МАРК КОЛТУН
НАУЧНО-ХУДОЖЕСТВЕННАЯ ЛИТЕРАТУРА
МОСКВА «ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА» 1987

22.3
К61
Оформление
Б. ЧУПРЫГИНА
Подбор и составление иллюстраций
М. М. КОЛТУНА
Фотомонтажные иллюстрации художника
Е. ЛЕОНОВА и фотографа В. ГЕРМАНА
Репродукционная съемка и фотографии
М. БОЧКОВА и Е. ГЕРМАНА
Графики и схемы художника
В. РАДАЕВА
В книге использованы рисунки и живописные работы
НАТАШИ КОЛТУН
В книге использованы фотографии
из итальянской энциклопедии «Ученые и инженеры»,
вышедшей в Милане в издательстве Мондадори.
Рецензенты:
заслуженный деятель науки и техники,
доктор физико-математических наук, профессор
A. А. Г у х м а н
Доктор физико-математических наук
B. В. Шевченко
Доктор психологических наук
Г. Г. Г р а н и к
Доктор физико-математических наук
В. С. Березинский
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ
4802020000—076
K M101(03)87 Без объявл.
© ИЗДАТЕЛЬСТВО «ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА», 1984 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА
1
МНОГОЛИКАЯ
ПРИРОДА
Открытия и надежды 12
Металлические сети для... водорода 13
Сквозь даль веков 14
Танец под микроскопом 16
Атмосфера на... лабораторном столе 17
Каждая клетка ждет льва 19
По дороге открытий 20
Снаряд летит обратно 22
Прекрасные физические новости с телеграфной ленты . . 23
И все-таки он вращается! 24
Полярное сияние у нас дома 26
Лилипуты совершают гулливерские дела 28
Мал золотник, да дорог 30
Исполнение мечты 33
Пушка, стреляющая невидимыми снарядами 34
Ядро построено 35
Самая интересная часть эксперимента 37
Чудеса в мире холода 38
Новое создают мечтатели 40
ГЛАВА
2
ДВИЖЕНИЕ,
ДВИЖЕНИЕ,
ДВИЖЕНИЕ...
Как трудно планеты менять местами! 44
Законы небесные и земные 45
Новый физический прибор — сердце 48
Спасибо школьной ссоре 50
Неведомая сила тяготения 52
Лед — верный союзник исследователей теплоты .... 54
Прихотливые узоры судьбы 56
Движение, изменившее свой вид 57
Всегда ли справедлив закон? 59
Планета, увиденная впервые... на бумаге 62
В экспериментах участвует Вселенная 65
Мир световых скоростей 67
Движение в межпланетных просторах 68
Все дальше, выше, быстрее 70

ГЛАВА
3
ВСЕПОБЕЖДАЮЩАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
СИЛА
Электричество спускается с неба 75
Скальпель, соединенный с... молнией 78
Физике все возрасты покорны 80
Электричество получает законы 82
Непохожие близнецы 84
Открытие Фарадея 87
Плененное электричество 90
Непроторенными тропами 92
Необъятная энергия крохотного атома 95
Солнце будет гореть на Земле! 99
Заглядывая в будущее и... прошлое 102
ГЛАВА
4
ПРЕВРАЩЕНИЯ
СВЕТА
Всматриваясь в глаз 107
Поднимем предмет... не прикасаясь к нему 108
Если бы мы жили под водой 110
Непрозрачное зеркало... из двух прозрачных стекол . . 111
Расщепленный свет 112
Ловушка для лучей 114
Начало бесконечной дороги 117
«Ведь все взрослые были когда-то детьми» 118
Продолжение полезных споров 120
Повороты на пути к истине 121
Рука помощи, протянутая из... девятнадцатого века . . . 122
Плоды заботливо посаженных семян 123
ГЛАВА
5
НЕВИДИМЫЙ
СВЕТ,
НЕСЛЫШИМЫЙ
ЗВУК
Как увидеть невидимое? 128
Судьба великих открытий 130
Вера, основанная на... измерении 132
Замечательная дырка 133
Невидимки рядом 134
Сквозь мглу ночную 135
Согреваемся... отдав свое тепло 136
Друг наш — атмосфера 137

Холодный и теплый свет 139
Незаметные и незаменимые друзья 140
Неразрушающий анализ 141
Еще одно воспоминание о будущем 142
«Говорящая молния» —
Сильнее бурь, ветров и непогоды 145
«Непонятное в баночке» 148
Длинное путешествие коротких волн 150
Невидимые пачки газет проносятся мимо нас 152
Там, где звук быстрее света 154
Оглядываясь назад 156
ГЛАВА
6
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
ПРИРОДА
ИЗЛУЧЕНИЯ
Обручальное кольцо, ставшее знаменитым 160
Семь бессмертных недель 162
Бесценный дар 163
Лучший на свете оптик — Природа 165
Слава плохой погоде! 167
Все дороги ведут... к человеку 168
На дальних подступах к «природе вещей» 170
Как много можно увидеть в окнах дворца! 172
Электричество превращается в свет 173
Ученые тоже любят играть в кубики... из кристаллов . . 174
«Честь делать открытия» 175
Как трудно расставаться с прошлым! —
Рождение новой теории 176
Решающие опыты 178
Встреча... в учебнике физики 179
Неразрывная связь 180
ГЛАВА
7
ЗЕРНИСТОЕ
СТРОЕНИЕ
МАТЕРИИ
Деревянная линейка, прекрасно заменяющая... напильник . 184
«Как отличить птиц от цветов» 185
Трудно описать горб верблюда 186
«Ультрафиолетовая катастрофа» 187
«Нечто новое, дотоле неслыханное» 188
Всевидящий глаз 190
С ультрафиолетом могут быть связаны не только
катастрофы 191

Укрощение света 192
Из лазера на Луну 194
Пушка, стреляющая... светом 196
Мастер на все руки 199
Несовместимое совмещается —
Новые свойства электрона 202
Один в двух лицах 203
Живые картины 205
Позднее, но справедливое признание 207
Волшебные стекла, которые не страшно разбить .... 208
Играет ли бог в кости? 210
Поле напряженной мысли 211
ГЛАВА
8
МИР МАЛЕНЬКИЙ
И... ОЧЕНЬ
БОЛЬШОЙ
Несмотря на «сотни разъединяющих верст» 216
Как полезно слушать эхо! 218
Голос далеких миров 219
Как хорошо, что наша звезда — Солнце! 222
Большие и чуткие друзья ученых 223
Если сравнить человека... с радиотелескопом 225
Космическое «точило» 226
Полезный совет... из другой галактики 227
Теория, нашедшая подтверждение через тридцать лет . . 228
«Нечто маленькое и нейтральное» 229
В недрах Солнца 231
Бесценная невидимка 232
За шуткой Паули все же скрывалась правда 233
Телескопы, менее всего похожие на... телескопы .... 234
Человечество вглядывается в прошлое, чтобы точнее
предсказать будущее 237
В ожидании взрыва достаточно близкого и... далекого . . 239
Океан смотрит в небо 240
Прозрачные облака —
ГЛАВА
9
УСТРЕМЛЕННАЯ
В БУДУЩЕЕ
И атом на лету можно остановить 246
Электронные и механические помощники человека . . . 250
«Добро пожаловать, небесная гостья!» 253
На пути к «великому объединению» 258
Воплощение «грез о земле и небе» 262
Вечное движение 267

Чтобы понять, почему явление,
ежедневно и всеми видимое в продолжение
двадцати столетий, не обращало на
себя внимание физиков, надобно
вспомнить, что немногие одарены
способностью удивляться кстати.
Академик ФРАНСУА АРАГО
Необъятен мир физики! В
окружающей природе и даже внутри нас — повсюду происходят
физические процессы. Физика и Природа — слова-близнецы,
слова-братья, недаром название «физика» ведет свое
происхождение от греческого слова «фюзис»,
означающего в переводе «природа».
Выдающийся физик нашего времени
академик Петр Леонидович Капица,
выступая на международном симпозиуме по планированию науки,
сказал: «Как известно, органы обоняния —
наиболее сложные из всех органов чувств,
и природа явления, на основе которого они функционируют,
до сих пор не открыта.
Таким образом, «догнать обоняние собаки»
есть одна из проблем физики будущего».
Петр Леонидович без колебаний отнес к области физики
проблему, которая на первый взгляд кажется
чисто биологической или медицинской.
Объект исследования — Природа — един у всех наук.
В природе так причудливо сочетаются разноликие
процессы и явления, что часто очень трудно определить,
специалисты какого научного направления
к ним должны подступиться прежде всего.
Недавно ученые обнаружили новый класс глубоководных
океанских рыб с особыми светящимися органами.
Обычно это не удивляет исследователей Природы:
механизм свечения, возникающий за счет химических реакций,
давно раскрыт и понят учеными.
Здесь же оказалось нечто другое.
Эти рыбы (одной из них является так называемый
японский шишечник) создают в своих органах условия,
очень удобные для проживания в них...
фосфоресцирующих светящихся бактерий.
Японский шишечник очень похож внешне на шишку сосны
или кедра, благодаря которым он и получил свое название.
Под нижней челюстью у него устроены два овальных углубления,
пронизанных многочисленными трубочками, где живут бактерии,
излучающие темно-красный свет.
Но бактерии здесь не просто временные, случайные постояльцы:
между рыбами и бактериями идет активный обмен
питательными веществами, в частности
глюкозой и пировиноградной кислотой.
Бактерии в момент яркого свечения интенсивно
отдают клеткам ткани, в которой они живут,
выделяемый ими кислород...
Представители скольких наук должны совместно изучать
столь сложный организм? В ответ на этот вопрос
нам пришлось бы наверняка перечислить специалистов

пяти-шести наук. И видимо, без физики даже здесь,
в глубоком подводном царстве, не обойтись.
Природа возникновения светового излучения,
состав света Солнца, ламп и даже светлячков в лесу
всегда интересовали физиков.
На пути раскрытия оптических тайн Земли и Вселенной
ученым удалось сделать много открытий
и создать затем удивительные приборы и источники света,
которые даже изобретательная Природа не могла придумать.
Когда-нибудь японский шишечник с живыми темно-красными
лампами-фарами окажется полезным для физики,
особенно в ее благородном стремлении помочь
биологии и медицине: не исключено,
что для какого-нибудь сложного медицинского прибора
ученым придется учиться у светящихся бактерий
мягко освещать все происходящее вокруг
и одновременно тонко регулировать подачу кислорода...
Представление о физике в умах многих людей
совершенно справедливо сливается с понятием «знание».
Недаром слово «физика» ввел в русский язык один из основателей
Петербургского университета, первый российский академик
Михаил Васильевич Ломоносов,
которого Александр Сергеевич Пушкин назвал
«первым нашим университетом».
Мир физики столь же велик, сколь неисчерпаем мир знаний!
В физике изучают механические, тепловые,
световые и электрические явления,
исследуют свойства окружающих нас тел и физические процессы,
на основе которых могут быть созданы
полезные для человека устройства и приборы.
Приобретая новые представления в процессе познания,
физика все время развивается, помогая нам
лучше и полнее понимать Природу, обогащает нас глубокими
теориями и гипотезами, увеличивает способность человечества
использовать на благо всех достижения науки.
Физика щедра и бескорыстна.
Известный драматург Бернард Шоу выразил эту особенность
настоящей науки простыми и точными словами:
«Если у вас есть яблоко и у меня есть яблоко
и если мы обменяемся этими яблоками,
то у вас и у меня останется по одному яблоку.
А если у вас есть идея и у меня есть идея
и мы обмениваемся идеями, то у каждого из нас
будет по две идеи».
Между отдельными направлениями физики сейчас
обнаруживаются разнообразные связи.
В основе многих, казалось бы совершенно обособленных,

физических процессов лежат, как удалось доказать,
одни и те же законы. Одинакова природа большинства тепловых,
световых и электрических явлений, много общего между
механикой, электричеством, строением вещества и...
элементарными частицами: ведь прочность и долговечность
материалов определяется структурой молекул, атомов и их ядер,
состоящих, в свою очередь, из элементарных частиц,
соединенных в единое целое сложными силами взаимодействия,
в том числе электромагнитными.
В науке, как и в жизни, тесная связь между внешне далекими,
но на самом деле близкими и помогающими друг другу
областями знания обнаруживается иногда очень неожиданно.
Мне давно хотелось побывать на раскопках
старинного города Херсонеса около Севастополя.
И вот наконец прошлым летом во время научной командировки
в одну из крымских лабораторий, где испытывают
новые преобразователи солнечной энергии в электричество,
мечта осуществилась.
Стою среди греческих колонн, одиноко взмывающих в небо,
и смотрю на море, столько веков плещущее о берег с мерным,
успокаивающим шумом. Мысленно переношусь
на двадцать пять веков назад и будто погружаюсь в вечность.
С трудом оторвав взгляд от моря, поднимаюсь наверх
к зданию музея и по дороге захожу в небольшой современный зал,
где выставлены объемные голо графические фотографии
образцов ювелирного искусства древних мастеров,
сделанные по методу советского ученого Ю. Н. Денисюка.
На черном бархатном фоне стен сокровища мерцают,
переливаются в свете ярких ламп, будто подлинные.
Фотографии хочется потрогать руками —
так велико ощущение их объемности.
Физика, искусство и история сплелись в них воедино!
Неразрывным казался этот союз именно здесь,
среди отполированных морем камней Херсонеса.
Проходят века, но творения мастеров-волшебников
остаются жить среди потомков благодаря изобретательности
человеческого ума, призвавшего на помощь науку.
У физики появилось множество дочерних наук:
астрофизика, биофизика, теплофизика, физическая химия,
химическая физика, геофизика...
Все теснее сливаются они в единое целое:
вместе, как известно, часто удается сделать то,
что не под силу одному.
С полным правом и основанием мы можем назвать
физику наукой наук!

Мне достаточно испытывать ощущение
вечной тайны жизни, осознавать и
интуитивно постигать чудесную структуру
всего сущего и активно бороться, чтобы
схватить пусть даже самую малую
крупинку разума, который проявляется
в Природе.
Л. ЭЙНШТЕЙН
Природа многолика, но на первый взгляд понятна и привычна.
Несмотря на удивительное многообразие материалов и веществ,
окружающих нас не только в физической лаборатории, но и в
повседневной жизни, любые вещества могут находиться всего в
трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.
Некоторые твердые тела проводят электрический ток и
называются металлами; другие — наоборот, препятствуют его
прохождению и получили наименование изоляторов или
диэлектриков; третьи — ведут себя по отношению к электрическому току
так, как «диктуют» им внешние условия (свет, температура) или
количество посторонних примесей внутри твердого тела: иногда
проводят ток, иногда — нет. Эти вещества-хамелеоны носят
название полупроводников.
И опять — всего три класса, три образа веществ!
Происходят и знакомые переходы веществ из одного
состояния в другое: замерзая, вода становится твердым льдом, при
нагревании она испаряется, превращаясь в водяной пар.
Современная физика сумела не только ответить на неизбежно
возникающий вопрос: почему все это происходит? Физикам
нашего времени удалось осуществить в добавление к привычным
превращениям веществ и много новых, неожиданных, странных.
ОТКРЫТИЯ
и
НАДЕЖДЫ
Несколько лет назад в Институте физики высоких давлений
Академии наук СССР был получен... металлический водород.
Да, да, хорошо известный газ водород, основное вещество
безграничных просторов Вселенной, удалось сделать не только
жидким диэлектриком, но и твердым, проводящим электрический
ток металлом!
Для этого, правда, пришлось охладить водород до
температуры —269°С с помощью жидкого гелия, сделав его твердым,
а затем сжать на особой алмазной наковальне, приложив
давление в два миллиона атмосфер. В этих условиях сопротивление
водорода протеканию электрического тока внезапно скачком
упало до значений, характерных для лучших металлов,— водород
стал металлическим.
Зачем физикам понадобилось осуществить это
превращение — неужели только для того, чтобы поразить наше
воображение? Конечно, нет.
При очень низких температурах, как впервые обнаружил
голландский физик Камерлинг-Оннес в 1911 году, некоторые
вещества приобретают свойство пропускать электрический ток
без малейшего сопротивления. Они становятся сверхпроводящи-

ми! Если когда-либо в будущем удастся создать из таких веществ
сети электрических линий, то человечество получит
дополнительно огромное количество электроэнергии, которое сейчас
безвозвратно теряется из-за сопротивления обычных металлических
проводов, превращаясь в тепло. Но ведь очень неудобно
использовать провода, окруженные толстыми цилиндрами, по которым
проходит охлаждающая жидкость или газ.
Ученые занялись поисками веществ, которые становились бы
сверхпроводящими при комнатных температурах (что было бы
лучше всего) или хотя бы при не очень низких температурах.
Ну, например, при температуре сибирских морозов: —50 или
—60°С.
Расчеты физиков-теоретиков говорят, что металлический
водород должен быть сверхпроводником при —70 или —80° С. Это
уже намного меньше, чем рекорд, достигнутый
экспериментально в настоящее время: у самого «теплого» сверхпроводника,
известного сейчас (сплава металла ниобия с полупроводником
германием), сопротивление электрическому току исчезает при
—250°С.
Но можно ли удержать водород в металлическом или
сверхпроводящем состоянии, если через него не будет протекать
охлаждающий поток жидкого гелия?
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
СЕТИ
ДЛЯ... ВОДОРОДА
Недавно во время Всесоюзной конференции, посвященной
новым способам превращения солнечного излучения в другие
формы энергии, проходившей в подмосковном научном центре
около города Ногинска, я побывал в расположенном там
Институте физики твердого тела Академии наук СССР. Прекрасный
современный институт с хорошо оснащенными лабораториями
и экспериментальным производством раскинулся в месте, где еще
15 — 16 лет назад был лес, который пересекали только редкие
стайки лыжников, приезжавших из Москвы. Сейчас пешеходы
и лыжники этого леса — сотрудники института. Встают на лыжи
они у порога своих домов, выросших в том же лесу...
«Я понимаю, что вас больше всего интересуют исследования
в области полупроводников, но все же не забудьте посмотреть
работы лаборатории Понятовского — им, кажется, удается
«укротить» непослушный водород»,— напутствовал меня в
путешествие по институту его молодой и увлеченный всем новым
директор, академик Юрий Андреевич Осипьян.
Через несколько минут мы стоим с Е. Г. Понятовским на
галерее, с которой видны большие и сложные аппараты его
лаборатории.
«Вон в тех гидравлических установках, создающих высокое
давление, нам удалось получить соединение водорода почти со
всеми металлами, с которыми водород при обычных условиях
не хотел объединяться, например с молибденом,— показывает
Евгений Генрихович на внушительное сооружение внизу.—
Пришлось основательно потрудиться над конструкцией установок и
режимами процесса, но зато теперь вещества приготовлены, и
можно приняться за главное — изучение свойств новых
соединений. Надеемся, что это самый верный путь создания
сверхпроводящих веществ. Вполне возможно, что водород в сочетании с
некоторыми металлами и окажется тем самым заветным
материалом, который мы так давно ждем».

Перед вами
выступающая
над землей
часть большого пресса,
созданного
сотрудниками
Института физики
высоких давлений
Академии наук СССР
и Нижне-
Краматорского
механического завода.
В рабочей камере
пресса, окрашенной
в ярко-красный цвет,
изучается поведение
вещества земной коры
при большом сжатии,
что важно для
предсказания
землетрясений.
При этих словах сразу вспоминаются работы ученых, впервые
получивших металлический водород при низких температурах и
большом давлении. Хорошо бы сохранить его металлические
свойства и в обычных условиях и так осторожно «снять»
охлаждение, чтобы водород, согревшись, не образовал мельчайших групп —
зародышей, что вызовет сразу бурное обратное превращение
металла в газ.
Может быть, водород, зажатый в кристалле нового
соединения, опутанный связями с соседями — настоящими металлами,
сможет сохранить металлические свойства при более высокой
температуре, чем свободный водород?
Физикам предстоит еще очень долгий путь, прежде чем они в
совершенстве овладеют искусством управлять свойствами
материалов. А начался этот путь давно — вероятно, еще задолго до
наступления новой эры, когда дальнозоркие философы Древней
Греции и Рима впервые предположили, что все вещества состоят
из мельчайших частичек — атомов, название которых в переводе
с греческого означает «неделимый»...
Именно тогда закладывалось современное представление о
строении веществ, которое позволило ученым XX века,
озаряемым удивительными и проницательными догадками, творить
физические чудеса — например, создавать материалы, не имеющие
электрического сопротивления.
СКВОЗЬ
ДАЛЬ
ВЕКОВ
«Атомы бесконечны в числе и бесконечно различны по
форме»... Трудно поверить, что эти слова написаны более 2500 лет
назад. «Различия всех предметов зависят от различия их атомов
в числе, величине, форме и порядке». И даже еще категоричнее:
«Ничто не существует, кроме атомов и пустого пространства.
Все прочее есть мнение».
Автор этих слов — древнегреческий ученый Демокрит,
живший в V веке до нашей эры.
Мы искренне восхищаемся техническими предвидениями
писателей-фантастов Жюля Верна и Герберта Уэллса, сделанными
за 50 — 100 лет до реального воплощения описанных ими аппа-

ратов. Многие ученые справедливо гордятся гипотезами,
высказанными за 10 — 20 лет до их экспериментального
подтверждения. «Гипотеза о сверхтекучем состоянии нейтронных звезд была
выдвинута в 1959 году А. Б. Мигдалом»,— читаем мы о
физическом явлении, которое было подтверждено наблюдениями
астрономов в 1969 году.
Что же можно сказать об идее существования атомов,
родившейся за тысячелетия до того, как физики стали обдумывать
опыты, подтверждающие эту смелую и совершенно верную мысль?
Нам остается лишь еще раз поразиться могуществу
человеческого разума...
Конечно, об идеях Демокрита помнили и ученые XVII — XVIII
веков. В 1647 году француз Пьер Гассенди высказал
предположение, что атомы объединяются в небольшие группы, для
которых он даже придумал название — «молекулы», производное от
латинского «молес» — масса. Слово «молекулы» можно перевести
как «небольшие массы», «массочки».
В 1661 году англичанин Роберт Бойль написал о том, что при
обычных химических превращениях атомы различных веществ
остаются неизменными, но, однако, когда-нибудь будет найден
«сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить
атомы на составные части и превратить одни атомы в другие.
Нам опять остается только удивляться предсказаниям
мыслителей прошлых веков!
Надежду заглянуть в глубь вещества ученые связывали с
изобретением оптического микроскопа. Телескоп позволил Галилео
Галилею сделать целый ряд астрономических открытий, а
микроскоп (в самом начале, правда, это была лишь небольшая
двояковыпуклая линза) открыл перед изумленными глазами
исследователей Природы мир крохотных живых существ — насекомых,
микробов, бактерий, позволил подробно разглядеть поверхность
минералов и разнообразных предметов, окружающих человека.
В стихотворении, созданном в декабре 1752 года, первый
русский академик Михаил Васильевич Ломоносов с восторгом писал:
Коль много Микроскоп нам тайностей открыл,
Невидимых частиц и тонких в теле жил!
Но до экспериментального подтверждения замечательных
догадок о существовании атомов и молекул было еще, конечно,
Какими маленькими
и простыми кажутся
нам сейчас показанные
на этих снимках
микроскопы XVII века!
Слева — первый в мире
микроскоп
Антони Левенгука,
позволивший его
изобретателю увидеть
в капле воды
крошечные
микроорганизмы.
Справа — изящный
инкрустированный
микроскоп
известного физика
Роберта Гука,
установившего
с его помощью,
что все живые ткани
состоят из клеток,
одна из которых
изображена
на среднем рисунке.

очень далеко. Первое физическое явление, позволившее немного
приоткрыть завесу над тайной строения вещества, было
обнаружено не физиком, а ботаником в 1827 году...
ТАНЕЦ
ПОД
МИКРОСКОПОМ
Цветы не только
радуют наш глаз,
но и полезно
служат науке.
Цветочная пыльца
помогла открыть
броуновское движение,
вызванное хаотичными
перемещениями
молекул жидкости.
В начале XIX века микроскопы уже представляли собой
сложные оптические сооружения из нескольких хорошо
отполированных линз, передвигаемых относительно друг друга. С их помощью
можно было получить значительное увеличение, и поле зрения
при этом оставалось чистым, лишенным каких-либо дефектов
и искажений.
Пред «светлы очи» такого усовершенствованного микроскопа
английский ботаник Роберт Броун решил представить не лист
растения или срез дерева, а... крохотную каплю воды с
размешанной в ней пыльцой растений. Взглянув в микроскоп, Броун
был поражен: пыльца не растворилась в воде, а разбилась на
мельчайшие шарики, и эти шарики двигались в каком-то
фантастическом танце!
Длительные наблюдения убедили Броуна в том, что движения
частичек пыльцы вызваны не «подводными течениями» в капле
жидкости и не легкими сотрясениями подставки микроскопа.

Нет, каждая частичка двигалась совершенно обособленно от
других, во внезапных передвижениях частичек пыльцы не было
никакой согласованности. Неведомые и непонятные Броуну силы
заставляли их так странно себя вести...
Многие ученые повторяли опыты Броуна и наблюдали ту же
самую картину в микроскоп. Таинственные перемещения пыльцы
растений в капле жидкости получили название броуновского
движения.
Все чаще высказывалось учеными обоснованное
предположение: обнаруженное Броуном движение вызвано толчками
невидимых под микроскопом молекул жидкости. Атакуемые молекулами
со всех сторон, частички пыльцы передвигаются в ту сторону,
с которой в эту секунду меньше ударов.
Броуновское движение было обнаружено не только в
жидкости, но и в газах. К тому же оказалось, что и мелкие крупинки
золота, размешанные в воде, при оптических наблюдениях вели
себя точно так же.
Исследователи установили, что при повышении температуры
жидкости или газа частички начинают двигаться значительно
быстрее,— видимо, толчки молекул становятся все чаще.
Французский физик Жан Перрен решил воспроизвести
броуновское движение искусственно, изготовив мелкие шарики из
смолы-гуммигута, чтобы из опытов получить сведения о размере
и количестве атомов и молекул жидкости. И Перрен сумел это
сделать!
АТМОСФЕРА
НА... ЛАБОРАТОРНОМ
СТОЛЕ
Перрену пришлось выполнить поистине ювелирную
экспериментальную работу. Например, получить шарики гуммигута
строго одинаковые по диаметру. Для этого он воспользовался
микроцентрифугой.
Со временем центрифуги стали широко использоваться в
медицине для разделения крови на ее составляющие или на
молочных фермах, где они помогают быстро извлечь сливки из молока.
Но тогда, в самом начале XX века, в 1908 году, с центрифугами
только-только начинали работать...
Центрифуга Перрена вращала пробирки, установленные
перпендикулярно к оси мотора, со скоростью 2500 оборотов в
минуту! В пробирках содержалась взвесь шариков гуммигута в воде,
и первыми при вращении прижимались к дну пробирок самые
тяжелые шарики.
Перрен настойчиво, в течение нескольких месяцев отделял
одни шарики гуммигута от других и измерял их под микроскопом,
пока не получил несколько порций взвеси с шариками строго
определенных диаметров: 0,5, 0,46, 0,37, 0,21 и 0,14 микрона
(вспомним, что микрон — тысячная доля миллиметра!).
Затем Перрен стал экспериментировать, воспроизводя
броуновское движение с помощью этих шариков, заменявших
частички пыльцы растений, размеры которых были Броуну неизвестны.
В одном из опытов Перрен, зажав каплю взвеси между двумя
стеклами (расстояние между ними составляло всего 100 микрон),
поставил стекла вертикально и наблюдал, как частички медленно
опускались вниз. Когда частички постепенно разделились по
высоте, то Перрен увидел, что полученное распределение частиц
очень напоминает строение... воздушной атмосферы Земли.
У нижнего края стекол скопилось много частиц, и количество их

Поэтичен мир гор,
воспетый таким
замечательным
художником,
как Н. Рерих!
Горы прекрасны и как
физическая
лаборатория, в которой
удобно изучать
прозрачность
атмосферы,
уменьшение плотности
воздуха в зависимости
от высоты,
исследовать тепловой
баланс Земли.
уменьшалось с высотой в соответствии с законом изменения
плотности газов, составляющих атмосферу Земли. Ко времени опытов
Перрена ученые уже знали, что плотность кислорода в одном
кубическом сантиметре воздуха убывает вдвое с подъемом на
каждые 5 км; плотность углекислого газа падает в два раза при
подъеме на высоту всего 3,6 км, а для такого же уменьшения
плотности гелия надо подняться в атмосфере на высоту 40 км!
Ученые понимали, что подобная закономерность связана с
различием в массе отдельных молекул: молекула гелия, видимо,
в восемь раз легче молекулы кислорода, а молекула углекислого
газа в 1,37 раза тяжелее. Но только опыты Перрена подтвердили
этот вывод точными цифрами.
Расчеты с помощью простых пропорций позволили Перрену
определить массу атомов водорода и их число в одном грамме
вещества. И затем, конечно, многих других газов. Ведь он знал
плотность и размер шариков гуммигута, и к тому же вычислил,
что количество гуммигута в единице объема воды уменьшается
вдвое, если мысленно подняться вверх по «стеклянной модели
атмосферы» на 30 микрон... Хотя, вероятно, редко составляются
пропорции, когда слева стоит 5 километров, а справа 30 микрон —
цифра справа меньше цифры слева в 165 миллионов раз!
Когда Перрен заканчивал свои опыты, Альберт Эйнштейн
опубликовал формулу, позволяющую рассчитать число молекул в
единице объема, если известен радиус крохотного шарика и его
среднее смещение в сторону под ударами молекул.

Перрену был известен радиус шариков гуммигута, а с
помощью микроскопа и целой серии кропотливых рисунков он
определил среднее смещение шариков определенного размера.
Расчеты по формуле Эйнштейна удивительно точно совпали
с выводами, сделанными Перреном из сравнения поведения
шариков в воде с распределением плотности воздушной атмосферы
Земли по высоте. Оба пути привели к одному и тому же числу:
6 • 1023 атомов водорода в одном грамме при массе каждого
атома водорода 1,7 • 10-24 грамма. Молекула водорода, состоящая
из двух атомов, следовательно, весит в два раза больше.
Теперь ученые знали число и массу атомов и молекул, еще не
видя их...
КАЖДАЯ
КЛЕТКА
ЖДЕТ ЛЬВА
Не успели закончиться эти виртуозные исследования,
выполненные удивительно простыми средствами, как ученых стали
волновать другие вопросы: чем атомы и молекулы одного
химического элемента отличаются от другого и как, собственно, устроен
атом каждого элемента?
Незадолго до опытов Перрена великим химиком Менделеевым
была составлена периодическая таблица химических элементов,
и физики чувствовали, что строгая последовательность в
изменении свойств элементов, повторяемость основных характеристик
веществ ровно через каждые два, восемь, восемнадцать, тридцать
два элемента таит еще не познанную физическую причину.
История науки сохранила замечательные примеры
уверенности Дмитрия Ивановича Менделеева в универсальности
открытого им закона.
Ко времени опубликования закона (статья Менделеева
появилась в одном из немецких журналов в 1869 году) в природе
было обнаружено сравнительно мало химических элементов, и
Менделеев оставил некоторые из клеток своей таблицы...
пустыми. Он не просто сохранил места для будущих находок химиков,
он описал (причем подробно) физические и химические
параметры еще не открытых элементов.
Например, в 1871 году Менделеев написал, что пустое место
в вертикальном столбце периодической таблицы под кремнием
должен занять элемент, условно названный им экакремнием, со
следующими свойствами: атомная масса 72, цвет — серый,
плавится с трудом, плотность 5,5 г/см3, окись экакремния имеет
формулу EsO2, обладает плотностью 4,7 г/см3, и под действием
водорода из нее можно выделить экакремний; хлористый экакремний
EsCl4 кипит при 90°С, и его плотность равна 1,9 г/см3.
Конечно, эти свойства не могли подсказать химикам, как и где
искать такой химический элемент, но пустая клетка в таблице
Менделеева вселяла в них уверенность, что он существует в
Природе. Помните старый охотничий рассказ о том, как проще всего
поймать льва в Африке? Надо, говорит бывалый охотник,
разгородить Африку на клетки, и в одной из них непременно окажется
лев...
Трудно найти новый элемент среди необъятного моря
природных веществ и химических соединений, почти так же трудно,
как поймать льва в Африке описанным способом.
И тем не менее вскоре после опубликования работ Д. И.
Менделеева были найдены (в 1875 и 1879 году!) в редких рудах и
минералах галлий и скандий с описанными Менделеевым
свойствами. Наступила очередь и экакремния...

В 1885 году немецкий химик К. Винклер выделил из минерала
артродита новый химический элемент, получивший в честь
родины его первооткрывателя наименование германия. Вот каковы
основные характеристики германия: атомная масса 72,6, трудно
испаряется, серого цвета, плотность 5,4 г/см3, окись германия
имеет формулу GeO2, плотность 4,7 г/см3; и в чистом виде новый
элемент можно получить из окиси, пропуская над ней водород.
Вполне естественно, что оставленное для экакремния место
под кремнием занял германий.
Как хорошо сказал один из физиков, Менделеев предвидел
в этом элементе все, кроме его названия...
Пустые клеточки в периодической таблице постепенно
заполнялись элементами, предсказанными Менделеевым, но понять
закономерность, лежащую в их расположении, ученые пока не
могли.
ПО ДОРОГЕ
ОТКРЫТИЙ
Ганс Гейгер, коллега и ученик замечательного английского
физика Эрнеста Резерфорда, вспоминая как-то об одном из
наиболее важных событий в истории физики, происшедшем в
самых первых числах 1911 года, написал в письме к другому
ученику Резерфорда, Джеймсу Чадвику: «Однажды Резерфорд
вошел в мою комнату, очевидно, в прекраснейшем расположении
духа, и сказал, что теперь он знает, как выглядит атом...»
Модель атома, предложенная Резерфордом, была в истории
физики не первой.
Учитель Резерфорда Дж. Дж. Томсон, открывший
существование в атоме электронов — мельчайших частиц, несущих
единичный отрицательный заряд, предлагал считать атом положи-

тельно заряженным шариком-сферой, в которой «плавают»
электроны. Положительный заряд был в воображении Томсона
распределен равномерно по всему объему шарика.
Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 году предложил
модель «пустого» атома, внутри которого «летают» какие-то никем
не обнаруженные (ни раньше, ни теперь) нейтральные частицы,
составленные из взаимно уравновешенных положительных и
Доктор Э Резерфорд в лаборатории
и знаменитая страница из его рукописи
с первым наброском
планетарной модели атома.
отрицательных зарядов. Ленард даже придумал название для
своих несуществующих частиц — динамиды...
Но модель Резерфорда была единственной, право на
существование которой доказывалось строгими, простыми и красивыми
опытами.
К своему открытию Резерфорд пришел не сразу. Работая
почти все первое десятилетие XX века в Канаде (до переезда в
Англию) вместе с химиком Содди, Резерфорд тщательно изучил
явление радиоактивного распада атомов радия, открытое в
последние годы XIX века во Франции Беккерелем и супругами Кюри.
Пьер Кюри и Мари Склодовская-Кюри пропускали
излучение, исходящее от радия, через магнитное поле и обнаружили,
что часть лучей отклоняется вверх от первоначальной траектории,
а путь остальных остается прямолинейным.
Резерфорд и Содди окружили кусочек радия более мощными
магнитами, чем в экспериментах супругов Кюри, и с удивлением
увидели, что та часть излучения, которая до сих пор прямо
следовала своей дорогой, также разделилась на две составляющие:
летящую по-прежнему прямо и «завернувшую» вниз от
воображаемой линии между полюсами магнита.
Значит, из атомов радия самопроизвольно исторгаются три
вида частиц или лучей: отрицательно заряженные (те, что
отклонились вверх от своего прежнего пути), нейтральные и
положительно заряженные!
Вскоре, зная силу магнитного поля и величину отклонения в
поле частиц-лучей и к тому же используя спектральный анализ

(где природу вещества узнают по характерному для него
свечению), Резерфорд и Содди доказали, что положительно
заряженная часть излучения, получившая название а-лучей (а —
греческая буква «альфа»), представляет собой поток ионизированных
атомов гелия.
Знаменитый английский химик Вильям Рамзай подтвердил
вывод молодых ученых...
Отрицательная часть радиоактивного излучения, получившая
наименование бета-лучей, оказалась пучком свободных
электронов, летящих с большой скоростью; нейтральную прямолинейную
часть стали называть гамма-лучами — они проникали достаточно
глубоко в любое вещество и почти не ослаблялись тонкими
пластинками металлов, поставленными экспериментаторами на их
пути.
Резерфорд и Мари Склодовская-Кюри стали не только
коллегами-исследователями, но и большими друзьями, духовно очень
близкими. Ощущая с особой остротой ценность каждой
одаренной личности в мире, дважды лауреат Нобелевской премии (по
физике и химии) Мари Склодовская-Кюри сказала однажды
журналистам: «Доктор Резерфорд — единственный из живущих, кто
обещает даровать человечеству, как итог открытия радия,
неоценимое благо. Я бы посоветовала Англии беречь доктора Резер-
форда...»
Резерфорд не только продолжил и углубил исследования
супругов Кюри. Он пришел к выводу, что альфа-частицы,
вылетающие из радия, представляют собой удобные тяжелые снаряды,
которыми следует «обстреливать» атомы других элементов, чтобы
попытаться расщепить их на части и узнать, как они устроены.
Хотя это и напоминает способ, каким дети узнают, из чего
сделаны игрушки...
СНАРЯД
ЛЕТИТ
ОБРАТНО
Все эксперименты и опыты Э. Резерфорда были выполнены
очень просто. Академик П. Л. Капица, работавший в двадцатые
годы в лаборатории Резерфорда, вспоминал, что его учитель
особенно высоко ценил, когда установка была построена своими
руками из подручных материалов, а весь опыт стоил не дороже
нескольких сотен, а лучше — десятков фунтов стерлингов...
Альфа-излучение от кусочка радия, отклоненное магнитным
полем, проходило через лепестки тончайшей фольги из
алюминия, меди, золота, свинца и других металлов и падало на
полупрозрачный экран, покрытый слоем люминофора — сернистого
цинка. В местах попадания альфа-частиц экран светился
точечными вспышками, будто брызгами света. Количество вспышек
зависело от атомной массы элемента, из которого была сделана
фольга,— чем элемент тяжелее, тем меньше и реже светился
экран.
Резерфорд попросил одного из своих учеников,
наблюдавшего за вспышками света (в этих опытах Резерфорду помогали
два сотрудника — Гейгер и Марсден), особенно внимательно
следить за удаленными от центра частями экрана, где, как сначала
казалось, вспышки не происходят. К радости и гордости
Резерфорда, эти вспышки, хотя их было очень немного, удалось
обнаружить! Кроме того, исследователи заметили, что некоторые из
альфа-частиц отскакивали назад, и экран приходилось ставить
перед фольгой, чтобы зарегистрировать эти удивительные случаи.

Одна из восьми тысяч пролетевших альфа-частиц
возвращалась обратно! Можно лишь удивляться, как исследователи не
только разглядели, но и смогли подсчитать число этих редких
явлений. Много лет спустя Резерфорд вспоминал: «Это было,
пожалуй, самым невероятным событием, которое я когда-либо
переживал в моей жизни. Это было столь же неправдоподобно,
как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги
15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в
вас». Напомним, что дюйм равен 2,54 сантиметра.
Это могло означать только одно: в центре любого атома
находится маленькое плотное положительно заряженное ядро,
отклоняющее близко пролетающую альфа-частицу (тоже
положительно заряженную) на очень большие углы, а иногда и вообще
обратно к источнику частиц,— и тогда, и только тогда возникают
вспышки в дальних частях экрана или на экране, занявшем место
перед фольгой.
На большом удалении от ядра, как планеты вокруг Солнца,
вращаются маленькие отрицательно заряженные электроны.
Заряд электронов уравновешивает заряд ядра, и атомы всех веществ
в обычном состоянии нейтральны. Основная часть потока альфа-
частиц совершенно беспрепятственно проходит через тонкий слой
атомов фольги, и большинство вспышек, естественно,
наблюдается в центре экрана.
Результаты опытов, которые привели Резерфорда к мысли о
планетарном строении атома, ученый изложил в большой статье
«Рассеяние альфа- и бета-частиц в Веществе и Структура Атома»,
опубликованной в мае 1911 года в английском «Философском
журнале». Физики всего мира могли теперь оценить еще одну,
на сей раз убедительно подтвержденную экспериментально,
модель строения атома...
ПРЕКРАСНЫЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ НОВОСТИ
С ТЕЛЕГРАФНОЙ ЛЕНТЫ
Резерфорд был неутомим. И тут же предпринял новое
исследование: стал определять количество альфа-частиц, отклоненных
фольгой на различные углы в зависимости от электрического
заряда ядер атомов того вещества, из которого сделана фольга.
Исследования были утомительными и трудоемкими,
требовали терпения и... хорошего зрения. Еще бы — ведь даже
«автоматизация» наблюдений, придуманная в лаборатории Резерфорда,
заключалась всего лишь в следующем: рядом со светящимся
экраном равномерно ползла лента, похожая на телеграфную,
и наблюдатель при виде очередной вспышки нажимал на ключ,
выдавливавший на ленте отметку. Этот способ счета
торжественно назывался электромагнитным!
Терпение исследователей было вознаграждено. Анализируя
результаты этих опытов, Резерфорд вывел формулу,
связывающую число альфа-частиц, отклоненных на определенный угол, с
зарядом ядер вещества фольги-мишени. Теперь можно было из
опытов по рассеянию альфа-частиц определять природу
материала мишени. В руках исследователей появился первый ядерный
метод химического анализа!
Ученые сравнили между собой поведение мишеней из
различных материалов и установили, что чем больше заряд ядра, тем
сильнее отклоняются альфа-частицы от прямолинейного пути.
И здесь впервые физические эксперименты приоткрыли завесу
тайны над периодическим законом элементов.

Лаборатория,
в которой работал
Э. Резерфорд,
исследуя строение
атома.
Ведь Менделеев расположил (прежде чем обнаружить
периодичность в изменении химических свойств) все элементы в
порядке возрастания их атомных масс. Но затем, заполнив свою
периодическую таблицу, вынужден был сделать три отступления от
правила: поменять местами аргон с калием, кобальт с никелем
и теллур с йодом.
Из опытов Резерфорда следовало, что если бы Менделеев
расположил элементы в ряд по мере увеличения заряда их
ядер, то никаких перестановок делать не потребовалось бы!
Физики внесли уточнение в формулировку периодического закона:
химические свойства элементов находятся в периодической
зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического
заряда их ядер. Именно в соответствии с величиной заряда
ядер элементы выстраиваются в том порядке, в котором
расставил их Менделеев, опираясь на свои энциклопедические знания
химических свойств элементов...
Много нового извлекли исследователи из опытов Резерфорда.
Удалось, наконец, оценить размеры даже самого маленького
ядра — водорода, вокруг которого вращается всего один
электрон.
Диаметр ядра водорода оказался чуть больше десятой части
триллионной доли сантиметра, или, приводя эту цифру в
привычной для физиков математической записи, 1,3 • 10-13 см. У более
тяжелых атомов, чем водород, диаметр ядра в десятки раз
больше.
А вот атом водорода целиком заполнял собой пространство
диаметром примерно в одну стомиллионную часть сантиметра,
или 1 • 10~8 см. Но даже это крохотное пространство,
определяемое размерами орбиты электрона, оказалось в несколько тысяч
раз больше диаметра ядра!
Вскоре удалось сравнить ядро водорода и электрон не только
по занимаемому в веществе пространству. Ядро водорода
оказалось в 1836,1 раза тяжелее электрона, хотя несло всего одну
единицу положительного заряда, противоположного по знаку заряду
электрона...
И ВСЕ-ТАКИ
ОН ВРАЩАЕТСЯ!
Что же удерживает электрон от падения на массивное ядро?
Конечно, быстрое вращение вокруг него. Но в процессе вращения
с ускорением в поле ядра электрон должен часть своей энергии
излучать во все стороны и, постепенно тормозясь, все же упасть
на ядро. Эта мысль не давала покоя авторам планетарной модели
атома. Очередное препятствие на пути новой физической модели,
казалось, должно было разрушить всю с таким трудом
построенную и доказанную четкими опытами картину атомной
структуры...
Хорошо, что в непогрешимость экспериментального
мастерства Резерфорда и логику его выводов поверил замечательный
датский физик Нильс Бор.
В те далекие годы только еще начинала объединяться вокруг
Бора группа талантливых исследователей из разных стран мира,
вскоре получившая название датской школы теоретической
физики.
Сам же Бор тогда мучительно размышлял над моделью
Резерфорда и искал убедительные объяснения тому, что с
очевидностью происходит в природе вопреки всем сомнениям:

электроны, не падая на ядро и не улетая от него (если, конечно,
внешние силы не вмешиваются в его «жизнь»), постоянно
вращаются вокруг своего ядра.
В 1913 году Нильс Бор опубликовал результаты длительных
размышлений и расчетов, важнейшие из которых стали с тех пор
именоваться постулатами Бора: в атоме всегда существует
большое число устойчивых и строго определенных орбит, по которым
электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы,
действующие на него, оказываются уравновешенными; электрон может
Портрет Нильса Бора, одного из создателей
планетарной модели атома.
переходить в атоме только с одной устойчивой орбиты на другую,
столь же устойчивую. Если при таком переходе электрон
удаляется от ядра, то необходимо сообщить ему извне некоторое
количество энергии, равное разнице в энергетическом запасе
электрона на верхней и нижней орбите. Если электрон
приближается к ядру, то лишнюю энергию он «сбрасывает» в виде
излучения...
Вероятно, постулаты Бора заняли бы скромное место среди
ряда интересных объяснений новых физических фактов, добытых
Резерфордом, если бы не одно немаловажное обстоятельство. Бор
с помощью найденных им соотношений сумел рассчитать
радиусы «разрешенных» орбит для электрона в атоме водорода. Зная
разницу между энергиями электрона на этих орбитах, можно
было построить кривую, описывающую спектр излучения
водорода в различных возбужденных состояниях и определить, волны
какой длины должен особенно охотно испускать атом водорода,
если подводить к нему извне избыточную энергию, например,
с помощью яркого света ртутной лампы. Эта теоретическая
кривая полностью совпала со спектром излучения возбужденных
атомов водорода, измеренным швейцарским ученым Я. Бальмером
еще в 1885 году!
Планетарная модель атома получила могучее подкрепление,
у Резерфорда и Бора появлялось все больше и больше
сторонников.

Оба великих физика могли теперь говорить о вращении
электрона вокруг ядра так же уверенно, как когда-то Галилео
Галилей сказал о движении Земли вокруг Солнца: «И все-таки
она вертится!»
ПОЛЯРНОЕ
СИЯНИЕ
У НАС ДОМА
Энергичные электроны,
испускаемые
электронной «пушкой»
внутри вакуумной
камеры,
могут разогреть
и испарить любое
тугоплавкое вещество,
даже вольфрам.
Планетарная модель атома, не меняясь в своей основе, стала
усложняться, дополняться, обрастать новыми важными деталями
и подробностями.
Физикам, в частности, удалось доказать, что на одной
орбите не могут существовать даже два электрона в совершенно
одинаковых энергетических состояниях (знаменитый принцип
Паули).
Близкие орбиты электронов образуют электронные
оболочки. Природа, как оказалось, удивительно разнообразно
расселила электроны на вращающихся оболочках — этажах каждого
атома.
Стала, наконец, понятна глубокая физическая основа
периодического закона Менделеева.
Свойства химического элемента прежде всего зависят от
заряда ядра атома и количества электронов на самых верхних
орбитах. Ведь, вступая в химические реакции или объединяясь
в молекулы, атомы отдают или принимают электроны верхних
орбит, стремясь иметь до конца заполненную внешнюю
электронную оболочку.
И физики «раскрыли» химикам глаза на строение
электронных оболочек элементов. Выяснилось, например, что даже в
самой активной химической реакции водороду позволяется отдать
или принять только один электрон, а углероду — четыре.
Совершенно справедливо Дмитрий Иванович Менделеев
поместил водород в первую группу своей периодической таблицы, а
углерод — в четвертую...
Продолжала совершенствоваться и техника физического
эксперимента. Был изобретен счетчик Гейгера и создана камера
Вильсона для регистрации и наблюдения пролета быстрых
заряженных частиц, таких, как альфа-частицы или электроны.
В счетчик Гейгера — кварцевую трубочку, заполненную газом,
обычно аргоном,— впаяны два металлических электрода, катод
и анод, на которые подается высокое электрическое напряжение
от внешнего источника электроэнергии, например от батареи
электрохимических аккумуляторов. Попадающая в счетчик
заряженная частица вызывает ионизацию газа — «отрывает» внешние
электроны от атомов, оставляя на своем пути цепочку электронов
и ионов — остатки атомов, которые после ухода части
отрицательно заряженных электронов оказались положительно
заряженными. Катод и анод на какую-то долю секунды замыкаются
через возникшую в газе проводящую цепочку из ионов и
электронов — и во внешней электрической цепи возникает всплеск тока,
по которому исследователи с уверенностью судят о попадании
частицы в счетчик.
Но как увидеть частицу или хотя бы ее след в веществе? Это
позволяет сделать камера Вильсона, созданная ее автором,
может быть, после длительных наблюдений за лондонскими
туманами...
Внутри камеры — газ, перегретые пары воды или спирта,
вот-вот готовые превратиться в жидкость. Быстрая заряженная

частица, пролетая через камеру Вильсона, оставляет на своем
пути след из мельчайших капелек жидкости, которые можно
сфотографировать через прозрачные стенки камеры.
В камере можно «столкнуть» две, три частицы и увидеть,
что из этого получится; в ней легко зафиксировать искривленный
путь альфа-частицы, прошедшей слишком близко от ядра какого-
либо из атомов металлической фольги.
Скоростная фотография следов частиц в камере Вильсона
заменила собой утомительное ожидание у светящегося экрана и
телеграфной ленты.
Следы частиц можно увидеть и в толстых слоях особых
фотопленок и даже... в обычных стеклах. Если облученные стекла
опустить на время в раствор кислоты, то в местах попадания
частиц образуются красивые звездные узоры. По рисунку узора
специалисты легко узнают почерк многих известных частиц.
Все три полярных
сияния — розовое,
запечатленное
рукой художницы,
зеленое, зарисованное
космонавтом
Ю. В. Романенко
с борта орбитальной
станции «Салют-6»,
и голубое, заснятое
фотографом, —
рождены электронами,
влетающими
в атмосферу
из радиационных
поясов Земли
и заставляющими ее
светиться.

Некоторые стекла к тому же быстро заряжаются при
бомбардировке частицами и долго хранят накопленный заряд.
Однажды мой молодой друг физик Володя Цетлин,
возвращаясь из Дубны, подмосковного центра ядерных исследований,
зашел к нам домой и устроил в темной передней маленький
физический опыт, который, конечно, больше всего понравился моей
дочери. К стеклам, побывавшим внутри ускорителя заряженных
частиц, он приложил тонкий металлический стержень. Заряд,
накопившийся в стеклах, мгновенно стекся к стержню, и в месте
его прикосновения к стеклу возникла яркая вспышка.
Стеклянная пластинка на несколько секунд озарилась изнутри
переливчатым светом, похожим на сполохи полярного сияния... И я
вспомнил при этом слова Мари Склодовской-Кюри: «Ученый... это
ребенок лицом к лицу с явлениями природы, действующими на него,
как волшебная сказка».
ЛИЛИПУТЫ СОВЕРШАЮТ
ГУЛЛИВЕРСКИЕ
ДЕЛА
Все глубже и дальше проникают исследователи в тайны
мельчайших частиц материи, все больше подробностей узнают они
о строении молекул и атомов, и начинает казаться, что мир
привычных веществ и предметов, хорошо различимых глазами,
не вооруженными особыми приборами и микроскопами,
совершенно забыт ими. Но в науке все взаимосвязано, и знание того,
как устроен атом, помогает понять, как образуются молекулы,
чем отличаются друг от друга газы, жидкости и твердые тела и
почему броуновское движение (с которого, можно сказать, и
началось научное изучение строения вещества!) легче всего
наблюдать в жидкостях и газах.
Конечно, ученые могли принять помощь писателей, которые
придумали много определений для того, чтобы отличить одно
состояние вещества от другого. Феликс Кривин, например,
предложил узнавать твердое тело по... обтекаемости, ибо это свойство
помогает ему жить в окружении жидкости, приспособиться к этой
среде и, несмотря на это, окончательно в ней не раствориться.
Но упрямые физики пошли своим путем... Им хотелось
выразить свои представления об окружающем мире точными
цифрами.
В стране атомов и молекул чаще других используется
крохотная величина, равная стомиллионной доле сантиметра. Она
получила название ангстрема — в честь одного из известных ученых.
Очень маленькие размеры обозначаются с помощью ангстрема,
ведь в одном микроне — десять тысяч ангстрем!
Атомы различных веществ, размеры которых, как правило,
составляют один-два ангстрема, обмениваются с себе
подобными частицами вещества внешними электронами. Иногда
электроны навсегда переходят к соседнему атому — и тогда, получив
заряды противоположного знака, эти атомы могут объединяться
в молекулы с помощью силы электрического притяжения. Такая
связь получила название ионной.
Возможно у атомов и коллективное владение электронами —
несколько электронов становятся для двух атомов общими, тоже
соединяя их в молекулы. Этот вид соединения атомов именуется
ковалентной связью.
Конечно, существуют самые различные сочетания этих двух
видов связи и нескольких других, менее распространенных в
природе. Иногда молекулы бывают такими большими, состоящими

из десятков, сотен и тысяч атомов (таковы, например, молекулы
полимеров и многих природных веществ), что в одной и той же
молекуле существует целый набор разных видов связи.
Некоторые атомы большой молекулы могут быть объединены двумя
общими электронами (одинарная связь), другие — четырьмя
(двойная связь) или даже шестью электронами (тройная связь).
Размеры молекул газов, например кислорода и азота,
составляют всего 3—4 ангстрема, а большие органические молекулы
живых клеток или искусственного каучука, нейлона, капрона
при растяжении их в одну линию займут расстояние в десятки
и сотни тысяч ангстрем. При этом ширина органических молекул,
как правило, не превышает 5 — 10 ангстремов. Если сравнить
такую молекулу со стальным канатом, то придется представить
себе канат диаметром 10 сантиметров и длиной 10 километров!
Способность оценить эти размеры помогла ученым многое
понять в поведении различных веществ. В газах среднее
расстояние между молекулами в 10 раз превышает размеры самих
молекул; в твердых телах, особенно в кристаллах, атомы обычно
упакованы очень плотно и свободные промежутки между ними
не превышают размеров самих атомов. Жидкости занимают в
этом смысле промежуточное положение. Представление об этом
дает процесс плавления твердого тела.
Например, в куске меди доля свободного пространства
составляет 26% (все остальное занято атомами). В расплавленной
меди эта доля увеличивается с 26 до 29%. Всего 3% объема
оказалось в «распоряжении» атомов, а как изменились свойства
вещества! Вместо монолитного куска, в котором трудно
заподозрить какое-либо движение, перед нами текучая, подвижная, будто
живая, жидкость.
Конечно, и в твердом теле атомы, скрепленные электронными
связями со своими многочисленными соседями, незаметно, но
постоянно двигаются, колеблются около положения равновесия.
Возрастание расстояния между атомами, происходящее при
плавлении, позволяет этим движениям увеличить свой размах до
такой степени, что в жидкости атомы иногда даже меняются
местами друг с другом!
И только в газах этот процесс становится обычным,
постоянным способом существования молекул. Наибольшая скорость
движения газовых молекул достигает 1000—2000 метров в
секунду, они постоянно перемещаются, соударяются друг с
другом и со стенками сосуда, в котором заключены как в темнице,—
без него они быстро разбежались бы во все стороны...
Вполне понятно, что молекулы газа будут со всех сторон
«обстреливать» любую инородную частицу, попавшую в их
общество,— будь то пыльца растений, частички сажи или металла.
Молекулы в газе имеют самые разнообразные скорости, и
наиболее медленные из них могут пролететь за секунду «всего» 50 —
100 метров. Естественно, что при броуновском движении
направление перемещения частички зависит от того, с какой стороны
у нее окажется больше быстрых и энергичных молекул.
Постоянные соударения не позволяют газовым молекулам
свободно пролетать большие расстояния. При обычных условиях
молекулы кислорода до столкновения с кем-то из своих
собратьев преодолевают в среднем расстояние всего в 500 ангстрем, а
молекулы водорода — в 1000 ангстрем.
Именно этим — быстрыми ударами миллиардов молекул —
объясняется давление газов и жидкостей, и в частности давление
воздушной атмосферы Земли. Лилипуты, если их много, могут
победить и Гулливера. Помните, как, связанный тысячами
веревочек, Гулливер не мог даже встать?

Как определил еще в XVII веке итальянский ученый Торричел-
ли, ученик Галилея, давление атмосферы способно поднять
столбик тяжелой ртути на высоту 76 сантиметров, а слой воды —
почти на 10 метров вверх! Для этого нужно только две стеклянные
трубки соединить внизу друг с другом. Давление атмосферы в
одной из сообщающихся трубок сумеет без всяких видимых
усилий «вытолкнуть» любую жидкость в другой трубке на
значительную высоту, если свободный конец этой трубки запаян.
МАЛ ЗОЛОТНИК,
ДА ДОРОГ
Чтобы проверить
механические
свойства
материала для сложных
конструкций, его
растягивают
в раскаленном
состоянии.
Замечательный французский мыслитель, писатель и ученый
Блез Паскаль, современник Торричелли, понял, что на основе
таких сообщающихся сосудов легко создать могучий «жидкий»
подъемный кран или гидравлический пресс. Для этого диаметр
у одной из сообщающихся трубок необходимо сделать намного
меньше, чем у другой. Тогда с помощью сравнительно
небольшого давления, приложенного к малой трубке, можно
передвинуть тяжелую массу жидкости в другом сосуде!
Принцип, предложенный Паскалем, лежит в основе самых
современных гидравлических машин и аппаратов, позволяющих
получать очень большие давления, необходимые, в частности,
для «насильственного» соединения водорода с металлами.
Так, еще не зная атомной и молекулярной структуры тел,
ученые прошлого обнаруживали удивительные особенности
поведения веществ, которые удалось объяснить только в
XX веке...
В твердом теле атомы почти не меняются местами, если,
конечно, не нагревать его. Нагрев сильно увеличивает быстроту
и размах движений атомов около положений равновесия. При

высокой температуре твердое тело можно расплавить или даже
испарить.
Особую группу твердых тел составляют кристаллы, где атомы
распределены в строгом геометрическом порядке. Существует
много возможностей расположить атомы в правильные ряды,
шеренги и составить из них разнообразные геометрические
фигуры, хотя, как доказал еще в прошлом веке русский ученый
Е. С. Федоров, наиболее устойчивых конструкций
кристаллической решетки ровно 230. Все последующие проверки теории
Федорова показали, что в природе не существует других, не
предсказанных Федоровым стабильных кристаллических
структур.
Разнообразны
кристаллы,
существующие
в природе!
Снег, лежащий
ранней зимой
между кустами
и деревьями, тоже
состоит из крохотных
кристалликов.
Строгая периодичность внутреннего строения кристаллов
оказалась очень полезной для современной техники.
Свободный электрон, возникший в кристалле под
воздействием на него температуры или света, может пройти гораздо
большие расстояния, чем в обычном твердом теле, что очень
важно при создании приборов для радиотехники.
Свет проникает в кристалл глубже, чем в твердое тело того
же химического состава, но состоящее из множества случайных,
хаотично расположенных по отношению друг к другу атомных
групп. И это свойство широко используется в оптике — лучшие
линзы и призмы делаются, конечно, из кристаллов.
Обнаружены кристаллы, в которых после приложения
давления на разных гранях возникают электрические заряды
противоположного знака. И наоборот — после пропускания
электрического тока эти кристаллы могут сильно сжиматься или
расширяться.
Такие удивительные кристаллы, получившие название пьезо-
кристаллов, сейчас широко применяются в электронной
технике — ведь даже давление звуковой волны вызывает в них
появление и ток электрических зарядов, который может быть легко
обнаружен и передан по проводам...
Глубокое изучение свойств столь полезных кристаллов
показало, что в них возможно достаточно свободное движение
атомов. Более того — в кристаллах были найдены различные
несовершенства, нарушения в правильном строении кристаллической

Памятник
III Интернационалу,
созданный В. Татлиным.
Спираль,
упрямо устремленная
вверх — к Солнцу,
к свету — словно соткана
из множества
кристаллов
знания и труда.
Кристаллы-усы,
увеличенные в 150 раз.
Сплетенные
с волокнами графита,
стекла и полимеров
кристаллические усы
позволили получить
новые материалы,
легкие
и очень прочные.
решетки, пустоты, сдвиги атомов. Пользуясь этими нарушениями
структуры, инородные примеси, посторонние металлические
или газовые включения могут довольно глубоко проникнуть
в кристалл, особенно когда его получают из расплава или
раствора исходного вещества.
Именно поэтому прочность реальных кристаллов чаще всего
в десятки, а то и в сотни раз меньше прочности, которой они
должны были бы обладать по теоретическим расчетам.
Около двадцати лет назад в нескольких лабораториях мира
внимательные исследователи обнаружили под микроскопом,
что на поверхности многих кристаллов самопроизвольно
вырастают небольшие «усики». Но по атомным масштабам — это
небоскребы, где высота в десятки и сотни раз превышает ширину
основания.
Образование крохотных усиков (или, как их теперь называют,
нитевидных кристаллов) происходит за счет малозаметных
передвижений атомов по поверхности кристалла. Ведь атомы
поверхности опутаны электронными связями только с одной стороны —
из глубины кристалла, и это дает им иногда возможность
оторваться от соседей и двигаться. Такие блуждающие атомы
начинают пристраиваться к случайному выступу на поверхности
и окружают его. Рост выступа вверх происходит, как правило, по
спирали. Образуется башня-конус, напоминающая устремленный
в небо памятник III Интернационалу, символ братства народов,
проект которого выполнил в двадцатых годах нашего столетия
выдающийся художник и конструктор Владимир Татлин. Недавно
проект этого памятника можно было видеть в залах Музея
изобразительных искусств им. Пушкина в Москве.
Интересен механизм роста кристаллов-усиков, но самым
необычным оказалось... полное отсутствие в них каких-либо
дефектов. Прочность крохотных кристаллов в сотни раз
превышала прочность массивных кристаллов, на поверхности которых
они выросли, и полностью соответствовала теоретической.
Помню, когда в начале шестидесятых годов в одном из
журналов появился мой обзор работ по нитевидным кристаллам-
усикам, к нам в лабораторию стали приходить многочисленные

посетители. Одних интересовали уникальные свойства новых
материалов, других беспокоила возможность
«незапланированного» роста кристаллов в радиотехнических схемах, где такие усики
могли привести к внезапному выходу из строя электронных
приборов.
Большую радость открытие нитевидных кристаллов вызвало у
всех, кому необходимы прочные и легкие конструкционные
материалы. Нитевидные кристаллы стали вплетать в полимерные
волокна, соединять с металлами, чтобы получить канаты, ленты
и трубы невиданной прочности и долговечности.
ИСПОЛНЕНИЕ
МЕЧТЫ
Атомно-молекулярные представления объясняли многие
непонятные до сих пор особенности поведения веществ, но самих
ученых уже влекло дальше — к разгадке структуры атомного
ядра! Хотя наиболее дальновидные из физиков понимали, что
наука при этом должна вплотную подступить к огромным,
неведомым ядерным силам, которые, как джинн из бутылки,
могут совершенно выйти из-под контроля их
первооткрывателей...
В 1916 году Эрнст Резерфорд говорил в одной из своих
публичных лекций, что человечество сейчас пока спокойно и
счастливо, ибо ученые еще не открыли способа использовать
необъятные силы, удерживающие частицы в атоме. Он, конечно, думал о
военном применении будущего атомного оружия, убедившись
на собственном опыте, что во время войны всем ученым, даже
самым выдающимся, приходится тратить свои силы на
изобретение новых средств разрушения.
«...Я очень надеюсь,— сказал Резерфорд,— что это
открытие и не будет сделано до тех пор, пока Человек не научится
жить в мире со своими соседями».
Но наступление атомного века было уже неизбежным. Тайны
ядра неудержимо влекли ученых.
И в 1919 году 48-летний Эрнст Резерфорд со своими
учениками осуществил вековую мечту алхимиков, превратив один
химический элемент в другой. Нашелся наконец тот «тонкий и
сильный агент», обладающий силой расщепить атом, о котором
столь пророчески писал Роберт Бойль. Нет, не бесконечное
растирание в ступках и не химические реакции с
сильнодействующими кислотами, как делали алхимики, а облучение
любимыми Резерфордом альфа-частицами, ядрами гелия, помогло
осуществить первое в мире превращение элементов!
Из каждых пятидесяти тысяч альфа-частиц, обстреливавших
камеру Вильсона, наполненную азотом, одна попадала в
азотное ядро, и наблюдатели видели «вилку»: от азотного ядра
разлетались две только что рожденные новые частицы — легкое ядро
водорода (тонкий и длинный след) и тяжелое ядро кислорода
(толстый и короткий след).
Окрыленные успехом исследователи стали облучать и многие
другие химические элементы. Ядерные реакции удавалось
наблюдать еще в целом ряде веществ, но только достаточно легкие
элементы (фтор, натрий, алюминий) меняли свою химическую
природу при облучении. Для расщепления ядер тяжелых
элементов энергии альфа-частиц явно не хватало...

ПУШКА, СТРЕЛЯЮЩАЯ
НЕВИДИМЫМИ
СНАРЯДАМИ
Резерфорд, видимо, какое-то время сомневался, удастся ли
вообще продвинуться дальше по пути взаимного превращения
элементов. Сохранились строки из его частного письма,
написанного им в том же 1919 году, году успехов: «Я держусь того
мнения, что уж если атом не поддается дезинтеграции (сейчас мы бы
сказали проще — делению) с помощью альфа-частиц, то
расщепить его в наше время и не удастся».
Написал — и через несколько лет посоветовал группе
сотрудников начать работу по созданию ускорителя протонов — ядер
водорода. Возможно, что при этом в лаборатории получатся
частицы, обладающие значительно большей скоростью и
энергией, чем альфа-частицы, возникающие при радиоактивном
распаде радия. Ведь до сих пор в лаборатории Резерфорда для
бомбардировки других атомов использовались только альфа-
частицы — созданные самой природой атомные снаряды!
К 1932 году Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон сделали
лабораторный, небольшой, но, по представлениям Резерфорда, весьма
дорогой ускоритель протонов. Затраты на ускоритель составляли
1000 фунтов стерлингов. В наше время ускорители стоят
значительно дороже.
Финансовые огорчения руководителя лаборатории были
полностью окуплены содержанием научных результатов. В
первом же опыте, проведенном на протонном ускорителе, произошло
превращение элементов; из пластинки лития, облучаемой
протонами, вылетели два ядра гелия. Ведь теперь в каждую секунду
на пластинку падало такое же количество частиц-«снарядов»,
сколько мог бы дать кусок чистого радия весом не менее
килограмма!
Во всем мире в то время вряд ли можно было бы собрать
такое количество этого элемента. Во время триумфальной
поездки Мари Склодовской-Кюри по Америке ей в виде величайшего
дара был преподнесен целый грамм открытого ею вещества!
И этого было достаточно, чтобы начать строительство Института
Гамма-лучи
(красные линии)
могут разрушить
клетки опухоли,
не повредив
окружающую
здоровую ткань,
если лечение
облучением проводить
под контролем,
томографа — прибора
объемного изображения
в рентгеновских лучах
(зеленые линии).
Одни невидимые лучи
контролируют работу
других невидимых
лучей!

радия в Варшаве, куда уже в 1932 году начали поступать больные
для прохождения курса радиотерапии. Было уже известно, что
радиоактивные излучения в разумных дозах уменьшают размер
раковых опухолей, а иногда и уничтожают их совсем...
ЯДРО
ПОСТРОЕНО
1932 год оказался на удивление богатым историческими
событиями в ядерном мире.
Один из учеников Резерфорда, Джеймс Чадвик, направил
поток альфа-частиц на пластинку бериллия, за которой была
установлена камера Вильсона. Из бериллия в результате
бомбардировки вылетали какие-то новые тяжелые частицы. Их
столкновение с ядрами аргона или азота в камере Вильсона
привело к превращениям, приоткрывшим наконец завесу над тайной
строения самих ядер.
Новые частицы не только обладали тяжелой массой — они
были совершенно нейтральны и отличались большой
проникающей способностью. Свободно проходя через достаточно толстые
слои газа, эти частицы не вызывали его ионизации, не «отрывали»
электроны от атомов. Верный признак, достаточно точно
отличающий нейтральную частицу от заряженной...
Новую частицу назвали нейтроном. Ее масса оказалась почти
такой же, как у протона,— 1838,6 электронной массы. Открытый
нейтрон тут же был использован в лабораториях всего мира для
«изготовления» ядерных снарядов. Ими немедленно начали
облучать ядра азота, которые в ответ неожиданно распались на ядра
бора и гелия!
Нильс Бор прислал из Копенгагена поздравительное письмо
английским коллегам, а Резерфорд ответил: «Мне было приятно
услышать, что Вы отнеслись к Нейтрону так благожелательно».
Вы обратили внимание: Нейтрон торжественно написан с
большой буквы?
Советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В.
Гейзенберг, узнав об открытии нейтрона, выдвинули нейтронно-
Схема томографа.

Звезда на этой
фотографии,
полученной в камере
Вильсона, означает
момент столкновения
протона — ядра
водорода с ядром
другого атома.
протонную теорию строения ядра. Теория стала вскоре
общепринятой, ее подтверждали многие достаточно точные измерения
и эксперименты.
Ядро каждого элемента по этой теории состоит из протонов
и нейтронов, объединенных могучими силами взаимодействия
(каждая такая пара получила наименование нуклона). Число
протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг
ядра; оно определяет величину положительного заряда ядра
атома. В целом атом при обычных условиях электронейтрален.
Количество нейтронов в ядре зависит от атомной массы
элемента — с помощью нейтронов каждый химический элемент
«добирает» свою массу до значения, положенного ему таблицей
Менделеева.
Теория Иваненко — Гейзенберга сумела ответить на вопрос,
который давно волновал как физиков, так и химиков: почему
в природе часто встречаются химические элементы с одним и тем
же зарядом ядра и почти одинаковые по свойствам, но вот их
атомные массы все же немного отличаются? Объяснение
оказалось удивительно простым: эти вещества представляют собой
изотопы — едва различимые разные виды одного и того же
элемента; многоликость создается оттого, что каждый элемент
может содержать в ядре при неизменном и одинаковом числе
протонов (ведь от него зависит главное — заряд атомного ядра!)
разное число нейтронов.
Дмитрий Иванович Менделеев сначала расположил элементы
в ряд, руководствуясь одним правилом — возрастанием атомной
массы, и неизвестные в его времена нейтроны внесли некоторую
путаницу в знаменитую периодическую таблицу. Вскоре, как мы
знаем, во главу угла совершенно справедливо был положен
незыблемый заряд атомного ядра элементов, и все стало на свои
места.

