земного ядра. Тут
же предложили заплатку: допустим, там не чистое железо, а с примесями
углерода, калия, еще чего-нибудь. Они и уменьшают плотность. Если примесей примерно
25%, то плотность как раз должна совпасть. Ну, ладно, вроде подогнали под
ответ .
Но заплатки тем и плохи, что вызывают новые вопросы, в ответ на которые
тоже нужно ставить заплатки... Допустим, в ядре Земли железо с примесью. Но
почему тогда в метеоритах нет таких примесей? Ведь железные метеориты как раз и
были одним из аргументов в принятии гипотезы железного ядра! Но заплатку на
заплатку ставить уже как-то совсем несолидно, поэтому ответа на этот вопрос
никто так и не дал.
Кстати, о метеоритах! Как вовремя они тут подлетели... Анализ метеоритного
вещества показывает, что там полно золота, ртути и платиноидов. Ну, что
значит полно? Это значит, что распространенность драгоценных металлов между
Марсом и Юпитером, откуда к нам прилетают метеориты, в 100 раз превышает их
содержание на Земле, а ртути там вообще в 1000 раз больше, чем здесь. Как такое
может быть, если солнечный ветер гнал к окраинам Солнечной системы легкие
элементы? А такие тяжелые, как драгметаллы и ртуть, должны были остаться
вблизи светила. То есть, это на Земле их должно быть в 100-1000 раз больше, а
не за Марсом!
Или взять германий. Германий втрое тяжелее кремния. Значит, отношение
германий/кремний в поясе, где сформировалась Земля, должно быть больше, чем в
поясе астероидов. Так ведь ничего подобного - все наоборот!.. Чертовщина
какая-то.
Но если вспомнить догадку Хойла, которую доказал Ларин, то все сразу
становится на свои места. У золота и платины высокий потенциал ионизации. От них
трудно оторвать электрон, поэтому они дольше сохраняют электронейтральность.
Соответственно, эти элементы может гораздо дальше протащить через прутья
магнитных силовых линий. Их и протащило! Поэтому золота и платины в поясе
астероидов (в метеоритах) больше, чем на Земле.
Ну, сами посудите, что общего у тяжелой, металлической и очень легкоплавкой
ртути с углеродом - неметаллическим, легким и тугоплавким? Это ж просто
химические антагонисты какие-то!.. Ан нет! Есть у них одно общее! И это общее -
потенциал ионизации первого электрона. Именно поэтому такие непохожие друг на
друга ртуть и углерод оказались вместе, рядышком - между Марсом и Юпитером.
Аналогичная ситуация с серой, осмием, бериллием, иридием... Их в метеоритах
полно.
А чего в метеоритах мало? В метеоритах мало цезия, урана, рубидия, калия...
Они легко ионизируются, легко тормозятся магнитным полем. Поэтому на Земле их
больше, чем на Марсе. А на Меркурии их должно быть вообще немерено!
Все, вроде, складывается... И, значит, теперь мы можем определить, из чего же
на самом деле сделана Земля. Все данные для этого у нас есть. Потенциалы
ионизации химических элементов известны. Состав первобытной туманности также
знаем - он соответствует составу Солнца. Состав Солнца нам известен
прекрасно, за четыре миллиарда лет горения он почти не изменился, разве что часть
водорода выгорела и превратилась в гелий. Ну, еще малость лития и бериллия
поизрасходовалось - на копейки буквально. А все остальное осталось в
первозданной сохранности!
Решение задачки - внизу, в таблице.
Таблица 1
Исходный состав протопланетного вещества в зоне формирования Земли
Элемент
Кремний
Магний
Железе
Кальций
Алюминий
Натрии
Кислород
Углерод
'Гора
Азот
Бод:»рсд
Атомные проценты
1'--',-•
1*.
■Л 1Г
0,9
1,'J
0 7
0,6
0,03- С1,3
0,01 -0,1
менее 0,01
Весовые проценты
?1
12
,_
1,-'
1,0
С: ,С)3-0,3
С, 03 -0,3
менее 0,01
4,?
Здорово, правда? И совсем не похоже на то, что рисует устоявшаяся теория.
Железа тут совсем мизер. На ядро явно не хватает. Для железного ядра -
такого, какое якобы есть в центре Земли, железа должно было быть как минимум 40
весовых процентов. А его вчетверо меньше... Да и с силикатной оболочкой не
очень хорошо получается. Чтобы у Земли была мантия из силикатов, ей нужно как
минимум 30 весовых процентов кислорода. А его в тридцать раз меньше! Но зато
у нас теперь полно кремния, магния, водорода.
Кстати, о водороде...
В рамках старой «теории железного ядра и силикатной оболочки» водорода на
Земле почти нет. А тот мизер, что есть, давным-давно связан кислородом и
плещется в виде воды в наших кранах и океанах. Но в новой картине мира...
В новой картине мира водород переворачивает все. Буквально все! Он самым
кардинальным образом меняет картину прошлого, настоящего, а главное, будущего
нашей планеты.
Черт возьми, я взволнован...
Глава 3.
А у вас тут
уплотнение!..
Слушайте, при таком обилии водорода внутри планеты все остальные элементы
там должны быть в виде гидридов, то есть соединений с водородом. Простому
человеку это ни о чем не говорит. Металловеду говорит многое, очень многое.
Потому что, с одной стороны, свойства металлов, насыщенных водородом,
удивительны настолько, что сторонний человек может в них просто не поверить. С
другой, несмотря на это, металлогидриды еще не полностью изучены, и все время
подкидывают исследователям что-нибудь новенькое.
Большую часть (87%) массы нашей планеты, как теперь выяснилось, составляют
металлы - магний, железо, кальций, алюминий, натрий и кремний, который
является полупроводником при обычных условиях, но при огромных давлениях в недрах
Земли становится металлом, по свойствам близким к титану. Водорода же по весу
всего 4,5%. Но по количеству атомов его больше всех в нашей планете: 59%
атомов планеты - это атомы водорода (см. таблицу). Почему так получается? Потому
что он очень легкий.
Водород - самое простое вещество во Вселенной. Он имеет в таблице
Менделеева номер 1. То есть состоит из одного протона и одного электрона. Если
водород ионизирован, то есть с его орбиты сорвало электрон, остается только ядро
атома - протон. По сути, одна-единственная элементарная частица. Крохотная,
беззащитная, одинокая... «Но дел успел наделать он немало», как поется в
известной блатной песне.
Пара слов о растворимости водорода в металлах. Представьте себе
металлический кубик со стороной в один сантиметр. Его объем, стало быть, 1 кубический
сантиметр.
Как вы думаете, сколько таких же объемов водорода можно растворить в этом
кубике? Половину кубика? Один кубик? Два? Может быть, семь?
Нет. Сотни, а при некоторых условиях тысячи объемов водорода можно
растворить в одном объеме металла! Ну, с газообразным водородом это еще не так
пробирает, а вот с жидким водородом картина становится совсем шокирующей.
Жидкость , как известно, несжимаема. Но!.. В один кубический сантиметр магния
можно влить полтора кубических сантиметра жидкого водорода. Это так же
удивительно, как если бы в стакане чая можно было растворить полтора стакана
сахара. И, тем не менее, сие - лабораторно установленный факт, который даже
планируется использовать в технике - для производства топливных баков водородных
автомобилей...
А что произойдет с нашим кубиком металла после того, как он проглотит
несколько тысяч кубиков газа? Его бока раздуются, как у худой бочки, и он
станет рыхлым? Нет, напротив - кубик ужмется и станет более плотным!
Стакан чая, в котором мы растворили полтора стакана сахара, ужался по
половины стакана!..
Да как такое может быть?..
И что вообще означают слова «растворить газ в металле»?..
Лично для меня это не вопрос. Потому, что я окончил Московский институт
стали и сплавов, и знаю, что в металлургии при производстве стали ее
продувают водородом, чтобы лишить вредных примесей (кислорода). Как происходит
продувка? По-разному. Иногда водород продувают через жидкую сталь во время ее
варки. Это всем понятно... Когда кому-то говоришь, что металлурги продувают
сталь водородом, люди обычно именно так и представляют себе этот процесс:
жидкая сталь, продуваемая снизу пузырьками газа. Потому что есть бытовой
аналог - газировка с пузырьками...
Но иногда продувку ведут и другим способом: водород продувают через
раскаленные слитки, то есть через твердое тело. И водород сквозит через твердую
сталь так же легко, как вода через решето. Да, собственно, именно это и
происходит - крохотный водород запросто пролетает сквозь сито кристаллической
решетки металла.
При растворении водорода в металле водородный атом лишается электрона и ос-
тается один голый протон, который легко просеивается внутри слитка. А
электрон уходит в зону проводимости металла, то есть присоединяется к общим,
коллективным электронам металла, которые свободно в нем бегают. Именно эта
«коллективная собственность» на электроны и делает металлы электропроводниками.
При приложении к металлическому кабелю электрического поля коллективные
электроны, не принадлежащие персонально никакому атому, но принадлежащие всем
атомам на правах «равной долевой собственности», начинают по проводнику свой
коллективный бег, который мы называем электрическим током.
Но водород может не только физически растворяться в металле, но и вступать
с ним в химическую реакцию с образованием так называемых гидридов. В гидридах
водород присутствует уже не в виде голого протона, а в виде аниона, то есть
протона, вокруг которого крутятся два электрона. Запомним этот важный факт:
он нам понадобится через пару-тройку абзацев.
А пока выясним, как на гидриды влияют температура и давление, ведь в центре
планеты очень горячо и давление там - дай боже! Оказывается, это влияние
разнонаправленное. Чем больше давление, тем больше растворимость водорода в
металле . Чем сильнее давишь - тем больше водорода можно натолкать в металл. И с
какого-то момента водорода в металле становится так много, что уже начинает
идти химическая реакция между ним и металлом - образуются уже упомянутые ме-
таллогидриды.
Температура действует ровно наоборот. Если гидриды нагревать, они начинают
разлагаться, потому как с ростом температуры растворимость водорода в металле
падает, и образец начинает активно «газить» водородом... Получается, что
ситуация в центре планеты очень неоднозначная: давление действует в одну сторону,
температура в другую. И для того, чтобы в этой ситуации разобраться, нужно
ответить на несколько вопросов.
Вопрос первый. Что будет, если начать обжимать металл? Может ли он
уплотняться и за счет чего?.. Говорят, что вода несжимаема. Тогда металл,
наверное, еще больше «несжимаемый», ведь он твердый? Оказывается, сжать металл
(уплотнить его) все-таки можно. Если постараться, конечно.
Сначала уплотнение идет за счет того, что в металле начинают исчезать все
дефекты кристаллической решетки - закрываются поры и микротрещинки, атомы
утрамбовываются до так называемой плотнейшей упаковки. Если твердые шарики
сложить в ящик максимально плотно, получится как раз то, что в кристаллографии и
называют плотнейшей упаковкой. Больше резервов для уминания нет: все
промежутки между шариками меньше самих шариков. Дальнейшее уплотнение материала
может идти только за счет сминания самих шариков. Но можно ли смять атомы?
Можно, как ни странно. Ведь атом внутри практически пуст. Если ядро атома
увеличить до размеров спичечной головки, то мы увидим, что размер всего атома
увеличится до габаритов Большого театра. То есть орбита самого дальнего
электрона как раз охватит здание театра. А все пространство внутри театра будет
практически пустым.
Возьмем тот же углерод и раздуем его. Что видим? Видим в центре Большого
театра спичечную головку, состоящую из шести протонов и шести нейтронов. А
вокруг нее на расстояниях в десятки метров мельтешат шесть крохотных, не
различимых глазом точек, масса каждой из которых в 24 000 раз (!) меньше массы
нашей спичечной головки. Атом пуст!
И если давление растет, радиус атомов может уменьшаться: его внешние
электронные орбиты стягиваются поближе к ядру, уменьшая габариты всей
конструкции. При этом, чем более рыхлый мы имеем атом, тем больше его податливость.
Рыхлый атом - это атом, у которого во внешней электронной оболочке «совсем
почти ничего нет», то есть болтается там всего один электрон, который «легко
уговорить». А вот если электронов на внешней орбите восемь, их уже
«уговорить» потесниться сложнее...
Самые «уговариваемые» атомы - щелочные металлы: у них на внешней орбите по
одному электрону, причем радиус орбиты этого электрона вдвое больше радиуса
внутренних орбит, на которых крутятся все остальные электроны. Такого наглого
одиночку легко подвинуть - ишь, раскинулся!..
Взять, например калий. Его номер в таблице Менделеева 19-й. То есть у калия
19 электронов. Причем 18 из них шебуршатся на внутренних орбитах, поближе к
ядру, а один - на внешней. И эта внешняя орбита занимает объем в пять раз
больший, чем внутренняя! Ну, как его не попросить подвинуться? И просят... При
давлении в 100 атмосфер калий, например, уплотняется в 2 раза. А дальше?
Дальше - хуже. Когда внешний электрон притиснут к внутренним, начинается
возмущение перенаселением, и процесс резко затормаживается. Увеличили
давление вдвое, до 200 атмосфер, а калий уплотнился совсем чуть-чуть - до 2,3
единиц. Даешь 250 атмосфер! Получи, поганый калий!.. Нет. Не «получает». График
сжимаемости выходит на плато. Дальше давить бесполезно. Металл перестает
уплотняться . Чё делать будем?..
А ничего тут уже не поделаешь. Не хочет. Говорит, некуда уже. И тут самое
время задаться вторым вопросом.
Вопрос второй. А как ведет себя при сжатии металл, в котором содержится
водород? Берем гидрид этого самого калия и... Ты смотри, что творится! Мы еще
даже сжимать не начали, а замер показывает, что плотность гидрида калия при
атмосферном давлении в 1,7 раз выше, чем у чистого калия. Что же дальше-то
будет?
100 атмосфер. Плотность 2,5 единицы.
200 атмосфер. Плотность 3 единицы.
250 атмосфер. Плотность 3,5 единицы.
Плотность растет линейно и даже не думает останавливаться!.. Что там вообще
происходит? Почему металл с примесью уплотняется лучше, чем без примеси,
хотя, по идее, должно было быть наоборот?.. Тут надо вспомнить, что водород в
металлогидриде представляет собой протон с двумя электронами. Откуда взялся
лишний электрон? А от калия, больше неоткуда. При образовании химической
связи между калием и водородом калий теряет один электрон, а водород
приобретает , превращаясь в пузатый гидрид-ион. Гидрид-ионы большие и «рыхлые». Их
очень легко сжать, потому что, собственно говоря, и сжимать-то там особо
нечего - один протон, вокруг которого крутятся два электрона. Сплошная пустота.
Водород - это вам не атом металла, который может состоять из полутора сотен
протонов и нейтронов и почти сотни электронов! Водород - фитюлька нехитрая...
И когда давление прижимает электронные орбиты к водородному ядру, гидрид-
ион становится таким маленьким, что легко умещается в дырочках между крупными
«шарами» атомов калия. Точнее, не атомов, а ионов калия - это важное
примечание, поскольку теперь наш калий живет без одного электрона (который перешел к
водороду), то есть без внешней электронной оболочки. Поэтому ион калия почти
вдвое меньше, чем атом калия, ведь именно внешняя оболочка составляет 5/6
объема атома.
Атом сам разделся, «просить» не пришлось. А если еще и «попросить» с
помощью хорошего давления, то «раздетому» атому будет легче сжиматься, поскольку
электронная теснота уже не так плотна, как в чистом калии.
На рисунке внизу схематически показан процесс уплотнения гидрида калия и
сжатие пузатых гидрид-ионов, которые теперь помещаются в промежутках между
ионами калия.
И так ведет себя не только калий. Аналогичным аномальным образом сжимаются
литий, натрий, рубидий, кальций и другие металлы. Но нас с вами интересуют не
эти ничтожества, а магний и кремний - основа нашей планеты.
Если у магния сорвать внешнюю электронную оболочку, то его размер здорово
уменьшится. Диаметр атома магния - 3,2 ангстрема. А диаметр положительного
иона магния, лишенного двух электронов, всего 1,3 ангстрема. С кремнием та же
хрень: диаметр полного атома кремния - 2,7 ангстрема, а «без башни» - 1,1.
в условиях
при нормальном высоких
давлении давлений
Рис. 6. Уплотнение гидрида
Что это означает на практике? Это означает, что при определенных условиях
плотность магния и кремния может вырасти в 14 раз и превысить плотность
золота. Таков теоретический предел плотности гидридов магния и кремния. Это
полностью снимает аргумент противников металлогидридной Земли о том, что у
магния и кремния недостаточная плотность, чтобы быть «кандидатами на ядро».
Действительно, плотность земного ядра, измеренная методами геофизики, составляет
12,5 г/см3, а плотность кремния 2,3 г/см3, магния - 1,74 г/см3. Маловато. Но
если учесть, что плотность гидридов кремния и магния может быть увеличена до
14 раз, то вполне хватит. Причем с большим запасом..
Глава 4.
Чудеса в решете.
Точнее, в решетке.
Теперь, отдав должное металловедению и кристаллографии, вновь вернемся в
прошлое и посмотрим, что происходило дальше с нашей туманностью, которая до-
эволюционировала наконец до глобул - разреженных газовых шаров по миллиону
километров в диаметре. Именно так выглядела когда-то наша будущая Земля.
Впрочем, слово «выглядела» здесь совершенно неуместно, поскольку прото-земля
была невидима в силу своей разреженности - ее плотность в 1000 раз меньше
плотности воздуха. Смотреть не на что! Абсолютно прозрачный шар, который и
газовым-то назвать можно с некоторой натяжкой. Почти вакуум!
Но постепенная гравитационная конденсация вещества приводила к его
разогреву. Тот же самый процесс мы уже наблюдали ранее в протосолнце, когда
стискивание газа привело к его нагреву до полутора-двух тысяч градусов и легкому
бордовому свечению. Однако дальнейшего нагрева - до двух-трех тысяч градусов
- на Земле не произошло. Потому что энергия гравитационного сжатия теперь
расходовалась уже не на нагрев, а на создание химических связей между
водородом и металлами. Дело в том, что реакции образования гидридов
эндотермические, то есть идут с поглощением тепла. Получается, что тепловая энергия
самым буквальным образом запасалась, аккумулировалась в гидридах. Чтобы потом
высвободиться и дать толчок теперь уже не космической, но геологической
истории планеты.
Выше мы «проходили», что давление способствует проникновению водорода в ме-
таллы. А температура, напротив, способствует разложению металлогидридов. На
первом этапе работало именно давление, формируя металлогидридное ядро
планеты. Причем, поскольку процесс шел с поглощением тепла, ядро не нагревалось до
той температуры, при которой гидриды уже начали бы разлагаться, высвобождая
водород обратно. Это случилось позже...
Это случилось тогда, когда радиогенное тепло разогрело недра новенькой,
только что из-под пресса, планеты. Радиогенное тепло - это тепло от распада
радиоактивных элементов. Когда-то короткоживущие (время жизни около миллиона
лет) радиоактивные элементы сыграли свою роль в эволюции небулы: ионизировали
нейтральный газ, благодаря чему стала возможной магнитная сепарация
элементов . А вот теперь уже «долгоиграющие» радиоактивные элементы типа урана
сыграли свою роль в запуске геологического двигателя нашей планеты.
Что это за двигатель такой? Да очень просто. Следите за мыслью...
Неспешный распад трансурановых начал постепенно прогревать планету изнутри
по всему ее объему. И металлогидриды начали постепенно разлагаться.
Химические связи «металл - водород» рвались, и освобожденный водород, для которого
металл «прозрачен», устремлялся наружу. Разумеется, сначала металлогидриды
начали распадаться там, где их не сдерживало давление, - неподалеку от
поверхности планеты. И постепенно этот процесс продвигался вглубь.
Через какое-то время планета расслоилась на несколько геосфер, вложенных
друг в друга, как матрешки. Внутри планеты оставалось тяжелое и очень плотное
ядро из металлогидридов. Его окружил пояс металлов, в которых гидриды уже
разложились, и теперь это были просто металлы с обильно растворенным в них
водородом, который интенсивно утекал вверх. С течением времени, по мере
радиогенного прогрева, слой металлов расширялся, а металлогидридное ядро
уменьшалось из-за распада гидридов.
Заметьте важную деталь. Вот уже 4,5 миллиарда лет внутри Земли работает
радиоактивная печка. А Земля не нагрелась, не расплавилась. Почему? Потому что
избыточное тепло интенсивно отводится утекающим вверх водородом. Который,
достигнув поверхности планеты, затем улетает в открытый космос. Об этом у нас
еще будет конкретный базар...
Заметьте еще одну важную деталь. Улетающий из металлогидридного ядра
водород прошивает окружающую ядро металлическую оболочку. А что делает водород,
прошивающий металл? Мы это тоже проходили! Он выносит из металла кислород. И
это значит, что в результате водородной продувки практически весь кислород,
ранее равномерно размазанный по объему планеты, оказался вынесенным к ее
поверхности. Именно поэтому складывается ощущение, что кислорода на нашей
планете полно. Нет, не полно! Его, как и указано в таблице, всего 1% от массы
Земли. Просто теперь весь этот процент сосредоточен у поверхности планеты, а
не в ее объеме. И только поэтому его хватило на формирование океанов,
атмосферы и даже тонкой силикатной (окисной) корочки планеты.
(У самых внимательных граждан, имеющих отношение к науке, может возникнуть
вопрос: а почему на рис. 3 мы видим «кислородную аномалию», которая не
укладывается в генеральную линию? Не означает ли это, что кислорода на планете
все-таки больше, чем один весовой процент?.. Не означает. На графике дано
относительное содержание элементов в системе Земля - Солнце. При этом данные об
относительном содержании элементов на Земле получены, разумеется, с помощью
изучения земной поверхности, поскольку с глубины более 150 км у нас образцов
нет. А так как весь кислород выдуло именно к поверхности, он и дал такой вот
выброс, «сделав вид», что его много.)
Ну и что же мы имеем в итоге? Давайте подобьем бабки, если бабок не жалко...
В самом центре планеты мы имеем пока еще не исчезнувшее металлогидридное
ядро диаметром 2750 км. Его называют внутренним ядром, потому что есть еще
внешнее ядро, состоящее из исчезающих гидридов вперемешку с металлами, кото-
рые просто насыщены водородом. Толщина этого слоя 2100 км, а вместе
внутреннее и внешнее ядра составляют Большое ядро Земли.
Большое ядро окружает металлосфера толщиной примерно в 2750 км. Как ясно из
названия, она состоит из сплавов разных металлов на основе кремния, магния и
железа. Водорода там практически нет.
Наконец, сверху Землю покрывает тоненький слой силикатов и окислов толщиной
до 150 км.
И никакой, как видите, силикатной мантии. Никакого железного ядра. Потому
что железа на Земле очень мало. Да и кислорода кот наплакал...
Что нам известно о строении планеты из геофизики?
...Нам известно, что плотность при переходе от мантии (в нашей парадигме она
называется металлосферой) к внешнему ядру меняется скачком - от 5,5 г/см3 до
10 г/см3.
...Известно, что за магнитное поле Земли отвечает внешнее ядро - именно там
поле и генерируется.
...Известно, что внешнее ядро не пропускает поперечные сейсмические волны.
Это говорит о том, что оно жидкое. Об этом же говорят данные о приливных
колебаниях внутри Земли: если бы вся Земля была сплошь твердой, то приливные
колебания на ее поверхности были бы слабее тех, что фактически наблюдаются.
...Известно, что внутреннее ядро твердое, а не жидкое - об этом говорит
характер отражения от него продольных волн, а также тот факт, что внутреннее
ядро может проводить поперечные волны.
