Ф. С. ЗАВЕЛЬСКИЙ
масса '
и ее
измерение
Ф.С. ЗАВЕЛЬСКИЙ
издание второе,
переработанное
и дополненное
а
МОСКВА
АТОМИЗДАТ 1974
53
УДК 531.75 : 539.121(023}
Завельский Ф. С.
3-13 Масса и ее измерение. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.,
Атомиздат, 1974.
с. 240 с ил.
Человек научился взвешивать менее 10 тысяч лет назад. После этого
ему понадобилось более 5 тысяч лет, чтобы понять, что такое вес, и
научиться отличать вес от массы., Затем' несколько столетий людям каза-
лось, что о массе и весе тел они знают все. Потом, около 50 лет назад,
появились новые фундаментальные научные идеи, которые расширили
понятие о массе и энергии тел и прояснили ряд трудных и, казалось бы,
неразрешимых вопросов строения вещества.
Обо всем этом рассказывает автор книги, В ней показано, как науч-
ные открытия рождают новые методы измерения, а усовершенствование
измерительных приборов делает возможной проверку научных гипотез;
рассказывается о борьбе научных идей и о связи науки с измерительной
техникой. Такое рассмотрение позволяет хотя бы в некоторой мере по-
чувствовать и понять дух и жизнь самой науки.
20402-075
034(00-74 /5
53
(g) Атомиздат, 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Большинству людей известно, что за последние деся-
тилетия наука достигла огромных успехов. Каких? Знаем
ли мы теперь, каков он, этот Мир, в котором мы живем?
Такова одна сторона вопроса. Однако есть и другая:
многие говорят о том, что научные проблемы увлекатель-
ней любого романа, по может ли неспециалист понять
хотя бы суть научных открытий и разобраться в пробле-
мах, над которыми сейчас работают ученые?
Да. Но для этого нужно прежде всего проследить и
понять, какими средствами достигаются научные знания.
В книге автор именно это и попытался сделать.
Нам кажется, что молодому человеку, стремящемуся
к науке, пока это еще не поздно, следует задать себе во-
прос, что важнее: приобрести большой запас знаний о
различных фактах и сделанных из иих выводах или на-
учиться размышлять о них и самому их оценивать. Есть
очень старое изречение: знания без размышлений беспо-
лезны, размышления без знаний опасны. Быть может по-
нимание того, как были достигнуты научные знания дру-
гими,— это первый шаг к тому, чтобы научиться созда-
вать их самому.
Второе издание книги переработано и дополнено рас-
сказом о некоторых фундаментальных открытиях, сделан-
ных в недавнее время.
Приношу глубокую благодарность моему неизменно-
му и строгому критику Р. С. Завельской за просмотр ру-
кописи, а Д. А. Киржницу за обсуждение некоторых но-
вых исследований.
Ф. С. Завельский
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Мне показалось интересным сделать разрез Мира по
одному из его существенных параметров, а именно по
массе, и таким образом показать развитие некоторых
фундаментальных физических идей. Это первый аспект
книги. Второй заключается в рассмотрении переплетения
прогрессов научного и технического: физических идей и
методов измерения. Такое рассмотрение хотя бы в неко-
торой мере показывает, откуда берутся наши знания.
Насколько все это мне удалось — судить читателю.
В обыденной жизни, в технике и науке мы бессознательно
или сознательно пользуемся определенной координатной
сеткой: длиной, длительностью, весом или массой. Эти
понятия прошли почти такой же длинный путь развития,
как человеческая культура, преобразуясь, усложняясь,
упрощаясь, уточняясь и снова усложняясь. История их
развития является ' важной частью истории техники и
науки.
Небезынтересно отметить, что на планете Земля, обра-
зовавшейся около 4,6 миллиардов лет назад, люди появи-
лись около двух миллионов лет назад, а научились взве-
шивать меньше 10 тысяч лет назад. После этого человеку
понадобилось более 5 тысячелетий для того, чтобы понять
что такое вес и научиться отличать вес тела от его массы.
Затем несколько столетий людям казалось, что они в от-
ношении веса и массы тел уже знают все.
Потом ученые поняли очень важную вещь, а именно
то, что в отношении веса и массы тел еще далеко не все
ясно. Когда же ученые стали взвешивать небесные тела,
атомы, электроны...
Конечно, в отношении атомов и звезд термин «взвеши-
вание» оказывается довольно условным, поскольку опре-
деляется не вес, а масса тел и используемые при этом
4
приборы совсем не похожи на обычные весы. Однако обо
всем этом расскажет данная книга....
Так вот, когда ученые стали взвешивать тела макро- н
микромира, взвешивать все лучше и все точнее, то неяс-
ности в картине мироздания сначала лишь увеличились.
Потом точное взвешивание привело ученых к нескольким
важным открытиям.
Позже — менее 100 лет назад — появилось несколько
новых фундаментальных научных идей, которые расши-
рили понятие о массе и энергии тел и прояснили ряд
трудных и, казалось, неразрешимых вопросов в области
строения вещества. Реализация этих идей преобразовала
технику и науку. Они же привели к возникновению новых
вопросов, еще более тонких и глубоких.
.Точное определение массы мельчайших тел — элемен-
тарных частиц — позволило вскрыть несколько новых за-
кономерностей, связанных с самыми основами мирозда-
ния. Благодаря этому в отношении массы тел стало поч-
ти все ясно, но... лишь почти.
Об этом и рассказывает настоящая книга, и ее автор
будет признателен тем читателям, которые сообщат ему
свои критические замечания.
Мои добрые друзья и строгие критики — Р. С. За-
вельская, Р. М. Полоз, В. А. Соколов, Д. А. Киржииц,
Ф. М. Пудалов—'выполнили нелегкий труд: прочитали
эту книгу в рукописи и высказали свои замечания. При-
ношу нм глубокую благодарность.
Ф. С. Завельский
Чем более тонкой и специализированной становится
наука, тем сильнее чувствуется необходимость постичь
ее существенные черты наглядно, так сказать, легко,
удобоваримо, без технического аппарата.
Каждый интеллигентный человек, даже неспециа-
лист, может глубоко вникнуть в современные физиче-
ские проблемы. Эта драма вызывает у жаждущего по-
нимания читателя не менее напряженное внимание, чем
увлекательный роман.
Д. Эйнштейн
Род человеческий в огромном своем большинстве
удовлетворяется званиями из вторых рук. Уместно по-
ставить вопрос: стоит лн вообще приобретать такие
познания? Мы вовсе не хотим сказать, что каждый че-
ловек должен сам исследовать все явления природы;
само собой разумеется, что это дело невозможное. Но
возможно, по меньшей мере, следующее: необходимо
постараться, чтобы каждый ребенок понял, хотя бы и
самым элементарным образом, каким путем из наблю-
дений и опыта были достигнуты полезные заключения,
ибо только таким образом можно до известной степени,
по крайней мере, освободиться от рабства перед интел-
лектуальными авторитетами.
В. Рамсей, В. Оствальд
Часть первая
ВЕСЫ ТОРГОВЦЕВ, АЛХИМИКОВ,
ИНЖЕНЕРОВ И УЧЕНЫХ
Измерение — экспериментальное сравнение данной
величины с другой величиной, принятой за единицу
измерения.
ГЛАВА 1
ВЕСЫ, СОЗДАННЫЕ
В ДРЕВНЕМ МИРЕ
Только что солнце достигло средины высокого неба,
Тотчас весы золотые отец натянул Олимпиец,
И, положивши два жребия смерти, смиряющей члены,
Жребий наездников Трои и медью покрытых Ахеяи,
Поднял в средине, и день роковой Аргивян преклонился
(Жребий Ахейского войска коснулся земли- плодородной.
Жребий Троянских дружин взлетел до пространного
неба).
Гомер (XI—X век до н. э.)
В Египте на пирамиде в Гизе высечено изображение
равноплечих весов (рис. 1). Эта пирамида была построе-
на при династии Хеопса, т. е. между 2930—2750 гг. до н. э.