САМАЯ ИНТЕРЕСНАЯ
ЧАСТЬ
ЭКСПЕРИМЕНТА
Удивительные события в мире атомов продолжались. Петр
Леонидович Капица, работавший в те счастливые для физиков
годы в лаборатории Резерфорда, предложил помещать камеру
Вильсона в сильное магнитное поле. Теперь физики могли узнать
не только массу частиц, рожденных в камере Вильсона или
влетевших в нее (по длине и толщине следа частиц), но и
определить их заряд — по тому, к какому полюсу магнита отклонится
след.
Петр Леонидович с самого начала своей научной работы
увлекся магнитными полями большой интенсивности и их
воздействием на вещество. Получить мощное магнитное поле на заре
атомной физики было совсем непростым делом. Но даже при
неудачах один из любимых учеников Резерфорда не падал духом.
П. Л. Капица
считал важным
для молодого ученого
правильный выбор
учителя в науке.
На фото
П. Л. Капица (слева)
со своим учителем
доктором Резерфордом
(справа).
Вот характерный отрывок из письма Капицы,
отправленного 17 декабря 1925 года Резерфорду в Каир, где тот
задержался на четыре дня, возвращаясь из поездки на свою родину,
Новую Зеландию: «...Мы не смогли пойти дальше, так как
разорвалась катушка, и это произошло с таким оглушительным
грохотом, который несомненно доставил бы вам массу
удовольствия, если бы вы слышали его... Авария явилась наиболее
интересной частью эксперимента и окончательно укрепляет веру в
успех, ибо теперь мы точно знаем, что происходит, когда
разрывается катушка. Мы также знаем теперь, как выглядит дуга
в 13 000 ампер. Очевидно, тут вообще нет ничего пагубного для
аппаратуры и для экспериментатора, если он держится на
достаточном расстоянии».
Опыты Капицы предвосхищали будущее — не за горами было
то время, когда физики начнут изучать процессы, длительность
которых составляет доли секунды. Это потребует совершенно
новых средств измерений, но зато позволит подводить в эти

мгновения к сталкивающимся ядрам энергию, превосходящую
мощность нескольких больших электростанций, вместе взятых!
Капица торопился заглянуть в это будущее, и Резерфорду очень
нравились его слова: «Одна сотая секунды — это громадное
время, если вы знаете, как его использовать».
С 1934 года П. Л. Капица работает на родине. Резерфорд без
колебаний согласился продать СССР уникальное оборудование
для исследований Капицы. И несмотря на это, переходный период
был трудным: Капице предстояло создать в Москве совершенно
новую научную организацию — Институт физических проблем
Академии наук СССР, который станет изучать основные
фундаментальные физические явления, будет занят поисками общих
закономерностей далеких друг от друга процессов. А ведь найти
их можно, только исследуя вещество в особых состояниях —
в огромной силы магнитных и электрических полях, при
сверхнизких температурах и очень высоких давлениях... Работа
предстояла неслыханно трудная, и Капице очень помогали письма
учителя. Одна мысль особенно часто повторялась в них: «...ваше
счастье в будущем зависит от того, как упорно вы будете
работать в лаборатории» (письмо Резерфорда Капице от 21
ноября 1935 года).
Спустя три года Петр Леонидович Капица сделал в стенах
Института физических проблем в Москве открытие, за которое
он впоследствии был удостоен Нобелевской премии по физике.
ЧУДЕСА
В МИРЕ
ХОЛОДА
Снежная полярная
зима (—40°—50°С)
кажется теплой,
когда думаешь
о температурах,
с которыми работают
исследователи
жидкого гелия:
ниже —270еС!
В стремлении достичь физического полюса холода, самой
низкой возможной температуры для вещества: —273,16°С,
ученые уже смогли подобраться почти к самой низине (так и
хотелось сказать — вершине...). О низких температурах стали
настолько часто писать в научных статьях, что физики решили
пользоваться шкалой температур, названной в честь известного
исследователя холода лорда Кельвина. В этой шкале нулевая
точка отсчета совпадает со значением —273,16°С, и отличить
градусы Кельвина от градусов Цельсия можно по большой букве
К, стоящей после цифры, обозначающей температуру.
Естественно, что в шкале Кельвина нет отрицательных температур...
Много остроумных способов придумали исследователи, чтобы
заставить охладиться вещество. Большинство из них основано на
известном физическом явлении: расширяясь, газ затрачивает
много энергии, отнимая тепло у себя и у окружающей среды.
Охлаждаемый газ сначала сжимают, затем заставляют
проходить через узкую трубку, а потом дают ему возможность резко
расшириться. После нескольких циклов «сжатие — расширение»
газ превращается в жидкость, особенно если трубки прибора
омываются очень холодной жидкостью (как правило, «бывшим»
газом — жидким воздухом, кислородом, водородом).
При температуре 4,2 К (около — 269°С) «сдался» и
газообразный гелий, став самой холодной на свете жидкостью.
Исследуя свойства жидкого гелия, П. Л. Капица обнаружил,
что при температурах ниже 2,19 К гелий переходит в
сверхтекучее состояние: он начинает плыть по узкому капилляру
практически без трения. Вязкость сверхтекучего гелия в миллионы
раз меньше, чем у обычного жидкого гелия!
Одновременно сверхтекучий гелий оказался и
сверхтеплопроводным: при подведении тепла по всему его объему мгновенно

устанавливается одна и та же температура. Теплопроводность
гелия при температурах ниже 2,19 К в 200 раз выше, чем у меди.
Если в такой необычный жидкий гелий опустить прозрачную
трубку, заполненную мелким порошком, например толченым
кварцем, и сбоку нагревать порошок светом лампы, то гелий,
беспрепятственно поднявшись по порошку, начнет бить
фонтанчиком на высоту около 30 сантиметров.
Некоторые опыты Петра Леонидовича наводили на мысль, что
сверхтекучий гелий в свою очередь состоит из разных
жидкостей... Например, если в ванну с жидким гелием опускали
вертушку с лепестками, стеклянный сосуд с отверстием внизу
и крохотным нагревателем внутри, то при пропускании через
нагреватель небольшого электрического тока лепестки начинали
вращаться, будто жидкость вытекала из стеклянного сосуда.
Но в то же самое время уровень жидкого гелия в сосуде с
нагревателем совершенно не изменялся! Чудеса, да и только —
казалось, будто в сосуде волшебная бесконечная жидкость...
Работавший в Институте физических проблем замечательный
советский физик-теоретик Лев Давидович Ландау к 1941 году
создал законченную теорию явления сверхтекучести. Он доказал,
что в холодном жидком гелии есть две составляющие: нормальная
и сверхтекучая. Соотношение между ними зависит от
температуры, и только при нуле градусов по шкале Кельвина весь гелий
становится сверхтекучим. Все эксперименты получили в теории
Ландау разумное объяснение: вверх по порошку
беспрепятственно поднимается сверхтекучая составляющая жидкого гелия, из
стеклянного сосуда выливается при нагревании нормальная
часть удивительной жидкости и за счет трения вращает лепестки
вертушки, но объем вытекшей жидкости тут же занимает
сверхтекучий гелий, и уровень в сосуде сохраняется на прежнем месте...
Холод служит людям.
Специальная установка,
которая находится
в подвале,
охлаждает
в жаркую погоду
лабораторный корпус
в окрестностях
Ашхабада.

НОВОЕ
СОЗДАЮТ
МЕЧТАТЕЛИ
Сверхпровод я щие
кабели
с охлаждающей
оболочкой
немного толще
обычных.
Они передают
электроэнергию
на большие расстояния
без каких-либо потерь,
что позволяет
сохранить
дополнительно
огромное количество
электроэнергии.
Явлению сверхтекучести повезло — благодаря творческому
содружеству П. Л. Капицы и Л. Д. Ландау стали понятны
физические законы, лежащие в основе этого удивительного явления
Природы.
Сверхпроводимости, открытой голландским физиком Камер-
линг-Оннесом еще в 1911 году, пришлось ждать почти полвека,
пока ученые в ней окончательно разобрались. В 1957—1960 годах
американские — Бардин, Купер, Шриффер, Андерсон — и
советские физики — Боголюбов, Ландау, Гинзбург, Горькое,
Абрикосов и их сотрудники — всесторонне изучили явление
сверхпроводимости. Была создана теория, которая верно описала
процессы, происходящие как в чистых веществах, так и в сплавах при
переходе (конечно, в условиях очень низких температур) в
состояние, для которого характерно практически полное
исчезновение сопротивления протеканию электрического тока...
Объяснение, выдвинутое учеными в этом случае, оказалось не
менее интересным, чем при разгадке явления сверхтекучести:
колебания атомов твердого тела при низких температурах, как ни
странно, позволяют электронам объединиться в пары.
Объединиться, несмотря на одинаковые заряды! Им удается это сделать с
помощью той самой решетки атомов, которая обычно вызывает
рассеяние электронов и в конце концов — их гибель, переход
электрической энергии в тепловую, вызывающую бесполезный
(а иногда и опасный) нагрев проводов...

Электронам, соединенным в пары, стало гораздо легче
«просачиваться» сквозь строй атомов металла. Электронная
сверхпроводящая жидкость, возникающая при низких температурах,
течет по металлу, не замечая ничего вокруг...
Камерлинг-Оннес наблюдал за прохождением тока по
катушке из проводов в течение суток после выключения источника
электроэнергии. Затухания тока не происходило. Опыт был закончен
очень эффектно: как только катушку вынули из жидкого гелия,
ток в ней мгновенно исчез...
В 1959 году американский физик Коллинз повторил этот
эксперимент. Он пропускал электрический ток по
сверхпроводящему кольцу два с половиной года и никакого уменьшения
тока после этого не отметил!
Явление сверхпроводимости дает возможность для
демонстрации большого числа удивительных опытов, многие из которых
имеют серьезное практическое применение.
Несколько десятилетий тому назад известный советский
исследователь профессор В. К. Аркадьев демонстрировал
студентам на лекциях оригинальный опыт: постоянный магнит без
всякой механической поддержки висел в воздухе над
сверхпроводящей катушкой, по которой непрерывно тек электрический ток.
Магнитные поля катушки и магнита отталкивались и
поддерживали довольно тяжелый магнит во взвешенном состоянии.
Профессор Аркадьев в шутку называл свой опыт «гробом
Магомета», ибо тот, по преданию, висел в воздухе...
В наши дни советские и американские ученые конструируют
сверхпроводящие магниты и кабели, а японские инженеры
строят сверхпроводящую железную дорогу. Вагон весом в две
тонны, в котором находятся сверхпроводящие магниты, будет
«плыть» над металлическим монорельсом на воздушной подушке,
используя тот же эффект, что впервые наблюдал и показывал
на лекциях В. К. Аркадьев. Создатели магнитной железной
дороги считают: поезда будут двигаться по ней со скоростью
500 километров в час!
Самые необычные явления, обнаруженные и исследованные
физиками XX века, незаметно входят в нашу повседневную
жизнь, и дело тут не только в темпе нашей эпохи, ускоренном
развитии техники и росте потребностей общества, но и в
беззаветной преданности ученых делу своей жизни — Науке, в их
бескорыстном служении людям.
Однажды Мари Склодовская-Кюри, которая, кстати, не взяла
патента на открытие и исследование радия, подарив его всем
жителям Земли, сказала: «Человечество, конечно, нуждается в
деловых людях, которые извлекают максимум из своего труда и,
не забывая об общих интересах, соблюдают и собственные
выгоды.
Но человечеству необходимы и мечтатели, для которых
бескорыстное служение какому-нибудь делу настолько увлекательно,
что им и в голову не приходит заботиться о личных материальных
благах».

Я не работал никогда над тем, чтобы
усовершенствовать способы ведения
войны...
Работая над реактивными приборами,
я имел мирные и высокие цели: завоевать
Вселенную для блага человечества,
завоевать пространство и энергию,
испускаемую Солнцем.
К. Э. ЦИОЛКОВСКИЙ
В деловой записке академика Капицы, направленной в конце
30-х годов в Министерство финансов и посвященной затратам
на фундаментальные исследования Института физических
проблем Академии наук СССР, есть неожиданная для строгих
официальных документов фраза-вопрос: «Сколько мне отпустить
И. Ньютону под его работу по всемирному тяготению?»
Вероятно, трудно более кратко и точно описать сложности
планирования и финансирования исследований, направленных на
познание новых законов Природы...
В той же записке Капица пишет: «Если научная работа дала
значительные результаты, то ее ценность совершенно
несоизмерима с материальными затратами».
Открытые великим Ньютоном законы движения тел и закон
всемирного тяготения относятся к бесценным творениям
человеческого разума, их достоинства нельзя выразить в цифрах
затрат. Если же все-таки кто-то попытался бы это сделать, то
его трудности были бы неимоверно велики хотя бы по одной,
внешне простой причине: как, например, оценить вклад
предшественников Ньютона? Чем измерить гениальные озарения Галилео
Галилея, Николая Коперника, Иоганна Кеплера? Ведь сам
Ньютон говорил: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял
на плечах гигантов».
КАК ТРУДНО
ПЛАНЕТЫ
МЕНЯТЬ МЕСТАМИ!
Нельзя сейчас назвать тот далекий век или даже
тысячелетие, когда человек впервые выделил на небе маленькие
звездочки, движение которых среди неподвижных мерцающих
огоньков ночного небосклона было видно простым,
невооруженным глазом.
Звезды-путешественницы (за исключением самой яркой и
важной для нас — Солнца!) получили название планет. Самое
большое после Солнца небесное тело, регулярное перемещение
которого отмечал на небе наш далекий предок,— Луна, как
выяснилось много позднее, не самостоятельная планета, а спутник
нашей Земли.
Известный астроном Клавдий Птолемей, живший в
Александрии во II веке нашей эры, опираясь на труды своего
предшественника Гиппарха, создал сложную систему движения планет.
В центре хоровода планет, конечно, находилась Земля.
Около четырнадцати столетий представления Птолемея и
Гиппарха царствовали в астрономии.
Вероятно, для неверных теорий — это рекорд... Причину столь
удивительного долголетия (в данном редком случае мы к этому
слову относимся без должного уважения) обычно видят в
поддержке церкви, в суевериях людей, с трудом меняющих свои

взгляды. И при этом забывают, что система Птолемея — Гип-
парха прекрасно удовлетворяла практическим требованиям
средневекового человека, достаточно точно предсказывая наступление
затмений, появление планет из-за горизонта и все видимые
изменения на небосводе. Ведь эта система основывалась на
многолетних внимательных наблюдениях! Планетам были приписаны
сорок (!) сложных, не зависящих друг от друга круговых
движений вокруг Земли. Зная их, можно было с достаточной
математической точностью делать астрономические прогнозы.
Когда великий Коперник высказал идею о необходимости
поменять местами Землю и Солнце в системе планет, а Луне, как
ей и полагается, предложил вращаться вокруг Земли, а не вокруг
Солнца, то его ученые-современники далеко не сразу с ним
согласились. Да и сам Коперник размышлял почти сорок лет,
создавая новую систему движения планет...
Коперник отчетливо сознавал необычайную новизну этой
идеи — Земля и человек совсем, оказывается, не центр
мироздания. Недаром так осторожны, лаконичны и тщательно подобраны
слова в его сочинениях. Осторожны, но тверды: «Центр Земли
не является центром мира, но только центром тяготения и
центром лунной орбиты»; «Все сферы движутся вокруг Солнца,
расположенного как бы в середине всего, так что около Солнца
находится центр мира»; «Именно Земля с ближайшими ей
стихиями вся вращается в суточном движении вокруг неизменных
своих полюсов, причем твердь и самое высшее небо остаются
все время неподвижными»; «Все замечаемые нами у Солнца
движения не свойственны ему, но принадлежат Земле и нашей
сфере, вместе с которой мы вращаемся вокруг Солнца, как и
всякая другая планета; таким образом, Земля имеет несколько
движений».
В 1551 году таблицы движения планет, с большой точностью
рассчитанные в соответствии с системой Коперника, были
опубликованы (через восемь лет после смерти ученого!).
Ночью 17 августа 1563 года астроном Тихо Браге заметил,
что положения планет Юпитера и Сатурна на небе почти
совпадают. Система Птолемея — Гиппарха предсказывала время
наступления этого небесного события с ошибкой в месяц,
таблицы Коперника повышали точность прогноза до 7 дней!
С этого практического успеха началось признание системы
Коперника. В нее поверил Тихо Браге, ее стал уточнять и
усовершенствовать другой великий астроном, работавший на столетие
позже Коперника,— Иоганн Кеплер.
Николай Коперник,
который первым
поместил Солнце
в центре
системы планет.
Тихо Браге,
измеривший орбиты
движения планет
вокруг Солнца.
ЗАКОНЫ НЕБЕСНЫЕ
И ЗЕМНЫЕ
Удивительно много успел сделать в жизни Иоганн Кеплер,
хотя по печальному жребию судьбы он с детства страдал
различными болезнями и в том числе множественностью зрения,
из-за чего во время наблюдений неба в его глазах возникала,
например, не одна Луна, а несколько. Какой силой духа и воли
надо обладать, чтобы при этом продолжать напряженно работать.
Огромный вклад внес Кеплер не только в астрономию, но и в
оптику. Занимался он самыми разными научными проблемами,
даже изучал устройство человеческого глаза...
После смерти Кеплера в 1630 году осталось одно изношенное
платье, две рубашки, несколько медных монет и... 57
вычислительных таблиц, 27 напечатанных научных трудов, огромное
рукописное наследие, собранное позже в 22 книгах, и три закона

От времен
с озерца тельной
астрономии
остались образные
названия созвездий,
напоминавших
наблюдателям
различных животных,
изображенных на этой
старинной карте
XVII века из атласа
Яна Гевелия.
Великий труженик
науки,
разносторонний ученый
Иоганн Кеплер.
движения планет. Три замечательных закона, точное
соответствие которых небесной механике подтвердили тщательные и
многочисленные измерения, выполненные многими
последующими поколениями ученых.
Восхищенный сторонник системы Коперника, Кеплер тем не
менее усмотрел в ней серьезный недостаток: обращение планет
вокруг Солнца Коперник считал состоящим из нескольких
движений по кругу. Внимательно анализируя наблюдения Тихо Браге,
Кеплер понял, что в действительности орбиты планет
представляют собой эллипсы, а не окружности, причем Солнце
обязательно находится в одном из фокусов эллипса. Так формулируется
первый закон Кеплера. Просто и убедительно!
Если Солнце и одну из планет соединить воображаемой
прямой-радиусом, то площади эллипса, отчеркиваемые радиусом за
одинаковые промежутки времени, будут равны между собой. Это
второй закон Кеплера.
Третий закон может быть выражен следующими словами:
время обращения каждой планеты вокруг Солнца, возведенное в
квадрат, пропорционально размеру большой полуоси ее
эллиптической орбиты, взятой в кубе.
Планеты и Солнце оказались связанными неразрывно.
Законы Кеплера позволили точнее предсказывать движение
небесных светил, но на вопрос, почему это движение происходит
именно так, а не иначе, предстояло ответить Исааку Ньютону...
Кеплер, конечно, неустанно размышлял и над природой сил,
объединяющих в единую величественную систему огромные
массы вещества, заключенные в планетах и Солнце. Он ввел в
физику, и в частности в механику, много определений, которыми
мы пользуемся до сих пор. Сопротивление движению тел,
находящихся в покое, Кеплер обозначил словом «инерция», а силу

притяжения между массивными телами — термином
«гравитация».
«Гравитацию я определяю как силу,— писал Кеплер,—
подобную магнетизму — взаимному притяжению. Сила
притяжения тем больше, чем тела ближе одно к другому...»
Еще до открытий Ньютона Кеплер объяснил причины
океанских приливов и отливов тем, что «тела Солнца и Луны
притягивают воды океана с помощью некоторых сил, подобных
магнетизму».
Разнообразны были таланты Кеплера. И проявлялись они
часто в областях, далеких от физики и астрономии. В течение
шести лет, например, ему приходилось быть... адвокатом
собственной матери, которую обвиняли в колдовстве.
В средневековой Европе полыхали костры инквизиции. На
родине Кеплера, в маленьком немецком городе Вейле, в котором
едва насчитывалось в те времена несколько сот жителей, в период
с 1615 по 1629 год было сожжено 38 «колдуний»!
А против матери Кеплера было выставлено множество
тяжелых, по тогдашним понятиям, обвинений. Одно из самых
страшных ее преступлений — слова, сказанные соседке: «Нет ни
рая, ни ада. От человека остается то же, что и от животных».
Но недаром судьи записали в одном из протоколов:
«Арестованную, к сожалению, защищает ее сын господин Кеплер,
математик». Кеплер сумел добиться оправдания своей
несправедливо осужденной, измученной матери.
Ему лишь никогда не удавалось одно из дел, на которое
уходило много сил — вовремя и полностью получать денежное
содержание, положенное придворному астроному и астрологу. После
смерти Кеплера его жене и четырем малолетним детям
причиталось почти 13 тысяч гульденов так и не выплаченного жалования...

новый
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИБОР —
СЕРДЦЕ
Ажурная
Пизанская башня была
невольным свидетелем
опытов
Галилео Галилея.
Внимательное
наблюдение
за раскачиванием
светильников
в соборе помогло
Галилею установить
закономерности
движения маятников.
Всем хорошо знакома по многочисленным картинам и
фотографиям стройная башня, расположенная в итальянском городе
Пиза. Знакома не только своими пропорциями и изяществом,
но и нависшей над ней бедой. Башня медленно, но заметно
отклоняется от вертикали, будто кланяясь.
«Падающая» Пизанская башня расположена в городе, где
родился и выполнил многие научные исследования современник
Кеплера великий итальянский ученый Галилео Галилей. В родном
городе Галилей стал профессором университета. Профессором
математики, хотя занимался он не только математикой, но и
оптикой, астрономией, механикой.
Вообразим, что в один из прекрасных летних дней в те далекие
годы мы стоим около Пизанской башни, поднимаем голову и
видим на верхней галерее... Галилея. Ученый любуется
прекрасным видом на город? Нет, он, как шаловливый школьник,
бросает вниз разнообразные предметы!
Вероятно, наше удивление еще больше возрастет, если кто-
нибудь в это время скажет, что мы присутствуем при одном
из важнейших физических экспериментов в истории науки.
Аристотель, мыслитель широчайшего кругозора, живший в
IV веке до нашей эры, утверждал, что легкое тело падает с высоты
медленнее тяжелого. Авторитет ученого был так велик, что это
утверждение в течение тысячелетий считалось совершенно
верным. Наши повседневные наблюдения к тому же часто, казалось
бы, подтверждают мысль Аристотеля — медленно и плавно
слетают легкие листья с деревьев в осеннем лесу, тяжело и быстро
стучит крупный град по крыше...
Но Галилей недаром однажды сказал: «...в науках тысячи
авторитетов не стоят одного скромного и верного
утверждения». Он усомнился в правоте Аристотеля.
Как будут вести себя оба тела — легкое и тяжелое, если
их скрепить вместе? Задав себе этот вопрос, Галилей рассуждал
далее: легкое тело должно замедлять движение тяжелого, но
вместе они составляют еще более тяжелое тело и, следовательно,
обязаны (по Аристотелю) падать еще быстрее.
Где выход из этого логического тупика? Остается только
предположить, что оба тела должны падать с одинаковой
скоростью.
На эксперименты заметно влияет воздух — сухой лист дерева
медленно опускается на землю благодаря ласковым дуновениям
ветра.
Эксперимент надо поставить с телами разного веса, но
примерно одинаковой обтекаемой формы, чтобы воздух не вносил
своих «поправок» в изучаемое явление.
И Галилей сбрасывает с Пизанской башни в один и тот же
момент пушечное ядро массой 80 килограммов и значительно
более легкую мушкетную пулю — массой всего 200 граммов.
Оба тела достигают земли одновременно!
Галилею хотелось изучить поведение тел, когда они
двигаются не так быстро. Он смастерил из длинных деревянных брусков
прямоугольный желоб с хорошо отполированными стенками,
поставил его наклонно и пускал вниз по нему (осторожно, без
толчка) тяжелые шары.
Хороших часов тогда еще не существовало, и Галилей судил
о времени, которое уходило на каждый опыт, взвешивая
количество воды, вытекавшей через тонкую трубку из большой бочки.

С помощью таких «научных» приборов Галилей установил
важную закономерность: пройденное шаром расстояние
пропорционально квадрату времени, что подтвердило созревшую у него
мысль о возможности движения тела с постоянным ускорением.
Однажды в соборе, наблюдая, как раскачиваются
светильники разного размера и длины, Галилей пришел к выводу, что
у всех светильников, подвешенных на нитях одинаковой длины,
период раскачивания от одной верхней точки до другой и высота
подъемов одинаковы и постоянны — независимо от веса! Как
подтвердить необычный и, как выяснилось затем, совершенно
верный вывод? С чем сопоставить колебания маятников, где взять
эталон времени? И Галилей пришел к решению, которое для
многих поколений ученых будет служить образцом блеска и
остроумия физической мысли: он сравнил колебания маятника с
частотой биения собственного сердца!
Лишь триста с лишним лет спустя, в середине XX века,
другой великий итальянец — Энрико Ферми поставит
эксперимент, напоминающий достижения Галилея по простоте и
точности. Ферми определит силу взрыва первой опытной атомной
бомбы по расстоянию, на которое взрывная волна отнесет с его
ладони лепестки бумаги...
Постоянство колебаний светильников и маятников
одинаковой длины было доказано Галилеем, и на основе этого
замечательного свойства колеблющихся тел Христиан Гюйгенс в
1 657 году создал первые маятниковые часы с регулярным ходом.
Всем нам хорошо известны уютные часы с живущей в них
«говорящей» кукушкой, возникшие благодаря наблюдательности
Галилея, не покидавшей его даже во время богослужения в
соборе.
Галилео Галилей.
В нем гармонично
сочетались таланты
физика-теоретика
и экспериментатора.
Внешний вид
и устройство первых
маятниковых часов,
изобретенных
Христианом
Гюйгенсом.

СПАСИБО
ШКОЛЬНОЙ
ССОРЕ
Открытые Галилеем закономерности в движении маятников
позволили ученым не только изобрести маятниковые часы, но и
экспериментально доказать... вращение Земли. Опыт с огромным
маятником был поставлен французским инженером Фуко в
1850 году — через 208 лет после ухода из жизни Галилея и через
307 лет после кончины Коперника, впервые предположившего,
что Земля вращается не только вокруг Солнца, но и одновременно
вокруг собственной оси.
В парижском Пантеоне, зале с очень высоким куполом,
Фуко подвесил на гибком тросе длиной 67 метров шар массой
28 килограммов. С нижней стороны у шара имелось острие, а на
полу Пантеона насыпали полоску из песка. Маятник
раскачали, и острие стало прочерчивать узкую бороздку в песке —
в одном и том же месте при каждом размахе. Но что это? По
мере того как шло время, бороздка в песке поворачивалась по
часовой стрелке!
На самом деле все, конечно, происходило наоборот: маятник,
как ему и положено, все время двигался в одной и той же
плоскости, но под ним медленно вращалась вокруг воображаемой оси
Земля, делая полный оборот против часовой стрелки за одни
сутки.
Поворачивалась в обратную сторону и бороздка, наглядно
показывая недоверчивым зрителям, что мы летим вокруг Солнца
на космическом корабле под названием Земля, похожем на
гигантский волчок.
Опыт Фуко повторяли много раз в самых высоких зданиях
и планетариях разных частей света, в том числе и у нас в стране,
например, в Ленинграде, в Исаакиевском соборе. И Земля всегда
вращалась под маятником...
Великий Ньютон, родившийся в 1643 году, продолжил другие
исследования Галилея, связанные с движением тел и их
взаимным притяжением друг к другу.
Ньютону было всего двадцать четыре года, когда он впервые
сформулировал закон всемирного тяготения.
Способность одного тела притягивать другое прежде всего
определяется его собственной массой, решил Ньютон. Тогда
очень легко объясняются опыты Галилея: брошенная им с Пизан-
ской башни легкая пуля и тяжелое ядро падают под действием
силы тяготения Земли, масса которой так велика, что все
«земные» тела получают под ее влиянием практически одинаковое
ускорение свободного падения, равное 9,8 м/сек2.
А каково действие Земли на «внеземные» тела? Оно, видимо,
должно ослабевать с расстоянием и зависеть от массы
притягиваемого тела.
Сила притяжения любых двух тел, формулировал Ньютон
в законе всемирного тяготения, прямо пропорциональна
произведению масс этих тел, постоянной всемирного тяготения
(одинаковой для всех тел в природе), называемой гравитационной
постоянной, и обратно пропорциональна расстоянию между
телами, возведенному в квадрат. Расстояние необходимо
измерять между центрами тел, в частности, если в процессе
притяжения участвует Земля, то отсчет надо вести от центра Земли,
отстоящего от земной поверхности в среднем на глубину 6370
километров.
Для самого Ньютона наиболее важным доводом в пользу
закона всемирного тяготения послужило полученное им дока-

зательство, что притяжение Земли действует и на Луну. Расчет
показал, что если бы масса Земли была меньшей, чем в
действительности, то Луна улетела бы с орбиты в бескрайние просторы
Вселенной; при большей массе Земли Луна постепенно
тормозилась бы, приближаясь к Земле по спирали, как спускаемый
космический аппарат!
Ньютон очень строго относился к своим выводам. Сначала
по его расчетам получилось значение ускорения Луны на 15%
меньше, чем определили астрономы, и Ньютон не стал ничего
сообщать о своем открытии.
Он опубликовал закон всемирного тяготения только через
16 лет, когда стали известны более строгие опытные данные, и
расхождение его теории с наблюдениями уменьшилось до 2%.
Закон всемирного тяготения позволил с высокой точностью
определить орбиты планет Солнечной системы, благодаря ему
была строго доказана справедливость законов Кеплера.
Не только небесная, но и земная механика многим обязана
гению Ньютона. Он сформулировал три закона движения тел,
с помощью которых механики до сих пор рассчитывают самые
сложные конструкции, определяют скорость и ускорение
многочисленных механизмов и средств транспорта, оценивают
прочность конструкций.
Приведем эти три закона в той форме, которую использовал
их автор:
«Всякое тело упорствует в своем состоянии покоя или
равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не
принуждается приложенными силами изменить свое состояние».
«Изменение количества движения пропорционально
приложенной движущей силе и происходит по направлению прямой,
по которой эта сила действует».
«Действию всегда есть равное и противоположное действие,
иначе — взаимодействия двух тел друг на друга всегда между
собой равны и направлены в противоположные стороны».
Исаак Ньютон,
научные труды
которого легли
в основу
величественного
здания
классической физики.
Справа — его
рабочий кабинет.

Биографы Ньютона рассказывают, что первое время в школе
он учился очень посредственно. И вот однажды его обидел
лучший ученик в классе. Ньютон решил, что самая страшная месть
для обидчика — отнять у него место первого ученика. Дремавшие
в Ньютоне способности проснулись, и он с легкостью затмил
своего соперника.
Разбуженного джинна познания нельзя снова спрятать в
темную, заплесневевшую бутылку. С того счастливого для мировой
науки эпизода начался процесс превращения скромного
английского школьника в великого ученого...
НЕВЕДОМАЯ
СИЛА
ТЯГОТЕНИЯ
Остроумие, простота
а изящество
отличали опыты
Генри Кавендиша.
На рисунке —
весы Кавендиша,
придуманные им
для измерения силы
притяжения тел
друг к другу.
Как всегда бывает после установления ранее неизвестных
законов природы, в огромном мире вокруг нас стали
обнаруживаться большие и маленькие явления, которые легко объясняются
и предсказываются на основе открытий Ньютона.
Современник и друг Ньютона астроном Эдмунд Галлей сразу
же применил закон всемирного тяготения для расчета орбиты
очень яркой кометы, носящей с тех пор его имя. Комета Галлея,
как оказалось, делает полный оборот вокруг Солнца по
эллиптической орбите за 76 лет; ее очередное появление в окрестностях
Земли наблюдалось в 1986 году.
Пользуясь расчетами по формуле Ньютона, астрономы
последующих поколений находили новые невидимые спутники
планет. Как правило, это происходило после того, как в вычислениях
обнаруживалось, что для существования орбиты планеты,
наблюдаемой в телескопы, «не хватает» притяжения с какой-либо из
сторон. Расчеты позволяли предсказать массу спутника,
заставляющего планету отклоняться от той теоретической орбиты,
которая у нее была бы, если бы спутника не существовало...
Законы движения тел, сформулированные Ньютоном,
показали, как велико в нашей жизни влияние инерции, определяемой
прежде всего массой тела, и силы трения, останавливающей в
конце концов любое движение.
Автомобиль продолжает двигаться по инерции, даже когда
выключен двигатель, но через какое-то время прекращает
плавное перемещение и встает неподвижно — трение узорчатых шин
о шероховатый асфальт заставляет его это сделать. Внезапно
тормозит поезд, и мы невольно наклоняемся вперед — наше тело
по инерции еще движется. Конькобежец быстро скользит по
льду — трение между коньками и льдом очень мало и почти не
мешает его движению. При гололедице тротуары и мостовые
посыпают песком, чтобы увеличить силу трения и уберечь нас от
падений, а автомобили — от столкновений.
Опасный аттракцион в цирке — «мертвую петлю»
велосипедиста или проезд мотоциклиста по боковым вертикальным стенкам
огромной прозрачной круглой «бочки» — легко сделать
безопасным, правильно рассчитав по законам Ньютона необходимую
скорость и массу велосипеда и мотоцикла.
Мы можем раскрутить над головой на длинном шнурке
детское ведерко, заполненное до краев водой,— и вода не выльется,
прижатая ко дну ведерка силой, которую можно узнать,
пользуясь формулами законов Ньютона.
Для многих из этих расчетов, особенно тех, что относятся к
движениям в «небесах», имеет большое значение знание
гравитационной постоянной в законе всемирного тяготения.

Один из самых точных экспериментов по определению
гравитационной постоянной выполнил английский физик Генри Кавен-
диш. Кавендиш отличался такой любовью к затворнической
жизни, был так поглощен расчетами и обдумыванием
экспериментов, что большая часть созданного им так и осталась
неопубликованной. Кавендиш сделал для этого опыта исключение и
опубликовал его в 1798 году!
Каково же было удивление ученых, когда в 1873—1879 годах,
разбирая архив великого молчальника, Джеймс Максвелл,
тогдашний директор Кавендишской лаборатории, обнаружил, что
Кавендиш пришел к установлению законов Кулона и Ома,
сыгравших огромную роль в изучении электричества, за много лет до их
«официального» открытия!
Академик Капица считает, что Кавендиш просто забыл их
опубликовать...
Как естественны
и красивы многие виды
движения,
например плавные
медленные поклоны,
вальсы, хороводы,
в которых плывут
разноцветные
облака-платья.
Гравитационную постоянную Кавендиш определил по
закручиванию тонкой и прочной нити, к которой было подвешено
легкое коромысло с маленькими грузиками на плечах. Грузики
притягивались двумя тяжелыми сферами из свинца массой по 50
килограммов каждая. Прибор был заключен в непроницаемую для
воздуха камеру, и наблюдение за движением грузиков велось
через оптические зрительные трубы, вставленные в стенки
камеры.
Опыт Кавендиша можно упростить, подвесив над свинцовым
шаром круглую стеклянную колбочку, наполненную ртутью.
Колбочка предварительно уравновешивается на обычных весах
с помощью точных гирь и разновесов. Отклонение весов после
сближения колбочки со свинцовым шаром будет очень
маленьким, но все же его можно обнаружить.
Естественно, что опыты по определению гравитационной
постоянной требуют всяческих предосторожностей, исключения
любых посторонних влияний. Ведь два шара массой в одну тонну
каждый, расположенные на расстоянии одного метра друг от
друга, притягиваются с силой всего в 6,67 стотысячных долей

ньютона (ньютон — единица измерения силы, которая массе,
равной одному килограмму, сообщает ускорение в 1 м/сек2).
Еще сложнее эксперименты по определению гравитационных
волн.
Большинство ученых считают, что в природе существуют
волны или частицы, переносящие в пространстве энергию
притяжения (ведь должна же в чем-то материальном выражаться сила
гравитации!), но эти «носители», по расчетам, оказываются
так малы, что даже с помощью самой современной техники
измерений — техники XX века — пока не удается их
обнаружить...
Антенны, создаваемые в разных странах мира для приема
гравитационных волн из космоса, охлаждают с помощью гелия
до самых низких температур, близких к абсолютному нулю, чтобы
перемещение антенн за счет теплового движения частиц не
мешало бы эксперименту. В СССР для таких опытов создали антенны
из массивных кристаллов искусственного сапфира, в США для
этого пробуют использовать алюминиевые цилиндры массой
2,6 тонны, надежно изолированные от сейсмических колебаний
Земли, вызванных далекими землетрясениями.
Будем ждать обнадеживающих вестей от исследователей
самой, казалось бы, очевидной и самой неуловимой силы в
Природе — силы тяготения.
ЛЕД — ВЕРНЫЙ СОЮЗНИК
ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
ТЕПЛОТЫ
Благодаря открытиям Коперника, Кеплера, Галилея, Ньютона
были установлены основные законы движения небесных и земных
тел. Первые этажи величественного здания классической
механики были построены уже в XVII—XVIII веках.
Если же мы обратимся к внешне более простому, повседневно
и постоянно сопровождающему нашу жизнь виду движения —
переходу тепла от одного тела к другому и перемещению тепловых
потоков в пространстве, то здесь вплоть до середины XIX века
царили неверные взгляды. Почти все ученые верили в
существование «теплорода», мифического вещества — носителя теплоты.
Теплород уходит из тела — оно остывает, теплород соединяется
с телом — оно нагревается.
Хотя, конечно, находились прозорливые умы, объяснявшие
тепловые явления совсем по-другому.
В 1738 году в Страсбурге выходит труд Даниила Бернулли
«Гидродинамика»; там можно было прочесть такие слова:
«...везде, где возрастает внутреннее движение частиц, теплота
повышается».
21—25 января 1745 года на конференцию Петербургской
Академии наук М. В. Ломоносов представляет свою работу под
названием «Размышление о причине теплоты и стужи». В ней
Ломоносов пишет, что поскольку «при самом быстром общем
движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии
такового движения наблюдается большая теплота, то очевидно, что
теплота состоит во внутреннем движении материи».
Предвосхищая представления, существующие в современной
науке, Ломоносов фактически вводит понятие абсолютного нуля
температур — «наибольшей и последней степени холода», когда
полностью прекращается «внутреннее вращательное движение
связанной материи», порождающее теплоту. Движение
невидимых частиц вызывает появление тепла, а никакой не теплород,

существование которого, как говорит Ломоносов, «...противоречит
прежде всего опыту, а затем здравому смыслу».
Крушение теории теплорода, как и предвидел Ломоносов,
началось с опыта. Опыта с отрицательным результатом. Как
говорится при обосновании математических выводов — с помощью
доказательства от противного...
25 января 1798 года, через 53 года после доклада Ломоносова
в Петербурге, в Лондонском Королевском обществе состоялось
заседание, на котором американский ученый Бенджамен Томсон,
больше известный под именем графа Румфорда, доложил
результаты своих экспериментов... по сверлению пушечных стволов.
Румфорд, работая в оружейном арсенале Мюнхена, обратил
внимание, что при холостых выстрелах ствол пушки нагревается
сильнее, чем при выстрелах снарядами, хотя, казалось бы,
теплорода должно быть больше в массивных настоящих снарядах,
чем в легких холостых.
Все опыты, последовавшие за этим интересным наблюдением,
были сделаны Румфордом в тех же полевых (так и хочется
сказать — боевых) условиях арсенала...
В пушечный ствол вводилось по очереди два сверла — острое
и тупое. С помощью лошадей, бегавших по кругу, тяжелые сверла
вращались внутри ствола со скоростью около 32 оборотов в
минуту. Температура ствола пушки поднималась до 70° С очень быстро,
причем тупое сверло, выделявшее, по общепринятым тогда
представлениям, меньше теплорода, нагревало ствол больше, чем
острое.
Сторонники существования теплорода, конечно, могли бы
сказать, что в любом случае теплород поступал в ствол из воздуха,
и Румфорд, понимая это, помещает ствол и сверла в огромный
ящик с водой.
Через два с половиной часа, вращая тупое сверло непрерывно
внутри ствола с помощью приводных ремней, Румфорд довел воду
до кипения.
«Изумление окружающих,— писал он затем в своей статье,—
увидевших, что такая масса воды закипает без огня, было
неописуемым».
Знаменитый физик и химик Гэмфри Дэви не мог остаться
Леонардо да Винчи
был не только
великим художником,
но и ученым.
Перед вами созданные
им проекты
вертолета и парашюта.
Их удалось
осуществить
лишь четыре
столетия спустя.

в стороне от споров о теплороде. Эксперимент Дэви был прост
и остроумен: он попробовал вращать в разные стороны прижатые
друг к другу два бруска... из льда. Через минуту почти весь лед
превратился в воду под действием тепла, выделившегося при
непрерывном вращении!
Дэви, так же как и ранее Румфорд, решил отвести подозрение
в том, что во время опыта теплород воздуха участвовал в таянии
льда. Дэви поместил свою маленькую установку под колпак, из
которого выкачал воздух. Куски льда вращались под колпаком
и терлись друг о друга с помощью часового механизма. На
прижатых поверхностях ледяных образцов и под колпаком быстро
стала выступать вода.
Эксперименты Румфорда и Дэви подготовили почву для
создания истинно научных представлений о природе теплоты, о
тепловых явлениях в окружающем нас мире. Это случилось, когда в
науку пришел исследователь, сумевший увидеть сквозь частокол
разрозненных опытов и наблюдений за движениями тепловых
потоков глубокие общие закономерности.
Еще древнегреческий философ Платон говорил: «Лошадь
увидеть всякий глупец сумеет, а вот увидеть лошадиность —
талант, который дается немногим».
Создать общую теорию из единичных фактов, заложить
основы области физики, получившей впоследствии название
«термодинамика», сумел молодой французский ученый Сади Карно.
ПРИХОТЛИВЫЕ
УЗОРЫ
СУДЬБЫ
Сади Карно был старшим сыном Лазаря Карно, талантливого
математика и механика, блестящего организатора, тонкого и
умного собеседника.
После Великой французской революции 1793—1794 годов
Л. Карно входил в состав правящей директории, состоявшей из
пяти членов. Современник отзывался о деятельности Карно как
руководителя следующими словами: «Его соображения не
зависели от завистливой посредственности». Избрание молодого
Наполеона Бонапарта на должность командующего итальянской
армией в 1795—1796 годах принадлежало лично Карно, ибо он
отвечал в директории за военные дела.
Наполеон писал Л. Карно из Италии: «Я дорожу дружбою
немногих подобных Вам людей, дорожу уважением моих товарищей
и моих солдат».
Это не помешало Наполеону отдать приказ об аресте тех, кто
помогал Л. Карно скрыться, когда упоенный боевыми успехами
полководец решил сместить директорию и, видимо, уже задумал
стать императором.
На одном из этапов бегства Л. Карно из Франции ему
пришлось даже переодеться в разносчика белья, водрузить бумажный
колпак на голову, взять корзину с бельем и в таком виде на лодке
переплыть Женевское озеро. Содержатель прачечной в Женеве,
в отличие от Наполеона, остался верен Л. Карно.
Через некоторое время Л. Карно возвращается на родину и,
демонстративно отстраняясь от занятий политикой, много
времени и сил отдает науке. Им разработана в эти годы теория
механического удара, доказаны важные математические теоремы.
После битвы под Ватерлоо Л. Карно протягивает Наполеону
руку помощи, предлагая ему собрать стотысячную армию,
остановить иностранные войска у ворот Парижа. Карно восприни-

мает действия Наполеона как попытку возродить национальное
достоинство Франции, вернуться к идеалам революции.
Но Наполеон отказывается, предпочитая стать сосланным
императором. Великая французская революция давно забыта.
Конечно, возвратившаяся к власти династия Бурбонов не
могла простить Карно его сочувствия Наполеону. Возможность
политической и административной карьеры навсегда закрылась
не только перед Л. Карно, но и перед его сыновьями. Для Сади
Карно с его склонностью к глубоким размышлениям осталась
открытой только одна дорога — занятия наукой. Как,
оказывается, вовремя отец Карно второй раз попал в опалу!
Сади Карно окончил Политехническую школу и в 1824 году
в возрасте 28 лет опубликовал труд, который в русском переводе
занимает 44 страницы машинописного текста. Это была
единственная научная работа Карно, увидевшая свет при его жизни.
Труд называется длинно, но просто (по сравнению с
наименованиями статей в современных физических журналах):
«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать
эту силу».
Не следует забывать, что в первой половине XIX века борьба
с теорией теплорода еще не была закончена, и Сади Карно в
опубликованной работе пользуется этим термином, хотя
впоследствии он безоговорочно присоединился к тем, кто объяснял
возникновение тепла движением частиц внутри тел и
рассматривал теплоту как особый вид движения.
В то время инженеры уже широко использовали сложные
механические машины, превращавшие тепловую энергию паровых
котлов в механические перемещения поршня или колес, а физики
не могли сказать, при каких условиях может быть достигнута
самая высокая эффективность тепловых машин, как подсчитать
необходимый расход топлива или коэффициент полезного
действия таких устройств. Успешно работают паровые машины,
сконструированные русским механиком И. И. Ползуновым,
англичанами Томасом Ньюкоменом и Джеймсом Уаттом, но остается
неизвестным, почему их КПД составляет всего 2—3%.
Только после работы Карно на все эти вопросы были получены
четкие ответы.
Сади Карно
относится к немногим
писателям и ученым,
опубликовавшим
единственное
произведение,
навсегда сохранившее
его имя в истории.
ДВИЖЕНИЕ,
ИЗМЕНИВШЕЕ
СВОЙ ВИД
Предоставим слово самому Карно: «...недостаточно создать
теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще
добыть холод; без него теплота была бы бесполезна»; «повсюду,
где существует разность температур, ...возможно появление
движущей силы. Водяной пар — еще одно из средств обнаруживать
эту силу, но не единственное: все тела природы могут быть
применены для этого; все тела способны к изменению объема, к
сжатию и расширению при действии тепла и холода: все способны
при изменении своего объема побеждать некоторое
сопротивление и, таким образом, развивать движущую силу»; «Обратно,
повсюду, где нужно затратить эту силу, возможно образовать
разность температур...».
Карно описал цикл работы идеальной тепловой машины,
показал, как можно рассчитать ее максимальный КПД.
Для этого необходимо лишь знать самую высокую и самую
низкую температуру водяного пара (или любого другого
теплоносителя, как отметил Карно), используемого в данной машине.

Разность между этими температурами, деленная на значение
высокой температуры, равна (после умножения, конечно,
полученного числа на 100%) КПД машины. Температуры при этом
необходимо выражать в градусах абсолютной шкалы Кельвина.
Интересно отметить, что КПД, как видно из формулы Карно,
совершенно не зависит от того, какое вещество используется в
качестве теплоносителя.
Расчет по формуле Карно показал, что первые тепловые
машины не могли иметь КПД выше 7 — 8%, а если учесть неизбежные
утечки тепла в атмосферу, то полученное значение 2—3% следует
признать значительным достижением...
Инженеры теперь знали, что тепловая машина будет работать
тем лучше, чем выше температура теплоносителя, который в ней
В тепловых машинах
Дж. Уатта
и И. Ползунова
энергия пара
превращалась
в механическое
движение,
полезное для человека.
используется, и чем ниже температура холодильника, где пар
конденсируется, вновь превращаясь в жидкость.
Работа Карно позволяет оценить и тот верхний предел,
который конструкторы тепловых машин не могут «перепрыгнуть», как
бы они ни старались.
Особенно важной оказалась эта возможность, когда на смену
поршневым машинам пришли паровые турбины, где
теплоноситель, попадая на лопасти, вращал вал двигателя — энергия пара
превращалась в механическое движение.
Довольно быстро наряду с паром, как и предсказывал Карно,
в турбинах стали использовать и газ, который можно нагреть до
высокой температуры. Если температура горячего газа в турбине
800 К (527°С!), а холодильник уменьшает ее до 300 К (т. е.
27°С), то максимальный КПД машины, даже в случае работы по
идеальному циклу Карно, не может быть выше 62%. Неизбежные
тепловые потери приводят, как всегда, к уменьшению и этой
цифры. У лучших образцов турбин, установленных на современных
электростанциях, КПД составляет 35—40%.
Сади Карно ушел из жизни, заболев холерой в 1832 году,
в возрасте тридцати шести лет. Ипполит Карно, младший брат

Сади Карно, сохранил свое имя в истории науки тем, что бережно
собрал и издал после безвременной смерти своего брата его
неопубликованные научные записи, черновики, заметки.
Вчитываясь в эти заметки, ученые поняли, что Сади Карно
сделал гораздо больше, чем это следует из «Размышлений о
движущей силе огня...».
Здесь, вероятно, опять лучше всего привести хотя бы один
отрывок из заметок Карно: «Тепло — не что иное, как движущая
сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение
частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей
силы, возникает 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, то есть вызывает то
один род движения, то другой, но никогда не исчезает.
По некоторым представлениям, которые сложились у меня
относительно теории тепла, создание единицы силы требует
затраты 2,7 единиц тепла».
По поводу этих строк знаменитый французский ученый Анри
Пуанкаре восхищенно воскликнет в 1892 году: «Можно ли яснее
и точнее высказать закон сохранения энергии?»
В 1842 году Роберт Майер в письме к своему другу Бауру
сообщает полученные им результаты расчетов количества тепла,
необходимого для образования единицы движущей силы,
практически совпавшие с цифрами, приводимыми в заметках
Карно.
С 1841 по 1850 год известный английский физик Джеймс
Джоуль ставит разнообразные эксперименты по превращению
механической работы в теплоту. Джоуль продавливал воду через
тонкие трубки, сжимал воздух насосом, вращал лопатки мешалки
в сосуде, наполненном ртутью. В каждом из опытов он измерял
затраченную механическую работу, температуру и количество
теплоты, переданной при этом теплоносителю (воде, воздуху,
ртути).
Джоуль определил, что в среднем на передачу телу одной
килокалории тепла необходимо затратить 438 килограммометров
работы. Эта величина, названная механическим эквивалентом
теплоты, оказалась достаточно близкой к полученной Сади Карно
и Робертом Майером. Заметим, что одна килокалория обозначает
собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть
один килограмм воды на один градус Цельсия.
В знак заслуг Джоуля перед наукой вместо килограммометра
была введена новая единица работы под названием «джоуль».
Джоуль обозначает собой работу силы в один ньютон,
перемещающей тело на один метр. И теперь механический эквивалент
теплоты считается равным 4190 джоулей на килокалорию.
ВСЕГДА ЛИ
СПРАВЕДЛИВ
ЗАКОН?
Часто кажется, что связь физики с медициной и биологией —
отличительная примета современной науки. Нет,
взаимопроникновение наук началось значительно раньше. Работы классиков
естествознания подтверждают эту мысль.
Например, Роберт Майер впервые стал думать о тепловых

явлениях, когда наблюдал в тропиках цвет... крови людей. Он
обратил внимание, что у жителей южных стран кровь в венах
значительно темнее. Значит, сделал вывод Майер, при повышении
температуры окружающей среды нужна меньшая затрата энергии
Тепло солнечных
лучей, раскаливших
южный город
на картине М. Саръяна,
и подземный жар,
озаряющий
вершины вулканов,
со временем будут
укрощены человеком,
станут отапливать
дома и вращать
турбины
электростанций.
для поддержания постоянной температуры тела и усилий на
мускульные движения. В темной крови — мало кислорода.
Герман Гельмгольц, выдающийся и разносторонний ученый,
изучал физические основы... зрения и слуха человека, природу
мышечных сокращений. И именно ему принадлежит честь,
опираясь на выводы Карно, Майера, Джоуля, облечь в окончательную
форму закон сохранения и превращения энергии, который
считается в настоящее время первым началом термодинамики.
«Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает:
количество энергии вечно и неизменно. Она только переходит из
одной формы в другую»,— гласит этот закон.
В середине XIX века было сформулировано и второе начало
(второй закон) термодинамики, согласно которому
изолированная от внешней среды физическая система всегда стремится к
равновесному состоянию, где для нее обеспечено положение, как
сложно говорят физики, «максимальной неупорядоченности».
Частный случай второго закона, отмеченный еще Сади Карно,—
происходящий в природе переход теплоты от более нагретого тела
к менее нагретому, но не в обратном направлении.
К этому закону термодинамики ученые пришли из общих
логических рассуждений. Изучая поведение газов, можно легко
установить, что газ всегда стремится занять любой доступный
ему объем, сжатый газ при малейшей возможности вырывается
из баллона и рассеивается в атмосфере. Совершенно ясно, что из
упорядоченного состояния газ при этом переходит в
беспорядочное...
Второй закон термодинамики нашел серьезное
математическое подкрепление в работах Л. Больцмана, Дж. Максвелла
Дж. Гиббса.

Опираясь на молекулярную теорию, на представление о том,
что все тела состоят из постоянно и хаотично двигающихся
атомов и молекул, этим знаменитым ученым удалось строго и точно
описать распределение частиц в идеальных газах, найти
уравнения, пользуясь которыми можно предсказать поведение частиц
при изменении давления или температуры. Эти работы оказались
чрезвычайно полезными не только для доказательства
справедливости второго начала термодинамики, но и для многих других
областей физики.
Второе начало термодинамики так верно суммировало
явления, происходящие в Природе и в технических устройствах, что
один из крупнейших термодинамиков прошлого века Клаузиус
даже решился, опираясь на него, сделать вывод о предстоящей
«тепловой смерти» Вселенной.
Согласно второму закону, все процессы в Природе идут в
одну сторону, к увеличению беспорядка, и при полном
беспорядке наступит «всеобщая смерть» — всякое движение
прекратится.
Этот грустный прогноз вызвал бурю возражений.
Людвиг Больцман выдвинул «спасительную» теорию, что
Вселенную необходимо рассматривать в целом, поскольку процессы,
происходящие в различных удаленных ее частях, текут
независимо друг от друга, а иногда и в разных направлениях. В одной части
может происходить угасание, в другой — всплеск, выделение
энергии!
Фридрих Энгельс убежденно отметил в «Диалектике
природы», что во Вселенной существует вечный кругооборот энергии,
при этом «...материя во всех своих превращениях остается одной
и той же, что ни один из ее атрибутов никогда не может быть
утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью,
с которой она когда-нибудь истребит на земле свой высший
цвет — мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-
нибудь в другом месте и в другое время».
Против теории «тепловой смерти» выступил и автор третьего
начала термодинамики — Вальтер Нернст. Третье начало
постулирует, что никогда, ни при каких условиях не может быть
достигнут абсолютный нуль температур, хотя, конечно, сколь угодно
близкое приближение к нему теоретически допустимо. Ведь
абсолютный нуль температур — полное прекращение движения
атомов и молекул. Это, к счастью, невозможно.
Нернст писал: «...нашему взору мир не может уже
представиться хотя бы и в весьма далеком будущем в виде мрачного
кладбища; мы имеем перед собой вечное возникновение и
исчезновение ярких звезд».
Строгий анализ показывает, что второе начало термодинамики
действительно нельзя распространять на любые явления. Оно
ведь выведено для замкнутых и равновесных систем. Нашу
Вселенную нельзя считать равновесной системой, бурные
процессы, происходящие на близких и далеких звездах,
свидетельствуют о том, что до равновесного состояния им еще очень
далеко...
За последние десять—двадцать лет физики обнаружили в
бездонных глубинах Вселенной необычные звезды и звездные
скопления, в которых сила тяготения так велика, что оказываются
вполне реальными как процессы, идущие от беспорядка к
порядку, так и наоборот.
Мысли Энгельса и других противников теории «тепловой
смерти» получили серьезное экспериментальное подтверждение.
Мы можем этому только порадоваться — ведь речь идет в
конце концов о судьбе наших прямых потомков!
Пустыни,
переполненные
людьми города
и скалистые горы
находятся рядом
на одной и той же
планете Земля.
Порядок и беспорядок,
покой и движение
существуют здесь
рядом,
как и повсюду
во Вселенной.

ПЛАНЕТА,
УВИДЕННАЯ ВПЕРВЫЕ...
НА БУМАГЕ
Успехи науки не только увеличивают знания человечества,
они неизбежно порождают, к сожалению, и... ученых-догматиков,
людей, владеющих некоторой суммой научных сведений, но
неспособных к какому-либо творчеству.
Когда я думаю об этом, мне всегда вспоминаются слова,
написанные еще в Древнем Риме философом Сенекой в письме к другу:
«Знаете ли, почему он кажется вам таким высоким? Вас
обманывает высота его каблуков».
Каблуки в данном случае сделаны из застывших научных
истин...
Мудрый французский писатель Монтень в своих «Опытах»,
опубликованных во второй половине XVI века, когда только
закладывалось здание современной науки (труды Кеплера и
Галилея появятся еще через несколько десятков лет!), с печалью
заметил: «Есть все основания утверждать, что невежество бывает
двоякого рода: одно, безграмотное, предшествует науке; другое,
чванное, следует за нею. Этот второй род невежества так же
создается и порождается наукой, как первый разрушается и
уничтожается ею».
Если к тому же вспомнить, как психологические особенности
ученых влияют на осуществление их замыслов, сколь велико
значение моральных и этических факторов в научном творчестве, то
сухой рассказ о каждом из открытий превратится в
драматическое повествование. Перекрещиваются идеи, сталкиваются
характеры...
В любой области физики можно найти множество примеров,
подтверждающих эту мысль. Расскажем немного подробнее и
обстоятельнее об открытии, имеющем прямое отношение к
движению, причем к движению не простому, а космическому. Речь
пойдет об открытии планеты Нептун.
Поздно вечером 13 марта 1781 года Вильям Гершель, один из
самых известных исследователей в истории астрономии и оптики,
увидел в телескопе своей собственной конструкции на участке
неба между созвездиями Тельца и Близнецов маленький
светящийся кружочек. Ночью 15 марта Гершель убедился, что
наблюдаемый им кружочек перемещается относительно окружающих
его неподвижных звезд. Так была открыта новая, находящаяся
за Сатурном планета Солнечной системы, получившая название
Уран.
Петербургский академик Андрей Иванович Лексель вскоре
после сообщения Гершеля вычислил приближенно орбиту Урана.
Почти правильный круг описывает Уран при своем движении
вокруг Солнца на расстоянии, более чем в 19 раз превышающем
радиус орбиты Земли, равный, как известно, 149,6 миллиона
километров!
Во многих обсерваториях мира начались тщательные
наблюдения за движением Урана. Используя законы Ньютона и
учитывая притяжение открытых к тому времени планет, астрономы
уточнили орбиту Урана и уже к середине первой половины
XIX века окончательно убедились в том, что видимая орбита
новой планеты и результаты расчетов с каждым годом наблюдений...
все больше расходятся.
Наиболее проницательные ученые высказали смелое
предположение, что на движение Урана оказывает сильное влияние
расположенная за ним и еще неизвестная науке довольно большая
планета.

Успехи науки
прошлых веков
в познании Вселенной
поражают наше
воображение.
Ведь в распоряжении
современных
исследователей
значительно более
совершенные приборы,
такие, как
показанный здесь
оптический телескоп
одной из обсерваторий
и автоматические
космические аппараты.

Урбен Леверье во Франции и Джон Адамс в Англии сумели
математически точно определить положение и размеры
неизвестной планеты, «возмущающей» орбиту Урана.
Джон Адамс представил результаты своих расчетов Джорджу
Эри, занимавшему с 1836 по 1881 год пост директора Гринвичской
обсерватории и носившему высокий титул королевского
астронома. К Эри обратился также и Леверье с просьбой организовать
поиски новой планеты. «Если я могу надеяться,— писал Леверье
в своем письме к Эри,— что Вы достаточно доверяете моей
работе, чтобы начать поиски планеты на небе, то я поспешу прислать
Вам ее точные координаты, как только их вычислю».
Эри отказался дать поручение астрономам-наблюдателям
Гринвичской обсерватории начать такие наблюдения. Предлогом
послужила предполагаемая через полтора (!) месяца поездка Эри
на континент. «Близкий отъезд в Европу,— «дипломатично»
пишет Эри в своем ответе французскому астроному,— не позволяет
тревожить месье Леверье просьбой о более точных числах».
Истинная причина отказа Эри, конечно, состояла в его
неверии в необычную гипотезу. Эри предпочитал считать, что
расхождения между теоретической и наблюдаемой орбитой Урана
вызваны тем, что на столь далеких от Солнца расстояниях закон
всемирного тяготения Ньютона должен быть... неверным.
Леверье оказался более настойчивым, чем Адамс. 23 сентября
1846 года, получив письмо от Леверье с точными координатами
новой планеты, молодой сотрудник Берлинской обсерватории
Иоганн Галле вместе со студентом-помощником Генрихом Д'Ар-
рестом начали необходимые наблюдения и в ту же ночь
обнаружили новую планету практически в том самом месте неба, которое
указал Леверье!
Рукопись Ньютона,
открывшего закон
всемирного тяготения.

Отметим любопытную деталь: Леверье на этот раз не
обратился к начальству — к директору Берлинской обсерватории Иоганну
Энке, не без оснований полагая, что взгляды Энке во многом
совпадают с «удобными» представлениями его английского
коллеги Эри. К тому же для Энке, как и для Эри, важнее всего было
строгое выполнение графика исследований, составленного на
несколько лет вперед... Это, к счастью, не помешало Энке направить
Леверье 28 сентября 1846 года поздравительное письмо, в котором
есть такие слова: «Ваше имя отныне будет связано с наиболее
выдающимся из мыслимых доказательств справедливости закона
всемирного тяготения. Эти немногие слова суммируют, я думаю,
все, что хотел бы услышать ученый».
Поздравления приходили к Леверье, Галле и Д'Арресту с
разных концов света. Через несколько лет научный мир воздал
должное и Джону Адамсу.
Леверье предложил назвать планету Нептун, но затем
передумал и стал настаивать на том, чтобы планета носила
наименование... Леверье. Огромную роль, оказывается, в работе
выдающегося астронома играла жажда славы!
Планета, расположенная за Ураном, все же получила
спокойное имя Нептун. Планета, родившаяся на звездных картах в
столкновении научных взглядов, в противоречиях между уютным,
неторопливым порядком заранее запланированных наблюдений
и лихорадочными поисками исследователей, поверивших в новую
идею, в борьбе и единстве честолюбия ученых и их безграничного
стремления к истине...
В ЭКСПЕРИМЕНТАХ
УЧАСТВУЕТ
ВСЕЛЕННАЯ
Метод, с помощью которого Леверье предсказал
существование Нептуна, покорил воображение ученых. За движением
Нептуна стали тщательно следить и вскоре обнаружили столь
значительные различия между наблюдаемой и теоретической орбитами
нового светила, что это могло быть объяснено только
существованием еще одной планеты, расположенной за Нептуном!
18 февраля 1930 года молодой астроном Клайд Томбо из
Ловелловской обсерватории в Америке наконец обнаружил (на
расстоянии, почти в три раза превышающем радиус орбиты Нептуна)
новую планету Солнечной системы, получившую название
Плутон. Томбо тем самым подтвердил расчеты известных
астрономов-теоретиков Персиваля Ловелла и Вильяма Пикеринга.
Поистине, как сказал знаменитый французский оптик и
астроном Франсуа Араго, «...умственные глаза могут заменять сильные
телескопы...».
Больших планет Солнечной системы стало девять: Меркурий,
Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.
Между Марсом и Юпитером расположено большое число
маленьких планет, получивших название астероидов. Однако астрономы
продолжают искать новые планеты.
Теоретические прогнозы показали, что пока на перемещения
небесных тел в Солнечной системе не влияет притяжение далеких
звезд и других планетарных систем нашей галактики. Солнце
должно «привлекать» к себе малые и большие планеты. Сила
тяготения Солнца распространяется на расстояние в 200 тысяч раз
большее, чем путь от Земли до Солнца!
Не может быть, чтобы в таком огромном пространстве не
было плотных небесных тел, хотя пока поиски десятой планеты

Солнечной системы с помощью самых мощных современных
телескопов не увенчались успехом...
Как мы видим, небесная механика неизменно подтверждает
законы земной механики, выведенные Ньютоном. Движение
небесных тел, как выяснилось еще во времена Ньютона, позволяет
не только проверить закон всемирного тяготения, но и дает в руки
исследователей прекрасный способ определения скорости света.
Странно, что о таком способе не догадался Галилей,
предлагавший для этой цели лишь опыт с фонарями. Два человека стоят
на большом удалении друг от друга с фонарями в руках и
отмечают время, за которое свет внезапно зажженного фонаря
преодолеет расстояние между ними. Опыт, к сожалению, совершенно
неосуществимый из-за слишком большой скорости света...
В сентябре 1676 года молодой датчанин Олаф Рёмер,
работавший в Парижской обсерватории, представил Французской
Академии наук доклад, в котором описал, как, пользуясь вращением
Земли вокруг Солнца, можно определить скорость света.
Рёмер при своих исследованиях наблюдал перемещение
одного из спутников Юпитера. Время полного оборота спутника вокруг
планеты было строго постоянным и хорошо известным
астрономам. Рёмер заметил: если Земля при своем вращении вокруг
Солнца находится в наиболее удаленной от Юпитера точке орбиты,
то вхождение спутника в тень Юпитера астрономы наблюдают на
22 минуты позже, чем в тот момент, когда Земля находится к
Юпитеру ближе всего. Рёмер догадался о причине странного
явления — свету нужно 22 минуты, чтобы преодолеть расстояние от
ближайшей до наиболее далекой от Юпитера точки орбиты Земли.
Зная время, которое тратит на это свет, и вычислив диаметр
орбиты Земли, мы легко можем определить скорость света!
Вероятно, это был один из первых в истории науки случаев,
когда ученый пользовался Вселенной как гигантской естественной
лабораторией...
Рёмер получил значения скорости света, которые раза в
полтора меньше современных значений этой величины. Но за это
вряд ли можно его упрекнуть: мы же знаем, какими приборами
измерял время его великий современник Галилео Галилей.
Астрономический способ измерения скорости света широко
использовался физиками в течение трех веков, прошедших после
наблюдений и расчетов Рёмера. Сейчас общепринятым считается
значение скорости света в вакууме, равное 299,79 тысячи
километров в секунду.
В XIX веке научились определять скорость света на Земле.
Высокого совершенства достиг в этих экспериментах
американский физик Альберт Майкельсон. Его сложный массивный прибор
со множеством зеркал, удлинявших путь света, был размещен
на каменной плите площадью 1,5 м2 и толщиной 30 см. Чтобы
избежать малейших возможных сотрясений прибора, подставка
для плиты была заполнена ртутью.
Майкельсон установил, что скорость света не зависит от
направления луча, на распространение света не влияет вращение
Земли. Исключительная тщательность опытов Майкельсона,
достигнутая в начале XIX века высокая точность в определении
истинного значения скорости света, быть может, натолкнула
Альберта Эйнштейна на мысль считать скорость света в вакууме
самой высокой скоростью, которая возможна в Природе. Эта
мысль составляет один из важнейших постулатов созданной
Эйнштейном теории относительности — наиболее общей
современной теории движения, в которую законы Ньютона вошли как
частный случай.

МИР
СВЕТОВЫХ
СКОРОСТЕЙ
Создатель теории относительности был очень скромным и
благородным человеком. Вероятно, именно поэтому так хочется
вслушаться в те немногие слова, которыми он пытался описать
свои первые шаги в науке: «...я скоро научился выискивать то, что
может повести в глубину, и отбрасывать все то, что перегружает
ум и отвлекает от существенного».
И тут же шутил: «Нормальный взрослый человек едва ли
станет размышлять о проблемах пространства — времени. Он
полагает, что разобрался в этом еще в детстве. Я же, напротив,
развивался интеллектуально так медленно, что, только став взрослым,
начал раздумывать о пространстве и времени. Понятно, что я
вникал в эти проблемы глубже, чем люди, нормально
развивающиеся в детстве».
Теория относительности получила свое название из-за ее
второго важного утверждения: длина и масса тела, а также
продолжительность события и количество движения (произведение
массы на скорость) не абсолютны, они зависят от скорости
движения наблюдаемых предметов относительно наблюдателя.
В формулах теории относительности для массы, длины и
времени имеется слагаемое, в котором основную роль играет
отношение квадрата скорости тела к квадрату скорости света в
вакууме. Если тело движется медленно и плавно, как планеты вокруг
Солнца, то это слагаемое становится пренебрежимо малым и
длина, масса, время приобретают свои обычные, знакомые нам
значения. Для таких тел совершенно справедливы выводы
классической механики, механики Ньютона.
Даже скорости космических аппаратов (около 11 км/сек) так
далеки от скорости света, что их движение можно вполне
рассчитывать по обычным классическим формулам.
Лишь в особых условиях, когда скорость тела приближается
к скорости света, начинают проявляться эффекты теории
относительности. Практически их можно наблюдать в двух внешне
совершенно различных мирах: в бесконечно далеких от нас
просторах Вселенной, где находятся звезды других галактик,
убегающих от «центра мироздания» со скоростью, близкой к
скорости света, и в... крохотном, но энергичном царстве мельчайших
частиц материи, например электронов и протонов, разогнанных
в современных ускорителях тоже почти до световых скоростей.
Для таких тел, очень быстро двигающихся, теория
относительности предсказывает сокращение длины, замедление времени
и возрастание массы. Цвет далеких раскаленных звезд,
удаляющихся от нас, должен, как предсказывал Эйнштейн,
изменяться в зависимости от скорости определенным образом:
например, из голубоватого становиться красным. Путь светового луча,
пролетающего около массивного тела, такого, как Солнце, будет
в поле его тяготения немного искривляться.
И все эти странные для нашего привычного, обыденного мира
явления физики смогли зарегистрировать, подтвердив тем самым
справедливость теории относительности.
Убегающие звезды действительно постепенно краснеют,
световой луч изгибается около Солнца, электроны, скорость которых
в ускорителе отличается от скорости света лишь на 30 —
40 км/сек, становятся тяжелее почти в 2000 раз!
В теории относительности имеется знаменитая формула,
показывающая, что энергия, заключенная в теле, и его масса
неразрывно связаны. Энергия тела равна его массе, умноженной на
На рисунке
Л. О. Пастернака
запечатлен
Альберт Эйнштейн у
играющий на скрипке.
Музыка помогала
Эйнштейну всю жизнь,
в ней он находил
гармонию, к которой
так стремился в науке.

квадрат скорости света. Вот и все, удивительно просто и
лаконично, но мы теперь можем легко оценить, какие огромные запасы
энергии таятся в любом веществе. Масса тела, как нам теперь
известно, зависит от его скорости, и, следовательно, от скорости
будут зависеть энергетические запасы тела.
Как всякая истинно новаторская и глубокая теория, теория
относительности совершенно меняет существовавшие ранее
представления о времени и пространстве, объединяет их, лишает
их абсолютного смысла, убедительно доказывает
относительность таких, казалось бы незыблемых, свойств материи, как масса
и геометрические размеры. Теория относительности —
дальнейшее обобщение, развитие физических законов движения. Она не
отменяет, а включает в себя как необходимую составную часть
всю классическую механику.
Мишель Монтень однажды написал о древнегреческом
философе Сократе: «У Сократа как-то спросили, откуда он родом. Он
не ответил: «Из Афин», а сказал: «Из Вселенной». Этот мудрец,
мысль которого отличалась такой широтой и богатством, смотрел
на Вселенную как на свой родной город, отдавая свои знания,
себя самого, свою любовь всему человечеству,— не так, как мы,
замечающие лишь то, что у нас под ногами...»
Эти прекрасные слова можно полностью отнести и к
Эйнштейну.
ДВИЖЕНИЕ
В МЕЖПЛАНЕТНЫХ
ПРОСТОРАХ
Испытание
одной из первых
советских ракет
в начале 30-х годов
нашего столетия.
Слева — С. П. Королев,
будущий академик,
создатель советской
космической техники.
У многих людей часто возникает желание сказать новое слово
в механике.
Не так давно один озорной писатель пришел к глубокому
заключению: «Главный закон движения: палок не должно быть
больше, чем колес».
Да, конечно, лучше, когда на любом пути — будь то
стремление к прогрессу или быстрая езда на автомобиле — нет
раздражающих препятствий (хотя хорошо, когда есть собственные
исправные тормоза...).
Изобретатели современных видов транспорта сумели, правда,
даже сопротивление среды заставить помогать движению.
Корабли и пароходы двигаются в воде, отталкиваясь от нее, правильно
сконструированные крылья, используя подъемную силу воздуха,
устремляют ввысь самолеты. Для торможения применяется
знакомая нам сила трения корабля или самолета о воду или воздух.
Однако как поступить, если внешней среды... нет? Как летать
в безвоздушном пространстве?
Еще Ньютон рассчитал, что для отлета с Земли снаряду нужно
сообщить скорость около 8 километров в секунду, или почти
29 тысяч километров в час. Хорошо, а как двигаться потом?
И здесь снова приходят на помощь законы Ньютона. Действие
равно противодействию и направлено в противоположную
сторону, помните?
Если снаряд-ракету снабдить в дальний путь достаточным
количеством топлива, которое будет сжигаться в «топке»
двигателя и вырываться наружу в виде раскаленной струи газа, то сам
снаряд-ракета станет с такой же мощной силой двигаться в
направлении, противоположном истечению струи.
Этот замечательный способ движения получил название
реактивного — тело бурно реагирует на движение сжигаемого
топлива.

Движение
в безвоздушном
пространстве
космических кораблей,
выводимых на орбиту
мощными
ракетами-носителями,
основанное
на законе
всемирного тяготения
Ньютона,
олицетворяет
неразрывную связь
классической
и современной
физики.
Советская орбитальная
станция «Салют»
состыкована
с кораблем «Союз».