Как теория металлогидридной Земли объясняет жидкий верхний слой земного
ядра?
Вопрос непростой. Потому что и высоколобым металлофизикам, и простым
металлургам у мартена давным-давно известно: растворенный водород охрупчивает
металл. А вовсе не делает его пластичным и уж тем более жидким. Тут уж одно из
двух: либо неверна теория о металлогидридном ядре планеты, либо... металл
водородом не охрупчивается. В смысле, охрупчивается, но не всегда. Но такие факты
науке не были известны. Ну, значит, нужно их найти!
Именно такая задача встала перед Владимиром Лариным, о котором мы уже
говорили выше. Правда, там он прошел у нас в тени великих - Хойла и Шкловского, -
а теперь выступает на авансцену. Потому что сейчас для гипотезы изначально
металлогидридной Земли, выдвинутой Лариным, настал момент истины.
До этого ларинская теория прекрасно объясняла все известные факты, плюс те
вновь открытые, которые в старую теорию не укладывались и на которые
«староверам» приходилось ставить временные заплаты. Но теперь настал черед
рискованных предсказаний. Нужно было предсказать нечто немыслимое, никем никогда
не наблюденное, совершенно неочевидное и более того - противоречащее здравому
смыслу.
И Ларину ничего не оставалось, кроме как такое предсказание сделать. Он
пришел в Институт физики твердого тела АН СССР и попросил физиков проверить
одну «дурацкую идею» - о том, что «наводороженный» металл хрупок только при
низких давлениях. А вот с некоторой, довольно большой, величины давления он
перестает быть хрупким и начинает течь. Причем течь при комнатной
температуре , без нагрева!
Разумеется, его подняли на смех и с помощью математики и теории твердого
тела тут же, как дважды два доказали, что это принципиально невозможно. Ларин
прикинулся дурачком-геологом, мудреных формул физики не понимающим, и
продолжал настаивать, попутно вслух сетуя на свою малограмотность. Физики
растрогались, пожалели дурачка и перешли на более понятный «простому геологу»
образный язык:
- Поймите! То, что вы нам предлагаете проверить, звучит для нас так, как
если бы мы сказали, что перед входом в институт сидит на скамейке живой пите-
кантроп. Вы бы в это поверили?
Ларин встал. Физики облегченно вздохнули, подумав, что убедили странного
чудака, и он сейчас уйдет. Но тот неожиданно предложил: «Пошли, проверим?
Возможно, вы окажетесь правы».
Пошли, проверим?.. Это именно то, для чего пришел к физикам Ларин. И те, в
конце концов, сдались. Конечно, их капитуляции весьма поспособствовал
последний козырь, выложенный Лариным на стол, - письмо из Академии наук СССР, в
котором Академия просила подведомственное учреждение посодействовать Ларину в
эксперименте.
Они сдались... Пустой, с их точки зрения, по результативности, но затратный
по усилиям и деньгам, эксперимент было решено проводить на Урале - только там
была подходящая аппаратура. Но и эта аппаратура дико разочаровала Ларина:
оказалось, все, что мог предложить Советский Союз по давлению, - это только
12 000 атмосфер. А нужны были давления большие, много большие, как в центре
Земли!
Но делать было нечего, и, внутренне упав духом ниже плинтуса, Ларин передал
уральцам образец титана, насыщенного водородом, - TiH.
- А что вы, собственно, ожидаете получить? - спросили его, забирая образец.
- Ну, нечто вот такое, - сказал Ларин и от руки намалевал кривую на
графике. Нарисовал, как он сам позже рассказывал, «от фонаря». И уехал домой.
А через несколько дней раздался звонок, и его попросили срочно приехать.
Ларин сорвался с места. Перед ним молча положили результаты экспериментов.
Экспериментальный график полностью совпал с тем, что нарисовал Ларин на
клочке бумаги! Он смотрел и не верил собственным глазам.
Вообще, чистый титан обладает некоторой пластичностью, которая почти не
зависит от давления. А вот титан, напичканный водородом, - полностью хрупок. Он
хрупок при атмосферном давлении. Он хрупок при десяти атмосферах, хрупок при
ста, хрупок при тысяче... Наводороженный титан хрупок при двух тысячах
атмосфер, трех тысячах, четырех тысячах. Он хрупок при пяти тысячах атмосфер...
Пластичность «испорченного водородом» титана равна нулю. Иными словами,
графика его пластичности попросту «не существует» - нельзя же назвать графиком
прямую линию, которая тянется прямо по оси абсцисс, показывая полный ноль
пластических свойств на оси ординат! Неудивительно, что никому никогда и в
голову не приходило давить этот титан дальше.
Но после шести тысяч атмосфер происходит чудо - график медленно начинает
отрываться от оси, показывая ненулевые значения! И чем ближе давления
подбирались к предельным для установки 12 тысячам атмосфер, тем круче, буквально
по экспоненте, график забирался вверх. И, в конце концов, на пределе
возможностей оборудования наводороженный титан потек!
- Этого не может быть! Этого просто не может быть, - ошарашено крутил
головой Ларин. На него смотрели с подозрением:
- А где вы об этом прочитали?
Пришлось колоться, рассказывать физикам про свою геолого-астрономическую
теорию. Те внимательно выслушали и вынесли для себя тот полезный факт, что
перед ними открылась совершеннейшая научная целина в области
материаловедения, на которой можно собрать богатый урожай. И наверняка с той поры не один
уральский физик защитился на ниве изучения свойств металлов с растворенным в
них водородом...
А нам нужно пометить галочкой, что был блистательно выполнен важнейший
пункт, который переносит гипотезу в ранг теории, - рискованное и весьма
неожиданное предсказание оправдалось. Причем выполнен этот пункт был «в чужой
весовой категории» - в рамках совершенно другой науки, более солидной и общей
- в рамках физики.
Аплодисменты...
Когда Ларин снова пришел в Институт физики твердого тела, где его не так
давно подняли на смех, пугали питекантропом и, в конце концов, отправили на
Урал, он имел одну цель - показать этим фомам неверующим графики, чтобы
жестоко их посрамить. Однако жестоко не вышло... Физиков вообще трудно посрамить
неожиданным результатом. В отличие от психологов, историков и прочих
философов, физики народ практичный и привыкли верить экспериментальным данным
больше , чем выдуманным из головы построениям. Неожиданный факт их скорее радует,
чем печалит. Так, во всяком случае, полагает Ларин. И я, пожалуй, с ним в
этом соглашусь...
Увидев графики, работники института удовлетворенно поцокали языками и
спросили Ларина, как он объясняет этот результат? Ну, должна же у него была быть
какая-то модель поведения этого TiH, которая объяснила бы сей удивительный
феномен.
- Модель есть, - согласился Ларин. - Но вам она не понравится...
И изложил свое видение.
...Размеры атома металла очень велики по сравнению с ядром атома водорода,
который, по сути, - одиночный протон. Протон меньше атома металла в 100 000
раз! Их размеры соотносятся как маковое зернышко с тридцатиэтажным
небоскребом. Ну, учитывая, что атомы металла под давлением сжимаются в несколько раз
за счет «пружины электронных оболочек», пусть будет маковое зернышко и пустой
шестиэтажный дом... Что мешает зернышку-протону проникнуть в «прихожую» этого
шестиэтажного дома - прошмыгнуть за внешнюю электронную орбиту? Кулоновское
отталкивание положительно заряженного ядра? Но оно экранировано электронами,
вращающимися на внутренних орбитах.
Скорость диффузии водорода в металле известна - она огромна: водород
проходит по слитку металла за секунды такое расстояние, для преодоления которого
другим элементам потребуются годы. При такой-то скорости, отчего бы ему не
залететь внутрь атома? Но если проникновение постороннего протона под верхнюю
электронную оболочку атома возможно, то для внешних электронов это будет
равнозначно увеличению эффективного заряда ядра. Значит, внешние электроны
притянутся к центру, сжав свои орбиты. Иными словами, атом уменьшится в размере
- на тот момент, пока в нем гуляет чужой протон.
А что это означает для теории пластичности? И почему вообще металлы
обладают пластичностью? Мне легко это объяснить, я по этому делу уйму курсовых и
лабораторных работ сдавал. И я вам сейчас в двух абзацах расскажу то, чему
меня учили пять лет, в пять минут сделаю из вас металлурга...
Если металл нагреть до красноты, его легче деформировать. Потому что атомы
в кристаллической решетке горячего металла приобретают такой размах колебаний
(амплитуда колебания атомов и есть температура), что атомам становится легче
перескакивать с места на место под внешним давлением. Один колебнулся, а
другой на освободившееся место - прыг!.. Это называется диффузной пластичностью.
А также ковкой, прокаткой, горячим прессованием...
Но металлы пластичны и в холодном состоянии! Почему? Потому что они
дефектны. В смысле, в их кристаллической решетке полно дефектов, которые носят
разные названия - вакансии, дислокации... Вакансия - это недостаток атома в узле
кристаллической решетки, дырка, проще говоря. Дислокация - как бы ступенька в
кристаллической решетке, нарушение правильного расположения атомов в ней.
Дефекты облегчают атомам металла перескакивание с места на место под
влиянием внешнего давления, ведь ясно, что для перемещения атома в дырку нужно
приложить меньше энергии, чем для того, чтобы протиснуть его между плотно
сидящими атомами. Так вот, когда гуляющие в металле протоны заскакивают под
верхнюю электронную оболочку атома, и атом сжимается, то ему, маленькому,
становится легче протискиваться среди сородичей. Появление в металле большого
количества свободных протонов, которые периодически ужимают мириады атомов в
узлах кристаллической решетки, приводит к тому, что такая решетка становится
«мигающей», подвижной, пластичной...
Вот такое объяснение пластичности дал физикам-твердотельцам Ларин. И был
немедленно поднят на смех. Ему было сказано, что диффузной пластичности при
комнатной температуре не бывает... Что при комнатной температуре бывает только
пластичность, основанная на дефектах кристаллической решетки. Наверное, при
большом давлении просто больше дислокаций образуется, вот он и потек, этот
ваш TiH...
Казалось бы, какая разница, если эксперимент все равно подтвердил правоту
Ларина? А чем уж там объясняется аномальная пластичность гидридов при высоком
давлении... Да не все ли равно!
Но разница была. Ларину очень хотелось, чтобы протоны проникали внутрь
атома, потому как ему нужно было объяснить, отчего внешнее ядро планеты,
состоящее из металла с растворенным водородом, гораздо плотнее окружающей его ме-
таллосферы, где водорода практически нет. Он полагал, что именно из-за
проникновения протонов в «шевелюру» атомов - под первую электронную оболочку.
- Ну а как доказать, что верно мое объяснение, а не ваше? - спросил Ларин
физиков.
- Если докажете, что работает именно диффузный механизм водородной
пластичности !
«Докажу!» - подумал Ларин. И пошел на помойку...
Глава 5.
Бриллиантовый дым
На помойке всегда валяется множество отличных вещей. Ларину приглянулась
старая чугунная батарея. Он отколол от нее кусок и, довольный, пошел домой.
Идея была проста, как все гениальное, - вырастить в батарее алмазы.
Чугун - это твердый раствор углерода в железе, в котором углерода больше 2%
(если углерода меньше 2%, твердый раствор называется сталью - вы теперь, как
металлурги, должны это знать). Из литературы известно, что присутствие в
металле водорода уменьшает растворимость в нем углерода. То есть если «нагази-
ровать» чугун водородом, вытесненный углерод должен из раствора выпасть так
же, как выпадает соль из перенасыщенного рассола - в виде кристалликов. А что
такое кристаллики углерода? Правильно...
А что означает рост кристаллов? Это означает, что ранее расположенные по
отдельности, растворенные во всем объеме образца, атомы углерода сбежались в
кучу. Причем сбежались не по жидкому расплаву чугуна, а по твердому металлу!
Таким образом будет доказано, что водород резко облегчает диффузию атомов в
кристаллической решетке - что и просили физики.
Но вот можно ли вырастить алмазы в батарее - это вопрос!.. Вообще-то
выпадение углерода в чугуне бывает. Если при плавке чугуна в нем получается
слишком много углерода, то его потом под микроскопом можно найти на
отполированном срезе в виде графитовых шариков, которые, кстати говоря, называются так
же, как протопланетные туманности - глобулы. Теоретически графит начинает
превращаться в алмаз, начиная примерно с 750°С и при давлениях от 35 килобар.
Но при этих условиях алмазы никто не синтезирует: они растут так медленно,
что роста ждать придется годами. Алмазы синтезируют при температурах выше
1200°С. Это хлопотнее, но Зато быстро и приятно.
Однако Ларин собирался получить алмазы именно при 750°С. Если алмаз
получится, значит, он с помощью водорода ускорил диффузию в твердом теле. Что и
требовалось доказать.
Кусок бывшей батареи вместе с источником водорода заложили в установку
высокого давления, нагрели и несколько минут подержали. Всего несколько минут.
А не месяцев и не лет. Дальнейшее было делом техники - образцы кидают в
кипящую царскую водку, чтобы растворить железо, и остается только небольшая
темная кучка, состоящая из примесей, карбида железа, графита... Этот порошок
помещается под микроскоп и внимательно разглядывается.
«Навозну кучу разгребая...» Приникший к микроскопу экспериментатор осторожно
шевелил стальной иглой дорожку темного мусора, когда в глаза ему сверкнул
переливающийся всеми цветами радуги прозрачный октаэдр. Сначала один. Потом
другой, третий, десятый... Алмазы были крохотные - от 0,3 до 0,7 мм, но они
были! В присутствии водорода скорость роста алмазов, то есть диффузии углерода
сквозь кристаллическую решетку металла, выросла в тысячи раз. Это ли не
прекрасно?
Впоследствии, не снижая температуры, Ларин снизил давление в установке с 35
до 16 килобар. И все равно алмазы упрямо росли, хотя в теории уже давно
должен был выделяться только графит. Алмазы были чертовски красивые - и чистой
воды, и разноцветные, а некоторые даже в виде звездочек - с лучиками!
Надо сказать, этот способ сулит большие барыши, поскольку существенно
удешевляет процесс производства искусственных алмазов за счет снижения давлений
и температур. И потому Ларин не устоял. Он решил заняться производством
дешевых алмазов, захватить рынок, выйти на международный уровень... Увы!
Коммерческой жилки ему не хватило. Попытка геолога «срубить деньжат по-легкому»
закончилась печально - предупредительным выстрелом из пистолета в личный
«Запорожец» , в котором ехал производитель алмазов. Выковыряв из машины пулю, Ларин
решил, что каждый должен заниматься своим делом, и вернулся в науку. Слава
богу, она не понесла утраты...
Нет, деньги, конечно, хорошее дело. Но наука сама по себе может служить
изрядным утешением пытливому уму. И Ларин быстро утешился, поскольку надо было
решить один мелкий вопрос из разряда тех вредных фактов, которые вынуждают на
старую теорию ставить очередную заплату, а новой должны объясняться легко и
сходу.
Умные люди геофизики, изучая распространение сейсмических волн внутри
мантии, давно обратили внимание на тот странный факт, что скорость их резко
меняется на глубинах 400, 670 и 1050 километров. Сие означает, что на этих
глубинах есть резкие переходы от менее плотной породы к более плотной.
«Староверы» предположили, что по мере роста давления кристаллические решетки пород
переходят в другое фазовое состояние - более плотное. Какие там породы, что
за состояния - пёс его знает, дело темное, не подлезешь, не посмотришь, но
объяснение вроде дано...
Зато металлогидридная теория без всяких комплексов тыкает пальцем (ведь
есть же у нее палец?) в график, полученный американскими физиками. Американцы
- люди любопытные, и денег у них до хрена, вот они и испытывают все что ни
попадя - давят, плющат, растворяют... Взяли и зачем-то начали исследовать
сжимаемость кремния, сдавливая его на алмазных наковальнях. Получили график,
положили на полку - авось кому-нибудь когда-нибудь пригодится. Пригодилось
Ларину. Потому что на графике он обнаружил аккурат три скачка в плотности
кремния при росте давления.
Планета наша, если вы еще не забыли, состоит на 45% из кремния, на 31% из
магния и на 12% из железа. Соответственно, металлосфера (мантия по-старому)
состоит на шесть частей из MgSi, на три части из Si и на одну часть из FeSi.
То есть из соединений кремния и чистого кремния.
Можно спросить, а чем, собственно, заплатка на старой теории хуже новой
теории, ведь обе говорят одно и то же - что скачки плотности происходят из-за
давления?
Бес в мелочах! Во-первых, из старой теории три скачка плотности совершенно
не вытекают и для них нужно придумывать специальное объяснение. А из новой
теории они прямо следуют. Во-вторых, геофизики знают, на рубеже 400
километров скорость звука не просто скачком возрастает, но и дальше растет с
опережающим ускорением. Это значит, что после границы перехода сжимаемость
вещества увеличивается с глубиной. Старая теория, согласно которой мантия состоит
из силикатов и окислов, этого никак не объясняет: подобное поведение
силикатам и окислам не свойственно. А вот если мантия состоит из металлов и
кремния, то на переходе «полупроводник - металл» такое случается сплошь и рядом.
Аналогичная история происходит и на рубеже 1000 километров. После этой
глубины скорость распространения сейсмических волн тоже ведет себя совсем не
так, как она должна была бы себя вести в силикатах. Ее распространение на
этих глубинах поразительно напоминает распространение волны в металлах при
больших давлениях.
Ну и, наконец, последний аккорд. Кремний при больших давлениях может
уплотняться в два раза. То есть на глубине 1200 км его плотность будет равна 4,66
г/см3. А плотность мантии в этих слоях, определенная методами геофизических
исследований, равна 4,67 г/см3. Какое поразительно совпадение! И кто бы мог
подумать?..
Дорогой читатель! Быть может, ты уже подустал, сердешный, от всей этой кри-
сталло-металлографической премудрости и раздраженно спрашиваешь себя: а где
же обещанные сенсационные выводы, которые вытекают из теории металлогидридной
Земли, и которыми автор обещал потрясти меня, шокировать, перевернуть всю мою
картину мироздания и заставить расстаться с женой?
Ща все будет!
ЧАСТЬ 2. КАКОЕ
НАДУВАТЕЛЬСТВО!
Своей головушки повыше
легко в юнцах я прыгнуть мог —
да вот теперь, похоже, вышел
запас нечуянности ног!
Но я, покинув класс «салага»,
от недоскока не бешусь,
и к гравитации, как к благу,
жизнь понимая, отношусь:
спасибо, говорю я, сила,
что идеальной быть смогла —
и в землю напрочь не вдавила,
и в небе сгинуть не дала...
Борис Влахко
Людям всегда было интересно: а велик ли мир? Сколько нужно ехать, чтобы
попасть в Тридевятое царство? Где находится край света?.. Одной из причин, что
увлекли Александра Македонского в его великий поход, было желание увидеть
край света, о котором будущему полководцу так много рассказывал учитель -
Аристотель. Любовь к науке Александр Великий сохранил до последних дней своей
жизни. Не зря же в обозе его войска болталась целая толпа ученых мужей. Как
она болталась потом в египетском походе Наполеона... Умеют европейцы сочетать
приятное с полезным!..
Но первым человеком, который научно рассчитал величину мира, был греческий
ученый Эратосфен. Как и положено древним ученым, он занимался всем на свете -
математикой, философией, музыкой, поэзией, астрономией, филологией,
географией. Эратосфен переписывался с Архимедом, который исправно посылал ему свои
математические опусы. И не зря посылал: в научном мире Эратосфен Киренскии
был в большом авторитете. И должность занимал немалую: он работал ректором
Мусейона - Александрийской академии наук, как мы сейчас сказали бы.
Родившись в 276 году до нашей эры в африканском Кирене, Эратосфен рано
почувствовал тягу к знаниям. И как Ломоносов с рыбным обозом в Москву, так
Эратосфен с торговым караваном прибыл в Александрию - учиться. Впрочем, может
быть, дело обошлось и без каравана, а просто - надел сандалии да пошел, в
Африке с этим просто, нос морозцем не прихватит...
Напитавшись знаниями в Александрии, Эратосфен понял, что уровень
образования в столице Египта его не устраивает и нужно ехать в центр мировой научной
мысли - Афины. Сандалии были наготове, корабли плавали регулярно, и Эратосфен
на всех парусах отправился в Элладу.
Афины приняли аспиранта неплохо. Стихосложению Эратосфен учился у поэта
Каллимаха, философии у платоника Архесилая и стоика Аристона. Кто учил парня
математике и астрономии - неизвестно. А жаль, потому что именно эти
дисциплины и принесли ему мировую славу, докатившуюся до наших дней.
Эратосфену шел уже четвертый десяток, когда он получил личное приглашение
от потомка Александра Македонского - Птолемея III, правившего Египтом,
вернуться на родину и возглавить Мусейон, частью которого была Александрийская
библиотека. Пустить Эратосфена в знаменитую, к тому времени еще ни разу не
горевшую Александрийскую библиотеку - это было все равно, что пустить козла в
огород. С той только разницей, что Эратосфен рукописи не ел. Разумеется, он
согласился!
Реконструкция Мусейона.
Тем более, что ученые, работавшие в Мусейоне, получали из египетской казны
твердые оклады и не занимались в жизни более ничем - только наукой. Для этого
им были созданы все условия. И условия неплохие: жили они практически во
дворце, поскольку Мусейон был составной частью дворца египетских правителей.
Страбон описывал тогдашнюю Академию наук так:
«Мусейон является частью помещений царских дворцов; он имеет место для
прогулок, экседру и большой дом, где находится общая столовая для ученых,
состоящих при Мусейоне...» Экседра - полуоткрытое помещение для диспутов и чтения
лекций, которое выходило во дворик с колоннадой. Далее тянулась тенистая
аллея, предназначенная для неспешных прогулок и умных бесед.
Заседания ученого совета Мусейона исправно протоколировались, а на
обсуждении чисто научных вопросов часто лично присутствовал правитель страны - тогда
слово ученых очень ценилось.
Вот такое славное научное учреждение возглавил Эратосфен. Причем, возглавив
сей достойный институт, он не почил на лаврах, как многие современные
директора институтов и вузов, а продолжал научные изыскания. Сочинения Эратосфена
полностью не сохранились, до нас дошли только отдельные обрывки и названия
его трактатов.
«Удвоение куба» и трактат «О среднем» были посвящены проблемам геометрии и
математики. «Хронология» - первый в истории труд по научной хронологии
(именно в нем Эратосфен установил год Троянской войны). «Катастеризмы» были
посвящены описанию созвездий. А трехтомник «География» описывал географические
открытия того времени, а также содержал некоторые математические выкладки,
связанные с проблемами картографирования.
Но главным научным подвигом Эратосфена является определение размеров Земли
- ее диаметра и окружности (то, что Земля - шар, придумал не Эратосфен, это
люди понимали за сотни лет до него). Эратосфен, как житель Египта, прекрасно
знал, что город Сиена (ныне Асуан) находится на Тропике Рака или, как его еще
называют, Северном Тропике. Северный Тропик - это параллель, над которой в
день летнего солнцестояния солнце находится в зените, то есть в высшей точке
небесного купола. Севернее Тропика Рака такого не бывает никогда. Да и в
Сиене это явление случалось буквально на одно мгновение - ровно в полдень. В
этот миг солнце находится прямо над городом и освещает дно самых глубоких
колодцев .