В Саккаре есть некрополь — город пирамид, город
мертвых. В одной из комнат пирамиды Меру на барель-
ефе изображены равноплечие ручные весы (рис. 2). Эта
пирамида была построена при V династии фараонов, т. е.
между 2680—2540 гг. до н. э. Таким образом, в Древнем-
Египте около 5 тысяч лет назад люди уже умели взвеши-
вать.
Археологические находки позволили установить кон-
струкцию весов Древнего Мира и даже их чувствитель-
ность и точность. В самых ранних из них коромысло под-
вешивалось в центре на веревке, прикрепленной к непод-
вижной опоре. Веревку либо накручивали на коромысло,
либо пропускали через просверленное в нем отверстие.
Были также весы, в которых веревку привязывали к при-
крепленному к коромыслу металлическому кольцу.
Около 1500 г. до н. э. в древнеегипетских весах появ-
ляются важные усовершенствования: отвес, укрепленный
на кронштейне, скрепленном с опорой, и указатель, /ста-
новленный в центре коромысла. Чашки весов древние
египтяне делали в форме плоских тарелок и подвешивали
их к концам коромысла на нитях.
Рис. 1. Изображение весов с колонкой на пирамиде
в Гизе.
Рис. 2. Изображение ручных весов на барельефе некро-
поля в Саккаре.
При археологических раскопках удалось найти гнри
древиих египтян. Самая маленькая из них весит несколько
граммов. Значит, чувствительность весов древиих егип-
тян и точность, с которой они производили взвешивание,
была приблизительно такой же, а может быть и лучше.
8
Рас, 3, Индийский безмен (горельеф Гандарского периода).
Ведь то, что не нашли меньших гирь, совсем не означает,
что их не было.
Такая конструкция весов прошла через тысячелетия,
и даже после того, как были придуманы более совершен-
ные, ее иногда все же применяют.
В древием Вавилонском царстве умели взвешивать, по
крайней мере, 4,5 тысячи лет назад, а в суммерийский
период кроме равноплечих весов уже применялись и ие-
равноплечие — безмен.
В Индии безмен был известен более 2 тысяч лет на-
зад. Изображение безмена есть на индийских монетах
династии Маурия, относящихся к IV—III векам до н. э.
На индийском горельефе I — II веков и. э. можно уви-
деть процесс взвешивания на безмене (рис. 3).
Китайцы, усложнив конструкцию безмена, расширили
пределы его применении. В китайских безменах имеется
уже не одна, а две-три серьги подвеса, расположенные
на разном расстоянии от крюка, к которому подвешивает-
ся груз. Соответственно в таком безмене сделано несколь-
ко шкал. Поднимая безмен за ту или другую серьгу, мож-
но взвешивать предметы разной тяжести приблизитель-
но с одинаковой точностью.
Когда научились взвешивать древние греки? В «Илиа-
де» Гомера несколько раз упоминаются весы. Создание
«Илиады» современное литературоведение относит к
XI—X векам до н. э. Таким образом, древние греки умели
взвешивать более чем за 1000 лет до н. э.
Придумали греки весы сами или заимствовали от ко-
го-нибудь, мы не знаем. Во всяком случае, ранние образ-
цы весов древних греков очень похожи на весы древних
египтян. Зато нам известно, что древние греки разраба-
тывали теорию весов. Аристотель (384—322 гг. до н. э.),
Евклид (около 300 г. до н. э.), Архимед (287—212 гг. до
н. э.) рассматривали вопросы равновесия равноплечего
рычага и устойчивости весов, зависимость чувствитель-
ности весов от длины коромысла и пр.
Архимед создал гидростатические весы, с помощью
которых можно различать металлы. Его весы представля-
ли собой равноплечее коромысло с двумя чашками. На
одном плече коромысла были нанесены деления и укреп-
лена гирька, которая могла перемещаться вдоль коро-
мысла. Для того чтобы определить, из какого металла
состоит предмет,, его ставили на одну чашку весов, а на
другую насыпали ровно столько известного металла (на-
го
пример: золото, серебро), сколько требовалось для рав-
новесия весов. После этого обе чашки весов, вместе с ле-
жащими иа них грузами, погружались в воду. Поскольку
разные металлы имеют различную плотность, то при
равном весе они занимают разный объем. Между тем,
когда тело погружено в жидкость, то выталкивающая си-
ла равна весу жидкости, вытесненной 'телом. Поэтому
когда на чашках весов лежат разные металлы, а весы
уравновешены в воздухе, то при погружении чашек с
грузами в воду равновесие весов нарушается. Проградуи-
ровав предварительно свои гидростатические весы по раз-
ным металлам и определив, иа сколько делений для каж-
дой их пары нужно сдвинуть гирьку на коромысле для
уравновешивания весов в воде, Архимед получил воз-
можность определять, из какого металла состоит неизве-
стный груз.
Марк Витрувий Поллнон, живший в I веке до и. э., в
своей книге «Об архитектуре» описывает обстоятельства,
сопутствовавшие этому открытию, так:
«Что касается Архимеда, то изо всех его многочислен-
ных и разнообразных открытий то открытие, о кото-
ром я расскажу, представляется мне сделанным с без-
граничным остроумием. Именно в Сиракузах, когда
Гнерощ облекшись царской властью, в благодарность
за свои успехи решил, по обету, в одном храме посвя-
тить бессмертным богам золотую корону, он заказал
ее за плату и отвесил поставщику точно нужное коли-
чество золота. Тот к назначенному сроку приготовил
вещь к полному удовольствию царя, и, казалось, вес
короны он сделал точно соответствующим весу золота.
После этого был сделан донос, что из короны была
взята часть золота и вместо него примешано такое же
количество серебра; Гиерон разгневался иа то, что его
провели, и, не находя способа уличить это воровство,
попросил Архимеда хорошенько подумать об этом. Тот,
погруженный в думы по этому вопросу, как-то случай-
но пришел в баню и там, опустившись в ванну, заме-
тил, что из нее вытекает такое количество воды, каков
объем его тела, погруженного в ванну. Выяснив себе
сущность этого факта, он, не долго думая, выскочил с
радостью из ванны, пошел домой голый н всем гром-
ким голосом сообщал, что ои нашел то, чего искал; он
11
бежал и кричал одно н то же: evprjxa, evpr)%a( нашел,
нашел!).
Затем, исходя из своего открытия, он, говорят, сде-
лал два слитка, каждый такого же веса, какого была
корона, — один из золота, другой из серебра. Сделав
это, он наполнил водой сосуд до самых краев и опус-
тил в него серебряный слиток, и вот, какой объем слит-
ка был погружен в сосуд, соответственное ему количе-
ство вытекло воды.. Отсюда он нашел, какой вес
серебра соответствует какому определенному' коли-
честву воды.
Произведя такое исследование, он после этого та-
ким же образом опустил золотой слиток в полный со-
суд... и нашел, насколько меньший объем занимает
12
слиток золота по сравнению с одинаково с ним веся-
щим слитком серебра. После этого, наполнив сосуд и
опустив в ту же воду корону, он нашел, что при погру-
жении короиы вытекло больше воды, чем при погруже-
нии золотой массы одинакового с ней веса, и таким об-
разом на основании того заключения, что короной вы-
теснялось большее количество воды, чем золотым слит-
ком, он вскрыл прнмесь в золоте серебра и обнаружил
явное воровство Поставщика».
Конечно, Архимед не первый наблюдал, как выли-
вается из ванны вода, когда в нее погружается человек.
Он был первым, кто сумел сделать из этого наблюдения
некоторые выводы. Многие смотрели, а он увидел.
У древних римлян были равноплечие весы: ручные и
со стойками, а также неравноплечие с одной и несколь-
кими шкалами. Конструкция их в основном заимствована
у греков.
Один из древнеримских безменов, найденный при рас-
копках в Помпее, хранится ныне в ленинградском Эрми-
таже (рис. 4). Короткий конец этого безмена имеет от-
верстие, в которое вдет крюк для подвеса чашки с грузом.