Основоположник
современной
космонавтики
К. Э. Циолковский
и страница
одной из его рукописей.
Для такого движения не нужна опора в виде воды или
воздуха — тело при реактивном движении отталкивается не от воздуха,
а от самого себя... С помощью реактивного движения можно
поднимать тяжелые ракеты в космос, этот же принцип позволяет
космическим аппаратам маневрировать в безвоздушном
пространстве, выпуская в необходимый момент и в нужную сторону
запас сжатого газа из баллонов, установленных на корпусе
аппарата.
Сейчас, в эпоху бурного развития космонавтики, нам легко
рассуждать о ракетном движении. Попробуйте же представить
себе, какая нужна научная смелость, чтобы убежденно писать
и говорить о космических полетах на рубеже XIX и XX веков,
когда первые самолеты еще только начали осваивать воздушное
пространство Земли! Таким провидцем оказался наш
выдающийся соотечественник, калужский учитель Константин Эдуардович
Циолковский.
Циолковский опубликовал много научных работ, где строго и
обоснованно доказал техническую осуществимость космических
полетов в ближайшем будущем, привел полученные им формулы,
позволяющие оценить все основные параметры ракеты,
выводящей на земную орбиту космический корабль.
Циолковский мечтал и о более далеких событиях — о полном
освоении космоса человечеством. В книге «Исследование мировых
пространств ракетными приборами», увидевшей свет в 1926 году,
он пишет, зримо представляя себе будущее человечества: «Вокруг
Земли устанавливаются обширные поселения. Используют
солнечную энергию не только для питания и удобств жизни
(комфорта), но и для перемещения по всей Солнечной системе.
Основывают колонии в поясе астероидов и других местах Солнечной
системы, где только находят небольшие небесные тела.
Развивается промышленность и размножаются невообразимо
колонии...
Наконец, население Солнечной системы делается в сто тысяч
миллионов раз больше нынешнего земного. Достигается
предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному
Пути».
Всего лишь через 31 год после опубликования этой
удивительной книги, 4 октября 1957 года, первый советский искусственный
спутник Земли открыл космическую эру.
Космические аппараты устремились к Венере и Меркурию,
Марсу и Юпитеру. Советский человек Юрий Гагарин впервые
совершил полет вокруг Земли, Алексей Леонов вышел из корабля
в открытый космос, американские космонавты совершили
посадку на Луне, сделанные в СССР межпланетные космические
аппараты «Луноходы», послушно повинуясь командам Земли,
путешествовали по Луне...
ВСЕ ДАЛЬШЕ,
ВЫШЕ,
БЫСТРЕЕ...
Большие исследовательские центры в СССР, США, Франции,
Англии, Канаде, Индии и других странах заняты изучением
космического пространства, созданием и усовершенствованием
многочисленных спутников связи, больших автоматических станций
и межпланетных аппаратов. Большую роль в успехах
отечественной космонавтики сыграли работы академика С. П. Королева, его
соратников и учеников.
И все же снова и снова хочется вернуться в Калугу, к истокам

нынешних успехов, понять, как рождается новое, возникает идея,
мысль, которую никто из окружающих еще не слышит...
К. Э. Циолковский был одновременно одержимым и
разносторонним ученым. Поглощенный полностью мечтой об освоении
космоса, он вдруг неожиданно начинает заниматься созданием...
поезда на воздушной подушке. И конструирует успешно
работающую модель такого поезда.
Друг Циолковского, инженер, физик и биолог, впервые
доказавший влияние солнечной активности на здоровье людей,
профессор А. П. Чижевский сделал в железнодорожных мастерских
Калуги платформу из жести с загнутыми вниз крыльями. В центре
платформы было отверстие, к которому через гибкий шланг
подвели сжатый воздух. А. П. Чижевский вспоминал: «Словно
зачарованный, смотрел я на волшебную платформу, висевшую в
воздухе».
В 1927 году К. Э. Циолковский написал книгу «Сопротивление
воздуха и скорый поезд». В будущем, предсказывал Циолковский,
тяжелые поезда, парящие на воздушной подушке, отправятся
в быстрый путь, снабженные мощными реактивными двигателями.
Как мы знаем, и это предвидение Циолковского полностью
оправдалось.
Помню ощущение какой-то непонятной тайны, чуда,
владевшее мной, когда я ходил по низеньким комнатам домика
Циолковского в Калуге, выходил на просторную террасу на верхнем
этаже, где стоят модели космических и земных аппаратов,
сделанные самим Циолковским.
Все просто, изящно и скромно... Вот здесь, на этой террасе,
и возникли те удивительные идеи, которые позволили
человечеству впервые в истории вырваться за тесные пределы земной
атмосферы.
Как хорошо, что в Калуге сейчас ежегодно устраиваются
научные конференции — Циолковские чтения — и ученые могут
познакомиться с удивительным Калужским музеем
космонавтики, с домом Циолковского, окунуться в его зачарованный мир,
побывать там, где начинались нынешние космические чудеса.
Конечно, если мы оглянемся назад еще дальше, в эпоху
средневековых рыцарских походов, путешествий великих
мореплавателей, начнем со славного географическими открытиями
периода XV и XVI веков, то сравнение с нашим временем ясно покажет,
сколь неузнаваемо изменились представления о движении, как
необыкновенно возросли возможности человечества быстро
передавать важные новости и преодолевать большие расстояния.
Испанская королева Изабелла, как свидетельствуют историки,
лишь 8 месяцев спустя узнала об открытии Америки; известие об
убийстве американского президента Линкольна в прошлом веке
дошло до Европы через две недели; всего лишь через 1,3 секунды
(время, за которое телевизионный сигнал, мчащийся со
скоростью света, достиг Земли) человечество узнало о прилунении
«Лунохода» или о том, что первый человек ступил на Луну!

Всякое творчество, как в науке, так и
в искусстве, рождается у человека из
чувства неудовлетворенности
действительностью. Ученый недоволен
существующей теорией и уровнем знания в его
области науки...
П. Л. КАПИЦА
Сто восемьдесят королевских гвардейцев в парадных
мундирах в Версале в присутствии его величества короля Франции
берутся за руки и образуют большой круг. Читатель будет удивлен,
но мы присутствуем при одном из публичных опытов с
электричеством, столь модных во второй половине XVIII века.
В середине XVIII века была случайно открыта так называемая
«лейденская банка», вероятно, первый в мире конденсатор,
накопитель больших количеств электричества.
Петер Мушенброк, профессор математики из Лейдена,
обнаружил, что в стеклянной банке с остатками ртути и вставленным
через пробку длинным гвоздем «пойманное» электричество может
сохраняться довольно долго. Банку иногда укутывали
металлической фольгой — гвоздь и фольга служили обкладками
конденсатора, стекло их разделяло и хранило заряды.
Зарядить лейденскую банку электричеством можно было с
помощью особой «электрической машины» Герике,
представлявшей собой шар из серы, насаженный на железную ось. Шар
быстро вращали, прикосновение к нему руки или ременной передачи
приводило к возникновению, как мы теперь говорим,
электростатических зарядов. Железную ось Герике и гвоздь, воткнутый в
лейденскую банку, легко соединить металлическим проводом —
и в банке накопится достаточно много электричества, которое
можно к тому же носить с собой...
Электрическая цепь из ста восьмидесяти гвардейцев по
команде «замыкалась» через лейденскую банку: на одном конце
цепи первый гвардеец дотрагивался рукой до металлической
фольги, в которую была завернута банка, а на другом конце
гвардеец, последний в цепи, прикасался к гвоздю, торчавшему из
пробки. Сильный электрический удар мгновенно чувствовали все
гвардейцы!
«Было курьезно видеть,— писал очевидец этого опыта,—
разнообразие жестов и слышать вскрики, исторгаемые
неожиданностью у большей части получающих удар».
Мы не случайно назвали все происходившее «опытом». То
был, несомненно, научный опыт, доказавший без ведома и
желания участников не только достаточно высокую проводимость
человеческого тела по отношению к электрическому току, но и
даже один из законов электрических цепей, который будет
установлен в лаборатории век спустя — при последовательном
соединении большого числа проводников электричества во всей цепи
течет одинаковый электрический ток.
Король Франции дважды присутствовал на «электрическом
представлении». Маловероятно, что желание второй раз увидеть
это зрелище было вызвано научной любознательностью монарха.
Скорее, ему хотелось еще раз посмотреть на «разнообразие
жестов» и услышать «вскрики»...

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
СПУСКАЕТСЯ
С НЕБА
В античной Греции философ Фалес, натирая меховой
шкуркой янтарь, кусочек окаменевшей смолы хвойных деревьев, с
удивлением наблюдал, как янтарь после этого начинал
притягивать к себе перья птиц, пух, сухие листья. Недаром через
несколько тысячелетий ученые станут называть элементарную частицу,
несущую единичный электрический заряд, греческим словом
«электрон», означающим в переводе «янтарь».
В V веке до нашей эры вблизи древнего города Магнезия,
расположенного на территории современной Турции, часто
находили удивительные «путеводные» камни. Подвешенные на
длинных нитях, эти обычно продолговатые камни (мы теперь
понимаем, что то были кусочки магнитной руды) всегда
указывали одно и то же направление.
Много свидетельств оставили нам древние историки о
наблюдавшихся ночью в горах или на мачтах кораблей переливающихся
холодных огнях. Их видел на копьях солдат во время ночного
похода через горы достаточно внимательный свидетель —
древнеримский полководец Юлий Цезарь. О них вспоминали
знаменитые мореплаватели Колумб и Магеллан. Похожие огни
«плясали» на высоком шпиле церкви святого Эльма в одном из городов
Франции...
Начиная научные исследования электричества, ученые
довольно быстро поняли, что все эти таинственные огни вызваны
атмосферным электричеством. Облака во время грозы —
плавающие в воздухе огромные электрические конденсаторы.
Ослепительная молния, возникающая при слишком тесном сближении
Природная молния,
сфотографированная
в московском небе
над Останкинской
телевизионной башней,
и искусственная
молния,
используемая
при испытаниях
изоляторов
линий электропередач.

Опыты
с электричеством
и молнией
занимали большое
место в творчестве
М. В. Ломоносова,
родоначальника
отечественной науки.
Ломоносов
увлекался также
стихосложением,
мозаикой, изготовлял
цветное стекло.
По его проекту
был сделан
и расписан глобус
диаметром в три метра
для Российской
Академии наук.
Здесь показана
часть украшения
этого глобуса.
природных накопителей электроэнергии, наглядно показывает,
как много электричества может быть в небе у нас над головой.
Конечно, сейчас, зная строение вещества, легко объяснить,
как образуются в воздухе электрические заряды. Ультрафиолет
Солнца обладает достаточной энергией, чтобы оторвать от
молекул и атомов некоторых газов, составляющих воздух, свободные
электроны. В высоких слоях атмосферы образуется смесь
(получившая название разреженной плазмы) электронов и
положительно заряженных ионов — остатков молекул и атомов,
лишившихся некоторых из своих электронов. Частицы пыли, туман,
грозовые облака и тучи неизбежно привлекают к себе
заряженные частицы. Особенно быстро притягиваются легкие
электроны... А с «начиненного» электричеством облака заряды при
любом удобном случае стекают на другие предметы. Ночью в
неподвижном воздухе они делают это тихо и спокойно, вызывая
легкое свечение на копьях воинов, мачтах кораблей и шпилях
церквей; во время шторма или бури заряды «срываются» с
облаков громко, с шумной яростью — возникает грозовой разряд, или
молния, которая может вызвать пожары, разрушить дома,
сломать деревья.
Перед исследователями электричества открылись три
заманчивые дороги: изучать атмосферное электричество, понять, как
проходит электрический ток через живой организм, и простой,
менее романтичный, но зато более определенный путь
экспериментов в лаборатории.
Изучение грозного атмосферного электричества требовало,
конечно, отчаянной смелости, особенно в те далекие годы
восемнадцатого столетия, когда не существовало ни измерительных
приборов, ни изолированных проводов, ни представления о том,
как электрический ток сделать безопасным...
Пытаясь зарядить «небесным» электричеством во время грозы
лейденскую банку, погиб верный помощник Ломоносова — Рих-
ман. Сам Михаил Васильевич во время этих опытов тоже не раз

подвергался смертельной опасности. Но новое влекло
неудержимо. Недаром Ломоносов записывал в дневнике: «Один опыт я
ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только
воображением». И планировал все новые и новые эксперименты по
изучению действия электрической «силы»: «Будет ли
наэлектризованное олово плавиться при меньшей степени огня?»; «Каков будет
цвет электрических искр и пламень, вызванный в растворах солей
и в соляных жидкостях?»; «Наблюдать, способствует ли
электрическая сила кристаллизации или мешает»; «Ускоряет ли
осаждение электрическая сила?».
Как мы видим, задолго до изобретения компактных и
удобных источников электрического тока — гальванических, или,
иначе, электрохимических батарей — родоначальник
отечественной науки намечал опыты по осаждению одних материалов на
другие с помощью электрического тока! Ломоносов предвосхитил
метод электроосаждения, или, как его еще называют,
гальванопластики, который изобретет почти через сто лет другой
российский академик — Борис Семенович Якоби.
На другом конце земного шара, в Америке, в те же годы
XVIII века работал ученый, столь же разносторонний, как
Ломоносов,— Бенджамен Франклин. Русский и американский
исследователи не были знакомы друг с другом, но их роднило многое.
Оба, например, писали остроумные стихи, увлекались искусством
и примерно в одно и то же время занялись изучением...
атмосферного электричества.
К счастью, очень рискованные опыты Франклина окончились
благополучно для него. Ведь он тоже решил вызвать молнию на
себя, запустив во время грозы высоко в небо воздушного змея,
которого держал на влажной бечевке. Вода проводит
электричество, и если молния имеет электрическую природу, то она
спустится, подумал Франклин, по мокрой веревке, как по
металлическому проводу. И молния действительно послушно ударила
в землю рядом с Франклином!
Исследовал
атмосферное
электричество и другой
разносторонний
ученый — Бенджамен
Франклин.
Он выпускал журнал,
писал стихи
и пародии,
был дипломатическим
представителем
Америки при
французском дворе.

Лягушке Л. Гальвани
давно следует
поставить памятник:
ей выпала честь
открыть человечеству
существование
электрических токов
внутри живых существ
СКАЛЬПЕЛЬ,
СОЕДИНЕННЫЙ
С... МОЛНИЕЙ
Ученые получили в свое распоряжение могучий источник
электричества, но очень громоздкий и опасный — молнию. Тем
не менее даже с помощью таких неудобных приборов и
источников энергии, как вращающийся круг из серы, лейденская банка
и молния, им удалось сделать еще один серьезный шаг в изучении
новых явлений. И сделал его ученый, избравший своей
специальностью совсем другую область науки — анатомию.
Кстати, мы редко задумываемся над тем, что первые, и
наиболее важные, открытия в любой области знания совершают
специалисты других разделов науки. Ведь не могут существовать,
например, инженеры-электрики, когда еще неизвестно, что такое
электричество... Может быть, такая закономерность не только
естественна при зарождении новой ветви на древе знания, но и
полезна для его постоянного пышного роста?
Луиджи Гальвани возглавил кафедру анатомии в Болонье в
1759 году, когда ему было всего 22 года, и долгие годы спокойно
и вдумчиво исследовал костное строение птиц. Лишь через 12 лет
он начал интересоваться электрическими явлениями и только в
1790 году, когда ему исполнилось 53 года, сделал свое
удивительное наблюдение, благодаря которому его имя сохранилось в
истории науки.
Рассказывают, что открытие Гальвани — целая цепь
случайностей: заболевшей жене Гальвани прописали целительный
бульон из лягушачьих лапок, Гальвани сам готовил этот бульон,
чистил только что пойманную лягушку и однажды прикоснулся
скальпелем к ее обнаженному нерву...
Все, что было до этого знаменательного момента, видимо,
навсегда останется тайной, ибо именно с него начинает Гальвани,
как выразился бы современный ученый, экспериментальную часть
своей статьи «Об электрических силах при мускульных
движениях», опубликованной в 1791 году: «Когда одно из лиц,
помогавших мне, случайно чуть-чуть коснулось концом скальпеля
внутреннего бедренного нерва лягушки, то мышцы конечностей вдруг
сократились как будто от сильной судороги».
Гальвани не останавливается на этом и соединяет скальпель
с «электрической машиной»: сокращения мышц многократно
увеличиваются. Впечатление такое, что лягушка ожила!
У Гальвани вскоре появятся тысячи подражателей и
последователей, жаждавших убедиться собственными глазами, как
лягушка «оживает» под действием электрического тока...
Гальвани ведет свои опыты с электричеством так же
методично и последовательно, как до сих пор — чисто анатомические
исследования. Он решает заменить «электрическую машину»
более мощным источником электричества — молнией.
Рисунок, приведенный в статье Гальвани, позволяет ясно
представить себе этот оригинальный эксперимент: одна
проволока, обвивающая мышцу лягушки, тянется в колодец, другая,
соединенная с нервом задней лапки, закинута на крышу.
Атмосферное электричество должно пройти через лягушку и уйти в
землю.
«Как только появлялись молнии,— пишет Гальвани в своей
статье,— тотчас же мышцы приходили в сильные сокращения,
которые совпадали по времени с молнией и предшествовали
грому».
«Мы пришли к мысли,— делает вывод ученый,— о присущем
животным электричестве».

Да, не случайно подпрыгивали королевские гвардейцы, не зря
сокращались мышцы лягушки, не напрасно быстро отнимали
руку от лейденской банки первые исследователи, не только от
испуга пальцы руки, случайно коснувшись обнаженных концов
провода городской электросети в современной квартире,
«отпрыгивают» назад! Все это происходит потому, что живой организм
проводит, пропускает через себя электрический ток.
Но ведь природа ничего не делает зря! Быть может, внутри
организма циркулируют еле заметные, но очень важные для
жизни электрические токи, которые просто до поры до времени
трудно было обнаружить?
Открытие Гальвани заставило именно в этом направлении
работать мысль ученых. Усложнялась и улучшалась техника
измерений, все более совершенными становились приборы,
исследователи научились регистрировать как очень большие, так и еле
заметные проявления электрической силы.
Прошел 121 год после опубликования статьи Гальвани, и в
1912 году было обнаружено, что внутри человеческого организма
протекают очень небольшие электрические токи. Исследователи
доказали, что любой процесс внутри человека — работа сердца
и мозга, прохождение нервных сигналов, мышечные сокращения-
сопровождается биологическими электрическими сигналами,
имеющими для каждого органа характерную форму. Сравнивая
форму сигналов определенного участка организма в здоровом и
больном состоянии, легко установить причину заболевания.
Во время медицинского обследования в современной
поликлинике и при жалобах пациентов на сердечные или головные боли
врачи обязательно снимают электрокардиограмму или
энцефалограмму — сигналы небольших биологических токов,
протекающих в сердце или головном мозге.
Лежа с электродами, прикрепленными к разным частям
нашего тела, мы не всегда вспоминаем о том, что человечество шло
к этой процедуре больше 150 лет. И первое движение на этом пути
сделал скальпель Гальвани...
Громоотвод Франклина
уводил молнию в землю,
и она становилась
безопасной для людей.
Гальвани же, наоборот,
старался призвать
молнию к участию
в опытах с «животным
электричеством».
Запись колебаний
электрических токов,
протекающих
через сердце,
мозг или мышцы
человека,
позволяет врачу
установить причину
заболевания.

ФИЗИКЕ
ВСЕ ВОЗРАСТЫ
ПОКОРНЫ
Л. Вольта
в лаборатории
и фотография одного
из изобретенных им
«вольтовых столбов»,
первой в мире
электрохимической
батареи.
Среди последователей славного болонского анатома нашелся
один внимательный физик, профессор Тессинского университета
в Италии Алессандро Вольта, заметивший одну незначительную
деталь опытов с «животным электричеством», на которую не
обратил внимания сам Гальвани: когда к лягушке присоединяли
провода из разнородных металлов, мышечные сокращения
становились сильнее.
Вольта решил, что два металла, разделенные телом, в котором
много воды, хорошо проводящей электрический ток (лягушка,
без сомнений, может быть отнесена к таким телам), рождают
свою собственную электрическую силу. Смелое и неожиданное
предположение!
Решающий эксперимент Вольта провел... на самом себе. «Я
накладываю на глазное яблоко конец оловянного листочка, беру
в рот серебряную монету или ложку и затем привожу обе эти
обкладки в соприкосновение при помощи двух металлических
острий,— описывал Вольта свой оригинальный физический
опыт.— Это оказывается достаточным, чтобы тотчас же или
каждый раз, как производится соприкосновение, получить
явление света или преходящей молнии в глазу».
Молнии озарений освещали дальнейшие мысли Вольты, и
наконец 20 марта 1800 года в письме к сэру Джозефу Бэнксу,
президенту Лондонского Королевского общества, Вольта подробно
расскажет об изобретенном им новом источнике электричества:
«...я взял несколько дюжин круглых медных пластинок, а еще
лучше серебряных диаметром примерно в один дюйм и такое же
количество оловянных или лучше цинковых пластинок. Затем из
пористого материала, который может впитывать и удерживать
много влаги (картон, кожа), я вырезал достаточное количество
кружков. Все эти пластинки я расположил таким образом, что

металлы накладывались друг на друга всегда в одном и том же
порядке и что каждая пара пластинок отделялась от следующей
влажным кружком из картона или кожи...»
Электрохимические батареи, которые сначала все называли
«вольтовыми столбами», начали свое победное шествие по
земному шару. Из лабораторий ученых они сейчас проникли всюду,
путешествуя в самые отдаленные уголки земли,— ведь удобные
переносные радиоприемники, магнитофоны, телевизоры работают
в местах, где нет знакомой электрической розетки от центральной
электросети, благодаря маленьким и емким электрохимическим
батарейкам, а автомобили трогаются в путь, получив сильный
импульс электрического тока от большой стартерной
электрохимической батареи.
Собрав достаточное количество монет из разных сплавов и
картонных кружков, каждый школьник сейчас может составить
источник тока по рецепту Вольты.
В декабре 1801 года Алессандро Вольта после доклада перед
Французской Академией наук получает из рук Наполеона
Большую золотую медаль, присуждаемую за выдающиеся достижения
в науке. Вольте в это время 56 лет, он опровергает своей судьбой
устоявшееся мнение, что открытия в физике совершаются только
до 30 лет...
Наполеон всегда помнил о Вольте, питая к нему, видимо, не
только глубокое уважение, но и сердечную привязанность. Когда
первооткрыватель нового источника электрической энергии хотел
оставить университетскую кафедру, то Наполеон сказал:
«...добрый генерал должен умереть на поле чести» — и просил передать
Вольте, что если чтение лекций отвлекает его от
исследовательской работы, то «...если хочет, пусть читает одну лекцию в год».
Вольта остался в университете.
Через двадцать лет был изобретен еще один источник тока —
термоэлектрический. Оказалось, что, нагревая теплом руки,
пламенем свечи или керосиновой лампы спай двух проволочек из
«Внуки» столбов
Вольты — удобные,
маленькие, легкие
современные батарейки
прочно вошли
в нашу жизнь.
Этой милой девочке
кажется, что
сломанную заводную
игрушку
можно оживить,
если положить
ей в рот батарейку.

разных металлов, можно с других, свободных концов проволочек
«снять» заметный электрический сигнал.
Причину возникновения термоэлектрического эффекта
физики смогли объяснить до конца только в тридцатые годы нашего
столетия. Свободные электроны в одной из проволочек под
действием теплоты быстрее двигаются к холодному концу, чем в
другой! Разница в количестве электронов приводит к появлению
электрического напряжения между двумя проволочками. Если их
присоединить к внешней электрической цепи, то в ней потечет
электрический ток — количество электронов во всех участках
цепи начнет выравниваться...
Описанное явление можно сравнить с горным водопадом, с
опусканием воды в речных шлюзах, с работой
гидроэлектростанции: мы затратили энергию на подъем воды наверх — вода отдает
ее, падая вниз.
С изобретением каждого нового источника тока ученые,
изучавшие электричество, могли не только упростить и улучшить
свои лабораторные эксперименты. Они с интересом
обнаруживали, что таинственное электричество возникает под действием
совершенно разнородных сил, например тепла или еще
неизвестных химических реакций на границе между металлами и водой в
«вольтовых столбах». Лишь проникновение в структуру вещества,
в атомную и молекулярную природу материи, позволило понять,
что объединяет эти столь различные внешне явления.
Кстати, сам Вольта скромно именовал свое изобретение
«искусственным электрическим органом» и предложил в честь
Гальвани называть электрохимические батарейки
«гальваническими элементами». Вольта подал своим многочисленным
потомкам в науке пример, достойный подражания. И не потому ли так
часто до сих пор применяются слова: гальванические элементы,
которые давно уже пишутся без кавычек...
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
ПОЛУЧАЕТ
ЗАКОНЫ
Первый важный закон электричества был установлен
французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году — задолго до
изобретения гальванических элементов. Формулировкой закон
Кулона удивительно напоминает закон всемирного тяготения:
сила взаимодействия двух точечных неподвижных тел в вакууме
прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно
пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Как же сумел Кулон открыть этот точный физический закон,
практически не обладая привычным нам лабораторным
оборудованием? Прием, использованный Кулоном, лишний раз
доказывает, что изобретательность человеческого ума не знает границ...
Расстояние и силу взаимодействия между зарядами
французский ученый определял с помощью тех же крутильных весов,
которыми пользовался Кавендиш для исследования силы
тяготения между двумя телами. А как Кулон сумел найти величину
зарядов, с помощью какого прибора?
Он просто этого не делал, справедливо решив, что для его
исследований не нужно знать абсолютную величину
электрических зарядов, достаточно иметь два одинаковых заряда или
определить, во сколько раз один заряд больше другого.
Зарядив один металлический шарик трением о сухую ткань,
можно поднести к нему другой, незаряженный: при
соприкосновении двух шариков заряды должны разделиться поровну между

ними. Если к одному из них будет снова поднесен шарик из того
же металла, то от первоначального заряда останется только
четвертая часть. Вот так, остроумно и легко, делил Кулон
электрические заряды на равные части, что и позволило ему открыть
закон, который подтвердили точнейшие современные измерения!
Следует вспомнить, что все это происходило в те далекие
времена, когда у большинства ученых существовали довольно
путаные представления о двух видах электричества: стеклянном
и смоляном.
Повод для этого был очень «серьезный»: стеклянная палочка,
потертая о шелк, притягивалась к янтарю, который
электризовали с помощью меховой шкурки, но две «заряженные» стеклянные
палочки отталкивались друг от друга! Значит, существуют два
типа зарядов — отрицательные, «любящие» янтарную смолу, и
положительные, оседающие на стекле? Опыты Кулона тоже,
казалось бы, подтверждали такой вывод: шарики, заряжаемые
разными способами, вели себя подобно стеклянным палочкам
и кусочкам янтаря...
Бенджамен Франклин был, вероятно, первым исследователем,
предположившим, что оба вида электричества на самом деле
представляют собой просто избыток и недостаток электричества
одного и того же типа. «Части предмета, подвергаемого трению,
притягивают в момент трения электрический огонь и, следовательно,
отнимают его от трущего предмета; те же части склонны отдать
полученный ими огонь любому телу, у которого его меньше»,—
писал Франклин в 1748 году.
Трудно сейчас сказать, на чем основывался Франклин,
высказывая эту мысль и далеко опережая взгляды своих
современников,— на логическом рассуждении или опыте. Может быть, он
заметил, что мех, натирающий янтарь, сам приобретает заряд
противоположного знака, как и шелк, трущийся о стекло?
Сейчас мы хорошо знаем, что в любом проводящем теле
электрический ток переносят только отрицательно заряженные
электроны; положительный заряд, как и предполагал Франклин,
Ювелирные украшения
из янтаря — кусочков
окаменевшей смолы.
На поверхности янтаря,
натертого мехом,
образуется
значительный
электрический заряд.

создается там, где электронов меньше, чем должно быть обычно,
при электронейтральном состоянии атома, молекулы или
вещества в целом.
Верные взгляды на природу электричества постепенно
пробивали себе дорогу. Но, не дожидаясь полного понимания
физической причины явлений, исследователи установили
закономерности поведения материалов по отношению к электрическому току.
Опыт в те годы часто вел за собой теорию...
Пользуясь крутильными весами для измерения величины тока,
протекающего по металлическому проводнику к заряжаемому
предмету, немецкий физик Георг Ом, работавший большую часть
жизни школьным учителем, открыл закон, имеющий для науки
об электричестве не меньшее значение, чем закон Кулона.
Сила тока на участке однородной электрической цепи, гласит
закон Ома, прямо пропорциональна приложенному напряжению
и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
Сопротивление любого проводника протеканию
электрического тока, как доказал Ом, определяется только геометрическими
размерами проводника и свойствами материала, из которого он
сделан.
Для установления своего универсального закона Ому было
необходимо с большой точностью, через определенные
интервалы значений, менять напряжение, подаваемое на проводники
различной длины и поперечного сечения. Он нашел интересное
и простое решение: напряжение снималось со свободных концов
двух проволочек, спай которых нагревался до строго
фиксированных, но различных температур, благодаря чему изменялось
получаемое напряжение. Ом очень удачно использовал открытый
незадолго перед этим термоэлектрический эффект...
Как удивительно разнообразны, оригинальны и точны
решения, к которым прибегали классики естествознания в своих
работах! Как тут не вспомнить фразу из записной книжки
остроумного писателя Ильи Ильфа, одного из авторов с детства всеми
любимых романов «Двенадцать стульев» и «Золотой теленок»: «Все
талантливые люди пишут разно, все бездарные люди пишут
одинаково и даже одним почерком».
НЕПОХОЖИЕ
БЛИЗНЕЦЫ
Девятнадцатый век, видимо, в назидание двадцатому веку,
веку узкой научной специализации, перенимает прекрасную
традицию восемнадцатого столетия и оставляет нам память об
удивительно разносторонних ученых.
Ганс Христиан Эрстед получил золотую медаль при
окончании Копенгагенского университета за литературное эссе
«Границы поэзии и прозы», представив одновременно химическое
исследование о свойствах щелочей. Диссертация, за которую Эрстед
был удостоен звания доктора философии, посвящена медицине,
свои самостоятельные исследования он начал в университете
на кафедре фармацевтики, где изучали лекарства, а стал
профессором по кафедре физики.
Возникновение тепла при прохождении тока от
гальванических элементов через тонкую платиновую проволочку не давало
Эрстеду покоя. Электричество и тепло взаимосвязаны, думал он,
но, возможно, имеется нечто общее между другими
разнородными и внешне непохожими явлениями, например между
электричеством и магнетизмом? Говорят, чтобы постоянно помнить об этой
проблеме, Эрстед все время носил в кармане небольшой магнит...

В 1813 году Эрстед пишет в своем труде «Исследование
идентичности химических и электрических сил», вышедшем из печати
во Франции: «Следует испробовать, не производит ли
электричество... каких-либо действий на магнит...»
Проходит семь лет. Весной 1820 года Эрстед впервые
замечает, что при прохождении электрического тока лежащая рядом
с проводом магнитная стрелка начинает отклоняться. После семи
лет обдумываний следуют три недели лихорадочных
экспериментов.
Эрстед обнаруживает, что на повороты стрелки влияет ее
удаленность от провода и электрическое напряжение
гальванического элемента; материал провода значения не имеет.
Эрстед отмечает странную вещь: сила, действующая между
магнитом и электрическим током, направлена не по прямой,
соединяющей их, а перпендикулярно к ней!
Эрстед вскоре разошлет ведущим ученым Европы статью на
четырех страничках, называемую, по обычаю того времени, «ме-
муаром», в которой опишет свои опыты. В мемуаре Эрстеда
найдет отражение и тонкое наблюдение, что «магнитный эффект
электрического тока имеет круговое движение вокруг него».
Будто провод окольцован магнитными силами...
Разве могли
предвидеть ученые,
изучавшие магнитные
и электрические
явления,
что их открытия
приведут к созданию
электростанций
и электрического
освещения?
Уютно мерцают
залитые светом окна
загородного дома.

Члены
Французской Академии
А. Ампер (слева)
и Ф. Араго изучают
действие
магнитного поля
на проводник,
по которому течет
электрический ток.
Ученый секретарь Французской Академии Франсуа Араго
знакомится с опытами Эрстеда в Женеве и 4 сентября 1820 года
делает в Париже на заседании Академии устное сообщение о них.
Опыты Эрстеда поразили Араго. Ведь он сам уже много лет
собирает сведения о связи атмосферных электрических явлений
с поведением магнитных веществ на земле и готовится поставить
лабораторные эксперименты по проверке своих предположений.
Участвуя в работе экспертной комиссии по выяснению
причин кораблекрушений, Араго замечал, что у кораблей после
сильного шторма на море стрелки компасов показывали в разные
стороны, а железные предметы на борту сильно
намагничивались. Вызвать это могла только молния...
Волнение Араго передалось членам Академии. Они просят
Араго на заседании, намеченном на 22 сентября 1820 года,
продемонстрировать им опыты Эрстеда.
Внимательно слушает Араго выдающийся математик Анри
Мари Ампер. У него рождается проницательная мысль: если
проводник тока всегда окружен магнитными силами, то
«электрический конфликт» (пользуясь образным выражением Эрстеда)
должен возникать не только между проводом и магнитной
стрелкой, но и между двумя проводами, по которым течет ток!
В течение этого знаменательного заседания глубокий теоретик
превращается в увлеченного экспериментатора. За семь дней
Ампер конструирует оригинальный электрический прибор и на
следующих заседаниях Академии — 11 и 18 сентября —
демонстрирует присутствующим взаимодействие двух проводников с током!
Если в обоих проводниках электрические токи текут
параллельно друг другу в одном направлении, то они притягиваются,
обнаруживает Ампер; эти же проводники отталкиваются, когда
токи в них проходят во взаимно противоположных направлениях.

Затем Ампер выведет простую формулу, которая позволит
рассчитать силу взаимодействия двух проводников в том случае,
когда они установлены под углом друг к другу. Формула будет
названа впоследствии законом Ампера...
Ампер продолжает свои опыты. Свернув проводники в виде
двух спиралей, получивших название соленоидов, он доказывает,
что соленоиды, установленные рядом, при пропускании тока ведут
себя подобно двум магнитам.
Ампер исследует влияние магнитного поля Земли на движение
проводника, соленоида и металлической рамки с током. Он
высказывает опережающую время мысль о том, что магнит в свою
очередь представляет собой совокупность токов. В магните, считает
Ампер, есть множество элементарных круговых токов, текущих
перпендикулярно к его оси. Так и кажется, что французский
ученый уже знает о непрерывном движении заряженных частиц
внутри каждого вещества, об открытии электрона, о планетарном
строении атома, доказанном Резерфордом через столетие.
Свои сообщения на заседании Академии Ампер заключил
словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто
электрическим эффектам».
Пройдет много лет, и открытия Ампера лягут в основу метода
определения единицы электрического тока. На IX
Международной конференции по мерам и весам в 1948 году будет решено
считать основной электрической единицей один ампер — силу
тока, при которой два параллельных проводника длиной в один
метр взаимодействуют друг с другом с силой в две
десятимиллионные части ньютона.
От силы тока в один ампер произойдет единица количества
электричества, названная кулоном, единица напряжения, которая
получит наименование вольта, единица сопротивления,
именуемая омом.
Очевидцы рассказывали, что идеи Ампера были столь новы,
что многие члены Французской Академии просто не поняли их
революционного научного смысла. «Что же, собственно, нового
в том, что вы нам сообщили? — спросил на заседании один из
них, обращаясь к Амперу.— Само собой ясно, что если два тока
оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают
действие и друг на друга?»
За Ампера его оппоненту мгновенно ответил Араго. Он вынул
из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже
оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют
друг на друга...»
Оба ключа, действительно, могут открыть один и тот же
замок, но это не будет замок двери в страну знаний.
ОТКРЫТИЕ
ФАРАДЕЯ
Гэмфри Дэви стал профессором в 23 года. За свою долгую
жизнь в науке он успел сделать очень много: открыл несколько
новых химических элементов, сумел с помощью электрического
тока выделить из расплава солей их составные части, в том числе
очень чистые металлы, изобрел шахтерскую взрывобезопасную
лампу, обнаружил обезболивающие свойства закиси азота и
предложил применять ее во время хирургических операций, доказал,
как полезно заменить воду в гальванических элементах кислотой,
что в несколько раз увеличило силу электрического тока,
получаемого от источника электроэнергии, созданного Алессандро
Вольтой.

Гэмфри Дэви заслужил много научных и общественных
наград, прибавил к своему имени почетную приставку «сэр», был
избран президентом Лондонского Королевского общества.
Но на вопрос о его самом большом открытии в жизни сэр
Гэмфри Дэви ответил: «Самым великим моим открытием было
открытие Фарадея». И он, несомненно, прав.
Один из историков науки справедливо писал: «...работы
других ученых — Кулона, Гальвани, Эрстеда, Араго, Ампера —
представляли собой отдельные «пики», тогда как Фарадей воздвиг
«горную цепь» из взаимосвязанных работ».
Майкл Фарадей
и фотография
электрической
спирали-катушки,
непременной участницы
его опытов,
в результате которых
было обнаружено
явление
электромагнитной
индукции.
Открытие Фарадея
лежит в основе
устройства
электродвигателей
и генераторов
электрического тока.
Фарадей сумел значительно опередить свое время не только
существом сделанных им открытий, но и цельным подходом к
научному творчеству. Он считал, что необходимо искать общность
разных процессов в Природе, изучать «точки соприкосновения»
областей знания, ибо на стыке наук можно обнаружить
совершенно новые закономерности исследуемого явления.
На стыке физики и химии сделаны работы Фарадея по
изучению влияния электрического тока на осаждение и разложение
веществ. Два основополагающих закона электролиза были
установлены именно Фарадеем...
Изучая сходство и различие оптических и электрических
явлений, Фарадей показал, что электрический ток может усиливать
и ослаблять свет.
И конечно, главное — Фарадей доказал окончательно, что
электричество и магнетизм неразрывно связаны.
Одиннадцать лет после открытий Эрстеда и Ампера
размышлял Фарадей над этой проблемой. Электричество явно обладает
магнитной силой, и теперь осталось подтвердить влияние
магнитных явлений на электрические. Физическая природа их так
близка!
29 августа 1831 года, как зафиксировано в лабораторном
журнале Фарадея, был выполнен исторический эксперимент. На

большую деревянную катушку Фарадей навил две электрические
спирали, изолированные друг от друга хлопчатобумажной нитью.
По одной из спиралей пропускался ток, который Фарадей резко
включал и выключал, а другая была соединена с
гальванометром — прибором, отмечавшим появление тока во второй спирали.
«При замыкании цепи,— записал Фарадей в журнале,—
удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие
на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении
тока. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей
не удавалось отметить... действия на гальванометр...»
Спирали из проводников, как доказал Ампер, подобны по
своим свойствам магнитам, и Фарадей продолжает свои опыты,
заменив одну из спиралей на магнит. Сильные всплески тока
возникают, когда Фарадей двигает магнит в катушке со спиралью или,
наоборот, перемещает катушку относительно магнита.
Фарадей замечает основные особенности явления: ток
возникает только при движении катушки и магнита относительно друг
друга; направление тока, возникающего в момент, когда магнит
входит в катушку, изменяется на противоположное при выходе
магнита из катушки.
Обнаруженное Фарадеем явление получило название
электромагнитной индукции. Его недаром относят к наиболее
выдающимся открытиям XIX века — работа миллионов
электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире основана
на явлении электромагнитной индукции...
Фарадей глубоко верил в единство электрических и магнитных
явлений. Первым из ученых он предложил понятие об
электрическом и магнитном поле, окружающем магниты и проводники
с током. Эти поля переносят в пространстве, как считал
Фарадей, электромагнитные сигналы.
Эта мысль оказалась настолько важной для всего
последующего развития физики, что Альберт Эйнштейн назвал человека,
которого она впервые посетила, «избранником».
Несколько десятилетий спустя Джеймс Кларк Максвелл
разовьет идею Фарадея, облечет ее в ясную и точную
математическую форму, и электромагнитное поле займет положенное ему
по праву важнейшее место во всех разделах физики.
Науке очень повезло, что сэр Дэви открыл Фарадея! А ведь
начало и первые годы их знакомства не предвещали столь
редкого и искреннего признания...
В далеком 1812 году, когда на полях России происходили
кровопролитные сражения с Наполеоном, блестящий лектор и
выдающийся английский ученый Гэмфри Дэви получил
присланный по почте подарок — прекрасно переплетенный том с записью
последних четырех лекций его курса. Подарок ему прислал
молодой человек из бедной семьи, с восхищением слушавший его
лекции в часы, свободные от работы в переплетной мастерской.
Звали молодого человека Майкл Фарадей.
Дэви устроил Фарадея ассистентом на работу в Королевский
институт, взял с собой в поездку по Европе.
Талант Фарадея быстро расцветал, и ученик стал обгонять
учителя.
Когда в 1823 году двадцать девять членов Королевского
общества предложили избрать Фарадея членом общества на
очередных выборах, президент общества — Гэмфри Дэви пытался
воспрепятствовать этому и даже предложил Фарадею снять свою
кандидатуру. Фарадей спокойно ответил, что об этом нужно
просить не его, а двадцать девять членов общества.
Трудно сказать, что толкнуло Дэви на этот шаг, бросающий
тень на добрую память о нем. Неужели мелочная обида на то,

что Фарадей в своих двух последних статьях по химии не сослался
на Дэви? Дэви публично ставил это в упрек Фарадею...
Конечно, Фарадей был принят в Королевское общество, их
прежние отношения с Дэви восстановились.
Фарадей был удивительно скромным и доброжелательным
человеком. Он любил делать друзьям на праздники подарки
собственного изготовления, например бритвы из созданного им
нового сорта стали. Находясь за границей, все время думал об
оставшихся дома близких: «Этими сердечными чувствами,— писал
Фарадей,— я дорожу как лучшим украшением человеческого
сердца».
По манере поведения и характеру Фарадей был во многом
противоположен сэру Дэви. Не добивался почестей, отказывался
от наград и орденов. Когда его просили стать президентом
Королевского общества, он отклонил это предложение, сказав, что
«хочет до конца жизни остаться просто Майклом Фарадеем».
ПЛЕНЕННОЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Если паровые котлы и механические двигатели к ним сначала
были придуманы инженерами и изобретателями, а физики после
этого помогли их значительно усовершенствовать, то в области
электрических машин все обстояло наоборот. Здесь открытия
ученых — и в первую очередь Фарадея — послужили толчком
для изобретательской фантазии инженеров, которые теперь с
полным правом могли называть себя электриками и
энергетиками...
В технике основными устройствами, использующими явление
электромагнитной индукции, являются генераторы
электрического тока, электродвигатели и трансформаторы.
Генератор состоит из статора и ротора. Массивный
неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на
внутренней стенке которого уложено большое число витков
металлического провода, ведущего во внешнюю электрическую
цепь — к потребителю электроэнергии. Ротор — цилиндр с
пазами, большой подвижный электромагнит, установленный внутри
статора.
Под действием пара, газа или падающей воды (на
гидростанциях) ротор начинает быстро вращаться — и в проводах
статора благодаря электромагнитной индукции возникает
электрический ток.
В электродвигателях происходит другое превращение:
переменный электрический ток, протекая через провода статора,
заставляет ротор вращаться. С помощью механических
приспособлений движение ротора можно передать ленте траспортера,
эскалатору метро, зубчатым и ременным передачам любого станка
на современном заводе.
Огромные генераторы и электродвигатели выпускаются сейчас
промышленностью многих стран мира. На советских
теплоэлектростанциях монтируются генераторы мощностью до 1 миллиона
киловатт! Такие генераторы, как правило, вырабатывают низкое
электрическое напряжение, которое обязательно повышают,
прежде чем передать электроэнергию от расположенных вдалеке
электростанций к городам, где ее нетерпеливо ждут
промышленные предприятия и жилые дома.
Здесь уже незаменимыми оказываются такие электрические
устройства, как трансформаторы, состоящие из сердечника

и двух катушек, в которых разное число витков. Если к катушке
с большим числом витков подвести переменный электрический
ток большого напряжения, то со стороны катушки с малым
числом витков можно «снять» больший ток, но значительно меньшее
напряжение. Ведь в электрической сети жилой квартиры лучше
иметь напряжение, безопасное для жизни... и спиралей
электрических лампочек. Тоненькие вольфрамовые спирали легко
перегорают при повышенном напряжении. А свет лампочки, как
справедливо заметил Владимир Маяковский, для нас столь же
важен, как «хороший стих и букварь».
Современники Фарадея — английский физик Джоуль и
русский ученый Ленц практически одновременно и независимо друг
от друга вывели закон, определяющий тепловое действие
электрического тока. Количество теплоты, выделяемой проводником
с током, гласит закон Джоуля — Ленца, равно произведению
квадрата силы тока, времени его протекания и сопротивления
проводника. Но ведь переход в тепло означает, что
электричество постепенно теряется и при очень длинных проводах может
вообще не дойти до места назначения? Конечно, вероятность
такого печального исхода тем выше, чем больше сила
электрического тока, чем тоньше и протяженнее провода.
Здесь, как мы знаем, выручает трансформатор: повышая
напряжение, он уменьшает силу тока, отправляемого в дальний
путь...
Скульптор, создавший статую Фарадея, установленную в
Королевском институте в Лондоне, изобразил его держащим в руке
историческую катушку с навитыми проводами. Маленькая, но
очень важная деталь — с этой катушки началась, как мы видим,
вся современная электротехника.
Машинный зал
современной
электростанции.
Электрогенераторы
превращают
механическое
вращение
турбин
в электрический
ток.

НЕПРОТОРЕННЫМИ
ТРОПАМИ
В
магнитогидродинамическом генераторе
струя раскаленных
газов
заменяет ротор
электродвигателя.
Прекрасно работают разнообразные электрические
устройства, и нам сейчас было бы трудно представить себе жизнь без
тихого, но незаменимого участия электрического тока.
Новые научные идеи, правда, постоянно возникают и в этой
уже ставшей традиционной области физики. Ученые, например,
пытаются создать электрические генераторы совсем без...
вращающихся частей.
В обычных электродвигателях к ротору приходится тоже
подводить постоянный ток, чтобы возникла «магнитная сила».
Когда похожий на ротор электромагнит притягивает к себе и
поднимает в воздух, перенося с места на место, тяжелые стальные
и железные детали на заводе, то такого «электрического»
грузчика легко подключить к сети — он двигается спокойно и
неторопливо. К электромагниту, «работающему» ротором (скорость
его вращения иногда достигает трех тысяч оборотов в минуту!),
электрический ток приходится подводить через проводящие
угольные щетки и кольца, которые трутся друг о друга и легко
изнашиваются при столь быстром движении. Это, пожалуй,
наиболее уязвимое место двигателей и генераторов.
У физиков родилась необычная мысль — заменить ротор
струей раскаленных газов, плазменной струей, в которой много
свободных электронов и ионов. Если пропустить такую струю между
полюсами сильного магнита, то по закону электромагнитной
индукции в ней обязательно возникнет электрический ток —
ведь струя движется. Электроды, с помощью которых должен
«выводиться» ток из раскаленной струи, могут быть
неподвижными, в отличие от угольных щеток обычных электрических
устройств.
Новый тип электрической машины получил название магни-
тогидродинамического генератора. При ее создании, конечно,
возникло много сложнейших научных и технических проблем.

Электроды нового генератора стоят неподвижно, но им надо
«уцелеть» в горячей струе, летящей со скоростью 330 метров в
секунду. Температура плазмы, выбрасываемой этим огнедышащим
драконом, составляет 1200°С (в центре его — еще больше:
2450°С).
Впервые в мире экспериментальный образец магнитогидроди-
намического генератора был создан в нашей стране. Под
руководством академиков В. А. Кириллина и А. Е. Шейндлина запущен
генератор этого типа мощностью 25 миллионов ватт! Создаются
устройства с еще большей энергоотдачей, которые сначала
предполагается использовать в сочетании с обычной
теплоэлектростанцией — не пропадать же зря температуре в 1200°С на выходе...
Значительно усовершенствован в наши дни и
электрохимический источник тока, изобретенный Алессандро Вольтой.
Миллионы маленьких и больших гальванических батареек
разнообразнейших конструкций выпускаются во всем мире ежегодно.
В середине двадцатого столетия ученые создали оригинальный
электрохимический генератор, получивший название топливного
элемента. К электродным пластинкам топливного элемента (к
сожалению, покрытым тонким слоем дорогой платины) подводятся
два газа — водород и кислород. На электродах газы отдают
электроны во внешнюю электрическую цепь, становятся ионами и,
соединяясь, превращаются в воду. Из газового топлива
получается сразу и электроэнергия и вода! Удобный, бесшумный и
чистый источник тока для дальних путешествий, например в
космосе, где особенно нужны оба продукта «деятельности» топливного
элемента.
Анализируя процессы, происходящие на поверхности
электродов топливного элемента, советские физики —
член-корреспондент АН СССР Н. С. Лидоренко, профессор Г. Ф. Мучник и
кандидат наук 3. Р. Каричев пришли к выводу, что топливный
элемент работает очень похоже на... легкие человека. Если в
легких вдыхаемый кислород, прежде чем попасть в кровь,
проходит через полупроницаемую биологическую мембрану, то в
топливном элементе газы и вода тоже разделены тончайшими
пористыми пленками. А ведь в аппаратах «искусственного
кровообращения», с помощью которых хирурги научились делать
операции на открытом сердце, временно «отключая» сердце и легкие
от организма, именно это никак не удавалось сделать! Кислород
из баллонов и кровь непосредственно соприкасались, при этом
Обычные газы —
кислород воздуха и водород
стали источником
электроэнергии
в топливных элементах,
от которых
могут работать
микроавтобусы.

Используя
пленки-мембраны
топливных элементов,
ученые создали
искусственные легкие,
выводящие из крови
углекислый газ
и снабжающие ее
кислородом.
Так это делают,
например,
во время операции
по вживлению теленку
искусственного
сердца.
зачастую изменялся состав крови, разрушались ее белковые и
жировые компоненты, образовывались тромбы, пузырьки,
опасные для жизни пациента.
Физики в содружестве с врачами —
членом-корреспондентом Академии медицинских наук СССР В. И. Шумаковым и
профессором А. А. Писаревским разработали искусственные
легкие — очень компактные и похожие на настоящие.
Искусственные легкие, в которых кислороду не дают ухудшить состав
крови: он попадает в кровь через многослойные полупроницаемые
мембраны, созданные первоначально для одной из моделей
топливного элемента. Рожденный в содружестве двух наук
искусственный человеческий орган уже успешно применялся во
время ответственных операций, вживлялся экспериментальным
животным, спас нескольких больных, погибавших от острой
дыхательной недостаточности...
Очень полезно иногда отклоняться от основной проторенной
дороги! Изучение электрических и магнитных свойств веществ
тоже привело к успеху не только в области создания
электрических генераторов и электродвигателей. Исследуя поведение
магнитных кристаллов, ученые обнаружили, что группы атомов
этих кристаллов, получившие название доменов, обладают
способностью «запоминать» форму и характер электрических
сигналов, меняя свою ориентацию в пространстве. Форма
электрических сигналов может быть изменена под воздействием звуков
человеческого голоса, музыки, пения. Кристаллы, нанесенные на
полимерную основу в виде пленки, будут хранить в своей памяти
эти изменения. Родились на свет магнитофоны, записывающие
и воспроизводящие любые звуки...
Неутомимы искатели нового! Недавно была изобретена
цифровая система записи звука — электронно-вычислительную
машину научили запоминать изменение электрических сигналов,
вызванное различными звуками, в виде огромного набора цифр.

Запись и «извлечение» звука (как говорят музыканты) лишились
тех небольших дефектов, которые неизбежны при многократном
проигрывании склонной к вытягиванию магнитной ленты,
избавились от эффекта, который часто обозначают словами: «звук
плывет».
Магнитная лента тем не менее вряд ли останется без работы.
В последние годы ученые научили ее запоминать не только звук,
но и свет, цвет, видимое изображение. Появились
видеомагнитофоны...
НЕОБЪЯТНАЯ ЭНЕРГИЯ
КРОХОТНОГО
АТОМА
«Хороша наука — физика! Только жизнь коротка». Эти слова
принадлежат ученому, сделавшему в физике удивительно много.
Их однажды произнес академик Игорь Васильевич Курчатов,
создатель первой в мире атомной электростанции.
27 июня 1954 года эта уникальная электростанция вступила
в строй. У человечества появился еще один могучий источник
электроэнергии.
Путь к овладению энергией атома был долгим и нелегким.
Начался он в первые десятилетия XX века с открытия
естественной радиоактивности супругами Кюри, с постулатов Бора,
планетарной модели атома Резерфорда и доказательства такого,
как сейчас кажется, очевидного факта — ядро любого атома
состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных
нейтронов.
В 1934 году супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (дочь
Мари Склодовской-Кюри и Пьера Кюри) обнаружили, что
бомбардировкой альфа-частицами (ядрами атомов гелия) можно
превратить обычные химические элементы в радиоактивные.
Новое явление получило название искусственной радиоактивности.
Если такую бомбардировку вести очень быстрыми и
тяжелыми частицами, то начинается каскад химических превращений.
Элементы с искусственной радиоактивностью постепенно уступят
свое место стабильным элементам, которые уже не будут
распадаться.
С помощью облучения или бомбардировки легко сделать явью
мечту алхимиков — изготовить золото из других химических
элементов. Только стоимость такого превращения значительно
превысит цену полученного золота...
Больше пользы (и, к сожалению, тревог) принесло
человечеству открытое в 1938—1939 годах группой немецких физиков и
химиков деление ядер урана. При облучении нейтронами тяжелые
ядра урана распадаются на более легкие химические элементы,
принадлежащие к средней части периодической системы
Менделеева, и выделяют несколько нейтронов. Для ядер легких
элементов эти нейтроны оказываются лишними... При «раскалывании»
ядер урана может начаться цепная реакция: каждый из двух-
трех полученных нейтронов способен в свою очередь произвести
на свет несколько нейтронов, попав в ядро соседнего атома.
Общая масса продуктов такой ядерной реакции оказалась,
как подсчитали ученые, меньше массы ядер исходного
вещества — урана.
По уравнению Эйнштейна, связывающему массу с энергией,
можно легко определить, что при этом должна выделиться
огромная энергия! Причем произойдет это за ничтожно малое
время. Если, конечно, цепная реакция станет неуправляемой и
пройдет до конца...

Огромные физические и технические возможности, скрытые
в процессе деления урана, одним из первых оценил Энрико
Ферми, в те далекие тридцатые годы нашего столетия еще очень
молодой, но уже признанный глава итальянской школы физиков.
Задолго до второй мировой войны он с группой талантливых
сотрудников исследовал поведение различных веществ при
нейтронном облучении и определил, что эффективность процесса
деления урана можно значительно повысить... замедлив движение
нейтронов. Как это ни странно на первый взгляд, при уменьшении
И. В. Курчатов
(справа)
и А. И. Алыханов
(в центре)
со своим учителем
А. Ф. Иоффе.
(Начало 30-х годов.)
На прогулке
после конференции
Э. Ферми (справа)
со своим учеником
Б. Понтекорво.
(Базель, 1949 г.)

скорости нейтронов увеличивается вероятность их захвата
ядрами урана. Эффективными «замедлителями» нейтронов служат
вполне доступные вещества: парафин, углерод, вода...
Переехав в США, Ферми продолжал быть мозгом и сердцем
проводимых там ядерных исследований. Два дарования, обычно
исключающие друг друга, сочетались в Ферми: выдающегося
теоретика и блестящего экспериментатора. «Пройдет еще очень
много времени, прежде чем мы сможем увидеть равного ему
человека»,— писал крупный ученый У. Зинн после безвременной
Строительство
в нашей стране
атомного реактора
(вверху)
и атомной
электростанции
(внизу).

кончины Ферми от злокачественной опухоли в 1954 году в
возрасте 53 лет.
Коллектив ученых, сплотившихся вокруг Ферми в годы второй
мировой войны, решил на основе цепной реакции деления урана
создать оружие невиданной разрушительной силы — атомную
бомбу. Ученые спешили: вдруг нацистская Германия сумеет
раньше всех изготовить новое оружие и использует его в своем
бесчеловечном стремлении к порабощению других народов?
Ученым удалось уже в 1942 году собрать и запустить на
территории стадиона Чикагского университета первый атомный
реактор. Стержни из урана в реакторе перемежались угольными
«кирпичами» — замедлителями, а если цепная реакция все же
становилась слишком бурной, ее можно было быстро остановить,
введя в реактор пластины из кадмия, разъединявшие урановые
стержни и полностью поглощавшие нейтроны.
Исследователи очень гордились придуманными ими простыми
приспособлениями к реактору, которые сейчас вызывают у нас
улыбку. Один из сотрудников Ферми в Чикаго, известный
физик Г. Андерсон вспоминает, что кадмиевую жесть прибивали
к деревянному бруску, который при необходимости мгновенно
опускался в котел под действием собственной тяжести, что
послужило поводом дать ему название «миг». Г. Андерсон пишет:
«Перед запуском котла этот стержень следовало вытянуть
наверх и закрепить веревкой. При аварии веревку можно было
бы перерезать и «миг» занял бы свое место внутри котла».
На атомном реакторе была получена управляемая цепная
реакция, проверены теоретические расчеты и предсказания. В
реакторе шла цепь химических превращений, в результате которых
накапливался новый химический элемент — плутоний. Его, как и
уран, можно использовать для создания атомной бомбы.
Ученые определили, что существует «критическая масса»
урана или плутония. Если атомного вещества достаточно много,
цепная реакция приводит к взрыву, если мало, меньше
«критической массы», то происходит просто выделение тепла.
В атомной бомбе простейшей конструкции уложены рядом два
куска урана или плутония, причем масса каждого немного не
«дотягивает» до критической. В нужный момент запал из
обычного взрывчатого вещества соединяет куски, масса атомного
горючего превышает критическое значение — и выделение
разрушительной энергии чудовищной силы происходит мгновенно...
Ослепительное световое излучение, ударная волна, сметающая
все на своем пути, и проникающее радиоактивное излучение
обрушились на жителей двух японских городов — Хиросимы и
Нагасаки — после взрыва американских атомных бомб в 1945
году, поселив с тех пор в сердцах людей тревогу перед страшными
последствиями применения атомного оружия.
Под объединяющим научным началом И. В. Курчатова
советские физики разработали атомное оружие.
Но руководитель этих работ не переставал думать и о мирном
использовании атомной энергии. Ведь атомный реактор
приходится интенсивно охлаждать, почему же это тепло не «отдать»
паровой или газовой турбине, не применить для обогрева домов?
Через атомный реактор пропустили трубки с жидким
легкоплавким металлом. Разогретый металл поступал в
теплообменник, где передавал свое тепло воде. Вода превращалась в
перегретый пар, начинала работать турбина. Реактор окружили
защитной оболочкой из бетона с металлическим наполнителем:
радиоактивное излучение не должно вырываться наружу.
Атомный реактор превратился в атомную электростанцию,
несущую людям спокойный свет, уютное тепло, желанный мир...

СОЛНЦЕ
БУДЕТ ГОРЕТЬ
НА ЗЕМЛЕ!
Друзья и сотрудники звали Энрико Ферми «папой», считая,
что в научных вопросах он столь же непогрешим, как папа
римский — в религиозных... У Игоря Васильевича Курчатова
было два прозвища — «Борода» и «Генерал». Курчатов начал
носить бороду после болезни во время войны и поклялся, что не
сбреет ее до тех пор, пока не наступят победные дни. Видимо,
он имел в виду не только военную победу над фашизмом, но и
достижения в науке, ибо носил бороду до конца своих дней.
Настоящему физику всегда кажется, что главная удача еще
впереди... «Генералом» Курчатова впервые назвал Анатолий Петрович
Александров, будущий президент Академии наук СССР. «Вы
Генерал и должны возглавить эти работы!» — убеждал он
Курчатова в 1942 году. Только физик с «генеральским» научным
авторитетом, умной волей и умением объединять людей должен был
стоять во главе коллектива советских ученых, решавших
атомные проблемы. Именно таким физиком являлся Курчатов.
Атомный реактор и атомная бомба были важными, но
преходящими этапами в научной биографии обоих ученых. Ферми в
последние годы жизни вернулся к сложным теоретическим
вопросам ядерной физики. Курчатов, едва первая атомная
электростанция вступила в строй, стал вести исследования по разработке
еще более могучего источника электроэнергии. Он глубоко верил,
что термоядерный синтез — слияние при высоких температурах
нескольких ядер в одно — процесс, идущий с освобождением
огромного количества энергии, тоже удастся «приручить», сделать
управляемым, послушным воле человека.
Как считают ученые, именно реакция термоядерного синтеза
обеспечивает горение Солнца. В недрах Солнца очень
подходящая температура для этих реакций — 15—20 миллионов
градусов!
Если вещество нагреть
до десятков миллионов
градусов, сжав его
магнитным полем,
то начнется
термоядерная реакция
образования
легких ядер,
подобная той,
что происходит
в недрах Солнца.
Ученые
нашей страны
исследуют возможность
ее осуществления
на установках,
получивших название
«Токамак».

Внутри помещения
ускорителя
европейского Центра
ядерных исследований
в Женеве.
Ученики Курчатова — академики Л. А. Арцимович, М. А. Леон-
тович, Е. П. Велихов, Б. Б. Кадомцев разработали способы, с
помощью которых может зажечься на Земле искусственное
солнце. Раскаленную плазму надо запереть в прочных
«стенках» магнитного поля, сжать и разогреть мощными
электрическими разрядами, светом, бомбардировкой электронным или
ионным пучком. В качестве исходных веществ при получении
плазмы выгодно (в энергетическом смысле этого слова) взять
изотоп водорода — дейтерий и легкий элемент литий.
Ученые уже смогли получить в эксперименте плазму с
температурой больше 7 миллионов градусов, «живущую» пока,
На этой
советско-французской
водородной
пузырьковой камере
«Мирабель»,
установленной
в ускорителе
под г. Серпуховом,
ученые изучают
столкновения
мельчайших
частиц вещества.

к сожалению, лишь десятые доли секунды. Но дорогу осилит
идущий...
Энрико Ферми много времени и сил уделял другой новой
ветви ядерных исследований, получившей название физики
элементарных частиц. Сейчас это, пожалуй, самая сложная и волнующая
область физики, где ученые непрерывно встречаются с новыми,
странными и удивительно красивыми явлениями.
Как трудно, например, привыкнуть к процессам,
происходящим при столкновении одних элементарных частиц, таких, как
электрон, протон, нейтрон, с другими частицами или ядрами: они
не раскалываются на части, не разрушаются, а... превращаются
друг в друга.
Какую сенсацию вызвало среди физиков открытие у
электрона двойника — позитрона! Во всем позитрон подобен электрону,
кроме заряда — он у позитрона положительный.
Прошло пятнадцать — двадцать лет после теоретического
предсказания, а затем и экспериментального обнаружения
позитрона, и двойники, получившие название античастиц, нашлись
у всех без исключения элементарных частиц...
Все эти поразительные открытия были сделаны благодаря
тому, что физики научились сообщать элементарным частицам
большие энергии и скорости, нашли способ сильно разгонять
своих «питомцев» прежде, чем произойдет их роковая,
быстротечная встреча с другими частицами.
В настоящее время облучение различных химических веществ
ведут, как правило, не альфа-частицами, испускаемыми радием
в процессе естественного радиоактивного распада, а в миллионы
раз более энергичными заряженными частицами, разгоняемыми
с помощью огромных ускорителей. С большой скоростью
вылетают из облучаемых веществ разнообразные частицы.
Для определения характеристик образующихся частиц ученые
сейчас используют в своих экспериментах камеры, получившие
название пузырьковых. В отличие от камеры Вильсона,
заполненной газами, парами воды или спирта, в пузырьковых камерах
находится под большим давлением жидкий водород. Попавшая
внутрь камеры частица оставляет за собой след из пузырьков
вскипевшего водорода.
Мощный ускоритель электронов построен у нас в стране в
Ереване, гигантский ускоритель протонов размером с футбольный
стадион — недалеко от города Серпухова. В кольцевом тоннеле
из стали создается почти космический вакуум, внутри летит
пучок частиц, а от тоннеля отходят прямые боковые рукава-
отростки, куда исследователи время от времени «выводят» часть
пучка. Здесь находятся измерительные приборы, облучаемые
вещества, скоростные фотокамеры.
Удивительное чувство испытываешь, находясь около большого
ускорителя. Особенно если на нем идут монтажные работы и
можно войти так же просто, как в вагон метро, в один из боковых
отростков кольца. Чувство ожидания открытий...
Когда сравниваешь эту грандиозную и дорогостоящую
технику с простыми маленькими приборами, пользуясь которыми
ученые прошлого достигали своих великих целей, то невольно
закрадывается смущающая мысль: не гонятся ли физики наших
дней за призраками, не руководит ли ими вполне понятное, но
эгоистическое желание просто заниматься наукой ради науки?
И после трудного раздумья отвечаешь себе: нет, все-таки
в развитии физики, несомненно, существует какой-то скрытый,
не до конца понятый механизм, заставляющий даже самые
далекие от практики научные достижения в конце концов приносить
человеку пользу.

Огромные ускорители помогли открыть явление аннигиляции,
взаимного уничтожения двух элементарных частиц-близнецов.
Электрон и позитрон исчезают, оставляя нам вместо себя гамма-
излучение.
Теоретические прогнозы показывают, что процесс
аннигиляции частиц, столкновение вещества с антивеществом, может
привести к освобождению грандиозного количества энергии,
превосходящего во много раз энергию атомного взрыва и
термоядерного синтеза.
Разве уже одного этого открытия не достаточно, чтобы
окупить в наших глазах усилия, потраченные на постройку
ускорителей? Кто знает, не будет ли когда-нибудь энергоснабжение
всего земного шара осуществляться с помощью нескольких
ускорителей.
ЗАГЛЯДЫВАЯ
В БУДУЩЕЕ
И... ПРОШЛОЕ
Лист растения сияет
своей естественной
глянцевитой
поверхностью.
Рассказывают, что Нильс Бор, один из великих физиков,
стоявших у колыбели атомного века, был очень красноречив в
разговорах с одним собеседником, но косноязычен и скован на
трибуне перед большой аудиторией. Его брат Харальд, известный
математик, был, напротив, прекрасным оратором, но относился к
этому достаточно самокритично. «Причина простая,— говорил
Харальд,— я всегда объясняю то, о чем говорил и раньше, а
Нильс всегда объясняет то, о чем будет говорить позже».
Мысль ученого всегда была устремлена в будущее...
Бурная и очень короткая в масштабах истории человечества —
всего два века — судьба науки об электричестве говорит о
стремительном проникновении исследователей в электрические тайны
природы, о все более причудливых способах получения
электроэнергии, открываемых учеными. В XX веке началось изучение
крохотных заряженных частиц в глубине вещества. Исследуются
тяжелые атомы урана, ядра легких элементов, элементарные
частицы. Все меньше становятся объекты, которые интересуют
физиков, но все больше энергия, получаемая с их помощью!
Бенджамен Франклин в одном из своих шутливых
стихотворений, помещенных в 1738 году в изданном им самим «Альманахе
простака Ричарда», видимо вспомнив о своих научных и
литературных занятиях, неожиданно серьезно воскликнул:
Если хотите, чтоб вас не забыли,
когда уже прах ваш истлеет в могиле,
пишите лишь то, что читать не устанут,
иль делайте то, что описывать станут!
Молодой Франклин здесь явно давал совет не только другим,
но и себе самому. И сумел последовать этому мудрому совету —
опыты Франклина теперь описываются в любой книге по
электричеству. Ведь он делал их, думая о будущем...
Иногда, однако, ученые открывают новое, оглянувшись в
далекое прошлое.
Несколько лет назад, например, в центре внимания как
физиков, так и биологов вновь оказался... нерв лягушки,
прославивший Гальвани. Тонкие измерения показали, что вокруг
возбужденного нерва существует электромагнитное поле. Впрочем, так
оно и должно быть, раз по нерву проходит электрический сигнал.
Как доказал еще Фарадей, при движении электрических зарядов
неизбежно возникает электрическое и магнитное поле.

Ученые снова заинтересовались рыбами, генерирующими
электроэнергию: электрическим угрем, живущим в пресной воде
южноамериканской реки Амазонки, и электрическим скатом,
обитающим в Атлантическом океане и Средиземном море. Конечно,
при этом многие вспоминали, что еще в глубокой древности —
до нашей эры — врачи прописывали больным лечение ударами
ската в воде. Иногда таким способом удавалось избавить
пациента от паралича...
Угорь и скат — живые фабрики электричества: при разряде
электрического угря зарегистрировано напряжение 600 вольт при
силе тока 1,5 ампера; скат генерирует напряжение 60 вольт,
но зато при силе тока, достигающей 50 ампер!
Биологи думают, что живое электричество используется для
защиты и нападения, для связи и передачи информации,
ориентации в пространстве. Физики добавляют к этому, что
двигательные сигналы внутри всех живых организмов передаются от
мозга по нервным волокнам не только путем выработки таких
химических веществ, как ацетилхолин, но и через механизм
электромагнитной индукции.
Не исключено, конечно, что эти две системы в организме
к тому же связаны сложным образом: электромагнитное поле
нервного электрического импульса, как было обнаружено,
увеличивает проницаемость клеток по отношению к ионам металлов,
и в ответ может произойти «выброс» из клетки химического
соединения с зашифрованным сигналом...
Конечно, токи, текущие внутри большинства живых существ,
как правило, слишком слабы, чтобы создаваемое при этом
электромагнитное поле могло простираться далеко. Электромагнитное
поле лягушки, например, затухает уже на расстоянии двенадцати
миллиметров от возбужденного нерва.
У человека тоже найдены электромагнитные поля,
рожденные биоэлектрическими сигналами. В местах выхода нервных
окончаний на поверхность тела интенсивность поля, естественно,
повышается. Советский изобретатель С. Д. Кирлиан сумел
сделать это явление наглядным в прямом смысле слова.
Изобретатель предложил фотографировать тело человека,
поместив его предварительно между двумя большими
металлическими стенками, к которым приложено переменное
электрическое напряжение. В среде с повышенным электромагнитным
полем на коже человека возникают микроразряды, причем
активнее всего ведут себя те места, где выходят наружу нервные
окончания. На фотографиях, сделанных по методу Кирлиана, они
видны в виде маленьких, ярко светящихся точек. Эти точки,
как выяснилось, расположены именно в тех местах тела, в
которые рекомендуется погружать серебряные иголки при лечении
иглоукалыванием.
Стал более понятным удивительный эффект старинного
народного метода борьбы с разнообразными недугами организма;
появилась еще одна прочная нить, связывающая физику с
медициной...
Какими далекими от здоровья человека, от его
непосредственных забот и проблем выглядели даже самые замечательные
открытия в области электричества! Но ведь все в мире
взаимосвязано. Изучая неодушевленную материю, устанавливая законы
Природы, человек в то же время все глубже проникает в самые
сокровенные уголки самого себя.
Недаром Мишель Монтень однажды сказал: «Этот огромный
мир... и есть то зеркало, в которое нам нужно смотреться, дабы
познать себя до конца».
Зеленые листья,
помещенные
в электромагнитное
поле,
начинают светиться.
Фотографии этого
синеватого свечения
позволяют распознать
болезни листьев,
оценить влажность
их поверхности,
установить связь
электрических
и биологических
явлений.