Эратосфен соорудил астрономический прибор типа астролябии, с помощью
которого определил, что в тот момент, когда в Сиене солнце в зените, в
Александрии оно отстоит от вертикали на 7° или на 1/50-ю долю окружности. Поскольку
Сиена и Александрия находятся на одном меридиане и расстояние между ними
известно, задача имеет решение. (Расстояние между Александрией и Сиеной было
измерено египетскими землемерами еще при фараонах и равнялось примерно пяти
тысячам стадий.) Таким образом, дуга у нас есть, угол, который она стягивает,
есть. Осталось умножить...
Согласно Страбону и Теону Смирнскому, у Эратосфена получился результат в
252 000 стадий. Правда, Клеомед приводит немного другую цифру - 250 000
стадий, но, думаю, он просто маленько округлил. Если взять первую цифру и
перевести ее «на наши деньги», то получится, что по Эратосфену длина земной
окружности составляет 39 690 км. Современные книжки и учебники дают длину
экватора чуть больше 40 000 км. Ошибся древний грек на самую малость. Бывает.
Или просто Земля за это время немного подросла?..
Глава 1.
Континенты
расползаются
как тараканы
С тех пор, как люди более-менее научились составлять приличные карты, от-
крыли основные континенты и прикидочно нарисовали очертания их берегов, они
обратили внимание на одну странную деталь... Замечали эту деталь наверняка
многие, но для истории ее впервые озвучил английский философ Фрэнсис Бэкон в
начале далекого XVII века:
- А не кажется ли вам удивительным, господа, что очертание западного
побережья Африки точь-в-точь совпадает с очертаниями восточного побережья Южной
Америки? - спросил он современников.
- Кажется, кажется, батюшка, - наверняка покивали внимающие. И
перекрестились...
Прошло 300 лет, и в ту же «кажимость» уперся немецкий метеоролог Альфред
Вегенер. С именем этого человека связано начало целой эпохи в науке о Земле...
Я назвал его метеорологом. Ну да, он работал метеорологом, хотя по
образованию был астрономом. А в истории остался как геолог... Просто после получения
диплома астронома Альфред стал работать у родного брата, который занимал пост
в Линденбергской аэрологической обсерватории. Братья были шаловливые, и в
перерывах между нудными метеорологическими замерами занимались более
интересными вещами. Так, например, в 1906 году, когда Ленин, дыша альпийским воздухом,
писал в Женеве свои агитки о революции и разрушении старого мира, братья Ве-
генеры тоже устроили маленькую революцию, техническую: поставили рекорд по
продолжительности полета на аэростате - 52 часа налетали над теми же Альпами.
Не знаю, какой получился бы из Вегенера астроном, но метеоролог вышел
знатный. Говорят, его труд «Термодинамика атмосферы» кое в чем не устарел и по
сей день.
Жизнь Альфреда складывалась вполне удачно. Работа, женитьба на
профессорской дочери, две удачные экспедиции в Гренландию, работа в университете...
Война , правда, все перекосила. Пришлось надеть погоны и несколько лет повоевать.
Однако военный период его жизни закончился удачно - думаю, во времена, когда
миллионы людей погибают, контузию и два ранения можно посчитать за удачу. А в
целом военную лямку Вегенер оттянул от звонка до звонка - с 1914 года и до
самого конца Первой мировой.
После войны пошла размеренная профессорская жизнь, но покоцанное ранениями
здоровье не ослабило неуемного духа Вегенера. Он достал где-то большой ящик,
наполнил его мягкой глиной и начал швырять туда камни. Таким образом
исследователь изучал Луну, точнее, процесс образования на ней знаменитых кольцевых
кратеров: Вегенер предполагал, что это следы от ударов метеоритов. Видимо, в
жизни Вегенера настало время разбрасывать камни...
А параллельно всем остальным занятиям Вегенер работал над главной проблемой
своей жизни. Интерес к ней возник у Альфреда задолго до увлечения лунными
кратерами, он пронес его через всю войну, госпитали, гренландские экспедиции...
Как и английский философ когда-то, Вегенер еще в юном возрасте обратил
внимание на поразительное совпадение контуров материков: если вырезать из карты и
сложить Африку с Южной Америкой, они сложатся точь-в-точь, как две ложки.
Таких совпадений не бывает! Это явно не случайность! Они были когда-то вместе,
а потом разошлись!.. С другой стороны, континенты не плоты, чтобы плавать по
океану.
Или плоты?..
Чтобы доказать, что Южная Америка и Африка были когда-то одним континентом,
а потом взяли и разъехались, Вегенер не ограничился только их бумажным
склеиванием. Он начал изучать геологию, палеонтологию и палеоклиматологию обоих
континентов, ища между ними общее. И находил его все больше и больше. Идея о
том, что континенты, разделенные океаном, были когда-то одним целым, казалась
достаточно безумной, чтобы быть правдивой.
Из геологии выяснилось любопытное обстоятельство: горные породы на одном
континенте являются как бы продолжением пород на другом континенте - и по
времени их образования, и по расположению. Континенты выглядели так, словно
причудливой линией разрезали слоеный торт и разнесли два куска. Человеку,
лично не наблюдавшему процесс разрезания, все равно ясно, что когда-то эти
куски были одним целым, - это видно и по линии разреза, и по слоям в торте,
которые в обоих кусках расположены в одном порядке и имеют одинаковую
толщину.
Палеонтология подбросила Вегенеру идентичность флоры и фауны, когда-то
имевшую место на всех континентах Южного полушария - в Америке, Африке,
Австралии и даже в Индии.
Палеоклиматология подкинула факты о позднепалеозойском площадном оледенении
в низких широтах Южного полушария. И эти факты тоже свидетельствовали о былом
единстве всех континентов...
Шерлок Холмс в подобных ситуациях говорил: отбросьте все невозможные
версии, и тогда останется одна верная - какой бы невероятной она не казалась.
Если найден труп с проломленным черепом и тремя ножевыми ранениями в спине,
вряд ли это самоубийство. Даже если смерть произошла на необитаемом острове...
Континенты были найдены Вегенером с «проломленными» породами, которые
начинались на одном континенте, обрывались и через тысячи километров, как ни в чем
не бывало, продолжались в том же порядке на другом.
Собрав все улики, Вегенер неопровержимо доказал, что когда-то разные
континенты представляли собой один континент. Единственная неувязка - континенты
не умеют плавать. Мысль о плавающих континентах всем казалась дикой.
Механизма их движения наука не Знала. Ну, так ищите его! Придумайте! Ведь тот факт,
что материки когда-то были единым целым, доказан. Осталось придумать, как это
могло произойти.
Увы, не только в экономике, но и в науке немалую роль играет такая вещь,
как человеческая психология. Только если в экономике психология вздымает и
обрушивает рынки, то в науке она, в основном, тормозит новые идеи. Особенно
если они кажутся дикими, а именно такой была вегенеровская идея дрейфующих
континентов. Это просто бред какой-то!..
Именно так наука к изысканиям Вегенера и отнеслась. Между тем широкая
публика зачитывалась брошюрой Вегенера «Происхождение континентов и океанов», ей
очень нравились ездящие туда-сюда континенты! Публике вообще по приколу
рисковые идеи - и популярность их у широких масс служит дополнительным стимулом
недоверия для большой науки. Это много позже тоненькую брошюрку Вегенера с
пожелтевшими страницами назовут «крупнейшим явлением в геологической
литературе» и даже будут сравнивать с трудом Коперника «Об обращении небесных
кругов» . А тогда книга хоть и стала бестселлером и была переведена на
английский, шведский, русский, испанский и французский языки, но научным
сообществом была воспринята весьма неоднозначно.
Кто-то с фактами, приведенными Вегенером, соглашался, а кто-то не хотел. Но
поскольку факты опровергнуть было нельзя, опровергали автора. Вегенера ругали
за дилетантизм, за то, что он, не будучи геологом, полез в геологию, и т.д. и
т.п.
Вегенер в подобного рода дискуссии не ввязывался. К тому времени у него уже
было столько фактов, подтверждающих общность континентов, что очередное
переиздание его книги в 1929 году содержало уже больше 200 страниц.
За три года до прихода Гитлера к власти Вегенер погиб в гренландской
экспедиции. Это был очень тяжелый поход. Экспедиция столкнулась с большими
сложностями - острой нехваткой продуктов для зимовки, поломкой аэросаней... Да к тому
же еще соратник Вегенера отморозил ноги, и Вегенеру на метеостанции пришлось
ампутировать ему пальцы подручными средствами. И поскольку на всех до весны
пропитания хватить не могло, Вегенер оставляет своих коллег на станции
собирать научные данные, а сам с другом уходит в никуда, в белое безмолвие...
Интересно, останься Вегенер в живых и прояви он личную активность в
публичных дискуссиях и конференциях, как отнесся бы к его теории новый вождь нации?
Гитлер был большим любителем чудаковатых теорий! Но Вегенер погиб и больше не
надоедал науке своими открытиями.
Правда, после него осталась книга, разросшаяся с 90-страничной брошюрки до
солидного тома. Двести страниц фактов трудно опровергнуть одним криком:
«Дилетант !». Поэтому на теорию Вегенера постепенно просто перестали обращать
внимание, тем более что автор о себе уже не напоминал. Теория стала
маргинальной. О самом Вегенере тоже предпочитали не вспоминать. О мертвых либо
хорошо , либо ничего. Лучше ничего...
И только во второй половине XX века, после потрясающих открытий в области
геологии океанов, после появления более-менее приемлемой модели того, как
могли бы двигаться континенты, чистый гол, забитый Вегенером, был засчитан.
Факты, им нарытые, наука, так уж и быть, приняла, потому что этим фактам
появилось какое-то объяснение. А маргинальная вегенеровская теория дрейфа
континентов , переплавившись в земной магме, органической частью вошла в теорию
«Тектоники плит».
Вы наверняка не раз слышали это словосочетание - «тектоника плит».
Нашумевшая теория!.. Но мало кто из простых людей имеет представление о том, как эта
теория объясняет «поползновения» континентов. Сейчас поимеете...
Но прежде отмечу, что не придумать хоть какого-то объяснения движущимся
континентам было нельзя, поскольку далее не замечать их расползания стало уже
невозможно. Замеры, сделанные с помощью спутников, показали: Африка уезжает
от Южной Америки со скоростью 2 сантиметра в год. Кроме того, были уточнены
подводные границы материковых плит, и компьютерное моделирование показало,
что не только Африка с Южной Америкой, но и все остальные континенты
прекрасно стыкуются по границам плит в единое целое.
Наконец, в мировом океане была открыта сеть срединно-океанических хребтов и
впадин, напоминающая шов на теннисном мячике и опоясывающая весь шарик.
Первым в 1956 году открыли Срединно-Атлантический хребет. Он представляет собой
«двойную» горную цепь - два параллельно тянущихся хребта с глубоким ущельем
между ними. Ущелье называется рифтом. Это образование тянется по всему дну
Атлантического океана с севера на юг ровно посередине между Южной Америкой и
Африкой.
Атлантический рифт есть не что иное, как огромная воспаленная, вспухшая
трещина с застывшей коркой по краям. Она гноится раскаленной лавой, которая
вытекает из трещины почти по всей ее длине и растекается по краям, застывая.
Поэтому ближе к трещине находятся самые молодые породы - только-только
застывшие, дальше располагаются породы постарше, а у берегов Африки и Южной
Америки - самые старые. Этот факт подтвердило бурение... По сути, в середине
океана происходит постепенное и неотвратимое расширение морского дна. Оно и
раздвигает континенты в разные стороны... Аналогичные трещины потом были
открыты и в других океанах. Через них из глубин планеты все время поступает новое
вещество, расширяя дно мирового океана.
Первая мысль, которая пришла в голову первооткрывателям атлантической
трещины: Земля расширяется! И неудивительно, ведь именно это они увидели своими
глазами... Но поскольку Земля расширяться не может - это же не надувной шарик!
- стали искать другие объяснения. И придумали Тектонику плит.
Упрощенно, эта теория рисует следующую картину. Вся поверхность планеты
состоит из нескольких плит, которые плавают по нижележащим раскаленным и
пластичным породам, как льдины в воде. Внутри планеты образуются медленные
конвенционные потоки пластичного вещества, которое медленно поднимается из
глубин, изливается из трещины между континентальными плитами и расходится в
стороны, расталкивая материки.
Резонный вопрос: если вещество постоянно поступает из глубины на
поверхность, то, что же там остается? Пустота, что ли? Значит, потом вещество
должно где-то уходить обратно в глубь планеты, чтобы восполнить расход!.. Верно.
Вещество в расплавленном виде поступает наверх в центре океана и застывает.
Его подпирают следующие порции расплава. Застывшие породы океанского дна
продвигаются, как на конвейере, до ближайшей континентальной плиты, потом
подныривают под континентальную плиту и уходят обратно в глубину - на переплавку.
При этом, когда одна плита подныривает под другую и трется об нее,
нагреваясь, она провоцирует землетрясения и вулканическую активность. Зоны
поступление вещества - рифты. А зоны его ухода в глубины - океанические желоба, узкие
и длинные впадины.
Рис. 7. Зона субдукции в океане, тое есть ухода коры вниз. Так
представляет себе проиходящее теория тектоники плит.
На первый взгляд, теория вполне нормальная (если забыть о том, что ничем не
подтвержденная). Действительно, если внутри Земля горячая, и мы знаем, что
оттуда на поверхность порой выплескивается расплавленное вещество, то почему
бы этому расплаву внутри планеты не образовать гигантские конвекционные
ячейки, по типу тех, которые образуются в кастрюле кипящей воды? В этих ячейках
нагретое вещество поднимается вверх, остывает и опускается вниз неподалеку от
места подъема. Круговорот воды в кастрюле. Причем таких ячеек в кастрюле
может быть несколько. А чем Земля не кастрюля?..
За пару десятилетий Тектоника плит разработала довольно сносную модель,
которая рисовала общую картину внутренностей планеты и объясняла, отчего
двигаются континенты, образуются горы и впадины... Вегенер был посмертно
реабилитирован и превратился из презираемых научных диссидентов в солидного
основоположника. А Тектоника плит стала основной догмой геологии сегодняшнего дня.
Догмой настолько привычно-непоколебимой, что в США, например, ни один научный
журнал по геологии никогда не опубликует статью, если в ее основе лежит не-
что, противоречащее Тектонике плит. Там это считается лженаукой. Точно так же
в XVIII веке Французская академия наук без рассмотрения отвергала все
сообщения о падающих с неба камнях, поскольку библейские сказки о тверди небесной
наукой к тому времени были со смехом опровергнуты - ученые уже знали, что
никакого твердого свода небес нет, а есть сплошной газ, и откуда тогда камни?..
Прошло довольно много времени, прежде чем наука разрешила себе поверить в
факт наличия в природе метеоритов и занялась их изучением с таким же
энтузиазмом, с каким доселе отвергала само их существование.
В общем, Тектоника плит сейчас воцарилась в науке. И все-таки, несмотря на
официальное коронование, ее тирания вызывает у многих ученых глухой ропот.
Некоторые злые языки, которым не мешало бы дать окорот, смеют говорить, что
тектоника не является научной теорией, поскольку базируется не на эмпирике, а
на голой идее, и только «множит парадоксы». Конечно, таких болтунов нужно
было бы повылавливать по темным кабакам, где они ведут свои крамольные речи, и
вырвать их поганые языки, но, увы, времена нынче стали до неприличия
либеральные, и доходит до того, что порой в научном мире этим инакомыслящим даже
подают руку! Но, бывает, на них сильно обижаются и, покраснев, покидают
аудиторию, если подобные насквозь аморальные типы в ней присутствуют. (Подобный
случай будет описан ниже.)
С начала XX века геологи разбились на две партии. В начале века преобладали
те, кто говорил, что континенты, аки лодки, плавать не могут, а все двести
страниц фактов, накопленных Вегенером, просто чудесные совпадения. Этих
скептиков, запрещающих континентам двигаться, назвали фиксистами. Их противников,
утверждающих, что континенты могут ездить туда-сюда, именовали мобилистами. К
середине века силы партий уравнялись. А после 70-х годов XX века возобладали
мобилисты.
Этот непримиримый спор тупоконечников с остроконечниками продолжается до
сих пор4. И что самое поразительное, и те и другие правы! Спутниковые Замеры,
тонны фактов, накопленных Вегенером, открытие рифтов и расширения океанского
дна, а также данные палеомагнитных исследований - все это говорит об одном:
континенты расползаются, черт бы их побрал!
Но и фиксисты правы тоже. Они приводят такое множество фактов против
Тектоники плит, что собравшему эти факты в одну кучу открывается потрясающая
картина: оказывается, вся теория тектоники плит представляет собой, по сути,
лоскутное одеяло, где заплата сидит на заплате.
Если материковые плиты ползут по планете, как переводная картинка по мокрой
бумаге, то почему их не покорежило и не порвало? Ведь по сравнению с
диаметром Земли и с площадью континентов литосферная плита - тонкая пленочка. Ее
толщина всего 150 километров.
Что такое 150 километров? Это расстояние от Москвы до Твери. Представьте
себе большую, примерно метр на метр, карту Евразии и на ней пару миллиметров
между двумя рядом сидящими кружочками - Москвой и Тверью... Такова в буквальном
смысле толщина Евразии с точки зрения Тектоники плит. Прочувствовали
соотношение величин? При перемещении этой пленочки огромными движущимися массами
внутри планеты ее неминуемо должно было замять-изорвать. Чего не наблюдается...
Дальше... Давным-давно известно, что корни континентов - например,
материковые разломы - прослеживаются на сотни километров в глубину. Порой корни
тектонических и магматических процессов тянутся аж до ядра планеты и даже чуть
глубже! Как может плавать по десне зуб, корни которого торчат в челюстной
Вражда между тупоконечниками и остроконечниками, то есть между теми, кто разбивал
яйца с тупого и острого конца — аллегорическое изображение всякого бессмысленного
противоборства на идеологической почве. Источник выражения — сатирический роман
Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера».
кости?.. Один только этот факт может убить Тектонику плит. И убил бы, если бы
у науки была другая модель ползающих туда-сюда континентов.
Еще дальше... Тектоника плит почему-то никак не прослеживается в далеком
прошлом планеты - ранее одного миллиарда лет. А должна была бы.
Наконец, бурение суши и дна океанов показало, что породы, слагающие
океанское дно, на порядок моложе, чем материковые плиты. Возраст материков
примерно 3 миллиарда лет. А возраст океанского дна совсем детский - всего 200
миллионов лет. Причем некоторые участки океанского дна - те, которые близки к
трещинам (рифтам) - вообще имеют возраст в считанные миллионы лет.
Получается, что океаны - это совсем недавние образования, им не больше 200 миллионов
лет, в то время как континенты - патриархи планеты, их возраст сравним с
возрастом Земли.
Как все это увязать вместе? Разве могут быть правы и те, и другие? Если
континенты двигаться не могут, как не могут зубы плавать во рту, поскольку
вросли корнями в челюсть, то почему радиоастрономические наблюдения фиксируют
скорость их расползания, равную 2 см/год? Почему расширяется дно океанов?
Континенты и движутся, и не движутся. Объяснение этому может быть только
одно...
Собственно говоря, решение загадки было настолько очевидным, что приходило
в головы разным людям сотни раз, и настолько диким, что немедленно после
прихода отбрасывалось. Но мы знаем закон Шерлока Холмса: если не работают все
остальные версии, остается одна - правильная, какой бы невероятной она ни
выглядела...
Земля расширяется.
Сопоставив все на тот момент известные ему факты, впервые эту идею высказал
русский ученый Юрковскии еще в конце XIX века. Над ним посмеялись. Планета не
каучуковый шар, чтобы раздуваться!.. Но чем дальше, тем большее количество
людей приходило к тому же выводу. После Юрковского в 1933 году к этому выводу
пришел немец Хильгенберг. За ним были Кери, Хизен, Кирилов, Фогель, Нейман... И
сегодня, порывшись в журнале «Отечественная геология», вполне можно
обнаружить статью Радюкевича «К вопросу о скорости и геологических следствиях
расширения Земли в мезозое и кайнозое» или материал Барышева «О гипотезе
расширяющейся Земли». А в мировой научной литературе запросто можно наткнуться на
работу австралийских палеомагнитологов П. Шмидта и Б. Эмблтона, которые в
результате проведенного ими исследования пришли к выводу, что около 1,6
миллиарда лет назад радиус Земли составлял всего около 55% от современного...
В 1976 году немецкий ученый Клаус Фогель на конференции в Вердау
продемонстрировал научному миру созданный им прозрачный глобус весьма хитрой
конструкции. Верхняя прозрачная оболочка глобуса соответствовала привычной нам
поверхности планеты - с контурами континентов и океанов. А внутри этой
прозрачной внешней оболочки была еще одна - маленькая - Земля, на которой те же
самые континенты, не изменившись в размерах, а просто сместившись внутрь,
образовали одну сплошную поверхность планеты. Без океанов.
Мне кажется, стоит один раз увидеть такое, как в мозгах нормального
человека моментально должно наступить прояснение. Увы! Геологи люди не нормальные.
Они люди заинтересованные. Вся их биография, благополучие и карьера, методика
обучения ими студентов складывались совсем на других представлениях. Ломать
жизнь? Нет! Во всяком случае, не сразу. Одного прозрачного (во всех смыслах)
глобуса для этого явно мало. Ибо Земля не может раздуваться!
Над глобусом Фогеля и предположениями о раздувающейся планете многие
смеются, как когда-то потешались над Вегенером (до того, как его объявили гением и
основоположником). И не от хорошей жизни ученые позволяют над собой смеяться,
а от безысходности: идея о раздувающейся планете действительно идиотская,
хотя только она все объясняет. Правда, иногда сторонники растущей Земли сами
давали повод преизрядно над собой пошутить. А виной всему чрезмерная
доверчивость некоторых из них! Скажем, советского ученого Владимира Неймана однажды
развели, просто как ребенка. Нейман был горячим сторонником теории раздувания
Земли, и кто-то из палеонтологов подкинул ему факт, говорящий о разрыве
материков : в Америке-де на самом берегу была найдена голова и половина скелета
динозавра, а вторую половину его скелета и хвост нашли аккурат напротив - в
Африке. И Нейман повелся! Нейман поверил в этот детский розыгрыш!
После чего его просто перестали воспринимать всерьез. Так же, как фантазера
Игоря Яницкого - руководителя Центра инструментальных наблюдений за
окружающей средой, который вместе с коллегами из Объединенного института физики
Земли (ОИФЗ) РАН пытался объяснить расширение Земли холодным термоядерным
синтезом, каковой синтез якобы идет во внешнем ядре планеты... Да, это выглядит
очень глупо. Но не менее глупо выглядит раздувающаяся Земля. Именно поэтому
«серьезные» ученые смеются над такой идеей. И то, что эта отчаянная идея раз
за разом возникает в ученой среде, говорит о многом.
В настоящий момент с идей раздувания Земли сложилась та же ситуация, что в
начале прошлого века - с Вегенером. Он собрал кучу фактов, которые
неопровержимо доказывали: ребята, когда-то все континенты были единым целым, а сейчас,
как видите, нет... Над ним смеялись не потому, что он был неубедителен (против
фактов не попрешь), а только и исключительно потому, что не было никакого
механизма , никакой теории, которая могла бы объяснить расползание материков.
Сейчас фактов накоплено неизмеримо больше, чем имел Вегенер. И всю их
совокупность можно объяснить только расширением планеты.
Давайте по фактам...
Корни континентов лежат много-много глубже, чем нужно для их дрейфа
согласно Тектонике плит. Эти корни тянутся порой на сотни километров вглубь. И,
значит, перемещение материков по поверхности планеты невозможно. Это факт.
Когда-то континенты составляли единое целое. А теперь нет. Их растащила
неведомая сила и продолжает растаскивать... Это факт.