У безмена две серьги подвеса и соответственно две шкалы
на длинном конце рычага. Подвижная гиря выполнена в
виде .бюста мальчика. Шкалы снабжены зарубками для
более точной установки гири. Весы сделаны так, что вто-
рая шкала несколько перекрывает первую и служит ее
продолжением. Чувствительность этого безмена около
9 граммов.
У древних римляи также были равноплечие весы с
передвижным грузом вместо гирь — прототип современ-
ных рейтерных весов.
Когда Римская империя распространила свое влияние
на Запад, римские весы проникли в европейские страны.
ГЛАВА 2
«ВЕСЫ МУДРОСТИ».
КАК РОБЕРВАЛЬ ИЗОБРЕЛ,
А ПУАНСО ПОНЯЛ...
После распада Римской империи и в долгие средние
века в европейских странах не было сделано каких-либо
усовершенствований весов. В VIII — IX веках и. э. при
Карле Великом в Европе был в ходу безмен, у которого
13
одно плечо имело тяжелый противовес, другое — крюк
для груза, а подвес был сделан в виде шнуровой петли.
Для установления равновесия нужно было передвигать
вдоль рычага шнуровую петлю. Этот безмен был прими-
тивным, грубым и значительно менее точным, чем рим-
ский.
В эту эпоху дальнейшее усовершенствование весов
было достигнуто арабами. Они изучали работы древних
греков и сами много и успешно разрабатывали теорию
весов. При изучении условий равновесия равноплечего и
неравноплечего рычагов арабы в отличие от геометриче-
ского метода древних греков применили алгебраический.
Они построили равноплечие коромысловые весы, обла-
давшие замечательной по тем временам точностью —
около 5 миллиграммов.
В 1121 г. Алькгацини изготовил гидростатические ве-
сы, предназначенные для определения удельных весов
металлов, и назвал их «весами мудрости». Определение
удельного веса с их помощью, так же как и на гидроста-
тических весах Архимеда, производилось взвешиванием
грузов в воздухе и в воде. Замечательна точность изме-
рений, достигнутая Алькгацини. Полученные им значения
удельных весов золота и ртути отличаются от современ-
ных значений лишь на доли процента. Обладая такой
точностью, «весы мудрости» позволяли отличать чистые
металлы от сплавов, драгоценные камни от поддельных.
Работы археологов позволили нам узнать, какими бы-
ли весы в Древней Руси. Близ Переяславля-Залесского
археологи открыли городище, относящееся к X—XI ве-
кам н. э. В нем они нашли равноплечие ручные весы и
гири. При раскопках в старой Рязани были найдены не-
равноплечие весы. Этот безмен сделан из железа и пред-
назначен для взвешивания тяжелых предметов. По куль-
турному слою, в котором он был обнаружен, археологи
отнесли его к XII—XIII векам н. э.
В «Царственном летописце»—летописи XII века —
есть миниатюра, на которой изображена продажа меда
(рис. 5). На переднем плане рисунка видны тяжелые
большегрузные весы. Прямое коромысло этих весов
укреплено на массивном крюке. Массивные прямые ча-
ши подвешены к концам коромысла на проволоках. На
одной чаше стоит гиря, на другой жбаи с медом.
Таким образом, в Древней Руси в ходу были равно-
плечие весы и безмены. Одни из них использовались для
более точного взвешивания небольших грузов (драгоцен-
ных металлов, монет), другие — для более грубого взве-
шивания тяжелых грузов (различных продуктов).
Рис. 5, Новгородские равноплечие коромысловые весы.
Ученые Древнего Мира интересовались вопросами
чувствительности и точности весов. При этом они рас-
сматривали условия равновесия прямолинейного и неве-
сомого рычага. В последующие тысячу с лишним лет, в
так называемые средние века, в отношении теории весов
ничего нового сделано не было. С- XI — ХШ веков,—
в эпоху Возрождения — в Европе вновь появляются ори-
гинальные теоретические и технические исследования.
В последующие века наука и техника развиваются все
15
больше и внимание многих ученых обращается к вопро-
сам взвешивания.
Изучая весы, Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.)
рассмотрел важную в техническом отношении задачу о
равновесии рычага весомого и иепрямолинейного.
Он же изобрел и построил циферблатные весы, пока-
зания которых оставались правильными даже тогда, ког-
да они стояли наклонно.
Рис. в. Схема весов Роберваля.
В 1669 г. в Парижской академии ндук Роберваль про-
демонстрировал изобретенные им настольные весы, отли-
чавшиеся тем, что их показания не зависели от того, на
какое место чашек был положен груз. Эти весы (рис. 6)
состояли из четырех реек АБ, БВ, ВГ и ГА, скрепленных
шарнирами. Горизонтальные рейки Д и Е шарнирно сое-
динялись в средних точках с неподвижной опорой ДО.
К вертикальным рейкам были прикреплены чашки ве-
сов ЖЗ и ИК. Легко видеть, что рейки образуют парал-
лелограмм, и при любых наклонах реек АБ и ГВ рейки
АГ и БВ сохраняют вертикальное положение, а чашки ве-
сов ЖЗ и ИК — горизонтальное. Роберваль показал, что
равновесие этих весов зависит лишь от равенства грузов
Р и Т и не зависит от того, на какие точки чашек весов
они действуют.
Полное, строгое и очеяь изящное решение этой задачи
было дано в XIX веке Луи Пуансо (1777—1859 гг.), ко-
торый показал, что смещение груза от середины чашки
16
Рис. 7. Решение
задачи о равнове-
сии весов Робер-
валя, предложен-
ное Пуансо.
весов создает боковое давление на опору, но не меняет
величины вертикальной силы. Для доказательства Пуан-
со предложил (рис. 7) к точке Л, где чашка скреплена с
вертикальной рейкой, мысленно прило-
жить еще две силы Р\ и Р?, равные по ве-
личине весу груза Р и направленные в
противоположные стороны.
Поскольку эти силы равны по величи-
не и противоположно направлены, то вве-
дение их ие нарушает равновесия весов,
и, таким образом, вполне правомочно.
Однако теперь силу Р можно заменить
силой Pi и парой сил P2P, но последняя
не вызывает отклонения весов, а лишь
создает боковое давление на опору; сила
Pi равна весу груза Р и приложена в се-
редине чашки (Л). Таким образом, смещение груза
меняет боковое давление, по не изменяет показания ве-
сов.
После ряда усовершенствований весы этого типа ста-
ли одними из самых распространенных настольных весов
XIX и начала XX века.
ГЛАВА 3
ВЕСЫ ПЛАТФОРМЕННЫЕ, АВТОМАТИЧЕСКИЕ
И ГАММА-ЛУЧЕВЫЕ БЕСКОНТАКТНЫЕ
В XVIII веке бурное развитие промышленности и тор-
говли побудило конструкторов искать пути для создания
специальных типов весов, каждый из которых предназна-
чался бы для какой-либо одной определенной цели, на-
пример для взвешивания очень больших грузов, отвеши-
вания определенных порций сыпучих тел и т. д. Отказ от
универсализма и использование некоторых новых принци-
пов измерения веса позволили создать ряд оригинальных
и высокоэффективных типов весов.
Рассмотрим несколько изобретений такого рода. В на-
чале XVIII века для взвешивания повозки с грузом ис-
пользовали огромный безмен. Повозку с грузом поднима-
ли на массивных цепях с помощью ворота и подвешивали
к короткому плечу безмена. Другое плечо безмена нагру-
жали тяжелыми гирями. Нужно ли говорить о том, что
17
такое взвешивание отнимало много времени и труда?
Кроме того, при взвешивании с увеличением веса груза
требовалось все более увеличивать размеры безмена и
вес гирь. Как преодолеть эти трудности?
Около 1741 г. плотник из Бирмингема Джон Вайатт
разработал и изготовил большегрузные платформенные
весы. В отличие от равноплечих весов и безмена, в кото-
рых использовался один рычаг первого рода, в платфор-
менных весах Вайатта была применена система из не-
скольких рычагов первого и второго рода, соединенных
между собой. Это позволило получить между большой
грузовой платформой и маленькой платформой для гирь
передаточное отношение 1 :20, т. е. вес гнрь был в 20 раз
меньше веса груза. Эти весы предназначались для взве-
шивания нагруженных повозок; они устанавливались в
котловане так, что их платформа размещалась вровень с
поверхностью земли. Воз с грузом мог просто въехать на
платформу весов. Никаких подъемных механизмов для
этого не требовалось. Весы Вайатта имели несомненные
достоинства и в XVIII веке получили большое распрост-
ранение.