Наиболее удивительная и чудесная смесь
цветов — белый цвет.
и. ньютон
Клоуны — всегда
изобретательны,
им одинаково удаются
веселые шутки
и физические опыты,
например,
с камерой-обскурой.
Представьте себе площадь средневекового европейского
города в воскресный день. Бродячие цирковые артисты дают
представление. Один красочный номер сменяется другим, и в самом
конце перед тесной толпой зрителей возникает седобородый
человек, устанавливающий в центре площади на треножнике
большой черный ящик. Человек показывает, что в одной из
боковых стенок ящика сделано отверстие, а противоположная
отверстию стенка выполнена из полупрозрачного пергамента.
Веселый разноцветный клоун встает прямо перед ящиком —
с той стороны, где отверстие. Зрителей приглашают по очереди
поближе рассмотреть пергамент, предварительно закрыв себя
и ящик черным покрывалом от слепящих лучей солнца.
Удивлению и восторгам нет конца: на пергаменте явственно
проступает изображение клоуна, только вверх ногами — будто
клоун стоит сейчас на голове.
Что за чудеса! Как клоун пробрался сквозь маленькую
дырочку в ящик?
Зрители с трудом отрывают взгляд от пергамента и видят,
что живой клоун, улыбаясь, стоит на прежнем месте. На
пергаменте не клоун, а его изображение.
Зрителей уже начинают тревожить сомнения: может быть, на
пергаменте просто был заранее нарисован клоун?
В этот момент настоящий клоун подпрыгивает и встает на
руки, болтая в воздухе ногами. И будто по команде изображение
клоуна — клоун на пергаменте — переворачивается, и зрителям
кажется, что клоун наконец встал, как все нормальные люди,
на ноги.
Нам, живущим в XX веке и привыкшим к фотографии,
телевидению и кино, трудно себе представить мысли и чувства
средневековых зрителей, впервые увидевших только что описанную
камеру-обскуру, замечательное изобретение безымянного автора,
прообраз многих современных оптических приборов. И в наши
дни ученые продолжают обсуждать особенности изображений,
создаваемых в камере-обскуре, а ведь она была известна уже
в X — XI веке не только в Европе, но и на арабском Востоке.
Известный советский физик и историк науки С. И. Вавилов
писал: «С помощью этого общедоступного прибора все поняли,
наконец, что такое действительное оптическое изображение
предметов, и убедились в его существовании. До камеры изображение
знали только в глазу и на картинах, создаваемых рукой
художника. Камера решительно отделила свет от зрения, ...оптика
(в точном значении слова — наука о зрении) перестала быть
таковой и превратилась в учение о свете».
Можно дополнить мысль Вавилова: исследуя камеру-обскуру,
ученые окончательно расстались с распространенной в древности
идеей о светоносных лучах, исходящих из наших глаз.
В крохотное отверстие черной стенки попадали солнечные
лучи, отражаемые предметами и людьми. Солнечный свет, оттолк-

нувшись от яркой шапочки клоуна, врывался в отверстие камеры
и освещал нижнюю половину пергамента; лучи, отраженные
от ног клоуна, падали на верхнюю часть полупрозрачной стенки
камеры, создавая перевернутое изображение клоуна.
ВСМАТРИВАЯСЬ
В ГЛАЗ
Разбирая устройство камеры-обскуры, Леонардо да Винчи
пришел к выводу: «То же происходит и внутри глаза!»
Великий художник и ученый научился анатомировать глаз,
сумел установить, что основные части глаза человека —
радужная оболочка, хрусталик, сетчатка, зрительный нерв.
Сохранились рисунки Леонардо да Винчи, изображающие устройство
глаза. На одном из них лучи попадают в глаз через маленькое
отверстие, роль которого играет зрачок, и глаз, как камера-
обскура, окружен светонепроницаемыми стенками. Хрусталик
глаза представляет собой прозрачную сферу, переворачивающую
световые лучи. В этом Леонардо да Винчи ошибался.
Один из изобретателей XVI века догадался вставить в
отверстие камеры-обскуры двояковыпуклую собирающую линзу.
Улучшились «изобразительные» возможности камеры, усилилось
ее сходство с человеческим глазом.
Медленно, но настойчиво раскрывали ученые тайны одного
из самых совершенных оптических инструментов природы —
человеческого глаза.
Знаменитый астроном Иоганн Кеплер приспособил камеру-
обскуру для наблюдения солнечного затмения, много
экспериментировал с нею и сумел построить точную оптическую схему
глаза, наиболее верно описал ход лучей внутри него. Он высказал
правильное предположение: лучи, собранные хрусталиком, дают
на светочувствительной сетчатке глаза, как в камере-обскуре,
перевернутое изображение.
Исследования физиков и врачей XX века показали, что это
соответствует истине: мозг, а не глаз меняет «низ» с «верхом»
еще раз, облегчая нашу ориентацию в окружающем мире.
Доказано это было оригинально и просто: сами
экспериментаторы, а затем и добровольцы-пациенты рискнули надеть очки,
переворачивающие изображение. Сначала пациенты все видели
перевернутым, но через несколько дней мозг все поставил на
место — и окружающий мир для них вновь «встал на ноги»...
Так проходят
световые лучи внутри
человеческого глаза.
Схема Кеплера (слева)
и Леонардо да Винчи
(справа).

После открытий Кеплера пройдет немного времени, и ученые,
тщательно изучив отдельные части глаза, придут к выводу, что
каждый слой недаром отличается по оптическим свойствам от
соседних. Глаз — сложный составной оптический прибор, в
котором недостатки одной линзы исправляет следующая за ней.
Исследователи задумались: может быть, пора начать
копировать природу и конструировать оптические инструменты по образу
и подобию тех, которые уже созданы живыми организмами?
Один из исследователей — Д. Грегори писал еще в 1695 году:
«Было бы, вероятно, полезно составить объектив зрительной
трубы из различных сред, как это устроено в глазу природой, которая
ничего не делает зря».
Схема глаза человека
по современным
представлениям.
Наука заимствования технических изобретений у природы,
получившая в наши дни название «бионика», возникла, по
меньшей мере, еще в конце XVII века. Справедливы слова: все
новое — хорошо забытое старое...
Оптика в конце XVII — начале XVIII века действительно
стояла перед трудной задачей создания оптических систем, не
искажающих изображение предмета.
Мореплаватели просили у оптиков все более совершенные
подзорные трубы, астрономы — лучшие телескопы. Эти приборы
были изобретены в начале XVII века, а путь к ним, усеянный
ошибками и счастливыми догадками, начался еще до новой эры.
ПОДНИМЕМ ПРЕДМЕТ...
НЕ ПРИКАСАЯСЬ
К НЕМУ
Сделаем простой и эффектный оптический опыт. Положим
на дно пустого стеклянного стакана металлическое кольцо или
монету и поставим стакан так, чтобы его край мешал нам видеть
их сверху. Начнем наливать в стакан воду. Мы с удивлением
обнаружим, что кольцо или монета начнут появляться из-за края
стакана. Трудно удержаться, чтобы не посмотреть на стакан
сбоку: нет, кольцо или монета по-прежнему спокойно лежат
на дне, а ведь нам казалось, что они всплывают. Всплывают,
повинуясь таинственному оптическому закону преломления света.
Только что рассказанный опыт впервые описал великий
геометр Евклид в III веке до нашей эры.
Размышляли об искажении пути световых лучей при переходе

из воздуха в воду, из воды в стекло (и наоборот) и другие
крупные ученые древности — Аристотель, Птолемей, Клеомед. Они
первыми начали изучать отражение и преломление лучей на
границе двух оптических сред.
Птолемей даже измерил, как отклоняется световой луч от
первоначального пути при переходе из воздуха в воду, с помощью
опущенного в воду диска с делениями и подвижными линейками,
вращающимися вокруг центра диска. По данным Птолемея, если
падающий луч отклоняется в воздухе от вертикали на 50 градусов,
то угол между вертикалью к поверхности раздела двух сред и
преломленным лучом в воде составляет 35 градусов.
Измерения, сделанные в наше время, через 18 веков после
исследований Птолемея, дали для преломленного луча цифру
34 градуса и 3 минуты. Неплохой точности измерений достигли
древнегреческие ученые!
Еще до нашей эры был установлен закон отражения от
зеркальной поверхности: угол падения равен углу отражения
(оба угла отсчитываются от вертикали к поверхности). Этому
закону подчиняются любые зеркала: металлические и стеклянные,
плоские, выпуклые и вогнутые. С помощью этого закона, впервые
сформулированного в труде Евклида «Катоптрика» (от
греческого слова «катоптрон» — зеркало), ученые научились рассчитывать
форму и размер изображений в зеркалах, определять фокус
вогнутых зеркал — жаркую точку, где сходятся отраженные
таким зеркалом солнечные лучи.
Древнегреческие исследователи природы доказали, что при
переходе из менее плотной среды (воздуха) в более плотную
(стекло, воду) световой луч отклоняется от вертикали к
поверхности раздела двух сред на меньший угол, чем луч падающий.
Они понимали, что уловленную ими закономерность можно
выразить в виде четко сформулированного простого закона, но
сделать это удалось лишь в первой половине XVII века Виллебро-
ду, Снеллиусу и Рене Декарту.
Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости
для всех углов падения. Отношение синуса угла падения к синусу
угла преломления есть величина постоянная и равная показателю
преломления одной среды по отношению к другой. Например,
относительно воздуха вода имеет показатель преломления — 1,33,
а кварцевое стекло — 1,52.
Прошло еще полвека, и ученые открыли, что явление
преломления света связано с изменением скорости света при переходе
из одной среды в другую.
Показатель преломления больше единицы означает, что луч
света, попадая в более плотную среду, немного замедляет свой
стремительный бег.
Почему уменьшение скорости приводит к изменению
направления лучей?
На первый взгляд это не кажется очевидным, и на помощь
полезно призвать образное сравнение. Например, с автомобилем,
прямолинейный путь которого, как свидетельствует печальный
опыт некоторых водителей, заметно искажается при резком
торможении на скользкой дороге...
Или часто приводимая аналогия с отрядом солдат, идущих
по ровной гладкой дороге, после которой (под большим углом
к дороге) внезапно начинается рыхлое поле. Солдаты,
вступившие на поле, естественно, замедляют ход, и те, кто еще идет по
ровной дороге, начинают их догонять. Затем и они вступят на
поле, скорость всех снова сравняется, но идти вся колонна
будет уже немного отклонившись от первоначального
направления.
Беседующие философы.
Фрагмент картины
Пьеро Франчески,
написанной
в XV столетии.

Как говорил в своей речи при получении Нобелевской премии
в 1933 году известный физик Э. Шредингер, описывая движение
светового луча в среде с переменной плотностью с помощью того
же примера с отрядом солдат: «...и поворот фронта осуществится
сам собой».
ЕСЛИ БЫ МЫ
ЖИЛИ
ПОД ВОДОЙ...
Таинственный мир
подводных
бликов и теней,
серебристый отблеск
волн
обязаны своим
возникновением
оптическим свойствам
воды
и необычному
поведению
солнечного света,
безуспешно
пытающегося
вырваться обратно
из глубин
морского царства.
Преломление лучей на границе двух прозрачных сред
полностью обратимо: когда луч переходит из более плотной среды,
например воды, льда, стекла, в менее плотную, в воздух, то он
сильнее отклонится от вертикали, чем первоначальный луч.
Вы догадываетесь, что здесь скрывается одна очень
интересная техническая возможность, которую только во второй
половине XX века научились по-настоящему использовать.
Если луч из стекла в воздух направлять под все большим углом
к вертикали, то можно наконец добиться такого положения, что
преломленный луч сначала заскользит вдоль поверхности
раздела, а затем и вовсе останется в стекле, начнет отражаться
обратно.
То же самое произойдет при переходе луча из стекла с
высоким показателем преломления в стекло с низким показателем
преломления.
Явление полного отражения лучей от границы двух
прозрачных сред сначала воспринималось просто как забавный
оптический парадокс. Ведь мы привыкли к тому, что сильно отражать
свет могут только хорошо отполированные металлы и блестящие
пленки, например, алюминия или серебра. И вдруг, соединив
два прозрачных стекла, получаем поверхность, которая не на

89%, как алюминий, и не на 94%, как серебро, а на все 100%
отражает солнечные лучи!
С этим оптическим явлением можно познакомиться не только
в физической лаборатории.
Для этого достаточно... нырнуть в морскую или речную воду
(лучше в летний солнечный день), открыть под водой глаза и
посмотреть из воды наверх — на зыбкую, волнующуюся водную
поверхность. Мы увидим серебристые блики, которые на
некотором расстоянии от нас сольются в переливающийся блестящий
слой, будто к поверхности воды над нами кто-то прислонил
серебряное зеркало.
Древнеримский ученый Плиний в своей «Естественной
истории», написанной девятнадцать веков тому назад, рассказывает,
что ловцы жемчуга, которым мешали серебристые блики,
набирали перед погружением в рот оливковое масло и на дне
выпускали его изо рта. Пленка масла растекалась по поверхности моря,
яркость бликов резко уменьшалась, и ныряльщики гораздо лучше
видели все, что лежит на дне моря.
Сейчас мы можем объяснить эту интуитивную техническую
находку с научной точки зрения: показатель преломления
оливкового масла больше показателя преломления воды, а при переходе
лучей из менее плотной среды в более плотную полного
отражения света не происходит даже при очень больших углах падения
света. Обычное же отражение от границы вода — воздух или
вода — оливковое масло совсем невелико, не больше 3 — 4%.
НЕПРОЗРАЧНОЕ ЗЕРКАЛО.
ИЗ ДВУХ ПРОЗРАЧНЫХ
СТЕКОЛ
Вероятно, трудно установить, в какой стране и в каком году
в середине нашего изобретательного века умелец-стеклодув с
волшебными руками впервые сумел вытянуть тончайшую нить из
тяжелого стекла с большим показателем преломления,
окруженную вплотную прилегающей трубочкой из стекла с низким
показателем преломления. Наверное, еще сложнее выяснить, кто
первый решил направить вдоль окольцованной стеклянной нити
луч света, вернее, лучик света, похожий на крохотную иголочку
портного из страны Лилипутии.
Ученые измерили яркость света до и после пробега по
стеклянному светопроводу: она практически не изменилась. Световой
луч испытал на границе нити с трубочкой полное отражение и,
несколько раз оттолкнувшись от стенок нити, беспрепятственно
достиг конечной цели.
В научных журналах замелькали сообщения об удивительных
стеклянных проводах. Появилось новое научное направление,
получившее название «волоконной оптики». Спрос на волокна —
световоды возрастал с каждым днем. С их помощью,
например, удалось осветить погруженную в темноту внутреннюю
поверхность желудка больных язвенной болезнью и затем
вывести отраженные лучи обратно к микроскопу, дав возможность
врачам установить характер заболевания, узнать точное
местоположение язвы.
На больших оптических заводах научились делать совершенно
прозрачные кварцевые световоды длиной в несколько
десятков километров, и сейчас ученые работают над созданием линий
телефонной и телеграфной связи на световодах.
Лучи света понесут вскоре по стеклянным проводам звуки
человеческого голоса и сообщения телеграфных агентств. Такой

связи не будут грозить никакие помехи, не страшна будет сырость
подземных ходов. Скоро окажутся ненужными многие километры
тяжелых и дорогих электрических проводов из меди.
А началось все, казалось бы, с далекого от практики, чисто
научного исследования преломления света на границе стеклянной
пластины и воздуха...
Полное отражение в прозрачном стеклопроводе легко
показать на уроке. На высокий стол надо поставить наполненную
водой большую стеклянную бутыль со стеклянным краном снизу
или просто с тонким отверстием в боковой стенке, закрытым
пробкой. Сбоку бутыль лучше подсветить яркой лампой,
закрытой красным светофильтром, а свет в помещении потушить.
Если открыть пробку, то из отверстия в подставленный снизу
сосуд польется струя совершенно красной воды. Лучи красного
света будут бежать внутри струи, отталкиваясь от ее границы с
воздухом, имеющим меньший показатель преломления.
Красные лучи будут загибаться вместе с падающей струей
воды — совсем как в стекловолокне, которое можно скручивать,
поворачивать и завязывать узлом, не вредя и не мешая передаче
светового изображения.
В этом опыте красный луч легко заменить на любой другой.
Перед лампой вместо красного светофильтра ставится, например,
зеленый или синий — и цвет льющейся воды послушно
изменяется.
А что, если один цвет заменить разноцветной радугой?
Светофильтр в этом случае использовать нельзя, ведь он представляет
собой пластинку из окрашенного стекла, пропускающую лучи
определенного цвета и поглощающую (или отражающую) все
остальные.
РАСЩЕПЛЕННЫЙ
СВЕТ
Радугу в комнате получают при помощи призмы —
стеклянного бруска треугольного сечения.
Именно опыт с призмой позволил Исааку Ньютону заключить
в «Лекциях по оптике» в 1669 году и в мемуаре (так называли
в старину небольшие научные статьи и книги) «Новая теория
света и цветов», написанном в 1672 году: «Световые лучи
различаются в их способности показывать ту или иную особую окраску,
точно так же, как они различаются по степени преломляемости.
...Свойственные какому-либо роду лучей, они не могут быть
изменены ни преломлением, ни какой-либо иной причиной...
Поэтому мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные
и простые, другие же сложенные из них... В этом причина того,
почему свет обыкновенно имеет белую окраску; ибо свет —
запутанная смесь лучей всех видов и цветов, выбрасываемых из
различных частей светящихся тел».
Ньютон пропускал свет в комнату через маленькое круглое
отверстие в шторе, собирал лучи двояковыпуклой линзой и за
линзой ставил призму тонким концом вниз.
За призмой на противоположной стене комнаты возникала
радуга из лучей семи основных цветов, причем сильнее всего
преломлялся и отклонялся от первоначального пути фиолетовый
луч, затем синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и,
наконец, красный.
На пути каждого из отдельных лучей Ньютон поставил вторую
призму — цвет лучей не изменился. Ньютон собрал все лучи
радуги вместе — вновь возник белый цвет!

Убедительное доказательство того, что в белом цвете
содержатся все цвета радуги...
Сейчас нам кажутся простыми и логичными выводы Ньютона,
а ведь все его предшественники, испытывавшие различные
комбинации из линз и призм, считали, что цвета зарождаются в самих
призмах.
Даже современник и соперник Ньютона, талантливый и
наблюдательный Роберт Гук, думал, что цвета появляются
вследствие возмущения белым светом простого волнового движения в
призме. По мнению Гука, в солнечном луче не могут содержаться
все цвета; ведь это так же странно, писал он, как утверждать, что
«в воздухе органных мехов содержатся все тоны».
Трудно сделать верный и новый шаг в науке! И видимо, еще
Сколько раз
наблюдали люди
радугу на небе
после дождя,
прежде чем ученые
смогли в лаборатории
расщепить свет
Солнца или лампы
на яркие полоски,
доказав,
что белый свет
является смесью
множества отдельных
цветных лучей
с разной
длиной волны!

труднее воспринять новое коллегам ученого, связанным
привычными представлениями о природе явления...
Стеклянные и кварцевые призмы до наших дней преданно
служат физике. Во многих самых современных оптических
приборах всегда находится одна или несколько призм. Особенно
в тех приборах, с помощью которых ученые исследуют излучение
Солнца и далеких звезд, изучают спектральный состав лучей,
испускаемых разнообразными источниками света, такими, как
вольфрамовые, ртутные, ксеноновые лампы.
Незаменимы призмы и в тех случаях, когда необходимо узнать
спектральный состав света, отражаемого или поглощаемого
тканями, листьями, металлами, всеми многочисленными
поверхностями, окружающими нас в жизни.
Опыты Ньютона не только положили начало большим
направлениям современной оптики. Они привели самого Ньютона и его
последователей к грустному выводу: в сложных приборах с
большим количеством линз и призм обязательно происходит
разложение белого света на его красивые цветные составляющие, и всякое
оптическое изображение будет сопровождаться пестрой каймой,
искажающей представление о рассматриваемом предмете.
Предвидение оправдалось на практике: наблюдениям через
подзорные трубы, микроскопы и телескопы из нескольких линз
всегда мешали цветные блики и полосы. Явление получило
название «хроматической аберрации», и сам Ньютон настолько не
верил в возможность избавиться от него, что занялся
конструированием отражательного телескопа, в котором вместо линз
использовались металлические вогнутые зеркала, собирающие
свет.
Ньютон разработал несколько конструкций такого телескопа.
В одной из них наблюдение за звездами проводилось через
боковое отверстие основного корпуса: плоское зеркало,
установленное под углом 45° к оптической оси, выводило к наблюдателю
лучи, собранные в фокусе большого вогнутого металлического
зеркала.
За создание оригинальной конструкции телескопа Исаак
Ньютон был в 1671 году избран членом научного Королевского
общества. Эта работа Ньютона казалась его коллегам
бесспорной...
ЛОВУШКА
ДЛЯ
ЛУЧЕЙ
Однако другие ученые все же продолжали попытки создать
неискажающую оптическую систему из прозрачных материалов.
Расчеты выдающегося математика Леонарда Эйлера,
исследования строения человеческого глаза, бесчисленные
эксперименты в университетских лабораториях и оптических мастерских
привели наконец к успеху. Английский оптик Джон Долланд,
соединив несколько слоев стекла с различными,
уравновешивающими друг друга показателями преломления, создал
ахроматические линзы и подзорные трубы с четкими изображениями
удаленных предметов, вокруг которых уже не было искажающей
цветной каймы.
Каждый слой стекла в составной линзе выполнял строго
определенную роль: если один слой сильно преломлял лучи, давая в
фокусе размытое цветное изображение, то следующий за ним —
рассеивал цветные лучи, разводил их, воссоздавая неискаженное
изображение, а еще один, третий слой посылал к наблюдателю

удобный для рассмотрения пучок строго параллельных
лучей.
Мореплаватели и астрономы получили оптические
инструменты, еще ближе придвигавшие к пытливому человеческому
глазу необитаемые острова и далекие звездные миры.
Оптики начали создавать все более сложные микроскопы,
позволившие увидеть крохотных жителей микромира,
населяющих его бесчисленных мельчайших существ, обитающих в
воде и в воздухе. Ведь с тех пор как Антони Левенгук в середине
XVII века с помощью линзы диаметром 1—2 мм впервые
разглядел микроорганизмы, невидимые для невооруженного глаза,
ученых не оставляло желание познакомиться с жизнью наших
незаметных соседей...
Чем тщательнее изучают историки науки труды Ньютона,
тем больше они находят свидетельств об исследованиях,
продолжение и развитие которых много лет спустя позволило другим
Ньютон провел
остроумный
и простой опыт,
заставив
световые лучи,
попавшие
в клиновидный
воздушный зазор
между двумя стеклами,
образовывать темные
и светлые кольца.
ученым прийти к поразительным открытиям. Недаром академик
С. И. Вавилов считал необходимым даже в 40-х годах XX века
перевести написанные по-латыни «Лекции об оптике» Ньютона
на русский язык.
Просто и точно поставил Ньютон опыт по наблюдению
взаимодействия, или, как говорят оптики, интерференции
световых лучей между собой.
Еще в древности наблюдения за поведением света говорили
об обратном: два световых луча, пересекаясь, продолжают идти
своей дорогой дальше как ни в чем не бывало. Такие наблюдения
лишь усиливали веру в бестелесность, нематериальность света.
Но всегда ли световые лучи не замечают друг друга?
Ньютон создал клиновидный воздушный зазор, положив
тонкую линзу (выпуклой поверхностью вниз) на плоскую
стеклянную пластинку, и осветил зазор сначала белым светом,
а затем по очереди всеми основными цветными лучами. В
условиях, искусно созданных Ньютоном, лучи, отражаясь от
стеклянных границ воздушного клина, явно взаимодействовали между
собой: при освещении белым светом в зазоре появились
чередующиеся цветные и радужные кольца. При пропускании через зазор

цветных лучей, предварительно полученных с помощью призмы,
в нем возникали светлые и темные кольца.
Появление цветных колец и полос в тонких слоях окислов
Свет от раскаленного
стержня,
отраженный зеркалами
сложного
оптического прибора,
проходит
многочисленные линзы,
призмы,
дифракционные
решетки, и
в конце концов
тоже разделяется
на цветные полоски.
металлов или в пленках нефти, разлитых на поверхности воды,
конечно, замечали многие до Ньютона. Описывал это явление,
например, и Роберт Гук, но лишь Ньютон поставил научный
эксперимент, позволивший ему измерить и выразить в цифрах
связь между диаметром цветных колец и толщиной слоя пленки
или воздушного зазора в этом месте.
Выполнил Ньютон и опыты по количественному измерению
явлений, происходящих при дифракции света. Так назвал
профессор иезуитской коллегии в Болонье Франческо Гримальди
явление огибания светом непрозрачных препятствий.
В нашей повседневной жизни мы редко замечаем это свойство
света. Хотя свет уличных фонарей, проходящий через
полупрозрачную тюлевую занавеску, иногда расплывается в наших
глазах в пятно, окаймленное цветными кольцами, а излучение
настольной лампы, наблюдаемое через узкую щель между двумя
пальцами, состоит из светлых и темных полос... Но мало кто
знает, что это и есть проявления дифракции.
Ньютон пропустил свет через очень тонкое отверстие
(диаметром 0,6 мм) и в полученном слегка расходящемся конусе лучей
поставил волос толщиной всего в 90 микрон! Волос отбрасывал на
стену тень с нерезкими краями, окаймленную цветными
полосами, причем размеры тени и полос не менялись при замене волоса
проволокой той же толщины.
Ньютон оставил эти эксперименты без обычных для него
детальных выводов, видимо понимая, что здесь скрываются
явления, требующие дополнительных исследований, которые он
не мог провести.
Лишь в XIX веке в науку придут два выдающихся
исследователя и достроят заложенное Ньютоном здание классической
оптики.

НАЧАЛО
БЕСКОНЕЧНОЙ
ДОРОГИ
Они были очень непохожи — англичанин Томас Юнг и
француз Огюстен Френель.
Разносторонний ученый, светский человек, врач, гимнаст и
музыкант Юнг и дорожный инженер, сравнительно поздно
начавший интересоваться наукой, Френель.
«Добрый гений» Френеля академик Франсуа Араго, вовремя
заметивший выдающийся талант ученого и всю жизнь
помогавший ему, тем не менее писал в своих записках-воспоминаниях:
«Огюстен Френель учился так медленно, что восьми лет едва
умел читать... Он никогда не чувствовал склонности к изучению
языков, не любил знаний, основанных на одной памяти, и
запоминал то, что было доказано ясно и убедительно».
Биографы же Юнга рассказывают о показательном случае,
когда его в 14 лет попросили написать несколько фраз
по-английски, чтобы проверить, умеет ли он хорошо писать. Юноша пробыл
в комнате для испытаний немного дольше обычного. Новый
учитель Юнга уже стал смеяться над неумением своего ученика,
когда вышедший из соседней комнаты Юнг протянул ему листок,
на котором заданные фразы были не только переписаны, но и
переведены на девять (!) разных языков.
Объединяла обоих ученых любовь к оптике. Оба были
благородными людьми, страстно стремились к выяснению истины и не
спорили о приоритете. «Мне противна оспариваемая слава,—
писал Френель в письмах к брату в 1816 году,—...я
почувствовал, что на упрек в плагиате надо отвечать новыми
открытиями».
В первой же своей работе по оптике Томас Юнг убедительно
доказал, что хрусталик человеческого глаза представляет собой
линзу с переменной кривизной. Особые мускулы растягивают
и сжимают хрусталик, позволяя получать на сетчатке глаза резкое
изображение как удаленных, так и близких предметов.
Юнг выполнил это оптико-медицинское исследование, когда
ему было всего 20 лет, и Королевское научное общество избрало
его своим членом.
Следуя прекрасной традиции оптиков прошлого, Томас Юнг
в совершенстве овладел искусством точного физического
эксперимента, однако прибегал к нему не всегда: так, например, опыты
Ньютона он не повторял, считая их безупречными, а просто
использовал количественные соотношения Ньютона для расчета
длины волны световых лучей.
Юнг считал, что свет — это волнообразное движение особого
вещества, эфира, между источником света и наблюдателем,
подобное ряби на поверхности моря. Лучи разного цвета
отличаются длиной волны, кратчайшими расстояниями между двумя
соседними всплесками или впадинами волн.
Расчет Юнга исходил из сделанного им ясного научного
анализа, объяснившего наконец, как создаются условия, в
которых происходит интерференция света, почему лучи, до сих пор не
обращавшие внимания друг на друга, начинают
взаимодействовать.
Вот что писал Юнг в «Курсе лекций по натуральной
философии»: «Для того, чтобы действия двух потоков света могли таким
образом сложиться, необходимо, чтобы они были порождены
одним источником и чтобы они достигали одной точки разными
путями по направлениям, не сильно различающимся друг от
друга. Это различие в путях может получаться с помощью дифрак-

ции, отражения, преломления, либо с помощью любой
комбинации этих явлений».
Вы помните, еще Ньютон говорил, что «свет — запутанная
смесь лучей всех видов и цветов»?
Юнг понял, что взаимодействовать между собой могут только
очень похожие лучи с близкой длиной волны и почти одинаковым
размахом колебаний.
«ВЕДЬ ВСЕ ВЗРОСЛЫЕ
БЫЛИ КОГДА-ТО
ДЕТЬМИ»
Два крохотных
отверстия в шторке,
поставленной
на пути лучей,
позволяют заменить
стекла в опытах
по интерференции
света.
Как же из «запутанной смеси» отобрать лучи одного сорта?
Самый простой способ выполнить эту точнейшую оптическую
процедуру — выделить один луч, который, отразившись от
какого-либо препятствия, будет взаимодействовать фактически сам с
собой.
Существует рассказ, что Юнг разгадал причину
интерференции, вспомнив радужные переливчатые мыльные пузыри,
которые все так любят в детстве. Это вполне естественно, потому
что детские впечатления — самые сильные. Недаром прекрасный
французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери говорил, что
мы родом из детства... «Ведь все взрослые были когда-то детьми,
только мало кто из них об этом помнит»,— писал он в
предисловии к одной из своих книг.
Тонкая мыльная пленка «отбирает» из множества лучей
только те, которые имеют длину волны, в небольшое число раз
превышающую ее толщину. Эти лучи как бы попадают в ловушку и,
многократно отражаясь от «стенок» пленки, от ее границ с
воздухом, бегут вдоль пленки, постепенно затухая. При этом
отраженные от стенок лучи взаимодействуют между собой и с новыми
лучами, падающими на красочный мыльный шар.
Все эти лучи, как скажут физики второй половины XX века,
«когерентны», очень похожи, что позволяет им легко отличать
друг друга от остальных лучей, «замечать» друг друга.
Там, где всплеск волны одного луча придется на впадину
другого, лучи гасят друг друга, образуя черные полосы.
Когда впадины или всплески двух лучей совпадают,
интенсивность света увеличивается, возникают яркие белые или цветные
полосы, как это и происходило в тонком воздушном клиновидном
зазоре в опыте Ньютона. Переливы цветов в мыльной пленке
теперь становились совершенно понятными. Там, где пленка
была тонкой, усиливались видимые лучи с малой длиной волны —
фиолетовые, синие; где толщина ее становилась больше —
появлялась желтая, оранжевая, красная окраска.
Томас Юнг придумал свой, еще более простой, чем у Ньютона,
способ наблюдать интерференцию: солнечный свет падал на
штору, в которой делались два булавочных прокола рядом друг с
другом; на белом экране, расположенном в нескольких метрах от
шторы, появлялась яркая интерференционная картина из
чередующихся темных, белых и цветных полос.
Тонкие отверстия отбирали из света лучи с близкими
длинами волн, которые распространялись слегка расходящимися
конусами из обоих булавочных проколов и в нескольких метрах от
шторы начинали пересекаться и взаимодействовать.
Опыт Юнга легко повторить самим, причем его можно немного
видоизменить: взять яркую настольную лампу — источник света,
за ней поставить составную линзу, после которой лучи в потоке
света станут параллельными друг другу, а вместо шторы использо-

вать закопченное стекло. С помощью двух острых бритв,
сложенных вместе, в слое сажи надо сделать два тонких просвета,
расположенных рядом,— и оборудование для оптических
экспериментов готово.
Огюстен Френель предложил для создания
интерференционной картины направлять солнечный свет на экран с помощью
двух зеркал, установленных под небольшим углом друг к другу.
Известный ученый и педагог нашего времени, автор очень
живо написанных университетских учебников по физике, Роберт
Поль считает, что в большой аудитории интерференцию легче
демонстрировать, направив свет на тонкую слюдяную пластинку,
в которой лучи взаимодействуют так же, как в мыльной или
нефтяной пленке на поверхности воды; отраженный пластинкой
свет попадает на большой экран (стоящий на расстоянии
10—15 метров сзади лампы), где хорошо видны
интерференционные полосы.
Значения длин волн, найденные Томасом Юнгом, совпали с
результатами Ньютона и полностью подтвердились современными
измерениями.
Радуга цветных полос видимых лучей солнечного спектра
занимает интервал длин волн от 0,4 до 0,75 микрон (напомним,
что микрон — одна тысячная доля миллиметра). Фиолетовому,
наиболее сильно преломляемому цвету, соответствует длина
волны 0,4 микрона; красному, слабо преломляемому,—0,75
микрона.
Для запоминания основных цветов, на которые распадается
белый солнечный свет, пройдя призму, существует известная
поговорка, знакомая с детства: «Каждый охотник желает знать,
где сидит фазан». Первые буквы этих слов обозначают цвета
спектра в направлении от длинных волн к коротким: красный,
оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
В современной
лаборатории цветные
кольца Ньютона
можно получить
на большом
белом экране.

ПРОДОЛЖЕНИЕ
ПОЛЕЗНЫХ
СПОРОВ
Изучая
чувствительность глаза,
измеряя спектры
излучения
Солнца и ламп,
исследуя состав
отраженного Луной
солнечного света,
ученые раскрывают
оптические
секреты природы.
Из представлений о свете как о волновом движении эфира
исходил и Огюстен Френель. Первое время он работал в сельской
глуши и, совершенно не подозревая об опытах Юнга, повторил
их. Френель объяснял явление огибания светом препятствий так
же, как и Юнг, продолжив исследования, начатые Ньютоном.
Затем, уже работая в Париже, Френель получил
математические уравнения, точно описывающие оптические процессы,
происходящие на границе двух различных оптических сред.
Выведенные Френелем простые формулы для определения
коэффициента отражения от прозрачных диэлектриков до сих
пор широко используются оптиками.
Рассматривая свое отражение в воде, щурясь от бликов
солнечного света, разлетающихся от весенних луж на асфальте,
поворачивая разными гранями кусочек стекла, слюды,
пластмассы, мы, конечно, не думаем о том, что еще в начале прошлого века
все эти неуловимые, тонкие, поэтические явления природы были
облечены Огюстеном Френелем в строгие законы и формулы.
Если бы кто-нибудь сумел подсчитать, как часто применяются
в оптических работах различные формулы, то формулы
Френеля, несомненно, заняли бы в этом списке первое место.
Вместе с Араго Френель подробно исследовал поведение
света в прозрачных кристаллах.
Однажды, после доклада Френеля на заседании Французской
Академии наук об огибании светом препятствий, знаменитый
физик и математик Пуассон, которому волновая теория света
казалась неубедительной, заявил, что если Френель прав, то в
центре тени, образованной на экране, отстоящем от круглого
непрозрачного предмета на достаточном расстоянии, должно
наблюдаться светлое пятно.
Френель, ранее не замечавший этого пятна, немедленно поста-

вил опыт, доказавший, что светлое пятно действительно
существует, и доложил об этом на следующем заседании Академии!
В своих представлениях о природе света Юнг и Френель были
последователями замечательного голландского ученого
Христиана Гюйгенса, который считал, что «...свет заключается в
движении вещества, которое находится между нами и светящимся
телом».
В «Трактате о свете», опубликованном в 1690 году, Гюйгенс
писал: «...когда мы видим светящийся предмет, это не может
происходить вследствие переноса материи, которая доходит до нас от
этого предмета наподобие пули или стрелы, пересекающей
воздух, ...привести нас к пониманию способа распространения света
может то, что нам известно о распространении звука в воздухе».
Волновые представления Гюйгенса часто противопоставляют
взглядам Ньютона, писавшего о частицах, или, как он их
называл, «корпускулах», света. Это не совсем справедливо, особенно
в отношении Ньютона, который всегда высказывался осторожно
о природе явлений, предпочитая говорить только о твердо
установленных физических фактах.
Вот типичная для Ньютона сдержанная фраза: «Справедливо,
что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю
это без всякой абсолютной определенности...»
ПОВОРОТЫ
НА ПУТИ
К ИСТИНЕ
На протяжении последних трехсот лет с начала первых
строго научных оптических экспериментов ученые различными
путями, часто ошибаясь и отступая, шли к пониманию того, что такое
свет. Свет так разнообразен в своих проявлениях, что для
объяснения почти каждого нового его свойства, обнаруженного
наукой, приходилось привлекать то представление о свете как о
потоке частиц, то идею о волнах в прозрачном всемирном эфире.
Корпускулы Ньютона хорошо объясняли прямолинейность
распространения света и его тепловое действие.
Волны Гюйгенса оказались удобными при анализе явлений
взаимодействия света и огибания им маленьких непрозрачных
предметов.
Преломление света тоже очень удачно «вписывалось» в теорию
Гюйгенса, дополненную трудами Френеля.
Световая волна от источника излучения, похожая на растущий
в размерах воздушный шарик, достигала границы раздела двух
прозрачных сред, и в каждой точке пересечения возникала
вторичная сферическая волна. Огибающая или касательная всех
вторичных волн определяла новое направление волны,
преломленной в веществе.
Из теории Гюйгенса—Френеля вытекало, что скорость света
в более плотном веществе должна быть меньше, чем в воздухе.
Ньютон же считал, что световые корпускулы сильнее
«притягиваются» частицами воды или стекла, чем частицами воздуха, и
скорость света возрастает при переходе из воздуха в более
тяжелую среду.
Измерения скорости света в различных средах, выполненные
в середине XIX века французскими физиками Физо и Фуко,
показали, что правы Гюйгенс и Френель.
Волновая теория света празднует победу!
В научных статьях томов энциклопедического словаря
Брокгауза и Эфрона, выпущенных в самом конце XIX века, утверж-
Многие научные
гипотезы
устаревают раньше,
чем изнашиваются
красивые
кожаные переплеты
энциклопедических
словарей,
в которых эти гипотезы
описывались
как окончательное,
последнее слово ученых
в какой-либо области
знаний.

дается, что существование всемирного эфира — проводника
световых волн — считается физиками абсолютно доказанным...
Но наука не позволяет многим идеям долго оставаться
незыблемыми.
Обнаруживается фотохимическое действие света, его
способность расщеплять молекулы солей серебра и некоторых других
металлов. Изобретается фотография.
Немецкий физик Генрих Герц и русский профессор А. Г.
Столетов доказывают точными опытами, что свет способен вырвать
из металла неведомые заряженные частицы, которые вскоре
получат название «электронов».
Значит, свет обладает немалой энергией?
Волновая теория не может истолковать новые явления.
Ученые вновь подумывают о корпускулах Ньютона...
Пока оптики-теоретики пытаются создать всеобъемлющую
теорию, объясняющую все обнаруженные свойства света, оптики-
экспериментаторы конструируют новые оптические инструменты
и приборы. Из научных опытов рождаются полезные изобретения.
Истоки многих современных устройств можно найти в
работах основоположников классической оптики.
РУКА ПОМОЩИ,
ПРОТЯНУТАЯ ИЗ...
ДЕВЯТНАДЦАТОГО ВЕКА
Перед Френелем однажды возникла чисто практическая
задача — создать линзу для маяка.
Линза должна собрать лучи, испускаемые лампой маяка
во все стороны, и послать сильный сноп света в одном
направлении. Такая линза была бы огромной, тяжелой и дорогой, да и
вряд ли кто-нибудь из мастеров взялся бы за ее изготовление...
К Френелю пришла счастливая идея: составить линзу из
нескольких призм, склеить линзу! Каждая из призм должна быть
Вверху —
составная линза
Огюстена Френеля,
предназначенная
для маяка.
Справа — современная
полимерная
линза Френеля
с наклонными
бороздками
на поверхности.
Собираемые
плоской линзой
солнечные лучи
позволяют этой девочке
написать свое имя
на дереве
или вывести на нем
красивые узоры.

при этом повернута на определенный угол, ведь чем дальше
она расположена от лампы, тем сильнее нужно преломить
световой луч, чтобы он после линзы шел «прямой дорогой».
Идея осуществилась. Маяки Франции, а затем и всего мира
во много раз увеличили силу своих лучей, направляемых
навстречу кораблям. Многим морякам свет маяков с линзами Френеля
помог найти дорогу домой...
Совсем недавно ученые вспомнили об изобретении Френеля.
Стараясь заменить уголь и нефть, энергетики всего мира
ищут способы, как использовать энергию «вечных» источников —
Солнца, ветра, морских приливов. У солнечного излучения,
пожалуй, лишь один недостаток — оно слишком рассеяно по
поверхности Земли и его нужно собрать, сконцентрировать.
Металлические зеркала, с помощью которых солнечные лучи
обычно фокусируют на тепловом или электрическом
преобразователе, очень быстро портятся от дождя, пыли, влаги.
Стекло, конечно, лучше выдержало бы все невзгоды погоды...
и здесь ученые повторили весь путь рассуждений Френеля.
Различие было небольшим: Френель сумел лучи, посылаемые
из точечного источника света, превратить в пучок параллельных
лучей, а сейчас необходимо параллельные солнечные лучи собрать
в одну точку.
Линзы Френеля прекрасно справились и с этой задачей.
Ученые смогли изготовить линзы Френеля не только из стекла,
но и из прозрачной светостойкой пластмассы.
Эти линзы похожи на долгоиграющие пластинки. Лишь
внимательно приглядевшись, замечаешь на их поверхности
маленькие призмочки, будто процарапанные острой иглой в виде
концентрических кругов.
Впрочем, разглядывать линзы Френеля лучше в пасмурную
погоду: если солнце выглядывает из-за туч, то в горячем фокусном
пятне, расположенном примерно в одном метре от линзы,
мгновенно вспыхивает ткань, сухая трава, бумага...
ПЛОДЫ
ЗАБОТЛИВО ПОСАЖЕННЫХ
СЕМЯН
Томас Юнг занялся разгадкой явления интерференции,
привлеченный красочностью переливов света в тончайших
мыльных и нефтяных пленках, в слюдяных и перламутровых
пластинках.
Ему, вероятно, было бы трудно себе представить, что его
потомки будут не только любоваться интерференцией тонких
пленок, но и использовать ее в различных целях.
Из расчетов и опытов Юнга можно было сделать вывод, что в
тех местах, где наблюдается черная полоса в картине
интерференции, падающий луч определенной длины волны гасится лучом,
отразившимся от внутренних границ пленки; прошедший же
сквозь пленку луч усиливается за счет взаимодействия с лучами
внутри пленки.
На это последнее обстоятельство не обращали внимания,
видимо, более 100 лет.
И только в середине XX века ученые поняли, что, нанеся
тончайшую интерференционную пленку на поверхность стекла
или любого другого прозрачного вещества, можно значительно
увеличить пропускание света этими материалами.
Процесс получил название «просветление оптики».

Тончайшие
интерференционные
пленки могут
пропустить
внутрь кристалла
или прибора лучи
необходимых длин
волн,
окрасив отраженный
свет в яркие цвета.
Линзы биноклей
с их помощью
просветляются,
становятся гораздо
Каждая даже самая прозрачная линза из стекла отражает от
обеих граней 8% света. Но ведь в современных микроскопах,
телескопах, кинокамерах, проекционных аппаратах может быть
до 15—20 таких отражающих поверхностей.
Подсчитайте, как мало света попадало бы, например, на
белый экран в кинотеатре, если бы «просветление оптики» не было
вовремя изобретено!
прозрачнее!
С просветляющими пленками легко познакомиться. Для этого
достаточно посмотреть под небольшим углом на объектив
фотоаппарата. По сине-фиолетовому отблеску стекла можно понять,
что на его поверхность в процессе изготовления была нанесена
тончайшая пленка кремнезема или фторида магния,
пропустившая внутрь фотоаппарата зеленые лучи, к которым больше всего
чувствителен наш глаз, и оставившая в отраженном световом
потоке лишь синие и фиолетовые лучи.
Просветляющие пленки на стекле, конечно, прочнее и
долговечнее мыльных и нефтяных пленок, которым они обязаны
своим появлением на свет. Цвет просветленных стекол не
меняется со временем, не зависит от внешних условий. Зыбкую и
изменчивую интерференцию удалось остановить в самое прекрасное
мгновение!
Не осталось без внимания исследователей и явление
дифракции. Расплывчатая тень от проволоки и волоса в опытах Ньютона
и узкие пучки от двух маленьких отверстий в экспериментах
Юнга были окаймлены цветными полосами и кольцами. Обходя
препятствия, слегка огибая края отверстий, свет разделялся на
различные цвета.
А что, если тонкие щелевидные отверстия чередовать с
узкими непрозрачными полосками?
Если через такую оптическую решетку пропустить свет, а за
решеткой поставить дополнительную линзу, то цветоделитель-
ные свойства дифракции можно использовать для получения
спектров любых источников излучения.

На экране, помещенном за новым оптическим инструментом,
получившим название дифракционной решетки, можно было
наблюдать удивительно яркие и чистые цвета спектра, не
уступавшие полученным с помощью призмы.
Немецкий оптик Иозеф Фраунгофер в начале прошлого века
впервые применил дифракционную решетку для анализа
спектрального состава солнечных лучей. Свою первую оптическую
решетку он сделал, наматывая тончайшую проволочку на два
расположенных рядом винта.
Затем Фраунгофер изготовил более совершенную решетку,
нанося штрихи на золотую пленку, покрывающую стекло.
Дифракционная решетка позволила Фраунгоферу не только
получить спектр Солнца, но и обнаружить на фоне сплошного
солнечного спектра узкие провалы — темные линии, возникшие
из-за поглощения на пути к Земле части света, испускаемого
поверхностью Солнца, возбужденными и ионизированными парами
металлов в его атмосфере.
Вскоре ученые научатся делать решетки, у которых на длине
в один миллиметр умещается более тысячи штрихов!
В историю науки войдут фраунгоферовы линии; оптики наряду
с призмами станут все чаще использовать дифракционные
решетки, а физики, химики и астрономы поймут, что можно,
анализируя спектр излучения раскаленного вещества, узнать его
химический состав, даже если это вещество звезд, удаленных от Земли
на многие миллиарды километров...

Мы представляли себе атомы, частицы,
колебания и волны, которых никогда не
видит глаз, не слышит ухо и которые
можно различить только при помощи
воображения.
ДЖ. ТИНДАЛЬ
Недавно мне показали несколько пожелтевших фотографий.
На одной из них был изображен оперный оркестр в углублении
перед сценой. Взгляды всех музыкантов устремлены на дирижера,
они играют сосредоточенно и вдохновенно. И лишь один из
музыкантов, видимо воспользовавшись паузой в своей партии,
тихо двигает к себе смычком... ботинок ничего не подозревающего
соседа. Я рассмеялся, решив, что это кадр из кинокомедии, и
сразу представил себе торжественный зал, первые такты музыки,
страдающего музыканта, с облегчением снявшего новые
ботинки... и его изумление в конце спектакля: «Неужели придется идти
домой в носках?»
На второй фотографии юноша и девушка, нежно обнявшись,
сидят на скамейке на берегу реки и сосредоточенно смотрят
вдаль. На этом снимке меня удивило лишь темное небо и очень
черная вода реки. «Может быть, надвигается гроза?» —
недоуменно подумал я.
На третьей фотографии был виден зал кинотеатра. Сидящие
в зале глядят на сцену, а двое в задних рядах спокойно спят.
«Не пойму, что общего в этих фотографиях? — спросил я.—
На кадры из одного кинофильма они не похожи...» И услышал в
ответ: «Ну вот, вы тоже не догадались. Фотографии, лежащие
перед вами, объединяет только одно. Все они сняты в темноте.
Фотографии сделаны с помощью невидимых инфракрасных
лучей. Влюбленные на берегу реки, музыканты, зрители, сидящие
в темноте, даже не подозревают, что их в это время освещают
невидимыми инфракрасными лучами и фотографируют...»
КАК
УВИДЕТЬ
НЕВИДИМОЕ?
Физика нашего времени открыла в природе множество
невидимых глазом излучений. Некоторые из них широко
используются в технике, медицине и повседневной жизни — радиоволны,
рентгеновские лучи, ультразвуковые, радиоактивные излучения.
Человек теперь значительно чаще применяет эти лучи, чем
Природа.
Невидимым оптическим лучам не везло. Человек упорно не
хотел их замечать, хотя ими буквально наводнен окружающий
мир.
Солнце посылает на Землю невидимых оптических лучей —
ультрафиолетовых, инфракрасных — больше, чем видимых.
Любое тело, нагретое выше температуры абсолютного нуля (к таким
телам относятся все без исключения тела на Земле!), испускает
во все стороны... невидимые инфракрасные лучи. «Даже кусок
льда — источник света, но света невидимого»,— писал академик
С. И. Вавилов.

К чести ученых следует сказать, что они интуитивно
чувствовали: видимые глазом лучи окружены океаном невидимых
излучений. Знаменитый Тит Лукреций Кар в поэме «О природе вещей»,
созданной в I веке до нашей эры, уже высказывал предположение,
что у Солнца есть множество жарких, сильных и невидимых
лучей...
В другом своем рассуждении Лукреций логично объясняет:
невозможность увидеть невидимое не означает, что его нет,
достаточно знать и видеть хотя бы косвенные следы
существования невидимых частиц или излучений. Поэт и ученый приводит
в подтверждение своей мысли образный пример: наше платье,
Потемневшую
старинную карту
(слева)
удается по-настоящему
разглядеть лишь
после пересъемки
с помощью фотопленок,
чувствительных
к инфракрасным лучам.
Цветные инфракрасные
фотографии,
сделанные с самолета,
позволяют узнать
что растет
на вспаханном поле
и хорошо ли
полита водой
плодородная земля.

пишет он, намокает и затем высыхает на солнце, хотя ничей
глаз не может видеть ни втягиваемых, ни испаряемых частиц
воды.
Даже в наше время очень непросто поставить опыт,
убедительно доказывающий существование невидимых лучей. Хорошо
известно, что от общего излучения лампы накаливания, висящей над
столом, видимые лучи составляют всего несколько процентов, а
все остальные — невидимые. Но как разделить свет лампы на
видимые и невидимые лучи? Надо иметь инфракрасный фильтр,
поглощающий видимые лучи и пропускающий невидимые,
например монокристаллические пластинки кремния или теллурида
кадмия. Мало у кого из читателей дома есть такие пластинки...
Легче поставить опыт с закрытой плиткой, металлическая
поверхность которой изнутри нагревается несколькими
спиралями. Такая плитка согревает все вокруг — и в том числе
окружающий воздух — в основном инфракрасным невидимым излучением.
Для правильного опыта необходимо отделить невидимое
излучение плитки от потока нагретого воздуха. Здесь может помочь
стеклянная пластинка или еще лучше — тонкая полиэтиленовая
пленка, хорошо пропускающая инфракрасные лучи.
Над плиткой на расстоянии двух-трех сантиметров надо
натянуть пленку, которая не пропустит вверх горячий воздух,
согретый плиткой, но ладонь руки, простертая над пленкой, все
же явственно почувствует жар, который донесут до нее
прошедшие сквозь пленку невидимые инфракрасные лучи. Опыт лучше
провести быстро, ведь полиэтиленовая пленка далеко не самый
теплостойкий материал на свете...
Когда же ученые обнаружили, что в излучении Солнца есть
невидимые лучи? Этот исторический опыт был поставлен в
1780 году, более чем на восемнадцать столетий позже
предсказаний Тита Лукреция Кара.
СУДЬБА
ВЕЛИКИХ
ОТКРЫТИЙ
Известный астроном Вильям Гершель решил измерить
количество энергии, которое заключено в отдельных частях
солнечного спектра. Пропустив через отверстие в шторе окна узкий луч
солнечного света и направив его на линзу и треугольную призму,
он получил на столе спектр, состоящий из разноцветных полос
основных цветов, образующих видимый глазом белый солнечный
свет. На столе сиял яркий прямоугольник, с одной стороны
окаймленный фиолетовым цветом, с другой — красным.
Этот опыт делали многие ученые до Гершеля, в том числе
великий Ньютон.
Гершель положил в некоторые участки спектра хорошо
отградуированные термометры. Термометры нагрелись и показали
Астроном немного разную температуру.
Вильям Гершель Но больше других нагрелся термометр, лежавший рядом с
множеств звезд красной полоской света — в темноте!
и туманностей. Гершель несколько раз повторил опыт. Если он сдвигал
термометры в сторону от красных лучей, далеко в темноту, термометр
начинал показывать комнатную температуру; когда термометр
освещали непосредственно красные лучи спектра, его показания
становились значительно меньше тех, которые устанавливались
на его шкале в темноте рядом с красными лучами.
Сомнений быть не могло: в солнечном излучении есть
невидимые лучи, которые преломляются немного хуже, чем красные лу-

чи (значит, у них большая длина волны), и эти лучи несут с собой
заметную, весомую часть энергии Солнца.
Несмотря на всю тщательность описанного опыта и
полученные очевидные результаты, вероятно, все же сама мысль о каких-
то невидимых лучах, падающих на нас непрерывным потоком
вместе с солнечным светом, была столь непривычна, что В. Гер-
шель двадцать лет хранил молчание и опубликовал данные об
открытии им в спектре Солнца инфракрасных лучей (более
«красных», чем сами красные) лишь в 1800 и 1801 годах.
Если бы он промолчал еще несколько лет, то ему уже не
принадлежала бы честь первому открыть невидимые лучи в
спектре Солнца: почти сразу после его публикаций И. В. Риттер
сообщил об обнаружении им слева от цветного полосатого
спектра Солнца невидимых ультрафиолетовых лучей, преломлявшихся
сильнее, чем фиолетовые лучи.
Ультрафиолетовые лучи помогают нам загорать.
Действие ультрафиолетовых лучей становится особенно
заметным, когда оказываешься в горах, где атмосфера гораздо
прозрачнее, чем на равнине, для энергичных невидимых лучей —
более фиолетовых, чем сами фиолетовые лучи.
Поднимаясь в горы все выше и выше, замечаешь, как зеленые
растения будто отступают перед натиском каменных глыб и
песчаных осыпей.
На самом деле им все труднее и труднее справляться с
разрушительным влиянием ультрафиолетового излучения
Солнца...
Ученый секретарь Французской Академии, друг Френеля,
оставивший увлекательные записки-воспоминания о своих
коллегах, академик Франсуа Араго писал еще в конце пятидесятых
годов прошлого столетия о редкой «способности удивляться
кстати», позволяющей людям, осененным этим даром, замечать
невидимое другими.
Конечно, хорошо, когда эти счастливцы делятся своими
наблюдениями и открытиями с остальным человечеством. Ведь не
только странные обстоятельства жизни, но и непонимание
окружающих, соперничество коллег могут помешать этому. Как не
вспомнить при этом печальные слова Ньютона: «...Я убедился,
что либо не следует сообщать ничего нового, либо придется
тратить все силы на защиту своего открытия».
Вильям Г ерше ль сам
шлифовал на станке
стекла для телескопов,
построенных им
в саду дома,
и навсегда остался
в истории физики
как первооткрыватель
инфракрасных лучей.

ВЕРА,
ОСНОВАННАЯ НА...
ИЗМЕРЕНИИ
Способность видеть «невидимое» передалась и сыну
первооткрывателя инфракрасных лучей — Джону Гершелю. Следуя
семейной традиции, он уделял основное время исследованиям
в области астрономии и, конечно, не мог не увлечься изучением
инфракрасных лучей.
Джон Гершель сделал еще один, на первый взгляд
небольшой, но необходимый шаг в познании природы невидимых
лучей — доказал экспериментально, что инфракрасные лучи, так же
как и видимые, содержат набор длин волн, причем лучи с разной
длиной волны несут с собой различное количество энергии.
Повторяя опыт своего отца, Джон Гершель положил в темноту за
красным краем радужного видимого спектра не термометр, а
полоску пористой бумаги, смоченной подкрашенным спиртом.
Спирт испарялся неодинаково в различных местах, и бумага
высыхала неравномерно, что наглядно показывало: инфракрасные
Тепловизор
откликается
не на отраженные,
а на испускаемые
телами и предметами
инфракрасные лучи,
улавливая
разницу температур
в доли градуса
различных участков
поверхности, например
человеческого лица
или работающего
трансформатора.
лучи состоят из набора лучей с разной энергией и разной длиной
волны.
Ученые стали изобретать способы измерения энергии новых
лучей, изучать прозрачность материалов по отношению к
невидимым лучам.
Открытия последовали одно за другим.
Способность тончайшего лепестка платины, покрытого слоем
сажи, проводить электрический ток, как оказалось, сильно
зависит от его температуры, а следовательно, от энергии лучей,
«освещающих» невидимым светом поверхность лепестка.
Хрупкий прибор — болометр, сердцем которого стал лепесток
платины, оказался надежным и чувствительным помощником ученых
в путешествии по невидимым волнам.
Ультрафиолетовые лучи легко обнаруживали себя, если в их
«поле зрения» попадали стеклянные пластинки со слоем
люминофора, состоящего из мелких кристалликов сернистого цинка с
примесями марганца, меди, железа.
Пластинки ярко светились голубым, желтым, красным светом,
казалось бы, без всякой причины в присутствии
ультрафиолетовых лучей!

Ученым хотелось, конечно, не только увидеть невидимые лучи,
но уметь измерить их энергию. Эту мысль точно выразил в своей
книге «Оптические иллюзии» английский ученый-оптик С. Толан-
ский: «Слишком долго говорили: «Увидеть — значит поверить».
Надо это выражение заменить другим: «Измерить — значит
поверить».
Но с чем сравнить измеряемую энергию? Где взять точку
отсчета, эталон сравнения? Как трудно сделать эталон даже такой,
казалось бы, осязаемой и легко наблюдаемой характеристики
тела, как длина. Сколько было преодолено препятствий при
создании эталонного метра... Что же могло служить эталоном при
измерении количества неуловимых лучей? Вероятно, очень черная
поверхность, поглощающая любые оптические лучи, в том числе и
невидимые.
ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ
ДЫРКА
Немецкий физик Г. Кирхгоф предложил: надо считать
примером абсолютно черного тела, испускающего самое большое
количество невидимых лучей, дырку-отверстие в стенке
зачерненного внутри ящика! Г. Кирхгоф впервые доказал, что
способность любого тела испускать как видимые, так и невидимые лучи
полностью определяется тем, какое количество лучей той же
длины волны оно поглощает. Отверстие в стенке ящика
поглощает все падающие на него лучи — и излучать те же лучи (при
нагреве ящика до необходимой температуры) отверстие будет
сильнее, чем любое другое сложное устройство. Есть очень
наглядный опыт, который демонстрируют студентам на
лекциях по оптике в подтверждение только что высказанных
мыслей.
На стенке тонкой полированной платиновой трубки рисуют
краской из окиси железа слабо отражающий красноватый крест.
Рядом с крестом в стенке трубки делают маленькое отверстие.
Трубку нагревают электрическим током, она начинает светиться,
и все убеждаются в том, что слабее всего светятся платиновые
стенки, сильнее — крест из окиси железа, а ярче всего сияет
черное отверстие! В точном соответствии с законом Кирхгофа: чем
меньше отражает тело, тем больше оно поглощает и тем сильнее
излучает...
Используя небольшие печки с черными внутренними
стенками и маленькими круглыми отверстиями как эталоны
невидимого излучения, ученые смогли сравнить источники излучения
друг с другом, определить способность материалов поглощать
невидимые лучи.
Прозрачное стекло оказалось совершенно непрозрачным для
большинства невидимых лучей, а серые непрозрачные кристаллы
полупроводников, таких, например, как кремний и германий,
почти совершенно свободно пропускают невидимые лучи.
Прозрачны для инфракрасных лучей и кристаллы
поваренной соли, из которых в основном стали делать большие
треугольные призмы для инфракрасной оптики. С помощью таких призм
невидимые лучи удается «разложить» по длинам волн, получить
радугу невидимых цветов, успешно повторить с ними опыт,
который Ньютон выполнил с видимыми лучами.
Вот какую важную помощь ученым оказала обычная соль!
Пришлось даже примириться со склонностью поваренной соли
слегка набухать, поглощая влагу воздуха...
Воображение
подсказало художнице
выбор голубого
и черного цвета
для изображения
стеклянных сосудов.
Инфракрасный прибор
использовал бы
только черную краску:
прозрачные
для нашего глаза
стеклянные бутыли
не пропускают
тепловые лучи.

Кристаллы поваренной соли в перерывах между
экспериментами хранят бережнее, чем драгоценные камни,— под
колпачками из стекла, внутри которых помещают вещества, сильно
осушающие воздух.
Поиски новых источников инфракрасного излучения привели
к еще более неожиданным результатам.
НЕВИДИМКИ
РЯДОМ
Ученые с удивлением убедились, что все тела (без
исключения!) испускают невидимые инфракрасные лучи.
Если бы наши глаза видели невидимое, то мы очутились бы в
странном мире светящихся предметов — будто вокруг все время
горит иллюминация.
Невидимые инфракрасные лучи, которые Вильям Гершель
обнаружил в спектре Солнца, оказывается, «живут» и на Земле,
окружая нас в буквальном смысле со всех сторон.
Как это похоже на историю открытия солнечного газа гелия,
который астрономы обнаружили на Солнце, анализируя спектр
излучения согревающей нас звезды во время солнечного
затмения 1868 года. Только через двадцать семь лет химики смогли
найти этот газ на Земле!
Стрелка прибора, измеряющего невидимые лучи, показывает
достаточно сильное тепловое излучение, когда к окошку прибора,
где помещен лепесток платины, подносят... ладонь руки.
Оказывается, любая клеточка поверхности нашего тела
испускает невидимые инфракрасные лучи. И чем быстрее мы
двигаемся, тем больше невидимых лучей излучается с поверхности,
помогая коже охлаждаться и сохранять температуру тела в
разумных, удобных для организма пределах.
Невидимые инфракрасные лучи возникают благодаря
движению молекул и атомов около своего равновесного положения.
Любая молекула делает все время небольшие шажки — вправо,
влево, вверх, вниз — в сторону от своего обычного места,
определяемого химическими связями внутри вещества. Эти движения
могут полностью прекратиться только при абсолютном нуле —
при температуре —273°С, и только тогда исчезнет невидимое
инфракрасное излучение! Но, как следует из третьего начала
термодинамики, это никогда не произойдет...
Нагрев тела приводит к увеличению скорости атомно-молеку-
лярных передвижений; энергия невидимого излучения при этом
начинает резко возрастать.
Мы не раз замечали, включая электрическую плитку или
рефлектор в сеть, как сначала проволочная спираль начинает
испускать невидимые инфракрасные лучи, дающие ощущение
тепла, а затем возникает еще более горячее красное, желтое и,
наконец, ослепительно белое свечение спирали. Это означает,
что спектр лучей, излучаемых телом, по мере нагрева все больше
сдвигается в сторону видимых лучей.
Когда удается разогреть вещество на Земле до температуры
5500—6000°С, например зажигая электрическую дугу в узком
воздушном промежутке между двумя угольными электродами,
то спектр излучения такого источника света почти полностью
повторяет спектр Солнца.
Свет, очень похожий на солнечный, испускают и лампы, где
светится газ, например ксенон, возбужденный быстрыми
разрядами электрического тока.
Лампы-солнца используют для яркого освещения улиц или в

прожекторах, устанавливаемых на маяках. У искусственного
солнца, как у настоящего, много видимых и невидимых лучей.
Если стеклянную оболочку лампы на маяке закрыть черным
фильтром, пропускающим только инфракрасные лучи, то берег и
море будут освещены потоком невидимых лучей. Если на
кораблях установить приборы, превращающие невидимые лучи в
видимые, то корабли смогут «говорить» с берегом на бесшумном и
незаметном языке инфракрасных лучей, и в этот разговор не
смогут вмешаться посторонние. В приборах-преобразователях
невидимые лучи попадают на фоточувствительный слой,
выбивают из него электроны, электроны летят к экрану, покрытому
слоем люминофора, и заставляют его светиться. Невидимые
лучи становятся видимыми!
Точно так же устроена невидимая оптическая охрана ценных
скульптур и картин во многих больших музеях мира. Если в
ночной час чья-то рука пересечет невидимый луч в зале музея, то
электрический сигнал от прибора-преобразователя мгновенно
включит сигнал тревоги.
Лампы невидимого света и устройства, обнаруживающие
присутствие невидимых лучей, широко используются во всех армиях
мира, и убедиться в этом можно, присутствуя на маневрах, причем
не обязательно на морских, достаточно посетить очередные
учения сухопутных войск. Школьников, правда, не пускают на
военные маневры, и у нас есть только один способ побывать на
них — призвать на помощь воображение...
СКВОЗЬ
МГЛУ
НОЧНУЮ
Мы выходим ночью из леса на неосвещенную дорогу, по
которой едут темные бронированные машины. Нас замечают, одна из
машин останавливается, и через несколько секунд мы уже внутри,
в кабине. «Как вы нас разглядели в сплошной темноте?» —
хочется нам спросить, но в эту минуту мы обращаем внимание,
Приборы ночного
и теплового видения
лишь немного
превосходят
по своим размерам
обычные подзорные
трубы и бинокли,
хотя при этом
наделяют нас поистине
сверхъестественными
способностями —
видеть невидимое!

что все смотрят на большой зеленоватый экран, похожий на экран
телевизора, расположенный перед глазами водителя. На экране
отчетливо, как днем, видны идущая перед нами машина, дорога,
лес. Дорога поворачивает, наши машины выезжают на опушку
леса. Далеко впереди, через поле, движется колонна танков.
«Северные» вышли на исходный рубеж,— слышим мы голос
командира в наушниках водителя.— Танковые соединения
«южных» должны начать наступление в два часа ноль-ноль минут».
Зеленоватый экран погас, но рядом с водителем зажегся тут же
другой, темно-серый экран. На этом экране очертания танков
были менее четкими, хотя их число возросло. Экипаж машины
убедился, что войск «северных» значительно больше, чем казалось
на первый взгляд.
До наступления еще оставалось немного времени, и командир
бронемашины, конечно, объяснил нам устройство сказочных
приборов, для которых мглы ночной не существует...
На зеленоватом экране мы увидели изображение всех
предметов в отраженном свете сильного потока невидимых
инфракрасных лучей, посылаемых прожекторами и фарами на наших
бронемашинах. Но «противник» мог обнаружить нас с помощью
датчиков инфракрасных лучей, и, как только войска вышли на
исходный рубеж, прожектора и фары были погашены.
В кабинах машин были включены приборы теплового
видения, которые превращают в видимый свет то слабое
инфракрасное излучение, которое испускают немного нагретые танки и
орудия «противника». Их силуэты явственно проступали на темно-
сером экране, несмотря на разделявшее нас расстояние в
несколько сотен метров.
Лес, трава, земля были тоже достаточно теплыми в эту
летнюю ночь, но танки и бронемашины разогрелись после перехода,
а приборы теплового видения замечают разницу между
температурой предметов, составляющую всего несколько долей градуса!
СОГРЕВАЕМСЯ...
ОТДАВ
СВОЕ ТЕПЛО
Собственное тепловое излучение немного нагретых тел только
на первый взгляд кажется слабым и незаметным.
Ученые подсчитали, а затем и подтвердили опытным путем,
что невидимое тепловое излучение поверхности человеческого
тела обладает достаточной энергией, чтобы согреть нас даже в
холодную зимнюю ночь.
Придется лишь одеть костюм-комбинезон с прокладкой из
алюминиевой фольги, отражающей обратно испускаемое
человеческим организмом инфракрасное излучение. Наше тело излучает
несколько сотен ватт тепловой энергии, и этого вполне хватит,
чтобы не замерзнуть. «Свой дом ношу с собой!» — может с
полным правом сказать обладатель такого костюма.
Воздушная оболочка нашей планеты не только служит
источником кислорода для всех обитателей Земли. Атмосфера
прозрачна по отношению к солнечным лучам, но почти полностью
поглощает собственное невидимое тепловое излучение Земли и
возвращает большую часть его обратно. Теплое воздушное
«одеяло» тем самым не позволяет Земле остывать; благодаря ему
температура на нашей планете поддерживается в пределах, вполне
подходящих для жизни разнообразных живых существ.
Первым в середине прошлого века понял роль атмосферы в
согревании Земли английский ученый Джон Тиндаль, верный уче-

ник Фарадея. Вероятно, у своего учителя Тиндаль научился
искусству ставить простые и убедительные опыты, доказывающие
или опровергающие те или иные научные предположения.
Один из опытов Тиндаля мне почему-то особенно
запомнился. Пропуская инфракрасные лучи через тонкую кварцевую
ампулу, заполненную углекислым газом, Тиндаль обнаружил, что
углекислый газ активно поглощает инфракрасные лучи. Затем
он поставил на место ампулы длинную трубку (тоже из кварца,
прозрачного для многих инфракрасных лучей), в которую во
время опыта просил выдыхать воздух своих помощников и,
конечно, дышал сам. В спектре инфракрасного излучения,
прошедшего через трубку, наблюдались зияющие провалы-пропуски
в тех местах, где находятся лучи, поглощаемые углекислым газом.
Это несомненно означало, что в кварцевой трубке появился
углекислый газ. Убедительное оптическое доказательство известного
нам теперь с юных лет факта, что, вдыхая кислород, человек
выдыхает углекислый газ!
Другой опыт Тиндаля еще эффектнее. Однажды на заседании
Королевского научного общества Тиндаль сфокусировал с
помощью большого вогнутого зеркала инфракрасное излучение от
нескольких темных нагревателей и зажег в воздухе (без спичек
и огня) тонкую деревянную палочку. Палочка загорелась через
несколько секунд после того, как Тиндаль поместил ее в фокус
зеркала.
Наглядный пример того, как много энергии несут с собой
невидимые лучи, особенно если они собраны вместе!
Энергия
солнечного света
согревает Землю,
вызывает
ветры и бури,
рождает океанские
и морские течения.
Воздушная атмосфера
помогает Земле
удержать
солнечное тепло.
ДРУГ НАШ —
АТМОСФЕРА
Опыты Тиндаля помогли также доказать существование
оптического явления, важного для теплового баланса и климата нашей
планеты: углекислый газ и водяные пары атмосферы так сильно
поглощают инфракрасные лучи, что собственному тепловому из-

лучению Земли не удается беспрепятственно пробиться в
холодный космос.
Атмосфера выполняет ту же роль, что и стекло в оранжереях
и теплицах. Обогревание с помощью оболочек, прозрачных для
солнечных лучей и непрозрачных для невидимых лучей,
испускаемых телом, получило название парникового эффекта.
Атмосфера Венеры, так же как воздушная оболочка Земли,
обладает прекрасными парниковыми свойствами. Но вот на Марсе
ученым недавно удалось обнаружить прямо противоположное
явление — антипарниковое действие атмосферы.
Атмосфера Марса очень сильно разрежена — давление на
поверхности Марса в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли!
Такая атмосфера свободно пропускает тепловое излучение
планеты «сквозь себя», не только не согревая, но даже наоборот —
выстуживая поверхность Марса.
Даже тепловые бури не помогают Марсу согреться.
Во время бурь на Марсе ветер вздымает вверх тучи красно-
бурого песка, состоящего из очень мелких частиц — диаметром
от одного до десяти микрон. Такие частицы тоже не могут
удержать инфракрасные лучи с большой длиной волны: они
практически прозрачны для них. К тому же Марс, находящийся от
Солнца значительно дальше, чем Земля, получает в два раза
меньше солнечного тепла.
Неуютно, пустынно
и холодно
на поверхности Марса,
получающего от Солнца
значительно меньше
тепла, чем Земля,
и не имеющего
воздушной атмосферы,
которая
сохраняла бы тепло.
Все это приводит к тому, что среднесезонная температура на
Марсе составляет —60° С, опускаясь в холодные зимние ночи до
— 126°С.
Другие невидимые лучи — ультрафиолетовые — тоже
интенсивно поглощаются атмосферой Земли, и, как выяснили ученые,
это не менее благоприятно влияет на здоровье и самочувствие
жителей Земли, чем поглощение атмосферой инфракрасных
лучей.
Ультрафиолетовые лучи посылает на Землю Солнце. Этих
лучей немного в спектре Солнца — всего 9 %, но их энергия велика.
Падая на внешний слой атмосферы Земли, они разрывают
молекулы кислорода на два атома. Один из атомов затем
присоединяется к другой молекуле кислорода, образуя новое
соединение — газ озон, состоящий из трех атомов кислорода.
Активно поглощая ультрафиолетовые лучи с большой
энергией, озон не пропускает их к зеленым растениям Земли, не
позволяет им разрушать клетки живых организмов и растений.
Сквозь атмосферу удается проникнуть только
ультрафиолетовым лучам с небольшой энергией. Эти лучи помогают нам
загорать и в разумных дозах благотворны для всех живых существ.