Океаны моложе континентов... Это факт.
И все это значит, что когда-то на Земле были только континенты, а океанов
не было. И все нынешние материки, составленные по линиям границ, вместе
представляли собой сферическую земную кору. Сплошную.
А когда Землю начало раздувать, кора растрескалась, и континенты развело на
раздувшейся планете. При этом их глубокие корни остались там же, где и были.
Между континентами образовались вогнутости - океанское дно, которое образует
молодая тонкая кора, похожая на тонкую кожу, только-только затянувшую рану.
Причем не полностью затянувшую - трещины продолжают источать расплав,
который , затвердевая, постоянно образует дно океана на расширяющейся планете.
И единственная причина, по которой это простое, как все гениальное,
объяснение до сих пор не принято современной наукой, - отсутствие даже намеков
ответа на вопрос: а отчего же она раздувается? Это ж не резиновый мячик! Она
ведь железная...
Глава 2.
Приколись!..
Для того чтобы более наглядно представить себе происходящее, вспомним, что
получилось внутри нашего планетного пирога после того, как гравитационное
сжатие превратило протопланету во вполне приличную планету, которую позже
назовут Землей.
В центре новорожденной находилось внутреннее ядро - твердый шар, состоящий
из металлогидридов - химического соединения металлов с водородом. Оно было
очень плотным, поскольку, как мы знаем, при большом давлении гидрированный
металл может повышать свою плотность до 14 раз.
Плотное гидридное ядро окружено жидкой оболочкой, состоящей из металлов с
большим количеством растворенного в них водорода. Это уже не гидрид, то есть
не химическое соединение металла с водородом, а простой физический раствор
водорода в металле: на этой глубине для образования гидридов просто не
хватает давления. Металл с высоким содержанием водорода тоже имеет свойство
уплотняться, хотя и в меньшей степени, чем гидрид, но зато гидриды хрупкие, а на-
водороженный металл может течь, как вода, даже в холодном состоянии, что
прекрасно доказали физики по просьбе Ларина. Мы привыкли, что металлы становятся
жидкими при очень высоких температурах. Но, оказывается, нагрев можно
заменить наводороживанием и давлением (для этого на данных глубинах давления
хватает)... Именно существование этого текучего слоя позволяет Земле иметь
магнитное поле, о чем позже еще будет сказана пара добрых слов.
Выше жидкого слоя идет слой сплавов различных металлов, уже растерявших
свой водород.
Ну и, наконец, покрывает все это дело тонкая корочка литосферы, то есть
окислов различных элементов - по сути, ржавчина на металлическом шарике.
Откуда она взялась? Напомню... После того как радиогенное тепло начало разлагать
гидриды внутри планеты, они стали активно выделять водород. Водород активно
диффундировал сквозь металлосферу. За короткий срок водородной продувки
изрядная часть кислорода была вытеснена к поверхности, где кислород уже вступал
в реакцию с другими элементами, постепенно их окисляя. Подсчеты показывают,
что к концу архейской эры литосфера, то есть земная кора, на которой мы
живем, вчерне сформировалась и покрывала тонкой коричневой ржавчиной весь наш
металлический шарик. Конец архея - это через полтора миллиарда лет после
образования планеты, то есть примерно 2,8-3 миллиарда лет тому назад. Если вы
поднимете глаза на пару десятков абзацев выше - туда, где я писал про возраст
континентальных плит, то увидите, что возраст континентов определяется как
раз тремя миллиардами лет. Все сходится!
Теперь переходим к главному...
Чем сопровождалась активная дегазация ядра? На этот вопрос мы можем легко
ответить, поскольку знаем свойства гидридов. Водород уплотняет металл.
Значит , потеря водорода разуплотняет металл. То есть увеличивает его объем. Вот
почему растет Земля. Ее просто распирает! При этом масса планеты,
естественно, не меняется.
Поступающий снизу водород вступает в реакцию с кислородом, сосредоточенным
в литосфере, и образует воду, которая заполняет впадины между материковыми
плитами. Вот откуда взялась вода в океанах - буквально из-под земли. Это,
кстати, подтверждается неожиданно высоким содержанием пара в вулканических
газах. Геологи были слегка удивлены, когда обнаружили сей феномен. Оказалось,
в газах постоянно извергающихся вулканов на Гавайских островах содержится 80%
водяного пара. Курильские вулканы тоже выдают 80% воды.
Надо отметить, что металлогидридное ядро планеты теряет водород не по всему
объему сразу, водород начинает активно испаряться только с верхних слоев
ядра, потому что чем дальше к центру планеты, тем больше давление, а давление
повышает устойчивость гидридов к температуре.
Гидриды распадаются, увеличиваются в объеме и превращаются сначала в
металл, густо насыщенный водородом, а потом и просто в металл. То есть металло-
сфера утолщается, а гидридное ядро «усыхает». К сегодняшнему дню
металлогидридное ядро занимает всего один процент объема планеты. Мы теряем его! А
учитывая, что именно водородная дегазация является тектоническим двигателем
планеты, можно сказать, что наша планета в тектоническом смысле переживает
период глубокого климакса... Когда кончится весь водород, внешнее ядро перестанет
быть жидким, отключится магнитное поле. И Земля постепенно станет таким же
мертвым миром, как Марс или Луна, о чем мы еще поговорим в свое время и в
своем месте.
Еще один интересный момент: водородная дегазация идет не постоянно, а
пульсациями. Другим словами, планета наша растет не равномерно, как трава, а
циклами - период бурного роста сменяется периодом спокойствия. Почему?
Как только распад радиоактивных элементов прогревает планету до температуры
распада гидридов, они исправно начинают распадаться, бурно выделяя водород и
тепло. Помните, при формировании гидридов, когда гравитация властно вбивала
водород в металлы, тепло гравитационного сжатия аккумулировалось в гидридах,
поскольку реакция была эндотермической. Теперь тепло высвобождается и
совершает работу против давления земных пород, расширяя планету. Работа против
такого давления огромна, поэтому тепловая энергия распада гидридов быстро
тратится. К тому же часть тепла уносит с собой водород, быстро покидающий очаги
распада. В результате зона распада остывает, реакция распада гидридов
прекращается, и планета перестает пухнуть - до тех пор, пока распад радиоактивных
элементов вновь не прогреет зону реакции до критической температуры. Этакий
автоматический режим. «Вкл/Выкл».
И все-таки в модель набухающей Земли с непривычки поверить трудно. Даже
несмотря на факты, прямо указывающие на этот процесс. Кстати, о фактах... Есть ли
какие-нибудь реальные доказательства, говорящие о том, что раньше Земля была
маленькая-маленькая? И насколько маленькой она была?
Начну с последнего. Земля подросла изрядно. Ее радиус вырос в 1,7 раза,
объем в пять раз, а площадь поверхности - втрое... Люди, промышляющие физикой
или неплохо помнящие школьную программу, наверное, уже сообразили, в чем два
главных прикола этой ситуации.
Прикол первый. Раньше Земля вращалась намного быстрее, чем сейчас. Надеюсь,
понятно, почему это происходило. Я уже приводил пример с фигуристом и
моментом количества движения. Если крутящийся фигурист раскинет руки, его вращение
резко замедлится. А если прижмет руки к туловищу, скорость увеличится.
Раздувшись, Земля стала вращаться со скоростью 1 об/сутки. А раньше крутилась в
3,5 раза быстрее, то есть в сутках было всего 7 часов. Имея небольшие знания
в области физики на уровне школьной программы, это легко подсчитать самому.
Важен другой вопрос - можно ли это проверить, не имея машины времени?..
Можно! Причем это было сделано вне всякой связи с ларинской теорией и
вообще не в рамках геологии. Тем ценнее открытие... Канадский палеонтолог Хант
изучал строматолиты - плотные слоистые образования в толщах осадочных пород,
которые возникают в результате жизнедеятельности синезеленых водорослей. Эти
самые строматолиты порой достигают нескольких метров длины и одного-двух
метров высоты. Синезеленые водоросли, сформировавшие строматолиты, жили в
протерозое, то есть примерно полтора миллиарда лет тому назад. Чем-то строматолиты
напоминают окаменевшие деревья. Только в деревьях на срезе видны годовые
кольца, а в строматолитах тонкими слоями фиксируется суточный цикл
жизнедеятельности синезеленых водорослей. Так вот, анализ слоев показал, что полтора
миллиарда лет назад дней в году было в три раза больше, чем сейчас. То есть
Земля вращалась вокруг своей оси втрое быстрее.
Прикол второй. Сила тяжести на маленькой Земле была в 3,5 раза выше, чем
сейчас.
- Как же так, - могут воскликнуть граждане. - Ведь сила притяжения зависит
от массы планеты, а масса ее не менялась?!..
Правильно, масса не менялась. Поэтому с точки зрения Солнечной системы
ничего с Землей не произошло - как она вращалась вокруг Солнца за 1 год, так и
продолжает вращаться. Но давайте вспомним закон всемирного тяготения, который
открыл Ньютон. Сила тяготения, действующая на два тела, прямо пропорциональна
произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ни-
ми. Точнее, не между ними, а между их центрами масс. Если человек стоит на
поверхности Земли, его от центра масс планеты отделяет радиус планеты. И если
радиус уменьшается в 1,71 раза, то сила тяжести увеличивается в квадрат
радиуса - в 2,92 раза. Почти втрое. Тяжело было ходить по такой планете!
Между прочим, палеонтологами давно замечен такой факт: скелеты у разных
эволюционирующих видов с течением времени становятся все изящнее и ажурнее.
Это до сих пор необъясненное явление получило название грацильности (от слова
«грация»).
Скелет - основная силовая конструкция, которая противостоит силе тяжести. И
если ранние конструкции напоминали тяжелые танки, то нынешние - легкие
переплетения башенных кранов. В природе ничего просто так не бывает. И лишнего
она не держит. У космонавтов, находящихся в невесомости, начинает активно
вымываться кальций из костей. А зачем содержать и обслуживать кости, если нет
силы тяжести? Значит, сила тяжести когда-то была выше, раз приходилось
тратиться на особо прочные скелеты.
Может возникнуть вопрос: при большой силе тяжести природу должно тянуть на
мелкие «изделия». Почему же она тратилась на огромных ящеров типа диплодоков?
И почему их не расплющивало гравитацией?
Их не расплющивало потому, что они вели «полуводный» образ жизни, и
бороться с гравитацией им помогал закон Архимеда. В воде все весит легче, чем на
суше, а суша тогда имела весьма специфический вид. Океанов не было, но вся
планета была покрыта лужами мелководных морей. В которых и паслись гигантские
твари.
Крокодил - прямой потомок ящеров. Он ведет водный образ жизни и потому
имеет особые прозрачные веки, которыми закрывает глаза, когда ныряет. По сути,
это дополнительная линза, которая компенсирует преломление света в воде и
позволяет крокодилу видеть под водой так же хорошо, как в воздухе. Так вот,
оказывается, палеонтологам по костным останкам черепов удалось установить,
что многие крупные динозавры тоже имели на глазах такие веки-линзы. То есть
действительно жили наполовину в воде...
Звучит все это красиво, конечно, но у читателей может возникнуть такой же
вопрос, как в первом приколе: можно ли, не имея машины времени, проверить,
была на первобытной Земле повышенная сила тяжести или нет?
Можно. Вы сотню раз видели по телевизору пустыню. Песок, барханы, верблюды...
Последние нам сейчас не нужны, а вот барханы понадобятся. Дело в том, что у
песка существует так называемый естественный угол откоса. Кучу песка с углом
круче определенного вы не насыплете - песок начнет обваливаться, и угол
станет более пологим. Максимальный угол откоса песчаной кучи, после которой
песок начинает осыпаться, зависит от многих факторов - размера песчинок,
влажности, материала песчинок и так далее. А еще от силы тяжести. Если взять
«стандартный песок» и насыпать из него кучу на Земле и на Луне, то угол
максимального откоса будет в точности отражать силу тяжести. Так вот, японские
геологи осуществили большое исследование по замеру углов естественных откосов
мезозойских песчаников. Вывод их поразил: сто миллионов лет назад сила
тяжести на планете была вдвое выше современной.
Вообще, многие палеонтологи отмечают, что в древности рельефы на планете
были более сглаженными, горы рушились быстрее, чем сейчас. Но ускоренное
сглаживание рельефа и должно наблюдаться при повышенной силе тяжести.
Разумеется, все эти поразительные исследования большой наукой остаются
незамеченными и до поры до времени ложатся в копилку критической массы фактов.
Выше я отмечал, что наша планета в тектоническом смысле находится на
последнем издыхании - объем ее металлогидридного ядра составляет всего 1%
объема планеты. Насколько она еще раздуется при этих запасах? Подсчеты
показывают, что радиус планеты вырастет еще на 300 с небольшим километров. Соответст-
венно, сила тяжести (ускорение свободного падения) уменьшится на 10%. Но мы
до этого не доживем...
Глава 3.
И все-таки
она резиновая!
Среди нас встречаются люди очень дотошные, все превозмогающие своим умом и
ужасно подозрительные. Такие люди, прослышав про теорию раздувающейся
планеты, спрашивают:
- Почему при расширении планеты ее сухая, тонкая, коричневая, аппетитная
силикатная корочка потрескалась так странно - образовав большие куски
континентов, а не покрылась мелкой сеткой трещинок, что было бы вероятнее? И тогда
вместо континентов на планете была бы густая россыпь мелких островов и
архипелагов . А мы видим крупные континенты.
Ответим этим достойным людям...
Дело в том, что разуплотнение гидридов, то есть увеличение объема планеты
идет не прямо под корой, а на огромной глубине - раздуваются верхние слои
ядра. И это кардинально меняет всю картину растрескивания. В этом можно
убедиться собственными глазами.
Уже знакомый нам Ларин и его друг, талантливый математик Виталий Борзов,
брали детскую клизму и окунали ее в расплав парафина. Когда парафин застывал,
образовав на клизме тонкую корочку, отважные экспериментаторы начинали
надувать клизму и наблюдали за характером растрескивания... Наверняка первый
вопрос, который хочет задать читатель, - чем же надували клизму, ведь она
достаточно толстостенная и ртом ее не надуешь - дыхалки не хватит. Справедливый
интерес! Надували насосом. И вот какую картину наблюдали при этом.
Если слой парафина был тонок, на нем действительно образовывалась густая
сеть мелких трещин. Но это не наш вариант. У нас слой металлосферы очень
толст. А ведь именно металлосфера, лишенная водорода, а вместе с ним и
пластичности, начинает трескаться, когда под ней раздувается ядро. И трещины на
тонкой коре Земли просто повторяют трещины более глубоких слоев.
При постепенном нанесении на клизму более толстого слоя парафина раздувание
клизмы приводило к появлению все более крупной сетки трещин. А когда
экспериментаторы довели парафиновый слой до 1/5 радиуса модели, что по своим
пропорциям больше соответствовало соотношению толщин между ядром и металлосферой,
парафин давал самую крупную сеть глубоких трещин, образуя 6-7 крупных блоков.
Для людей, которые закончили пятый класс средней школы, количество материков
на нашей планете не секрет, и они сами могут сопоставить цифры.
Эту знаменательную серию экспериментов математик Борзов окрестил «опытами
на клизматроне».
Следующий вполне резонный вопрос, возникающий у людей подозрительных: а
почему это океаны начали образовываться только совсем недавно - всего 200
миллионов лет назад, ведь планета наша существует 4,5 миллиарда лет, и распад
гидридов должен был начаться практически сразу после образования планеты?
Очень правильный вопрос! Хвалю тебя, мой читатель, за то, что ты зришь в
корень и очень умно, а главное, всегда вовремя задаешь свои провокационные
вопросы! Но ведь и я парень не промах! На вопрос, как говорится, и ответ
бежит...
Первыми начали терять водород внешние слои гидридного ядра, потому что там
ниже давление и, соответственно, ниже температура распада гидридов. А чем
ниже давление, тем меньше уплотнение гидридов. То есть они «разожмутся» на не
очень большой объем.
Тепло радиоактивного распада нагрело первый, верхний слой гидридов; он га-
занул водородом, водород унес тепло, температура упала - распад прекратился.
До нового повышения температуры. А для новой дегазации нужно нагреть более
глубокий слой металлогидридов, причем нагреть его нужно до большей
температуры, потому что давление там выше и, соответственно, выше температура распада.
Нагрело - газануло - вынесло тепло - прекратилось в ожидании следующего
разогрева .
Так постепенно усыхает ядро, утолщается металлосфера, и радиогенному теплу
приходится все дольше прогревать все более глубокие слои. С каждым циклом
процесс затягивается: во-первых, нужно каждый раз прогревать до более высокой
температуры, а во-вторых, радиоактивных элементов в Земле становится все
меньше и меньше. Расходуются они потихоньку, печка день ото дня слабеет...
Теперь самое главное. Чем глубже залегают металлогидриды, тем больше там
давление и, значит, тем больше они уплотнены. Значит, более глубокие слои и
расширятся больше. Поэтому Земля пухла нарастающими темпами. Впрочем, сейчас
ее рост замедлился и вскоре вовсе сойдет на нет. Кривую темпов расширения
планеты можно представить как кривую гистерезиса - сначала на протяжении
долгих эпох шло медленное раздутие, потом все быстрее и быстрее, бурный взлет, а
затем резкое замедление вплоть до полной остановки.
...Но я чувствую, у читателя есть еще один хитрый вопрос. Давай уж,
выкладывай, дружище, чего стесняться...
- Если поверхность планеты все время растет, значит, она растягивается!
Откуда же тогда возникают складчатости - горы, например?
Не в бровь, а в глаз!
ЧАСТЬ 3.
ОТКУДА
ЧТО БЕРЕТСЯ
Я ученый малый, милая,
громыханья оставьте ваши:
если молния меня не убила,
то гром мне, ей-богу, не страшен!
Владимир Маяковский
Про разных ученых я вам тут понарассказывал, даже древнего Эратосфена не
забыл, а про главного героя, который, собственно, и придумал теорию
изначально металлогидридной Земли - Владимира Ларина - сказал походя пару слов. Не
обиделся ли он на нас за такое отношение? И где он вообще? В прошлый раз мы
оставили его на помойке. А где сейчас?
Да вот он! В коровнике...
Много куда может занести судьба полевого геолога. Почему бы и не в
коровник? Тем более гроза начинается. Собственно говоря, из-за надвигающегося
дождя и забежал Ларин в этот коровник, чтобы не вымокнуть. И увидел удивительную
картину - доярки укутывали огромные сорокалитровые бидоны с молоком тулупами
и ватниками.
- Чего это вы делаете, люди добрые? - поздоровавшись, поинтересовался
любопытный Ларин.
- Дак ведь гроза. Чтобы молоко не скисло.
Подивившись, Ларин отнес это на деревенскую серость и суеверия. Даже если
бы близкий разряд электричества и мог как-то повлиять на скорость прокисания
молока, то чем тут поможет ватник? Тем более что молоко-то в металлических
бидонах, а металл - лучшая защита от электромагнитного залпа. Может, озон так
влияет, который из-за разряда молнии в воздухе образуется? Так ведь бидоны
закрыты практически герметично, крышки у них на тугих зажимах с уплотнителем
- чтобы при перевозке молоко не пролилось. Дурью маются доярки. Эх,
азиатчина! . .
Прошло несколько лет. Ларинская семья сидела на дачной веранде.
Трапезничали . На столе стояло молоко. Обычное советское молоко из магазина. Советская
химическая промышленность и пищевые технологии были не сильно развитыми,
поэтому тогда молоко долго не хранилось, зато оно было нестерилизованным и
цельным, то есть не восстановленным из порошка, и потому вкусным... Был тихий
семейный вечер. За окном уютно барабанил дождь. Даже не дождь, а целый
ливень .
И вдруг с пушечным громовым ударом неподалеку шарахнула молния, зазвенели
стекла.
- Во как близко...
- Ага, - Ларин потянулся и налил себе еще молочка. Попробовал... Молоко было
кислым. Оно скисло в одну секунду. Вот только что - до раската - оно было
нормальным. А после уже нет.
«Ни хрена себе!» - подумал Ларин. Он тогда не знал, что на своем научном
поприще еще встретится с этим явлением, когда будет размышлять, откуда что
возникло на нашей планете...
Глава 1.
Океаны,
другие страны
Про океаны мы уже наговорили столько, что вполне можно было бы обойтись без
этой главы. Но для полноты картины я ее все же напишу. Обобщим, так сказать.
...Пробил час, и водород, стронутый радиоактивным теплом, начал активно
выделяться из гидридов. И долетел вверх. Пробки сорваны, шампанское забурлило,
природа отмечала день рождения новой планеты, которая росла теперь не по
дням, а по часам - за уши тянуть не надо.
Рост Земли показан на трех нижеследующих картинках, которые настолько
самодостаточны, что потребуют лишь самых минимальных пояснений.
Вверху слева - самая молодая, новорожденная планета, далее - постарше. На
верхней правой картинке изображен поздний протерозой (примерно миллиард лет
назад). Вверху слева - палеозой (500 миллионов лет назад). Внизу - мезозой
(150 миллионов лет назад).
Мы видим рост внешнего ядра (3) и металлосферы (2) за счет уменьшения ме-
таллогидридного ядра (4). Обратите внимание на движение водорода. При распаде
гидридов водород утекает вверх не равномерно по всему объему планеты, а
собираясь в струи, словно ручьи и малые речки, собирающиеся в большие реки.
Почему это происходит? Потому что водород, как уже говорилось, выносит из зоны
распада избыточное тепло. Чем толще водородный поток, тем больше он
прогревает зону металлосферы, по которой течет. А с повышением температуры повышается
скорость диффузии водорода, то есть увеличивается скорость потока. Медленно
текущие тонкие ручейки стремятся к потокам более скоростным точно так же, как
вода стремится стечь по более крутому склону, а не по пологому.
И постепенно в металлосфере происходит интересная штука. Посмотрите на
рисунок максимально раздувшейся Земли. Те зоны, по которым текут к поверхности
планеты толстые полноводные водородные реки, становятся зонами пластичными,
поскольку водород, как мы помним, повышает пластичность металла - вплоть до
того, что он может становиться жидким. А свободные от водородных рек белые
места на рисунке - это хрупкие места металлосферы. И значит, здесь она может
трескаться при расширении планеты. Здесь и трескается. Вот аккурат посередине
между водородными струями внизу возникает и начинает постепенно расти вверх
трещина.
Рис. 8. Так растет Земля. Цифрами обозначены: 1 - литосфера (си-
ликатно-окисная пленка, на которой мы живем), 2 - металлосфера
(точками показаны водородные струи), 3 - внешнее ядро (металлы с
растворенным водородом), 4 - внутреннее ядро (металлогидриды).
И что дальше происходит, как вы думаете?
Дальше в эту трещину начинает выдавливать пластичный наводороженный металл
из «нагазированного» слоя, окружающего внешнее ядро. И когда этот
металлический язык додавливает наконец до литосферы, на поверхности планеты начинаются
геологические процессы. Как они происходят, видно на следующем рисуночке.
Проникая все ближе к поверхности, металловодородный клин начинает
формировать на поверхности планеты хитрый «трещиноватый» рельеф, причудливость
которого обусловлена тем, что клин одновременно и выдавливает литосферу вверх, и
раздвигает ее в стороны. Это эмбриональная стадия формирования океана.
Затем «сморщенность» начинает расползаться в стороны, и на поверхности
планеты формируется узкая щель, которая активно обводняется. Образуется
«щелевое» (длинное и узкое) море типа Красного. Красное море - это море с дном
океанического типа, в отличие от Черного, например...