К концу XIX века и особенно в XX веке получают рас-
пространение багажные железнодорожные весы — деся-
тичные и сотенные, т. е. с передаточными отношениями
1 : 10 и 1 : 100.
Появляются багажные и торговые весы с печатающим
аппаратом.
Простой и удобный печатающий аппарат для весов
был изобретен Шамеруа в 1877 г. В этом аппарате гиря
по коромыслу передвигалась до установления равнове-
сия. С нижней стороны коромысла располагались рель-
ефные стальные цифры. В гире имелось отверстие, в кото-
рое вкладывался билет из картона. Нажатием ручки циф-
ры выдавливались на билете.
В начале XX века входят в практику платформенные
весы различных видов: десятичные медицинские весы для
взвешивания людей, платформенные весы большего раз-
мера с бортами для взвешивания живого скота. Для
взвешивания нагруженных железнодорожных вагонов
были разработаны платформенные весы грузоподъемно-
стью в 40 и более тонн. Платформенные весы тем больше,
чем больше груз. Поэтому платформенные весы для взве-
шивания железнодорожных вагонов н паровозов получи-
лись чрезвычайно тяжелыми и громоздкими.
18
А как быть, если нужно определять вес еще более тя-
желых объектов, например самолетов? Стало очевидным,
что, по крайней мере, для взвешивания больших грузов
возможности обычных методов почти исчерпаны.
На протяжении тысячелетий для взвешивания приме-
нялся рычаг: равноплечий и неравноплечий. В наше вре-
мя он широко используется как в различных большегруз-
ных, так и в тончайших аналитических весах, .Между тем
для взвешивания могут служить упругие свойства тел, и
этот метод определения веса тел имеет свои особые пре-
имущества. Поэтому в нашем XX веке наряду с рычаж-
ными весами все большее распространение получают ве-
сы, основанные на использовании различных упругих эле-
ментов.
Упругий элемент, например стальная пластинка, под
действием тяжести деформируется: сжимается, растяги-
вается или изгибается, В некоторых пределах величина
этой деформации пропорциональна приложенной наг-
рузке. Предварительно проградуировав упругий элемент,
можно по величине его деформации определить вес груза.
Одним из таких приборов является динамометр. Для
нагрузок в единицы и десятки килограммов и измерений с
относительно небольшой точностью он выполняется в ви-
де стальной пластинки, механически связанной со стрел-
кой-указателем. Составной частью динамометра явля-
ется также проградуированная шкала.
При взвешивании больших грузов, вес которых дости-
гает сотен, тысяч и десятков тысяч килограммов, исполь-
зуют стальные бруски диаметром от 1 до 20 см и высотой
10—25 см. Даже при большой нагрузке деформация таких
стальных брусков получается относительно небольшой.
Например, если к стальному бруску длиной 20 см и диа-
метром 3 см приложить нагрузку в 10 т, то его длина
изменится лишь на 0,14 мм. Таким образом, его относи-
тельная деформация составит лишь 0,07%.
То, что при взвешивании больших грузов, например
железнодорожных вагонов, деформация упругого элемен-
та мала, очень удобно с точки зрения самой процедуры
взвешивания, так как большой груз не нужно поднимать
или опускать и можно определять вес железнодорожного
вагона даже во время- его движения. Однако это же
обстоятельство (относительно малая деформация упруго-
го элемента) очень затрудняет достижение высокой точ-
ности взвешивания.
19
С этой трудностью удалось справиться путем исполь-
зования одного из электрических методов измерения ма-
лых деформаций. Этот метод основаи на том, что элект-
рическое сопротивление металлической проволоки меня-
ется при ее растяжении или сжатии. Технически эта идея
реализуется так: очень тонкую металлическую проволо-
ку укладывают рядами и наклеивают на тонкую подлож-
ку, например папиросную бумагу. Такое устройство назы-
вается тензометрическим датчиком. В некоторых преде-
лах электрическое сопротивление тензометрического
датчика изменяется пропорционально его деформации.
Это облегчает измерения и способствует повышению их
точности.
Для измерения деформации отдельных деталей какой-
либо нагруженной конструкции тензометрические датчи-
ки наклеивают иа эти детали, а концы их обмоток пооче-
редно соединяют с соответствующим электрическим изме-
рительным прибором. В силоизмерительных приборах
тензодатчики наклеивают на упругий элемент, а концы
обмоток подводят к электрическому измерительному при-
бору, проградуированному в единицах веса. Использова-
ние такого электрического метода измерения неэлектри-
ческой величины (упругой деформации) позволяет полу-
чить вполне удовлетворительную точность результата
измерений.
При использовании сплошного стального бруска и
лишь одного тензодатчика чувствительность динамомет-
ра оказывается относительно небольшой, а наличие зави-
симости упругости стального цилиндра и электрического
сопротивления проволоки от температуры делает отсчет
таких весов в некоторой мере неоднозначным. Поэтому
^современных конструкциях таких динамометров силоиз-
мерительный элемент выполняется в виде полого стально-
го цилиндра и на этот цилиндр наклеивается не один, а
8 тензодатчиков: 4 вдоль оси цилиндра и 4 в поперечном
направлении. Когда прикладывается нагрузка и цилиндр
сжимается, то электрическое сопротивление первой груп-
пы тензодатчиков (наклеенных в продольном направле-
нии) уменьшается, в то же время сопротивление тензо-
датчиков второй группы повышается. И те и другие тензо-
датчики включаются в разные плечи мостика Уитстона
так, что при ненагружепном цилиндре мостик уравнове-
шен, а при нагруженном происходит его разбалансиров-
ка. При этом электрический измерительный прибор,
20
включенный в диагональ мостика и проградуированный
в единицах веса, дает соответствующее отклонение. Кро-
ме того, электрическая схема содержит специальные ре-
зисторы, с помощью которых осуществляется темпе-
ратурная компенсация и регулировка чувствительности
всего устройства (рис. 8), В лучших современных прибо-
рах такого рода при изме-
нении температуры на
10°С показания прибора
изменяются ие более, чем
иа 0,025%.
Такие весы изготовля-
ются в различных конст-
руктивных вариантах и
на нагрузки от 200 кг до
100 т. Они используются
как бункерные, железно-
дорожные (для взвеши-
вания вагонов с грузом),
навесные крановые, кра-
новые для жйдкого метал-
ла и т. д. По мере надоб-
ности (например, при
взвешивании самолетов)
груз помещается иа не-
сколько силоизмерителей,
показания которых сум-
Р и с. 8. Электрическая схема весов с
тензодатчиками, включенными в раз-
ные плечи мостика Уитстона:
г .и гп — тензодатчики, наклеенные
соответственно в продольном и попе-
речном направлениях;/^ — резистор для
температурной компенсации; и г? —
резисторы, которыми соответственно ре-
гулируются чувствительность и входное
сопротивление схемы; И — источник
питания; ИП — измерительный прибор,
проградуированный в единицах веса.
мируются.
В последнее десятилетие существенный прогресс был
достигнут в устройстве регистрирующей части таких ве-
сов. В некоторых современных конструкциях имеется
блок для непрерывной обработки результатов измерений.
Такие весы позволяют определять и записывать вес мате-
риала, движущегося по конвейеру, причем не только в
каждый данный момент, но и за тот или иной заранее
заданный промежуток времени. Имеются весы, показа-
ния которых выведены на светящееся цифровое табло.
Для литейного производства были построены весы,
которые в виде светящихся цифр показывают вес нетто
жидкой стали, находящейся в ковше в процессе разливки.