холодный
И ТЕПЛЫЙ
СВЕТ
Можно, правда, привести пример, показывающий, что иногда
удается даже самые энергичные ультрафиолетовые лучи сделать
полезными людям.
Еще в двадцатых годах нашего столетия советский физик
С. И. Вавилов впервые предложил идею нового источника света,
получившего название люминесцентной лампы.
В длинную стеклянную трубку, заполненную парами ртути,
впаиваются два металлических электрода. На внутреннюю
поверхность трубки предварительно наносится слой светящегося
вещества — люминофора. Когда между электродами подается
напряжение и зажигается разряд в парах ртути, возникает
излучение, состоящее в основном из невидимых ультрафиолетовых
лучей большой энергии, под действием которых начинает
светиться видимым светом люминофор на стенках трубки.
Добавляя необходимые примеси в люминофор, можно сделать так,
чтобы свечение люминофора было похожим на солнечное
излучение в видимой части спектра.
Еще Михаил Васильевич Ломоносов писал, что следует
подумать о свете светлячков в ночном лесу и разгадать природу
свечения холодных тел. К свечению приводят сложные химические
и физические процессы, предполагал великий русский ученый.
Спустя два века искусственные «светлячки» — люминофоры
стали послушно служить человеку. Зажглись лампы дневного
света, засветились в домах голубоватые экраны телевизоров,
покрытые люминофором.
Черное тело, которое светится под действием нагревания,
необходимо, как уже говорилось, раскалить до температуры
почти 6000° С, чтобы получить спектр свечения, совпадающий со
спектром Солнца! В лампах накаливания светящаяся спираль
сделана из самого тугоплавкого материала — вольфрама, но даже
ее нельзя нагреть выше 2800—3200°С: спираль перегорает.
Конечно, желтоватый свет лампы накаливания из-за этого очень
далек по спектральному составу от белого солнечного света.
С помощью люминофоров удается получить спектр Солнца в
практически холодных лампах дневного света.
Раскаленное тело светится благодаря быстрым
колебательным и вращательным движениям молекул, интенсивность
которых увеличивается с ростом температуры. В спектре излучения
нагретого тела поэтому всегда есть множество самых различных
волн и невидимых инфракрасных лучей больше, чем видимых.
Когда вещества-люминофоры получают дополнительную
энергию извне (от пучка электронов в телевизионной трубке или
от потока ультрафиолетовых лучей в лампах дневного света),
то электроны в атомах люминофора поднимаются на верхние
возбужденные уровни энергии. При первом же удобном случае,
который обычно предоставляется через тысячные доли секунды,
электроны вновь переходят в обычное состояние, возвращая
окружающей среде часть энергии, потраченной на их
возбуждение, в форме видимого света.
Такой способ создания светового излучения принципиально
отличен от привычного теплового способа, известного человеку
с тех незапамятных пор, когда он впервые присел у костра...
В люминофорах энергия возбуждения, подводимая извне,
расходуется экономно, и в спектре их свечения видимых лучей
больше, чем невидимых. Ученым удалось создать яркие холодные
солнечные лампы!

НЕЗАМЕТНЫЕ
И НЕЗАМЕНИМЫЕ
ДРУЗЬЯ
Телевизоры
и проекционные
аппараты позволяют
космонавтам
перед полетом
изучить рельеф
различных
районов Земли,
сфотографированных
из космоса.
Ясный солнечный день. Над бескрайними полями, ждущими
урожая, летит самолет. Нет, с этого самолета не будут сбрасывать
химические вещества, убивающие насекомых-вредителей. На
самолете установлен фотоаппарат с пленкой, чувствительной к
инфракрасным лучам Солнца, отраженным от Земли.
После проявления инфракрасных фотографий агрономы
будут искренне удивляться: внешне эти два поля выглядели
совершенно одинаково, а на фотографиях они совсем разные —
одно светлое, другое — темное. Вода почти полностью поглощает
инфракрасные лучи, и хорошо политое поле выглядит на
инфракрасной фотографии темным. Светлому полю влаги не хватает,
его нужно срочно напоить!
Самую разнообразную дружескую помощь сейчас оказывают
человеку невидимые лучи. Рассматривая инфракрасную
фотографию жилого дома, легко определить по светлым участкам все пути
утечки тепла, понять, где дом нуждается в улучшении
теплоизоляции.
В операционной инфракрасный датчик быстро подскажет
хирургу, сколько кислорода в крови больного: бедная кислородом
кровь становится очень прозрачной для инфракрасных лучей.
Реставраторы картин и знатоки живописи часто прибегают к
услугам невидимых лучей при установлении подлинности картин,
времени их создания, техники исполнения.
При просвечивании ультрафиолетовыми лучами можно
обнаружить дефекты и царапины на полотне. Пигменты в красках
растительного, животного и минерального происхождения
светятся при облучении ультрафиолетом различными цветами.
На инфракрасных фотографиях старых картин неожиданно
проступают новые неизвестные детали: лучи с длиной волны
большей, чем у видимого света, легко проникают сквозь слой
потемневшего лака.

Астрономам ультрафиолетовое излучение говорит о
количестве водорода в межзвездном пространстве и в составе далеких
галактик и звезд. Инфракрасные лучи, испускаемые планетами
нашей Солнечной системы, позволяют судить об их температуре.
Тепловизор — прибор, улавливающий тепловое излучение,
может на расстоянии нескольких десятков метров от
раскаленной печи определить распределение тепла по ее стенкам. Такой же
прибор, установленный на вертолете или самолете, легко отличит
автобус с горячим мотором, только что закончивший долгий
переезд, от «отдыхающего» холодного автобуса.
Врач, подозревающий воспаление или опухоль под кожей
больного, увидит их на экране тепловизора в виде светлых
пятен на темном фоне. Болезнь будет обнаружена на той стадии,
когда с ней еще можно справиться... И это произойдет благодаря
тому, что медики сейчас все чаще обращаются за помощью
к физикам.
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ
АНАЛИЗ
Одно из самых полезных применений нашли невидимые
лучи при определении химического строения веществ.
Энергия вращательных и колебательных движений молекул
соизмерима с энергией инфракрасных лучей. Именно поэтому
большинство окружающих нас предметов интенсивно поглощают
инфракрасные лучи.
Чтобы измерить прозрачность в инфракрасной области
спектра различных веществ, необходимо получить тонкую пленку
данного вещества или его раствор в каком-нибудь
органическом растворителе (в воде нельзя: вода очень активно поглощает
невидимые лучи!). Пленку растягивают между двумя зажимами,
а раствор наливают в кювету — плоский стаканчик из
поваренной соли. Затем пленку или кювету освещают по очереди
инфракрасными лучами различной длины волны и записывают
получившийся спектр пропускания вещества в инфракрасной
области.
Когда ученые впервые сделали эти опыты, их радости не
было границ. Каждое вещество имело спектр, хоть немного, но
отличный от другого, будто вещество оставило на бумаге свои
отпечатки пальцев!
Инфракрасные спектры похожи на силуэты неведомых
замков — бежит по бумаге причудливая кривая с всплесками и
впадинами, с башенками и зубцами.
Тщательно изучив физические и химические двойства
нескольких хорошо известных веществ, исследователи сравнили
их с записанными инфракрасными спектрами. И тогда
выяснилось, что появление каждого зубца или башенки на спектре
вызвано колебанием определенной химической связи в ответ на
облучение инфракрасными лучами.
Все виды химической связи, все группы атомов, особенности
структуры молекул, виды соединений молекул между собой
отразились на этих спектрах.
Двойная связь двух атомов углерода, соединения углерода
с водородом или кислородом, три атома водорода, объединенные
вокруг углерода, получившие название метильной группы, и
многие другие детали химической структуры сложных веществ
отчетливо видны на записанных спектрах. Каждая из частей
молекулы оставила свой характерный знак — всплеск на
спектральной кривой.

Начался кропотливый, тяжелый труд по составлению
атласов — путеводителей в этом море спектральных кривых. Труд
очень полезный. Сейчас с помощью этих атласов можно быстро
установить строение незнакомого материала или отыскать
мельчайшие следы известного вещества среди сотен других.
ЕЩЕ ОДНО
ВОСПОМИНАНИЕ
О БУДУЩЕМ
Помню, как в нашу лабораторию обратились врачи с
просьбой помочь определить, попадает ли по назначению — в
заболевшее место головного мозга — лекарство, очень активно
действующее против некоторых воспалительных процессов.
Лекарство новое и по рекламным проспектам эффективное. Но врачам
внушали опасение слишком большие размеры молекул вещества,
лежащего в его основе. У мозга есть барьер — он не пускает к
себе многие вещества, ведь они могут оказаться вредными...
Лекарство должно было применяться в виде раствора с
ничтожной концентрацией активного препарата, и мы, конечно,
вспомнили про инфракрасный анализ.
Плоский прозрачный стакан разделили на две части с
помощью перегородки из мелкопористого стекла, размеры пор в
нем соответствовали тем, сквозь которые лекарство могло бы
проникнуть в мозг. В одну половину стакана налили чистый
раствор, в другую раствор с лекарством. Чистый раствор время
от времени брали на анализ, снимали его инфракрасный спектр.
Желанные всплески на спектре, характерные для лекарства,
никак не хотели появляться.
Несколько дней безуспешных опытов убедили нас в том, что
надо чем-то «подтолкнуть» лекарство. Может быть, эту роль
выполнит электрический ток? Ведь он может расщепить
электрически нейтральное лекарство на подвижные составные части —
отрицательно и положительно заряженные ионы...
В обе половины стакана опустили платиновые проволочки,
соединенные с электрохимической батарейкой. Прошло полчаса,
и взятая микропипеткой проба в чистой половине стакана дала
на инфракрасном спектре давно ожидаемые нами всплески —
лекарство под влиянием электрического тока стало проникать
через мелкие поры!
Как всякий успех, он тут же родил множество вопросов:
может быть, в ионизированном состоянии лекарство будет
не так эффективно; как наложить электроды на голову пациента;
какова допустимая величина тока,— и перечню их не было конца.
Полученный результат был не завершением, а началом. Началом
будущих, еще более интенсивных исследований...
Так бывает во всякой научной работе; вероятно, именно
благодаря бесконечной человеческой любознательности открываются
новые лучи, лекарства и методы анализа. Например,
инфракрасный анализ, который, как мы видим, теперь так нужен физикам,
химикам и врачам.
«ГОВОРЯЩАЯ
МОЛНИЯ»
Голландский физик Христиан Гюйгенс, современник
Ньютона, однажды сказал: «В природе света остается для
исследований значительно более того, чем, думается мне, сделано мною».

Это предвидение полностью оправдалось. «В природе света»
ученые нашли столько свойств, ранее неизвестных, что все это
трудно было бы вообразить в XVII веке.
Особенно много добавил к знаниям человечества
девятнадцатый век, так блистательно начавшийся с замечательных открытий
в области оптики и электричества.
Ученым XIX века все же не давала покоя одна нерешенная
техническая проблема: несмотря на очевидные успехи науки, еще
не было быстрой и надежной связи между людьми, живущими
Длинный путь развития
прошло человечество,
и вместе с ним —
средства связи.

в разных городах и странах. Иногда можно спокойно
дожидаться новостей, неторопливо путешествуя в почтовой карете,
но бывают обстоятельства, например во время войны, когда
связь должна быть молниеносной, ведь во время боевых действий,
как известно, «промедление смерти подобно».
Первые попытки построить линии дальней связи были
фактически подражанием нашим далеким предкам, разводившим
костры на вершинах гор, чтобы сообщить о грозящей опасности
своим соплеменникам. Во времена Великой французской
революции между Парижем и Лиллем на расстоянии 225
километров был построен ряд сигнальных башен. Из нескольких
деревянных брусьев, соединенных веревками, на крышах башен
выкладывались слова военных сообщений, хорошо заметные
в бинокль с соседней башни. 15 августа 1794 года по этой линии
было за час передано сообщение о важной победе революционных
войск!
Физики не могли придумать в те годы лучшего способа
связи, и сигнальные башни стали строиться в разных странах.
Самая длинная линия такого «оптического» телеграфа
(протяженностью 1200 километров!) была построена в 1839 году
между Петербургом и Варшавой.
Открытия Гальвани, Вольты, Ампера, Фарадея направили
мысль изобретателей и ученых по новому пути: надо заставить
электрический ток передавать необходимые сигналы, переносить
слова срочных сообщений на большие расстояния.
Почти во всех университетах и лабораториях мира
конструировались огромные вольтовы столбы, состоявшие из многих
последовательно соединенных электрохимических батарей.
Получаемое электрическое напряжение зависело от числа батарей
в столбе.
Еще в самом начале XIX века в Испании и Германии были
созданы модели электрохимической связи: из одной комнаты
(от установленного там вольтова столба) в другую тянулись
два провода, опущенные в стакан с водой. Когда электрическая
цепь в соседней комнате замыкалась, в стакане происходило
разложение воды на кислород и водород. Стайка весело
поднимавшихся в воде пузырьков газа сигнализировала: ток идет!
Рождались проекты электрохимического телеграфа: от
источника тока протягивалась толстая связка проводов к целому
семейству стаканов с водой — по одному стакану на каждую букву
алфавита. Но конечно, практического воплощения эти проекты не
нашли: слишком много требовалось проводов, пузырьков и
стаканов...
Среди изобретателей новых способов связи история науки
выделяет одно имя особенным шрифтом: МОРЗЕ. И делает это
вполне заслуженно.
В 1832 году на палубе корабля «Сэлли», возвращаясь из
Франции домой, американский художник Самюэл Морзе, находясь под
явным влиянием только что опубликованной книги Фарадея и
непрерывных разговоров о явлениях электромагнетизма, которые
велись пассажирами корабля, внезапно представил себе новую
конструкцию телеграфа! Морзе был так уверен в ее технической
осуществимости, что подошел к капитану корабля и сказал: «Если
вы услышите когда-нибудь о магнитном телеграфе, знайте, что
он изобретен на вашем корабле».
Во время месячного плавания Морзе сделал несколько
чертежей телеграфа и после возвращения попытался изготовить
действующую конструкцию устройства. Ничего не получилось...
Прошло три года. В 1835 году Морзе занял место
профессора живописи и рисования в Нью-Йоркском университете. Советы

коллег-профессоров с химического факультета помогли ему,
наконец, в 1836 году довести идею телеграфа до работающей
модели.
Приемная и передающая станции в модели Морзе были
соединены электрической цепью постоянного тока. На приемной
станции часть этой цепи являлась обмоткой электромагнита.
Когда по цепи шел ток, якорь-сердечник электромагнита
втягивался внутрь. На передающей станции телеграфист с помощью
ключа с рукояткой мог периодически замыкать и размыкать
цепь. На приемной станции простой пружинный механизм
протягивал бумажную ленту мимо пишущего шрифта, в момент
замыкания цепи электромагнит прижимал якорь к бумаге.
После кратковременного прикосновения к ключу на бумажной
ленте оставалась точка, после более длительного нажатия на
ключ — прочерчивалось тире.
Видимо, способности художника, особое графическое
видение предметов помогли Морзе создать сохранившую свое
значение до наших дней азбуку Морзе, в которой каждая буква
алфавита зашифрована особым сочетанием точек и тире.
Большую помощь Морзе в дальнейшем улучшении телеграфа
оказал американский ученый Джозеф Генри, советник президента
Линкольна по вопросам науки, бескорыстный учитель молодых
исследователей.
Телеграфные провода, подвешенные на столбах, простирались
теперь на многие километры. Телеграф получил образное
название «говорящая молния». К 1848 году жители самых глухих
американских сел читали сообщения о войне в Мексике,
переданные по «говорящей молнии».
Последователям Морзе удалось изобрести телеграф, в
котором вместо точек и тире печатались сразу буквы.
Телеграф завоевывал все больше сторонников. На железных
дорогах его стали применять для сигнализации, связи и
автоматической остановки поездов. В Петербурге уже в 1841 году
телеграфная линия соединила Зимний дворец с Генеральным
штабом...
Вскоре возникла идея прокладки по дну Атлантического
океана толстого изолированного кабеля между Европой и
Америкой. Идею удалось осуществить. Известия о наиболее
значительных событиях, переданные по кабелю с помощью телеграфа,
быстро становились достоянием огромного числа людей на обоих
континентах.
Наступление эры технических чудес только начиналось, и
многим современникам Морзе не был понятен физический смысл
процессов, происходящих при передаче сообщений с помощью
электрического тока, и явления электромагнитной индукции.
Недаром до нас дошел с тех времен рассказ о даме, которая,
внимательно выслушав лекцию об устройстве телеграфа и
конструкции трансатлантического кабеля, сказала: «Я все поняла,
кроме того, почему же телеграмма все же приходит к нам не
мокрая, а сухая?»
СИЛЬНЕЕ БУРЬ,
ВЕТРОВ И НЕПОГОДЫ
Невидимый и всемогущий электрический ток понес во все
концы Земли известия о военных победах и поражениях, о
семейных радостях и государственных переворотах, о выставках
скота и иногда... о научных открытиях. Газеты быстро печатали
поступающие сообщения, и люди впервые стали ощущать, что

Изобретатель телефона
Александр Белл
демонстрирует
собравшимся чудо:
передачу
человеческого голоса
на большие расстояния.
наша планета не такая большая, как им казалось до сих
пор.
Но иногда сообщения в газетах и журналах появлялись
значительно позднее, чем поступали. Однажды это было вызвано
тем, что в передаваемые новости... трудно было поверить.
6 октября 1877 года в известном научно-популярном журнале
«Научный американец» появилась большая статья с подробными
рисунками. В ней рассказывалось о новом изобретении —
телефоне, которое сделал молодой преподаватель Бостонской школы
для глухонемых Александр Белл.
Телефон Белла демонстрировался еще летом 1876 года на
Выставке в честь столетнего юбилея со дня образования
Соединенных Штатов Америки в Филадельфии, в январе 1877 года
на заседании философского общества в Вашингтоне, перед
публикой и журналистами в Салеме, Бостоне, Нью-Йорке. Изобретение
было столь необычным, что без особой тщательной проверки
такие солидные издания, как «Научный американец», не хотели
о нем писать...
Александру Беллу в его работе пригодилось, конечно, хорошее
знание не только электротехники, но и акустики — науки,
изучающей свойства звука. Недаром он, так же как его дед и отец,
был знатоком ораторского искусства и преподавателем, учившим
правильной речи!
Звук распространяется благодаря периодическим сжатиям
и разрежениям воздуха. Небольшой рупор может собрать звук
и направить его на чувствительный элемент, например на
мембрану. Белл изготовил очень легкие и тонкие пластины-мембраны —
их колебания под влиянием звуков человеческой речи были
заметны даже невооруженным глазом.
В конце концов он остановился на мембране из тонкой
железной фольги, которую поместил внутрь электромагнита. Когда
мембрана колебалась в такт с человеческой речью, по
электрическим проводам от электромагнита на приемную станцию шли
сигналы переменного тока. Ведь поле внутри магнита изменялось
в точном соответствии с движениями мембраны!
На приемной станции происходило обратное превращение:
под влиянием переменных импульсов электрического тока воз-

никали колебания железной мембраны, тоже помещенной в
электромагнит. Колебания мембраны принимающей трубки
передавались окружающему воздуху. В нем возникали звуки
голоса человека, который говорил перед передающей мембраной,
установленной в другой комнате или... в другом городе — это
уже зависело только от длины и толщины электрических
проводов!
Любознательные корреспонденты газет окружали плотной
толпой Белла и его юного помощника Ватсона во время всех
публичных демонстраций телефона. Белл и Ватсон находились
при этом в разных городах. Все слова, произнесенные ими,
точно записывались. Затем, когда корреспонденты съезжались
в один город, слова придирчиво сравнивались. Даже самые
недоверчивые убедились в том, что об обмане в этих опытах не
могло быть и речи... И только тогда появилась статья в
«Научном американце».
Александр Белл получил патент на изобретение телефона,
основал фирму, которая занялась изготовлением и продажей
телефонных аппаратов всем желающим. Были разработаны
проекты создания центральных телефонных диспетчерских
в крупных городах, куда поступают сигналы от отдельных
абонентов. В первые годы, до создания систем автоматического
соединения номеров на центральной диспетчерской, эту
утомительную работу приходилось выполнять сотням девушек с
мелодичными голосами...
Телефон был таким удобным, необходимым людям и...
выгодным изобретением, что авторские права Белла много раз
пытались оспаривать как отдельные изобретатели, так и целые
фирмы-корпорации. Однажды в «борьбу» с Беллом включились
несколько сенаторов, бывшие губернаторы и даже...
генеральный прокурор США. Они основали свою частную телефонную
компанию и пытались отнять у Белла права на изобретение.
Известный американский писатель и ученый Митчел Уилсон
пишет: «Эта пиратская попытка ограбить Белла вполне
соответствовала нравам, царившим в бизнесе в те дни, и необычное
в ней было только одно: она провалилась».
Телефон, так же как многие другие изобретения XIX и начала
XX века: фотография, фонограф, граммофон, кино,— успешно
развиваясь и совершенствуясь, дожил до наших дней.
Нам сейчас, например, очень трудно себе представить жизнь
без телефона! А неугомонные изобретатели последней четверти
XIX века, не успев привыкнуть к телефону, продолжали свою
погоню за открытиями. Им уже хотелось научиться переносить
звуки человеческого голоса не по проводам.
Ведь проводами не соединишь два корабля. Трудно выпускать
в воздух на проводе-веревочке и самолет, только что созданный
благодаря творческим исканиям и неукротимой жажде нового,
вдохновлявшей изобретателей многих стран мира!
Кстати, сам Александр Белл тоже всегда мечтал прекратить
борьбу за патенты и заняться созданием новых конструкций
летательных аппаратов...
Но чем заменить электрические провода? Этого изобретатели
не знали. Ведь звук человеческого голоса, даже самого громкого,
быстро гаснет в воздухе, как мы хорошо знаем по собственному
опыту, тщетно пытаясь окликнуть кого-нибудь с расстояния
в 200—300 метров...
Трудно представить
себе нашу жизнь
без телефона!

«НЕПОНЯТНОЕ
В БАНОЧКЕ»
В 1842 году Джозеф Генри заметил, что металлические иглы,
которые лежали на столе в подвале здания, где он работал,
намагничиваются от электрической искры, полученной в приборе,
находящемся на втором этаже. Генри публиковал свои сообщения
неохотно, да и то только в журнале Йельского университета,
о котором в Европе мало кто слышал.
Лишь в конце 80-х годов XIX века Генрих Герц в Германии
поставил опыты, подтвердившие, что наблюдение Генри не было
случайным. Герц расположил рядом два колебательных контура
и возбуждал в одном из них электрические колебания.
Создатель радио
А. С. Попов
и его первая в мире
радиосхема.
Контур был очень простым: конденсатор, который можно
периодически заряжать от электрохимической батареи, провод,
катушка и в одном месте — маленький зазор.
Когда электрические колебания в контуре становились
особенно сильными, в зазоре появлялась крохотная искра. Ее
наблюдали многие исследователи и до Герца... Но Герц сумел
увидеть другую искорку, которая проскакивала в зазоре
соседнего контура тотчас вслед за первой!
Контуры не были соединены между собой, и во втором
контуре никто никаких колебаний не возбуждал.
Кто же перенес электрическое возбуждение из одного места
в другое? Новые невидимые лучи? Герц сумел доказать, что на
этот вопрос следует ответить утвердительно: да. Первый
колебательный контур в момент проскакивания искры излучает во
все стороны невидимые электрические (как их назвал Герц)
лучи.
Эти лучи свободно проникают сквозь толстые бетонные стены,
землю, деревья. Эти же лучи намагничивали иглы в подвале
дома Генри...
Преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте
Александр Степанович Попов, прочитав описание опытов Герца,
сразу понял, что именно на этом пути лежит верное решение
той проблемы, которая давно захватила его воображение: создать
беспроволочный телеграф! Надо лишь значительно увеличить

чувствительность второго колебательного контура к приему волн,
излучаемых первым контуром.
Попов создал удобный и неприхотливый прибор, названный
им «когерером», которым он в конце концов просто заменил
второй контур.
Когерер представлял собой стеклянную трубку с впаянными
в нее с двух сторон металлическими электродами. Между
электродами помещалось большое количество мелких металлических
опилок.
Когда электрические лучи Герца от колебательного контура
приходили к когереру, между опилками проскакивали искры.
Опилки на время соединялись, и сопротивление между
электродами резко падало. Если после этого когерер встряхивали, то
опилки рассыпались, сопротивление в цепи вновь возрастало —
и прибор был готов к приему новой порции неведомого
электрического излучения, снова «чувствовал» посланный издалека
сигнал.
Один из электродов когерера А. С. Попов заземлил, а другой
присоединил к поднятому на шесте длинному куску проволоки.
Чувствительность прибора к приему излучения еще больше
возросла — ведь Попов тем самым создал первую в мире антенну!
7 мая 1895 года А. С. Попов показал свой прибор на заседании
Русского физико-химического общества. Этот день стал днем
рождения радио — беспроволочной передачи электрических
сигналов на большие расстояния.
Электрические лучи, получаемые в колебательном контуре,
с тех пор называют радиоизлучением или радиоволнами.
Исследователи многих стран стали интенсивно изучать новый
вид невидимых лучей. Изменяя конструкцию и размеры
передающего колебательного контура, удалось получить радиоволны
самой разнообразной длины — от долей сантиметра до
нескольких километров.
А. С. Попов все время улучшал устройство как передатчика,
так и приемника радиоволн. Дальность передачи сигналов все
время возрастала. Если в первых опытах она составляла всего
250 метров, то на маневрах Черноморского флота в 1899 году
была достигнута радиосвязь между кораблями, расположенными
Итальянский
изобретатель средств
радиосвязи Г. Маркони
за наладкой своей
аппаратуры.

Юмор, улыбка
всегда помогали
научному творчеству:
перед вами
шутливый рисунок
«Ведьма в ступе»
Сергея Ивановича
Вавилова.
на расстоянии 20 километров друг от друга. В 1901 году
дальность радиосвязи уже составляла 150 километров!
Итальянский инженер Г. Маркони основал большую фирму,
которая стала выпускать в продажу радиоприемники и
радиопередатчики. Удалось вскоре осуществить беспроволочную
передачу электрических сигналов через Атлантический океан.
Во время первой мировой войны уже использовалась
радиосвязь между отдельными группами войск.
Сергей Иванович Вавилов, впоследствии президент Академии
наук СССР, был призван в армию во время первой мировой
войны и часто потом рассказывал ученикам свои впечатления
об оснащенности войск того времени и о технической
подготовке бойцов.
Однажды, принимая по долгу службы в одной воинской
части имущество полевой радиостанции, Сергей Иванович
случайно заметил, что в длинном списке деталей радиостанции
против одного из номеров стоят красиво выписанные писарем
слова: «Непонятное в баночке». Сергей Иванович Вавилов
попросил показать ему эту деталь и обнаружил, что писарь, никогда
не слышавший ранее о физических приборах, столь деликатными
словами обозначил совершенно непонятный ему когерер.
Когерер в современных радиоприемниках давно заменен на
другие, более чувствительные приборы, а история про
«непонятное в баночке» осталась. И физики часто рассказывают ее,
особенно когда хотят сказать, как трудно подобрать название
чему-то новому и неизвестному...
ДЛИННОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ
КОРОТКИХ
ВОЛН
Современные
микросхемы
для электронной
и радиоаппаратурь,
так малы,
что могут быть
сложены
внутри скорлупы
небольшого ореха.
Конечно, ученым прежде всего хотелось заставить радиоволны
обогнуть земной шар. А для этого было необходимо увеличить
мощность передатчиков и резко усилить чувствительность
приемников к приходящим издалека очень слабеньким
радиосигналам.
Одновременно продолжалось и улучшение телефонов.
Громоздкие железные мембраны вскоре были заменены на легкие
пленочные. Под ними стали располагать электреты — особые
кристаллы, на гранях которых под действием тепла, света и
колебаний возникают электрические заряды. Для получения
электрических сигналов теперь уже не обязательно втягивать
и вытягивать сердечник электромагнита и соединять телефон
с электросетью. От неподвижного крохотного электрета,
вырезанного из пластинки титаната кальция, под действием звуков
человеческого голоса и колебаний тонкой мембраны сразу идет
электрический ток!
Очень вовремя в 1913 году была изобретена электронная
лампа. Инженеры всего мира получили удивительный прибор.
Возможности радиотехнических схем генерировать и принимать
радиоволны резко возросли.
Электронная лампа внешне устроена очень просто. В
маленькую стеклянную колбу с двух сторон впаяны два электрода:
отрицательный — катод и положительный — анод. Из колбы
вакуумным насосом откачан воздух, чтобы электроны не
сталкивались с молекулами газов, составляющих воздух. В колбе
ближе к катоду помещен еще один электрод из металлической
сетки. Когда на анод и катод подается достаточно большое
напряжение, в безвоздушном пространстве появляется ток элек-

трических зарядов, «выбитых» из катода под влиянием
приложенной электрической «силы».
Если в этот момент между катодом и третьим сетчатым
электродом подается небольшое напряжение так, что сетка
будет заряжена отрицательно по отношению к катоду, то такое
«встречное» поле может не пропустить заряды к аноду — и ток
в цепи совсем исчезнет.
Но сетчатый электрод не всегда играет роль неусыпного
сторожа-шлагбаума на «железнодорожном переезде» катод —
анод: иногда он может помочь открыть движение по этой дороге...
Представим себе, что между катодом и анодом приложено
большое напряжение, но его все же чуть-чуть не хватает, чтобы
возник ток между электродами. Тогда совсем небольшого толчка,
очень маленького напряжения, включенного между катодом и
сетчатым электродом (вскоре получившего сокращенное
название «сетка»), будет достаточно, чтобы долгожданный ток возник.
Просто, не правда ли? Но сколько удивительно разнообразных
применений нашлось у этого несложного прибора! На его основе
были сделаны мощные генераторы радиоволн, получены
выпрямители, позволяющие превращать переменный ток в
постоянный, и, наконец, самое главное — разработаны усилители слабых
радиосигналов.
Пусть приходящая радиоволна вызовет появление очень
слабого напряжения между катодом и сеткой. Если оно сыграет
Несколько
показанных здесь
с большим увеличением
микросхем
на одном кристалле
могут заменить
небольшую
вычисли тельную
машину.

роль «спускового крючка», под влиянием которого в цепи лампы
пойдет большой ток (ведь между катодом и анодом уже
приложено высокое напряжение от могучей электрохимической
батареи), то радиосигнал усилится в тысячу, а то и в миллион
раз! Мы ведь будем судить о нем по большому току, который
потечет в цепи...
Были созданы конденсаторы с переменной емкостью.
Радиотехники научились выделять из массы бесшумных радиозвуков,
заполняющих мир, именно то радиоизлучение, которое несет с
собой необходимую информацию.
После второй мировой войны электронные лампы стали
заменяться на крохотные полупроводниковые кристаллы.
Внедряя в кристалл примеси-добавки, удалось создать в нем области,
заменившие собой катод, анод и сетку электронных ламп.
Путешествие в страну умелых лилипутов продолжалось.
Вскоре в одной полупроводниковой пластинке стали получать
большие электронные схемы, состоящие из тысяч выпрямителей,
сопротивлений, электронных ламп. Большой оптический
микроскоп превратился в самый необходимый прибор на
электронных заводах. Появились радиоприемники, умещавшиеся в
спичечный коробок или даже... в булавку для заколки галстука.
А в авторучке теперь можно было разместить целую
радиостанцию: радиопередатчик, приемник и источник электроэнергии —
крохотные, похожие на пуговички, электрохимические батарейки.
Мощность радиопередатчиков и чувствительность
радиоприемников все время возрастала, но осуществить свою мечту —
обогнуть земной шар с помощью радиоволн — ученые не смогли
бы, если бы не помощь... самой Природы.
Под влиянием энергичных заряженных частиц, летящих от
Солнца и от других звезд, под действием ультрафиолетового
излучения в самых верхних слоях атмосферы Земли на высоте
от 100 до 300 километров образовался слой ионизированного
газа. Вращаются в магнитном поле Земли свободные электроны,
отщепленные от атомов, и протоны — ядра водорода, альфа-
частицы — ядра гелия, ионы некоторых других газов,
составляющих воздушную оболочку Земли.
Этот слой получил название ионосферы, и, как выяснили
ученые, от него прекрасно отражаются короткие радиоволны
(с длиной волны от 10 до 100 метров). Отражаются, как от
полированной металлической пластинки... Ведь недаром
ионосфера проводит электрический ток!
Многократно и попеременно «отталкиваясь» от ионосферы
и от поверхности Земли, короткие радиоволны свободно огибают
земной шар, позволяют соединить устойчивой радиосвязью самые
отдаленные уголки нашей планеты.
Природа удивительно часто помогает изобретателям новых
приборов и устройств. Видимо, потому, что сама Природа —
совершенное создание, возникшее в результате строгого и
длительного (в течение миллионов лет) отбора лучших
биологических и технических решений из множества «проектов»,
поступивших на конкурс...
НЕВИДИМЫЕ ПАЧКИ ГАЗЕТ
ПРОНОСЯТСЯ
МИМО НАС
Создан телефон, найдены способы осуществления дальней
радиосвязи. И конечно, вполне естественным кажется желание
ученых соединить эти изобретения: почему бы, например, с

помощью радиосвязи не передавать на большие расстояния и
звуки человеческого голоса? Ведь удалось же соединить телеграф
и радиосвязь — электрические точки и тире военных сообщений
«полетели» по воздуху с корабля на корабль...
Вибрации мембраны телефонной трубки под влиянием
человеческого голоса, однако, создают в цепи электрические колебания
такой низкой частоты, что они практически не переходят в
переносимые в пространстве радиоволны.
Положение казалось безвыходным, и все же изобретательная
человеческая мысль нашла удивительно красивое решение: ученые
стали смешивать электрические колебания двух сортов — идущие
от обычного радиопередатчика и от телефонной трубки. Форма
высокочастотных радиоволн изменялась в строгом соответствии
с тем, какие звуки рождали низкочастотные электрические
колебания, с которыми им приходилось «соединяться» по воле
исследователей. Звуковые колебания помчались во все края земли на
«спине» быстрых и вездесущих радиоволн...
В радиоприемнике, получившем смешанный радиосигнал,
происходит «разъединение» двух колебаний — и
низкочастотные звуковые колебания, будто сойдя с быстроходного иноходца,
доставившего их по месту назначения, вновь занимаются своим
обычным делом: под их влиянием начинает вибрировать мембрана
в динамике радиоприемника, точно воспроизводя звуки того
голоса, который послал их в далекое путешествие.
Вскоре были изобретены фототелеграф и телевизор. В обоих
изобретениях радиоволны выполняют роль нервных импульсов,
переносящих зрительные сигналы от глаз к мозгу. Только вместо
глаз — передающие телевизионные трубки...
Световые лучи, отраженные от предметов, людей, книжного
и газетного текста, попадают на экран передающей
электроннолучевой трубки. Экран, покрытый фоточувствительным слоем,
под действием света начинает неравномерно «излучать»
электроны. На месте электронов, покинувших экран, остается
положительный заряд, величина которого зависит от количества света,
попавшего на тот или иной участок экрана. Возникает невидимая
электронная мозаика!
Другой поток электронов, встречный, вылетающий из особого
источника — «электронной пушки», находящейся внутри трубки,
быстро пробегает по экрану, «запоминая» созданную на нем
картину заряженных и незаряженных участков.
Изменения в интенсивности быстро бегущего по экрану
электронного луча, вызванные различием в величине электрического
заряда отдельных мест фоточувствительного слоя, превращаются
затем в колебания радиоволн и переносятся к телевизионным
приемникам, установленным в далеких квартирах и домах. Здесь
электронный луч, послушно повинуясь команде радиоволн,
прочерчивает на покрытом люминофором экране картину,
«увиденную» камерой оператора за много километров от нашего дома...
Точно таким же способом сейчас бесшумно и быстро
переносятся из Москвы на Север, в Среднюю Азию или на Дальний
Восток тексты большинства газет, выходящих в столице. Через
несколько часов после фототелеграфной передачи отпечатанные
газеты уже разносятся почтальонами в самых труднодоступных
уголках нашей страны. И часто путь почтальона оказывается
более длительным, чем время, затраченное газетой на дорогу из
далекой Москвы!
Спешат, летят в воздухе мимо нас радиоволны, несущие целые
столбцы газетных строк, а мы их совсем не замечаем, да чаще
всего и не задумываемся над этим удивительным явлением. Еще
одно из чудес нашего века, к которому мы быстро привыкли...
Нежные краски
этих букетов
лучше рассматривать
в безмолвии,
хотя работы физиков
нашего времени
показали,
что звук и свет
далеко не так мешают
друг другу,
как кажется
на первый взгляд.
Свет может
переносить звук,
а сгущения
и разрежения воздуха,
создаваемые звуком,
помогают направлять
путь луча
в необходимую сторону

Радиоволны несут (в буквальном смысле на себе) не только
звук, но и свет, новости, знания. Радиосвязь в тысячу раз
увеличила чувствительность человеческого уха и зоркость глаза.
Сравнительно недавно физики научились переносить звуки на
далекие расстояния не только благодаря радиоволнам, но и с
помощью световых лучей. Форму световых лучей, оказывается,
тоже можно изменить под действием электрических колебаний
звуковой частоты.
Свет еще быстрее, чем радиоволны, понесет человеческий
голос во все концы Земли. Частота световых волн во много раз
выше, чем радиоволн: у радиоволн — это сотни и тысячи
колебаний в секунду, а у света — миллионы и миллиарды! Свет сможет
доставить к месту назначения значительно больше телефонных
разговоров и телеграфных сообщений за одно и то же время.
Лучше всего такой «говорящий» луч посылать, как мы упоминали
в предыдущей главе, по световоду, проложенному под землей.
Обнаружена еще и такая связь: световые лучи будут
отклоняться, встретившись в воздухе со... звуком. Это можно легко
понять, ведь звуковые волны создают скопления и разрежения
воздуха, и показатель преломления воздуха в пространстве при
этом периодически изменяется. Возникла новая область
физики — оптоакустическая электроника...
Физики нашего времени, изучая свойства света и звука,
создают новые, все более удобные для человека приборы и
устройства. Писатели и поэты, не менее наблюдательные, чем ученые,
выражают свои впечатления образными сравнениями, соотнося
свойства явлений, обнаруженных в Природе, с особенностями
человеческого восприятия.
Современный сатирик Феликс Кривин однажды тонко и
справедливо заметил: «Скорость звука не поспевает за скоростью
света, поэтому лучшие краски видны в безмолвии, а лучшие звуки
слышны в темноте!» Вероятно, в большинстве жизненных случаев
Феликс Кривин совершенно прав...
ТАМ, ГДЕ ЗВУК
БЫСТРЕЕ
СВЕТА
«Темно, как у кита в животе», «темно, как на дне морском»,—
как часто мы в детстве слышим эти пугающие слова и верим им.
Даже небольшой детский жизненный опыт убеждает нас в этом:
в воде пруда, заросшей речки, в море у пляжа становится темнее,
когда опускаешься на неглубокое дно, затаив на несколько секунд
дыхание.
Что же тогда говорить о бездонных океанских и морских
пучинах, куда не проникает ни один луч света? Ведь средняя глубина
океана вдали от берега составляет 4—5 километров, а уже на
глубине 100 метров в океане практически темно — лишь
сине-зеленые лучи, ослабленные в тысячи раз, достигают этих слоев.
Недаром многие глубоководные рыбы обзавелись своими
собственными светлячками-фонариками, чтобы освещать себе
дорогу в непроглядной тьме!
В первые десятилетия нашего века ученые, которым хотелось
изучить рельеф океанского дна, прибегали к помощи
проволочного лота — грузика, опускаемого с корабля на тросе. Ведь свет
был бессилен просверлить взглядом такую толщу воды...
И здесь на помощь исследователям неожиданно пришел звук.
Оказалось, что он распространяется в воде с довольно приличной
скоростью — например, на глубине 1,5 километра в океане при

температуре 8—10° С скорость звука составляет в среднем около
1500 метров в секунду. Причем с увеличением глубины скорость
звука даже растет!
В 1946 году советские физики Л. М. Бреховских и Л. Д. Ро-
зенберг обнаружили явление сверхдальнего распространения
звука в морской воде. Ученые объяснили это удивительное
явление слоистым строением океанов и морей. По мере «углубления»
в океан происходит изменение солености воды, меняется
показатель преломления воды. Благодаря этому отдельные слои в океане
образуют подводные звуковые каналы, по которым звук низких
частот может, попеременно отталкиваясь от стенок канала,
распространяться в океане на многие тысячи километров. Как это
похоже на путешествие светового луча по световоду!
В 1970 году во время научной экспедиции в Атлантику
советские ученые, возглавляемые академиком Л. М. Бреховских,
открыли существование в океане громадных, диаметром до 300—
500 километров, подводных вихрей, подобных циклонам и
антициклонам в атмосфере, от которых так сильно зависит погода
в различных частях земного шара.
Океан оказался совсем не таким простым и однообразным,
каким его представляешь себе, когда разглядываешь залитое
ровной голубой краской водное пространство на глобусе или карте
земного шара. А залито ни много ни мало — целых 70% земной
поверхности!
С помощью эхолотов, посылая сильные звуковые сигналы
с борта корабля и регистрируя отраженную звуковую волну,
ученые смогли в удивительно короткие сроки — за два-три
десятилетия — составить подробные карты рельефа океанов и морей.
Ультразвук бесшумно,
безболезненно и,
главное,
совершенно безвредно
для организма
человека
помогает установить
диагноз заболевания
или обнаружить
дефекты
механизмов и машин,
скрытые
в толще материала.

Выяснилось, в частности, что почти посередине всех океанов
проходят громадные горные цепи. Эти цепи-хребты возвышаются
на несколько километров над средним уровнем дна океана и
иногда даже поднимаются над водой. Вероятно, не все жители
Азорских островов в Атлантике знают, что они живут на самом
деле не на островах, а на высоких вершинах
Срединно-Атлантического хребта, проходящего по дну Атлантического океана
между Америкой и Африкой!
Как и у видимых световых волн, у звука тоже нашлись
невидимые близнецы-спутники: ультразвук и инфразвук. Ухо
человека различает звуковые волны с частотой колебаний от 20 до 20 000
в секунду. Мы не слышим как более частые колебания —
ультразвуковые, так и более медленные — инфразвуковые.
Однако многие животные и птицы (возможно, чтобы скрыть
свои передвижения от человека!) пользуются звуками, которые
мы не слышим. Хорошо известен пример летучих мышей,
имеющих ультразвуковой локатор: посылая и ловя отраженные от стен
и веток деревьев ультразвуковые волны, летучие мыши легко
огибают самые тонкие и мелкие препятствия в кромешной
тьме.
Природа часто наделяет свои создания самыми
неожиданными «приборами». Многие слышали о четырехглазых рыбах, но,
наверное, менее известно, что, например, у кузнечика уши
расположены... на его широко расставленных ногах. Это кажется нам
странным, но, вероятно, такое техническое решение наиболее
разумно: расположи Природа органы восприятия звука на
крохотной головке кузнечика, насколько труднее было бы ему
узнавать, с какой стороны приближается опасность!
Инженеры и изобретатели наших дней нашли ультразвуку и
инфразвуку самые разнообразные применения. Инфразвук
оказался очень удобен для дальней подводной связи, для быстрого
обнаружения препятствий под водой. Ультразвук очень хорошо
очищает поверхность любых кристаллов от мельчайших
загрязнений, дробит руду, «видит» скрытые раковины и дефекты в
металлах и сплавах, проникает сквозь ткани человеческого тела,
помогает получать объемное изображение внутренних органов
человека. Ультразвуку в этом «идет навстречу» само строение
человеческого организма — границы между сосудами и кровью,
между опухолью и нормальной тканью по-разному отражают
ультразвук, позволяя заметить тонкие изменения в структуре и
расположении внутренних органов. При этом ультразвук
совершенно безвреден для человеческого организма.
У всевидящего рентгеновского излучения, которым все же
нельзя злоупотреблять, появился друг-соперник.
Ультразвуковые анализы врач может, если это покажется ему
необходимым, делать без всяких последствий для здоровья больного
несколько раз в день...
ОГЛЯДЫВАЯСЬ
НАЗАД
Много нового узнали люди об окружающем мире с тех пор,
когда впервые удалось обнаружить невидимые лучи. Человечество
научилось избавляться от вредных невидимых лучей и с
удивлением обнаружило, что Природа уже миллионы лет делает то же
самое. Чаще, правда, невидимые лучи оказывались полезными
и незаменимыми помощниками, и сейчас трудно себе представить
время, когда люди не знали об их существовании.

Конечно, нельзя сказать, что нам знакомы уже все свойства
невидимых лучей. Особенно беспокоит сейчас физиков, медиков
и биологов, что мы довольно мало знаем о влиянии невидимых
лучей на организм человека.
Некоторые высокочастотные колебания, специально
сфокусированные, могут нагреть внутри больного человека опухоль до
гибельной температуры в 42—44°С, оставив холодными
окружающие ткани.
Это замечательное открытие последних лет, сделанное
физиками и врачами, возможно, обещает в будущем человечеству
избавление от страшного и безжалостного противника —
раковых болезней.
Ну, а как действуют на человеческий организм остальные,
более спокойные невидимые излучения? Ведь ими буквально
пронизано воздушное и безвоздушное пространство.
Инфракрасные лучи передают тепло, радиоволны — знания, ультразвук
позволяет заглянуть внутрь тела человека...
Будем надеяться, что невидимые лучи будут всегда приносить
человеку только пользу. Ведь сейчас невидимые лучи в надежных,
знающих руках специалистов.
Физики очень любят стихи, и многим из них наверняка
приходилось читать строки, написанные еще в XVI веке выдающимся
армянским поэтом Наапетом Кучаком:
Похож невежда на огонь —
где упадет, там и сожжет,
А умный — чистая вода,
где ни пройдет — все зацветет.
Будем же благодарны тем, кто раскрыл перед нами
многоцветье невидимых лучей.
На могильном постаменте Вильяма Гершеля высечена
надпись по-латыни, которая так звучит в русском переводе: «Он
сломал засовы небес». Гершель сознавал, что ему первому
удалось обнаружить за пределами нашей Солнечной системы
множество других систем со своими собственными солнцами. Он
впервые предложил использовать такую удобную для астрономии
и оригинальную единицу измерения расстояний, как световой
год — путь, который луч света пролетает во Вселенной за год
непрерывного путешествия. Он открыл планету Уран и 2500
туманностей. И вероятно, никогда Вильям Гершель не думал, что
скромный опыт с цветной полоской солнечного спектра и
несколькими термометрами, позволивший доказать существование
невидимых лучей, будет едва ли не чаще вспоминаться
потомками, чем его блестящие астрономические открытия.

Будет ли луч света иначе преломляться
в наэлектризованном стекле или воде?
м. в. ломоносов
Девятнадцатый век оказался счастливым для физиков. В
первые годы XIX века были опубликованы работы об открытии
инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, а последние годы
ознаменовались обнаружением радиоволн, рентгеновских лучей и
радиоактивного излучения. Прекрасное семейство невидимых
лучей заметно пополнилось!
Исследования в этой области проводились напряженно и
неустанно, но физиков не оставляла беспокойная мысль: чем же
объединены столь различные и в то же время похожие виды
излучений?
ОБРУЧАЛЬНОЕ КОЛЬЦО,
СТАВШЕЕ
ЗНАМЕНИТЫМ
Необычным было первое газетное сообщение о лучах,
открытых профессором Рентгеном, напечатанное венской газетой
«Новая свободная пресса» 3 января 1896 года. За словами
«сенсационное открытие» следовало не только описание исторических
опытов Рентгена, но и снимок кисти руки, похожей на... кисть скелета.
На средней фаланге безымянного пальца можно было разглядеть
силуэт обручального кольца.
Кисть сфотографированной руки, как вскоре выяснили
корреспонденты газеты, принадлежала жене профессора — Берте
Рентген. Ей первой рассказал Рентген об удивительных лучах,
и ее руке была предоставлена честь самым простым и
убедительным образом показать, как беспрепятственно проникают новые
лучи сквозь человеческое тело, останавливаясь только перед
костной тканью. Невидимые лучи позволяют увидеть невидимое —
строение скелета, скрытого кожей и мягкими тканями!
Меньше двух месяцев отделяло газетное сообщение от того
памятного вечера 8 ноября 1895 года, когда Рентген спустился
перед сном немного поработать в свою лабораторию в
Физическом институте австрийского города Вюрцбурга. Лаборатория
помещалась этажом ниже квартиры профессора, расположенной
в том же здании.
В темноте лаборатории рядом с разрядной трубкой слабо
светился люминесцентный экран, покрытый кристаллами платино-
синеродистого бария. На экран не падал свет, да и трубка была
закрыта черным колпаком из окрашенного картона.
В этот момент Рентген вспомнил, что днем забыл выключить
разрядную трубку. Щелчок выключателя, трубка погасла, и...
с нею вместе погас экран.
Что же за таинственные лучи, свободно проходившие через
черный картонный колпак, испускала трубка? Рентген снова
включил электропитание и стал отодвигать экран от трубки, но
на расстоянии 1,5—2 метра экран продолжал светиться.

Разрядная трубка представляет собой простое устройство:
в откачанный стеклянный сосуд впаяны с противоположных
концов два металлических электрода. Когда между электродами
создается достаточно большое напряжение, вспыхивает разряд.
Внутрь сосуда можно напустить чуть-чуть азота, кислорода или
просто оставить там немного воздуха. От положительного
электрода, анода, почти до самого отрицательного электрода, катода,
тянется фиолетовый столб светящихся газов.
Исследователи давно заметили, что стекло рядом с темным
катодом тоже светится. Видимо, во время разряда из катода
выходят какие-то лучи, под энергичным потоком которых даже
стекло начинает излучать свет. Если в этом месте впаять в стекло
лепесток алюминия, то лучи, испускаемые катодом, можно
выпустить наружу и изучить их свойства. Оказалось, что катодные
лучи распространяются прямолинейно и отклоняются лишь в
магнитном поле, притягиваясь положительным полюсом магнита.
Рентген еще не знал убедительного вывода, который сделает
через два года глава английской школы физиков Дж. Дж. Томсон:
катодные лучи — поток заряженных отрицательных электронов,
выбиваемых при разряде в трубке с поверхности катода. Но
Рентгену было хорошо известно, что катодные лучи могут пролететь
в воздухе лишь немногим больше сантиметра. Нет, не они
заставляют светиться экран.
Световое излучение стекла, возникавшее под действием
катодных лучей, тоже не попадало на экран: его полностью поглощал
черный колпак. Значит, катодные лучи заставляют стекло
испускать какие-то совсем иные лучи, обладающие большой энергией
и проникающей способностью?
Портрет В. Рентгена.
Он сделал
для медицины,
вероятно, больше,
чем любой другой
физик в истории науки.
Первый в мире
рентгеновский снимок,
запечатлевший кисть
руки жены Рентгена
с обручальным кольцом.
Слева — вакуумные
трубки с впаянными
металлическими
электродами.
Используя их,
Рентген обнаружил
новые лучи.

СЕМЬ
БЕССМЕРТНЫХ
НЕДЕЛЬ
Нам трудно сейчас воссоздать ход мыслей Рентгена вечером
8 ноября 1895 года, но его действия совершенно определенно
говорят об одном: ученый отчетливо понял, что он на пороге
открытия огромного научного и практического значения.
Рентген работал почти круглосуточно в течение семи недель.
За эти дни и ночи он успел сделать столько, что последующие
десятилетия исследований не смогли прибавить что-либо
существенное к свойствам изученных им икс-лучей. Такое скромное
название дал Рентген новым невидимым лучам. Очень скоро весь
мир справедливо стал называть их по-другому: рентгеновскими
лучами.
Рентген обнаружил, что открытые им лучи свободно проходят
через книгу, стекло, деревянный ящик, колоду карт.
Вероятно, самым волнующим был момент, когда Рентген
поднес к разрядной трубке зажатый между пальцами кусок
станиоля — бумаги, покрытой тонким слоем олова, и увидел на
светящемся экране изображение кисти своей руки. Кисть на экране
повторяла все движения живой кисти. В этот момент родилось
наиболее известное практическое применение рентгеновских
лучей — просвечивание тела человека в медицинских целях.
Рентген заменил светящийся экран фотопластинкой и
научился фотографировать предметы в рентгеновских лучах. Он сделал
много интересных фотографий: латунные гири были отчетливо
видны сквозь деревянный ящик, в котором они лежали; Рентген
снимал свой кабинет через закрытую дверь, и на снимке можно
разглядеть физические приборы.
Перед самым Новым годом, 28 декабря 1895 года, Рентген
решил познакомить своих коллег с проделанной работой.
На тридцати страницах он описал выполненные опыты,
отпечатал статью в виде отдельной брошюры и разослал ее вместе
с фотографиями ведущим физикам Европы.
Несмотря на скромное название, которое дал своей статье
Рентген: «О новом роде лучей. Предварительное сообщение»,
она вызвала огромный интерес в разных странах. Венский
профессор Экспер сообщил об открытии новых невидимых лучей в
газету «Новая свободная пресса». В Санкт-Петербурге уже 22
января 1896 года опыты Рентгена были повторены во время лекции
в физической аудитории университета. В рентгеновских лучах
была сфотографирована рука одного из присутствующих, и к
концу лекции проявленная фотопластинка была всем показана.
Брошюру Рентгена в течение нескольких дней перевели на
русский язык и опубликовали. В Америке в городе Дортмунде 20
января 1896 года врачи впервые увидели сквозь кожу перелом руки
больного, имя и фамилию которого история для нас сохранила:
Эдди Мак-Карти.
Фотографии, сделанные в рентгеновских лучах, заполнили
газеты и научные журналы. Фотографии поразительные,
полезные и иногда курьезные. Человек, раненный на охоте в руку
случайным выстрелом, мог разглядеть на снимке между фалангами
пальцев многочисленные дробинки. На снимке ноги человека в
ботинке видны кости и... гвозди в каблуке. А однажды врачи
долго не верили своим глазам: на рентгеновском снимке желудка
ребенка отчетливо проступил проглоченный им... металлический
игрушечный кораблик.

БЕСЦЕННЫЙ
ДАР
Скромный, сдержанный и немногословный профессор Рентген
стал знаменитостью. Он соорудил в лаборатории большой
цинковый ящик-шкаф, в котором на уровне роста человека было
сделано единственное окошко, да и то закрытое фольгой из алюминия.
На полке внутри шкафа лежал лист картона, покрытый слоем
люминофора, и толстая книга. Своим многочисленным
посетителям Рентген предлагал зайти в шкаф, в полной темноте найти лист
картона и поднести его к алюминиевому окошку. За окном
Рентген включал разрядную трубку. Лист картона начинал светиться.
Между окном и картоном оставалась толстая книга, но свечение
по-прежнему было ярким!
Рентген не взял патента, подарив свое открытие всему
человечеству. Это дало возможность конструкторам разных стран
мира изобретать разнообразные рентгеновские аппараты.
Врачи хотели с помощью рентгеновских лучей узнать как
можно больше о недугах своих пациентов. Вскоре они смогли
судить не только о переломах костей, но и об особенностях
строения желудка, о расположении язв и опухолей. Обычно желудок
прозрачен для рентгеновских лучей, и немецкий ученый Ридер
предложил кормить больных перед фотографированием... кашей
из сернокислого бария. Сернокислый барий безвреден для
организма и значительно менее прозрачен для рентгеновских лучей,
чем мускулы или внутренние ткани. На снимках стали видны
любые сужения или расширения пищеварительных органов человека.
Рентген в своих опытах выяснил, что металлы еще более
активно, чем стекло, испускают рентгеновское излучение, когда
на них направлен поток катодных лучей — электронов. В
современных рентгеновских трубках поток электронов излучает
раскаленная вольфрамовая спираль, против которой расположен
антикатод из тонких пластинок железа или вольфрама. Из
антикатода электроны выбивают сильный поток рентгеновских лучей.
В кровь больных
вводят вещества,
активно поглощающие
рентгеновские лучи.
И врач видит на экране
рентгеновского
аппарата места
закупорки и
расширения сосудов.

Еще более мощные источники лучей Рентгена были найдены
совсем недавно вне пределов Земли. В недрах новых и сверхновых
звезд идут процессы, во время которых возникает рентгеновское
На рентгеновской
фотографии,
сделанной с борта
орбитальной
космической станции,
видна излучающая
рентгеновские лучи
серебристая
солнечная корона
на фоне непривычно
темного Солнца.
излучение большой интенсивности. Измеряя приходящие к Земле
потоки рентгеновского излучения, астрономы могут судить о
явлениях, происходящих за многие миллиарды километров от
нашей планеты. Возникла новая область науки —
рентгеноастрономия...
Ученые обнаружили, что в окружающей Солнце серебристой
оболочке-короне скорость электронов достигает величин,
характерных для вещества, разогретого до миллиона градусов! А если
есть быстрые энергичные электроны, то при их соударениях с
солнечным веществом должно возникать рентгеновское
излучение. Предположения исследователей оправдались —
чувствительная аппаратура зарегистрировала, что от короны Солнца
мчится к Земле заметный поток рентгеновских лучей.
Установленные на орбитальных космических станциях
приборы теперь внимательно ловят не только ультрафиолетовое,
видимое и инфракрасное излучение далеких звезд, но и рентгеновские
лучи, исходящие от них.
Недавно удалось сфотографировать корону Солнца в
рентгеновских лучах, запечатлеть на фотографии рентгеновское
излучение короны. Это было сделано с борта космического корабля—
атмосфера Земли практически непрозрачна для таких лучей.
На фоне светлой короны, похожей на морскую звезду, видны
темные разрывы — ранее неизвестные ученым дыры в короне
Солнца. Само Солнце не испускает рентгеновских лучей, и если
бы короны не существовало, на рентгеновских фотографиях был
бы запечатлен непривычный для глаз совершенно темный диск
Солнца. Разрывы в короне отчетливо видны на полученных
фотографиях благодаря тому, что за короной находится темное
Солнце. О природе возникновения разрывов в короне идут оживленные
научные дискуссии...

ЛУЧШИЙ НА СВЕТЕ
ОПТИК —
ПРИРОДА
Вскоре после открытия Рентгена физики начали склоняться
к мысли, что рентгеновские лучи очень похожи по своим
свойствам на обычные оптические лучи, только у них длина волны
меньше. Если длина волны зеленого света составляет 0,55 микрона,
то длина волны рентгеновских лучей, видимо, в несколько тысяч
раз меньше!
Чтобы доказать эти теоретические прогнозы, необходимо
подтвердить, что лучи Рентгена могут преломляться, огибать
препятствия, взаимодействовать друг с другом, как это делают
обычные оптические лучи. Вот если бы удалось с помощью каких-
либо удивительных крошечных призм или дифракционных
решеток получить спектр рентгеновских лучей!
В 1912 году ученика Рентгена Макса Лауэ озарила идея:
дифракционной решеткой для рентгеновских лучей могла бы
стать пластина кристаллов. Промежутки между атомами,
образующими кристалл, сравнимы с предполагаемой длиной волны
рентгеновских лучей. Атомы в кристалле расположены
упорядочение, образуя стройные шеренги и колонны. Ряды атомов
чередуются с той же регулярностью, что и штрихи на стекле в
дифракционной решетке. Сама Природа создала оптические приборы
для рентгеновских лучей!
В экспериментальной проверке этой удачной идеи Максу Лауэ
помогали Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг. Используя
разрядную трубку и несколько свинцовых экранов с маленькими
отверстиями, ученые получили узкий пучок рентгеновских лучей
и направили его по очереди на кристаллы различных материалов:
сульфида цинка, поваренной соли, сульфата никеля.
Фотопластинку сначала расположили перед кристаллами, но отраженного
потока рентгеновских лучей не обнаружили. Затем поставили
фотопластинку за кристаллами, проявили ее и увидели
симметричный узор из мелких темных пятен, расположенных вокруг
сравнительно большого центрального пятна. По расчетам,
сделанным Лауэ, именно такой должна быть картина дифракции,
огибания рентгеновскими лучами сложной пространственной
решетки, состоящей из многих атомов!
Прошел еще один год, и в 1913 году Г. В. Вульф в России, отец
и сын Брэгги в Англии повторили опыты Лауэ и его друзей с одним
существенным изменением: они направили рентгеновские лучи
на кристаллы под разными углами к их поверхности. Сравнение
рентгеновских изображений, полученных при этом на
фотопластинках, позволило исследователям точно определить расстояния
между атомами в кристаллах.
Так в физику пришли два фундаментальных научных факта:
рентгеновские лучи обладают такими же волновыми свойствами,
как и световые лучи; с помощью рентгеновских лучей можно
исследовать не только внутреннее строение человеческого тела,
но и заглянуть в глубь кристаллов.
По рентгеновским снимкам ученые теперь могли легко
отличить кристаллы от аморфных тел, обнаружить сдвиги цепочек
атомов в глубине непрозрачных для света металлов и
полупроводников, определить, какие изменения в структуре кристаллов
происходят при сильном нагревании и глубоком охлаждении, при
сжатии и растяжении.
Техника XX века не могла бы без рентгеновского анализа
получить в свое распоряжение то великолепное созвездие
разнообразных материалов, которыми она располагает сегодня.

Разнообразны по
форме
и окраске природные
и искусственные
кристаллы,
среди которых
выделяются красные
стержни рубина,
выращенного
в лаборатории.
Определить структуру
любого кристалла
можно с помощью
рентгеновских
фотографий.
Благодаря возможности разглядеть то, что происходит внутри
твердого тела, исследователи поняли причины многих
«странностей» в поведении материалов, которые до тех пор казались
необъяснимыми. Пузырьки воздуха в сварном шве, глубинная
трещинка в уставшем металле, следы быстрой заряженной
частицы в полупроводниковом кристалле стали видны как на
ладони.
Здесь, вероятно, уместнее всего вспомнить слова римского
поэта Вергилия, которые любил повторять Томас Юнг: «Счастлив
тот, кто сумел вещей постигнуть причины...»

СЛАВА
ПЛОХОЙ
ПОГОДЕ!
Открытие Рентгена замечательно не только появившейся
возможностью понять строение вещества и многочисленными
практическими применениями.
Это открытие взбудоражило мысль ученых, уже было
решивших, что здание физики построено и в Природе больше нет ничего
не известного человеку.
Взволнован был сообщением об обнаружении рентгеновских
лучей и член Французской Академии Беккерель. Тот Беккерель
«Третий», в котором потомственная страсть к науке победила
инженерные увлечения.
Анри Беккерель, как и Френель, сначала работал дорожным
инженером, но вскоре увлекся, подобно своему отцу и деду,
научными исследованиями. В 35 лет Анри Беккерель защищает
докторскую диссертацию, в 40 лет становится профессором. Он
изучает явление флуоресценции. Ему очень хочется разгадать
природу таинственного свечения некоторых веществ под
влиянием солнечного излучения. Беккерель собирает огромную
коллекцию светящихся химических веществ и природных
минералов.
Слушая сообщение об опытах Рентгена на заседании
Французской Академии 20 января 1896 года и наблюдая за
демонстрацией возникновения рентгеновских лучей в разрядной трубке,
Беккерель неотрывно смотрит на зеленоватое светящееся пятно
на стекле около катода. Его преследует неотступная мысль: может
быть, свечение образцов его коллекции тоже сопровождается
испусканием рентгеновских лучей? Ведь если эти два явления
неразрывно связаны, то рентгеновские лучи можно будет
получать, не прибегая к помощи разрядной трубки!
Несколько дней Беккерель обдумывает намеченный им
эксперимент, затем выбирает из своей коллекции двойную сернокислую
соль урана и калия, спрессованную в небольшую лепешку, кладет
соль на фотопластинку, спрятанную от света в черную бумагу,
и выставляет пластинку с солью на солнце. Под влиянием
солнечных лучей двойная соль стала ярко светиться, но на
защищенную фотопластинку это свечение не могло попасть. Беккерель
едва дождался момента, когда фотопластинку можно было
достать из проявителя. На пластинке явственно проступало
изображение лепешки из соли. Неужели все верно, и соль в ответ на
облучение солнечными лучами испускает не только свет, но и
рентгеновские лучи?
Беккерель проверяет себя еще и еще раз. 26 февраля 1896 года
настали пасмурные дни, и Беккерель с сожалением прячет
приготовленную к эксперименту фотопластинку с солью в стол. Между
лепешкой соли и фотопластинкой на этот раз он положил
маленький медный крестик, чтобы проверить, пройдут ли сквозь него
рентгеновские лучи.
Вероятно, немногие открытия в науке обязаны своим
происхождением плохой погоде. Если бы конец февраля 1896 года в
Париже был солнечный, не было бы обнаружено одно из самых
важных научных явлений, разгадка которого привела к
перевороту в современной физике...
1 марта 1896 года Беккерель, так и не дождавшись появления
солнца на небе, вынул из ящика ту самую фотопластинку, на
которой несколько дней пролежали крестик и соль, и на всякий случай
проявил ее. Каково же было его удивление, когда он увидел на
проявленной фотопластинке четкое изображение и крестика, и

Портрет
Анри Беккереля
и знаменитая
фотопластинка
с темным следом,
оставленным
неизвестным
еще излучением
кусочка урановой соли.
лепешки с солью! Значит, солнце и флуоресценция здесь ни при
чем?
Как и Рентген за полгода до этого, Беккерель провел
несколько недель в лихорадочной самозабвенной работе. Он перепробовал
все вещества своей коллекции, проверив их способность испускать
неведомое излучение как на солнце, так и в темноте. Вывод
Беккереля был однозначным: излучают только те химические
соединения и минералы, в которых содержатся соли урана. Какая
удивительная удача, что он выбрал для первого же опыта вещество,
содержащее соль урана!
Веру Беккереля в связь между флуоресценцией и
возникновением рентгеновских лучей окончательно разбил один из его
последних экспериментов в ту прекрасную парижскую весну:
неведомые лучи излучали сильнее всего не соли урана, а сам уран,
который никогда не светился на солнце!
ВСЕ ДОРОГИ
ВЕДУТ...
К ЧЕЛОВЕКУ
Беккерелю стало ясно, что редкостная случайность, вернее,
цепочка случайностей, которая, как известно, помогает только
настойчивым, пытливым и подготовленным умам, позволила ему
открыть невидимое излучение. Последователи и продолжатели
работ Беккереля — супруги Кюри — назовут это излучение
радиоактивным, а дальнейшее изучение Резерфордом, Бором,
Ферми, Жолио-Кюри и Курчатовым этого излучения и его
воздействия на вещество приведет к расшифровке строения атома и
атомного ядра, к высвобождению из недр материи спрятанных в ней
необъятных сил — атомной энергии.
Радиоактивное излучение, как и лучи Рентгена, с самого
начала своего появления на свет оказалось связанным с
медициной.
Однажды перед лекцией Анри Беккерель зашел в лабораторию
Пьера Кюри и попросил у него радиоактивный препарат. Положив

коробку с препаратом в карман жилета, Анри Беккерель носил
его с собой целый день и вынул только под вечер. Через десять
дней на груди Беккереля (в месте, расположенном прямо против
жилетного кармана!) возникло красное пятно, которое скоро
превратилось в язву. Врачи с трудом через месяц смогли ее
залечить.
Пьер Кюри, как истинный и отважный исследователь, тут же
повторил, уже сознательно, непроизвольный опыт Беккереля на
себе самом.
Тот же самый результат...
Врач парижского госпиталя, которому Кюри рассказал о
случившемся, сделал вывод о том, что с радиоактивными
препаратами надо работать очень осторожно. Он подумал, что в небольших
дозах радиоактивное излучение будет даже полезным, позволяя
разрушать вредные для организма вещества. Ведь врачи давно
знают, что многие убивающие человека и животных яды,
принимаемые в небольших количествах, служат лекарствами!
Сравнение с ядами полностью оправдалось на практике.
Радиоактивное излучение прекрасно боролось с заболеваниями
кожи, и самое главное — разрушало клетки быстро растущих
опухолей на поверхности тела больных. Часто врачам удается
теперь с помощью радиоактивного излучения убивать клетки
опухолей и внутри организма. Чтобы не повредить при этом
здоровые ткани, иногда приходится пускаться на хитрость: кормить
пациента особой пищей с веществом, испускающим
радиоактивное излучение. Эти вещества легче всего накапливаются в
опухоли, где клетки больше и кровеносные сосуды шире. Радиоактивное
вещество, как троянский конь, пробравшийся в стан противника,
побеждает его изнутри...
У радиоактивных лучей, так же как у лучей Рентгена,
оказалось много сходства со светом, только длина волны их еще
короче.
Если длины волн рентгеновских лучей составляют от единиц
до нескольких десятков ангстрем, то радиоактивное излучение,
открытое Беккерелем, имеет длину волны от десятых до тысячных
долей ангстрема!
Пьер Кюри и Мари
Склодовская-Кюри
в лаборатории.

НА ДАЛЬНИХ
ПОДСТУПАХ
К «ПРИРОДЕ ВЕЩЕЙ»
Оба вида излучения роднит не только способность проникать
сквозь одежду, ткани, дерево, но и польза, которую они приносят
медицине; рентгеновское и радиоактивное излучения обладают
достаточной энергией, чтобы в одинаковой мере ионизировать
воздух! Отрывая электроны от атомов газов, составляющих
атмосферу Земли, эти излучения делают воздух немного
проводящим, состоящим из заряженных ионов.
Первые исследователи замечали эту особенность новых
невидимых лучей по опаданию листочков электроскопа — старинного
прибора, легкие лепестки которого под влиянием трения о воздух
и накопленного статического заряда поднимаются вверх. Как
только воздух под действием лучей Рентгена или Беккереля
становился проводящим, заряд с лепесточков прибора стекал на
землю, и они опадали, будто признаваясь в своем бессилии перед
могучим противником.
Все нагляднее проступало не только сходство невидимых
лучей со светом, но и их связь с электрическими явлениями.
Потоку электронов обязано рентгеновское излучение своим
возникновением; движение электронов в газе, в воздухе, в твердом теле
способно вызвать оно само...
О связи света и электричества ученые размышляли очень
давно. Ломоносов в России и Юнг в Англии обдумывали схемы
опытов, которые позволили бы однозначно доказать влияние света
и электричества друг на друга. Ломоносов был даже убежден,
что свет можно превратить в электричество. В его черновых
заметках есть запись: «Отведать в фокусе зажигательного стекла
или зеркала электрической силы». Опыт, который ученые успешно
осуществят лишь через два века!
Особенно много поводов для таких размышлений давало
открытое в 1670 году Эразмом Бартолином явление двойного
лучепреломления света в природных кристаллах углекислого кальция,
получивших название исландского шпата.
Большие прозрачные кристаллы этого минерала во времена
Бартолина находили в Исландии, откуда он и получил свое
название. Свет, проходя через эти кристаллы, давал не один, как
обычно, а два преломленных луча!
Даже в том случае, когда луч света падал в направлении,
перпендикулярном поверхности кристалла, внутри кристалла
появлялись два луча: один луч, получивший название обыкновенного
(он продолжал идти в том же направлении, что и падающий луч);
второй луч — необыкновенный — заметно преломлялся и лишь
по выходе из кристалла шел параллельно обыкновенному лучу.
По аналогии с цветами спектра ученые предположили, что оба
луча содержатся в исходном свете и благодаря каким-то особым
свойствам кристалла исландского шпата их удается разделить.
Ньютон, например, раздумывая над опытами Бартолина и
Гюйгенса (тоже много экспериментировавшего с исландским
шпатом), пришел к выводу, что частицы света, световые
корпускулы, очень похожи на крохотные магнитики, обладающие
полюсами. Свойства таких частиц, естественно, должны быть
различными в направлении, параллельном полюсам и перпендикулярным
к ним. Характеристики кристалла исландского шпата тоже
зависят от направления прохождения света через него. Он обладает,
как говорят кристаллографы, анизотропией. Именно поэтому
исландский шпат может разделить луч света на две
составляющие.

Ньютон больше не возвращался к вопросу о прохождении
света через анизотропные кристаллы. Видимо, он считал, что
фактов накоплено еще недостаточно для создания логичной теории
двойного лучепреломления. Но конечно, не объясненное до конца
явление не давало покоя ученым.
Сейчас нам кажется очень простым следующий шаг, который
был сделан в изучении двойного лучепреломления. Если
повернуть кристалл на определенный угол по отношению к падающему
лучу, можно добиться положения, когда один из лучей совсем
останется в веществе, а другой будет по-прежнему преломляться
и «уйдет» из кристалла. Ведь обыкновенные и необыкновенные
лучи по-разному преломляются!
Полное отражение света от границы раздела двух прозрачных
сред обязано своим происхождением очень похожему явлению,
как мы уже хорошо знаем.
Ведь именно оно позволило в середине XX века создать
тончайшие волокна — стеклянные провода для света...
Однако почти 150 лет прошло со времени открытия Бартолина,
прежде чем ученые обнаружили такую возможность.
Задумчиво
смотрят деревья
в зеркальную воду
маленького
овального пруда.
Ученые смогли
доказать,
что при отражении
от поверхности воды
и стекла
свойства света
значительно
изменяются.