Постепенно щелевое море расширяется до океана, в центре которого
формируется глубинное поднятие типа Срединно-Атлантического хребта. Подступающие
металлы окисляются и покрываются сверху окисной коркой - молодыми базальтами,
которые на рисунке показаны черным цветом. Поскольку водород расходуется,
металлический клин теряет текучесть и превращается из пластичных металлов,
насыщенных водородом, в хрупкие металлосплавы. То есть, становится просто
частью металлосферы, близко подступающей к поверхности. Дальнейшее «разбухание»
планеты расширяет трещину, через которую из глубин выдавливает новый жидкоте-
кучий наводороженный металл, указанный на рисунке вертикальной стрелкой.
Стадии
Эмбриональная
Детская
Г— *" |" Р»
^^j? 1*1 ml
1 Н1к.-,:?дх::
=150 км
Юная
Щ
■SiiiilMiiiiliniihiiJii'll
^iji! !!i»ii|i«i»iiiii.n; »i
II!.'!"!!!'
пи i ни «и!
Рис. 9. Так образуется океан. Цифрами обозначены: 1 - молодой
язык наводороженных металлов, 2 - новая кора, 3 - астеносфера со
скоплением водорода, 4 - древняя литосфера, 5 - древняя хрупкая
металлосфера.
Общая картина современного состояния океана и окружающих его материков
представлена на следующей картинке.
Обратите внимание, металлы, которые выдавливает через разлом вверх,
непосредственно контактируют с водой. К чему это приводит?
Рис. 10. Земля в разрезе. Цифрами обозначены: 1 - литосфера, 2 -
древняя металлосфера, 3 - молодая металлосфера, выдавленная
через трещину в старой, 4 - обогащенный водородом слой текучих
металлов возле ядра.
Помню, в школе нам показывали такой опыт. Училка по химии достала из
закромов родины большую темную банку с керосином. А в керосине плавал натрий. Она
извлекла его, отрезала ножом от большого куска небольшой кусочек (натрий
мягкий) и бросила этот кусочек в воду. Как оно зашипело!
Сумасшедший натрий носился по поверхности воды, шипел, пускал пузыри и
белый дым, пока весь не прореагировал. Было очень интересно. Всем сразу
захотелось иметь дома такую чудесную банку с керосином и плавающим в нем натрием,
чтобы бросать его в ванну, но, увы, в «Детском мире» банки с натрием почему-
то не продавались. Достать в быту чистый натрий трудно. Но зато он, а вместе
с ним кальций, кремний, магний и алюминий сами в изобилии прут из центра
Земли по рифтовым разломам. И все эти металлы реагируют с водой схожим с натрием
образом - бурно окисляясь и выделяя кучу тепла. Поэтому сверху металлический
клин покрыт толстой шапкой окислов, а повышенная тепловая активность
океанских хребтов давно отмечалась исследователями...
Между прочим, не везде рифтовые трещины проходят по океанскому дну. В
некоторых местах планеты они хвостами выходят на континенты, образуя
континентальные разломы. Например, на Ближнем Востоке, где разлом Красного моря
тянется дальше по Израилю в виде впадины, которая в паре особо прогнутых мест
залита водой. В одном месте эта вода называется Мертвым морем, в другом - на
самом излете трещины - Тивериадским озером, по которому, аки посуху, ходил
туда-сюда Иисус Христос.
Есть аналогичная зона в штате Невада (США). И есть зона рифтогенеза у нас в
Забайкалье, о чем мы еще непременно поговорим.
Глава 2. Моря и горы
Ты обшарил все на свете
Геологам и палеонтологам известно, что некоторые горы когда-то были морским
дном (в горах часто находят доисторические окаменелости морских организмов -
раковины, аммониты) . Этот факт давно не удивляет даже широкую публику,
поскольку освещен в разного рода популярных книжках и журнальных публикациях.
Но широкая публика не задается вопросом, почему так происходит, поскольку
геологические объяснения ей скучны. А вот специалисты подобными вопросами
очень даже интересуются. Но отвечают на них каждый раз по-разному - в меру
сил и способностей.
В начале XX века австрийский геолог Ампферер, глядя на величественные
австрийские Альпы, понял, что лучше всего их происхождение могла бы объяснить
некая «зона заглатывания», располагающаяся где-то глубоко под землей. Но, как
это всегда бывает, ученый, предлагающий наилучшее, простейшее, но при этом
дико непривычное объяснение какого-либо комплекса фактов, подвергается
насмешкам. В особенности если для этого явления в науке нет никакой теории.
...Так когда-то третировали доктора Земмельвайса, который впервые в мире
предложил хирургам мыть руки перед операцией, чтобы снизить смертность.
Несмотря на то, что в пользу Земмельвайса неопровержимо говорила статистика его
клиники, коллеги за столь идиотское предложение буквально затравили его
насмешками. А все потому, что теория микробного переноса инфекций еще не была
создана.
...Так поначалу смеялись над Вегенером, сказавшим, что всю тонну накопленных
им фактов, из области разных наук, объясняет только одно - континенты когда-
то были единым целым. Объяснения механизма движения материков не было, и Ве-
генер стал клоуном...
...Так было с людьми, которые заявили, что кучу противоречивых фактов о раз-
двиге континентов может непротиворечиво объяснить только расширение Земли.
Объяснения механизма расширения не было, и этот дефицит заполнили насмешки...
...Так было и с полузабытым австрийцем Ампферером, который рассказывал какие-
то сказки про чудесные «зоны заглатывания», которые хорошо объясняли весь
комплекс фактов вокруг Альп, но поскольку было совершенно непонятно, откуда в
Земле зоны заглатывания и что это вообще такое, над австрийцем хохотали.
Но в рамках теории изначально металлогидридной Земли зоны заглатывания
должны существовать. И потому смеяться над Ампферером уже не нужно, зоны эти
теперь можно писать без кавычек, а Ампферера пора посмертно реабилитировать и
наградить, выдав пряник, каковой положить ему на могилу в знак
признательности от благодарных потомков...
Поток водорода, поднимающийся от ядра, упирается в коричневую запеченную
корочку нашего «колобка» - литосферу. И постепенно просачиваясь через нее,
большей частью безвозвратно улетает в космическое пространство. Слово
«постепенно» здесь стоит не случайно, поскольку окислы, из которых состоит
литосфера, для водорода менее прозрачны, чем металлы. На пути водорода к свободе
возникает задерживающий барьер. И водород начинает накапливаться под
литосферой - как метан, поднимающийся со дна водоема, накапливается подо льдом,
образуя пузырьки. Только в нашем случае это, разумеется, не пузыри, а широкие
области насыщенного водородом металла, напоминающие линзу. А чем
характеризуется такая область?
Да мы же уже знаем, чем! Наводороженный металл:
а) текуч,
б) уплотняется,
то есть сжимается, уменьшая объем. Происходит усадка. Именно так и
образуется зона заглатывания. Столб наводороженного металла и линза уплотняются,
образуя засасывающую воронку.
Депрессионная воронка, втягивающая в себя породы земной коры, сначала
образует прогиб - молодое море. На краю этого моря по разным причинам может
происходить нагрев и расплавление с образованием вулканической активности,
поэтому на картинке нарисован маленький вулканчик. Обратите внимание также на
небольшую горку в центре морской впадины - прямо над центром прогиба. По
характеру растрескивания видно, что здесь происходит клинообразное выдавливание
пород за счет горизонтальных напряжений сжатия. Кроме того, именно сюда по
поверхности стягиваются осадочные породы со всех концов воронки.
ЮрЛ
**+++++++S-+++.+++++-*.*
F
-а
г
5
Рис. 11. Образование зоны повышенной текучести под литосферной плитой.
Рис. 12. Образование зоны заглатывания и появление юного моря.
В конце концов, стягивание осадочных пород к центру воронки превращается в
изрядное вздутие, и куча этого осадочного мусора собирается столь преизряд-
ная, что на местности вместо моря мы уже видим сначала остров, а потом
выступившие горы. А от моря остается лишь небольшой желобок на краю, который через
какое-то время тоже закрывается осадочными породами. И вот перед нами уже
молодая горная гряда - складчатый пояс, как говорят геологи. Почему пояс, а не
одиночная гора?
Потом что слово «столб» по отношению к вертикальному водородному потоку
употреблено мною не совсем удачно - столбом он выглядит только на картинке в
поперечном разрезе. На самом деле это скорее «лента». На местности эта
длинная лента образует длинную депрессионную воронку, а та - длинную горную цепь.
Рис. 13. Образование складчатости на месте бывшего моря.
Обратите внимание: между «столбом» и «линзой» образуется корка окислов
- астенолит. Запомните ее, эта окисная пробка нам вскоре
понадобиться для производства землетрясений...
А дальше что?
А дальше горная цепь начинает быстро исчезать. Эрозия - вода и ветер быстро
делают свое черное дело, и через какой-нибудь миллион-другой лет от горной
цепи остается только легкая всхолмленность. К этому времени заканчивается
очередной этап дегазации, водород, утекающий из недр, выносит оттуда
накопленное радиогенное тепло, очаг распада гидридов охлаждается, реакция
прекращается, и водород улетать перестает. Пластичный и уплотненный столб - бывшая
«водородная дорога» - превращается из наводороженного металла в обычный и
начинает разуплотняться. То есть раздувается. Там, где была депрессионная
воронка с горами над ней, образуется вздутие. И процесс идет в обратном
направлении .
Сначала, ясен перец, образуется выпуклость - вторичная горная цепь. Затем
расползание астеносфернои линзы начинает растаскивать это вздутие в стороны.
Между горными пиками сначала образуются равнины - такие, например, как
Венгерская равнина, приютившая когда-то диких гуннов, а затем и новое море.
(Кстати, через несколько миллионов лет на месте Венгрии, возможно, будет
море) .
Вулканчик, нарисованный на последней картинке (см. далее), работает от
тепла, которое накопилось в кусках разломанной силикатной пробки (астенолита)
из-за различных экзотермических реакций. Этот вулкан вполне может быть Этной,
Везувием или Санторином, что расположены в Средиземном море.
Орогсн
Молассы:
нижняя.
верхняя
— _-*<^>£—\
г— *""* г—
г"
- 150 км ^"Qv
Молодое
г— «*"
-^•^^■Е"^
ЕИвгГ»wAECg
^й
морс чш!
\ ¥
ШЕшЯШйВШЗЯНШг' У'.'х^ЯЙВ
^^^^^^я^шь *^^^^^^^^^^Н
^^^?%Ч№^^^^^В^^^^^^^ь^_
pip
^^^^рДИйдйстВаИд
^&о*ъ^^» **~^^£^^^^£»- ^^^^_j^
»"" ^^^_ #- г— г- г~ «ч
Рис. 14. Этапы обратного хода.
Описанный выше процесс горообразования над зоной заглатывания можно легко
смоделировать при помощи пластилина. Нужно только под разноцветные (для
наглядности) слои пластилина, который имитирует у нас слои литосферы, подложить
полоски прочной бумаги разной длины. И затем свободные концы этой бумаги
вытягивать через «депрессионную воронку» вниз. Металлосфера в данном случае
будет моделироваться доской или толстой фанерой, а депрессионная воронка -
дыркой в доске.
Рис. 15. Образование пластилиновых Альп.
Вытягивание бумаги, которое моделирует усадку, превращает ранее ровный
пластилиновый рельеф в самые настоящие Кавказские горы или Альпы, по вкусу.
Только пластилин должен быть теплым, чтобы тянулся легко, а то бумажки можно
порвать...
Рис. 16. Альпы настоящие (схема геологического разреза вверху,
цифрами показаны разные породы) и Альпы пластилиновые (внизу).
Сопоставление смятых пластилиновых слоев с картами геологических разрезов
Кавказа или Альп дает потрясающее сходство. Из которого можно сделать вывод:
скорее всего, и Альпы, и Кавказ действительно были образованы в результате
сдвига глубинных горизонтов в зону заглатывания. То есть так, как велит им
образоваться металлогидридная теория. А не Тектоника плит...
Глава 3. Горячие
точки планеты
«Да неужели же ругаемая здесь Тектоника плит настолько плоха, что ничего не
объясняет?» - может с сомнением спросить далекий от геологии человек. И будет
совершенно прав. Если бы Тектоника плит совсем ничего не объясняла, не было
бы никакой Тектоники плит. Для того теории и выдумываются, чтобы объяснять
максимальное количество фактов с минимальным количеством допущений.
Тектонику плит не дураки придумывали. И множество фактов она старательно
объясняет. У нее другой минус. Она все делает вдогонку и ничего не
предсказывает . Под каждый новый неожиданный для теории факт она вынуждена искать новое
объяснение. Но отсутствие предсказательной силы - не единственный недостаток
теории.
Второй ее огромный минус состоит в том, что эта чисто умозрительная теория
основывается не на фактическом материале, а... на другой умозрительной теории:
Тектоника плит стоит на никем не проверенной придумке о том, что ядро у
планеты железное. Ибо только в планете с железным ядром и силикатной мантией
теоретики могли закрутить конвекцию, с помощью которой попытались объяснить
движение континентов.
Погодите, могут возразить тектонисты, но ведь есть масса фактов, которые
теорию ползающих материков подтверждают. Например, существование так
называемых «горячих точек»...
Ученые давно обратили внимание на то, что в некоторых местах планеты
вулканы напоминают сыпь, которая тянется по одной линии. Эта вулканическая сыпь
состоит из вулканов старых, давно потухших, и молодых, действующих. Причем
действующие находятся на краю всей цепочки вулканов. И чем дальше от молодых
вулканов отстоят потухшие, тем они старее. Такое ощущение, что под землей
горит конфорка, возбуждающая поверхностный вулканизм, причем эта конфорка
постоянно перемещается, зажигая по мере своего движения новые вулканы.
«Да это же не конфорка перемещается! - пораженно ахает Тектоника плит. -
Это сама плита перемещается над горячей восходящей струёй! И струя
«прожигает» плиту, вызывая на поверхности вулканизм..»
Что ж, это объяснение можно было бы почесть за доказательство правильности
теории тектоники плит, если бы горячие точки нельзя было объяснить никак
иначе . И если бы объяснения тектонистов хорошо совпадали с наблюдениями. А то
линии вулканической сыпи (направление движения горячей точки) в одном месте
примерно совпадает с направлением движения континента, а в другом - не
совпадает с направлением движения континента!
А что говорит о горячих точках металлогидридная теория? Металлогидридная
теория объясняет их стягиванием водородных струй. Помните, водородные
ручейки, текущие от центра Земли вверх, имеют тенденцию сливаться в большие реки.
И если поначалу проекция водородных потоков на поверхность планеты
представляет полосу или ленту, формирующую горную цепь, то потом длинное вытянутое
пятно водородной дегазации стягивается в одну небольшую горячую зону. Горячая
она потому, что водород, напомню, отводит из недр тепло и потому является
причиной появления на поверхности планеты регионов термальной активности
(вулканы, гейзеры).
Все сказанное хорошо видно на рис. 17.
А теперь внимание: проверочное задание! Как определить, какое из двух
объяснений верное? Посмотрите на картинку...
Если верна Тектоника плит, значит, горячая точка проползла под
континентальной корой по маршруту 1-2-3-4, постепенно зажигая вулканы по ходу своего
движения. Значит, в зоне 4 вулканы зажглись позднее всего. То есть не должно
быть вулканов одинакового возраста во всех четырех зонах.
Рис. 17. Стягивание водородного потока. Цифры показывают этапы
стягивания - от самых старых мест (1) до молодых (4).
А если верна металлогидридная теория, вулканы действовали одновременно во
всех зонах, а потом, по мере стягивания широкой водородной струи, погасли
вулканы сначала в зоне 1, потом в зоне 2, в зоне 3 и сейчас работают только в
зоне 4. То есть возраст вулканов одинаков, и старые вулканические породы в
Зоне 4 должны быть погребены под новыми.
...Как вы думаете, кто оказался прав?..
Глава 4. Чем дышать
и где купаться
После того как кислород водородной продувкой вынесло к поверхности планеты,
он начал активно окислять все, что там было интересного. И пока не окислил,
не успокоился...
Любопытно, что при больших давлениях (125 килобар) металлический кремний,
из которого в основном-то и состоит наша планета, не окисляется кислородом. А
вот при давлениях более низких, когда кремний становится полупроводником, он
начинает окисляться весьма активно. Поэтому постепенно выносимый из глубин на
поверхность кислород окислял кремний и его соединения только до глубины
примерно в 130 километров. Число «130» не с потолка взято, оно расчетное -
именно на такой глубине при силе тяжести в Зд (втрое выше сегодняшней) давление
кремния составляет те самые 125 килобар, при которых он окисляться перестает.
И только после того, как кислородом была создана тонкая окисная пленка на
поверхности металлического шарика, началась новая эра в истории этого шарика
- эра обводнения. А до этого была великая сушь...
Процесс формирования плацдарма для появления будущей жизни (окисной пленки)
завершился к концу архейской эры, то есть только через миллиард лет от
рождества планеты. Почему он так долго длился? Да потому, что энергия связи так
называемых петрогенных («камнеобразующих») химических элементов с кислородом
больше, чем энергия связи кислорода с водородом. Это чистая химия, в которую
мы углубляться не будем. Нам важно только, что пока агрессивный кислород не
пожрал все, что мог пожрать вкусного, на худосочный водород он даже внимания
не обращал - и воды на планете было мизер, да и та, в основном, кометного
происхождения. Если провести несложный подсчет, то выяснится, что на образо-
вание 130-километровой окисной пленки потребовалось 40% всего запаса
кислорода нашей планеты...
Жизнь на планете к тому времени уже появилась. И если бы она имела глаза,
то увидела бы вокруг не только очень сухую, но и очень гладкую земную
поверхность. Дело в том, что гор о ту пору на Земле никаких не было. Мы же помним,
отчего появляются горы. Они появляются в зоне заглатывания. А зона
заглатывания образуется от проседания слоя металлов, через который идет мощный поток
водорода. Наводороженный столб ужимается в объеме и затягивает в депрессион-
ную воронку что ни попадя. Сволакивает кучи осадочных пород, образуя горы... Но
в те давние времена металлосфера, через которую тек водород, была еще тонка,
и водородные ручейки не успевали собраться в крупные реки, как уже
оказывались у поверхности планеты. Соответственно, крупных депрессионных воронок не
образовывалось. И гор вместе с ними. Скучное было время...
А вот уже с начала протерозоя, то есть через миллиард лет от рождества
планеты, начинает образовываться гидросфера. За неимением более достойных
объектов кислород начинает активнее реагировать с водородом и выносится на
поверхность планеты уже в виде водяного пара - вместе с вулканическими газами,
которые, собственно, почти из одной воды и состоят (ранее я уже приводил цифры
содержания воды в вулканических газах).
Небольшой вулканчик через жерло диаметром всего в 50 метров может выкинуть
в атмосферу до 100 тонн воды (в виде перегретого пара) за одну секунду. Пять
таких вулканов за сотню миллионов лет непрерывного извержения способны
выкинуть столько воды, сколько ее есть сейчас на Земле. Конечно, непрерывных
извержений такой длительности не бывает. Но и у природы было не пять вулканов.
И дырки у них были не 50-метровые - порой вулканические жерла имеют диаметр в
километры. Да и жалкой сотней миллионов лет природу, в общем-то, никто не
ограничивал . Так что никаких проблем ни с наличием реагентов, ни со способом их
доставки, ни со сроками у планеты не было... Больше того, процесс формирования
гидросферы не завершился и по сей день. Поэтому в геологическом будущем нашей
планете грозит подъем уровня океанов - и вовсе не по причине глобального
потепления! Но в будущее мы пока лезть не будем, а вернемся-ка лучше в прошлое
- к моменту, когда уже сформировалась литосфера и начался процесс
производства воды.
Планета активно газит водяным паром в атмосферу. Что же это была за
атмосфера? Вам бы она не понравилась... В воздухе той эпохи практически нет
кислорода , он состоит из аммиака, метана, угарного газа и вонючего сероводорода. И
только потом в атмосфере начинают отмечаться углекислый газ, азот, свободный
кислород...
Есть мнение, что кислородом земную атмосферу насытили первые одноклеточные,
которые дышали черт знает чем, а выдыхали кислород. И так размножились, что
полностью отравили атмосферу продуктами своего выделения... Вопрос о том, могли
ли первые одноклеточные насытить земную атмосферу кислородом, все еще
остается для науки открытым. Тем более, что совсем недавно появилась еще одна
версия касательно появления в нашем воздухе живительного кислорода.
На излете второго тысячелетия нашей эры нижегородские ученые под
руководством физика Дмитрия Селивановского провели серию интересных экспериментов -
они облучали воду звуковыми волнами разной интенсивности. Я бы не стал
проводить такие опыты: зачем греметь-тарахтеть возле воды, а потом проверять ее
свойства? Ясно же, что они не изменятся! При чем тут звук-то?..
Но если бы все были такие умные, как я, наука в этой области вряд ли
продвинулась бы вперед. Потому что, как выяснилось, свойства воды, обработанной
шумами, меняются! В воде резко повышается концентрация перекиси водорода. То
есть она закисляется.
Только лоховатый гуманитарий может не удивиться подобному известию, по-
скольку гуманитарий образования практически не имеет и как устроен мир
представляет себе весьма смутно. Глупо хлопает глазами, и все... А человек
образованный умеет удивляться подобным фактам. Он в подобный факт, мимоходом
брошенный в разговоре, может даже не поверить: «Да ладно врать-то!..» Поэтому
для образованных я даже табличку приведу.
Таблица 2
Содержание перекиси водорода в воде
Вид воды
После обычного дождя
Вода из снега
Вода из льда
После грозового дождя
После звуковых
и ультразвуковых колебаний
Концентрация Н2О2, моль/л
1,2- Ю-7
(0,46...1,0)- Ю-6
(1,2.-1,5) -Ю-"5
2,9- Ю-5
5,9- 1С"4
И хотя концентрации перекиси в воде мизерные, хороший гром, как видите,
может повысить эту концентрацию на два порядка! То есть в сто раз. Естественно,
возникает вопрос, почему это происходит - без всякой химии, без какого бы то
ни было электричества и прочих лазеров?..
Высокоэнергичная звуковая волна бьет по молекулам Н20, и в некоторых из них
разрывается химическая связь между кислородом и водородом. Получается
молекулярный водород Н2 и атомарный кислород. Водород очень летуч и быстро уходит
из жидкости. Некоторые атомы кислорода объединяются друг с другом и образуют
молекулы кислорода - 02, которые улетают из жидкости... Другие атомы кислорода
объединяются с молекулами воды, образуя Н202 - перекись водорода. Именно ее
кислый вкус мы и ощущаем в молоке5.
Перекись - вещество нестойкое и вскоре распадается на воду Н20 и атомарный
кислород - О. Судьба последнего нам уже известна - он либо вылетает из воды в
виде газа, найдя себе пару, либо вновь повторяет перекисный цикл.
Таким образом, сотрясение воды волнами звуковых частот приводит не только к
закислению воды, но и к выделению в воздух кислорода. И как только на Земле
появилась гидросфера, этот процесс пошел. Громы, гул землетрясений, шум
прибоя - атмосфера наполнена звуками, и каждый звук обогащал атмосферу сотнями
или тысячами молекул кислорода. Казалось бы, мелочь. Но куда торопиться, если
впереди - сотни миллионов лет? Между прочим, количественная оценка этого
процесса группой Селивановского показала, что он в 100 раз эффективнее
фотосинтеза6. Так что, возможно, с теорией о том, будто именно первые бактерии
заполнили атмосферу чистым кислородом, науке придется расстаться.