Кроме того, соответствующие показания веса стали отме-
чаются самописцем так, что весь процесс литья фиксиру-
ется на ленте. Эти весы имеют диапазон измерений до
30 7, а минимальная разность веса, отмечаемая ими, со-
21
ставляет 30 кг. Так как эти весы все время указывают вес
стали в ковше, то литейщик может добиться значительно
более точной разливки металла. Опыт показал, что это
резко увеличивает экономию металла, повышает произ-
водительность труда и рентабельность производства.
В XX веке в технике и промышленности все больше
применяют различные весовые автоматы. Их используют
для развески чая, зерна, крупы. Автоматы дозируют ра-
бочую смесь в химической, пищевой и строительной про-
мышленностях. Они могут быть прерывного и непрерыв-
ного действия. Автоматические весы прерывного действия
обычно работают так, что рабочий сосуд постепенно на-
полняется взвешиваемым материалом, а по достижении
Рис. 9. Схема гамма-лучевых весов.
нужного веса опорожняется, затем снова наполняется
и т. д. В автоматических весах непрерывного действия по
весу контролируется скорость подачи того или иного ма-
териала. В некоторых случаях автоматические весы непо-
средственно включаются в производственный процесс как
одна из частей поточной линии.
Вплоть до середины XX века все типы весов были та-
кими, что для взвешивания требовался непосредственный
контакт груза с весами: груз нужно было класть на чаш-
ку, подвешивать к крюку или ставить на динамометры.
В 50—60-х годах XX века удалось создать бесконтакт-
ные весы, в которых использовано гамма-излучение ра-
диоактивных элементов. Действие этих весов основано
на том, что при прохождении гамма-квантов через веще-
22
ство их интенсивность уменьшается пропорционально ве-
су тела. Гамма-лучевые весы (рис. 9) состоят из источни-
ка радиоактивного излучения и счетчика гамма-квантов,
расположенных с разных сторон от взвешиваемого тела —
например песка, движущегося по транспортеру. Показа-
ния счетчика гамма-кваитов меняются в зависимости от
толщины слоя песка. Если скорость движения ленты
транспортера постоянна, то нетрудно сопоставить пока-
зания счетчика с весом песка и измерительный прибор
проградуировать непосредственно в единицах веса. Ис-
пользуя самописец, можно получить непрерывную запись
скорости подачи песка транспортером в течение всего
рабочего дня.
Однако при конструировании таких весов инженеры
пошли еще дальше: через коммутатор соединили счетчик
с дозатором. Это позволило по заданной программе осу-
ществить регулировку скорости подачи песка из емкости
в бункер. С помощью нескольких весов такого типа в бун-
кер можно засыпать ряд веществ в заданном количестве
и, следовательно, в нужной пропорции. При этом конт-
роль скорости их подачи осуществляется непрерывно и
бесконтактно.
ГЛАВА 4
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЕСЫ
XIX И XX ВЕКОВ
Теория весов разрабатывалась еще в древности. Одна-
ко античные ученые рассматривали весы как прямоли-
нейный невесомый рычаг и пользовались при этом зако-
нами статики.
В XVIII веке Леонард Эйлер (1707—1783 гг.), разра-
батывая теорию весов, рассматривал их как весомый
рычаг и пользовался законами динамики. Такой подход
позволил ему создать значительно более совершенную
теорию весов. Для определения чувствительности весов
Эйлер рассмотрел зависимость угла отклонения коро-
мысла от его длины и веса, от веса чашек весов, от рас-
стояния между центром вращения коромысла и его
центром тяжести и т. д. В результате им была получена
формула для зависимости угла отклонения коромысла от
различных конструктивных параметров весов. Оказалось,
23
что чувствительность весов тем больше, чем длиннее и
легче коромысло и чем ближе его центр тяжести к точ-
ке опоры.
В XVIII — XIX веках теоретическая механика получи-
ла дальнейшее развитие в работах Даламбера («Трактат
по динамике», 1743 г.), Лагранжа (1736—1813 гг.),Пуан-
со (1777—1859 гг.). Это позволило еще более усовершен-
ствовать теорию весов.
В конце XIX века Дмитрий Иванович Менделеев
(1834—1907 гг.), разрабатывая вопросы теории и конст-
рукции весов, от рассмотрения идеализированной модели
абсолютно твердого коромысла перешел к анализу прак-
тически более важного случая упругого, т; е. способного
изгибаться, коромысла. Это довольно важно потому, что
абсолютно твердых материалов и соответственно совер-
шенно жестких конструкций не существует, есть только
более или менее упругие. Даже наиболее жесткие конст-
рукции под нагрузкой слегка изгибаются. Затем он рас-
смотрел зависимость чувствительности и точности весов
от длины и веса коромысла, твердости опорных призм,
влияния состава, давления и температуры среды, в кото-
рой производится взвешивание. В результате этих работ
им были предложены различные конструктивные меро-
приятия, способствующие дальнейшему повышению чув-
ствительности-и точности весов,
Менделеев разработал также оригинальный метод
точного взвешивания, который используется и в настоя-
щее время.
Одной из основных причин погрешности весов являет-
ся неравиоллечность и деформация коромысла. Весы,
имеющие такие дефекты, будучи не нагружены, могут на-
ходиться в равновесии; если же на их чашки положить
равные грузы, то они отклонятся. Более того, при измене-
нии величины нагрузки и погрешность весов получается
различной. Конечно, тщательной подгонкой можно значи-
тельно уменьшить неравиоллечность коромысла и, подо-
брав наиболее удачную конструкцию, сделать коромысло
длинным, легким и в то же время жестким. Тогда весы
будут давать правильные или почти правильные показа-
ния при любой нагрузке. Однако сделать все это очень
непросто. Между тем отрегулировать весы так, чтобы они
давали правильные показания лишь при какой-то одной,
например максимальной, нагрузке, значительно легче,
даже если у весов несколько неравноплечее и слегка из-
24
гибающееся коромысло. Учитывая это, Менделеев пред-
ложил сделать весы, которые еще до начала взвешивания
максимально нагружены и именно для этого состояния
точно отрегулированы и уравновешены.
При работе с такими весами взвешиваемое тело уста-
навливается на одну из чашек, а затем с этой же чашки
снимаются гири. Прн достижении равновесия весы снова
оказываются одинаково и притом максимально нагру-
женными.
Следовательно, восстанавливается именно то положе-
ние, при котором они были отрегулированы. Таким обра-
зом, погрешность весов, связанная с неравноплечностью
коромысла и его изгибом, была устранена не лобовым
ударом, а изящным обходным маневром.
Ленинградский завод «Госметр» выпускает быстро-
действующие полумикроаналитические весы ОВМ-20, ра-
ботающие по методу Менделеева. На этих весах взвеши-
вание производится лишь на одном плече и при постоян-
ной нагрузке. В результате во всем диапазоне измерений
цена деления весов оказывается постоянной. Весы снаб-
жены оптической шкалой и нониусом. Цена деления опти-
ческой шкалы равна 0,1 мг/деление, а нониусного устрой-
ства — 0,005 мг!деление. Предельная нагрузка весов 20 г.
Время успокоения колебаний коромысла весов не более
30 сек, что в два-трн раза меньше, чем у обычных равно-
плечих весов такой же чувствительности.
Для многих научных и производственных целей очень
удобными оказались общелабораторные квадрантные
весы. Это одночашечные весы с рычагом, успокоителем и
проекционной шкалой для отсчета (рис. 10). Весы явля-
ются прямопоказывающими: для определения веса груза
гири накладывать не нужно. Магнитный успокоитель
этих весов быстро прекращает колебания рычага. Свето-
вой указатель с достаточно длинным путем луча позволя-
ет получить хорошую чувствительность.
Погрешность этих весов (для различных предельных
нагрузок) имеет величину от 0,01 до 0,003%. Обладая
достаточной для многих работ точностью и производи-
тельностью, весы этого типа получили большое распрост-
ранение в научной и производственной практике.