КАК МНОГО
МОЖНО УВИДЕТЬ
В ОКНАХ ДВОРЦА!
Сделал этот шаг очень талантливый человек, которого звали
Этьен-Луи Малюс. Его занятия и увлечения были самыми
разнообразными: всесторонне образованный инженер, выпускник
Политехнической школы, Малюс в то же время писал стихи,
поэмы, трагедии, читал наизусть большие отрывки из Гомера,
Горация, Вергилия. Участвуя в военных походах Наполеона в
Египте, он обнаружил развалины старинного города; занимался
оптикой и... сочинял фразы — афоризмы, полные тонкого знания
человеческой природы. Вот, например, одна из них, записанная
на листке у походного костра: «Я не люблю людей, которые
взвешивают благодеяния».
Видимо, совсем не случайно, что именно таким разносторонне
подготовленным людям удается сделать замечательное
открытие.
В 1808 году Малюс жил на улице Анфер в Париже напротив
Люксембургского дворца. Однажды вечером, когда скользящие
лучи солнца освещали окна дворца, Малюс стал рассматривать
отраженные от окон блики солнечного света через кристалл
исландского шпата. Его поразило, что при некоторых
положениях кристалла он видел вместо двух преломленных лучей только
один!
Сначала Малюс решил, что замеченное им явление
объясняется переменчивым состоянием атмосферы, быстрыми и
внезапными изменениями в яркости солнечного света, обычно
незаметными для глаза.
Едва дождавшись наступления темноты, Малюс соорудил на
столе «сложную» оптическую систему, состоявшую из восковой
свечи, чаши с водой, угломера и кристалла исландского шпата.
Вот с какими приборами в прошлом веке можно было сделать
открытие!
Постепенно поднимая чашу, Малюс изменял угол падения
света восковой свечи на воду. Лучи света, отраженные от гладкой
поверхности воды, Малюс рассматривал через кристалл. Когда
угол падения лучей достиг 36°, в кристалле один из преломленных
лучей исчез. Чаша опустилась, угол падения увеличился — оба
луча, обыкновенный и необыкновенный, снова появились в
кристалле...
Малюс заменил чашу с водой на стеклянное зеркало — и
снова повторилась та же картина, но на этот раз лучи падали под
углом 35°, когда исчезал один из преломленных лучей.
Из этих опытов следовало, что диэлектрики — стекло, вода —
могут так изменить свойства отраженного света, что кристаллы
исландского шпата при освещении таким светом полностью
теряют способность к двойному лучепреломлению.
Конечно, ученым очень понравилось, что обыкновенный и
необыкновенный луч можно теперь отделить друг от друга, но
двойное лучепреломление сделалось от этого еще загадочнее.
Открытое явление Малюс назвал поляризацией. Лучи,
прошедшие кристалл исландского шпата или отраженные стеклом
или водой, Малюс стал именовать «поляризованными» лучами.
Возможно, при этом он вспомнил о полюсах, которыми Ньютон
наделил свои световые корпускулы...
Малюс вывел формулу и закон, применяемые до сих пор
для определения степени поляризации света, но установить
причину странных явлений, возникающих при отражении от
диэлектриков, не смог. Он несомненно чувствовал, что разгадка

заключается в связи света с электричеством. В связи, еще не
раскрытой во времена Малюса.
В конце своей короткой, насыщенной жизни (он умер от
чахотки, когда ему было 37 лет) Малюс писал: «...новые явления
приближают нас еще на один шаг ближе к истине, доказывая
недостаточность всех теорий, придуманных физиками для
объяснения отражения света».
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
ПРЕВРАЩАЕТСЯ
В СВЕТ
В разных странах Европы велось настойчивое изучение новых,
не до конца понятых физических явлений.
Замечательный русский ученый, академик Василий
Владимирович Петров сумел с помощью тонких опытов обнаружить
различие между биологической и химической люминесценцией,
между свечением живых организмов и неорганических веществ —
люминофоров, смог выяснить условия, при которых светлячки
в лесу сияют ярче, а люминофоры светятся дольше.
Восковые свечи,
керосиновые лампы,
мощные прожекторы,
шахтерские светильники,
уютные торшеры
объединены
общим названием —
источники света.

Создатель первой
электрической
лампочки с
угольной дугой
П. Н. Яблочков.
Свечение люминофоров становится более длительным и
интенсивным, если их предварительно облучить солнечным светом,
а излучение светлячков усиливается при воздействии кислорода
воздуха, доказал Петров еще в конце XVIII века!
В 1802 году Василию Владимировичу удалось сделать
открытие мирового значения. Сближая две угольные палочки,
соединенные с огромным вольтовым столбом (составленным из сотен
гальванических элементов), Петров впервые в мире наблюдал
возникновение дугового плазменного разряда между ними,
световую дугу ослепительно белого цвета, превращение электричества
в свет!
Петров прекрасно понимал практическое значение своего
открытия. В его сообщениях об этих опытах есть строчки,
объясняющие, что при приближении углей друг к другу возникает
«яркий белого цвета свет или пламя... от которого темный покой
довольно ясно освещен быть может».
В 1876 году русский изобретатель П. Н. Яблочков создаст
первую электрическую лампу, в центре которой между двумя
электродами будет гореть электрическая дуга... Как жаль, что в
начале XIX века труды русских ученых не переводились на
иностранные языки!
Академик С. И. Вавилов писал в своем очерке, что труды
В. В. Петрова, «...напечатанные на русском языке, оставались
неизвестными за границей потому, что там не понимали русского
языка, а в России — потому, что не понимали сути дела...».
Знаменитый английский химик сэр Гэмфри Дэви в 1808 году
тоже зажжет электрическую дугу, не подозревая о том, что он не
первооткрыватель...
УЧЕНЫЕ ТОЖЕ ЛЮБЯТ
ИГРАТЬ В КУБИКИ...
ИЗ КРИСТАЛЛОВ
Наступление на секреты природы продолжалось. Среди мно
гих минералов, найденных геологами, внимание физиков
привлекли зеленоватые кристаллы, называемые кристаллами
турмалина. При преломлении света в них тоже сначала возникали два
луча, но затем один из них — обыкновенный — почти полностью
поглощался в толще кристалла и через другую грань выходил на
свет лишь один луч — необыкновенный.
Необыкновенный луч легко проходил через турмалин только
в одном определенном направлении, совпадающем с осью
кристалла. Пропуская необыкновенный луч через второй кристалл
турмалина и поворачивая при этом кристалл вокруг оси, можно
было постепенно погасить и его. Получался плавный регулятор
яркого света, состоящий из двух небольших кристаллов!
Шотландский физик Уильям Николь в 1820 году, используя
явление, открытое Малюсом, изобрел составную призму,
склеенную из двух кристаллов исландского шпата. В линзе Николя
обыкновенный луч полностью отражается от границы двух
кристаллов и уходит через боковую грань призмы; необыкновенный
луч проходит прямо, в том же направлении, что и пучок белого
света, освещающий призму.
Ученые получили в свое распоряжение оба луча по
отдельности и теперь могли спокойно и детально исследовать их
свойства.

«ЧЕСТЬ
ДЕЛАТЬ
ОТКРЫТИЯ»
Интересные и сложные опыты задумали сделать в конце
десятых годов прошлого века Огюстен Френель и Франсуа Араго:
изучить взаимодействие, интерференцию обыкновенного и
необыкновенного лучей между собой. Им очень хотелось
продвинуться в изучении интерференции дальше Томаса Юнга.
Незадолго перед этими опытами друзей постигло
неожиданное разочарование — они узнали, что эксперименты по
интерференции двух пучков белого света, которые Френель только-только
закончил, Юнг сделал еще в 1807 году!
Когда приехавшие в Англию в 1816 году члены Французской
Академии Араго и Гей-Люссак были в гостях у Юнга и
рассказывали ему об опытах Френеля, жена Юнга, заметив смущенную
улыбку на лице мужа, встала и молча вышла из комнаты.
Вернувшись с огромным томом в руках (это оказался первый том лекций
Юнга), она раскрыла его на странице 787, где были описаны
аналогичные опыты Юнга, выполненные им девять лет назад.
Французские ученые, как пишет в своих воспоминаниях
Араго, думали в этот момент не только об оптических явлениях и
проблемах научного приоритета, но и о счастливом примере верной
и любящей помощи.
Их поразило, что молодая женщина (жена Юнга была вдвое
моложе его) помнила наизусть даже оптические лекции своего
мужа...
Спокойнее всех воспринял случившееся сам Френель. Он
отправил Юнгу дружеское письмо. Совпадение результатов, писал
Френель, укрепило его в мысли, что замеченные явления
интерференции и дифракции света — не ошибка эксперимента.
Френель, теперь уже вместе с Араго, ставит новые опыты.
Опыты, которые в те времена физики оплачивали сами. «Один
опыт стоил мне 80 франков, потраченных на приборы,— пишет
Френель брату 28 ноября 1817 года,— ты видишь, таким образом,
что в физике надо покупать честь делать открытия».
Удивительные результаты получили Френель и Араго: два
обыкновенных луча легко интерферируют между собой, два
необыкновенных — тоже, но обыкновенный и необыкновенный лучи
взаимодействовать отказывались. Новое открытие, новый повод
для серьезных размышлений...
Англичанин Томас Юнг
и француз
Огюстен Френель
сделали много
выдающихся
и часто совпадающих
открытий в физике.
КАК ТРУДНО
РАССТАВАТЬСЯ
С ПРОШЛЫМ!
После долгих раздумий Френель и Юнг практически
одновременно приходят к выводу: свет распространяется за счет
поперечных колебаний эфира.
Сколько лет довлели над учеными эти два представления:
первое — движение света похоже на распространение звука,
представляющее собой продольные колебания, сгущения и
разрежения воздуха в том же направлении, в каком распространяется
звук; и второе — для света и звука необходима особая среда —
эфир!
И вот первому из этих неверных представлений приходит
конец...
Частицы «светоносного» эфира колеблются поперек
направления движения света. Эти колебания лежат в одной и той же плос-

кости, перпендикулярной к движению светового луча, но могут
происходить в ней под самыми разными углами.
Только такое объяснение дает возможность понять явление
поляризации.
Кристаллы турмалина и исландского шпата просто сортируют
лучи, выделяя из них те, для которых прозрачна кристаллическая
решетка этих веществ. А прозрачность решетки, те направления,
в которых сквозь них могут беспрепятственно проходить лучи
света, зависит в свою очередь от расположения атомов, от
внутренней структуры кристаллов...
Два обыкновенных луча колеблются в одной плоскости, они
очень похожи по своим свойствам и легко взаимодействуют.
Колебания в обыкновенном и необыкновенном луче
перпендикулярны друг другу и интерферировать не могут.
Трудно далось выдающимся физикам это объяснение. Ведь
даже их верный коллега Франсуа Араго не мог примириться с
мыслью, что свет — это поперечные колебания.
Но научных данных, подтверждающих справедливость
гипотезы Френеля и Юнга, накапливалось все больше. Недалек
был тот час, когда отпало и предположение о существовании
эфира...
Нам сейчас кажется странной такая стойкая «живучесть»
гипотезы о световом эфире. Ведь довольно давно ученые провели
показательный эксперимент: колокольчик помещался под
стеклянный колпак и из-под него воздушным насосом выкачивался
воздух; колокольчик раскачивали в пустоте, но уже никто не мог
услышать его звона. Убедительное доказательство, что звук
возникает при движении частиц воздуха, не правда ли? При этом
ученые замечали, что свет продолжает беспрепятственно
проходить через стеклянный колпак, вне зависимости от того, есть там
воздух или нет. Значит, движение света определяется другими
законами?
Закономерный вопрос, однако, повисал в воздухе — для
однозначных выводов еще не хватало научных фактов...
РОЖДЕНИЕ
НОВОЙ
ТЕОРИИ
В 1845 году знаменитый английский ученый Майкл Фарадей
поставил эксперимент, которого, казалось, ждали все физики.
Помещая различные вещества внутрь электромагнита и
освещая их поляризованным светом, Фарадей обнаружил, что при
пропускании тока и возникновении магнитного поля те вещества,
которые до сих пор относились к свету довольно «равнодушно»,
начинали вдруг вращать плоскость поляризации лучей, и
интенсивность проходящего света изменялась.
Размышляя над этими опытами Фарадея, выдающийся физик-
теоретик Джеймс Кларк Максвелл пришел к выводу, что столь
явное взаимодействие света и магнитного поля может
происходить только по одной причине: свет — это электромагнитная
волна, рождаемая движением быстрых заряженных частиц. Вокруг
любой заряженной частицы, находящейся в движении, возникает
электромагнитное поле. Поле распространяется все дальше от
частицы в виде волны электромагнитных колебаний, поперечных
направлению движения.
Такие колебания могут перемещаться и в пустоте, им не нужен
эфир, и они взаимодействуют с другими электромагнитными
колебаниями, если для этого созданы подходящие условия.

Основные работы Максвелла — статья «Динамическая теория
электромагнитного поля» и книга «Трактат об электричестве и
магнетизме» — были написаны в 1864—1865 годах и содержали
глубокие и ясные теоретические выводы.
Теория Максвелла объясняла и объединяла многие
непонятые до него электромагнитные явления. Свет, по мнению
Максвелла, лишь один из видов электромагнитных колебаний,
существующих в природе.
Всеобщее признание, однако, пришло к теории Максвелла
лишь через 28 лет! Его теоретические построения ждали конца
восьмидесятых годов прошлого века, когда Генрих Герц
подтвердил своими уникальными опытами, что движение
электрических зарядов вызывает возникновение электромагнитных волн,
обнаружил экспериментально эти электромагнитные волны!
Молодой профессор
Джеймс Максвелл.
С помощью
изображенных здесь
физических приборов
он демонстрировал
на лекциях
смешение цветов
при вращении
раскрашенного круга
и связь электричества
с магнитными
явлениями.

РЕШАЮЩИЕ
ОПЫТЫ
Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-
вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом
контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные
колебания.
Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во
многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами
Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования
Александра Степановича Попова, которые привели затем к
изобретению радиосвязи.
Портрет Генриха Герца
и фотография
небольшой установки,
позволившей ему
обнаружить,
что один колебательный
контур радиосхемы
может улавливать
электромагнитные
волны, посылаемые
другим контуром.
Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами
электрической силы.
Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и
преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же,
как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой
призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний
или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от
60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны
световых лучей — от 0,4 до 0,75 микрона.
Генрих Герц писал: «...представляется весьма вероятным,
что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых
лучей и электромагнитного волнового движения».
Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой
теории Максвелла, объединившей все световые и электрические
явления в единое целое.
Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца
равна скорости света!
Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось
все больше.
Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по
которому показатель преломления любого вещества равен корню

квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной
проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими
свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь...
Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и
Малюса: в световом луче, содержащем поперечные
электромагнитные волны самых различных ориентации, при отражении от
диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы
остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной
плоскости,— поляризованные волны.
В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что
можно в любом однородном веществе, например в жидкости или
газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под
действием сильного электрического и магнитного поля.
Еще одно подтверждение тесной связи оптических и
электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что
газ или жидкость при определенных условиях становятся
похожими на анизотропные кристаллы!
Как это близко к научным чудесам XX века по превращению
одних веществ в другие...
ВСТРЕЧА...
В УЧЕБНИКЕ
ФИЗИКИ
Стало совершенно ясно, что все виды видимых и невидимых
излучений — радиоактивное, рентгеновское, инфракрасное,
радиоволны — имеют одинаковую электромагнитную природу и
отличаются лишь длиной волны.
Возникло представление о всеобщей шкале электромагнитных
колебаний. У совершенно как будто разнородных явлений
оказалась одна и та же сущность, одна электромагнитная природа.
Ученым хотелось выполнить еще лишь один эксперимент: с
помощью электрического контура-вибратора «произвести на
свет» очень короткие электромагнитные волны, например
инфракрасные. Одно и то же устройство позволяло бы получать
и радиоволны и оптическое излучение!
Русский физик П. Н. Лебедев, итальянец А. Риги, немецкий
ученый Г. Рубенс сумели постепенно уменьшить длину волны
С помощью
простого устройства,
названного
«массовым
излучателем»,
А. А. Глаголева-
Аркадьева
получила колебания,
занявшие на
электромагнитной шкале
пустовавшее место
между радиоволнами
и инфракрасным
излучением.

колебаний, излучаемых контуром, с нескольких сантиметров до
долей миллиметра.
В 1922 году молодой преподаватель Московского университета
А. А. Глаголева-Аркадьева сообщила на физическом съезде, что
ей удалось создать электрический вибратор нового типа, который
служит источником инфракрасных лучей с длиной волны менее
0,1 миллиметра. До сих пор эти лучи ученые обнаруживали только
в спектре теплового излучения различных тел.
Оптический и радиоволновой диапазоны всеобщей
электромагнитной шкалы сомкнулись! В учебниках физики во всем мире
эти виды излучений с тех пор стоят рядом...
НЕРАЗРЫВНАЯ
СВЯЗЬ
Как всегда, успехи физики сопровождались созданием новых
технических устройств и приборов.
В 1935 году в продажу поступили поляроиды — тонкие,
специально растянутые целлюлозные пленки, покрытые мелкими
кристалликами герапатита. У пленок были почти такие же свойства,
До наступления
XX века
мир заполняли
электромагнитные
волны
только естественного
происхождения.
Сейчас мимо нас
несутся
электромагнитные колебания,
созданные человеком.
Например,
посылает во все
стороны сигналы
Останкинская
телевизионная башня
в Москве.
Эти сигналы,
усиливаемые
космическими
спутниками связи,
ловят миллионы
телевизоров
и радиоприемников.

как у толстых кристаллов турмалина! Эти пленки, одетые на фары
и ветровые стекла автомобилей, защищают водителей ночью от
слепящего света встречных машин: пассажиры и водитель видят
только отраженный под углом 45° от дороги свет собственных
фар.
Широко используются во многих современных физических
приборах и устройствах ячейки Керра: на их основе созданы
оптические затворы, мгновенно прерывающие свет под действием
электрического сигнала. Горят на наручных электронных часах
цифры, нарисованные слоем «краски» из кристаллических
пленок: для этого им нужен лишь маленький импульс тока от
крохотной электрохимической батарейки, спрятанной внутри часов.
Зажигаются в наших домах экраны телевизоров, в которых
пучок катодных лучей — электронов заставляет ярко светиться
слой люминофора, состоящий из мелких кристаллов сульфида
цинка.
От найденной учеными связи света и электричества мы только
выиграли...
Справедливы слова академика С. И. Вавилова: «Непрерывная,
победоносная война за истину, никогда не завершающаяся
окончательной победой, имеет, однако, свое неоспоримое оправдание.
На пути понимания природы света человек получил микроскопы,
телескопы, дальномеры, радио, лучи Рентгена; это исследование
помогло овладению энергией атомного ядра. В поисках истины
человек безгранично расширяет области своего владения
природой. А не в этом ли подлинная задача науки?»

Солнечный свет, как и жар, состоит из
мелких начальных частичек.
ЛУКРЕЦИЙ КАР,
I век до нашей эры
В истории науки сохранились не только великие открытия,
но и открытия, существовавшие лишь в воображении их авторов...
Особенно много ложных открытий появилось после обнаружения
лучей Рентгена. На любителей сенсаций обрушивались самые
фантастические сведения. Одна из американских газет писала,
что какой-то молодой человек в штате Айова направил лучи
Рентгена на кусок свинца стоимостью в 13 центов и через 3 часа
получил слиток золота ценой в 153 доллара!
Стремление к научной славе зачастую бывает так велико, что
желаемое принимается за действительное.
ДЕРЕВЯННАЯ ЛИНЕЙКА,
ПРЕКРАСНО ЗАМЕНЯЮЩАЯ...
НАПИЛЬНИК
Алхимики верили
в возможность
химического
получения золота
из других элементов,
а некоторые физики —
в существование
неведомых излучений,
хотя никому, кроме
самих изобретателей,
их обнаружить
не удалось.
Фрагмент картины
Питера Брейгеля,
написанной в 1558 году.
В Мюнхене профессор Грец сумел зарегистрировать
несуществующие Г-лучи. Профессор Блондо тоже объявил об
открытии новых лучей, которые в честь родного города Нанси он назвал
Н-лучами. По утверждению Блондо, Н-лучи самопроизвольно
испускались многими металлами и... тканями человеческого тела,
мускулами, нервными волокнами, мозгом. Попадая в глаза
наблюдателя, лучи будто бы усиливали способность видеть в темноте.
Они свободно проходили сквозь металл, и Блондо даже изучал
спектры Н-лучей, пропуская их через призмы, сделанные из
алюминия.
Блондо, вероятно, искренне верил в существование Н-лучей,
охотно давал интервью журналистам и писал многочисленные
статьи. К середине 1904 года он опубликовал более 20 статей на
эту тему! Некоторые врачи стали связывать возникновение
Н-лучей с нервными заболеваниями человека, начали
исследовать больных в попытках измерить интенсивность Н-лучей на
различных стадиях психических болезней.
Крупные физики, современники Блондо, оказались в
затруднении. Эффекты, описываемые в его статьях, не подтверждались
в их лабораториях. Даже американский исследователь Роберт
Вуд, справедливо заслуживший титул «чародея физической
лаборатории», не мог воспроизвести опыты Блондо. Раздосадованный
неудачей, Вуд приехал во Францию, в Нанси.
Блондо со своим ассистентом охотно показывал Вуду
созданную им «оптическую» установку: Н-лучи, испускаемые
металлическим напильником, проходили через алюминиевую призму и
падали на круги и полоски, нарисованные светящейся краской
на листе картона. Потушив почти все лампы в лаборатории и
медленно двигая лист картона вдоль призмы, Блондо умудрялся
замечать усиление свечения краски, когда на нее падали Н-лучи.
Вуд разглядеть этого не мог и принял озорное решение: за
спиной у ассистента он быстро заменил напильник деревянной

линейкой. Блондо, сидевший впереди, продолжал отсчитывать
длины волн Н-лучей, хотя дерево, по его же утверждениям,
никогда не испускало эти лучи. Вуд поставил напильник на место,
снял алюминиевую призму и положил ее в карман. Блондо тем
не менее по-прежнему «видел» преломление Н-лучей...
Вуд любезно простился с Блондо и вскоре подробно описал
свое пребывание в Нанси в письме в известный журнал
«Природа». Сообщение о лучах, испускаемых напильником, исчезли со
страниц газет и физических журналов. Лишь сам автор Н-лучей
не хотел примириться с мыслью об ошибке и вскоре покончил
жизнь самоубийством.
«КАК ОТЛИЧИТЬ
ПТИЦ
ОТ ЦВЕТОВ»
Можно было и не рассказывать об этом грустном
недоразумении с трагическим исходом, но не станет ли история физики,
в которой будут деликатно опущены описания ошибок и
отступлений, похожа на подозрительно прямую триумфальную дорогу,
усеянную лишь победами и счастливыми озарениями? Физика,
окрашенная одним розовым цветом удачи? Нет, это было бы
прегрешением против истины.
Наиболее проницательные и дальновидные ученые всегда
были скромны и критичны в оценках успехов науки, справедливо
считая, что в этом залог ее бесконечного движения вперед.
Вспомним Ньютона, сравнивавшего себя с маленьким
мальчиком, перед которым лежит необъятный океан нераскрытых
тайн природы. Приведем строки Эйнштейна, написанные им
незадолго до смерти, в 1955 году, в письме к старому другу Максу
фон Лауэ: «Если долгие поиски меня чему-либо научили, то итог
их таков: мы гораздо дальше от понимания элементарных
процессов, чем полагает большая часть современников...»
Вспоминать о заблуждениях ученых следует еще по одной
причине: истинные открытия тогда становятся нам еще дороже.
Мы начинаем больше ценить возможности человеческого разума
в постижении Природы...
Сколько, например, удивительных открытий и изобретений
сделал Роберт Вуд, невольно сыгравший роль разоблачителя в
истории с Н-лучами! В творчестве Byда основное место занимали
тщательно поставленные и ставшие теперь классическими
эксперименты в области спектрального анализа и изобретения новых
остроумных физических устройств. Свой замечательный прибор,
с помощью которого он сделал много оптических открытий, Вуд
называл «могильным» спектрографом — для уменьшения
колебаний луча Вуд водрузил прибор на массивную плиту,
привезенную с кладбища.
В 1908 году исследователь изготовил телескоп с огромным
зеркалом из... жидкой ртути. Тарелка с ртутью, укрепленная на
дне колодца, вырытого в старом коровнике, медленно вращалась,
принимая форму параболоида. Звезды, мерцавшие в небе и едва
видимые в дырявых проемах крыши коровника, становились
похожими, по свидетельству очевидцев, на лампы, висящие в
воздухе у отверстия колодца. Изменяя скорость вращения тарелки,
Вуд плавно перемещал положение фокуса своего зеркала,
получал изображение звезд на разном расстоянии от поверхности
ртути, что было бы невозможно, если бы зеркало было
стеклянным или металлическим.
Изобретательный и веселый человек, Вуд всю жизнь боролся
Издавна люди
используют зеркала:
плоские — чтобы
рассматривать себя,
вогнутые — для
усиления слабого
света далеких звезд,
для фокусировки
солнечных лучей.

с ложным глубокомыслием, с псевдоучеными, тратившими годы,
чтобы доказать очевидные и ясные вещи. Даже свою очень
смешную книжку для детей «Как отличить птиц от цветов» Вуд написал
в форме стихотворной пародии на современные ему учебники
по ботанике.
А в те годы, когда некоторые дяди и тети расходовали столько
сил на поиски определений, чем же птицы отличаются от цветов,
в физике происходили поистине революционные события.
ТРУДНО ОПИСАТЬ
ГОРБ ВЕРБЛЮДА...
Произошли эти события на фоне сравнительно безмятежного
и спокойного хода исследований во всех областях физики в конце
XIX века. Этот век принес в науку так много открытий, что
подавляющее большинство ученых считало основные законы
Природы окончательно установленными, а сущность большинства
физических явлений — ясной и понятной. Один из студентов,
решивших посвятить себя в будущем теоретической физике,
хорошо запомнил удивление своего профессора: «Зачем? Ведь
теоретическая физика в основном уже закончена». Этим
студентом был Макс Планк...
Да и затруднения, с которых все началось, нельзя было
отнести к числу важнейших физических проблем. Ученые пытались
найти формулу, которая точно и в полном согласии с
экспериментом описывала бы спектр излучения черного тела. И у них это
никак не получалось.
Экспериментаторы давно установили, что спектр черного тела
напоминает остроконечный холм или горб верблюда. Вершина
горба, где излучение максимально, находится при определенной
длине волны, значение которой зависит от температуры, причем
Спектры излучения
абсолютно черного тела,
представляющего собой
нагретую полость
или шар с небольшим
излучающим
отверстием.

влево — в направлении коротких длин волн и вправо — в
длинноволновую сторону интенсивность излучения резко убывает.
Немецкий физик Вильгельм Вин сумел доказать, что при
умножении длины волны в максимуме излучения черного тела на его
температуру, выраженную в градусах абсолютной шкалы
Кельвина, всегда получается одна и та же постоянная величина.
Теперь ученые могли легко определить ту длину волны, на которую
при заданной температуре тела приходится наибольшая энергия
излучения.
Например, максимум излучения нашего тела при температуре
36,6°С (по оптическим свойствам кожа, как ни странно, очень
похожа на черное тело в инфракрасной области спектра!) лежит при
10 микронах. Отверстие печки, раскаленной внутри до 1200°С,
активнее всего испускает невидимое излучение с длиной около
двух микрон. Ослепительная дуга, зажженная между двумя
угольными электродами, посылает во все стороны лучи, по
спектральному составу подобные солнечному излучению, причем самые
энергичные из них с длиной волны около 0,5—0,6 микрона.
Если холодную печку разогревать постепенно, то
интенсивность излучения из ее отверстия начнет увеличиваться, и в
спектре излучения будет появляться все больше видимых лучей:
сначала темно-красных, затем желтых и потом ослепительно белых.
Продолжать сравнение с холмом или горбом верблюда здесь
уже трудно — ведь описанные нами тепловые явления приводят
к выводу, что горб разгоряченного верблюда должен быть
значительно больше, чем у верблюда отдыхающего, и к тому же обязан
заметно переместиться по направлению к его голове. Этого, как
мы знаем, в природе не бывает...
Но спектр излучения черных тел, как доказали
многочисленные опыты, изменяется по мере нагревания. И выводы теоретиков
подтверждали наблюдения экспериментаторов, пока не начались
попытки математически определить всю форму кривой излучения
черного тела при различных температурах, а не только значение
длины волны с наибольшей энергией.
Кривая, которая получалась по расчетам, не имела «горба»:
если в области длинных, невидимых волн она совпадала с
экспериментом, то в диапазоне коротких волн — видимых и особенно
ультрафиолетовых — кривая начинала убегать вверх, стремясь
в бесконечность.
«УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ
КАТАСТРОФА»
Вы помните, как в своей замечательной сказке «Маленький
принц» Антуан де Сент-Экзюпери искренне удивляется:
лишенные воображения взрослые совершенно не могут понять, что
нарисованная мальчиком шляпа представляет собой на самом
деле удава, проглотившего слона? Взрослые, особенно физики,
всегда такие: им необходимо единство формы и содержания...
«Ультрафиолетовой катастрофой» назвали исследователи
расхождение теории излучения с экспериментом. Расхождение,
которое никак не удавалось устранить. А ведь среди ученых,
бившихся над разрешением данной проблемы, были очень
известные физики — лорд Рэлей, Вильгельм Вин, Джеймс Джинс,
московский профессор В. А. Михельсон. И основывались они на
многократно проверенном положении классической физики,
которое гласит: в любом направлении всякий излучатель,
находящийся в тепловом равновесии с окружающей средой, непрерывно
испускает одинаковое количество энергии.

Этим положением с успехом пользовались в своих работах
Максвелл и Больцман, авторитет которых в науке заслуженно
велик. Ведь недаром в наши дни известнейший физик-теоретик
Роберт Фейнман отметит в своих лекциях: «В истории
человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч
лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно,
будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне
этого важного научного открытия гражданская война в Америке
в том же десятилетии будет выглядеть мелким провинциальным
происшествием».
Для физиков конца XIX века не существовало сомнений в
правильности классических положений.
Но... дальнейшие логичные и обоснованные математические
расчеты неизменно приводили к формулам, выводы из которых
совершенно расходились с экспериментом. Из этих формул
следовало, что раскаленная печь должна с течением времени
отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость ее
свечения должна все больше возрастать!
Современник «ультрафиолетовой катастрофы», физик Лоренц
грустно заметил: «Уравнения классической физики оказались
неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает
желтых лучей наряду с излучением больших длин волн...»
«НЕЧТО НОВОЕ,
ДОТОЛЕ
НЕСЛЫХАННОЕ»
Музыка помогала
Максу Планку,
как и многим
другим ученым,
работать
сосредоточенно
и вдохновенно.
Формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения
черного тела, удалось вывести Максу Планку, ставшему вскоре
главой школы немецких физиков, ректором Берлинского
университета. Да, тому самому Максу Планку, которого так
отговаривали заниматься теоретической физикой.
Планк долгое время колебался, на чем остановить свой
выбор — на гуманитарных занятиях или физике. Влечение к
физике оказалось сильнее, но увлечения молодости не пропали зря:
все теоретические работы Планка, книги и статьи отличаются
редким изяществом и красотой слога. «При изучении его
трудов,— сказал Альберт Эйнштейн,— вообще создается
впечатление, что требование художественности является одной из главных
пружин его творчества. Ведь недаром рассказывают, что Планк
после окончания гимназии сомневался, посвятить ли себя
изучению математики и физики или музыки».
Планк сделал необычайное предположение: излучение черного
тела передается окружающему пространству не непрерывно, а в
виде отдельных мелких порций, которые он назвал квантами
действия (действием в физике именуется величина, получаемая
после перемножения энергии на время).
Вскоре слово «действие» исчезло из названия частиц,
«изобретенных» Планком, и их стали именовать квантами или
фотонами, мельчайшими порциями излучения. По сути, Планк изменил
одно, не очень существенное звено в цепи рассуждений. Но оно
оказалось решающим — математические расчеты стали
совершенно другими и привели к формуле, которая описывала спектр
излучения черного тела в прекрасном согласии с экспериментом.
Формула, выведенная Планком, позволила определить форму
спектральной кривой излучения. В этом спектре при обычных
«земных» температурах было ничтожно мало ультрафиолетовых
лучей. Спектр излучения тела, наконец, и в теории стал похож на
горб верблюда...

Расчетный спектр излучения, как и на практике, начинал с
ростом температуры сдвигаться в сторону коротких волн, и при
температуре выше 500°С в нем появлялись видимые лучи.
Из формулы Планка в виде частных случаев могли быть
получены и закон Вина, и соотношение Стефана — Больцмана,
показывающее, что общая энергия излучения тела пропорциональна
его абсолютной температуре в четвертой степени.
Физики облегченно вздохнули: «ультрафиолетовая
катастрофа» закончилась вполне благополучно. Но создатель новой
формулы не был удовлетворен достигнутым.
Вот как описывал Планк сомнения, мучившие его: «...или
квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод
закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял
собой просто лишенную содержания игру в формулы, или при
выводе этого закона в основу была положена правильная
физическая мысль — тогда квант действия должен был играть в
физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто
совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось,
требовало преобразования самых основ нашего физического
мышления...»
После как будто бы окончательной победы волновой теории
света физикам было необычайно трудно возвращаться к
представлениям об излучении как о потоке частиц, вспоминать о
корпускулах Ньютона. Эти затруднения, возможно, возрастали
из-за обманчивости наших чисто эмоциональных ощущений:
всегда кажется, что солнечное излучение заливает все вокруг
непрерывным потоком, волнами света.
Если движение
автомобиля ночью
сфотографировать
с большой выдержкой,
то вместо светящихся
точек — фар
и габаритных огней —
мы получим яркие
длинные линии.
Не помогает ли это
сравнение понять,
как из отдельных
квантов света
образуются сплошные
непрерывные лучи?
В поэзии — от Гомера и до наших дней — ощущениям,
рождаемым светом, всегда отводилось особое место. Наиболее часто
поэты воспринимали свет как особую, светоносную, сияющую
жидкость. Федор Иванович Тютчев, например, писал:
Снова жадными очами
Свет живительный я пью.

Неужели эта удивительная жидкость так же многолика, как
вода? Водой наполнены безграничные моря, огромные озера,
быстротекущие реки. Сравнение с речными и морскими волнами
всегда помогало создателям волновой теории распространения
света и звука. Но ведь та же самая вода часто предстает перед
нами в виде дождя, мелкой дробью барабанящего по крыше!
Крупинки льда, снежинки, крупные горошины града — все это тоже
вода. Почему бы не существовать и «крупинкам» света?
ВСЕВИДЯЩИЙ
ГЛАЗ
С. И. Вавилов сделал
много изобретений
и открытий,
и среди них — способ
наблюдения
квантов света
невооруженным
глазом.
А. Г. Столетов
впервые обнаружил
и подробно изучил
явление фотоэффекта
в вакууме.
Один из выдающихся оптиков XX века — академик Сергей
Иванович Вавилов долго не мог привыкнуть к представлению
о свете, состоящему из квантов, а затем... придумал способ
наблюдать кванты невооруженным глазом и стал горячим сторонником
квантовой теории.
В выводах Планка есть указание на то, как определить
энергию одного кванта или фотона: необходимо частоту света
умножить на постоянный множитель, вскоре получивший
название постоянной Планка, равный крохотной величине:
6,67 • 10-27 эрг. сек.
Сергей Иванович рассчитал, что самая маленькая
освещенность, которую способен различить человеческий глаз, создается
52 квантами зеленого света. Но если кванты существуют, то, в
отличие от световых волн, они должны излучаться источником
света не равномерно и непрерывно, а порциями различной
величины: в одну секунду раскаленная вольфрамовая нить лампочки
может «выбросить» 100 квантов, в следующую — 10 квантов,
в третью секунду — 40 квантов и так далее. Сохраняется лишь
одно условие — в среднем должны излучаться 52 кванта!
Чтобы убедиться в существовании квантов, необходимо
внимательно смотреть на источник очень слабого света, излучение
которого равномерно прерывается.
Сергей Иванович установил между наблюдателями и
лампочкой вращающийся черный диск с прорезью. Диск совершал один
оборот в секунду. Пока лампочка горела ярко, через прорезь
всегда проходило в любую секунду равное количество света. Как
только через лампочку стали пропускать меньший ток и ее
свечение упало, Вавилов и его сотрудники увидели, что через отверстие
в диске далеко не при каждом обороте проходит свет. Если
лампочка в эту секунду излучает больше 52 квантов, глаз видит
свет, если меньше — глаз ничего не видит.
«Глаз, таким образом,— писал С. И. Вавилов в своей книге
«Глаз и Солнце»,— действительно «воочию» позволяет убедиться
в квантовой, прерывной структуре света».
Будущий друг и коллега Планка, молодой Альберт Эйнштейн,
вероятно, раньше, чем кто-либо другой, разглядел в квантовой
гипотезе общий закон многих процессов, происходящих в
природе. В статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн показывает,
что к гипотезе квантов можно прийти, сравнивая излучение и
идеальный газ. Законы, управляющие поведением среды в том и
другом случае, оказываются настолько похожими, что логичный
вывод: излучение, так же как и газ, состоит из мельчайших
частичек — кажется неизбежным...
Эйнштейн пришел к убеждению, что не только свет, но и любое
другое электромагнитное излучение можно рассматривать как
поток квантов. Лишь энергия отдельного кванта в каждом
конкретном проявлении изменяется.

Наиболее интересно с психологической точки зрения, что
Эйнштейн в своих смелых и решительных взглядах на природу
света долгое время не находил союзника в лице... самого
Планка. Сомнения Планка в реальном существовании квантов
продолжались так долго, что даже в 1912 году, рекомендуя
Эйнштейна в действительные члены Прусской Академии наук,
группа ученых во главе с Планком писала: «То, что в своих
рассуждениях он иногда выходит за пределы цели, как, например,
в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно
ставить ему в упрек. Ибо, не решившись идти на риск, нельзя
осуществить истинно нового, даже в самом точном
естествознании».
Сомнениям был окончательно положен конец только после
того, как квантовая гипотеза прекрасно объяснила два
удивительных явления, обнаруженных экспериментально: фотоэффект и
вынужденное излучение. Вероятно, читателю последней четверти
XX века будет гораздо понятнее, если мы скажем, что
вынужденное излучение — это явление, лежащее в основе работы лазеров.
Несколько
поколений физиков
трудились над тем,
чтобы современные
фотоэлементы,
освещаемые светом
лампы или Солнца,
могли заменить
электрохимические
батарейки для питания
радиоприемников.
А люминесцентные
лампы, впервые
предложенные
С. И. Вавиловым,
значительно обогнали
по яркости
и экономичности
не только
старинные свечи,
но и лампы
накаливания.
С УЛЬТРАФИОЛЕТОМ
МОГУТ БЫТЬ СВЯЗАНЫ
НЕ ТОЛЬКО КАТАСТРОФЫ...
Когда немецкий физик Генрих Герц и русский профессор
А. Г. Столетов исследовали закономерности внешнего
фотоэффекта, то один, очевидный для обоих исследователей факт так
и не получил объяснения в их работах: почему именно
ультрафиолетовый свет ртутной лампы вызывает появление тока в пустом
промежутке между двумя металлическими пластинами,
соединенными с электрической батарейкой? Было совершенно ясно, что
как ни увеличивай мощность, например, красного света, он не
приводит к фотоэффекту — ток между пластинами не возникает.
С подобными же непонятными свойствами столкнулись и уче-

ные, изучавшие явление внутреннего фотоэффекта. В этом случае
электрический ток рождался под влиянием света внутри
пластинки или пленки твердого вещества, например селена, сернистого
таллия, закиси меди или окислов серебра.
Для каждого из этих материалов можно было точно
установить характерную длину волны света, получившую название
красной границы фотоэффекта. Свет коротких волн вызывал
появление тока внутри вещества. Воздействие более
длинноволнового излучения было, как говорят ученые, «нефотоактивным» —
освещение таким светом приводило лишь к нагреву пленок или
пластинок без какого-либо фотоэлектрического эффекта.
Один из разделов «Плодов раздумья» Козьмы Пруткова
начинается мудрой фразой: «Отыщи всему начало, и ты многое
поймешь!»
Плод коллективного творчества группы русских писателей
середины XIX века, шутник и знаток человеческих сердец Козьма
Прутков, видимо, неплохо разбирался и в особенностях
мышления ученых, мог посоветовать, как сделать физическое открытие-
Действительно, только после создания совершенно иных,
качественно новых начал теории излучения и возникновения
квантовых представлений удалось понять, что же происходит
в процессе фотоэффекта. Для появления в веществе или в пустом
пространстве между двумя электродами носителя тока —
свободного электрона — ему необходимо передать строго определенное
количество энергии. Это может сделать лишь квант излучения
достаточно большой величины.
В одной из своих ранних работ (впоследствии удостоенных
Нобелевской премии) Альберт Эйнштейн показал, что энергия
кванта излучения должна быть потрачена на преодоление работы
выхода электрона из вещества (в случае внешнего фотоэффекта)
и на сообщение ему необходимой кинетической энергии.
Нужны кванты различной энергии, чтобы «вырвать» электрон
из вещества. Ультрафиолетовым квантам, как более энергичным,
это удается легче всего.
УКРОЩЕНИЕ
СВЕТА
Здесь полезно, вероятно, привести несколько цифр: кванты
ультрафиолетового света имеют энергию от 6,2 до 3,1 элек-
тронвольт (сокращенно — эВ), видимого от 3,1 до 1,6 эВ,
ближнего инфракрасного — от 1,6 до 0,5, среднего и дальнего
инфракрасного от 0,5 до 0,02 эВ. Один электронвольт — это
энергия, которую электрон приобретает при разности потенциалов
в один вольт.
Для внутреннего фотоэффекта подходят кванты
сравнительно небольших энергий — ведь электрон остается внутри
вещества, ему не нужно преодолевать энергетический барьер перед
«вылетом» за пределы твердого тела. Энергия фотоактивного
кванта в этом случае определяется строением электронных
оболочек атомов данного вещества. У металлов электроны легко
отрываются от родных атомов (для этого достаточно комнатной
температуры), у диэлектриков — необыкновенно трудно, здесь
даже ультрафиолет часто оказывается бесполезным.
Ученые обнаружили в Природе вещества, поведение
которых зависит от внешних условий. В них при обычной
температуре и в темноте почти нет свободных электронов, но освещение
видимым или же инфракрасным светом совершает чудо — в этих

веществах появляется множество носителей электрического
заряда. Эти вещества получили название полупроводников. Например,
для такого полупроводника, как германий, фотоактивным
является излучение с длиной волны меньше 1,8 микрона, для
полупроводникового кремния — с длиной волны 1,1 микрона и менее
(ведь с уменьшением длины волны энергия кванта растет). Из
подобных полупроводниковых веществ уже в наши дни удалось
сделать прекрасные фотоэлементы. Причем им не нужна для
работы электрическая батарейка...
Электрон, отрываясь от атома, оставляет его положительно
заряженным. Положительный заряд за счет перескоков
электронов тоже начинает путешествовать по полупроводниковой пленке
или пластинке. Отрицательные и положительные заряды
необходимо лишь «развести» к противоположным металлическим
электродам — и фотоэлемент, световой генератор тока, готов.
Заряды легче всего разделить с помощью встроенного
электрического поля, возникающего на границе двух пленок или слоев
с разной проводимостью. Граница двух слоев играет роль
шлагбаума-регулировщика, пропуская, например, в верхний слой
фотоэлемента только отрицательные заряды и задерживая
положительные, заставляя их накапливаться в нижнем слое.
На двухслойную пластинку или пленку падает излучение,
и в цепи появляется рожденный светом электрический ток!
Мы привыкли сейчас к фотоэлементам. В электронном
автомате, пропускающем нас в метро, роль неусыпного и бдительного
стража играет луч света, падающий на фотоэлемент. Страстные
футбольные болельщики видят по телевизору матч, происходя-
Пытливый взгляд
человека,
его углубленное
проникновение
в окружающий мир
обнаруживает
новое в привычных,
повседневных и
казалось бы понятных
явлениях природы.

щий на другом конце земного шара, благодаря
спутнику-ретранслятору, аппаратура которого снабжается солнечной
электроэнергией от сотен тысяч фотоэлементов, установленных на
крыльях или корпусе спутника. Сведения о погоде в полярных и
высокогорных областях Земли ученые получают от автоматических
метеостанций, доставленных туда вертолетом. На каждой
метеостанции — небольшая солнечная батарея, генератор
электроэнергии. Качается на волнах бакен, запасающий в своем
аккумуляторе энергию света, превращенную с помощью фотоэлементов в
электрический ток. Горит всю ночь солнечный светлячок бакена,
помогая морякам не сбиться с пути...
Недалеко то время, когда значительную часть электроэнергии
для работы промышленности, средств связи и транспорта
человечество будет получать от Солнца — с помощью огромных
полупроводниковых солнечных батарей, расположенных в
пустынях, в горах, на плавающих платформах в океанах и морях. И
станет это возможным благодаря тому, что физики сумели многое
понять в явлении фотоэффекта, отыскав в теории квантов
путеводное начало к объяснению происходящих при этом процессов...
Как сказал однажды Эйнштейн в статье, посвященной памяти
Исаака Ньютона, «...творения интеллекта переживают шумную
суету поколений и на протяжении веков озаряют мир светом
и теплом». И озаряют, добавим мы, часто не только в переносном,
но и в самом прямом смысле слова.
ИЗ ЛАЗЕРА
НА ЛУНУ
Сообщение об одном из совместных французско-советских
космических экспериментов вызвало у читателей газет чувство
восхищения и... множество вопросов. На советском космическом
аппарате, опустившемся на Луну, было установлено зеркало
особой формы и конструкции, изготовленное во Франции. Лазер
должен был послать с Земли луч света, который, отразившись
от зеркала и вернувшись на Землю, позволил бы ученым с
большой точностью измерить расстояние до Луны. Судя по снимкам,
французское зеркало-отражатель имело очень скромные размеры,
не больше полуметра в диаметре.
Что же это за чудодейственный прибор — лазер, обладающий
такой снайперской точностью?
Слово «лазер» образовано из начальных букв длинной фразы
на английском языке, означающей в дословном переводе:
«усиление света с помощью вынужденного излучения».
Ученые давно обращали внимание на явление
самопроизвольного испускания света атомами, происходящее благодаря тому,
что возбужденный каким-либо способом электрон вновь
возвращается с верхних электронных оболочек атома на нижние.
Недаром явление химической, биологической и световой
люминесценции, вызванное такими переходами, издавна привлекало
исследователей своей красотой и необычностью. Но свет
люминесценции слишком слаб и рассеян, Луны ему не достичь...
Каждый атом при люминесценции испускает свой свет в
разное время, не согласованное с атомами-соседями. В результате
возникает хаотичное вспышечное излучение. У атомов нет своего
дирижера!
В 1917 году Альберт Эйнштейн в одной из статей
теоретически показал, что согласовать вспышки излучения отдельных
атомов между собой позволило бы... внешнее электромагнитное

излучение. Оно может заставить электроны разных атомов
одновременно взлететь на одинаково высокие возбужденные уровни.
Этому же излучению нетрудно сыграть роль и спускового крючка
при «световом выстреле»: направленное на кристалл, оно может
вызвать одновременное возвращение на исходные орбиты сразу
нескольких десятков тысяч возбужденных электронов, что будет
сопровождаться могучей ослепительно яркой вспышкой света,
света практически одной длины волны, или, как говорят физики,
монохроматического света.
Работа Эйнштейна была почти забыта физиками:
исследования по изучению строения атома занимали тогда всех
значительно больше.
В 1939 году молодой советский ученый, ныне профессор и
действительный член Академии педагогических наук В. А.
Фабрикант вернулся к введенному Эйнштейном в физику понятию
вынужденного излучения. Исследования Валентина
Александровича Фабриканта заложили прочный фундамент для создания
лазера. Еще несколько лет интенсивных исследований в
спокойной мирной обстановке, и лазер был бы создан.
Для получения мощного источника когерентного света
необходимо, чтобы на верхних уровнях электронов было больше,
чем на нижних. Природа всегда стремится сделать наоборот —
ведь нижние состояния более устойчивы и обладают меньшей
потенциальной энергией. Это свойство доказал еще в прошлом
веке замечательный австрийский физик Больцман. По
выведенному им математическому закону распределения на верхних
энергетических уровнях частиц всегда должно быть меньше, чем на
нижних.
А если природу обмануть каким-нибудь хитроумным
способом? Например, подобрать молекулу или атом с двумя
возбужденными уровнями и одним нижним, с которого будут
«вычерпываться» электроны?
Сильным возбуждением — интенсивным светом, мощным
электрическим полем, потоком заряженных частиц — можно
заставить электроны из нижнего спокойного положения перепрыгнуть
на самый верхний уровень — своего рода перевалочный пункт.
Мудрость и восхищение
гармонией мироздания
владели А.Эйнштейном,
доказавшим,
в частности,
возможность
создания лазеров.
Перед нами первая
страница рукописи
главного труда
Эйнштейна — теории
относительности.

Обычно электроны не способны продолжительное время
находиться в возбужденном состоянии, они быстро переходят на
прежнее место. Но здесь, в трехуровневой системе,
возвращающимся электронам подготовлена близкая площадка для мягкого
«приземления» — второй возбужденный уровень, на котором
электроны могут пребывать достаточно долго (по атомным
масштабам). Во всяком случае, время их жизни на нижнем
возбужденном уровне может в десятки тысяч раз превышать время жизни
в самом верхнем положении!
Изобретены лазеры
самых различных
типов и конструкций,
в том числе и такие,
в которых электроны
в кристалле
раскачивает
мощный свет,
а не электрический ток.
Таким оригинальным способом можно создать так
называемую «инверсию населенностей», когда на верхних уровнях
(вопреки законам природы, справедливым для условий теплового
равновесия!) будет больше электронов, чем на нижних.
Остается, кажется, лишь немногое — включить вынуждающее
излучение, которое заставит электроны по команде спуститься
вниз — и новый, ослепительно яркий источник света получен!
ПУШКА,
СТРЕЛЯЮЩАЯ...
СВЕТОМ
Описанные физические идеи позволили советским академикам
Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таун-
су в 1954 году, используя возбужденные молекулы аммиака,
разработать «мазер» — мощный излучатель радиоволн. Эта
выдающаяся научная работа была заслуженно отмечена Нобелевской
премией по физике.
А что, если подобным же образом, изменив состав газа,
создать и лазер — источник оптического излучения? Для этого
различие между спокойным и возбужденным состоянием
газовых молекул по количеству запасенной энергии должно быть в
точности равно энергии квантов видимого и невидимого света.
А для того, чтобы лазер излучал непрерывно, а не короткими,
хотя и сильными вспышками, необходимо все время
перебрасывать электроны с нижнего уровня на верхний. Ученые никак не
могли придумать, как это сделать.
Опытные доказательства квантовых переходов внутри атома,
как и разгадка фотоэлектрического эффекта, позволили всем

скептикам, в том числе и самому Планку, удостовериться в
реальном существовании частиц излучения. Вывод закона излучения
не был простой игрой в формулы.
Макс Планк написал в своих биографических заметках, что
новые идеи в науке чаще всего побеждают потому, что
постепенно умирают защитники старых. Квантовые взгляды самого
Планка пришли в физику, к счастью, не столь грустным и длительным
путем.
Все вычисления, сделанные по формуле Планка, расчеты
энергии квантов или фотонов разных длин волн с высокой
степенью точности совпали с экспериментом. Например, когда
квантами определенной энергии облучали атом, для которого было
известно энергетическое расстояние между возбужденным и
невозбужденным состоянием электрона, электрон всегда послушно
перескакивал с одной орбиты на другую, заранее теоретически
предсказанную.
Вероятно, именно это обстоятельство и навело ученых на
мысль: лучше всех справится с задачей постоянной «переброски»
возвратившихся электронов снова с нижнего уровня на верхний...
свет, излучаемый самим лазером. Просто надо выпускать из
лазера не весь свет — небольшое его количество необходимо вернуть
обратно в кристалл для повторного возбуждения электронов.
В 60-х годах нашего столетия были созданы лазеры из
различных материалов: из кристаллов рубина с примесью атомов
хрома, из стекла с добавками редкоземельных элементов, лазеры
газовые, жидкостные, полупроводниковые, химические.
Внешне любой лазер устроен очень просто. Например,
кристалл-стержень из рубина обычно окружен трубчатыми лампами-
вспышками. Иногда лампа-вспышка изготавливается в виде
спирали и надевается на длинный кристалл, напоминая змею,
обвивающую трость дрессировщика. С обоих торцов кристалла ставят
два зеркала: одно сплошное, другое полупрозрачное.
Слабый свет излучает лазер в первые мгновения. После
многократных отражений между зеркалами начинает возбуждаться
все больше атомов внутри кристалла. Процесс напоминает
лавину в горах, и через доли секунды стремительный поток красного
света вырывается сквозь полупрозрачное зеркало. Часть света
лазера продолжает раскачиваться между зеркалами,
поддерживая непрерывную работу «световой пушки».
Лазерным лучом
приваривают
тончайшие проводки
к электронным схемам.
Лазеры участвуют
в операциях, вырезая
поврежденные сосуды
и участки кожи.

Веселый фантазер
барон Мюнхгаузен
летал верхом
на пушечных ядрах
и утверждал,
что жители Луны
воюют друг с другом,
восседая
на трехглавых гусях.
Сколько выдумок
подарил бы нам
Мюнхгаузен,
если бы он
хоть раз заглянул
в современный
оптический телескоп!
Это сравнение не случайно. Лучи света, испускаемые лазером,
не только обладают большой энергией и способностью легко
сверлить отверстия в стали, пробивать бетонные стены и
сваривать самые тугоплавкие материалы. Эти лучи строго параллельны
друг другу и мало расходятся в стороны после преодоления очень
больших расстояний. Именно поэтому лучи лазера были выбраны
для светового выстрела по Луне...
Если на Луну послать пучок радиоволн с помощью, например,
радиотелескопа в г. Пущино под Москвой, выполненного в виде
зеркальной чаши диаметром 22 метра, то на поверхность
естественного спутника Земли попадет лишь небольшая часть сигнала.
Пучок радиоволн, пробежав в космосе 300 тысяч километров,
расплывается в пятно с поперечником в 30 тысяч километров,
намного превышающим размер Луны! Лазер, испускающий
невидимые инфракрасные волны, «осветит» на Луне круг диаметром
2—3 километра, а лазерный источник видимых лучей образует
пятно еще меньшего размера.
Благодаря этим экспериментам расстояние от Земли до
Луны известно с точностью до 10 метров! Прохождению лучей
с наземных установок в космос мешает воздушная атмосфера,
и ученые задумали установить лазеры на спутниках Земли.
Для измерения расстояния между Землей и Луной советские
и французские инженеры использовали именно лазерные лучи.
Да и барон Мюнхгаузен, живи он в наше время, несомненно,
выбрал бы для путешествия на Луну и для разведывательных
полетов в лагерь неприятеля легкий и точный луч лазера...

МАСТЕР
НА ВСЕ РУКИ
Лазер, вероятно, быстрее других замечательных изобретений
XX века нашел широкое применение в медицине. Сейчас очень
часто можно увидеть на операции хирурга, в руках которого
удобный, портативный лазер. Луч лазера значительно чище, тоньше,
ювелирнее, чем любой скальпель, сумеет разъединить ткани,
удалить небольшую опухоль. Одновременно лазерный луч может
оплавить и закупорить ненужный сосуд, который при обычных
операциях доставляет хирургам массу хлопот, заливая кровью, как
они говорят, операционное поле. Поле битвы за здоровье
человека...
Лазер позволил осуществить уникальную операцию: не
разрезая глаза, прижечь, вернее, приварить сетчатку к глазному дну.
Несколько уколов горячей «световой иглой» сквозь глазное
яблоко — и угроза потери зрения для пациента исчезла навсегда.
Много надежд возлагают на лазер и исследователи, занятые
разработкой новых средств связи. Подсчитано, что световой
сигнал лазера может «нести на себе» одновременно двести
телевизионных передач или тысячу телефонных разговоров. Чтобы
такому световому общению людей не мешала перемена погоды,
лазерный луч лучше пропускать по волоконному световоду
(о чудесных свойствах которого мы уже рассказывали),
проложенному под землей. К тому же стекло, в отличие от медных
проводов, как известно, совсем не боится сырости и влаги...
Лазер «с удовольствием» решает не только сложные
медицинские или физические задачи, но и достаточно простые, почти
бытовые — например, служит световой указкой на
конференциях и семинарах в больших залах, где экран или плакаты со
схемами и чертежами расположены далеко от докладчика.
Помню, как во время измерений солнечного излучения с
помощью телескопа, установленного высоко в горах, погода
менялась и возникла необходимость быстро открывать и
закрывать створки перед входным отверстием оптической системы,
находившейся на уровне шестиэтажного дома над нашей головой.
И здесь пришла на помощь лазерная указка. Свет лазера
падал на фотоэлемент, укрепленный наверху, в цепи возникал
электрический ток, и автоматическая система открывала створки
телескопа. Всем участникам эксперимента это невольно
напомнило дверь в волшебную пещеру из детской сказки, которая
распахивалась после заветных слов: «Сезам, отворись!»
Луч лазера отводился в сторону, фотоэлемент снова
оказывался в тени — и створки закрывались...
НЕСОВМЕСТИМОЕ
СОВМЕЩАЕТСЯ
Сейчас созданы самые разнообразные лазеры. Можно сказать,
не преувеличивая, что ученые располагают лазерами на любой
вкус и цвет, излучающими почти все длины волн
ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра.
Иногда различным лазерам приходится работать рядом друг
с другом. Однажды, например, в нашу физическую лабораторию
обратились за помощью хирурги, которым для проведения
сложных операций требовался хороший оптический «скальпель».
Необходимой мощностью излучения обладал лазер, испускавший
невидимые инфракрасные лучи. Хирурги не видели луча, а
работать вслепую таким грозным оружием — опасно. Тогда мы вме-

сте сделали оптическую систему, где вплотную с невидимым
лучом шел более слабый, но яркий и заметный красный луч
рубинового лазера. Оказалось, что лазерный луч тоже можно
подкрасить...
Сейчас во многих странах мира ведутся работы по созданию
лазеров, которые будут служить источниками мощного
рентгеновского и гамма-излучения. Такие лазеры очень нужны физикам,
химикам, врачам, биологам.
Длительное время ученым не удавалось увеличить КПД
световых лазеров — слишком много энергии приходилось тратить на
«раскачку» атомов и молекул внутри лазерного вещества.
Несмотря на высокие мощности излучения, испускаемого лазерами,
подводимая к кристаллу энергия в сотни раз превышала излучаемую.
А это означало, что лазер невыгодно использовать для передачи
больших количеств энергии.
Наконец исследователи сумели подобрать смесь газов —
двуокись углерода с примесью азота и гелия, в которой сравнительно
мало энергии теряется по пути превращения в полезное
излучение. К кварцевой трубке, наполненной такой газовой смесью,
приложены электроды от источника высокочастотного напряжения.
«Накачивать» газовый лазер светом не стоит — излучение лампы-
вспышки проходило бы сквозь прозрачный газ и подводимая
энергия пропадала бы впустую.
Верхние уровни азота и двуокиси углерода находятся на
одинаковой энергетической высоте над основным «спокойным»
состоянием газовых молекул. Под действием электрических
разрядов сначала возбуждается азот и быстро, без потерь энергии,
передает электроны на верхний стабильный уровень двуокиси
углерода. На этом уровне электроны накапливаются. При
одновременном переходе электронов на нижний уровень двуокиси
углерода высвечивается мощное невидимое инфракрасное
излучение с длиной волны 10,6 микрона. Коэффициент полезного
действия таких лазеров достигает уже сейчас 30 — 40%, причем
мощность их излучения составляет больше 10 кВт в одном пучке
при непрерывном режиме работы!
Сразу стали рождаться смелые проекты передачи энергии
с космических солнечных электростанций на Землю с помощью
невидимого лазерного излучения.
Энергетически выгодно использовать такие лазеры и для
нагрева плазмы в термоядерном реакторе до нескольких
миллионов градусов. Достижения ядерной физики и квантовой
электроники, несомненно, позволят человеку в ближайшем будущем
обратить себе на пользу энергию термоядерного синтеза.
Значительно меньшие мощности излучения удается получить
в полупроводниковых лазерах, например, из таких материалов,
как фосфид и арсенид галлия. Но зато это лазеры-малютки: их
габариты едва превышают размеры светлячков в лесу...
Полупроводниковые лазеры, как и газовые, начинают
работать при пропускании через кристалл электрического тока, что,
конечно, очень удобно Мы ведь привыкли к тому, что освещение
в комнате зажигается после поворота электрического
выключателя!
Однако недавно ленинградским физикам удалось создать
полупроводниковые лазеры, возбуждаемые коротковолновым
светом. В тонкой пластинке тройного полупроводникового
соединения, состоящего из алюминия, мышьяка и галлия, за счет
ступенчатого распределения алюминия (в середине его меньше, у обеих
граней — больше) можно создать энергетическую трехуровневую
схему, очень похожую на ту, которая была осуществлена в
газовых лазерах.

Правильнее такие полупроводниковые лазеры было бы назвать
переизлучающими структурами: падающее на них излучение
одного цвета превращается в свет совсем другого цвета. Процесс
происходит почти без потерь — эффективность переизлучения
достигает 96—98%!
Мы стоим в одной из комнат лаборатории, руководимой
академиком Ж. И. Алферовым, в Физико-техническом
институте АН СССР им. А. Ф. Иоффе в Ленинграде. Жорес Иванович
и его сотрудники демонстрируют московским коллегам
эффектный опыт: яркий зеленый луч от газового аргонового лазера
падает на крохотный полупроводниковый лазер — переизлучающую
структуру. Под натиском зеленого луча полупроводниковая
структура «выстреливает» яркий красный луч! Доктора наук В. М.
Андреев из Ленинграда и М. Б. Каган из Москвы устанавливают на
пути красного луча многослойный фотоэлемент, верхний слой
которого тоже изготовлен из тройного соединения алюминия,
галлия и мышьяка. Такой фотоэлемент имеет коэффициент
преобразования красных лучей в электроэнергию выше 56%. Никогда
раньше не удавалось на практике с таким высоким КПД
превратить лазерный свет в электричество!
Еще одним немаловажным обстоятельством был
знаменателен наблюдавшийся нами опыт: дружно и согласованно
«работали» вместе два устройства — лазер и фотоэлемент, которым
выпала трудная честь доказать справедливость квантовой теории.
Разработаны
проекты больших
солнечных
электростанций —
спутников Земли,
передающих
вырабатываемую
энергию на Землю
с помощью
лазерных лучей
или электромагнитного
излучения
высокой частоты.

НОВЫЕ
СВОЙСТВА
ЭЛЕКТРОНА
В 1925 году Альберт Эйнштейн рекомендовал своему коллеге
Максу Борну познакомиться с докторской диссертацией
французского физика Луи де Бройля такими странными словами:
«Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана
она солидно».
Эйнштейну было свойственно тонкое чувство юмора и
насмешливое отношение к общепринятым вкусам и привычкам.
Например, свою любовь к путешествиям на парусной яхте Эйнштейн
объяснял тем, что на ней он может не бояться посетителей.
Про школу, где одновременно с естественными науками
преподавался закон божий, Эйнштейн говорил, что дети в конце концов
начнут думать, что бог — это газообразное позвоночное...
Но в словах Эйнштейна, обращенных к Борну, за шуткой
скрывалась серьезная взволнованная мысль. Еще бы — из работ
де Бройля следовало, что электрон, к которому все уже привыкли
относиться как к частице, обладает одновременно явно
выраженными волновыми свойствами!
Де Бройль пришел к своим выводам чисто теоретически.
Если уравнения движения электрона по орбите вокруг атома,
полученные с использованием соотношения теории относительности,
связывающего массу и энергию, записать в форме, которой
пользуются оптики для описания волновых процессов, то оказывается,
что электрон обладает длиной волны, а устойчивыми орбитами
являются как раз те, на которых укладывается целое число
длин волн электрона.
Вполне возможно, что «сумасшедшей» теории де Бройля
пришлось бы ждать признания много лет, если бы о ней не
вспомнили в трудную минуту физики-экспериментаторы Дэвис-
сон и Джермер. В трудную минуту размышлений над
непонятными результатами очередного опыта...
Открытие было сделано, как это часто бывает, почти
случайно. Дэвиссон и Джермер изучали отражение электронов от
поверхности никелевых пластинок. Пластины тщательно очищали
от окислов и между экспериментами хранили в герметично
закрытых сосудах, лишенных кислорода. Однажды один из сосудов
разбился. Пластинку решили прокалить, чтобы избавиться от
быстро выросшей на воздухе пленки окисла. Тогда на
поверхности металла образовались крохотные кристаллики никеля.
Экспериментаторы продолжали опыты, но прокаленная
пластинка никеля стала вести себя необычным образом. Если от
остальных пластин электроны отражались зеркально, как и
положено потоку частиц, то от прокаленной пластинки электроны
рассеивались в разные стороны, причем в одних направлениях
их поток значительно усиливался, а в других — заметно
ослабевал. Потоки электронов вели себя как пучки света в
экспериментах Юнга и Френеля при изучении явлений дифракции и
интерференции.
Объяснить эти опыты удалось только благодаря теории
де Бройля.
Размеры мелких кристалликов никеля оказались
соизмеримыми с длиной волны электронов, вычисленной де Бройлем.
Электроны «обходили» кристаллики, как световые волны огибают мелкие
непрозрачные препятствия в опытах по дифракции...
Первый успех окрылил сторонников теории де Бройля. Может
быть, электронные волны позволят еще подробнее, чем
рентгеновские лучи, заглянуть в глубь вещества?

Если для рентгеновских лучей атомы кристалла служат
дифракционной решеткой и с их помощью можно измерить
расстояния между атомами, то для электронов окажутся доступными
и более мелкие детали строения микромира. Например, удастся
оценить размеры отдельных атомов и разглядеть наконец доселе
невидимый атом во всех подробностях...
Как быстро развивается физика в XX веке! Казалось бы,
совсем недавно были определены масса и заряд электрона, и
сравнение электрона с маленьким заряженным шариком, быстро
вращающимся вокруг ядра, заняло прочное место в сознании
физиков. И вот электрону опять нужно подыскивать новый
зрительный образ...
ОДИН
В ДВУХ
ЛИЦАХ
Конечно, замечательные опыты англичанина Дж. Дж. Томсо-
на по определению в магнитном поле отношения заряда
электрона к его массе и американца Роберта Милликена по прямому
измерению заряда электрона, убедившие всех, что электрон —
это частица, были выполнены достаточно тщательно и надежно,
и физики нисколько не сомневались в их достоверности. Да и эти
опыты, как все истинные и точные эксперименты в науке, можно
воспроизвести и проверить в любой лаборатории мира.
Роберт Милликен пользовался очень простой аппаратурой.
Две круглые латунные пластины диаметром около 25 сантиметров
были установлены на расстоянии 15 миллиметров друг от друга.
В верхней пластине было просверлено несколько мелких круглых
отверстий, через которые в воздушный промежуток между
пластинами с помощью распылителя впрыскивались капли
смазочного масла. К пластинам подводилось высокое напряжение
в 10 киловольт. Вот и все!
Милликен потратил на свои опыты три года: с 1909 по 1912
год. С помощью потока рентгеновских лучей он ионизировал
молекулы воздуха. Оставив после себя заряженные
положительно ионы, электроны прочно «усаживались» на капельках масла.
По скорости опускания капелек можно было определить заряд
одного электрона и подсчитать, сколько электронов «сидит» на
отдельной капельке.
Иногда Милликен так увлекался своими наблюдениями за
поведением заряженных капелек масла, что забывал пообедать
или выйти к заранее приглашенным гостям. Объектив
оптической системы, через который Милликен рассматривал события,
происходившие между латунными пластинками, неудержимо
приковывал его внимание в эти годы.
Жена Милликена однажды объяснила гостям, что ее муж не
может прийти к обеду, пока не закончит стирать и гладить. Гости,
конечно, были очень растроганы любовью ученого к домашним
занятиям... Через несколько часов все выяснилось. Милликен,
позвонив из лаборатории, коротко сказал жене: «Я наблюдал за
ионом», что звучит по-английски очень похоже на фразу: «Я
стирал и гладил».
И теперь физики должны признать, что частица, имеющая
массу и заряд, ведет себя как волна? Это означало бы, в частности,
что можно создать и электронный микроскоп! По образцу и
подобию оптических и рентгеновских микроскопов...
Оказалось, что можно. Роль оптических линз в электронном
микроскопе выполняют несколько мощных магнитов, объединен-
Пучки электронов
заменяют
при анализе веществ
рентгеновские лучи,
позволяя легко
отличить слиток меди
(вверху)
от пленок никеля
и слоев хрома.

Здесь показан
современный
электронный
микроскоп
и сфотографированные
с его помощью:
провода электронных
схем толщиной
в несколько микрон;
плесень, покрытая
слоем металла;
внешне гладкая
и блестящая
пленка алюминия.
ных в устройство, получившее название магнитной линзы.
Магнитные линзы легко фокусируют потоки электронов,
вылетающих в высоком вакууме с поверхности раскаленной
вольфрамовой проволочки и ускоренных электрическим полем. Эти же
линзы способны по желанию экспериментатора «распустить»
электроны веером, направить их на тонкие полупрозрачные пленки
металлов, на кристаллические пластинки или кусочки
замороженных биологических тканей, а могут и собрать электроны,
отраженные от поверхности образцов, снова вместе. Отчетливо видны
в современном электронном микроскопе зерна (или поры) в
тончайших металлических пленках диаметром всего 10—20 ангстрем.
Электронный луч
повинуется тем же
оптическим законам,
что и световое
излучение,
и, пользуясь им,
можно разглядеть
значительно
более мелкие детали
на поверхности
различных тел —
ведь длина волны
электронного луча
в тысячи раз
меньше длины
волны света!
Электронный микроскоп обладает в десятки и сотни раз
большей «зоркостью зрения», чем устройства, использующие
рентгеновские и оптические лучи; возможности ученых исследовать
структуру мельчайших объектов значительно возросли.
Несколько лет назад физики создали так называемые
сканирующие, или растровые, электронные микроскопы: электронный
луч быстро и в разных направлениях пробегает по образцу,
позволяя получить на светящемся экране или на фотографии объемное
изображение самых крохотных деталей изучаемой поверхности.
Царапина шириной всего в один микрон на поверхности
полупроводниковой пластины выглядит на таких фотографиях глубоким
оврагом!
Вероятно, только после создания таких научных инструмен-

тов, как электронный микроскоп, исследователи окончательно
поверили, что электрон похож на двуликого бога Януса. В
некоторых случаях он ведет себя как частица, а в других — как волна.
Физики теперь описывают электрон несколькими
характеристиками. Например: «Мы пользовались пучком электронов с
энергией 600 электрон-вольт (длина волны 0,5 ангстрема)». Вот
какие крохотные длины волн имеет электронное излучение!
Многое изменили в наших представлениях о Природе великие
физические открытия XX века. Сначала у световой волны были
обнаружены качества, характерные для частиц, затем у
электрона найдены волновые свойства...
И самое удивительное, что по мере нашего проникновения
в тайны окружающего мира все время будут выдвигаться новые
представления, новые теории и гипотезы.
Возможно, исследователям Природы полезно утешать себя
при этом замечательными словами Лессинга: «Стремление к
истине ценнее, дороже уверенного обладания ею».
ЖИВЫЕ
КАРТИНЫ
На моем рабочем столе лежат две золотистые полупрозрачные
стеклянные пластины, подаренные мне аспирантом,
увлекавшимся не только физикой, но и живописью, скульптурой,
архитектурой старых русских церквей. Иногда я подношу пластины к окну
и внимательно их разглядываю. Особенно приятно это делать
в мягком свете утреннего солнца... За одной из пластинок
становится отчетливо видно объемное изображение древнеримской
скульптуры, за другой — храм Василия Блаженного на Красной
площади в Москве. Слегка поворачивая пластины, можно даже
заглянуть за висящие в воздухе изображения — из-за спины богини
появляются ниспадающие складки туники, выплывает вперед еще
одна расписная глава нарядного храма. Удивительные
пластинки! Будто окна в таинственную страну искусства...
Объемные снимки, так незаметно спрятанные в
полупрозрачной фотоэмульсии стеклянных пластинок, получены методом
голографии. Этот научный термин означает «полная запись»,
ведь слова «холос» и «графо» переводятся с древнегреческого
как «полный» и «пишу».
Идея голографии впервые пришла к ее изобретателю Деннису
Габору, венгерскому ученому, работавшему в Англии, в один из
прекрасных весенних дней 1947 года. Голография постепенно
захватывала воображение все большего числа исследователей и
выросла в большое самостоятельное направление науки. В 1971
году Д. Габору была присуждена за это достижение Нобелевская
премия по физике. В конце своей речи при вручении Нобелевской
премии создатель метода голографии сказал: «Я... являюсь одним
из немногих физиков, которым посчастливилось увидеть, как
их идеи и замыслы выросли в новый большой раздел физики.
Я отдаю себе полный отчет в том, что это достижение армии
молодых, талантливых исследователей-энтузиастов...»
В 1947 году Д. Габор упорно размышлял над возможностью
разглядеть атомы с помощью электронного микроскопа. Почему
это никак не получается? Ведь электронный микроскоп уже в то
время давал в 100 раз большее увеличение, чем оптический.
Длина волны очень быстрых электронов составляет 0,05
ангстрема. Обычно микроскоп позволяет увидеть мельчайшие детали,
размеры которых соизмеримы с длиной волны падающего света.
Самый маленький атом — атом водорода, у которого на орбите
Так выглядит
на электронной
фотографии
поверхность
магнитофонной ленты.
Увеличение
в 100 тысяч раз!