А Владимира Ларина, узнавшего от Селивановского про эти интересные опыты,
насыщение атмосферы кислородом натолкнуло на две мысли. Первая из них нам ма-
5 Свежее молоко имеет слабокислую среду, так как в нём присутствуют соли
(фосфорнокислые и лимоннокислые), белки и углекислый газ. До пастеризации (консервации)
молочнокислые бактерии добавят в него молочную кислоту.
Очень сомнительное высказывание. Вопрос в том, какое количество фотосинтезирующих
микроорганизмов производило кислород на Земле. Суммарная масса живого вещества в
океане сейчас составляет 29,9-109 т. В ходе эволюции она, похоже, не сильно менялась
(даже была больше, поскольку часть биомассы ушла на сушу), так как усложнялась ее
структурная организация, но не количество. Последнее определялось доступным
углеродом на Земле. Если большая часть этой биомассы производила кислород, то говорить о
каком-то шуме просто смешно. Впрочем, желающие могут поэкспериментировать в своей
домашней лаборатории насчет получения кислорода шумом и с помощью водорослей.
лоинтересна - она о том, что сей процесс мог бы прекрасно объяснить некоторые
до сих пор непроясненные геологические частности, например, появление на
планете так называемых «красноцветов7»... А вот вторая его идея публику несомненно
заинтересует: «Не потому ли в старину во время эпидемий звонили в колокола8,
что это повышало содержание перекиси водорода в организме, ведь человек, как
известно, на 70% состоит из воды? А перекись - отличный антисептик9...» Между
прочим, в медицине - как традиционной, так и не очень - практикуются методы
лечения разных болезней, в том числе довольно тяжелых, с помощью перекиси
водорода. Впрочем, целительство не является темой данной публикации, поэтому мы
плавно переходим от медицины и перекиси к...
Нет, не переходим.
Не переходим, потому что я не могу не поделиться с читателем своим
удивлением от того потрясающего факта, что громкий звук может разорвать молекулу
воды и потому является причиной мгновенного прокисания (закисления) молока.
Полный впечатлений от этой новости, я спросил у своего отца, проведшего всю
свою крестьянскую юность в деревне, известно ли ему, что в грозу молоко
скисает? «Конечно! - удивился отец. - А ты разве не знал?»
Вот так вот! Простые крестьяне, оказывается, в курсе, что молоко от грозы
скисает10, и что с неба иногда падают камни, а Французская академия наук
этого не знает. Может, и драконы где-то существуют?..
Ну, ладно. Сделаем один хороший вывод из сказанного. Поскольку кислородом
нас снабжает океан при помощи грома, гринписовцы, ратующие за сохранение
зеленых легких планеты, могут заткнуться. В свете сказанного выше их крики о
том, что если мы вырубим все леса, на планете нечем станет дышать, - бред
сивой кобылы. Поэтому рубите на здоровье! В крайнем случае, прибежим к берегу
моря и будем бить в тамтамы, стучать в тазы и дудеть в трубы - кислород
производить . И полезно, и весело...
ЧАСТЬ 4.
БОЛЬШИЕ
МАСШТАБЫ
Когда человек долго жил на свете и много ездил, в его голове, если
хорошенько покопаться, можно найти уйму интересного. Ларин жил долго. И много
ездил, поскольку выбрал одну из самых «ездовых» профессий в мире - профессию
геолога. Повидал он и масштабные проявления человеческой деятельности, и
масштабные проявления деятельности неживой природы. К первым отнесем, пожалуй,
Красноцветные отложения, комплекс осадочных горных пород, состоящий
преимущественно из глин, алевролитов и песчаников с прослоями известняков и гипсов, имеющих
красную окраску, обусловленную гидроокислами и окислами железа, тонкой плёнкой
облекающих песчаные и глинистые частицы.
8 И что - помогало?
9 Свободной воды в человеке нет. Та, что есть, является основой цитоплазмы клеток и
крови. Состав цитоплазмы и крови контролируется множеством ферментных систем,
которые не допустят появления никаких посторонних перекисей.
10 Молоко закисляют молочнокислые бактерии (они получают энергию для роста в
процессе превращения лактозы в молочную кислоту), так что пастеризованное молоко не
закиснет и в грозу, да и насчет свежего большие сомнения. Дело в том, что
жизнедеятельность микроорганизмов (и молочнокислых бактерий в том числе) очень сильно зависит от
температуры. Наиболее благоприятная для развития молочнокислых бактерий температура
составляет +30-35 °С. То есть молоко в холодильнике не скиснет и в грозу. Желающие
могут экспериментально проверить это утверждение. Скорее всего, молоко летом в
деревне скисало от жары, а не от грозы, но гроза запоминается.
грузовики с непарными галошами, а ко вторым.. «Стоп! Какие грузовики?» -
спросите вы. Да, это требует пояснения...
Не каждому человеку доводилось в своей жизни видеть хотя бы один грузовик с
ношеными галошами, тем более по нынешним, скудным на галоши, временам. А
Ларину довелось... Вообще, галоши - весьма характеризующий эпоху признак. Если в
стране массово выпускают галоши, значит страна не совсем уж босяцкая,
поскольку у нее имеется либо развитая нефтехимическая промышленность, либо
валюта на покупку натурального латекса, а у ее жителей есть, на что надевать
галоши. Но эта страна и явно не сильно богата, поскольку количество галош в
государстве обратно пропорционально качеству дорог, а также зажиточности
населения. Чем беднее страна, тем хуже в ней состояние дорожного покрытия
(больше грязи) и тем, соответственно, выше нужда в галошах. А ее небогатые
жители берегут обувь и не могут позволить себе шастать в ней по грязи,
поэтому поверх дорогих ботинок надевают относительно дешевые галоши... Есть, правда,
один вариант экипировки, при котором галоши стоят дороже той обувки, на
которую надеваются, но обилие в стране такой обувки тоже не говорит о
зажиточности ее населения. Кто, например, в современной России носит валенки с
галошами?
Однако был в нашей стране период, когда галоши активно носились и ими даже
премировали за трудовые подвиги победителей в социалистическом соревновании.
Поскольку страна была небогата, галоши в СССР носили практически все. Кто-
то надевал их на валенки, кто-то на ботинки. И когда умер товарищ Сталин,
люди надели галоши и пошли проститься со своим фюрером. Фюрер лежал без галош.
Но многие этого так и не смогли увидеть. Потому что десятки тысяч «галошни-
ков», стремившихся с деревенской непосредственностью хоть одним глазком
глянуть на любимого Иосифа, устроили на улицах и площадях Москвы такую
циклопическую давку, что количество отправившихся вслед за вождем переплывать Стикс,
не поддавалось исчислению. Не потому, конечно, что математики таких чисел не
придумали, а просто кто бы и зачем стал подсчитывать погибших в давке
винтиков, когда у страны такое горе?!.. Трупы быстро убрали, а с галошами,
оставшимися на улицах после схода людской лавины, можно было не очень торопиться.
Но чуть позже и их организованно собрали в грузовики и куда-то вывезли.
Грузовики с черно-красными грязными галошами запомнились шустрому Володе
Ларину на всю жизнь. Это было не очень веселое, но очень масштабное
проявление человеческой деятельности. Толпа вела себя как стихия. Впрочем, даже
самые крупные из человеческих стихийных проявлений не могут сравниться по
энергетике с природными стихиями, которые Ларину тоже порой удавалось
пронаблюдать, что называется, лицом к лицу. И порой последствия этих катастроф были
настолько удивительны, что для их объяснения не находилось никаких
естественных причин.
Однажды в Забайкалье Ларин вышел из тайги на огромную поляну, которую, будь
с ним рядом журналисты, они окрестили бы Чертовым местом или Проклятой
лощиной . Потому что это гиблое поле напоминало... Даже сложно сказать, что именно.
Как будто Мамай прошел! Буквально в шаге назад все еще было нормально - стоят
деревья, поют птицы...
И вдруг... делаешь шаг и попадаешь в какое-то царство хаоса - огромные
лиственницы лежат на земле, переломанные в нескольких местах, как тростинки.
Торчит щепа, а между фрагментами стволов лежат огромные гранитные глыбы,
вырванные из скальной породы. Не гладкие валуны, заметьте, а свежевыломанные куски
скалы с острыми краями.
Что за страшная сила сделала все это? Оползень? Но в этом месте некуда и
нечему сползать... Торнадо? Торнадо может переломать с десяток лиственниц, но
даже у торнадо не хватит сил, чтобы выламывать из скальной породы куски...
Землетрясение? Для этого Чертова поляна слишком мала - точечных землетрясений не
бывает. Получается, вот здесь трясло так, что аж скалы ломало, а в десяти
метрах - нетронутый лес...
Так и остался Ларин в недоумении относительно этой загадки. До тех пор,
пока не попал в Айдахо (США), где он увидел то же самое. Правда, лиственниц там
не было, но вывороченными остроугольными глыбами базальта было усеяно все
пространство так называемой Долины лунных кратеров. Глыбы там разные - есть
размерами с легковой автомобиль, есть с табуретку. Поэтому передвигаться по
этой сильно пересеченной местности можно только на четвереньках, да и то с
большой осторожностью, поскольку многие глыбы качаются и запросто могут
придавить. Причем, судя по всему, эти многотонные куски базальта неоднократно
перебрасывало с места на место... Позже Ларин признавался, что более мертвого
места в своей жизни не видел, не зря оно получило свое название - Долина
лунных кратеров. Там нет ни птиц, ни даже насекомых.
Пораженный увиденным, Ларин немедленно встал на четвереньки и полез по
этому хаотическому нагромождению. А когда, обессиленный, выполз обратно, на его
кроссовки было больно смотреть. Зато, пожертвовав подземным богам новые
кроссовки, он получил кое-что получше «адидасов» - догадку...
Глава 1
Излияния и
возлияния
Что такое вулканизм, все прекрасно знают. При слове «вулкан» сразу
представляется конусовидная гора со срезанной верхушкой - жерлом, из которого
периодически идет дым, вылетают вулканические бомбы, и извергается лава.
Описание таких вулканов оставил нам еще Плиний Старший, а теперь их можно
регулярно видеть на канале ВВС. Такие вулканы-прыщи извергаются периодически и с
большим шумом, увеча и калеча все и вся.
Есть вулканы и другого типа, как на Гавайских островах: это просто трещины
в земле, из которых каждый день, но понемногу выступает лава. Неприятно, но
не смертельно.
А бывает нечто такое, о чем широкая публика не знает, чего никто из живущих
на Земле, слава богу, не видел, но следы этого явления, потрясающие своей
масштабностью, может пронаблюдать каждый. Больше того, на этих «следах» живут
миллионы людей. Это явление - излияние траппов. И вряд ли можно представить
себе что-то худшее для человечества, исключая разве что падение огромного
астероида, да и то...
Представьте себе, вдруг разверзается земля и из ее глубин начинает
поступать расплавленная лава, заливая и выжигая все вокруг на миллион квадратных
километров. Потом лава застывает, превращаясь в базальтовую плиту толщиной в
сотни и даже тысячи метров, а площадью... Восточная Сибирь представляет собой
не что иное, как равнину, залитую траппами. Среднесибирское плоскогорье тоже
образовали траппы. Есть такие равнины в Индии, Южной Америке, Южной Африке, в
Антарктиде, в США.. Иногда излияния траппов происходят несколько раз в одном и
том же месте, покрывая огромные площади слоями расплавленного камня.
Во всем этом поражает, прежде всего, циклопичность. Как пишут геологические
книжки, «излияния платобазальтов (или траппов) относятся к числу тех
грандиозных процессов, которые в значительной мере определили внешний облик нашей
планеты». Как правило, излияния траппов происходили довольно давно - 150-300
миллионов лет назад, но есть и совсем «вчерашние», которым не более трех
десятков миллионов лет. И вполне можно сказать, что процесс этот еще не
закончен и вполне может где-нибудь произойти. Где именно, скажем позже, а сейчас
отметим, что случается эта параша без всякого «объявления войны», то бишь без
предупредительных «выстрелов» предшествующей сейсмической активности - ника-
ких тебе землетрясений и прочего прыщеватого вулканизма. Просто, р-раз - и
разлилось до горизонта. Неприятно.
Все это настолько непривычно и не ложится ни в какую концепцию, что многие
геологи относят траппы к неизвестному типу магматической активности. Причем,
что самое любопытное, геологическая литература не может (и даже не пытается!)
ответить на вопрос о том, откуда же берется столько энергии, чтобы выплавить
такие количества базальта. Непонятно также, почему подобные вещи случаются не
там, где периодически трясет, и пыхтят вулканы, а там, где давным-давно все
вроде бы уже успокоилось, где не бывает землетрясений - под древними
материковыми платформами.
Тектоника плит полагает, что траппы выплавляются из силикатной мантии
планеты, потому что больше им взяться просто неоткуда. Правда, по содержанию
некоторых химических элементов они ближе к материалу континентальной земной
коры, а не мантии. Но здесь, как во всех подобных случаях, когда плохая
практика не стыкуется с хорошей теорией, Тектоника плит выдумывает очередную
заплатку, чтобы подтянуть задачку под ответ. (Не буду останавливаться на этой
заплатке подробнее, скажу лишь, что специально для объяснения этих
расхождений тектонистами была придумана «подтеория» Селективной диффузии, которая, в
свою очередь, наставила больше вопросов, чем дала ответов, и наплодила больше
противоречий, чем сняла).
Поэтому в самый раз посмотреть, как справляется с проблемой страшных
траппов металлогидридная теория. Во-первых, обращает на себя внимание тот факт,
что самые массовые излияния траппов в истории планеты начались именно тогда,
когда начали зарождаться океаны. То есть тогда, когда пошел ускоренный
процесс расширения планеты, ее кора потрескалась, и начали образовываться
молодые базальты океанского дна. Иными словами, поверхность планеты расширялась
за счет нарастания океанского дна, а старая кора, растрескавшаяся на
континенты, испытывала разгибание. Это должно быть понятно: Земля увеличивается,
ее радиус растет, стало быть, кривизна земной поверхности уменьшается
(кривизна - это величина обратная радиусу: 1/R). Уменьшение кривизны - это и есть
разгибание. А что происходит при разгибании континентальной плиты? Если вы
посмотрите на рисунок, то увидите, что уменьшение кривизны плиты
сопровождается растяжением на ее нижней поверхности и сжатием в верхних слоях.
Рис. 18. Разгибание континентальной плиты. При разгибании
литосферы, на ее нижней поверхности, которая соприкасается с метал-
лосферой, происходит растрескивание. А верхние слои, напротив,
испытывают сжатие.
Что творится дальше? Под жесткой силикатной плитой континента находится
верхний слой металлосферы, который содержит повышенное количество водорода.
Он состоит из тех самых водородных «пузырей», о которых мы говорили в
предыдущей части книги. Напомню, что скорость диффузии водорода через окислы в
миллионы раз меньше, чем скорость пролета водорода через металл. Литосфера -
это и есть окислы. То есть, на пути водорода возникает препятствие в виде
континентальной плиты. Эта преграда и задерживает водород, накапливая его в
виде многочисленных «пузырей». Скопления «пузырей», которых где-то больше, а
где-то меньше, образуют под литосферой неравномерный слой наводороженного и
потому пластичного металла - астеносферу. А как только при разгибании
континентальной плиты на ее нижней поверхности образуются трещины, в них тут же
начинают продавливаться небольшие язычки текучего металла. Точнее, целой
группы металлов, поскольку металлосфера состоит из силицидов - сплавов разных
металлов, в которых преобладают кремний и магний. А литосфера Земли, в
которую продавливаются клинья силицидов, состоит из уже окисленных металлов -
силикатов. В ней есть окислы железа, а также марганца, свинца, меди, цинка,
кобальта, никеля и прочей мелочевки, которой Земле при ее формировании
досталось на одну понюшку. Есть в силикатной коре также окислы углерода, серы,
фосфора... Зачем я их перечисляю, утомляя читателя? А затем, что у всех этих
элементов энергия связи с кислородом не очень высока. И если придет более
активный элемент, например, тот же кремний или магний, то кислород с радостью
бросит постылое железо и уйдет к легкому и веселому магнию. Причем реакция
эта экзотермическая, то есть идет с большим выделением тепла.
Расчеты показывают, что при окислении всего 4 граммов силицидов выделяется
столько калорий, что их хватит на выплавление 100 граммов базальта. Вот
откуда тепло для траппов! Стоит только металлическим языкам дотянуться до мест,
где они могут начать окисляться, как вокруг тут же образуется очаг расплава,
и горячая магма растекается по трещинам и слоистостям, которые образовались в
верхних слоях коры (см. рис. 19) , и иногда может даже вытечь наружу, заливая
поверхность земли до самого горизонта убийственным расплавом.
Рис. 19. Интерметаллические клинья, образующие в литосфере
«факелы» магматической активности.
Более того, эта схема так же хорошо и просто объясняет некоторые другие
специфические вещи, типа соотношения в траппах изотопов стронция, о которых
мы говорить не будем в силу их полной нежевабельности. Мы лучше о другом
поговорим! О том, что бывает, если летучие продукты реакций, идущих в глубине
коры вокруг металлических клиньев, вырываются на поверхность в виде газов.
Среди этих продуктов, например, силан (соединение кремния с водородом). Если
силановая струя просочилась наружу, при первичном контакте с атмосферой (а
первый контакт силанов с воздухом происходит уже на глубине нескольких
метров) смесь начинает взрываться. Круша базальтовые скалы и ломая толстенные
лиственницы, как спички.
Тектоника плит феномены, подобные Чертовой долине в Забайкалье или Долине
лунных кратеров в Айдахо, объяснить не может. А мы с вами теперь можем. Мы
сделали их! И за это нужно непременно выпить!
Разливайте, разливайте, есть повод...
Глава 2.
Смертный бой
не ради славы..
В этой главке я специально решил собрать разные фактики и столкнуть нос к
носу две враждебные теории. Эта глава - самая настоящая «стрелка», куда для
разборок пришли Тектоника плит, которая до сих пор находится в большом
авторитете, и пока еще мелкая, но подающая большие надежды теория металлогидрид-
ной Земли. Кого из них унесут из этой публикации вперед ногами, решать вам.
Голосуйте SMS-ками за победителя.
Бой пойдет в три раунда. Спешите видеть - сплошное насилие!
Раунд первый.
...Есть на нашей планете такие штуки, как грабены и горсты.
Грабены образуются в местах растяжения (раздвига) земной коры, тогда как
горсты вырастают там, где земная кора испытывает сжатие. Таким образом,
грабены - это провалы в местах растяжения, а горсты - это выдавленные блоки в
зонах сжатия (рис. 20). В геологии с этим никогда не было никаких
теоретических проблем. Если бы не одно «но»: во многих местах геологи стали
фиксировать четкие горсты с крутыми стенками, расположенные внутри крупных
протяженных грабенов. То есть в заведомой зоне растяжения растут выдавленные блоки,
характерные для зон сжатия.
Рис. 20. Грабены и горсты.
Откуда взялись такие странные образования? Тектоника плит здесь уходит в
глухую оборону. А металлогидридная теория легко справляется с этим парадоксом
следующим образом. По зонам растяжения литосферы интерметаллические силициды
(из металлосферы) поднимаются вверх в виде языков и гребней. Здесь они
превращаются в силикаты, их объем меняется. Ведь что такое превращение силицидов
в силикаты? Это просто окисление. То есть добавление кислорода. Силикаты
отличаются от силицидов тем, что содержат дополнительно 45% кислорода; при этом
физическая плотность силицидов и силикатов практически одинакова. Значит, при
образовании силикатов из силицидов объем увеличивается на 45%. Отсюда
внезапные выпирания земной коры над очагами реакции.
... Ни один из известных геологии рудообразующих процессов не объясняет,
откуда в срединных частях океанов взялись огромные, просто неисчислимые запасы
металлов. Эти запасы в тысячи раз превышают объемы всех известных
месторождений на континентах.
Вообще-то первые находки глубоководных рудных конкреций были сделаны еще в
конце XIX века. Но тогда геологи даже не представляли себе, с чем они
столкнутся всего через полвека, когда в океанах будут найдены просто циклопические
запасы металлов! Показательна находка в Красном море, где в 1960-х годах
открыли впадины, целиком заполненные горячими рудными илами. В самой большой из
них придонный слой «жидкой руды» имеет мощность 200 метров. И если его
выкачать и высушить, получится сухой рудный концентрат, который содержит 45%
железа, 25% марганца, 10% цинка, 6% свинца, 3% меди, а также 300 г серебра и 5
граммов золота на тонну концентрата.
Традиционная теория ломает голову над объяснением этого феномена, а из ме-
таллогидридной теории он прямо вытекает - весь этот металл является просто
«лишним» материалом, который вынесло на поверхность в процессе расширения
планеты и строительства нового океанского дна (в процессе преобразования
силицидов в силикаты).
...Тектоника плит, которая, как мы знаем, основана на том, что ядро у Земли
железное, а мантия силикатная, затрудняется объяснить, почему вдруг наша
планета иногда активно газит чистым водородом. Известно, например, такое
явление, как «Large flame» (большое пламя). Явление это происходит на Гавайских
островах и заключается вот в чем: во время активизации вулкана, когда из
кратера начинает изливаться лава, над жерлом вспыхивает огромный огненный факел
высотой почти в половину Останкинской башни. Это горит водород. Пламя может
держаться несколько суток.
Никаких залежей водорода в парадигме «железной Земли» нет и быть не может.
Поэтому все подобные факты ортодоксальная Тектоника плит просто не
рассматривает . Она отворачивается от них, как дама от дохлой крысы. Но, надо признать,
эти факты не особо и спешат попасть в руки официальной науке. Во-первых,
потому что водород никто специально не ищет, ибо зачем искать то, чего быть не
может?.. А во-вторых, водород - крайне легкий газ без цвета, вкуса и запаха,
и потому его выходы на поверхность довольно трудно обнаружить. Чаще всего это
получается, когда не увидеть выход газа просто невозможно: в самом деле,
трудно не заметить столб пламени высотой в 200 метров!.. А порой водородная
дегазация обнаруживается чисто случайно. Так было, например, на Кавказе.
Однажды сейсмологам повезло - они прибыли к эпицентру землетрясения, когда еще
не успела осесть пыль. У одного из ученых была с собой бутылка с водой, он
быстро отвинтил пробку, вылил воду, и бутылка заполнилась пыльным воздухом.
Газовая проба таким образом была взята. Последующий анализ показал, что
концентрация водорода в пробе на порядки отличается от фоновой. А приди
сейсмологи на место происшествия чуть позже, весь водород уже улетучился бы.
Или вот какой замечательный случай... В середине прошлого века в Якутии
бурили кимберлитовую трубку «Удачная». И когда бур дошел до глубины 375 метров,
раздался страшный, леденящий душу потусторонний вой, и из глубины Земли через
пробуренную дырку вдруг вылетело... страшное зубастое существо с двумя
перепончатыми крыльями. Шучу, шучу!.. С глубины 375 метров в небо ударил фонтан
газа . Ничего странного в этом не было бы - газ из русской земли давно добывают
и успешно продают в земли нерусские, - но анализ показал, что метана там -
кот наплакал, а в основном в небо бьет чистый водород.
Проскочившая искра зажгла водород и спалила буровую начисто. Каждую секунду
скважина извергала 600 литров водорода и не собиралась выдыхаться. Факел
пылал две недели, и потушить его удалось только взрывом. Скважину затампониро-
вали. Официальная наука не обратила на этот выдающийся факт никакого
внимания. Потому что факт никоим образом не укладывался в генеральную линию...
...Помимо прочих, есть в традиционной (не металлогидридной) геологии два
странных момента, которые, в силу их полнейшей необъяснимости, даже получили
собственные названия.