В XX веке развитие науки потребовало разработки
более совершенных весов, обладающих очень большой
чувствительностью и точностью. Были созданы лабора-
торные аналитические весы различных типов, при коист-
25
Рис. 10. Схема общелабораторных ве-
сов с проекционной шкалой:
/ — чашка весов; 2 — подушка, на ко-
торую опирается рычаг; 3 — рычаг;
4 —шкала прибора, через которую про-
ходит луч света; 5 — противовес; 6 —
магнитный успокоитель; 7 — стопорный
винт для закрепления механизма весов
при перевозке; 8 —поводок, удержи-
вающий стержень в вертикальном по-
ложении; 9 — регулировочный винт для
установки шкалы весов на нуль; 10 —
луч света; 11 — стержень; 12 — экран;
13 — встроенная гиря.
руировании которых приняты все необходимые меры для
повышения их чувствительности и точности.
В конце XIX и начале XX века аналитические весы де-
лали с равноплечим коромыслом и двумя чашками. В се-
редине XX века было разработано несколько моделей
аналитических весов с
неравноплечим коро-
мыслом н одной чаш-
кой (рис. И). Вместо
обычных накладных
гирь в таких весах ис-
пользуются встроенные
гири, выполненные в
виде колец разного ве-
са. По мере надобности
с помощью специаль-
ного механизма коль-
ца опускаются на серь-
гу весов. Оригинально
в этих весах и отсчет-
ное устройство. Так как
ко р о тка я стр елка-ука-
зательне обеспечивает
нужной точности при
отсчете, а длинная, да-
же будучи очень тон-
кой, заметно утяжеля-
ет подвижную часть ве-
сов, то конструкторы
совсем отказались от
используется световой
рычаг: на неподвижной части весов в соответствующих
местах укрепляются источник света, объектив и экран,
а иа подвижной части — проекционная шкала. Свет ис-
точника, пройдя через проекционную шкалу и объектив,
попадает на экран. При наклоне коромысла весов про-
екционная шкала смещается и соответственно сдви-
гается ее изображение на экране (см. рис. 11).
Так как световой рычаг невесом, то его длина, т. е. путь
луча, может быть сделана достаточно большой. Таким
образом, без заметного утяжеления подвижной части ве-
сов можно получить большую точность отсчета. Погреш-
ность таких весов не превышает 0,0001—0,0002%, т. е.
2 мг для 500-граммовых весов и 0,1—0,2 мг для 100-грам-
мовых.
:. Вместо нее
26
Для еще более тонких измерений были разработаны
микроаналитические и пробирные весы. При предельной
нагрузке в 20 а весы такого типа обеспечивают воспроиз-
водимость результатов с погрешностью до 5 мкг, т. е,
0,000025%.
Рис, И. Одноплечие аналитические весы с встроенны-
ми гирями и оптическим отсчетом:
7 — коромысло весов; 2 — противовес и успокоители;
3 — источник света; 4 — проекционная шкала; 5 —объек-
тип; 6 — коррекция нуля; 7 —экран; в — грузоприемная
чашка; 9 — набор гирь.
ГЛАВА 5
.	МИКРОВЕСЫ И УЛЬТРАМИКРОВЕСЫ.
ИДЕИ И КОНСТРУКЦИИ
В наше время заводы выпускают довольно широкий
ассортимент весов и инженер имеет возможность выбрать
из них те, которые по основным'параметрам: допустимой
нагрузке, чувствительности, точности, способу взиешнва-
ння и регистрации, больше всего подходят для нужной
ему цели. Научному работнику это удается сделать да-
леко не всегда. Если в его работе взиешиваиие ведется в
уже освоенных пределах нагрузок, чувствительности
и пр., то и он может воспользоваться весами заводского
изготовления. Если же хоть один из этих параметров
отличается от обычных, то приходится придумывать но-
вую конструкцию весов, а иногда и новый метод взвеши-
вания.
27
Так, например, когда был искусственно получен
трансурановый элемент плутоний, то ученые занялись
изучением его свойств. При этом, в частности, понадоби-
лось этот плутоний взвесить. Между тем, он был получен
в количестве, которое лишь немного превышало миллион-
ную долю грамма(!). Создавшуюся ситуацию Сиборг и
Вэленс * довольно красочно описывают так:
«Интересный аспект этой химической проблемы состо-
ял в том, что важнейшие эксперименты нужно было
производить с почти невидимыми количествами плу-
тония, с массами порядка одной десятимиллионной
доли уиции (1 унция = 28,3 грамма). Для этого при-
ходилось растворять небольшие количества материа-
ла в весьма малых количествах раствора, к примеру
в одной-единственной капле...
Весы и центрифуги, а также пробирки и колбы бы-
ли приспособлены для работы с мизерными (с була-
вочную головку) количествами вещества. В,., ультра-
микровесах используются для поддержки коромысла
и чашек кварцевые нити тоньше человеческого волоса,
и химики иногда говорили, что им приходилось взве-
шивать невидимые образцы на невидимых весах».
Такого рода ультрахимические эксперименты прово-
дились, в частности, и при разработке методов выделения
плутония.
Рассмотрим несколько наиболее интересных типов
микровесов и ультрамикровесов, уже выпускаемых заво-
дами, а также несколько может быть еще более интерес-
ных уникальных весов, созданных учеными для решения
тех или иных специальных задач.
Использование упругих элементов оказалось весьма
плодотворным ие только при взвешивании больших гру-
зов, но и при измерении веса небольших объектов с высо-
кой чувствительностью и точностью. При этом упругий
элемент делают уже не в виде стального бруска, а в виде
очень тонкой нити из металла или плавленого кварца. Та-
кие-весы получили название торзионных. Типичная их
конструкция представляет собой коромысло, подвешенное
иа тонких упругих нитях (рис. 12). При этом нити выпол-
* Сиборг Г. Т., Вэленс Э. Г. Элементы Вселенной. Пер. с англ.
М„ «Наука», 1966.
28
Р и с. 12. Схема весов Донау:
/ — рама весов; 2 — коромысло; 3 —
нити подвесов; 4 — торзионная нить;
5 —указатель; б —демпфер; 7 —
шкала.
няют двойную роль: служат опорой коромыслу и осью его
вращения. Чем чувствительнее весы, тем больше требует-
ся времени для успокоения нх качаний. В весах такого
типа, разработанных Донау для того, чтобы быстрее
прекратить качания, применен воздушный демпфер
(успокоитель). Он сделан в
виде диска, расположенного
.внутри полого цилиндра.
Конструкция этих торзи-
онных весов отличается от
многих других хорошо про-
думанной простотой.- Весы
Донау рассчитаны на пре-
дельную нагрузку 4 мг, их
абсолютная чувствитель-'
ность доведена до 3,3-10~8 г.
Таким образом, они позволя-
ют взвешивать с точностью
до стотысячных долей ве-
са груза (т. е. имеют отно-
сительную чувствительность
105).
При взвешиваиии столь
малых грузов с такой боль-
шой точностью нагружение
чашек весов гирьками н
уравновешивание коромысла
представляет отнюдь не про-
стую операцию. Конечно,
вместо того, чтобы класть
гири на чашку весов, можно
навешивать на коиец коро-
мысла кольца определенного
веса (см. рис. 11). Вместо обычной стрелки-указателя,
утяжеляющей коромысло весок, можно применить «све-
товой рычаг», т. е. осветитель, зеркальце и отнесенную на
некоторое расстояние шкалу. Эти и множество других
усовершенствований коромысловых весов давно приду-
маны н реализованы, но позволили справиться с указан-
ными трудностями лишь отчасти.
Когда ученым понадобилось взвешивать очень ма-
ленькие грузы с большой точностью, то некоторые нз ис-
следователей вместо того, чтобы заказывать какой-ни-
будь фирме нужные им весы или усовершенствовать име-
29
ющиеся, сами придумывали новые. Так, например,
Сальвиони сделал весы (рис. 13), которые представляют
собой очень тонкий стеклянный стержень 3, один конец
которого укреплен в зажиме 4, а к другому подвешена
чашечка для груза 2 и прикреплена рамка 1 с натянутой
на ней паутинкой. Отсчет веса ведется по положению
паутинки с помощью микроскопа с окулярной шкалой.