вокруг ядра вращается всего один электрон, представляет собой
сферу диаметром около одного ангстрема. Значит, даже
излучение с длиной волны 0,5—0,6 ангстрема при хорошей системе
фокусировки должно было бы позволить исследователям различить
отдельные атомы: но этого почему-то не происходит...
Одна из причин очевидна — магнитные линзы для
фокусировки электронного луча были все еще недостаточно совершенны и по
сравнению с прекрасными оптическими объективами,
напоминавшими по качеству огранки драгоценные камни, скорее походили,
как писал Д. Габор, на «дождевые капли».
На практике в электронном микроскопе в то время удавалось
разглядеть лишь объекты размером не менее 12 ангстрем, а с
усовершенствованием аппаратуры, до 4 ангстрем. Но это все равно
в несколько раз больше размеров атома водорода...
Может быть, осуществить «фотографирование» атома в две
стадии: сначала получить снимок на электронном микроскопе,
а затем увеличить его, удалив по пути погрешности электронной
оптики с помощью уже обычной оптической системы? И здесь
Д. Габор подумал, что и обычная оптическая фотография «не без
греха» — ведь на фотопластинке или на пленке мы видим
чередование темных и светлых пятен, отражающих лишь одно
свойство упавшего на них света — интенсивность. Там, где свет был
ярким, пленка почернела (много бромистого серебра разложилось
на серебро и бром), в местах, где свет был рассеянным и слабым,
фотопленка почти не изменилась.
Но ведь у световых волн (как, впрочем, и у всех других) есть
много характеристик: форма волны, длина волны, высота пиков
и впадин. Очень важно, в какой момент — на вершине пика,
при прохождении впадины или в начале подъема — волна
встретилась с освещенным предметом или фотопленкой.
Физики измеряют нарастание и опускание фронта волны в
градусах, а о том моменте встречи с препятствием, о котором
мы только что пространно рассуждали, говорят коротко: надо
знать фазу волны в градусах. Фаза волны меняется при
отражении от разных точек любого фотографируемого объекта — будь
то человек или куст сирени. На фотопленку попадают
разнообразные прямые или отраженные волны в самые разные моменты
времени их жизни, или — скажем, используя научный термин —
падают волны с разной фазой.
Д. Габор пришел к убедительному выводу: если бы
фотографии могли воспроизвести не только интенсивность отраженного
света, но и фазы отраженных волн, то изображение наконец
стало бы совершенно точной копией оригинала.
Вполне возможно, что сведения о фазе волны отраженного
света каким-то образом «зашифрованы» и в обычной электронной
или оптической фотографии, и надо только изобрести способ
извлечь из них эту информацию. Хотя, конечно, при освещении
белым солнечным светом на фотопленку попадают в случайные
моменты времени настолько разнообразные лучи, что
разобраться в этом «хаосе» вряд ли смог бы самый умный робот будущего.
Лучше последовать примеру Юнга и Френеля — осветить
предмет когерентным светом одинаковой длины волны из одного
или двух источников. После отражения от предмета на
фотографию будут попадать различные лучи, и все изменения в их
характеристиках, и в том числе в фазах и интенсивностях, будут
связаны со свойствами предмета. Полученный таким образом
снимок необходимо при рассматривании осветить тем же самым
когерентным светом, который использовался при фотографировании.
Тогда изображение предмета можно будет восстановить с
невиданной доселе полнотой и объемностью!

ПОЗДНЕЕ,
НО СПРАВЕДЛИВОЕ
ПРИЗНАНИЕ
Насколько, оказывается, больше пользы может принести
один когерентный луч, чем множество случайных лучей, хаотично
и беспорядочно летящих из лампочки или от нашего ласкового
Солнца! Как здесь не вспомнить слова американского
поэта-отшельника Генри Торо, который полжизни провел в уединении
лесов и полей: «По-моему, лучше одному сидеть на тыкве, чем
тесниться с другими на бархатной подушке...»
Д. Габор понимал, что его идея может привести к перевороту
если не в электронной технике, то в фотографии. Но в те годы
в распоряжении ученых, к сожалению, было очень мало
источников когерентного света. Габор со своими сотрудниками выбрал
для опытов наиболее мощный из них: ртутную лампу высокого
давления.
Из излучения лампы с помощью черного экрана с очень
маленьким отверстием (диаметром всего 3 микрона) был «вырезан»
пучок света, про который можно было с некоторой
осторожностью сказать, что у всех лучей, его составляющих, форма
световой волны почти одинаковая. Д. Габор сфотографировал
фамилии классиков оптики: Гюйгенса, Юнга, Френеля,
написанные на пластинке диаметром около 1 мм. Пластинка находилась
в 1 см от черного экрана. Время засветки, правда, составляло
несколько часов — свет все же был слабый.
На проявленные затем фотопластинки, на которых ничего,
кроме хаотично расположенных светлых и темных пятен,
разобрать было нельзя, вновь направили пучок когерентного света,
и в воздухе за фотопластинкой возникли еще не очень четкие,
но легко читаемые имена: Гюйгенс, Юнг, Френель!
Возможность практического осуществления метода гологра-
В этих букетах,
нарисованных
на плоскости
картона и холста,
тонко переданы
оттенки цвета.
Но только с помощью
лазерной
голографи ческой
установки удается
получить картины,
точно
воспроизводя щие
не только окраску,
но и объем
окружающих
предметов.

фии была доказана, но настоящий триумф пришел к идее Габора
лишь с изобретением мощных источников когерентного света —
лазеров.
Герой «Мастера и Маргариты» М. А. Булгакова, автор
прекрасного романа, только что сожженного им, уговаривает себя
и читателей, что рукописи не горят. Он имел в виду, конечно,
бессмертные рукописи... История открытия и второго рождения
голографии убеждает нас, что яркие научные идеи тоже не
исчезают бесследно.
В 60-х годах нашего столетия американские ученые Лейт и
Упатниекс получили четкие голограммы, используя интенсивное
красное излучение гелий-неонового газового лазера. Они
посылали с помощью отклоняющего зеркала лазерный луч на
освещаемый предмет и одновременно направляли так называемый
опорный лазерный луч непосредственно на фотопластинку, где он
встречался с отраженными от предмета лучами, давая четкую
интерференционную картину в тонком слое фотоэмульсии.
Рассматривать фотопластинки-голограммы надо было в красных
лучах того же газового лазера...
В 1962 году советский ученый Ю. Н. Денисюк внес несколько
важных изменений в методику получения голограмм: он
предложил посылать лазерные лучи на фотопластинку с обеих сторон
и создавать скрытое интерференционное изображение в
сравнительно толстых фоточувствительных слоях.
Голограммы, снятые способом Ю. Н. Денисюка, можно
освещать при разглядывании уже не лазерным, а обычным
солнечным светом — такие фотопластинки из множества лучей сами
выделяют те, которые были использованы при получении
голограммы.
На выставке в Херсонесе я видел сделанные по методу
Ю. Н. Денисюка голографические фотографии в темном зале.
В свете даже обычных осветительных ламп золотые изделия
древних мастеров было трудно отличить от подлинных...
На одной фотопластинке с толстым слоем фотоэмульсии
можно с помощью трех лазеров получить голограмму в трех
дополнительных цветах — зеленом, желтом и красном, что
позволяет затем, при рассматривании голограммы в естественном
солнечном свете, видеть не только объемные, но и цветные
изображения предметов!
ВОЛШЕБНЫЕ СТЕКЛА,
КОТОРЫЕ
НЕ СТРАШНО РАЗБИТЬ
Голография стала бурно развиваться. Ученые сейчас
стараются создать голографическое кино и телевидение. Степень
воспроизведения реальной жизни в этом случае будет настолько
высокой, что наверняка многим из зрителей захочется шагнуть
прямо в экран и участвовать вместе с героями кинолент в их
дальнейших приключениях...
Голография оказалась полезной в самых неожиданных для
физики случаях, например в книжном деле и хранении научной
информации. На одной голографической пластинке удается
навечно записать в 200—300 раз больше страниц печатного
текста, чем на обычной микрофотопленке!
Снимая голограмму зыбкой поверхности моря, волнение
которого вызвано не ветром, а источниками звука, установленными
на дне, можно очень легко распознать любой объект — будь то
ловец жемчуга, дельфин или тонущий корабль, если они будут

расположены между источником звука и поверхностью моря.
«Нам сверху видно все»,— сможет с полным правом сказать
пилот вертолета, летящего над морскими волнами, если на его
борту будет установлен такой голографический
чудо-фотоаппарат, пронизывающий своим «взглядом» морские глубины.
Если при съемке голограмм освещать предмет рассеянным
светом — например, установив между лазером и предметом не
зеркальное, а матовое стекло, то все точки голограммы будут
нести полную информацию об объекте съемки.
Молодой армянский физик Виктор Афян предложил
наносить слой голографической фотоэмульсии на плоские линзы
Френеля. При этом можно одну фокусную точку превратить
в три или четыре!
Представьте себе, что дорогая для вас фотокарточка порвана
на кусочки. Вам придется их долго склеивать, чтобы снова
восстановить изображение.
Голограмму же не страшно разбить. Осветив любой из
мелких осколков фотопластинки такой голограммы, мы увидим
всю картину целиком.
Удивительное свойство! Помните, как некоторые
пресмыкающиеся свободно отращивают оторванный хвост или ногу? Нам
кажется это необъяснимым чудом природы. Голограммы
способны на большее — они живут полноценной жизнью, даже
разбитые на крохотные кусочки. Мы можем с полным правом
назвать голографию чудом современной физики.
Прошло немного времени с тех пор, как победило в науке
представление о «зернистости» излучения, были обнаружены
корпускулы света — кванты, доказано существование атомов
и электронов, созданы фотоэлементы и лазеры... Яростный
противник атомистической теории, известный химик Оствальд
и тот сдался, написав в предисловии к своему курсу лекций:
«Теперь я убежден, что в последнее время мы получили
опытное доказательство прерывного, или зернистого, строения
материи...»
И вдруг свет вновь проявляет свои замечательные волновые
свойства, и ученые с помощью одних лазеров создают скрытые
На поверхности
голографической
пластинки,
лежащей на столе,
не видно ничего,
кроме серых кружков
и пятен (вверху).
Но при освещении
лазерным лучом за ней
в воздухе возникает
объемное изображение
сфотографированного
самоходного
подъемного крана.

интерференционные картины, а с помощью других их
воспроизводят, «рисуя» в воздухе прекрасные объемные изображения
предметов.
Картины интерференции, считавшиеся самым убедительным
свидетельством волновой природы света, теперь образуются с
помощью лазеров, которые удалось изобрести только потому,
что существуют кванты света!
ИГРАЕТ ЛИ
БОГ
В КОСТИ?
Физики XX века пришли к выводу, что Природа значительно
сложнее всех придуманных до сих пор теорий. Природа слишком
многолика. Возникают новые научные направления —
квантовая механика и затем квантовая электроника. Ученые теперь
не только принимают за вполне естественный факт, что любое
излучение едино в двух лицах, но и успешно доказывают, что
только так, превращаясь то в волну, то в частицу, и может
существовать свет. Как в сказке — то змеей свернется, то соколом
взовьется...
В науке появился еще целый ряд важных представлений,
для которых не удается подобрать привычных конкретных
зрительных образов. Вспомним, например, про соотношение
неопределенностей, выведенное немецким физиком Вернером Гейзен-
бергом.
Из этого соотношения вытекает, что пока электрон
принадлежит атому, то неопределенность его местонахождения, его
координаты в пространстве сравнимы с размерами атома.
Электрон как бы «размазан» по атому. Физик-экспериментатор лишен
(не кем-нибудь, а законами Природы!) возможности определить
точное положение электрона. Может быть рассчитана лишь
вероятность нахождения электрона в том или ином энергетическом
состоянии или месте пространства.
С этим выводом квантовой теории никак не мог согласиться
один из ее основоположников — Альберт Эйнштейн. В
многолетних творческих спорах с Нильсом Бором, Максом Борном,
Вернером Гейзенбергом и другими сторонниками
статистического, вероятностного подхода к описанию поведения частиц
Эйнштейн неизменно старался найти аргументы против доводов
своих оппонентов.
Когда Нильс Бор в 1961 году был в Москве в Физическом
институте имени П. Н. Лебедева, он так волновался, рассказывая
о страстных спорах, будто эти события происходили вчера.
Бор мрачно хмурился: «Это был трагический момент. Ведь если
бы Эйнштейн оказался прав, то все рухнуло бы!» Затем лицо
Бора расплывалось в улыбке: «Но этого не произошло. Вот, что
недосмотрел Эйнштейн...»
Квантовая механика выдержала проверку временем и
выстояла под сокрушительными теоретическими «ударами»
Эйнштейна. С ее помощью ученые получают поразительно точные
результаты при расчетах сложных атомов и ядер, предсказывают
появление и поведение элементарных частиц.
Современную физику невозможно представить себе без
квантовой механики.
Эйнштейн все же до конца жизни сохранил особое мнение
по поводу многих выводов квантовой механики.
Скрывая за шуткой глубоко переживаемое им чувство
неудовлетворенности, Эйнштейн писал Максу Борну: «Ты веришь в

бога, играющего в кости, а я — в полную закономерность
объективно существующего, и эту закономерность я пытаюсь
уловить...» Хотя в другом месте письма Эйнштейн признавался:
«Я понимаю, что принципиально статистическая точка зрения...
содержит значительную долю истины».
Ученые продолжали исследовать природу материи,
интуитивно чувствуя, что особенно много будет обнаружено нового в
условиях, когда вещество находится в особом состоянии —
при сверхвысоком давлении, очень низкой температуре, при
освещении мощными импульсами света.
ПОЛЕ
НАПРЯЖЕННОЙ
МЫСЛИ
Сергей Иванович Вавилов еще в 1926 году экспериментально
обнаружил одно из явлений, с изучения которого начался новый
раздел науки — нелинейная оптика. Направляя на темные стекла
импульсы интенсивных потоков света, Вавилов и его сотрудники
доказали на опыте, что при определенной, довольно большой
освещенности стекло поглощает свет значительно слабее, чем
при обычных световых потоках. В таком состоянии
большинство электронов уже переведено на верхние возбужденные уровни
и стекло «не принимает» больше света!
Ярко горят торцы
тончайших
стеклянных волокон,
освещенных
с противоположной
стороны.

Открытие лазеров позволило ученым продолжить опыты
Вавилова. Советские ученые сначала предсказали, а затем и
подтвердили на опыте явление самоканализации и самофокусировки
лазерных лучей.
В определенных жидких и твердых телах (сероуглерод,
некоторые сорта стекол) прохождение луча лазера приводит
к увеличению показателя преломления вдоль его пути. Стекло
или жидкость вокруг лазерного луча сохраняют показатель
преломления на прежнем, более низком уровне. Лазерный луч
Световые волокна
и кабели могут быть
проложены
высоко в горах,
только
время от времени
необходимо проверять
надежность их
соединения,
тем более,
что число их
возможных сочетаний
друг с другом
столь же велико,
как количество ходов
в знаменитом
кубике Рубика.
образует тем самым световод — ведь для него граница сред
с высоким и низким показателем преломления обладает почти
стопроцентным отражением, как в волоконных стеклонитях.
Луч сам себя запер внутри стекла и в то же время сделал свою
дорогу беспрепятственно гладкой...
В последнее время удалось значительно увеличить и мощность
лазеров, особенно в импульсном режиме. Для этого с одного
торца лазера, за полупрозрачным зеркалом, ставят вращающуюся
призму с полным обратным отражением лучей. Призма на
несколько мгновений запирает свет внутри лазера, и излучение
быстро «набирает силу». Призму чуть поворачивают в сторону —
и освобожденный луч большой мощности с радостью
вырывается наружу.
В конце 70-х годов, используя подобные усовершенствования,
ученые получили лазеры, которые способны вырабатывать
короткие импульсы света мощностью 1012 ватт, что было равно
мощности всех электростанций США в то время!
Конечно, мимо удивительных возможностей лазерной
техники и голографии не могли пройти и... художники. В содружестве
с физиками они стали, например, создавать лазерные системы,
рисующие на экране или прямо в воздухе прихотливые узоры
из необычайно насыщенных красок.
Помню, как в Будапеште во время совместной работы с
венгерскими физиками в Центральном институте физических
исследований мы не могли во второй половине дня найти одного из
наших коллег — заведующего отделом оптики доктора Норберта
Кроо. Через несколько дней он нам признался: «Мы составляем
программу для художественных лазерных систем. В бывшем
королевском дворце, в огромном зале, в сочетании с музыкой
лазерная живопись должна произвести замечательное впечатле-

ние! Приглашаю всех на открытие зала лазерной
цветомузыки».
На следующий день, если бы не помощь доктора Кроо, мы не
смогли бы пройти через большую толпу любознательных
зрителей, стремящихся познакомиться с новым удивительным видом
искусства.
Достижения физики XX века никого не оставляют
равнодушным, в том числе самих физиков. Ученые не перестают
размышлять не только над отдельными научными проблемами, но и
делают постоянные попытки объединить все открытые до сих
пор явления в единую стройную картину строения материи.
Альберт Эйнштейн, например, часто предлагал ввести общее
понятие поля, которое в виде особых состояний включало
бы вещества, имеющие четкие границы, и безвоздушное
пространство, частицы-кванты энергии и электромагнитные
волны.
«То, что действует на наши чувства в виде вещества, есть
на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом
пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество, как такие
области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. В нашей
новой физике не было бы места и для поля и для вещества,
поскольку единственной реальностью было бы поле... Но до сих
пор мы не имели успеха в последовательном выполнении этой
программы»,— и нам слышится голос А. Эйнштейна,
произносящего слова из книги «Эволюция физики», написанной им
совместно с многолетним другом и коллегой Л. Инфельдом. О
постоянном поиске исследователей Природы, об их сомнениях и о
непрерывном стремлении к истине говорят страницы этой
классической книги. Вот небольшой отрывок из нее:
«Фундаментальные проблемы еще стоят перед нами. Мы знаем, что все вещество
состоит из частиц немногих видов. Как различные формы
вещества построены из этих элементарных частиц? Как эти
элементарные частицы взаимодействуют с полем?»
Бесконечно и безгранично человеческое стремление к истине...
Жгуты
световых волокон
могут изгибаться
как змеи,
но свет от закрытой
красным
светофильтром
настольной лампы
пройдет по ним
беспрепятственно.
Световые волокна
с помощью лучей
лазера
уже сейчас передают
звуки голоса.

Весь зримый мир — лишь еле различимый
штрих в необъятном лоне природы.
Б. ПАСКАЛЬ
Друг Френеля, академик Франсуа Араго писал о науке с тем
легким затаенным дыханием, которое выдает пылкую и
сдержанную любовь автора к предмету его повествования. Это
особенно заметно, когда речь заходит об оптике или астрономии.
Вот, например, два отрывка из сочинений Араго, переведенных
на русский язык и изданных в Петербурге в 1860 году:
«Для надежного измерения светила надобно, чтобы
изображение светила было ясно, обрезисто; но в то же время оно
делается смутным или от паров, покрывающих стекло, или от
слез, выступающих из глаза, приставленного к холодному
металлу».
«Халдеи, лежа на высоких и благовонных террасах Вавилона,
под вечно светлым небом, простыми глазами следовали за
величественным и общим обращением небесной сферы, с ея
блестящими звездами; уверившись в движении планет, луны и солнца,
они замечали дни и часы затмений и старались открыть периоды,
по которым можно было бы предсказать эти явления. Таким
образом, халдеи положили основание астрономии, называемой
созерцательною; не таково положение новых астрономов...»
Да, Араго был свидетелем первых крупных открытий как в
теоретической, так и в экспериментальной астрономии,
сделанных с помощью новых оптических инструментов. В XIX веке уже
сотни больших телескопов в разных странах мира были
направлены на небо. Обнаружив невидимые оптические лучи, физики
почти сразу же начали исследовать спектр ультрафиолетового
и инфракрасного излучения, испускаемого Солнцем, планетами,
далекими звездами.
НЕСМОТРЯ НА
«СОТНИ
РАЗЪЕДИНЯЮЩИХ ВЕРСТ»
Невидимые лучи и спектральный инфракрасный анализ
помогли понять природу и особенности свечения Солнца,
определить, из каких газов и химических элементов состоит
Солнце, узнать состав атмосферы планет, оценить температуру
поверхности как планет, так и звезд.
Ученые смогли все это сделать на Земле, несмотря на то, что
до Солнца, планет и звезд многие миллионы и миллиарды
километров, а не только «сотни разъединяющих верст», которые
казались большим расстоянием замечательному поэту Марине
Цветаевой немногим более полувека назад.
Еще до пролета американской станции «Вояджер» вблизи
Юпитера в 1979 году ученые знали, что его атмосфера
образована в основном из водорода, гелия, аммиака, метана, а не из
кислорода и азота, как атмосфера Земли.
До того, как советские межпланетные станции «Венера-9» и

«Венера-10» в конце 1975 года опустились в атмосферу утренней
звезды (как любят называть Венеру поэты), было известно,
что окружающая ее пелена плотных облаков состоит почти
полностью из углекислого газа.
Конечно, космические путешественники принесли и много
новых сведений. «Вояджер», например, измеряя ультрафиолетовое
излучение атмосферы Юпитера, позволил ученым сделать
достаточно определенный вывод: на Юпитере бывают полярные
сияния! Исследователи сейчас спорят лишь об одном:
«высыпанием» электронов или протонов из радиационных поясов в
атмосферу Юпитера (в районе его магнитных полюсов) вызвано
это столь знакомое нам на Земле явление природы...
С высокой точностью определили изменение температуры и
давления (все время возраставшие по мере приближения к
поверхности Венеры) и советские межпланетные станции «Венера».
Для измерения освещенности в атмосфере Венеры группа
исследователей, в которую входил автор этих строк,
устанавливала на всех аппаратах серии «Венера», начиная с космической
станции «Венера-5», вошедшей в атмосферу Венеры еще в 1969
году, небольшую, величиной с ладонь, солнечную батарею. Пусть
батареи измерят, насколько освещенность в атмосфере Венеры
отличается от земной,— мнения участников эксперимента по
этому поводу расходились...
На дневной стороне планеты освещенность оказалась очень
равномерной и большой — как на Земле в яркий солнечный
день!
Станция «Венера-5» опускалась на ночную сторону планеты, и
ее солнечная батарея сначала не давала о себе знать. И вдруг на
некоторой высоте над поверхностью планеты от нее пошли
неожиданно большие электрические сигналы. Будто ее кто-то
фотографировал аппаратом со вспышкой! Неужели молнии освещали
батарею?
Тщательно продуманный сотрудниками Института
космических исследований эксперимент, проведенный во время
недавних полетов станции «Венера» к далекой планете,
убедительно показал: в атмосфере ее часто полыхают грозы!
Многое, очень многое узнали ученые о Вселенной, особенно с
тех пор, как астрономам стали помогать химики и физики. Но
Советские
автоматические
межпланетные станции
«Венера»
прекрасно справились
со сложнейшими
научно-техническими
задачами
и не только опустились
на поверхность планеты
вопреки высокой
температуре и
давлению,
но и передали на Землю
снимки ее рельефа.

самый, вероятно, большой интерес вызвала астрономия у
физиков, когда было обнаружено, что звезды нашей
Вселенной посылают во все стороны не только ультрафиолетовые,
видимые и инфракрасные лучи, но и... радиосигналы.
Фотографии
Юпитера и Сатурна,
полученные с борта
космических аппаратов,
пролетавших мимо этих
далеких планет
Солнечной системы.
КАК ПОЛЕЗНО
СЛУШАТЬ ЭХО!
В 1931 году во время изучения атмосферных помех
радиоприему Карл Янский, научный сотрудник одной из американских
лабораторий, заметил, что интенсивность радиопомех имеет
загадочную периодичность — каждые 24 часа они резко
возрастают и затем постепенно убывают.
Карл Янский после длительных раздумий пришел к
странному на первый взгляд выводу — помехи имеют космическое
происхождение! После каждого оборота Земли вокруг своей
оси звезды и планеты по отношению к радиоприемнику встают
на прежнее место, и все начинается сначала. Направляя в
разные участки неба «ухо» антенны не очень мощной радиостанции
(ведь это происходило в 1931 году!), сотрудники американской
лаборатории все же обнаружили, что им мешает не вся
Вселенная одинаково — наиболее сильным источником радиопомех
является какой-то объект в созвездии Стрельца, расположенном
почти в центре нашей Галактики. Видимо, он испускает
мощное радиоизлучение...
Грозное дыхание приближавшейся второй мировой войны
заставило астрономов и физиков вместо мирного исследования
звездного неба заняться изобретением радиолокаторов.
Посылаемые во все стороны радиосигналы отражались от летящих
самолетов и возвращались к приемнику, связанному со светящимся
экраном электронно-лучевой трубки. На экране эскадрилью
самолетов можно было увидеть задолго до того, как на город
начинали падать бомбы.
Антенны радиолокаторов становились все больше и
чувствительнее, радиопередатчики — мощнее, и после войны, когда небо
над головой людей многих стран нашей Земли стало мирным и
спокойным, все это очень пригодилось астрономам.
В 1943 году советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Па-
палекси теоретически доказали, что от ближайшего к нам
небесного тела — Луны можно получить отраженный сигнал. В 1946
году венгерские и американские физики послали к Луне
радиолуч и получили слабенький, но явный ответ!

Это были первые измерения расстояния от Земли до Луны
по запаздыванию посланного и отраженного радиосигнала. На
очереди стояли планеты Солнечной системы, и прежде всего
самые близкие к Земле — Венера и Марс.
Астрономы стали строить особые большие приборы —
радиотелескопы, предназначенные для приема слабого радиоизлучения,
посылаемого многими (как к тому времени выяснилось!) очень
интересными звездными объектами.
Радиоастрономия, родившаяся в нашем столетии, быстро
догоняла оптическую астрономию, возникшую в далекие времена
Галилея.
ГОЛОС
ДАЛЕКИХ
МИРОВ
Сердцем любого радиотелескопа служит приемная антенна. Ее
конструкция бывает самой различной. Антенна может быть
сделана в виде отражающего зеркала-параболоида, собирающего
радиолучи на чувствительный приемник, установленный в его
фокусе.
Если радиотелескоп принимает излучение с длиной волны
больше метра, то параболоид для уменьшения его веса делают
Радиотелескоп
с чуткой большой
антенной
диаметром 70 метров
установлен
в Центре дальней
космической связи
в Крыму.

У каждой эпохи
свои памятники
культуры.
Средневековая церковь
Рипсимэ под Ереваном.
сетчатым, кружевным — это нисколько не сказывается на
качестве его работы, поскольку размеры отверстий намного
меньше длины волны радиоизлучения. Диаметр таких «чаш»,
смотрящих в небо, становится с каждым годом все больше: у
радиотелескопов, установленных в СССР — в Пущине под Москвой и
под Симеизом в Крыму, он достигает 22 метров, а у параболоидов
в Англии, в Австрии и в советском Центре космической связи —
даже 65—70 метров!
Эти огромные аппараты используют, конечно, не только для
изучения радиоизлучения звезд и планет, но и для приема
радиосигналов от межпланетных космических станций и со спутников
Земли. С их помощью космонавты по радио обсуждают
проводимые эксперименты, разговаривают со своими семьями.
Необычайное событие подстегнуло энтузиазм строителей
радиотелескопов.
В 1967 году группой астрономов из Кембриджа была открыта
звезда, посылавшая строго периодические пульсирующие
радиосигналы и получившая поэтому название пульсара. Конечно,
первая мысль участников эксперимента и всех ученых, кто узнал об
этом раньше других, была одинаковой — наконец-то обнаружена
внеземная цивилизация!
Однако буквально через год десятки пульсаров были найдены
в разных участках Вселенной. С мыслью о разумных существах,
сообщающих нам сведения о себе, пришлось расстаться (сигналы
от всех пульсаров были слишком одинаковыми!), но энтузиазм
ученых возрос необычайно. Ведь природа новых звездных
объектов была совершенно непонятной...
Многие физики, считавшие до сих пор исследования атомного
ядра и элементарных частиц наиболее интересными областями

физики, стали «поглядывать» в небо. Может быть, там, в
огромных природных лабораториях и ускорителях, в условиях
невероятных давлений и температур, можно не только проверить
новую теорию, но и провести «мысленный эксперимент»?
Помню, как в середине 60-х годов наша исследовательская
группа спускалась весной с заснеженной высокогорной станции
космических лучей армянского Института физики на горе Ара-
гац в уже жаркий каменный Ереван. Гостеприимные хозяева
пригласили молодых коллег из Москвы в мастерскую
прекрасного художника Галенца, расположенную на окраине Еревана.
В мастерской мы застали пришедших раньше нас нескольких
известных физиков — академиков Я. Б. Зельдовича, В. Л.
Гинзбурга, А. И. Алиханяна, их учеников.
Дом-мастерская был прост и уютен, согрет талантом его
хозяев. В семье Галенца рисовали все, но лучше других были
удивительные картины самого старого художника — чудесные
портреты друзей, букеты цветов, улицы старого Еревана (увиденные
будто сверху и сбоку одновременно!), взлетающие, как казалось,
в небо розовые и фиолетовые деревья.
Все тихо говорили о картинах. И вдруг — оживленный
разговор о новых открытиях астрономов. Гости забыли об
искусстве...
В Ереване, где много лет работает академик В. А. Амбарцу-
мян, один из самых известных астрономов мира, проходил
астрофизический конгресс, на котором впервые, вероятно,
объединились «чистые» физики и «чистые» астрономы. Горящие
глаза наших знаменитых физиков красноречивее всего
остального говорили о том, что они увлеклись астрономией искренне,
всерьез и надолго.
В горах над Ереваном
расположена
и известная
всему миру
Бюраканская
обсерватория,
где физики
в наши дни
сделали много
выдающихся открытий.

Их увлечение передалось как гостям, так и хозяевам. Нашим
вопросам не было конца. Все завершилось тем, что астрономия
в этот день победила живопись, и мы выспрашивали о конгрессе
на всем пути в гостиницу. А путь был не близким — кажется,
около десяти километров.
В астрономии (или уже правильнее сказать — в
астрофизике) происходили действительно удивительные события...
КАК ХОРОШО,
ЧТО НАША ЗВЕЗДА —
СОЛНЦЕ!
Астрономы уже довольно давно доказали, что Солнечная
система, к которой принадлежит планета Земля, находится в
сравнительно удаленной области одной из галактик. Необъятная
Вселенная усеяна галактиками, и в каждой из них миллиарды
своих солнечных систем. Наше Солнце, к счастью, оказалось
довольно «уравновешенной» звездой.
По сравнению с другими звездами даже вспышки на Солнце
спокойные — в них выделяется (и то далеко не всегда) не больше
одной тысячной доли от мощности излучения всего Солнца.
Такие вспышки практически ничем не грозят жителям
Земли; лишь на несколько часов прерывается радиосвязь на
коротких волнах из-за бурного перемешивания слоев ионосферы,
отражающей радиоволны.
Многие галактики и звезды живут значительно активнее.
Во Вселенной имеется большое количество звезд, масса
которых в несколько, а то и в десятки раз превосходит массу Солнца.
Эти звезды очень быстро сжигают свое термоядерное горючее.
Тяжелые внешние слои такой звезды падают к центру и
их уравновешивает давление, возникающее благодаря мощному
потоку излучения,— ведь в середине массивной звезды
развивается очень высокая температура.
Массивная звезда интенсивно расходует свой водород,
превращая его в гелий. Звезда продолжает сжиматься, в ее центре
уже 80—100 миллионов градусов! Начинается реакция между
ядрами гелия, образуются новые химические элементы, и в
сердцевине звезды возникает, сменяя друг друга, кислородное,
магниевое, железное ядро.
Когда температура в центре массивной звезды достигает
астрономических значений в 5—6 миллиардов градусов, ядра
железа начинают «рассыпаться», звезда еще больше сжимается
и ее оболочка падает внутрь. Этот процесс даже получил особое
название: взрыв вовнутрь.
Оболочка звезды при этом сильно разогревается, и звезда
сбрасывает ее, выделяя огромное количество энергии. Возникает
взрыв невероятной силы, так называемый взрыв сверхновой
звезды. Во время взрыва сверхновой звезды появляется световое
излучение, в миллионы раз превосходящее светимость нашего
Солнца!
Такие взрывы происходят в других галактиках, видимо,
приблизительно один раз в сто лет, и их не всегда удается
заметить на большом расстоянии из-за межзвездной пыли или
облаков газа, поглощающих свет. И тем не менее в XV и XVI
веках великие астрономы Браге и Кеплер наблюдали вспышки
сверхновых звезд!
Внимательные китайские и японские астрономы еще в 1054
году нашей эры заметили взрыв сверхновой звезды, записав в
своих хрониках, что ее было видно днем, как Венеру. «Через год

Старинные
обсерватории
всегда имели ступени
для подъема
на верхние площадки —
террасы.
Ступени,
уходящие в небо...
она постепенно стала невидимой»,— отметили древние
астрономы, что позволяет нам с уверенностью считать, что они видели
именно вспышку сверхновой звезды.
Современным астрономам и астрофизикам легче —
сверхновая звезда излучает не только видимый и невидимый свет, но и
радио-, рентгеновское и гамма-излучение! Чувствительные
приборы на Земле сумеют их зафиксировать, даже если свет от взрыва
будет задержан межгалактической пылью.
БОЛЬШИЕ И ЧУТКИЕ
ДРУЗЬЯ
УЧЕНЫХ
Ученые сейчас особенно остро ощущают необходимость во
все более совершенных инструментах, смотрящих в небо,
слушающих голоса Вселенной и постоянно следящих за звездами.
Недавно советские инженеры установили в горах Кавказа
самый большой оптический телескоп в мире с диаметром зеркала
6 метров! С его помощью астрофизики смогут увидеть галактики,
удаленные от нас на расстояние в 10 миллиардов световых лет.
А ведь за один год луч света «пробегает» дорогу в 9400 миллиардов
километров!
Американские ученые собрали в Аризоне, на горе Маунт-
Хопкинс, большой телескоп из шести самостоятельных зеркал,
световые лучи от которых затем сводятся в одно изображение.
По своим оптическим возможностям этот многозеркальный
телескоп значительно уступает однозеркальному советскому,
однако он легче и удобнее при настройке. Проверка
многозеркального телескопа в работе позволит затем использовать эту идею
для постройки очень больших и одновременно сравнительно
легких телескопов, составленных из многих отдельных зеркал.
Оптические телескопы приблизили звездное небо к глазам

Туманность
Андромеды,
вызывающая
пристальный интерес
не только ученых,
но и писателей-
фантастов.
Так выглядят
на снимках одна из
спиральных галактик
и крупная
звезда-квазар,
ослепительное
свечение которой
кажется нам
незаметным
из-за огромного
расстояния,
отделяющего ее от
Земли.
наблюдателей. Радиотелескопы позволили ученым увидеть то,
что, казалось бы, увидеть невозможно: космические объекты,
заслоненные плотными облаками межзвездной пыли.
На обычных оптических снимках ярче всех светится, конечно,
Солнце. Радиотелескоп видит на небосклоне несколько ярких
солнц. Необычайно мощное радиоизлучение с метровой длиной
волны посылают нам, например, оболочка сверхновой звезды
Кассиопея-А в созвездии Кассиопеи и далекая галактика Ле-
бедь-А в созвездии Лебедя.
В отличие от оптических телескопов радиотелескопы
практически не ограничены размерами приемной поверхности: для них

нужны лишь металлические отражающие сетки, а не дорогие
и тяжелые стеклянные зеркала.
Природа подготовила для радиоастрономии еще один
подарок — в атмосфере Земли есть «окно» почти полной прозрачности
для радиоволн с длиной волны больше 1,25 сантиметра и меньше
30 метров. Это «окно» значительно шире оптического окна
атмосферы.
Советские конструкторы создали и собрали на огромном поле
у станции Зеленчукской, у подножия гор Северного Кавказа,
радиотелескоп РАТАН-600 необычной конструкции. Издалека он
похож на футбольный стадион — его кольцевая антенна,
составленная из 895 щитов алюминия высотой 7,4 метра и шириной
2 метра каждый, образует круг или эллипс с изменяемой по
желанию ученых формой. Диаметр кольцевой антенны — 600
метров!
РАТАН-600 вдвое превосходит по размерам предыдущего
рекордсмена — радиотелескоп, сделанный американскими
исследователями в кратере вулкана в местечке Аресибо, на
острове Пуэрто-Рико, имеющий диаметр 300 метров. Радиотелескоп
в кратере вулкана особенно известен тем, что с его антенны
понеслась во все концы Вселенной 16 ноября 1974 года первая
зашифрованная радиограмма возможным разумным обитателям
других галактик и солнечных систем. С помощью набора из
1679 кратковременных импульсов, которые легко расшифрует
любая высокоразвитая цивилизация, человечество посылает
основные сведения о себе...
ЕСЛИ СРАВНИТЬ
ЧЕЛОВЕКА...
С РАДИОТЕЛЕСКОПОМ
Нельзя считать, что после пуска гигантских радиотелескопов
их старшие и меньшие по размерам собратья совершенно
лишились работы. У небольших радиотелескопов есть в запасе
огромное преимущество перед большими: если они будут, например, по
согласованной программе наблюдать одну и ту же звезду с двух
континентов, то острота их зрения станет существенно выше,
чем у больших радиотелескопов.
Ученые, конечно, поспешили воспользоваться такой
возможностью: советский и американский радиотелескопы,
установленные в Симеизе (Крым) и в Голдстоуне (Калифорния), согласуя
свою работу по атомному стандарту времени, провели
наблюдение одних и тех же звездных объектов. Как и ожидалось, два
радиотелескопа увидели значительно больше. Если сравнить
достигнутую «зоркость» с нашими земными масштабами, то им
удалось определить толщину спички с расстояния в три тысячи
километров!
Академик В. Л. Гинзбург в своей книге «Космические лучи
у Земли и во Вселенной» вспоминает, как летом 1965 года на
выставке, устроенной на Муллардовской радиоастрономической
обсерватории вблизи Кембриджа (Англия), посетителя
подводили к стенду и просили взять один из лежащих на столе
небольших белых листов бумаги. Перевернув его, посетитель видел
такую надпись: «Взяв со стола этот листок бумаги, Вы затратили
больше энергии, чем та энергия, которую за всю историю
радиоастрономии приняли все существующие в мире радиотелескопы».
И несмотря на это, радиотелескопы сумели принести
человечеству больше новых сведений об окраинах наблюдаемой части
Вселенной, чем любой другой физический прибор на свете.

Приведем для примера несколько цифр. Радио галактика
Лебедь-А, отстоящая от Земли на 500 миллионов световых лет,
посылает нам радиоизлучение мощностью в несколько сотен
янских. В честь первооткрывателя радиоастрономии Карла Ян-
ского каждая крошечная единица радиоизлучения получила
название «янского»; количество янских в привычном нам
1 Вт/м2 выражается числом с 26 нулями после первой цифры.
Советский радиотелескоп РАТАН-600 чувствует поток
радиоизлучения, составляющий одну тысячную долю янского...
КОСМИЧЕСКОЕ
«ТОЧИЛО»
Ученые заняты, конечно, не только проблемой, как больше
принять радиосигналов с неба или точнее определить, откуда
они исходят, но и поисками ответа на основной вопрос: каким
образом возникает космическое радиоизлучение? Хотя всегда
трудно сказать, какой вопрос и ответ самый важный,— при
расшифровке загадок Природы все вопросы главные. Помните,
как в стихотворении Р. Киплинга, прекрасно переведенном
С. Маршаком:
Есть у меня шестерка слуг,
Проворных, удалых.
И все, что вижу я вокруг,—
Все знаю я от них.
Они по знаку моему
Являются в нужде.
Зовут их: Как и Почему,
Кто, Что, Когда и Где.
Да, все-таки на «как и почему» ответить труднее, даже
если известно «когда и где»...
Один из механизмов появления радиоизлучения был сразу
понятен: он такой же, как у инфракрасного излучения,—
тепловой. При высокой температуре вращательные и
колебательные движения молекул резко возрастают, молекулы начинают
Случайные
создания Природы
часто кажутся
творениями ума и рук
человеческих:
кольца Сатурна
похожи на орбиты
искусственных
спутников,
а сноп искр,
вылетающих из
вулкана,—
на праздничный салют.

излучать невидимые инфракрасные лучи (в основном) и
радиоволны.
Но во Вселенной встречается множество объектов, у которых
интенсивность радиоволн значительно превышает тот уровень,
который полагается объекту по его температуре.
Выяснилось, что у этих объектов — одинарных и двойных
звезд, у бурно живущих газово-пылевых туманностей, активных
ядер звезд достаточно сильные магнитные поля. Свободные
электроны, «сорванные» с атомов под воздействием ускоренных
протонов, ионов и ультрафиолетового излучения звезд, начинают
двигаться в магнитном поле и, тормозясь при этом, отдают свою
энергию в виде радиоизлучения, света и даже рентгеновских
лучей.
Характер и спектр этого излучения, получившего название
магнитотормозного или синхротронного, зависят от многих
причин, в частности, от напряженности магнитного поля и
начальной скорости свободного электрона. Вращаясь вокруг
магнитной силовой линии, электрон при каждом обороте дает вспышку,
всплеск электромагнитного излучения. Как образно говорит
один из авторов этого получившего всеобщее признание
физического объяснения, академик В. Л. Гинзбург,
«...электромагнитные волны испускаются подобно искрам, если точить нож на
вращающемся точиле».
Если вращение электрона будет достаточно быстрым, то искры
сольются, давая практически непрерывное радио-, оптическое
или рентгеновское излучение. Космическое «точило», как
правило, работает на высоких оборотах...
ПОЛЕЗНЫЙ СОВЕТ.,
ИЗ ДРУГОЙ
ГАЛАКТИКИ
Магнитотормозное излучение можно наблюдать и на Земле,
в ускорителях-синхротронах. Летящие в магнитном поле
ускоренные электроны светятся.
Синхротронное излучение, наблюдаемое в просторах
Вселенной, оказалось таким мощным, что конструкторы размышляют
о создании специальных ускорителей, эффективно
преобразующих энергию электронов в другие виды электромагнитного
излучения. Может быть, вскоре появятся мини-ускорители,
которые заменят рентгеновские трубки. Эффект, открытый на
Земле и обнаруженный затем в далеких звездах и галактиках,
вновь спустится на Землю...
Строительство ускорителей электронов, протонов,
многозарядных ионов для изучения элементарных частиц и свойств
атомов, молекул, ядер — особая область физики, о которой
можно было бы написать книгу. Однажды на научном семинаре
один из известных советских физиков-теоретиков хорошо сказал:
«Проектирование ускорителей — это не теоретическая физика,
это и не экспериментальная физика, это... проектирование
ускорителей».
Нетепловое рентгеновское излучение может, конечно,
возникать не только за счет магнитотормозного механизма. Во время
вспышек на Солнце или разлета оболочек сверхновых звезд
источником радиоизлучения служат колебания в проводящем
ионизированном газе. Часто рождается рентгеновское или
даже гамма-излучение при столкновении быстрых электронов
с фотонами, протонами и тяжелыми ядрами, вызывая в них
перестройку, приводящую к выбросу гамма-квантов.

Астрофизики настолько подробно изучили характер
космического радиоизлучения, что по приходящим к ним сигналам
умеют быстро определять, отражением какого процесса во
Вселенной они являются. Нетепловое радиоизлучение, которое не
сопровождается инфракрасным или видимым излучением, может
служить доказательством, что открыт новый космический объект,
возможно целая радио галактика, заслоненная от нас газово-
пылевым облаком. Тепловое радиоизлучение на длине волны
21 см принадлежит огромным облакам нейтрального водорода —
основному веществу Вселенной...
ТЕОРИЯ,
НАШЕДШАЯ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
ЧЕРЕЗ ТРИДЦАТЬ ЛЕТ
Конечно, до изобретения новых мощных инструментов
познания Вселенной физики жили значительно спокойнее —
квантовая механика объясняла все, что не укладывалось в рамки
классической физики. Почти все казалось понятным. Наступило
некоторое затишье.
Как это уже случалось не раз, тишина оказалась обманчивой,
а передышка — недолгой. Это было (легко угадать слова,
которые сейчас последуют!) затишье перед бурей.
На мирном, усеянном звездами небосклоне в середине 60-х
годов нашего столетия астрономы обнаружили необыкновенные
объекты, существование которых казалось совершенно
необъяснимым.
Объекты получили название квазагов и квазаров. Эти короткие
и звучные имена расшифровываются довольно длинно:
квазизвездные источники радиоизлучения (квазары) и
квазизвездные галактики (квазаги).
Приставку «квази» можно перевести на обычный «ненаучный»
язык словом «как бы».
Почему же астрономы не рискнули назвать обнаруженные
объекты просто звездами или галактиками, а придумали для
них осторожные выражения «как бы»-звезды, «как бы»-галакти-
ки? Их осторожность и удивление можно понять... Приведем
несколько характерных цифр.
На фотографиях квазары и квазаги практически неотличимы
от обычных звезд и галактик,— как выяснилось, из-за того
огромного расстояния, где их, как правило, обнаруживают,— в 1,5—2
миллиарда световых лет от нас. Точные измерения мощности
излучения с учетом удаленности от Земли привели к значениям,
в которые трудно поверить,— яркое ядро этих объектов, диаметр
которых почти в тысячу раз меньше, чем у нашей Галактики,
испускает света (только в видимой части спектра!) в десятки
раз больше, чем вся наша Галактика! Необыкновенно и
радиоизлучение квазаров. Для квазагов оно пока не зафиксировано.
Какой физический механизм может привести к столь
огромному выделению энергии? Термоядерные реакции, подобные
тем, что происходят на Солнце, слишком слабы для объяснения
этих процессов. Может быть, как в случае вспышек сверхновых
звезд, «виноваты» в яркости квазагов и квазаров силы
тяготения?
Ученые упорно ищут разумную теорию открытых явлений,
иногда возвращаясь к, казалось бы, давно оставленным научным
гипотезам.
Еще в 1932 году глава советской школы теоретической физики
академик Л. Д. Ландау говорил, что звезды большой массы

должны иметь сердцевину, состоящую из ядер, в которых
протоны (до сих пор мирно уживающиеся с соседями-нейтронами)
замещены на нейтроны. Целиком нейтронные ядра и,
следовательно, нейтронные звезды!
Лев Давидович показал еще тогда, в 1932 году, задолго до
экспериментального открытия этих звездных объектов, что
подобный процесс идет с огромным выделением энергии —
электроны каждого атома приближаются к своему ядру, «падают» на
него и при реакции с протонами рождают нейтроны и еще
несколько других видов элементарных частиц. Для
осуществления такой реакции вещество звезды нужно сжать до огромных
плотностей, превышающих плотность самых тяжелых материалов
во многие триллионы и биллионы раз.
Еще бы — вещество приходится практически лишить
электронов, образовать нейтронные ядра и еще прижать их почти
вплотную друг к другу. Получается не вещество, а одно сплошное
гигантское нейтронное ядро!
В 1934 году американские астрономы И. Бааде и Ф. Цвикки
высказали предположение, что при вспышках сверхновых звезд
именно благодаря образованию нейтронных ядер в условиях
сжатия вещества может освобождаться то невероятное
количество энергии, которое астрономы наблюдают в этих процессах.
Сейчас эти представления подтвердились. Ученые считают,
что так удивившие всех в 1967 году пульсары являются
нейтронными звездами, которые быстро вращаются вокруг своей оси.
Сердцевина нейтронных звезд состоит, вероятно, из
сверхтекучего вещества. Физики, как хорошие следователи, умело
восстанавливают события минувших дней. Взрыв сверхновой звезды,
который наблюдался в 1054 году там, где образовалась Крабовид-
ная туманность, считают они, действительно привел к появлению
пульсара — нейтронной звезды.
«НЕЧТО МАЛЕНЬКОЕ
И НЕЙТРАЛЬНОЕ»
У современной физики сложные и взаимно полезные
«отношения» со Вселенной, с процессами, происходящими в
Галактиках и звездах. Несколькими страницами раньше в этой главе мы
привели маленькую поучительную историю о том, как ученые,
объяснив магнитотормозной механизм возникновения радиоволн,
идущих к нам от звезд, научились воспроизводить его на Земле.
Сейчас настала очередь для рассказа о научных открытиях,
произошедших в обратном порядке: сначала физик-теоретик
вообразил некую новую элементарную частицу (как любят
писать журналисты, «она возникла на кончике пера»),
экспериментаторы с трудом ее обнаружили, и теперь без этой частицы
нельзя себе представить ни ядерных процессов, идущих в
атомных реакторах, ни реакций в центре Солнца, ни взрывов звезд
и галактик...
В конце двадцатых годов нашего столетия излучение быстрых
электронов ядрами некоторых элементов (как правило, в
результате естественной радиоактивности) физики назвали бета-
распадом или испусканием бета-лучей. Видимо, после каскада
блестящих открытий, сделанных на рубеже XIX и XX веков,
даже выброс электронов хотелось назвать испусканием каких-
либо лучей...
Изучая бета-распад, при котором (как выяснилось немного
позднее) нейтрон внутри ядра превращается в протон, испуская
электрон, ученые обнаружили, что одни одинаковые ядра

могут превращаться в другие ядра, тоже одинаковые, а вот
энергии вылетающих электронов могут быть при этом самыми
разнообразными. Но ведь они должны были бы быть тоже
одинаковыми? Закон сохранения энергии — краеугольный
камень физической науки — оказался под угрозой!
Физик-теоретик Вольфганг Паули в 1930 году решил, что
вывести физику из очередной серьезной «катастрофы» может
только одно смелое предположение: одновременно с электроном
из ядра вылетает очень легкая, возможно нейтральная, частица
и, оставаясь не замеченной экспериментаторами, уносит ту часть
энергии, которой физикам не хватало для сведения
энергетического баланса.
Конечно, Паули с трудом решился на такой шаг, как
выдумывание новой частицы, да еще такой, которая, как
человек-невидимка, упорно и умело ускользает от приборов и
экспериментаторов. «Однако, не рискнув, не выиграешь»,— сказал Паули
и послал 4 декабря 1930 года письмо с этими словами и описанием
своих соображений в адрес конференции по вопросам
радиоактивности, проходившей в то время в городе Тюбингене.
Советские физики
исследуют
работу реакторов
на быстрых нейтронах,
воспроизводящих
атомное топливо
в процессе
получения энергии.
Вольфганг Паули написал свое письмо в откровенно шутливом
тоне, заранее спасая себя от упреков в научном легкомыслии.
«...Пока я не решаюсь публиковать что-нибудь по поводу этой
идеи,— писал Паули,— и с доверием обращаюсь только к Вам,
дорогие радиоактивные дамы и господа, с вопросом, можно ли
экспериментально доказать существование такого нейтрона, если
он будет обладать проникающей способностью примерно такой
же или в 10 раз большей, чем гамма-кванты?» Заканчивалось
письмо словами: «К сожалению, я сам не могу появиться в
Тюбингене, так как предстоящий в Цюрихе бал в ночь с 6 на 7
декабря лишает меня этой возможности...»
Ответ на шутливое письмо оказался для Паули неожиданным.
Многие физики сочли мысль о сильно проникающих нейтральных
частицах, рождающихся в ядре в момент бета-распада, весьма
разумной. Идея Паули завоевывала все больше сторонников,
и к концу 30-х годов выдающийся итальянский физик Энрико
Ферми построил законченную теорию бета-распада с непремен-

ным участием частицы, предложенной Паули. Энрико Ферми
назвал ее «нейтрино», что в переводе с итальянского означает
«нечто маленькое и нейтральное», а может также ласково
звучать и как «нейтрончик».
Тяжелый, массивный, не имеющий заряда нейтрон был к
этому времени экспериментально открыт Дж. Чадвиком,
учеником Э. Резерфорда. Физики уже знали, что из разнообразных
сочетаний положительно заряженных протонов и нейтронов
(эти пары получили название нуклонов) состоят ядра всех
известных химических элементов.
А вот неуловимый «нейтрончик» никак не удавалось
обнаружить, хотя, как и полагается всякой полноценной
элементарной частице, у него в теории был даже близнец-двойник:
антинейтрино, «антинейтрончик»...
В НЕДРАХ
СОЛНЦА
Рядом с физиками, занятыми загадками нейтрино, работали
исследователи, задававшие себе простой, но волнующий вопрос:
почему светит Солнце?
Работали в тех же университетах и институтах, совершенно
не подозревая о том, что очень скоро эти два столь различных
по внешним масштабам и содержанию предмета изучения —
нейтрино и Солнце — станут неразлучными...
Конечно, первая гипотеза — ответ на вопрос, откуда Солнце
берет свою энергию,— была основана на представлениях теории
тяготения. Солнце постепенно сжимается, и энергия частиц,
составляющих Солнце, при приближении к центру шара
переходит в свет, в электромагнитное излучение различных длин
волн.
Ученые достаточно точно научились измерять количество
излучаемой Солнцем энергии. И простой расчет показал: если
основной источник энергии — притяжение газовых частиц
облака большого диаметра (каким Солнце было когда-то!) друг
к другу, то Солнце светит всего 50 миллионов лет.
Но ведь в толще Земли найдены урановые породы, возраст
которых составляет 4,7 миллиарда лет!
Эта цифра не вызывает сомнений благодаря тому, что был
достаточно точно определен период полураспада
радиоактивных элементов — метод, который физика подарила геологии,
археологии, истории, искусствоведению. Например, уран имеет
период полураспада 4,5 миллиарда лет (за это время половина
его содержимого в какой-либо руде превращается в свинец).
Для радиоактивного углерода период полураспада составляет
около 5685 лет — цифра, очень удобная для правильной
расшифровки возраста древних папирусов и деревянных предметов
наших предков.
Так неужели Земля старше Солнца? Конечно, это
противоречило бы всякой логике...
Новая, уже очень близкая к истине гипотеза возникла,
когда ученые, измерив массу атомов водорода и гелия,
обнаружили, что при превращении четырех ядер водорода в ядро гелия
куда-то исчезает 0,8% их массы. А ведь если превратить эту
массу в энергию и выполнить простой расчет, пользуясь
знаменитым соотношением Эйнштейна (энергия равна массе,
умноженной на квадрат скорости света), то тогда и станет ясной причина
столь огромного выделения энергии нашим Солнцем!
Довольно много сил и времени ушло у физиков, чтобы опре-

В недрах Солнца
бушуют
«страсти роковые»,
происходят реакции,
рождающие,
кроме
разнообразных видов
электромагнитных
излучений,
всепроникающие
частицы —
нейтрино.
По интенсивности
потока нейтрино
можно определить
температуру
в центре Солнца.
делить, при какой температуре возможна эта термоядерная
реакция превращения водорода в гелий. Кстати, реакция, тоже
впервые, как и химический элемент гелий, обнаруженная на
Солнце и только потом нашедшая свое бурное применение на
Земле...
Наконец, физики смогли определить, что для реакций в центре
Солнца вполне достаточно 10—15 миллионов градусов. При этом
и термоядерные реакции идут и наша любимая звезда светит
спокойно, устойчиво и равномерно в течение времени, вполне
устраивающего, как мне кажется, большую часть человечества,—
десятки миллиардов лет!
БЕСЦЕННАЯ
НЕВИДИМКА
Конечно, физикам хотелось еще детальнее и подробнее
описать, что же происходит в недрах Солнца. И вот, опираясь на
теорию бета-распада, созданную Энрико Ферми, другой
известный физик Ганс Бете логично и стройно доказывает,
что в центре Солнца происходит не одна, а несколько
термоядерных реакций, которые он назвал ядерными циклами. В одном из
них, получившем название водородного цикла, целых пять
реакций, в двух из которых выделяются гамма-кванты, а в двух
других — еще не открытые нейтрино!
Конечно, доказать справедливость теории Бете можно было
только одним способом — зарегистрировать на Земле конечные
продукты предложенных им ядерных реакций.

В этот момент ученые, вероятно, впервые обратили взимание
не только на недостатки, но и на несомненные достоинства
еще не обнаруженных частиц-невидимок.
Гамма-кванты пробегают до своего следующего столкновения
с частицей или атомом очень небольшое расстояние. Часто при
этом рождаются новые гамма-кванты, но уже совсем других,
меньших энергий. Превращаются они также в рентгеновское и
тепловое инфракрасное излучение. Кроме этого, с поверхности
Солнца испускаются обычные световые фотоны, обладающие
сравнительно слабой энергией. Конечно, это отдаленные
потомки гамма-квантов, рожденных в центре Солнца... Кто-то из
физиков даже подсчитал, что им пришлось около 30 миллионов
лет пробираться к поверхности Солнца!
Нейтрино, для которых характерно полное «пренебрежение»
к окружающему веществу (ведь они практически ни с чем не
вступают во взаимодействие), летят к нам прямо из центра
Солнца. Вот кто способен принести вести из самой горячей
точки битвы за энергию, ту энергию, благодаря которой
зародилась и поддерживается жизнь на Земле...
Вскоре выяснилось, что нейтрино других энергий и в
результате других реакций возникают и при взрывах сверхновых звезд,
и при рождении квазаров и пульсаров, при возникновении
таинственных двойных звезд, одна из которых видимая, а другая —
невидимая. Мощный поток излучения нейтрино сопровождает
и последнюю стадию жизни массивной звезды — превращение
ее в «черную дыру», засасывающую в себя окружающую
материю и излучение...
Трудно найти слова, которыми можно было бы описать
изменившееся отношение физиков к частице-невидимке. Вероятно,
таким почтительным вниманием и интересом до нее не
пользовалась в физике ни одна элементарная частица. Ведь только от
нейтрино теперь зависело, будет ли внесена ясность в
представления физиков о процессах, происходящих во Вселенной.
Как далеки оказались эти представления от дышащих покоем
и уютом слов Козьмы Пруткова, произнесенных во второй
половине XIX века: «Человек! Возведи взор свой от земли к небу,—
какой, удивления достойный, является там порядок!»
Если бы Козьма Прутков знал, сколько «беспорядка»
обнаружат на небе ученые всего через какие-нибудь пятьдесят —
сто лет...
ЗА ШУТКОЙ ПАУЛИ
ВСЕ ЖЕ СКРЫВАЛАСЬ
ПРАВДА
Физики были убеждены, что не только на Солнце и звездах,
аив атомных реакторах освобождается огромное количество
нейтрино и антинейтрино.
Американские ученые Ф. Райнес и К. Коуэн тщательно
продумали и в 1956 году осуществили очень изящный эксперимент.
Заметим попутно, что эксперимент, в осуществимость которого
почти никто не верил, так увлек Фреда Райнеса, что он даже
переквалифицировался из «чистых» теоретиков в «чистого»
экспериментатора...
Около мощного реактора физики поставили прозрачный
бак, наполненный сцинциллятором — жидким люминофором, в
котором возникает короткая вспышка света при попадании в
него быстрой заряженной частицы. Слой люминофора на
внутренних стенках наших телевизоров, который ярко светится при

бомбардировке пучком быстрых электронов, можно назвать
твердым сцинциллятором.
По замыслу Ф. Райнеса и К. Коуэна, антинейтрино,
возникающие при распаде нейтронов в атомном реакторе, бомбардируя
ядра водорода, входящего в состав молекул сцинциллятора,
должны были превращать протоны ядер в нейтроны и позитроны.
Двигаясь в жидком сцинцилляторе, позитрон встречается
со свободным электроном и аннигилирует (таким сложным
словом называют физики процесс, происходящий при встрече
вещества и антивещества, в данном случае — двух совершенно
одинаковых частиц, отличающихся только зарядами).
В результате этой быстрой и последней для обеих частиц
встречи рождаются частицы совсем другой природы — два гамма-
кванта! Вот как странно устроила зачем-то Природа — в
некоторых случаях потомки совсем не похожи на своих родителей...
Чуткие датчики, установленные на стенках прозрачного бака,
тут же должны были зарегистрировать две вспышки света при
появлении двух гамма-квантов.
Но на этом эксперимент не заканчивался. А вдруг эти вспышки
возникли от случайно попавших в бак космических частиц
высоких энергий?
Ведь кроме позитрона в результате реакции образовывался
еще и нейтрон.
В сцинцилляторе было много атомов кадмия, ядра которых
после захвата нейтрона тоже излучали свои гамма-кванты —
только чуть позднее (через несколько микросекунд) после
вспышек, рожденных при встрече позитрона и электрона.
Сложная электроника регистрировала атомное событие как
положительное, ожидаемое физиками, если друг за другом
обязательно проходило несколько вспышек света, причем со
строго определенной интенсивностью и интервалом между ними.
Этот интересный эксперимент описан здесь так подробно не
только потому, что он позволил впервые (через 26 лет после
теоретического открытия) обнаружить частицу-невидимку.
Результаты Ф. Райнеса и К. Коуэна не оставляли сомнений в
реальном существовании антинейтрино. Можно было только
поражаться продуманности эксперимента, в котором удалось
зарегистрировать лишь несколько случаев взаимодействия
антинейтрино с веществом, хотя за то же самое время из реактора
вылетели миллиарды этих частиц!
Мы стремились также показать тот достаточно высокий
уровень работы физиков, который существовал уже в 1956 году.
Как же сложен, трудоемок и ювелирно точен должен быть
эксперимент, проводимый в 80-х годах нашего века...
ТЕЛЕСКОПЫ,
МЕНЕЕ ВСЕГО ПОХОЖИЕ
НА... ТЕЛЕСКОПЫ
Наступило время надежд — физики принялись искать
способы обнаружить поток нейтрино, летящих к Земле от Солнца,
звезд и других галактик. В нескольких странах — в СССР,
США, Италии появились установки, получившие гордое
название нейтринных телескопов. Это название полностью
соответствовало их назначению. Но устройство и внешний вид новых
телескопов были не похожи не только на привычную для нашего
глаза форму и конструкцию оптических телескопов, но и не
имели ничего общего даже с радиотелескопами, к которым мы
только-только успели привыкнуть...

В 1946 году известный ученый Бруно Максимович Понтекорво,
будущий академик, а до второй мировой войны — сотрудник и
коллега Энрико Ферми, предложил регистрировать нейтрино
в огромном баке с органической жидкостью — перхлор-
этиленом,— в которой много хлора. Энергичные нейтрино с
энергией 0,8 миллиона электрон-вольт будут превращать атом
хлора в радиоактивный атом благородного газа аргона, который
затем легко вывести из бака. Число радиоактивных атомов аргона
очень просто определят установленные на всех гранях бака
быстродействующие счетчики.
Счетчики измерят количество частиц, излучаемых такими
атомами, тем более что физикам уже было хорошо известно, что
радиоактивный аргон «высвечивает» 7% своей энергии в виде
рентгеновских квантов, а 93% передает вылетающему из атома
электрону.
Нейтринные телескопы
любых конструкций —
с люминофором
(схема наверху)
или полупроводниковым
кристаллом —
необходимо помещать
внутри большой скалы
или глубоко под водой,
чтобы избавить
сверхчувствительную
аппаратуру
от возможных помех
или ложных сигналов,
вызываемых
другими частицами.

Как непохожи эти
инструменты для
изучения Природы!
Телескопы Галилея
и советский
нейтринный телескоп,
расположенный
в одной из скал
Баксанского ущелья,
разделяют почти
400 лет.
Расчеты показали, что вероятность обнаружения нейтрино
таким хлор-аргонным методом будет тем выше, чем больше
размеры бака с перхлорэтиленом, который используют
исследователи, и чем глубже под землю они его спрячут — для того чтобы
в бак не «залетали» случайные космические частицы и не
попадало излучение от радиоактивных руд.
В мире нашелся смельчак, который более двадцати лет
упорно работал над нейтринным телескопом такого типа. Огромный
бак-телескоп, опущенный в 1967 году на глубину 1490 метров
в заброшенную шахту для добычи золота в штате Южная Дакота
в США, вмещал 610 тонн перхлорэтилена! Имя ученого,
практически в одиночку проводившего эти трудоемкие исследования,—
Рэй Дэвис.
В 1974 году Рэй Дэвис на основании измерений,
выполненных и тщательно перепроверенных в течение нескольких
лет, объявил: нейтрино от Солнца надежно регистрируются
его установкой, но их оказалось в несколько раз меньше, чем
предсказывали теоретики.
С одной стороны — явный успех: обнаружено не только
антинейтрино, но и само нейтрино, причем не от атомного
реактора, а непосредственно от Солнца!
С другой стороны — что-то не в порядке или с методом
обнаружения нейтрино, или с теоретическими моделями, на основании
которых физики рассчитывают сейчас поток нейтрино от
Солнца...
Совершенно очевидно, что поиск надо вести в обоих
направлениях — строить новые нейтринные телескопы и по-прежнему
мысленно «заглядывать» в недра Солнца, размышлять над всеми
возможными там ядерными циклами.
В нашей стране создается мощный телескоп для регистрации
солнечных нейтрино — с объемом бака почти в два раза больше,
чем у телескопа Рэя Дэвиса.
Уже запущен телескоп, ловящий нейтрино из далеких
уголков Вселенной, на котором советские физики под
руководством академика Г. Т. Зацепина и члена-корреспондента А. Е. Чу-
дакова ставят с 1979 года интересные нейтринные эксперименты.
Этот телескоп Института ядерных исследований АН СССР
расположен на Северном Кавказе.
Здесь, под склоном горы Адырчи в Баксанском ущелье, на
глубине 350 метров под защитой скальных пород установлен
целый пятиэтажный дом. «Соты» уникального дома-телескопа
составлены из 3200 самостоятельных детекторов размером
70X70X30 см каждый, заполненных очень чувствительным
жидким сцинциллятором, специально разработанным советскими
учеными для этой цели.
Баксанский нейтринный телескоп сможет зарегистрировать
нейтрино как сравнительно низких энергий — 10—20 миллионов
электрон-вольт, возникающие непосредственно при образовании
нейтронной звезды, так и высоких энергий — больше 100
миллиардов электрон-вольт, которые, как считают астрофизики,
излучаются во время вспышек сверхновых звезд под действием
ускоренных протонов высоких энергий. Причем стоит отметить
важную особенность Баксанского телескопа — электронная
система, объединяющая датчики, следящие за световыми
вспышками в отдельных «сотах», заполненных сцинциллятором,
позволит достаточно точно определить направление на источник
нейтрино на небе. А это даст возможность сопоставить данные
нейтринных, оптических и радионаблюдений за бескрайними
просторами Вселенной.

ЧЕЛОВЕЧЕСТВО
ВГЛЯДЫВАЕТСЯ В ПРОШЛОЕ,
ЧТОБЫ ТОЧНЕЕ
ПРЕДСКАЗАТЬ БУДУЩЕЕ
Из всех известных сейчас элементарных частиц только
нейтрино может пересечь наш бесконечный мир, выполняя, по
выражению академика В. Л. Гинзбурга, роль «нового канала
связи во Вселенной». С помощью нейтрино ученые надеются
получить сведения о самых отдаленных периодах в
астрономическом прошлом, например о бурной эпохе зарождения звезд
и планетных систем из газово-пылевых облаков. Происходил
этот процесс, видимо, 8—10 миллиардов лет назад.
Сколь краткими кажутся мгновения отдельной человеческой
жизни по сравнению с этими цифрами!
Для человека хорошая память других людей о событиях,
произошедших с ними 20—30 лет назад, кажется чем-то
исключительным, а здесь мы хотим, чтобы нейтрино «помнили» то, что
произошло миллиарды лет тому назад с нашей Солнечной
системой!
Нас трогает и удивляет, например, что англичане — народ,
верный традициям,— бережно хранят воспоминания о
незначительных мелочах прошедшей жизни...
Здесь невольно вспоминается рассказ академика П. Л. Капицы
о его посещении Англии в 1966 году. Коллеги Капицы устроили
в честь старого друга и его жены торжественный обед в зале
Тринити-колледжа, хорошо знакомом советскому гостю еще по
довоенным годам работы в лаборатории Резерфорда. Неожиданно
заметив, что все присутствующие на обеде облачены в
торжественные докторские мантии, Капица тихо подозвал официанта
и попросил принести его мантию, которую он забыл в прихожей.
«И давно вы ее забыли, сэр?» — спросил официант. «Да лет
тридцать тому назад». Официант вышел из зала и вернулся
с мантией Капицы...
Тринити-колледж
в Кембридже,
около Лондона,
один из наиболее
известных учебных
исследовательских
центров в мире.

Камера
для регистрации
антинейтрино
на ускорителе
элементарных частиц
под г. Серпуховом.
Тонкий юмор Капицы хорошо известен сотрудникам и
друзьям академика, и они просили его вновь и вновь рассказывать эту
историю, пока он не сознался, что официант принес мантию лишь
на следующее утро и, видимо, не совсем ту самую, которую
Капица когда-то в Англии надевал по торжественным случаям.
Конечно, в первоначальном виде, слегка исправленном
воображением рассказчика, история с мантией выглядела красочнее.
Не будем же и мы требовать от нейтрино немедленного
рассказа о прошлом Вселенной. Пусть тайны раскрываются
постепенно, лишь бы истина становилась все ближе...
Неожиданный результат экспериментов Рэя Дэвиса
по-прежнему не дает покоя ученым.
Известный астроном, академик А. Б. Северный на
основании открытых им пульсаций Солнца (каждые 240 минут
поверхность Солнца «вздымается» на 10 километров!) считает, что это
равномерное «дыхание» нашего светила возможно лишь в том
случае, если температура в его недрах не 10—15 миллионов
градусов, а в два раза меньше. При этом значительно падает поток
нейтрино!
Некоторые физики думают о возможности периодического
(правда, небольшого — на 10—20%) охлаждения недр Солнца,
например в течение короткого отрезка времени один раз в
несколько миллионов лет, и подкрепляют эту гипотезу внезапным
наступлением ледниковых периодов на Земле.
Эту гипотезу трудно проверить — ведь до поверхности Солнца
кванты света добираются, как мы уже упоминали, целых 30
миллионов лет, и только тогда оптические телескопы заметят
изменение светимости Солнца. В то же время более низкий
поток нейтрино (если мы действительно застали сейчас стадию
охлаждения недр Солнца) пробегает путь от центра Солнца до
установки Рэя Дэвиса всего за 8 минут. «Просто Дэвису не
повезло,— шутят физики,— ему надо было начать свой
эксперимент на 20—30 миллионов лет раньше».
Возможно и еще одно объяснение расхождения опыта с
теорией в солнечных нейтринных экспериментах, проведенных
до настоящего времени: ученые еще не все знают о самом
нейтрино.
Много лет считалось, что нейтрино не имеет массы покоя —
как квант света; только родившись, нейтрино начинает
двигаться, и лишь тогда можно говорить о его массе и переносе им
какой-либо энергии.
Группа советских физиков во главе с доктором наук В. А.
Любимовым недавно закончила в Институте теоретической и
экспериментальной физики в Москве невероятно трудный и тонкий
эксперимент, результаты которого говорят о том, что крошечная
масса покоя у нейтрино все же есть! Она составляет от одной
десятитысячной до одной тридцатитысячной массы электрона.
По мнению академика Я. Б. Зельдовича, это открытие все
сразу «ставит на свои места».
Объясняется и низкий поток нейтрино от Солнца.
Оказывается, что при наличии у нейтрино массы один вид нейтрино
превращается в другой, который не регистрируется детектором Рэя
Дэвиса.
Становится понятным и расхождение, которое уже давно
волнует умы астрофизиков: теоретически вычисленная масса
вещества, заключенного в галактиках и звездах, всегда получается
меньше массы вещества в наблюдаемой части Вселенной. Если
нейтрино имеет массу покоя (а в одном кубическом сантиметре
космического пространства в среднем содержится примерно 500
фотонов и 450 нейтрино разных сортов!), то вес этих легких

частиц, умноженный на размеры наблюдаемой части Вселенной,
вполне достаточен, чтобы огромные мысленные весы Вселенной
уравновесились...
Конечно, последуют все новые и новые эксперименты по
определению массы нейтрино — слишком важен этот результат,
как мы видим, для будущих успехов в познании Вселенной.
Ведь главное не построить стройную теорию, а доказать, что она
соответствует действительности, отражает реальность
окружающего нас мира.
Недаром еще более трех веков назад знаменитейший
английский ученый и философ Фрэнсис Бэкон говорил: «...власть
человека над вещами целиком зависит от успехов науки и
знания, ибо мы можем управлять природой, лишь повинуясь ей».
В ОЖИДАНИИ ВЗРЫВА
ДОСТАТОЧНО БЛИЗКОГО
И... ДАЛЕКОГО
Много ждут физики от Баксанского телескопа,
установленного на Кавказе. Хотя результаты его работы зависят от... событий
во Вселенной.
Один из пионеров нейтринной астрофизики у нас в стране,
доктор наук В. С. Березинский пишет в своей обзорной статье:
«Науке нужна вспышка сверхновой звезды в нашей Галактике».
И логично доказывает, что эти события должны происходить
в нашей Галактике не реже одного раза в 8—30 лет, только до
сих пор мы не могли этого заметить, ибо оптическое излучение
после сильных вспышек задерживалось галактической пылью.
Хорошо, конечно, если нейтринной науке повезет еще при нашей
жизни, но лучше, если мощная вспышка сверхновой звезды
произойдет в самом далеком «углу» Галактики, к которой
принадлежит наша Солнечная система...
Нейтринная астрофизика делает первые, но уверенные шаги.
Ученые сейчас думают о создании нейтринных телескопов новых
конструкций, использующих детекторы, основанные на иных
ядерных реакциях. Например, на реакции нейтрино с галлием
или литием.
В первой из них образуется германий и свободный электрон.
Преимущество такой реакции состоит в том, что ее вызывают
нейтрино очень малых энергий — около 230 килоэлектрон-вольт.
Таких нейтрино должно быть более 70% из числа всех нейтрино,
испускаемых Солнцем! Недостаток у реакции, пожалуй, один:
галлий очень дорог и его требуется очень много: 10—20 тонн...
Вторая реакция приводит к превращению лития в бериллий
и электрон. Для ее осуществления требуется 100 тонн более
дешевого, чем галлий, вещества — хлористого лития, но
регистрировать такой телескоп будет только нейтрино относительно
высоких энергий.
Вероятно, несколько телескопов, «настроенных» на поиск
нейтрино разных энергий, дадут наиболее полное представление
о посланцах близких и далеких звезд.
Советские ученые построили еще один нейтринный телескоп
на Украине. В 1984 году начал работать совместный советско-
итальянский нейтринный телескоп в Северной Италии в туннеле
под знаменитой горой Монблан.