Первый из них называется геобарическим парадоксом. И состоит он вот в чем.
Самые древние породы Земли, которые мы знаем, имеют архейский возраст, им
более трех миллиардов лет. Они достаточно широко представлены на древних
континентальных платформах. По составу минералов было установлено, что они
образовались при давлении 8-10 тысяч атмосфер в диапазоне температур от 650 до
800 градусов Цель сия.
Если верна Тектоника плит и Земля от рождения имеет тот же диаметр, что и
сегодня, значит, эти породы сформировались на глубине 30-35 км - именно там
давление достигает нужных величин. И тогда возникает резонный вопрос: а куда
же подевались те самые 30-35 км пород, которые должны лежать сверху на этих
самых докембрийских платформах? Их нигде нет! И это одна из самых больших
загадок для традиционной геологии.
Второй темный момент называется геотермическим парадоксом. Если докембрий-
ские породы сформировались на глубине 30-35 км при температуре 650-800°С,
значит, перепад температур в то время составлял 22 градуса на один километр
глубины. Сейчас эта цифра гораздо больше. А должна быть меньше, потому что
генерация тепла с той поры в недрах планеты уменьшилась из-за расходования
«нагревателя» - радиоактивных элементов, которые поистратились в результате
распада. Парадокс: «дров» стало меньше, а тепла больше!
Обе эти загадки не являются таковыми в рамках металлогидридной теории.
Поскольку сила тяжести в архейскую эру была в 3,5 раза выше нынешней, потребная
глубина формирования пород сразу значительно уменьшается. Не нужно уже
искать , куда подевались лишние десятки километров. Да и с термическим перепадом
ситуация становится совершенно ясной: если 650-800°С мы имели на меньших
глубинах , значит температурный перепад был тогда выше сегодняшнего. Как и
следует по логике вещей!
...Ну и еще пару коротких оплеух для пущего веселья. У традиционной геологии
довольно натянутые отношения с физикой в том смысле, что модельные
эксперименты не очень здорово объясняют наличие у Земли магнитного поля. Хотя, видит
бог, ребята сильно стараются! Заливают в шаровую модель, имитирующую Землю,
жидкий натрий, имитирующий жидкое ядро планеты, крутят, вертят, и все вроде
бы получается, как в натуре - и электропроводность в жидкости, и конвекция, и
даже магнитное поле включается, но при этом оно совсем не такое, как у Земли!
У Земли два магнитных полюса, а тут всяко больше вылезает. Может, чего в
физике подправить?..
Да к тому же магнитные полюса Земли периодически меняются местами. Один из
основоположников геомагнетизма, японский ученый Цунеджи Рикитаке, долго
бившийся с проблемами магнитного поля Земли, однажды сказал, что мог бы легко
объяснить переполюсовку, если бы ядро внутри Земли проворачивалось
относительно мантии то в одном, то в другом направлении. Но именно так оно и должно
себя вести по металлогидридной теории (чем это вызвано, разбирать не будем,
чтобы не писать лишнего тома).
Еще один теоретический вывод из гидридной модели: в спектре структур
магнитного поля Земли должны быть региональные аномалии размером менее 3000 км.
А вот если верна Тектоника плит, такие аномалии должны отсутствовать. И что
же вы думаете? Измерения показали, что в вертикальной составляющей магнитного
поля Земли таки есть выраженные аномалии с размерами порядка 1500-2500 км!
Бурные аплодисменты...
Раунд второй.
...По металлогидридной теории получается, что те громадные клинья насыщенных
водородом металлов, которые поднимаются к поверхности планеты по зонам
рифтогенеза, должны быть относительно холодными, потому что при подъеме они
разуплотняются. А разуплотнение (в условиях высокого всестороннего давления) -
процесс энергоемкий и может «сожрать» весь запас тепла, которое накоплено в
глубинах планеты. Это с одной стороны. С другой, зоны рифтогенеза всем
известны своим термальным теплом, которое производится экзотермическими
реакциями между легкими металлами (типа магния) и водой. Эта поверхностная
температурная активность совершенно маскирует глубинную холодность металлических
языков. А можно ли как-то замерить их температуру, чтобы убедиться: да,
холодные !
Это можно попробовать сделать в Байкальской зоне рифтогенеза, потому что
там слой вечной мерзлоты толщиной от 400 метров до километра. Зачем нам
мерзлота? А затем, что жидкая вода не может проникать сквозь мерзлоту и, значит,
не может вступать в земной коре в реакцию с подступающими интерметаллидами и
маскировать своим теплом их холод. А раз так, в Байкальской зоне рифтогенеза
фоновый тепловой поток должен быть ниже, чем в других местах.
Это очень неожиданный и рискованный прогноз! И если замер его подтвердит,
это нанесет еще один серьезный удар по Тектонике плит, поскольку, с ее точки
зрения, в Байкальской зоне как раз наоборот должны наблюдаться повышенные
температуры.
Прогноз об аномально низкой тепловой активности Байкальской зоны был
опубликован Лариным в 1992 году и оставался экзотической геологической шуткой до
тех пор, пока в 2002 году в Иркутском институте Земной коры не была защищена
диссертация некоего В.А. Голубева, который провел исследования теплового
потока в районе Байкала и выяснил следующее. Фоновое значение теплового потока
в Забайкалье составляет 60-65 мВт/м2. А в зоне рифтогенеза - 46 мВт/м2. То
есть, в полтора раза меньше, как и предсказывала металлогидридная теория!
Меньше, а не больше, как должно было быть по Тектонике плит.
... Геологами давно отмечен следующий интересный факт. Многочисленные замеры
показывают, что на глубине примерно 1 километр скальные массивы горных пород
испытывают очень сильное горизонтальное сжатие. Порой оно достигает 1000
атмосфер. Подчеркиваю, речь идет именно о горизонтальном сжатии пород, которое
порой может даже превышать вертикальное давление, обусловленное гравитацией.
Откуда же оно берется? Ведь если Земля растет, значит, ее поверхность
увеличивается, то есть растягивается. А если она растягивается, откуда же
горизонтальное сжатие?
Вспомните, что мы говорили о разгибании земной коры. Жесткие литосферные
плиты при расширении Земли не столько растягиваются, сколько теряют кривизну
(рост земной поверхности идет за счет наращивания океанского дна, а не за
счет растяжения континентальных плит, поскольку плиты суть жесткая, сухая
корка).
Чтобы вы не листали назад в поисках рисунка с разгибанием слоистой плиты,
приведу его еще раз, но чуть видоизмененным. На увеличенном квадратике видно,
какие напряжения действуют в разгибаемой балке.
Рис. 21. Распределение напряжений в разгибаемой плите. Стрелками
показано горизонтальное давление.
Как видите, максимальное напряжение сжатия должно быть на самой поверхности
планеты. Но поверхность планеты достаточно пористая и, как говорят геологи,
трещиноватая. Здесь энергия сжатия расходуется на закрывание дефектов. Именно
поэтому максимальное горизонтальное давление наблюдается не на самой
поверхности, а на глубине до километра - там, где трещины и поры уже закрыты
вертикальным давлением горных массивов.
Отсюда вытекает еще одно рискованное предположение. Если расширение планеты
имеет место быть, значит, на глубинах свыше километра горизонтальное давление
должно постепенно начать снижаться, дойти до нуля, а затем смениться
горизонтальным растяжением. Этот эффект еще не открыт, но будет открыт, поскольку
все рискованные предположения металлогидридной теории сбываются, в отличие от
теории Тектоники плит. Впрочем, Тектоника однажды тоже сделала рискованное
предсказание...
Вспомните про зоны субдукции, рекламируемые Тектоникой. Ну, это те зоны на
планете, где якобы происходит поддвиг новой, молодой движущейся океанской
коры под старую континентальную кору. В зонах субдукции океанские плиты якобы
подныривают под плиты материковые и уходят дальше в Землю на переплавку.
Чтобы потом, обернувшись по конвекционной ячейке, снова подняться наверх в
районе рифтовой трещины, растечься в разные стороны, затвердеть и плыть дальше -
очередная порция глубинного вещества подталкивает...
Это долгий, миллионнолетний процесс, рассказывает нам Тектоника плит. За
время медленного конвейерного проползания от рифта к зоне субдукции океанское
дно накапливает массу осадков. И когда океанская плита, наконец, подныривает
под континентальную и начинает тереться об нее, то континентальная плита,
словно нож бульдозера, должна сгребать с океанской плиты осадочные породы,
которые будут собираться на дне океана в огромные горы «мусора». Так вот, эти
горы мусора отправились искать и не нашли.
Рискованное предсказание Тектоники плит не сбылось.
Когда-то Эйнштейн заявил, что если его теория искривления пространства
верна, луч от далекой звезды, проходящий около Солнца, должен искривиться.
Эксперимент был проделан, и искривление луча обнаружено. Теория подтвердилась!..
А теперь представьте, что никакого искривления не нашли. Это могло означать
только одно: теория Эйнштейна не работает. То есть, она неверна.
Одного подтвержденного эксперимента хватило, чтобы вознести теорию
относительности на пьедестал почета. И одного провала было бы достаточно для ее
ниспровержения. Что же произошло после позорного провала предсказания,
сделанного Тектоникой плит? Ровным счетом ничего. «Им плюнь в глаза, все равно
скажут, что божья роса», - так в подобных случаях говорила моя бабушка...
Не знаю, как обошлись тектонисты с этим проколом. Наверное, поставили
очередную заплатку на свой насквозь дырявый и свистящий изо всех щелей надувной
теоретический матрац.
...Иногда мне кажется, что Тектоника плит - это религия, которая догматически
отрицает практически очевидное ради мертвенных сакральных схем. Если верующий
просит своего бога что-нибудь сделать, а тот не делает (как обычно и бывает),
верующий всегда найдет для своего бога оправдание. Так поступает и Тектоника
плит. Как только ее предсказания не сбываются, она срочно начинает искать
оправдания...
Когда в середине прошлого века изобрели процесс ударного сжатия металлов и
получили кривую сжимаемости железа при больших давлениях, оказалось, что,
если бы ядро Земли было железным, оно было бы гораздо плотнее ныне
существующего . Уже одно только это могло опрокинуть, убить Тектонику плит. Но не убило.
Потому что настоящую веру не убьешь!
Наука не спешит отказываться от плохих теорий, если их нечем заменить. А до
последнего времени, то есть до изобретения металлогидридной теории Земли,
заменить Тектонику плит было действительно нечем. Но и сейчас теория
раздувающейся Земли тоже не слишком быстро завоевывает умы, поскольку в смене научных
парадигм роль играют не только чисто научные, но и психологические причины.
Должна пройти смена поколений ученых. Так было с теорией относительности,
которую долго не хотели признавать «старики» (даже в конце XX века были
серьезные люди, старательно опровергавшие Эйнштейна - такие как, например, дедушка
Логунов, экс-ректор МГУ)... Так было с квантовой механикой, которую всей душой
невзлюбил Эйнштейн... Так было с теорией Большого взрыва, которую старик Хойл
так и не признал до самой смерти.
Так будет и с металлогидридной теорией. Тектоника плит, хоть и подыхает на
нашем ринге, но - гляди-ка! - все еще не сдается.
Раунд третий.
...Если взять официальную карту дна мирового океана и посмотреть, скажем, на
Срединно-Атлантический хребет, можно увидеть, что он напоминает скелет рыбы.
Позвоночник - это сам длинный хребет, а от него в стороны расходятся тонкие
косточки поперечных трещин с постепенным утончением к концам «косточек». Эти
трещины зияют, то есть являются достаточно широкими. Они и должны быть
зияющими, если планета раздувается, ведь тогда увеличивается общая длина
Атлантического хребта. Хребет, естественно, поперечно трескается во многих местах, и
потом эти трещинки растут вместе с планетой, и ширина их увеличивается.
А если планета не расширяется и справедлива Тектоника плит, то трещины
зиять не должны. Они должны быть плотными сдвигами! Потому что общая длина тех
мест на планете, откуда выделяется жидкая порода, гораздо меньше общей длины
океанических впадин, куда потом в затвердевшем виде океаническая плита якобы
плотно вдвигается с большим трением и ужасным сопротивлением... Это понятно:
раз мест входа меньше, чем мест выхода, а пропихнуть нужно то же количество,
значит, вход осуществляется с большим сопротивлением. Которое должно просто
закрыть, зажать все трещины в движущейся породе. Но ведь ничего подобного не
происходит, трещины не просто зияют, а вопиют!
Далее... Если Земля не раздувается и справедлива Тектоника плит, значит,
поперечные трещины Срединно-Атлантического хребта должны быть именно такими,
как их рисуют на официальных, прошедших «тектоническую цензуру» картах
океанского дна - с самым широким местом у вершины горной гряды и утончением по
склону. Как рыбьи ребра... Плюс к тому должны существовать только парные ребра...
простите, трещины. То есть трещины, сбегающие вниз от оси Срединно-
Атлантического рифта по обоим его склонам. Односторонних трещин быть не может
в принципе!
Записали...
Но если планета увеличивается в размерах и теория тектоники плит врет,
тогда трещины должны иметь диаметрально противоположный характер! В этом случае
могут быть односторонние трещины, тянущиеся только по одному склону (см. рис
22, в).
Рифтовая
/"~ долина океана
Рис. 22. Типы поперечных трещин, образующихся при расширении Земли.
Плюс к тому трещины должны быть не утончающиеся к краям, а утолщающиеся! То
есть не тем тоньше, чем дальше по склону, а тем толще - не как пика, а как
веер (см. рис. 22). Объяснение простое: треснуло когда-то давным-давно, и по
мере расширения планеты трещина все растет и растет. И чем дальше она
оказывается от рифта, то есть чем она старее, тем большее «зияние» в ней
накоплено. Учитывая скорость роста планеты, можно рассчитать, что за 10 миллионов
лет трещина удлинится (убежит от оси хребта) на 100 км, и при этом ее ширина
на конце разрастется до 2 км. А через 50 миллионов лет трещина удлинится до
500 км, а ее ширина на конце вырастет до 10 км.
Записали...
Небольшое напоминание для читателей: Срединно-Атлантический хребет
отличается от континентальных горных цепей тем, что он «параллельно-двойной». И
рифтовая долина - это провал, «ущелье» между двумя параллельно тянущимися
грядами Срединно-Атлантического хребта. То есть, собственно говоря, рифтовая
долина и есть та самая трещина, истекающая лавой, по которой когда-то лопнула
земная кора и от которой теперь идет нарастание молодой коры океанического
дна. Чтобы вы лучше представляли себе картину, можно привести пару цифр:
ширина горной цепи Срединно-Атлантического хребта от конца восточного склона до
конца западного достигает примерно 1000 км, а рифтовая долина - всего 40 км.
Самая настоящая трещина, иначе такое образование и назвать-то трудно...
Все эти еретические размышления о трещинах наш давний знакомец Ларин привел
на докладе в Геологическом институте Академии наук. Его вежливо послушали и
покривили в ухмылке рты. Дико как-то выглядели эти трещины... Опять этот
чудаковатый Ларин со своими чудаковатыми теориями, которые напрочь отвергают всю
геологию и проповедуют какое-то мракобесие! Ну его...
Но надо ж было такому случиться, что в зале в тот момент сидел Глеб
Борисович Удинцев - известный исследователь геоморфологии океана. Который через
несколько дней должен был уйти со своей исследовательской группой в Атлантику.
Он выслушал доклад Ларина с интересом, без экзальтации и возмущения: ведь
Удинцев был географом, и геологические ереси его ни возмутить, ни
разволновать сердечно не могли. Геологи спорят и ругаются - пускай спорят, а его
географическое дело - посмотреть, кто окажется прав.
И тут я вновь не могу удержаться, чтобы не сказать пару слов об Удинцеве.
Этот замечательный человек вполне мог не родиться на свет в далеком 1923
году, потому что его родители дважды были арестованы большевиками еще во время
Гражданской, дважды приговаривались к расстрелу, и лишь чудом избежали его.
Отец будущего члена-корреспондента Академии наук, лауреата Госпремии СССР и
доктора географических наук Глеба Удинцева был поповичем, а мать географа
происходила из рода уральских золотоискателей. Поэтому неудивительно, что
молодые супруги оказались среди отступающих с армией Колчака. Волна эвакуации
донесла их до Иркутска, после чего Борис и Катя решили все-таки возвращаться
в Москву. На этом долгом пути они и были несколько раз арестованы как
белогвардейские прихвостни. На лбу у них про то, что они «прихвостни», конечно,
написано не было, но интеллигентные рожи выдавали подонков с головой.
Чудо, дважды спасшее их от расстрела, привело молодых супругов в Москву,
где в 1923 году у них и родился сын Глеб - будущее светило отечественной
географической науки. Светило жило и росло в очень стрёмной атмосфере: в доме
родителей часто собиралась интеллигенция, а это никогда до добра не доводит.
И действительно, в их гостиной постоянно звучали стихи Волошина, Пушкина и
Лермонтова, звенели романсы и не стихали разговоры о судьбах России. Короче,
люди явно нарывались на пулю.
И опять почти нарвались...
Отца арестовали в марте 1931 года. Считай, жутко повезло: времена были еще
мягкие, вегетарианские, до 1937 года еще целая эпоха, поэтому отделался
интеллигент жалкими пятью годами ссылки в городе Тюмени. А сын его ссылке,
думаю, не сильно-то и огорчился. Парня с детства тянуло в незнакомые края, лес
он всегда любил, часто пропадал в лесном массиве Тимирязевской академии, где,
валяясь под соснами, зачитывался приключениями Робинзона Крузо, романами
Джека Лондона, Жюля Верна, дневниками Миклухо-Маклая, Амундсена... в общем, всей
той литературой, которая формирует из человека будущего географа.
«Шум вековых сосен, - писал позже Удинцев, - завораживал мое воображение, в
шорохах леса угадывались крадущиеся шаги неведомых зверей, и глаза искали
следы их на лесных тропинках... Самой интересной целью жизни стали казаться
морские путешествия и открытия в морях и океанах».
В 1936 году отсидевший отец вернулся в Москву, где ему снова повезло -
волна арестов не накрыла семью. И это позволило сыну в 1940 году поступить на
геофак МГУ. Судьба выкладывала свои петли так, чтобы в итоге сделать из
Удинцева географа и через много-много лет привести его в ту аудиторию, где мы с
ним впервые встретились - на докладе Ларина... Впрочем, до этого еще далеко, а
пока студент второго курса Глеб Удинцев пишет заявление в военкомат и уходит
добровольцем на войну.
Парень был головастый, студент, а из таких Родина предпочитала делать
офицеров . И потому направила его в летное училище, откуда Удинцев попал на фронт
- в бомбардировочную авиацию.
Один из налетов на Германию запомнился ему на всю жизнь. Потому что вполне
мог стать последним - так, во всяком случае, полагал сам Удинцев, не знавший,
что судьба уже приметила его - еще до рождения - и целенаправленно ведет в ту
самую аудиторию...
Удинцев был человеком литературно одаренным (как и Хойл, как и Шкловский) и
позже писал в своих военных очерках о том налете: «Мы прошли над Данцигским
заливом благополучно, и вот уже впереди показался Хель - грозная крепость с
мощной зенитной артиллерией... Облачка зенитных разрывов встали перед нами
плотным заграждением, и надо было пробиваться через этот небесный частокол.
Юра вел машину уверенно, бросая самолет из стороны в сторону... Вот батареи Хе-
ля уже у меня на прицеле... но тут ударило волной зенитного разрыва.
Забарабанили по плоскостям осколки, и швырнуло машину в крутой крен. Цель сорвалась с
расчетного угла, и было ясно - в нее не попадут наши бомбы. Юра кричит мне:
«Бросай! Чего ждешь?» А я в ответ: «Бросать в море не буду! Повторяй заход на
цель!» - «Дурак, ты что, не видишь, как зенитки нас взяли! Сейчас собьют!» -
«Бросать в море не буду, повторяй заход!» Чертыхнулся Юрка... разворачивает
машину под градом осколков... ложится на боевой курс... Ошалев от боевого азарта,
держу цель снова на перекрестии прицела. Вот и щелчок прицельного угла
сброса; жму кнопку сброса и с восторгом кричу: "Сброс!"»
Короче, повеселился...
Этот восторженный сброс обошелся дорого: погибли стрелок и радист, самолет
лишился одного двигателя и вообще представлял собой решето. А на Удинцеве -
ни царапинки. Позже за эту бомбардировку ему дали орден Отечественной войны I
степени.
В 1945 году война отпустила Удинцева из своих железных рук в науку - так
же, как когда-то она отпустила Вегенера. Нет, вру... Не сразу отпустила!..
Несмотря на ордена, восстановиться после войны на геофаке Удинцеву сразу не
удалось. Армия не хотела разжимать свои клешни. Только через год - благодаря
хлопотам и протекции самого Папанина и одного профессора с геофака,
увидевшего в парне божью искру, маршал авиации Голованов дал согласие на увольнение
боевого офицера.
...Всю жизнь Удинцев занимался изучением морского дна. Этому были посвящены
его дипломная работа, кандидатская и докторская диссертации. И так же как
Шкловский успел к самому расцвету астрономии, так Удинцев вовремя подоспел к
эпохе великих географических открытий на океанском дне, которое до середины
XX века оставалось почти сплошным белым пятном на карте мира. (Карта дна
Тихого океана впервые была составлена только в 1963 году.) Именно Удинцевым и
его командой были впервые промерены глубины многих океанских желобов, в том
числе знаменитой Марианской впадины. И одним из множества замечательных
открытий Удинцева было то, ради которого я и начал этот рассказ.
...Прошло три месяца после скандального доклада Ларина, на котором он потешил
все научное геологическое сообщество бредовыми рассуждениями о том, какие, по
его мнению, трещины должны быть на Срединно-Атлантическом рифте. Совсем не
такие, как надо! Чудачок...
И вот в том же самом зале, на ту же самую кафедру поднялся Удинцев и перед
той же самой аудиторией рассказал, какие удивительные и неожиданные открытия
он и его команда сделали, изучая дно Атлантики.
- Вы, быть может, не поверите, товарищи, но там есть односторонние трещины!
И ширина трещин увеличивается с удалением от рифта, а не уменьшается!
Аудитория была поражена столь сенсационными открытиями:
- Чем же вы, Глеб Борисович, объясняете этот феномен?
Тут настал черед удивляться Удинцеву. Географ пожал плечами:
- А чего вы меня спрашиваете? Вот сидит Ларин, который три месяца назад дал
такой прогноз. У него и спрашивайте...
В аудитории воцарилось тягостное недоброжелательное молчание. «На ремни
порезать гада!» - читалось в этой гробовой тишине, что, отчасти, наверняка
адресовалось и Удинцеву, который вот так вот, походя, предал Тектонику плит,
даже не удосужившись придумать хоть какое-то объяснение! Ну, да он географ,
ладно, чего с него взять. А вот Ларин - сволочь преизрядная...
После минуты тяжкого молчания «главный знаток океанов», академик Пущеров-
ский Юрий Михайлович, покраснел, как бурак, и, не в силах вынести поругание
святыни, встал, сверкнул на Ларина глазами и молча вышел из аудитории. После
чего полгода Ларину руки не подавал. Очень принципиальный человек! Про этого
ученого я, пожалуй, ничего не буду вам рассказывать...
Не Знаю, наверняка сторонники Тектоники плит уже поставили заплатку - нашли
какое-нибудь объяснение, почему трещины на Атлантическом дне оказались
совершенно не такими, какими должны были быть по их теории.