/ — визир; г-чашка для образца; 3 —упругий стержень; 4 —за>
жим для стержня.
На этих весах, в частности, измерялась скорость испаре-
ния мускуса. Для этого в чашечку был помещен образец,
а отсчеты веса брались через определенные промежутки
времени.
Великолепна простота конструкции этих весов. Поду-
майте, что оии напоминают? Удилище. Самое обычное
удилище, с которым рыбак сидит на берегу речки. Навер-
ное уже многие столетия десятки тысяч рыбаков радостно
наблюдали, как иногда их удилище изгибается под тя-
жестью большой рыбы. Многим ли из них пришло в голо-
ву построить на этой основе чувствительный метод взве-
шивания?
Предельная нагрузка и чувствительность таких весов
зависят от толщины и длины стерженька и могут быть
выбраны в зависимости от требований. Однако интервал
измеряемых нагрузок в таких весах существенно ограни-
чен допустимой величиной изгиба стерженька. Причем
дело не только в том, чти при значительном изгибе он мо-
жет сломаться. Значительно раньше этого угол изгиба
стержня перестает быть прямо пропорциональным ве-
личине приложенной нагрузки, а это очень затрудняет
измерения и резко снижает их точность.
30
Сиборг это учел и для своих очень тонких химических
исследований трансурановых элементов построил весы
(рис. 14), в которых упругая нить 3 одним концом укреп-
лена в подвижном зажиме 4. Поворот этого зажима поз-
воляет компенсировать вес чашки для груза, а, если это
нужно, то и начальный вес образца, при этом увеличива-
ется интервал измеряемых нагрузок и возрастает чувст-
вительность измерений. Наконец, с помощью этого же
/ — арретир; 2 —чашечка для груза; 3 — упругая нить;
4 — подвижный зажим,
поворотного зажима можно при взвешивании разных гру-
зов выводить свободный конец упругой нити в горизон-
тальное положение и таким образом все время работать
в области упругих деформаций, т, е. строго прямой про-
порциональности между изгибом и величиной нагрузки.
Прн всей их простоте-эти весы имеют область взвешива-
ния от 0,02 до 20 мкг при предельной нагрузке до 0,5 мг,
а их относительная чувствительность достигает 2,5-104.
Между тем торзионные нити и при деформации круче-
ния в определенных пределах подчиняются закону Гука,
т. е. у них сохраняется прямая пропорциональная зависи-
мость между углом их закручивания и приложенной си-
лой. Это обстоятельство делает возможным и удобным
использование для взвешивания упругой силы, возника-
ющей при кручении.
Такая идея оказалась плодотворной и была использо-
вана в некоторых конструкциях микровесов. Так, напри-
мер, на весах, разработанных Кирком, Крейгом, Гульбер-
гом н Боейром (рис. 15), взвешивание тел, вес которых
31
меньше 3-10“4 г, проводится без помощи гирь, а лишь по
закручиванию нити, упругая сила которой возвращает
коромысло весов в равновесное положение. Между тем
если вес груза оказывается больше указанного выше зна-
чения, то часть веса груза уравновешивается гирькой,
а остальная — упругой силой закрученной нити. Столь
остроумная комбинация двух способов взвешивания, т. е.
Рис. 15. Схема весов Кирка, Крейга, Гульберга и
Боейра:
/ — нить визира; 2~ коромысло; 3 — торзионные нити;
4 — натяжная пружина; S — подвески для грузов; б — но-
ниус; 7 — отсчетный лимб.
с помощью гирь и упругого элемента, позволила довести
предельную нагрузку этих весов до 0,2 г и в то же время
вести взвешивание с абсолютной чувствительностью
5-10-9 г. Таким образом, при сравнении веса двух образ-
цов или образца и гири относительная чувствительность
взвешивания была доведена до 4-Ю7. Легко видеть, что
таким образом по сравнению с описанными ранее типами
весов была достигнута в сотии раз лучшая чувствитель-
ность измерений.
Между тем совершенно особые возможности перед
конструкторами весов открывает применение некоторых
электрических, фотоэлектрических и электронных мето-
дов. Первые попытки в этом направлении делались не-
скольку десятков лет назад и состояли в присоединении к
обычным аналитическим коромысловым весам различных
32
электрических и фотоэлектрических приставок. Это было
немного похоже на то, как на заре развития автомобиля
двигатель ставили на экипаж (предварительно отстегнув
от него лошадей). Однако и такие конструкции весов
оказались в некоторых отношениях удобными и полезны-
ми. В наше время созданы конструкции электрических и
электронных весов, обладающие исключительно высоки-
ми параметрами. Рассмотрим некоторые из них.
Рис, 19. Схема автоматических весов Крюгера и Бридена:
/ — осветитель (лампа, линза и диафрагма); 2 — конденсор; 3 —зер-
кальце; 4 — дифференциальный фотоэлемент; 5 — сердечник; 6 — ка-
тушка; 7 — электронная схема; S — измерительный прибор; 9 — само-
писец.
В весах Крюгера и Брндеиа (рис. 16) имеется чашка
для взвешиваемого тела, но иет чашки для гирь, нет
стрелки-указателя и нет демпфирующей'пластинки для
успокоения качаний коромысла. Все эти функции выпол-
няют несколько электрических блоков. Эти весы состоят
из коромысла, к одному концу которого подвешена чашка
для груза, а к другому — стальной сердечник 5, вдвину-
тый в катушку 6, укрепленную на неподвижной части ве-
сов, Кроме того, на неподвижной части весов расположе-
ны: осветитель с объективом и диафрагмой 1 и конден-
сор 2, создающие узкий пучок света, а на коромысле ве-
сов укреплено зеркальце 3. Пучок света от осветителя, от-
2-125
33
ражаясь от этого зеркальца, попадает на дифференциаль-
ный фотоэлемент 4. При этом освещенность фотоэлемента
зависит от угла наклона зеркальца 3. Важная часть этих
весов — электронная схема 7, к входу которой подключен
дифференциальный фотоэлемент, а на выходе стоят реги-
стрирующие приборы: стрелочный 8 и самописец 9.
В данном устройстве используется не совсем обычный
фотоэлемент, а так называемый дифференциальный. По
существу, дифференциальный фотоэлемент представляет
собой два фотоэлемента, включенные навстречу друг
другу так, что результирующая сила тока равна разно-
сти токов, вырабатываемых каждым из них. Таким обра-
зом, когда они освещены одинаково, на нх выходе тока
нет. Если один из них освещен сильнее, чем другой, то ток
есть. Направление этого тока зависит от того, какой фо-
тоэлемент освещен сильней.
Когда коромысло под тяжестью груза отклоняется, то
дифференциальный фотоэлемент дает ток. В усилитель-
ной части электронной схемы ток усиливается и по-
дается-на катушку весов. При этом в катушке создается
магнитное поле, которое втягивает сердечник и, таким
образом, заставляет коромысло весов возвратиться в го-
ризонтальное положение. Регулировать от рукн силу то-
ка в катушке нет нужды, так как это делает электронная
схема. Ведь до тех пор, пока коромысло не займет гори-
зонтальное положение, фотоэлемент продолжает выда-
вать сигнал разбаланса. Таким образом, вместо наложе-
ния гирь — операции при точном взвешивании очень кро-
потливой и долгой, — весы уравновешивает электромаг-
нит, управляемый электронной схемой.
Оригинален в этих весах и отсчет показаний. Так как
сила тока в катушке электромагнита пропорциональна
весу груза, то отсчет веса производится путем измерения
силы этого же тока. Делается это с помощью чувстви-
тельного электрического измерительного прибора, шкала
которого проградуирована в единицах веса. В этих весах
вопрос об успокоении качаний нх коромысла решен
также оригинально и удачно. Обычно, чем весы чувстви-
тельнее, тем труднее добиться успокоения их качаний и
тем больше требуется для этого времени. В этих весах
отдельный демпфер отсутствует. При качании весов диф-
ференциальный фотоэлемент подает на электронную схе-
му соответствующие сигналы тока. Отдельный блок этой
схемы их перерабатывает, усиливает и направляет в ка-
84
тушку электромагнита. Переработаны они так, что в ка-
тушке электромагнита создается добавочная сила, пре-
пятствующая качаниям коромысла. Такая система успо-
коения работает быстро и эффективно.