ОКЕАН
СМОТРИТ
В НЕБО
Интересно,
как отнесутся киты
к появлению в океане
нейтринного телескопа?
Вероятно, наиболее смелая идея в области нейтринной
астрофизики принадлежит академику М. А. Маркову: создать
нейтринный телескоп глубоко в воде, что позволит «увидеть» следы
нейтрино высоких энергий, которые рождаются в природных
космических ускорителях. Энергия таких нейтрино составляет
50—100 миллиардов электрон-вольт!
Идея М. А. Маркова очень понравилась физикам, и они уже
нашли подходящую для ее осуществления глубоководную
океанскую впадину вблизи Гавайских островов. Телескоп в океане
решено создавать при постоянных совместных консультациях
ученых разных стран.
Первоначальный вариант этого проекта, получившего
название ДЮМАНД, предусматривал установку на глубине 5
километров в океане решетки объемом 1 км3. В узлах большой
решетки должны быть укреплены фотоумножители в прозрачных
водонепроницаемых сферах. Фотоумножители будут регистрировать
свет, возникающий в воде при быстром прохождении заряженных
частиц, так называемый черенковский свет.
Кстати, этот свет получил свое имя нарицательное по фамилии
П. А. Черенкова, молодого аспиранта С. И. Вавилова, которому
известный советский физик поручил исследовать новый вид
свечения, наблюдавшийся им в эксперименте. За детальное
изучение природы этого интересного и важного научного явления
группа советских физиков — П. А. Черенков, И. Е. Тамм и
И. М. Франк — была удостоена Нобелевской премии (С. И.
Вавилов, к сожалению, не вошел в их число: Нобелевская премия
посмертно не присуждается).
На одном из научных совещаний по проекту ДЮМАНД двое
советских физиков — Г. А. Аскорьян и Б. А. Долгошеин и
американский ученый Т. Боуэн одновременно предложили звуковой
метод регистрации следов нейтрино в океане. При проходе
быстрой частицы в воде вдоль ее пути повышается температура
и давление, а вслед за этим возникает ударная звуковая волна.
Звук распространяется в воде (до момента значительного
ослабления) на расстояние около километра, в то время как
свет в соленой океанской воде «пролетает» едва 20 метров.
Решетка из простых и дешевых детекторов звука —
гидрофонов может быть сделана огромной: площадью 10 X 10 км и
высотой 1 км! А это, как мы знаем, сразу повышает дальнозоркость
сооружаемого в океане нейтринного телескопа. Он будет
способен заглянуть еще дальше в просторы Вселенной.
ПРОЗРАЧНЫЕ
ОБЛАКА
Но иногда ученым мешают не расстояния. Так было,
например, при изучении планеты Венера.
Завеса облаков, окружающая ближайшую со стороны Солнца
соседку Земли, оказалась непреодолимой преградой даже для
невидимого инфракрасного излучения.
Плотная атмосфера планеты все же, как выяснилось,
беспрепятственно пропускает сквозь себя радиолучи.
Изучавшие Венеру межпланетные космические аппараты
посылали в сторону планеты оетронаправленные пучки радиоволн и,
непрерывно регистрируя отраженные сигналы, смогли, вопреки

запретам Природы, определить рельеф поверхности под
облаками. Используя полученные данные, ученые построили карту
полушарий Венеры. Облака Венеры стали для науки прозрачными!
Выдержав огромное давление — почти 500 атмосфер и
высокую температуру — до 450°С, спускаемые аппараты, изучив
во время спуска химический состав атмосферы, совершили
мягкую посадку на поверхность планеты, начали исследовать
структуру и строение грунта, передали на Землю с помощью
радиолучей снимки окружающего ландшафта. Особенно четкие
фотографии были получены благодаря аппаратуре, установленной
на станциях «Венера-13» и «Венера-14», опустившихся на
поверхность планеты 1 и 5 марта 1982 года.
На поверхности Венеры обнаружены два огромных
высокогорных плато с пересеченным рельефом, получивших название
земель Иштар и Афродита. Они возвышаются на 2—10
километров над нулевым уровнем ландшафта Венеры. Кроме плато,
на Венере есть сглаженные холмистые возвышенности и
низменности. Пристальное внимание геологов привлекают
немногочисленные горные образования, напоминающие молодые вулканы.
Место посадки «Венеры-14» было выбрано в районе одной из
низменностей. На фотографиях, поступивших с борта этой
станции, ясно просматриваются обнаженные скальные породы
с многочисленными ступеньками. Возможно, что эти ступеньки
образованы слоями слежавшегося вулканического пепла.
О вулканической активности на поверхности Венеры говорят
хорошо заметные на некоторых фотографиях округлые глыбы
и камни, получившие название вулканических бомб.
Одна из таких бомб была по внешним очертаниям очень
похожа... на живое существо. Многие, разглядывая эту
фотографию, вспоминали о фантастической идее существования на
Венере живых организмов, основу строения которых составляет
не углерод, а кремний. Соединения кремния с кислородом и
водородом выдерживают более высокие температуры, чем
углеводороды и органические вещества — основа земных существ.
Как хочется всем нам отыскать во Вселенной собратьев
по разуму, пусть даже созданных из совсем другой материи!
Как не хватает человечеству такой находки в цепи
поразительных открытий, сделанных учеными на пути исследования
мира большого — бескрайних просторов Вселенной — и
маленького мира молекул, атомов, ядер, элементарных частиц.
Так выглядит
карта Венеры,
которую ученые
сумели составить,
несмотря на плотную
завесу облаков
над планетой.
Эта вулканическая
бомба,
сфотографированная
на поверхности Венеры
одним из советских
спускаемых аппаратов,
получила
образное название
«жителя Венеры».

Наука всегда оказывается неправа. Она
никогда не решит вопроса, не поставив
при этом десятка новых.
БЕРНАРД ШОУ
Долго не могли ученые избавиться от искажений в системе
магнитных линз электронного микроскопа, размывающих
изображение и ухудшающих остроту электронного зрения...
И все же атом удалось увидеть! Причем электронный
микроскоп вынужден был уступить честь этого выдающегося успеха
значительно менее сложному прибору — ионному проектору.
Еще в середине двадцатых годов нашего столетия ученые
подсчитали, что для превращения атома на поверхности вещества
в ион и «холодного» отрыва его от поверхности без какого-либо
подогрева необходимо между исследуемым веществом и
посторонним электродом создать электрическое поле напряженностью
в сто миллиардов вольт на сантиметр! Но в те годы получение
столь сильных электрических полей в эксперименте считалось
невозможным.
В 1936 году немецкий ученый Э. Мюллер доказал, что если
исследуемое вещество представляет собой тончайшую иглу, острие
которой будет иметь радиус кривизны около 1000 ангстрем, то,
создавая между иглой и расположенным напротив электродом
разность потенциалов всего в несколько киловольт, можно
получить на кончике острия очень большие напряженности
электрического поля. Когда острие иглы, приготовленное путем
электрохимического травления концов обычных проволочек, связано с
отрицательным электродом внешнего напряжения, из него будут
вылетать свободные электроны; если острие соединить с
положительным электродом — оно станет источником потока ионов.
На пути вылетающих частиц можно поставить экран, покрытый
люминофором, и получить видимое изображение частиц
вещества, испускаемых острием.
В этих приборах, получивших название автоэлектронных
микроскопов или ионных проекторов, нет магнитных линз, каких-
либо систем фокусировки и развертки изображения. Увеличение
в таком компактном и изящном приборе определяется в основном
соотношением между радиусами острия и светящегося экрана.
Около двадцати лет длилось усовершенствование этих внешне
простых микроскопов — выбирался состав газовых смесей для
заполнения пространства между электродами, подбиралась
система охлаждения образцов, изучались разнообразные способы
непрерывной подачи на острие атомов исследуемого материала.
И вот в 1956 году появились научные публикации Э. Мюллера с
уникальными фотографиями, позволяющими разглядеть
отдельные атомы на выступах поверхности металлических образцов.
Лишь в 1970 году, увеличив ускоряющее напряжение в
электронном микроскопе до сотен и тысяч киловольт, ученые повысили
зоркость и этого прибора до атомных размеров.
Физики продолжают совершенствовать приборы обоих типов.
Созданы полезные дополнительные устройства для анализа
тонких пленок и слоев на поверхности вещества с помощью
электронных и ионных пучков.

В середине экрана автоэлектронного микроскопа
исследователи сделали небольшое отверстие, пропустили в него часть
сорванных с кончика острия ионов, разогнали их в магнитном поле и
по величине отклонения от прямолинейного пути определили
заряд и массу иона.
Направляя на поверхность образцов в электронном
микроскопе не один электронный луч, а несколько, ученые смогли увидеть
на экране изображение сразу всей кристаллической решетки в
твердом теле. Электронные микроскопы нового поколения дали
возможность японскому физику А. Хашимото проследить за
движением атомов по поверхности вещества, а советским ученым
Фотография
отдельных атомов
в кристалле,
полученная с помощью
ионного проектора.
На электронной
фотографии белка
видны плотно
упакованные молекулы,
соединенные в большой
органический кристалл.

Н. Д. Захарову и В. Н. Рожанскому — наблюдать смещения
атомов внутри кристаллов.
Исследуя пленки золота, А. Хашимото сумел различить
детали структуры кристаллов длиной в одну десятую ангстрема.
Это уже во много раз меньше размера отдельного атома!
Теперь ученые могут перейти к исследованию мельчайших
сдвигов во взаимном расположении отдельных атомов в самых
больших и разветвленных органических молекулах, особенно в
«молекулах жизни», передающих наследственные признаки
живых существ от поколения к поколению, таких, как дезо-
ксирибонуклеиновая кислота, чаще именуемая сокращенно
ДНК.
В известном стихотворении О. Э. Мандельштама есть
строчка: «Я и садовник, я же и цветок...»
Создавая все более совершенные инструменты для познания
внешнего мира, физики все чаще обращаются к проникновению
в тайны живого, понимая, что человек — самый сложный и
непонятный цветок на свете.
И АТОМ НА ЛЕТУ
МОЖНО
ОСТАНОВИТЬ
В Институте автоматики и электрометрии Сибирского
отделения Академии наук СССР научились разрезать длинную молекулу
ДНК на небольшие части светом лазера. Это удалось сделать не
сразу. Направленный непосредственно на молекулу лазерный
луч не разъединял отдельные фрагменты ДНК, которые
необходимы биологам для внимательного изучения, а соединял их
вместе.
Остроумный прием позволил преодолеть неожиданное
препятствие. К раствору ДНК в воде подмешали краситель,
образовавший химическое соединение с определенными частями
длинной молекулы. Краситель затем переводили в возбужденное
состояние ультрафиолетовым излучением аргонового лазера.
Возбуждение передавалось соседям красителя, находящимся на
расстоянии не более 10 ангстрем, и... происходил отрыв части
молекулы от разветвленной спирали ДНК.
После этих опытов уже на другой установке проводился
обычный химический анализ состава обоих компонентов молекулы.
А как, вероятно, было бы интересно непрерывно наблюдать за
сложными процессами микрохирургического фоторазрезания
молекул, например, в ионном проекторе или электронном
микроскопе!
Такие исследования проводят сейчас ученые Института
спектроскопии Академии наук СССР, расположенного под
Москвой в тихом и уютном городе Троицке.
Несколько лет назад молодые сотрудники этого института
получили премию Ленинского комсомола за открытие эффекта,
именуемого «многофотонной диссоциацией молекул».
Непрерывно направляя на смесь газов много фотонов определенной
энергии, исследователи могли разделить на составные части
молекулы именно того химического соединения, которое было
необходимо выделить из газовой смеси. Работы по разделению
молекул непосредственно смыкаются с другим очень важным,
для практики особенно, циклом исследований, посвященным
разделению изотопов лучом лазера и очистке от вредных
примесей газов, используемых в электронной
промышленности.

Ученые института уже передают этот метод в производство —
он оказался очень удобным и полезным для создания
материалов, необходимых в атомной энергетике и электронике.
Недалеко то время, когда топливо для атомных
электростанций будет получаться без применения многократных и
дорогостоящих процессов: чистый, бесшумный и быстрый лазерный
луч заменит химические установки.
В статье, посвященной этой важной проблеме, академик
Е. П. Велихов и профессор В. С. Летохов пишут: «По существу,
речь идет о новом подходе в технологии получения материалов на
атомно-молекулярном уровне, когда с помощью лазерного
излучения можно непосредственно воздействовать на атомы и
молекулы определенного сорта... Развитие этих методов обещает
существенно снизить стоимость обогащения большинства
изотопов, необходимых науке и технике в ограниченном количестве,
а также, вполне возможно, изотопов, нужных для атомной
промышленности в крупных масштабах».
Один из лауреатов премии Ленинского комсомола, кандидат
наук Юрий Аркадьевич Горохов показал мне лаборатории
института и с увлечением рассказал о работах своих товарищей.
В каждой комнате чудеса: лучи лазера считают в потоке газа
посторонние атомы, заставляя их светиться, лазер вызывает
звуковые волны или увлекает за собой половину газовой смеси,
рождая быстрое механическое движение одних молекул
относительно других.
В лаборатории профессора В. С. Летохова нашим глазам
открывается фантастическое зрелище: большая полутемная
комната с поблескивающими лампочками приборов расчерчена
летящими в воздухе по разным направлениям разноцветными
лазерными лучами. Посредине сверкающих световых стрел стоит
молодой увлеченный физик, управляющий их стремительным
Строение похожей
на двойную спираль
сложной молекулы
дезоксирибонуклеино-
вой кислоты — ДНК,
которая помнит
и передает по
наследству
особенности
любого организма,
удалось расшифровать
благодаря
рентгеновским
снимкам.

движением, и внимательно смотрит на экран прибора. Он так
поглощен своими наблюдениями, что даже не оглядывается на
вошедших в комнату. Его товарищи работают с другими
устройствами этой сложной установки.
«Здесь пучок летящих в вакууме атомов натрия замедляется
встречным лучом лазера. Сейчас их скорость удается уменьшить
на 9 м/ сек. При достаточной мощности светового потока
нагретые и разогнанные в прозрачной камере атомы натрия можно
будет полностью остановить»,— комментирует происходящее
в комнате хозяин лазерного царства.
Пучок атомов натрия
летит в вакууме
навстречу
лазерным лучам —
и свет тормозит
движение атомов!
На этой установке
ученые института
спектроскопии
Академии наук СССР
изучают взаимодействие
света с веществом.
Я начинаю понемногу «распутывать» извилистый путь
световых лучей. Зеленый луч аргонового лазера попадает в кювету с
красителем, возбуждает в нем мощное желтое лазерное
излучение, которое после отражения в нескольких зеркалах попадает
в камеру, где ему навстречу летят атомы натрия, и замедляет их
движение. В эту же кювету направляется еще один, более слабый
лазерный луч — наблюдатель и свидетель происходящих
событий. Некоторые из атомов натрия начинают в ответ на сигналы
второго лазерного луча испускать собственное люминесцентное
излучение.
Спектр этого излучения, его интенсивность и время появления
можно было наблюдать на экране прибора, за которым так
напряженно следили участники эксперимента. Характеристики
излучения атомов натрия зависели от скорости их пролета через
камеру. На экране было отчетливо видно, какая часть атомов
летит с прежней скоростью и сколько атомов потеряло значитель-

ную долю энергии после лобового столкновения с лазерным
лучом.
Здесь невольно вспомнились исследования, выполненные
несколько лет назад в Ленинградском физико-техническом
институте им. А. Ф. Иоффе, в лаборатории профессора С. М. Рыв-
кина.
Ленинградским физикам удалось вызвать движение
электронов в кристаллах, облучая кристаллы невидимым светом
инфракрасных лазеров.
Такие лазеры были специально выбраны исследователями для
этих экспериментов — их энергии не хватало для того, чтобы
возникло явление фотоэффекта, которое могло бы помешать
наблюдению других эффектов.
Ученые ленинградского института подобрали открытому ими
физическому явлению образное название: «увлечение электронов
фотонами» или «фотонное увлечение». Но этот процесс
происходил внутри твердого тела, где электрон имеет значительно
меньшую энергию, чем на свободе, в вакуумном пространстве. К тому
же это были легкие электроны, а не тяжелые атомы.
Эксперименты, выполняемые в Институте спектроскопии,
доказывают, что могучему лазерному лучу по плечу, казалось
бы, невозможное — остановить летящие атомы!
Скоро к профессиям лазерного луча прибавится еще одна —
управление движением нейтральных и заряженных атомов,
например, на ускорителях.
Как далеко ушла техника современного физического экспе-
Умело владея
лазерным лучом,
физики,
как опытные хирурги,
делят на части,
удобные для изучения,
самые сложные
и устойчивые молекулы.

римента! А ведь описанные только что опыты являются прямыми
потомками исторических исследований знаменитого русского
физика Петра Николаевича Лебедева, в начале нашего века
впервые измерившего давление света на твердые тела. Казалось, что
ювелирную точность измерений П. Н. Лебедева никогда не
удастся превзойти. Невероятным казалось и само явление: очень
слабое, но явное механическое давление света.
Как удивлены были бы современники П. Н. Лебедева, если бы
они узнали, что внешне бесплотный и невесомый свет вскоре
обнаружит еще более редкие способности и недюжинную силу,
позволяющую ему разрезать молекулы, увлекать за собой
электроны, останавливать движение атомов.
ЭЛЕКТРОННЫЕ
И МЕХАНИЧЕСКИЕ
ПОМОЩНИКИ ЧЕЛОВЕКА
Представьте себе проигрыватель грампластинок, в котором
вместо механической иглы звукоснимателя используется...
тончайший лазерный луч. Причем в грампластинке «спрятан» не
только звук, но и изображение. Все это записано тоже с помощью
лазерного луча.
Заглянем на несколько минут в лабораторию, где
изготовляются эти удивительные играющие и показывающие грамзаписи.
На хорошо отполированный стеклянный диск диаметром около
30 сантиметров наносится фоточувствительная эмульсия, похо-

жая на ту, которую мы видим на поверхности кино- и фотопленок.
Лазерный луч, колеблющийся в такт со звуковыми и световыми
сигналами от устройства, передающего звук и изображение,
оставляет на вращающемся диске с эмульсией невидимые глазом
мельчайшие засвеченные следы-отпечатки.
После лазерной записи к стеклянному диску с эмульсией
прижимаются пластмассовые пластинки, и на них наносится
рисунок микроотпечатков. Покрытие из блестящего алюминия,
которое затем осаждается на пластмассовые пластинки-копии
испарением в вакууме, делает микроотпечатки рельефнее, а для
предохранения алюминиевой пленки от быстрого истирания или
потускнения во влажной атмосфере пленку сверху защищают
прозрачным и светостойким полимерным покрытием. Пластинка,
на которой записаны звук и изображение, получившая название
лазерного диска, готова!
Теперь она устанавливается на проигрыватель, соединенный
с телевизионным приемником, и лазерный луч-игла
воспроизводит перед вашими глазами запись, сделанную в лаборатории или
на телестудии.
У такой системы видео- и звукозаписи большие
преимущества перед магнитофонной — в отличие от магнитной ленты,
подверженной влиянию внешних условий и меняющей свои свойства
со временем, лазерные диски практически вечны.
Специалисты из Массачусетского технологического
института предложили соединить проигрыватель для лазерных дисков
с небольшой вычислительной машиной, а экран телевизионного
приемника покрыть особой чувствительной пленкой.
На передней панели усовершенствованного проигрывателя-
телевизора они установили одну лишнюю кнопку с надписью
«еще».
Вы смотрите записанную на лазерный диск захватывающую
передачу про путешествие астронавтов к далеким планетам, но
посадка космического корабля произошла так быстро, что
разглядеть интересные подробности не успеваешь. Здесь на помощь
приходит кнопка «еще». Легкое нажатие — и вычислительная
машина дает команду лазерному диску показать вам снова
весь процесс посадки. А как себя вел в этот момент самый
молодой член экипажа? Одно прикосновение к чувствительной пленке
в том месте, где впервые показано лицо новичка, и оно появляется
перед вами крупным планом. Вы теперь наблюдаете все
происходящее будто глазами одного из астронавтов.
Как же удается по нашему веленью и хотенью увеличивать
и уменьшать изображение на экране? С помощью лазерного луча
крохотного диаметра только на одной стороне
диска-грампластинки можно разместить 54 тысячи фотоснимков или
получасовой фильм! Часть кадров снята с разных точек зрения с
помощью нескольких телекамер, и эти записи помещены в особое
место на диске, «известное» вычислительной машине.
Прикосновение к пленке, покрывающей экран телевизора, служит для
машины приказом переместить лазерный луч-иглу,
воспроизводящий передачу или фильм, в то место на поверхности диска, где
записаны кадры, снятые крупным планом.
Конечно, появление в лабораториях ученых (а значит, скоро
и в наших домах!) новых устройств для передачи звука и
изображения обязано не только изобретению лазеров, но и созданию
все более миниатюрных вычислительных машин, способных
запомнить и в любое мгновение предоставить в наше
распоряжение необыкновенно большой объем информации. Специалисты
часто заменяют это наукообразное выражение другим: у
применяемой машины, говорят они, большой объем памяти. Очень

Вычислительные
машины
стали надежными
помощниками ученых.
Маленький
сельскохозяйственный
робот может принять
деятельное участие
во многих
полевых работах.
радует, когда в научную терминологию попадают хорошие слова
из нашего обычного «человеческого» языка, такие, например, как
«память»...
Вычислительные машины удалось сделать более удобными и
менее громоздкими в свою очередь благодаря успехам физики и
техники полупроводниковых и электронных приборов. Усилители
и выпрямители тока, сопротивления, конденсаторы,
переключатели не надо теперь паять и соединять между собой, собирая
электронные схемы.
Ученые разработали так называемые интегральные схемы, все
элементы которых, включая электрические соединения,
выполнены на поверхности тонкого диска или квадратика размером
5x5 мм, вырезанного из кристалла кремния. Одной-двух таких
схем вполне достаточно, чтобы работала портативная счетная
машинка-калькулятор, автоматически действовала кухонная
плита или стиральная машина, а наручные электронные часы точно
показывали бы не только текущее время, но и полный календарь...
на столетие вперед.
В период особенно бурного роста этой области
полупроводниковой техники — с 1959 по 1976 год — число электронных
элементов, размещающихся на полупроводниковой пластине или
диске, увеличилось с одного до 39 тысяч! Быстродействие
электронных приборов достигло триллионных долей секунды, в то
время как скорость человеческой реакции на внешнее
раздражение — звук, внезапный резкий свет, ожог — составляет, как мы
знаем, в среднем одну пятую секунды.
Не удивительно, что, обладая такими приборами, ученые
решили создать роботов, которые могли бы заменить человека на
трудных, опасных, вредных для здоровья и однообразных
участках любого производства. Им это удалось сделать — таких
покладистых и неприхотливых механических помощников с
электронной «сердцевиной» у человека становится все больше с

каждым годом. Телевизионные глаза-трубки и множество
фотоэлементов позволяют роботу определять размер, цвет, форму
окружающих предметов, разнообразные датчики помогают ему
ориентироваться в пространстве, чувствовать температуру,
влажность и давление в окружающей среде, а вычислительная машина
на больших интегральных схемах, спрятанная у него внутри,
дает ему возможность быстро принимать правильные решения.
Умные роботы на многих заводах уже красят автомобили,
собирают холодильники, сверлят самолетные крылья, добывают уголь
и даже... моют окна высоких зданий. Скоро роботы приступят
к ремонту спутников на космических орбитах и к добыче
полезных ископаемых.
Недалеко то время, когда одни роботы будут проектировать
и собирать других роботов...
«ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ,
НЕБЕСНАЯ
ГОСТЬЯ!»
С этими гостеприимными словами обратился к комете Галлея,
посещающей околоземное космическое пространство примерно
один раз в 76 лет, астроном Джон Гершель, сын Вильяма Гер-
шеля, первооткрывателя инфракрасных лучей в спектре Солнца.
В 1836 году, во время очередного появления кометы Галлея на
земном небосклоне, Джон Гершель внимательно наблюдал за
Зал слежения
за полетом
орбитальных
и межпланетных
космических кораблей,
снабженный
самыми современными
приборами записи
и воспроизведения
звука и изображения.

ней и сделал очень точные зарисовки этого удивительного
явления природы.
Вероятно, следует тут же оговориться: в прошлом кометы
были интереснейшим предметом изучения только для ученых,
способных отбросить нелепые пересуды и фантастические
верования, которые людская молва связывала с небесными
путешественницами. Кометы наделялись божественной силой, они
будто бы вели к переменам в жизни отдельных людей и целых
народов, они могли вполне, как казалось многим, изменять
исторический ход событий. Как всегда, редкостные совпадения
укрепляли людей в этих заблуждениях. Смерть предводителя гуннских
племен Аттилы, мусульманского пророка Магомета, римского
императора Константина, основавшего Константинополь, вещего
Олега, царя Ивана Грозного сопровождалась будто внезапным
возникновением комет в небе. В одной из старинных хроник даже
сообщалось, что норманны победили англосаксов в 1066 году, ибо
их вела в бой комета! Еще в начале XX века, перед очередным
появлением кометы Галлея около Земли в 1910 году, ходили
слухи, что хвост кометы несет с собой ядовитый циан, и если
комета заденет Землю, то погибнет весь род человеческий.
Всерьез обсуждалась версия о том, что в хвосте кометы
содержится не циан, а веселящий газ — закись азота, и после
прохождения кометы население Земли начнет прыгать и хохотать без
устали и отдыха. Если бы авторы этих небылиц знали, что в
1910 году Земля беспрепятственно прошла через гигантский
хвост кометы, состоящий из разреженных газов, космической
пыли и плазмы — свободных электронов и ионов (заряженных
положительно остатков молекул азота и углекислого газа), а
ученые успели сделать в тот период много полезных наблюдений!
Жаль только, что в 1910 году наука не располагала совершенными
оптическими и электронными приборами наших дней. Желание
наверстать упущенное, узнать побольше о физических, химических
и, вероятно, даже биологических процессах, происходящих в
космическом пространстве, руководило учеными, проведшими тща-
Редкое зрелище —
комета, летящая по
небосводу!

тельную подготовку во время очередного приближения
кометы Галлея к Земле в 1986 году.
Голова кометы Галлея огромна — в 1910 году поперечник ее
составлял около 100 тысяч километров! В центре головы
находится плотное ядро диаметром всего около 10 километров,
состоящее из смеси льдов различных химических соединений,
например метана, аммиака, воды, перемешанных с камнями и мелкими
твердыми частицами. При прогреве солнечными лучами часть
льдов ядра плавится и испаряется, освобождаются самые мелкие
частицы, создавая газово-пылевую атмосферу головы кометы.
Уже ученые средних
веков благодаря
изобретению
телескопов
смогли изучить
основные особенности
строения комет.
В кометах часто происходят взрывы, в их оболочках
наблюдаются будто очерченные концентрические области, плазменные
оболочки комет иногда резко уменьшаются в размерах и исчезают,
как бы схлопываются. По некоторым наблюдениям, кометы
испускают собственное радиоизлучение. Природа этих явлений не
до конца понятна ученым.
Кометы начали исследовать с помощью оптического
спектрального анализа, который еще в прошлом веке позволил ученым
по наблюдениям с Земли открыть на Солнце неизвестный ранее
газ гелий. Спектральный анализ оптического излучения комет
помог обнаружить в их атмосфере даже органические молекулы,
способные к образованию сложных молекул и простейших
микроорганизмов.
Интерес ученых к кометам возрос еще больше! Может быть,
именно кометы занесли на Землю 4—4,5 миллиарда лет назад
споры жизни? Не исключено, что тогда на кометах условия для
образования первых зародышей жизни были значительно более
подходящими, чем на Земле.
Идея зарождения жизни сначала в космическом пространстве,
а затем уже на Земле получила название «панспермия».
Переносчиками жизни с одного космического тела на другое могут
служить, конечно, только простейшие микроорганизмы, споры,
стойкие к холодам и жестким излучениям в космосе, способные
выжить при длительном отсутствии кислорода.

«Насекомые могут пойти далеко»,— считает один из
сторонников идеи панспермии, английский биофизик, Нобелевский
лауреат Ф. Крик, кратко и образно называя насекомыми все
простейшие формы жизни.
Лабораторные опыты показали, что органические молекулы,
которые имеются в составе кометных ядер, под действием
естественной радиоактивности одного из изотопов алюминия
приобретают способность к самоорганизации, образованию
аминокислот и оснований, входящих в состав
дезоксирибонуклеиновой кислоты, передающей наследственные признаки в живых
организмах. Изотоп алюминия, использованный в этих опытах,
имеет сравнительно небольшой период полураспада и постепенно
Фото- и телекамеры,
установленные
на космических
кораблях и станциях,
позволяют получить
изображение Земли,
планет, комет
и даже... других
космических аппаратов.
превращается в устойчивый изотоп магния. В упавшем недавно
на территории Мексики метеорите Альенде был обнаружен
именно избыток изотопа магния (по сравнению со средним его
содержанием в Солнечной системе). Весьма вероятно, что в
космических телах, и в частности в кометах, когда-то существовал
изотоп алюминия, который помог органическим молекулам стать
живыми молекулами. У теории панспермии появились первые
опытные доказательства...
Кометы всегда очень легкие и неплотные. Их средняя масса
обычно в миллиарды раз меньше чем у Земли. Сила тяготения
комет весьма невелика, слабо притягиваются друг к другу
частицы, составляющие их атмосферу. Физико-химический состав
комет практически такой же, каким был состав той первичной
газово-пылевой туманности, из которой образовалось Солнце и
планеты. Легкие космические тела — кометы, астероиды,
метеориты — почти не изменились за то время, пока шло образование
планетарной системы. Их изучение позволяет исследователям
заглянуть в прошлое, в младенческие годы Солнечной системы.
Навстречу комете Галлея, приближавшейся к Земле, ученые
послали несколько космических аппаратов.
Западноевропейские страны назвали свой аппарат «Джотто»
в честь итальянского художника Джотто, который, вероятно,

первым из европейцев в 1301 году сделал зарисовку кометы Гал-
лея. «Джотто» отправился в просторы космоса в июле 1985 года
и после «круга почета» около Солнца через 247 суток встретился
с кометой в марте 1986 года.
Японские специалисты решили тоже запустить к комете Гал-
лея свои космические зонды: один — для исследования
солнечного ветра, состоявшего в основном из потоков протонов, вдали от
кометы, и второй — для исследования самой кометы.
Советские исследователи добились успешного
осуществления многоцелевого проекта академика Р. 3. Сагдеева. По этому
проекту две автоматические станции «Вега» были сначала
отправлены к планете Венера и встретились с ней в июне 1985 года.
После отделения спускаемых аппаратов, которые продолжили
успешно проводимые советскими учеными в течение последних лет
исследования Венеры, пролетные космические аппараты
несколько изменили свою траекторию с помощью поля тяготения планеты
и направились к комете Галлея. Встреча советских межпланетных
аппаратов «Вега» с кометой состоялась в начале марта 1986 года
на расстоянии 120—140 млн. км от Солнца и 105—170 млн. км от
Земли.
На космических аппаратах, направляемых к комете Галлея,
были установлены телевизионные камеры, масс-спектрометры
для определения химического состава и массы молекул и
пылевых частиц кометной атмосферы, магнитометры для измерения
напряженности магнитного поля, электронные анализаторы,
радиоприборы, позволяющие осуществить радиопросвечивание
плазмы, окружающей комету, и радиолокацию ядра, головы и
хвоста кометы, принять ее собственное радиоизлучение.
Комета, вызывающая столь большой интерес ученых всего
мира, была названа в честь английского астронома Эдмунда
Галлея, посвятившего в XVII веке много труда и сил
предсказанию точной даты приближения кометы к Земле в 1758 году.
Вычисления Галлея, сделанные в соответствии с законом всемирного
тяготения Ньютона, сначала показались ошибочными — комета
не появилась на небе в назначенный Галлеем день. Французские
математики А. Клеро и Г. Ленот, астроном Ж. Лаланд пришли
к выводу, что расчеты Галлея были верны во всем, за исключением
одного обстоятельства — он не учел притяжение кометы
большими планетами Солнечной системы. Ученые сделали
необходимые поправки к расчетам Галлея, уточнили траекторию и период
обращения кометы вокруг Солнца, и в день, определенный
с помощью этих вычислений, комета показалась на небосклоне
Земли!
Закон всемирного тяготения был еще раз подтвержден на
практике, а ученые, зная теперь точную орбиту кометы, могут
заранее готовить к встрече с ней телескопы и оптические приборы,
проектировать космические аппараты и разрабатывать
чувствительные электронные устройства для изучения состава вещества
и свойств кометы.
Академик Р. 3. Сагдеев, рассказывая о планах советских
ученых по изучению комет, заглядывает в будущее: «Но конечно,
«кометчики» мечтают о том времени (на это, как мне кажется,
потребуется еще примерно десять лет), когда космический
аппарат сможет совершить такой маневр, который позволил бы
не просто на громадной скорости проскочить мимо кометы,
но сблизиться с ней на очень малой скорости, может быть, зайти
в хвост кометы и медленно приблизиться к ее ядру».
Пожелаем же успеха неутомимым исследователям Природы!
Космический аппарат
«Джотто».

НА ПУТИ
К «ВЕЛИКОМУ
ОБЪЕДИНЕНИЮ»
Как трудно иногда подобрать подходящее название вновь
открываемому явлению или объекту во Вселенной! В XX веке чаще
всего приходилось задумываться над этой вечной проблемой
астрофизикам и исследователям причудливого мира
элементарных частиц, на долю которых в наши дни выпало, вероятно, самое
большое число открытий в физике. В их распоряжении и наиболее
мощные инструменты изучения Природы — большие оптические,
рентгеновские, нейтринные и радиотелескопы, огромные
ускорители и чувствительные детекторы частиц, из которых состоит
атом, космические лучи, вещество атомных ядер.
Одно и то же
вещество — вода
предстает перед нами
в самых
различных обличьях —
снега, стоячей воды,
дождя, фонтанных
брызг, морской пены.
Бесконечны,
разнообразны и
формы, которые
принимают
элементарные частицы.
Астрофизики обычно используют для названий кратеров,
равнин, вулканов на небесных телах, а также астероидов, малых
звезд и комет фамилии первооткрывателей, а для планет
Солнечной системы, звезд и спутников планет — имена
мифологических героев.
Исследователям микромира хочется, чтобы названия хотя бы
некоторых элементарных частиц отражали особенности их
поведения. Видимо, поэтому для сильно взаимодействующих частиц
(в их число, в частности, входят и основные компоненты ядра —
нейтроны и протоны) известный советский физик,
член-корреспондент Академии наук Л. Б. Окунь предложил название «адро-
ны», что в переводе с греческого означает «сильные»,
«крепкие».
Элементарных частиц сейчас обнаружено очень много:
сравнительно долгоживущих — около сорока, а частиц с очень малым
временем жизни, называемых даже не частицами, а резонанса-
ми,— больше нескольких сотен. Слова «очень мало», конечно,
весьма приближенно описывают реальность, ведь за время своей
быстротечной жизни резонансы едва успевают пролететь
расстояние меньшее, чем... диаметр атома.
Конечно, физикам давно хочется навести порядок в
государстве элементарных частиц, создать своего рода таблицу частиц —
по образу и подобию таблицы химических элементов Менделеева.
Ученые думают (и не без оснований), что многие элементарные
частицы составлены в свою очередь из еще более элементарных,

которых должно быть совсем немного. Свойства таких основных
элементарных частиц недавно были описаны, и они оказались
удивительными во многих отношениях.
Одно из этих свойств — дробный электрический заряд,
равный одной или двум третям обычного единичного заряда, которым
наделен, например, электрон. Странно, не правда ли? Но только
так из нескольких основных частиц можно составить все
остальные.
Второе не очень понятное свойство основных частиц —
невозможность их существования в свободном виде. Вернее,
энергии современных ускорителей не хватает, чтобы высвободить их
из связанного состояния, так прочно соединены они между собой
внутри частиц с помощью особых переносчиков энергии,
названных глюонами — от английского слова «глю» — клей. Может
быть, основные первичные частицы удастся обнаружить в
просторах космоса, ведь не исключено, что космические лучи иногда
приносят такие частицы в атмосферу Земли.
Недавно в опытах одной из исследовательских групп будто
бы удалось под действием электрических и магнитных полей
особой конфигурации обнаружить несколько частиц с дробным
электрическим зарядом на шариках из ниобия. Но другие
исследователи пока не могут воспроизвести эти результаты. А ведь
опыт развития науки говорит о том, что настоящее физическое
открытие обычно легко проверяется и повторяется во всех
лабораториях мира. Вспомним хотя бы про лучи Рентгена...
Один из физиков-теоретиков, предсказавших существование
частиц с дробным электрическим зарядом, известный ученый
М. Мак-Геллман предложил для них название «кварки», в
котором чудится некоторое сомнение в их реальном свободном
существовании. Слово «кварки» придумал английский писатель
Джеймс Джойс. В его романе «Поминки по Финнегану» главному
герою кажется, что он король Марк из средневековой легенды,
у которого племянник Тристан похитил жену Изольду. Король
гонится за беглецами на корабле, над ним кружатся чайки и
кричат таинственно, непонятно, страшно: «Три кварка мистеру
Марку!» И потом все громче: «Три кварка, три кварка, три кварка!»
Загадкой для читателя остаются эти неуловимые оборотни —
кварки, рожденные фантазией Джойса. Далеко не всё знают
пока про кварки-частицы и физики.
Элементарные частицы
непрерывно
превра щаются
друг в друга,
будто актеры-
кукольники,
попеременно
меняющие маски.

Стремление упорядочить систему различных взаимодействий
в Природе привело ученых к выводу, что все их можно разделить
на четыре основные группы: гравитационные, электромагнитные,
сильные и слабые силы.
Гравитационные силы, как мы хорошо знаем, притягивают
планеты друг к другу и к Солнцу; электромагнитные поля и силы
определяют электрические явления в природе и технике,
благодаря их существованию работают электростанции, вращаются
электромоторы, передаются и принимаются радио- и
телевизионные сигналы, распространяются ультрафиолетовые, видимые,
инфракрасные, рентгеновские лучи. Представление о слабых и
сильных силах и взаимодействиях пришло в физику в XX веке
по мере углубления наших знаний о природе элементарных частиц
и явлений, происходящих на далеких звездах.
В первой главе рассказывалось, как была создана теория
строения атомного ядра, состоящего из положительно
заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Что же
удерживает эти частицы на столь близком расстоянии друг от друга? Это
не могут быть силы тяготения (они слишком слабы) или
электромагнитные силы — одноименно заряженные протоны должны по
закону Кулона отталкиваться, а не притягиваться друг к другу.
Физикам пришлось предположить, что в природе существуют
особые ядерные силы, получившие название сильных
взаимодействий, проявляющие всю свою мощь на малых расстояниях —
порядка диаметра ядра атома. Ядерные силы, которые однажды
были образно названы «гигантом с короткими руками», в сотни
раз энергичнее электромагнитных сил.
Кто же осуществляет проявление этих сил во времени и
пространстве? Электромагнитное взаимодействие, как мы знаем,
происходит благодаря обмену квантами, или фотонами,
например, от Солнца на Землю летят кванты самых разных энергий,
переносящие солнечное электромагнитное излучение.
Энергию поля тяготения переносят, вероятно, гравитоны,
которые упорно ищут ученые разных стран.
Японский физик Хидеки Юкава в 1935 году теоретически
рассчитал, что составные части ядра удерживаются на близком
расстоянии друг от друга благодаря существованию особых
частиц — квантов ядерного поля, названных пи-мезонами.
В 1947 году пи-мезоны были экспериментально обнаружены!
Как и предсказывал Юкава, пи-мезоны бывают трех видов —
нейтральные, положительно и отрицательно заряженные с
массой, приблизительно в 260—280 раз большей массы электрона.
Время жизни этих частиц очень невелико. Обмениваясь
пи-мезонами, протоны и нейтроны в ядрах атомов непрерывно
превращаются друг в друга!
Изучая превращение и гибель элементарных частиц на
больших ускорителях, ученые пришли к выводу, что многие
быстротечные события в микромире не могли бы происходить, если бы
не существовало еще одного вида взаимодействия частиц —
слабых сил. Например, очень часто наблюдается распад нейтрона
на протон, электрон и антинейтрино. Электрон не связан
сильными взаимодействиями, а антинейтрино не имеет заряда, и на него
не распространяется действие электромагнитных сил.
Слабые силы получили свое название из-за того, что они во
много миллиардов раз слабее ядерных сил. Распад частиц под
влиянием этих сил происходит сравнительно медленно (по
атомным масштабам). Эти силы удивительно широко распространены
в Природе. Превращение водорода в гелий в процессе
термоядерных реакций на Солнце требует, чтобы два протона, иными
словами два ядра водорода, стали двумя нейтронами — ведь ядра

гелия состоят из двух протонов и двух нейтронов. И за эту очень
важную для жизни на Земле, для всей Солнечной системы
реакцию ответственны именно слабые взаимодействия — они
спокойно, но неотвратимо превращают протоны в нейтроны, электроны
и нейтрино.
Выдающиеся современные физики Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и
А. Салам теоретически доказали, что между слабыми и
электромагнитными силами природы существует глубокое физическое
единство. Много важных и интересных следствий вытекает из
теории, предложенной этими учеными. В частности, ими
предсказана возможность осуществления превращений элементарных
частиц, в которых не происходит изменения заряда исчезающих
и возникающих частиц. Такие реакции в мире элементарных
частиц получили название нейтральных токов. И вот в 1973 году
в ходе исследований, проведенных в СССР, США и европейских
странах, существование нейтральных токов было доказано на
опыте!
Если все силы, существующие в природе, действительно имеют
между собой некоторые основные общие черты, то это прежде
всего предполагает существование и у слабых сил своих
собственных квантов, переносчиков энергии слабых взаимодействий
между участвующими в них частицами. Единая теория слабых
и электромагнитных взаимодействий предсказывает, что
квантами слабых взаимодействий должны быть довольно тяжелые
частицы, уже получившие название бозонов. Масса бозонов в
80—90 раз больше массы протонов, и их можно обнаружить в
очень сложных экспериментах на ускорителях, сталкивая между
собой встречные пучки протонов и антипротонов больших
энергий.
Идея использования встречных пучков, позволившая во много
раз увеличить энергию сталкивающихся элементарных частиц,
впервые была предложена и теоретически обоснована академиком
Г. И. Будкером, руководителем Института ядерной физики
Сибирского отделения Академии наук СССР, и его сотрудниками.
Идея получила всемирное признание, и ускорители на встречных
пучках стали строиться не только в СССР, но и во многих других
странах мира. Группа советских ученых во главе с Г. И. Будкером
была удостоена за эту работу в 1967 году Ленинской премии.
На ускорителе международного Центра ядерных
исследований в Женеве опыты по поиску бозонов начались летом 1981 года;
на более мощном ускорителе в Лаборатории им. Энрико Ферми,
находящемся вблизи Чикаго, исследователи начали «сталкивать»
протоны с антипротонами в 1985 году.
Уверенность большинства ученых в справедливости основных
положений теории, объединяющей слабые и электромагнитные
взаимодействия, столь велика, что ее авторы были награждены в
1979 году Нобелевской премией по физике. В начале 1983 года в
научной печати появилось сообщение: в опытах на ускорителе
в Женеве обнаружены описанные теоретиками бозоны!
Следующим логичным шагом в развитии теории элементарных
частиц должно стать объяснение с единых позиций не только
слабых и электромагнитных, но и сильных взаимодействий. Эта
будущая теория уже получила торжественный титул: «Великое
объединение». Пока ученые приходят к выводу, что частицы,
подобные фотонам и бозонам, которые могли бы играть роль
единых переносчиков энергии во всех трех видах взаимодействий,
должны иметь столь большую массу, что обнаружить их на
современных ускорителях практически нельзя. Может быть, явления,
происходящие в далеких от нас галактиках и звездах, позволят
пролить свет на загадочные вопросы физики элементарных

частиц, и мир большой теперь поможет миру малому? Хотя бы в
благодарность за то, что крохотные нейтрино и антинейтрино,
существование которых было предсказано теоретически, а затем
подтверждено в экспериментах на атомных реакторах в обычных
земных условиях, позволили расшифровать многие секреты
Солнца и звезд...
ВОПЛОЩЕНИЕ
«ГРЕЗ
О ЗЕМЛЕ И НЕБЕ»
К. Э. Циолковский был убежден, что человечество в
недалеком будущем расселится по планетам Солнечной системы и
начнет проникать все дальше — в глубины Вселенной. Технические
трудности на этом пути, по мнению Циолковского, будут
преодолены. Люди смогут отправиться в путь даже без особых
скафандров, которые необходимы сейчас космонавтам при выходе в
открытый космос.
В своей книге «Грезы о земле и небе», опубликованной в
Калуге в 1895 году, Циолковский объяснял, что живые существа и
растения, которые отправляются на другие планеты, не иссохнут
в космическом вакууме и не превратятся в мумии из-за
мгновенного испарения воды благодаря тому, что их кожа «...покрыта
стекловидным слоем, довольно мягким и тонким, но абсолютно
непроницаемым для газов, жидкостей и других летучих тел...
Поверхность тела с небольшими крылообразными придатками,
освещенными солнцем, служит лабораторией для приготовления
силы и жизни. Если в среде тяжести такие придатки могут быть
обременительны, то в пространстве, свободном от нее, они
незаметны и при поверхности в несколько тысяч квадратных
метров...». Обмен идеями и мыслями между космическими
путешественниками в безвоздушном пространстве К. Э. Циолковский
(еще до изобретения радио и телевидения!) также считал
вполне осуществимым и писал: «...Разве мы обмениваемся мыслями
только при посредстве звука? А книги, письма? Нечто подобное,
но гораздо более совершенное и натуральное служит им для их
сообщения; на одной из видных частей тела, сквозь его
прозрачную покрышку, как в камере-обскуре, играет ряд живых картин,
следуя течению мыслей существа и точно их выражая; зависит
это от прилива подкожных жидкостей разных цветов в
чрезвычайно тонкие сосуды, которые и вырисовывают ряд быстро
меняющихся и легко понятных картин».
С момента написания этих строк прошло около 90 лет, а
орбитальные станции с меняющимися экипажами осваивают
околоземное космическое пространство, межпланетные автоматические
станции (пока без космонавтов на борту) фотографируют и
изучают с близкого расстояния планеты Солнечной системы и их
спутники.
Советская станция «Венера» передала на Землю снимки
поверхности горячей планеты, скрытой от взоров человека
плотным слоем облаков. Исследования Венеры будут
продолжены...
Зарубежные ученые разрабатывают автоматическую
станцию «Галилей», которая должна, пролетев мимо открытых Га-
лилео Галилеем четырех спутников Юпитера — Ио, Европы,
Ганимеда, Каллисто, опуститься в атмосферу самого Юпитера —
огромной планеты, объем которой в тысячу раз превышает
земной, и произвести химический анализ ее облачного покрова.
Особый интерес ученых вызывает другой спутник Юпитера —

Титан, слегка уступающий по размерам Ганимеду, но зато
единственный из спутников планет Солнечной системы,
имеющий атмосферу. Пролетевшая мимо Титана станция «Вояджер»
(по дороге к Сатурну, Урану, Нептуну) установила, что
атмосфера Титана в десять раз тяжелее земной, состоит в основном
из азота и небольшого количества водорода, метана и аммиака,
влажное, каменистое ядро самого спутника окружено, вероятно,
смесью воды и льда. Вполне возможно, что на Титане могут
существовать и простейшие формы жизни, ведь температурные и
атмосферные условия на этом спутнике Юпитера похожи на те,
которые были на Земле миллиарды лет тому назад.
«Грезы» Циолковского несомненно сбудутся, лишь их
техническое воплощение будет несколько другим. Ученые считают,
например, что установка радиотелескопов на обратной стороне
Луны, защищенных нашим естественным спутником от
различных помех, существующих на Земле, даст возможность
принимать сигналы из космоса с необыкновенно высокой
чувствительностью. Именно в этом наиболее спокойном месте космического
околоземного пространства можно будет вести поиск сигналов
внеземных цивилизаций и разгадывать причины невероятно
мощного выделения энергии далекими звездами. Видимо, уже
сейчас такие проекты оправданы, как с научной, так и с
экономической точки зрения.
Лунные породы состоят на сорок процентов из кислорода,
который из них легко выделить и, соединив с доставленным с
Земли легким водородом, получить воду, столь необходимую
для жизни человека. На Луне много кремния (около двадцати
процентов от общего веса поверхностных пород).
Полупроводниковые солнечные элементы, преобразующие солнечный свет сразу
Космонавт
и художник А. Леонов
красочно изобразивший
совершенный им
впервые в истории
выход из корабля
в открытый космос.
Скафандры,
без которых
космонавты
пока не могут обойтись,
будут становиться
все легче и удобнее.

Советский
межпланетный
аппарат «Луноход» —
первый передвижной
автома тический
исследователь
лунной поверхности.
в электричество, будущие обитатели Луны смогут изготовить из
кремния сами...
Современные ученые и инженеры вполне серьезно относятся
к космосу как к месту предстоящей длительной и очень полезной
работы астрономов, геологов, энергетиков.
Безвоздушное пространство продолжает волновать умы и
физиков-теоретиков, но по другой причине: изучая грандиозные
процессы, протекающие во Вселенной, они надеются выяснить,
что же происходило на самых ранних этапах возникновения
окружающего нас мира.
Экспериментаторы нашли для каждой элементарной частицы
вещества свою античастицу, одинаковую по массе, но имеющую
противоположный заряд: например, для протона — антипротон,
для нейтрона — антинейтрон, для электрона — позитрон, для
нейтрино — антинейтрино. Обнаружено и явление аннигиляции,
взаимного уничтожения частиц и античастиц, происходящее
с выделением огромного количества энергии: взаимодействие
всего одного грамма вещества и антивещества равносильно
взрыву атомной бомбы средних размеров!
Физики всегда исходят из вполне логичного представления о
симметрии нашего мира. Число античастиц должно быть
вследствие этого равно числу частиц, количество вещества —
количеству антивещества. Но экспериментально наблюдаются в
основном только частицы. Вокруг нас есть вещество и нет (вероятно,
к счастью!) антивещества. Отдельные античастицы и
антиэлементы, такие, как антигелий, получены лишь в опытах на
ускорителях. Пока не удалось обнаружить антивещество и в
обозримых для телескопов просторах Вселенной. Странное
противоречие, долго смущавшее физиков...

Теоретические расчеты и наблюдения астрономов показали,
что наша Вселенная в настоящее время расширяется: скопления
галактик и даже отдельные галактики разлетаются, причем
скорость их разлета тем больше, чем дальше они находятся друг от
друга.
Галактики образовывались путем сгущения в отдельных
частях пространства межзвездного газа, и естественно
предположить, что когда-то давно, около 10 миллиардов лет назад, вся
Вселенная состояла из очень плотного и необычайно горячего
газа — плазмы. Плотность этой первичной плазмы частиц и
античастиц (в то время их число было одинаково) была столь велика,
что представление о таком состоянии вещества можно получить,
если мысленно сжать, как пишут в одной из своих статей
академик Я. Б. Зельдович и кандидат наук А. Д. Долгов, всю видимую
часть Вселенной «до кубика со стороной около 10 см».
«Современная теория,— продолжают они,— опираясь на астрономические
наблюдения, с неизбежностью приводит к тому, что в отдаленном
прошлом вся видимая Вселенная могла бы поместиться в
литровой банке».
Эти выводы необыкновенно интересны и захватывают
воображение. Но оставалось все же совершенно непонятным, как смогло
образоваться вещество при взрыве сверхплотного и горячего
первичного газа — плазмы частиц и античастиц, почему исчезло
практически все антивещество?
Ответ был получен лишь несколько лет назад после опытов
на ускорителях, показавших, что распад тяжелых элементарных
частиц с превращением в более легкие частицы происходит с
вероятностью на 0,3% большей, чем при возникновении из них
таких же античастиц. Это, казалось бы, совершенно ничтожное
Всем знакомы силуэты
нефтяных вышек
на суше и на море.
В будущем с помощью
подобных устройств
полезные ископаемые
возможно
будут добываться
из недр Луны,
планет и их спутников,
далеких астероидов.

отличие двух равноценных на первый взгляд путей
преобразования частиц, замеченное физиками, позволило сделать важный
вывод: при взрыве и расширении плотного начального «кубика»
Вселенной, происшедшем, по расчетам теоретиков, за доли
секунды, частицы взаимно уничтожались, взаимодействуя с
античастицами, рождалось излучение, разлетавшееся в виде
фотонов, и все же некоторое число частиц при этих реакциях
сохранилось.
Их ведь было чуть-чуть больше, чем античастиц! Например,
на каждый миллиард антипротонов приходился миллиард и...
еще один протон. Этих лишних протонов, уцелевших в реакции
аннигиляции протонов с антипротонами, хватило, чтобы создать
все вещество галактик, звезд, солнечных систем.
Все только что рассказанное было подкреплено еще одним
доказательством. Фотоны излучения, образованные при взрыве
горячей и плотной плазмы частиц и античастиц, должны были,
разбегаясь и постепенно охлаждаясь, равномерно заполнить
всю Вселенную. Эти фотоны, получившие название реликтовых,
сохранившихся с древних времен, удалось экспериментально
обнаружить!
Как уже не раз происходило в науке XX века, астрофизика,
физика элементарных частиц и теория электромагнитного
излучения вновь оказались необходимыми друг другу. Теории,
которые сначала производят впечатление весьма общих и совершенно
отвлеченных, неожиданно становятся очень полезными при
объяснении сложных явлений природы.
Физики-экспериментаторы, исследователи космоса, инженеры могут, опираясь на
Бескрайние
просторы Вселенной
всегда волновали
воображение людей,
возбуждали
мысль ученых.
теоретические расчеты, получить результаты, важные в научном
и в практическом отношении.
В ноябре 1982 года группа советских ученых, в числе которых
доктора наук В. К. Абалакин, В. А. Брумберг, М. Д. Кислик,
кандидаты наук Ю. Ф. Колюка, В. Ф. Тихонов и другие, была
награждена Государственной премией СССР за создание новой
уточненной теории движения внутренних планет Солнечной
системы. Полеты к планетам космических аппаратов и измерения,
проводимые с Земли с помощью больших радиотелескопов,
позволили ученым заметить: траектории движения планет, вычис-

ленные на основе ньютоновского закона всемирного тяготения,
оказываются уже недостаточно точными. В этих расчетах не
учитывается искривление пространства и замедление времени
при движении планет около тела с большой массой — Солнца,
предсказываемые общей теорией относительности Эйнштейна.
Советские ученые показали, что современная теория
движения внутренних, ближайших к Солнцу планет — Меркурия,
Венеры, Земли и Марса — может быть создана при объединении
законов ньютоновской механики и общей теории
относительности. Проведенные в 1981 —1982 годах радиолокационные
измерения расстояний до планет с помощью радиотелескопа советского
Центра дальней космической связи в Крыму сравнивались с
результатами теоретических вычислений. Использование в расчетах
законов только ньютоновской механики привело к расхождению
с экспериментом, составлявшему для Меркурия около 400
километров, в то время как новая обобщенная теория советских
ученых позволила определить расстояние до ближайшей к Солнцу
планеты, отличавшееся от данных измерений всего на 5
километров. Уточненные расчеты дают возможность выяснить
местоположение Меркурия через 20 лет с точностью до 10 метров, а Венеры,
Земли и Марса — с точностью до 1 метра!
ВЕЧНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
Физики никогда не успокаиваются. Новые особенности
обнаруживаются не только в движении планет, новыми свойствами
недавно был наделен и космический вакуум, разделяющий
планеты. Привычное для нас представление о вакууме как о
совершенной пустоте сменилось вполне обоснованной гипотезой,
что вакуум при определенных условиях может... рождать на свет
элементарные частицы.
Космический вакуум действительно нельзя считать
пустотой — поле тяготения всегда пронизывает его. А при появлении
невероятно сильного электромагнитного или ядерного поля в
вакууме могут возникнуть частицы, которые в обычном
спокойном состоянии пространства ничем себя не обнаруживают. Сейчас
ученые обдумывают эксперименты, которые подтвердили бы
или опровергли эту интересную и важную для дальнейшего
развития физики гипотезу.
Физики продолжают углубленно изучать не только свойства
вакуума, но и структуру твердых тел, предполагая использовать
для исследовательских целей все более энергичное излучение с
малой длиной волны. Советский физик А. Ф. Тулинов и
шведские исследователи В. Домей и К. Бьерквист «осветили»
кристаллы не рентгеновским излучением или электронным лучом, а...
пучком протонов. Рассеиваясь на ядрах атомов кристаллов,
протоны дали возможность получить на фотопленке очень
четкое изображение кристаллической решетки, определить
положение отдельных атомов. Плавно изменяя энергию пучка
протонов и глубину их проникновения в исследуемые образцы,
авторы нового метода структурного анализа смогли получить
снимки дефектов кристаллической решетки на различной
глубине от поверхности без разрушения кристаллов.
Кристаллы различных веществ, пристально рассмотренные
под ярким «светом» частиц высоких энергий, оказались отнюдь
не похожими на холодное царство из неподвижно застывших
геометрически правильных рядов атомов. Под влиянием вводи-
Линии электропередач
и спутники Земли —
символы крупных
технических
достижений физики
XIX и XX веков.
Какие изобретения
и открытия ознаменуют
успехи физики
будущих веков?

мых примесей, при воздействии температуры, давления,
электрического и магнитного полей в столь невозмутимых внешне
кристаллах могут происходить удивительные превращения:
например, в одних из них рост температуры вызывает исчезновение
металлических свойств, в других наблюдается обратная
картина — изолирующий кристалл, не пропускавший электрический
ток, становится металлом.
Советский физик Э. Л. Нагаев теоретически предсказал, что
при определенных условиях только отдельные области в
кристаллах будут изменять свои свойства. Кристаллы некоторых
полупроводников становятся при этом похожими на... пудинги с
изюмом: изюминки представляют собой проводящие шарики,
разделенные диэлектрическими прослойками, и в целом такой
кристалл не пропускает электрический ток. Тепло и магнитное
поле могут заставить шарики соединиться друг с другом,
изюминки будто растворяются в пудинге — и кристалл превращается
в проводник электрического тока. Эксперименты вскоре
подтвердили возможность осуществления в кристаллах подобных
переходов...
Не все, однако, удается предсказать и рассчитать заранее.
Часто толчком для создания новых теорий служат непонятные
результаты экспериментов в лаборатории или странные явления,
которые внимательному наблюдателю удается подметить в
Природе.
Одно из таких явлений — солитоны, или одиночные волны,
которые сейчас активно обсуждаются и исследуются многими
физиками,— впервые было замечено... в августе 1834 года.
Английский ученый первой половины прошлого века Дж. Скотт
Рассел оставил нам такое описание: «Я следил за движением
бота, который быстро тащила по узкому каналу пара лошадей.
Когда он внезапно остановился, масса воды в канале, которую
приводил в движение бот, пришла вблизи носа судна в состояние
сильного волнения, внезапно оторвалась от него, покатилась
вперед с огромной скоростью, приняв форму большого уединенного
возвышения, округлого, гладкого и хорошо выраженного, которое
продолжило свой путь по каналу без видимого изменения формы
или уменьшения скорости».
Только через полвека теоретики получили уравнение
движения такой одинокой волны. В наши дни волны-соли тоны
обнаружены при особых условиях на воде, в потоке заряженных ионов,
во время распространения звука, оптических волн, лучей лазера
и даже... при движении электрического тока.
Волна, которую мы привыкли видеть и описывать как
равномерное колебание многих частиц среды или электромагнитного
поля, неожиданно превращается в сгусток энергии, одиноко и
быстро бегущий в любой среде — в жидкости, газе, твердом теле.
Солитоны несут с собой всю энергию обычной волны, и, если
причины их возникновения будут хорошо изучены, возможно, в
недалеком будущем именно они начнут переносить энергию любого
вида, необходимую человеку, на большие расстояния, например
снабжать жилые дома электричеством, полученным
полупроводниковыми фотоэлементами в космосе из солнечного света...
Солитоны обладают свойствами не только волн, но и частиц.
Японский физик Нарюши Асано, давно изучающий физические
процессы, приводящие к возникновению одиноких волн, считает,
что ученые должны прежде всего получить ответы на два важных
вопроса: какую роль играют солитоны в природе и являются ли
они элементарными частицами?
Непрерывен поиск ученых в области элементарных частиц, в
разработке теории, которая объединила бы теперь все виды взаи-

модействий, обнаруженных в природе. Физики-теоретики
считают также, что во Вселенной могут существовать атомы, чьи ядра
состоят не только из нейтронов и протонов. Один вид таких
необычных ядер был обнаружен экспериментально в
космических лучах польскими физиками еще в 1935 году: кроме
протонов и нейтронов, в них оказалась еще одна сравнительно долго-
живущая и сильновзаимодействующая частица —
лямбда-гиперон. Такие ядра получили название гиперядер.
Сейчас физики изучают поведение гиперядер, рожденных на
ускорителях, и внимательно анализируют состав приходящих к
Земле космических лучей, пытаясь обнаружить еще более
необычные частицы вещества.
Просторы Вселенной продолжают приносить физикам новые
открытия. Несколько лет назад в космосе была обнаружена
гравитационная линза. Свет, излучаемый одним из квазаров,
далекой и яркой звездой, отклоняясь полем тяготения галактик,
расположенных между Землей и квазаром, создавал иллюзию,
что в этом участке неба расположены... два
квазара-близнеца.
Ученые доказали, что раздвоение изображения возникает по
законам преломления света, только этот оптический «прибор»
имеет огромные размеры!
Но не только теоретические модели и наблюдения за
природой помогают ученым понять суть мира малого и большого.
Изобретательные физики-экспериментаторы умудряются воссоздать
Природу на лабораторном столе.
Недавно в научном журнале «Физика плазмы» появилось
сообщение об удачной попытке воспроизвести в земных
условиях... вспышки на Солнце. Группа исследователей Физического
института им. П. Н. Лебедева в Москве сумела смоделировать в
лабораторной установке магнитное поле Солнца; в момент
резкого разрыва тока, протекавшего по слою проводящего газа в
этом поле, возникло сильное рентгеновское излучение — точь-в-
точь как на Солнце в момент вспышки! Ученым стало яснее,
отчего возникают грозные явления Природы — солнечные
вспышки...
Полупроводниковые
фотоэлементы
и фотоэлектронные
умножители,
которые показывает
автор книги,
мгновенно превращают
световое излучение
любой длины волны
в электрическую энергию,
чутко откликаются
на свет Солнца
и далеких звезд.

Физики из Грузии воссоздали звездные процессы и провели
изящные и интересные опыты, вращая (с внезапными
остановками) относительно друг друга цилиндрические и сферические
сосуды, заполненные жидким гелием, при тех очень низких
температурах, когда гелий становится сверхтекучим. Физики
очень похоже имитировали «звездотрясение» пульсаров, которое
может произойти, если внешний «нормальный» слой
радиоисточника в какой-то момент начнет вращаться с меньшей скоростью,
чем сверхтекучее ядро пульсара.
Оказывается, даже явления, происходящие на расстоянии
нескольких миллиардов световых лет от нас, можно
экспериментально получить на Земле...
Исследователи узнают много интересного и необычного о
Природе в их вечном стремлении к истине. Несмотря на все
величие достижений науки XX века, физики не забывают слова
одного из их коллег: «...существование людей зависит от
любознательности и сострадания. Любознательность без
сострадания — бесчеловечна. Сострадание без любознательности —
бесполезно...»
Многих ученых сейчас интересуют не только грандиозные
процессы выделения энергии нейтронными звездами или
мгновенные превращения элементарных частиц; их волнует открытая
современной физикой возможность разнообразной помощи
биологам и медикам, помощи человеку теми великолепными
устройствами и сложными приборами, которыми владеют пока
лишь представители точных наук.
Одно очень важное свойство роднит физику с философией,
из которой она вышла,— физика может убедительно, с помощью
цифр и фактов ответить на вопрос любознательного человека:
велик или мал мир, в котором мы живем? И тут же возникает
вопрос-близнец: велик или мал человек?
Ученый и писатель Блез Паскаль называл человека
«мыслящим тростником», подчеркивая тем самым, что человек хрупок,
слаб и беззащитен перед явно превосходящими силами неживой
Природы; единственное оружие и защита человека — его мысль.
Вся история физики убеждает, что обладание этим
неосязаемым и невидимым оружием дает возможность человеку
проникнуть необычайно глубоко в мир бесконечно малых
элементарных частиц и достичь самых далеких уголков нашей
необъятной Вселенной.
Физика показывает нам, как велик и в то же время
близок мир, в котором мы живем. Физика позволяет почувствовать
человеку все свое величие, всю необыкновенную силу мысли,
которая делает его самым могущественным существом на свете.
«Я не становлюсь богаче, сколько бы ни приобретал
земель...— писал Паскаль,— а вот с помощью мысли я охватываю
Вселенную».

НА ПЕРВОЙ СТРАНИЦЕ ОБЛОЖКИ. Длинный и сложный путь прошла
физическая наука от первых наблюдений за радугой на небе
и размышлений над преломлением световых лучей до успешных исследований
короны Солнца и регистрации свечения листьев в электромагнитном поле.
Корону Солнца нарисовала электронно-вычислительная машина.
НА ПОСЛЕДНЕЙ СТРАНИЦЕ ОБЛОЖКИ.
Напряженно вглядываются
исследователи в окружающий нас бескрайний мир Вселенной, тщательно изучают
они структуру мельчайших кристаллов и яркие спектры далеких звезд.
Нет границ научному познанию...
НА ПЕРВОМ ФОРЗАЦЕ.
Так выглядит в просвечивающем электронном
микроскопе тончайшая пленка-слепок из платины и углерода,
снятая с кобальто-марганце вого слоя, выращенного на искусственном сапфире.
Увеличение в 30 тысяч раз!
НА ФОРЗАЦЕ В КОНЦЕ КНИГИ.
Фотография того же, что и на первом форзаце,
участка кобальто-марганцевого слоя на сапфире, который находился
под пленкой-слепком. Фотография получена с помощью сканирующего
электронного микроскопа при увеличении тоже в 30 тысяч раз
и позволяет нам заглянуть в глубь вещества, рассмотреть его
волокнистую структуру, оценить размеры пор между волокнами.
К ГЛАВЕ 1.
Тайну строения вещества впервые приоткрыли древние
философы и ученые. Современные физические приборы позволяют увидеть
на цветных снимках извилистые линии механических напряжений внутри
сжимаемого или растягиваемого материала, расшифровать строение
не только простых, но и таких сложных многоатомных структур,
как молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), передающая
наследственные признаки организма другим поколениям.
К ГЛАВЕ 2.
Вселенная находится в постоянном движении:
вращаются вокруг Солнца Земля и планеты, перемещаются спутники планет,
раскачивается маятник, который в прошлом веке помог объяснить
вращение Земли в безвоздушном пространстве, катятся шары,
мелькают колеса, мчатся автомобили... И все эти разнообразные виды
движения подчиняются одинаковым физическим законам.
К ГЛАВЕ 3.
Ученые обнаружили, объяснили и научились управлять
могучей силой электричества. Электричество ярко полыхает молнией в небе,
бежит по проводам трансформаторов, генераторов, электродвигателей,
физических приборов, тихо сияет вокруг листьев,
помещенных между электродами.
Многое смог увидеть человеческий глаз в окружающем нас мире.
К ГЛАВЕ 4.
Оптика, один из важнейших разделов современной физики,
начиналась с наблюдений за вытекающей из сосуда струей воды,
из которой не может вырваться попавший в нее свет, и радужными
мыльными пузырями, с раздумий над ходом лучей в камере-обскуре,
перевертывающей изображение скульптуры. Оптика подарила нам очки,
бинокли, фото- и киноаппараты, микроскопы, телескопы, световоды, лазеры...
К ГЛАВЕ 5.
Немногим более ста лет разделяют телеграфный ключ,
отстукивавший сообщения по азбуке Морзе, и крохотные интегральные схемы,
сделавшие возможным создание радиопередатчиков и электронно-
вычислительных машин размером со спичечный коробок. Сто лет развития
электроники и изобретения самых разнообразных способов связи.
К ГЛАВЕ 6.
Непохожи друг на друга яркий свет лампы накаливания
и невидимое, бесшумное излучение рентгеновских аппаратов,
позволяющее увидеть на телевизионном экране скрытое от взгляда
внутреннее строение тела человека, хотя оба вида лучей имеют
единую электромагнитную природу и отличаются лишь длиной волны.
К ГЛАВЕ 7.
Съемка в трех дополнительных по цвету лазерных лучах
дает возможность получить голографические объемные и цветные
чудо-фотографии произведений искусства.
К ГЛАВЕ 8.
Днем и ночью наблюдают за небосводом зоркие глаза телескопов,
улавливающих радиоизлучение, рентгеновские, инфракрасные, ультрафиолетовые
лучи, любые цветовые оттенки оптического излучения далеких звезд
и туманностей, таких, например, как туманность Андромеды.
К ГЛАВЕ 9.
Ракеты и космические корабли разных стран взмывают в небо,
осваивают трудные земные профессии помощники человека — роботы.

К читателям
Отзывы об этой книге
просим присылать по адресу:
125047, Москва, ул. Горького, 43.
Дом детской книги.
ДЛЯ СРЕДНЕГО И СТАРШЕГО ВОЗРАСТА
Марк Михайлович Колтун
МИР ФИЗИКИ
ИБ № 10880
Ответственный редактор
Г. В. МАЛЬКОВА
Художественный редактор
О. К. КОНДАКОВА
Технический редактор
Т. Д. ЮРХАНОВА
Корректор
В. В. БОРИСОВА
Подписано к печати с готовых диапозитивов
17.12.86. А 10344. Формат 70 X 1081/16- Бум. офсетн.
№ 1. Шрифт таймс. Печать офсетн. Усл. печ. л.
23,8. Усл. кр.-отт. 96,6. Уч.-изд. л. 24,65. Тираж
100 000 экз. Заказ № 4875. Цена 2 р. 40 к. Орденов
Трудового Красного Знамени и Дружбы народов
издательство «Детская литература»
Государственного комитета РСФСР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли. 103720, Москва, Центр,
М. Черкасский пер., 1. Ордена Трудового Красного
Знамени фабрика «Детская книга» № 1 Росглав-
полиграфпрома Государственного комитета РСФСР
по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли. 127018, Москва, Сущевский вал, 49.
Колтун М. М.
К61 Мир физики: Научно-художественная лит-ра/
Оформление Б. Чупрыгина.— 2-е изд.—М.: Дет. лит.,
1987.— 271 с, ил.
В пер.: 2 р. 40 к.
Автор книги, доктор технических наук, профессор рассказывает о
многообразии и единстве физических явлений, происходящих в окружающем нас мире,
о трудностях и успехах на пути познания основных физических законов Природы.
4802020000—076
К Без объявл. ББК 22. 3
М101(03)87 53