Но, согласитесь, одно дело сделать рискованное предсказание и «попасть
точно в цвет», а другое - получить результат, прямо противоречащий твоей теории,
и задним числом выдумать ему какое-то объяснение.
Теории относительности Эйнштейна (помните?) для признания хватило одного
неожиданного и триумфально сбывшегося предсказания. Теории металлогидридной
Земли Ларина не хватило для признания десятка блистательно сбывшихся
прогнозов. Наверное, потому, что геологи есть геологи, и им трудно понять
астрономические выкладки про ионизацию элементов в небуле и физику металлогидридных
соединений. А на слово они не верят: ученые как-никак, неудобно...
Но насколько все-таки ловко Ларин через океанские толщи провидел то, что
через три месяца найдет на дне экспедиция Удинцева. Как в воду глядел!
Кстати, о воде... Чуть позже тот же Ларин ляпнул, что в рифтовой зоне Средин-
но-Атлантического хребта, а точнее говоря, в районе черных курильщиков (так
называются подводные гейзеры, извергающие перегретую воду под большим
давлением) должны в изобилии плавать силициды. Если, конечно, верна его теория.
(Надо ли говорить, что Тектоника плит это активно отрицала?)
Предсказание это было сделано давно, лет десять тому назад. И вот в 2002
году два сотрудника из петербургского Института океанологии, некие Погребиц-
кий и Трухалев, публикуют статью со скучным названием «Проблема формирования
Срединно-Атлантического хребта в связи с составом и возрастом пород его
метаморфического комплекса». И в этой статье пишут буквально следующее:
«Конкретным подтверждением справедливости построений В.Н. Ларина можно
считать и находки частиц (0,2-1 мм) разнообразных металлокремниевых силицидов
(Mg-Al-Si, Si-Fe, Cu-Zn-Si и др.) в пробах воды из придонного слоя,
отобранных в рифтовой долине в районе гидро-термального поля ТАГ (26° с. ш.)>>.
...Беспристрастный судья давно бы присудил металлогидридной теории победу
техническим нокаутом и развел дерущихся, но теория расширения планеты, я
вижу, даже не собирается останавливаться, и все норовить еще несколько раз
пнуть почти бездыханное тело Тектоники плит. Какая жестокость! Остановите
это, остановите!
Ортодоксальная геология категорически отрицала, что в траппах может
присутствовать самородный алюминий. И когда Ларин в очередной раз сделал очередное
безумное предсказание на этот счет, его в очередной раз подняли на смех.
Потому что самородного алюминия в траппах не бы-ва-ет! Просто потому, что его
там теоретически не может быть, если справедлива ортодоксальная теория. А
всем в науке известно, что она справедлива, поскольку официально коронована
на царство. Сидящий на троне не может ошибаться! Посему именем святого
великомученика Вегенера проклинаем Ларина!..
Но Ларин, как и Дарвин, отличается одним удивительным свойством - он всегда
оказывается прав.
Свое очередное сенсационное для геологов и рискованное предсказание он
сделал в семидесятых годах. Тогда самородный алюминий в траппах открыт еще не
был. Кстати, его открыватели (Олейников, Округин, Лескова) изрядно
натерпелись в свое время. Им не хотели верить, их жестоко «чморили», не хотели
публиковать . Дело дошло даже до того, что авторы открытия возили с собой кувалду
и куски базальта, чтобы всякий сомневающийся сам мог расколоть кусок и лично
убедиться: никакого мошенничества нет. А есть, напротив, малюсенькие кусочки
чистого алюминия внутри цельной породы.
Но откуда? Его же там быть не может!!! А он, тварь такая, есть. До чего же
обидно...
Но самое обидное началось, когда металлогидридная теория начала получать
подтверждения оттуда, откуда никогда не получали подтверждения науки о
внутреннем строении Земли, - с Марса. Согласно металлогидридной теории, которая,
как вы помните, основывается на факте магнитной сепарации элементов в прото-
солнечной туманности, на Марсе должно быть много серы. Людям, которые ничего
о магнитной сепарации не знают, это совершенно не очевидно. И потому ларин-
ские предсказания о сере на Марсе тоже можно отнести к рискованным
предсказаниям, которые сбылись: в самом начале XXI века по миру пронеслась сенсация -
на Марсе обнаружено «аномально» высокое содержание серы.
Давайте теперь с устатку присядем на труп Тектоники плит и, по-крестьянски
хитро щурясь, как всегда иронично произнесем:
- Вишь ты, лишняя сера... А ить кто бы мог подумать!
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Разное
ХЛОРИРОВАНИЕ ВОДЫ
Введение1
В нашем крае воду дезинфицируют хлорированием. Меня заинтересовало как
такой полезный и в тоже время вредный хлор используется для дезинфекции воды.
Мне бы хотелось ответить на вопрос: можно ли использовать очищенную таким
способом воду или ее необходимо очищать дополнительно. Для того чтобы это
узнать необходимо, определить количество активного хлора.
Как загрязняется вода
Если бы вода, которая встречается в природе, была чистая то отпала бы
необходимость в ее анализе и очистке. Но, к сожалению, независимо от источника
вода содержит примеси в растворенном или взвешенном состоянии. Дождевая вода,
проходя через атмосферу, растворяет в себе содержащийся в воздухе кислород
азот и углекислый газ. Она также контактирует с пылью дымом и другими
примесями, которые остаются в ней виде растворенных веществ или взвесей. В нее
также могут попадать бактерии и споры различных микроорганизмов. Дождевая во-
1 Найдено на сайте Средней общеобразовательной школы № 22 г.
учителя химии Карпель Л.И.
Красноярск, в папке
да, проходя через воздух и просачиваясь через верхние слои почвы, поглощает
двуокись углерода, которая соединяется с водой. Эта кислая вода растворяет в
себе минеральные вещества и горные породы, с которыми она контактирует. Вода,
полученная из поверхностных слоев водоемов, может быть мутной из-за
присутствия в ней глины и ила. Сельскохозяйственные земли могут загрязнять воду
органическими веществами, отходами животных. Болота во время паводков могут
выбрасывать в воду продукты гниения растительности, микроорганизмы, и повышать
цветность воды. Кроме того, поверхностные воды загрязняются отходами животных
и человека, городскими и промышленными сточными водами. Грунтовые воды из
неглубоких скважин (около 300 м) могут быть как жесткими, так и мягкими в
зависимости от минерального состава грунта в данной области. Естественная
фильтрация через песок придает такой воде прозрачность с низким содержанием
органических веществ. Вода из глубоких скважин обычно содержит сравнительно
высокие концентрации растворенных минералов. Эти воды обычно чистые и прозрачные
благодаря фильтрации слоями песка. Ключевая вода обычно похожа на воду,
получаемую из неглубоких и глубоких скважин в данном регионе. Однако ключевая
вода вследствие своей поверхностной природы вероятно более подвержена внешнему
Загрязнению. Химические примеси присутствуют в любой природной воде - очень
важно изучить их влияние и значение.
В воде способны размножаться болезнетворные микроорганизмы, бактерии,
палочки. Поэтому человек должен использовать очищенную воду.
Существует много способов очистки воды: хлорирование, озонирование, но...
вспомните уроки химии - как горит в кислороде железо, фосфор, не вызовет ли
это ускорение процессов в организме? Последние исследования показали, что
мнение об озонировании как о более безвредном способе обеззараживания воды
ошибочно. Продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими
веществами представляют собой альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие гидро-
ксилированные алифатические и ароматические соединения. Наиболее часто в
озонированной воде отмечается присутствие альдегидов (формальдегид, ацетальде-
гид, глиоксаль, метилглиоксаль)
Для тех кому
не нравится хлор
Самое раннее предложение хлорировать воду было высказано доктором Робли
Данлингсеном в 1835 г, еще до того, как было обнаружено, что вода может быть
переносчиком болезнетворных бактерий. К 184 6 г. относится первое упоминание
об использовании хлора как бактерицидного средства - доктор Семмелвейс в
главном госпитале г. Вены использовал хлорную воду для мытья рук перед
осмотром больных. А в 1881 г. немецкий бактериолог Роберт Кох продемонстрировал,
что чистые культуры бактерий могут быть разрушены хлорсодержащим раствором -
гипохлоритом натрия.
За последние 100 лет хлор стал практически универсальный средством для
обработки питьевых и сточных вод.
Кроме главной функции - дезинфекции, благодаря уникальным окислительным
свойствам и консервирующему эффекту последействия, хлор служит и другим целям
- контролю за вкусовыми качествами и запахом, предотвращению роста
водорослей? поддержанию в чистоте фильтров, удалению железа и марганца, разрушению
сероводорода, обесцвечиванию и т.п. В этом смысле ни одно из альтернативных
хлору средств не может сравниться с ним по универсальности и простоте
применения .
В последнее десятилетие в России активно обсуждается вопрос повышения
эффективности очистки и обеззараживания воды с применением для этого новых
технологических схем. Причем эти обсуждения иногда сопровождаются такими "глубо-
комысленными" высказываниями, как: "хлорирование - это очень плохо", "уже
нигде (кроме России) воду не хлорируют", вплоть до категоричного высказывания;
"мне не нравится хлор", А не пора ли остановиться и трезво (научно
обоснованно) взглянуть на проблему?
Все технологические схемы очистки и обеззараживания воды (старые и новые)
должны опираться на основные критерии, предъявляемые к качеству питьевой
воды; питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом отношении,
безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими
(вкусовыми) свойствами. Эта критерии лежат в основе нормативных актов всех
стран, в т.ч. и России (СанПиН 2.14.1074-01). Причем эти документы учитывают
тот факт, что опасность заболеваний человека от микробиологического
загрязнения воды во много тысяч раз выше, чем при загрязнении воды химическими
соединениями различной природы,
В существующей практике обеззараживания питьевой воды хлорирование
используется наиболее часто, как наиболее экономичный и эффективный метод по
сравнению с любыми другими известными методами. В США 98,6% воды (подавляющее
количество) подвергается хлорированию. Аналогичное применение хлора в России,
да и в других странах. В мире в 99 из 100 случаев для дезинфекции используют
либо чистый хлор, либо хлорсодержащие продукты. В США для этих целей
используют в среднем около 500 тыс. т хлора в год, в России - до 100 тыс. т. Такая
популярность хлорирования связана с и тем, что это единственный способ,
обеспечивающий микробиологическую безопасность воды в любой точке
распределительной сети и в любой момент времени благодаря эффекту последействия. Все
остальные методы обеззараживания воды, в том числе и промышленно применяемые в
настоящее время - озонирование и УФ-облучение, не обеспечивают
обеззараживающего последствия и поэтому требуют хлорирования на одной из стадий водо-
подготовки. Одним из существенных недостатков газообразного хлора считаются
повышенные требования к его перевозке и хранению и потенциальный риск для
здоровья, связанный, прежде всего с возможностью образования тригалометанов
(ТГМ): хлороформа, дихлорбромметана, дибромхлорметана и бромоформа.
Образование тригалометанов обусловлено взаимодействием соединений активного хлора с
органическими веществами природного происхождения. Замена газообразного хлора
гипохлоритом натрия или кальция для дезинфекции воды не снижает, а
значительно увеличивает вероятность образования ТГМ. Ухудшение качества воды при
применении гипохлорита связано с тем, что процесс образования ТГМ растянут во
времени до нескольких часов, а их количество при прочих равных условиях тем
больше, чем больше рН. Поэтому наиболее рациональным методом уменьшения
побочных продуктов хлорирования является снижение концентрации органических
веществ на стадиях очистки воды до хлорирования. Это позволит уменьшить дозу
хлора при обеззараживании, и не превышать концентрацию побочных продуктов
ПДК, которые установлены в пределах 0,06-0,2 мг/л и соответствуют современным
научным представлениям о степени их опасности для здоровья. Проведенные в США
научные исследования по способности этих веществ вызывать рак, показали их
безопасность в указанном выше диапазоне концентраций. Уменьшение концентраций
побочных продуктов хлорирования требует нестандартных решений очистки воды на
первичном этапе водоподготовки. Одним из таких решений является
технологическая схема с предварительным озонированием воды. Опыт ее применения позволяет
сделать вывод, что при этом повышается качество очищенной воды по мутности,
цветности, удаляются привкусы и запахи. Предварительное озонирование
позволяет существенно уменьшить дозу коагулянта. Вместе с тем, несмотря на
российский и зарубежный опыт применения озона в технологии водоподготовки, есть еще
множество нерешенных проблем.
Применение другого альтернативного дезинфектанта - УФ-облучения - позволяет
избавиться от побочных продуктов обеззараживания, что является его несомнен-
ным достоинством, но на сегодня его промышленное применение осложняется
отсутствием возможности оперативного контроля эффективности обеззараживания
воды. Применение этого метода на практике определило необходимость
конкретизации ряда положений водно-санитарного законодательства в части гигиенических
требований к применяемой дозе облучения, гарантирующей качество воды, к УФ-
системам и месту их расположения в технологической схеме водоподготовки.
Неоспоримым достоинством УФ-облучения является то, что этот способ
обеззараживания не образует побочных продуктов, то есть, не ухудшает качества воды
с точки зрения влияния на здоровье человека. Но те технические сложности,
которые сопровождают этот способ сегодня, требуют достаточно критичного
отношения к его применению в тех или иных практических условиях.
Неоспоримых достоинств у озона как дезинфектанта нет. Однако не следует
быть категоричным к его применению. Но, решаясь на этот шаг, всегда
необходимо помнить, что озон - неустойчивое химическое соединение трех атомов
кислорода Оз (в отличие от устойчивой двухатомной молекулы 02) . Поэтому озон имеет
очень высокую химическую активность, и эта активность не всегда приводит к
желаемым результатам.
Обработка воды хлором и его соединениями основана на способности свободного
хлора (в виде устойчивого химического соединения - двухатомной молекулы С12)
угнетать ферментные системы микробов, катализирующие окислительно-
восстановительные процессы. Причем хлор вводят с избытком с целью уничтожения
микробов, попадающих в воду после ее хлорирования.
Наличие в воде остаточного свободного хлора до 1 мг/л (СанПиН 2.14.1074-01)
не только безвредно для здоровья человека, но и способствует пополнению
потребности организма человека в хлоре, составляющей около 3 г в сутки!
Так что же получается? Оказывается, хлор (в отличие от озона,
способствующего старению организма) необходим для обеспечения жизнедеятельности
организма человека!
Хлор - один из биогенных элементов, постоянный компонент тканей растений и
животных. Содержание хлора в растениях (много хлора в галофитах) - от
тысячных долей процента до целых процентов, у животных - десятью и сотые доли
процента. Суточная потребность взрослого человека в хлоре (2-4 г) покрывается за
счет пищевых продуктов. С пищей хлор поступает обычно в виде хлорида натрия
(поваренная соль). Особенно богаты хлором хлеб, мясные и молочные продукты.
В организме хлор - основное осмотически активное вещество плазмы крови,
лимфы, спинномозговой жидкости и некоторых тканей2. Хлор играет роль в водно-
солевом обмене, способствуя удержанию воды тканями. Регуляция кислотно-
щелочного равновесия в тканях осуществляется наряду с другими процессами
путем изменения в распределении хлора между кровью и другими тканями.
Хлор участвуете энергетическом обмене у растений, активируя как
окислительное фосфорирование, так и фотофосфорирование. Хлор положительно влияет на
поглощение корнями кислорода. Хлор необходим для образования кислорода в
процессе фотосинтеза...
Поэтому утверждение "мне не нравится хлор" равносильно заверению "мне не
нравится здоровая жизнь", которое не может произнести здравомыслящий человек.
Активный хлор
Хлор может существовать в воде не только в составе хлоридов, но и в составе
других соединений, обладающих сильными окислительными свойствами. К таким
соединениям хлора относятся свободный хлор (С1г) , гипохлорит-анион (С10~) ,
хлорноватистая кислота (НС10), хлорамины (хлорпроизводные аммиака, при рас-
2 Соляная кислота (НС1) является компонентом желудочного сока человека. Прим.ред.
творении в воде которых образуются монохлорамин NH2C1, дихлорамин - NHCI2,
трихлорамин NC13) . Суммарное содержание этих соединений называют термином
"активный хлор". Содержащие активный хлор вещества подразделяют на две
группы: сильные окислители — хлор, гипохлориты и хлорноватистая кислота —
содержат так называемый «свободный активный хлор», и относительно менее слабые
окислители — хлорамины содержащие «связанный активный хлор». Благодаря
сильным окислительным свойствам соединения, имеющие активный хлор, используются
для обеззараживания (дезинфекции) питьевой воды и воды в бассейнах, а также
для химической очистки некоторых сточных вод. Кроме того, некоторые
содержащие активный хлор соединения (например, хлорная известь) широко используются
для ликвидации очагов распространения инфекционных загрязнений.
Наиболее широко для дезинфекции питьевой воды используется свободный хлор,
который при растворении в воде диспропорционирует по реакции:
С12 + Н20 = НС1 +Н0С1
В природной воде содержание активного хлора не допускается; в питьевой воде
его содержание установлено в пересчете на хлор на уровне 0,3-0,5 мг/л в
свободном виде и на уровне 0,8-1,2 мг/л в связанном виде. Активный хлор в
указанных концентрациях присутствует в питьевой воде непродолжительное время (не
более нескольких десятков минут) и нацело удаляется даже при кратковременном
кипячении воды. По этой причине анализ отобранной пробы на содержание
активного хлора следует проводить немедленно.
Интерес к контролю содержания хлора в воде, особенно в питьевой воде,
возрос после осознания того факта, что хлорирование воды приводит к образованию
заметных количеств хлоруглеводородов, вредных для здоровья населения. Особую
опасность доставляет хлорирование питьевой воды, загрязненной фенолом. ПДК
для фенолов в питьевой воде при отсутствии хлорирования питьевой воды
установлено 0,1 мг/л, а в условиях хлорирования (при этом образуются гораздо
более токсичные и имеющие резкий характерный запах хлорфенолы) — 0,001 мг/л.
Аналогичные химические реакции могут протекать с участием органических
соединений природного или техногенного происхождения, приводя к различным
токсичным хлороорганическим соединениям — ксенобиотикам.
Дезинфекционные свойства
хлора и гипохлорита натрия
При растворении хлора в воде идут две параллельные реакции:
С12 + Н20 = Н+ + CI" + НС10
НС10 = Н+ + СЮ"
Дезинфектами в данном случае являются хлор и хлорноватистая кислота.
При увеличении рН увеличивается концентрация ионов СЮ", которые не имеют
дезинфекционной способности и, соответственно уменьшаются бактерицидные
свойства раствора.
В случае гипохлорида натрия идут следующие реакции:
NaCIO + Н20 = NaOH + НС10
Дезинфектом в данном случае является только хлорноватистая кислота.
При разборе микробиологического механизма дезинфекции, обращают на себя
внимание следующие сообщения:
1. Отмечено образование ассоциатов микроорганизмов, в которые проникновение
хлора затруднено, вследствие чего дезинфекция как процесс увеличивается
во времени.
2. При взаимодействии гипохлорида натрия с палочкой Коха добавочное
действие УФ-излучения позволяют увеличить дезинфекционный процесс в 100 и
даже 1000 раз.
Предполагают, что при воздействии указанных реагентов происходит изменение
цитоплазмической мембраны, что делает клетку более уязвимой. Оставляя
сделанные выводы в компетенции авторов статей следует отметить, что дезинектами,
такими как С12 и НС10, и начинается разрушение цитоплазмической мембраны,
окружающей клетку.
Определение
хлора в воде
Лимитирующий показатель вредности для активного хлора — общесанитарный.
Предлагаемый йодометрический метод (метод йодометрического титрования)
определения активного хлора является адаптированным стандартным методом для
анализа питьевой воды (ГОСТ 18190-72). Метод основан на свойстве всех,
содержащих активный хлор, соединений в кислой среде выделять из йодида калия
свободный йод:
С12 + 21 = I2 + 2C1
СЮ" + 2Н+ + 21" = 12 + С1" + Н20
НС10 + Н+ + 21" = 12 + С1" + Н20
NH2C1 + 2Н+ + 21" = 12 + NH4 + С1
Свободный йод оттитровывают тиосульфатом натрия в присутствии крахмала как
описано при определении растворенного кислорода. Реакцию проводят в буферном
растворе при рН 4,5, и тогда определению не мешают нитриты, озон и другие
соединения. Однако мешающими определению веществами являются другие сильные
окислители, которые также выделяют йод из йодида калия — хроматы, хлораты и
др. Концентрации, в которых указанные окислители оказывают мешающее действие,
могут присутствовать в сточных водах, но маловероятны в питьевой и природной
воде. Метод может использоваться для анализа также мутных и окрашенных вод.
Концентрацию активного хлора (Сах) в мг/л рассчитывают по результатам
титрования, для которого обычно используется раствор тиосульфата натрия с
концентрацией 0,005 гэкв/л. Расчет проводят по формуле:
Сах = (Vt * К* 0.177*1000)/Va
где: Vt — количество раствора тиосульфата натрия с концентрацией 0,005
гэкв/л, израсходованного на титрование, мл; К — поправочный коэффициент,
учитывающий отклонение точной фактической концентрации тиосульфата от
значения 0,005 гэкв/л (для большинства случаев значение К принимается равным 1) ;
0,177 — содержание активного хлора в мг, соответствующее 1 мл раствора
тиосульфата с концентрацией 0,005 гэкв/л; Va — объем пробы воды взятой для
анализа, мл; 1000 — коэффициент пересчета единиц измерения из миллилитров в
литры.
Чувствительность метода — 0,3 мг/л при объеме пробы 250 мл, однако, при
использовании растворов тиосульфата с различной концентрацией объем пробы может
составлять, в зависимости от требуемой чувствительности определения, от 500
до 50 мл воды и менее.
Этот стандартный метод очень трудоемкий и им можно воспользоваться в лабо-
раторных условиях. Он позволяет определить количество активного хлора не ниже
ПДК. А если активного хлора меньше? Значит, вода продезинфицирована
некачественно , и человек такую воду употреблять не должен, ее нужно прокипятить. Мы
нашли, что содержание хлора можно определить, используя фотометрический метод
Методика определения
активного хлора
фотометрическим методом
В коническую колбу помещают 5 мл раствора, содержащего 0.1 М Na2B407 (pH
9.18), бромфеноловый синий (БФС), КВг порядка 10~3 М и 20 мл анализируемого
раствора. Интенсивно перемешивают раствор. Аликвоту3 раствора помещают в
кювету (толщиной 1 см) . Измерение оптической плотности (А) проводят через 10
мин (длина волны 510 нм).
Градировочную зависимость строят в координатах А от концентрации активного
хлора. Для построения градировочного графика делают серию растворов,
разбавляя стандартный раствор. В качестве раствора активного хлора используется
раствор гипохлорита натрия. Стандартный раствор готовят из раствора гипохло-
рита натрия технического, разбавляя его в 100 раз водой. Концентрацию
стандартного раствора устанавливают титрометрически по известным методикам.
Важно , что этот реактив может выпускаться промышленностью в сухом виде. Мы нашли
оптимальную навеску, которую следует использовать для определения
водопроводного хлора в домашних условиях: 67 мг БФС и 5 мг КВг на 250 мл исследуемой
воды.
3 В аналитической химии — точно измеренная кратная часть образца (объём раствора),
взятая для анализа, которая сохраняет свойства основного образца.
Разное
ФОТОГАЛЕРЕЯ
.;»:
vv
Разное
ЗДЕСЬ МОГЛО БЫ БЫТЬ ВАШЕ
БЕСПЛАТНОЕ ОБЪЯВЛЕНИЕ О
СИМПОЗИУМЕ, КОНФЕРЕНЦИИ, СЕМИНАРЕ