С помощью электрических весов удобно и относитель-
но просто решаются такие вопросы, как непрерывная
запись показаний различными самописцами, передача
результатов измерений на расстояние, вывод отсчета на
светящееся цифровое табло и т. д.
В некоторых странах конструкторы разработали очень
чувствительные и точные электрические весы. Например,
в ультрамикровесах фирмы «Бэкман инструменте»
(США), разработанных в конце шестидесятых годов
XX века, при предельной нагрузке в 50 а воспроизводи-
мость показаний не хуже 20 мкг, а погрешность измере-
ний не превышает 50 мкг, т. е. 0,0001 %.
Если вы еще раз посмотрите на конструкцию весов
Крюгера и Бридена (см. рис. 16), то увидите, что авторы
этого прибора, столь умело использовавшие современную
электронную технику, все же не расстались с традицион-
ным коромыслом весов. Между тем как раз коромысло
является источником большей части погрешности весов.
Точность взвешивания значительно снижают неравно-
плечность коромысла и его изгиб. Если же коромысло
делают достаточно жестким, то оно оказывается не
очень легким, а это ограничивает чувствительность
весов.
Между тем возможен и такой вопрос: не лучше ли
вместо того, чтобы преодолевать трудности, связанные
с наличием коромысла, попытаться обойтись без него?
В своей конструкции весов Кларк отказался от коро-
мысла. Более того, он обошелся и без механического под-
веса груза. В этих весах (рис. 17) применен электромаг-
нитный подвес всей подвижной части прибора. Все сде-
лано продуманно, надежно и просто. Электромагнит 1
имеет две обмотки: одна создает постоянное магнитное
поле, удерживающее подвижную часть прибора; другая
обмотка служит для создания дополнительной силы, не-
обходимой для удержания подвижной части в нужном по-
ложении, как при ненагруженной, так и при нагруженной
чашке весов.
Когда весы включены, то железный якорек 2 притяги-
вается электромагнитом 1. Шнрма 3 отчасти прикрывает
оба фотоэлемента, образующие вместе так называемый
2’
3S
дифференциальный фотоэлемент 4. Чашка 5 служит для
помещения образцов. Диск в масляиой ванне 6 использу-
ется в качестве демпфера. При нагружении весов стер-
жень с ширмой и чашкой несколько опускается. Это ме-
няет освещенность фотоэлементов и вызывает разбаланс
электронной схемы. Прн этом электронная схема выраба-
тывает электрический ток и подает его в дополнительную
обмотку электромагнита»
Рис. 17. Схема весов Кларка:
/ — электромагнит; 2 — железный
якорек со стержнем; 3 —ширма;
4 — фотоэлементы; 5—-чашка для
образца; 6 — демпфер.
а электромагнит подтяги-
вает стержень вверх и воз-
вращает его в нужное по-
ложение.
Для получения отсчета
на весах, так же как и в
описанных выше, исполь-
зуется электрический ток,
вырабатываемый элект-
ронной схемой. Такие ве-
сы при предельной нагруз-
ке в 10 г имеют чувстви-
тельность 1 At/ca, т. е. отно-
сительную чувствитель-
ность 107. Это в 10 раз
более высокая чувстви-
тельность, чем у электри-
ческих коромысловых ве-
сов «Бэкман инструменте».
Описанные выше типы
весов далеко не исчерпы-
вают различные методы
взвешивания, а тем более
огромное разнообразие их конструкций. Известны весы,
в которых вместо гирь или торзионной нити для уравно-
вешивания груза используется шарик, передвигаемый по
коромыслу из одной ложбинки в другую. Есть весы, в ко-
торых груз уравновешивают с помощью цепочки, которая
одним концом прикреплена к краю коромысла, а дру-
гим— к стоящему рядом барабану. Весы уравновешива-
ются при сматывании или наматывании этой цепочки.
Очень оригинальные, ио не очень удобные весы были
построены па основе использования электролиза. В таких
весах при отклонении коромысла в ту или другую сторо-
ну растворяется или наращивается серебряный электрод,
помещенный в электролитическую ваниу, и таким обра-
зе
зом достигается возвращение коромысла в горизонталь-
ное положение.
Значительно более удачным оказалось применение
дифференциального трансформатора. В весах с диффе-
ренциальным трансформатором к одному плечу коро-
мысла подвешена чашка для груза, а к другому —
стальной сердечник. Этот сердечник расположен внутри
трансформатора с тремя обмотками. Средняя обмотка
питается переменным током. Две крайние имеют- одина-
ковое число витков и включены навстречу друг другу.
Следовательно, когда сердечник находится точно посере-
дине, то в крайних обмотках возникают электродвижу-
щие силы одинаковой величины и разного знака; а на
выходе трансформатора сила тока оказывается равной
нулю. Между тем при наклоне коромысла весов и соответ-
ствующем смещении сердечника -в трансформаторе воз-
никает ток разбаланса, который используется для возвра-
щения коромысла в горизонтальное положение и для
отсчета веса груза. В разных вариантах такой метод из-
мерений успешно применяется во многих конструкциях
весов.
В некоторых конструкциях весов взвешивание основа-
но на изменении электрической емкости конденсатора,
одна обкладка которого соединена с коромыслом весов,
а другая — с неподвижным штативом. Изменение емко-
сти такого конденсатора, происходящее при повороте по-
движной части весов, измеряют электрическими прибора-
ми с очень большой точностью.
Различных типов и конструкций весов было придума-
но столь много (в том числе остроумных и удачных), что,
казалось бы, придумать еще что-то новое, а главное луч-
шее, уже нельзя. Однако, когда понадобилось взвешивать
атомы, а затем и те частицы, из которых состоят атомы,
то старые методы оказались непригодными и были приду-
маны новые. Но об этом речь дальше.
ГЛАВА 6
ПШЕНИЧНОЕ ЗЕРНО
И ЕДИНИЦЫ ВЕСА
Теперь мы коротко рассмотрим путь развития, который
'прошли весовые единицы от древнего времени до наших
диен, а также н те неожиданности, с которыми встретн-
37
лись ученые при выработке и усовершенствовании систе-
мы единиц.
В самой глубокой древности деньгами служили раз-
личные предметы. У некоторых племен Азии, Африки,
Океании в качестве денег применялись раковины каури,
на Новой Гвинее — каменные топоры. В Древием Китае
определенную меновую стоимость имели бронзовые ко-
локольчики и куски нефрита, в Индии — жемчужины.
На острове Борнео деньгами служили коровьи черепа, а
на Соломоновых Островах — черепа человеческие.
В Древней Греции и Древней Италии основной меновой
единицей был скот: коровы, быки, свиньи.
Постепенно эти виды денег были вытеснены металли-
ческими деньгами: железными, медными, серебряными и
золотыми. Такие деньги имели вид брусков, колец, полу-
колец, слитков.
В VII веке до н. э. в Лидии (Малая Азия) стали вы-
пускать металлические деньги с государственным клей-
мом, которое удостоверяло их доброкачественность. Это
уже была металлическая монета.
Денежные единицы древнего мира в большинстве слу-
чаев совпадали с весовыми. Нередко в оплату за товар
продавец принимал деньги просто по весу металла. Та-
ким образом, исследование монет древних народов позво-
ляет изучить их весовые единицы.
При археологических раскопках найдено множество
монет и гирь, принадлежавших древним народам, а так-
же обнаружены надписи, в которых упоминаются раз-
личные единицы веса. Все эти монеты и гири ныне систе-
матизированы и тщательно взвешены, а надписи проч-
тены и изучены.
При изучении древннх гирь и монет удалось устано-
вить, что в основе самой древней из известных нам сис-
тем весовых единиц — древневавилонской — лежит вес
одного хлебного зерна {грана). Вес 60 зерен составляет
1 шекель, 60 шекелей— 1 мину, 60 мин—1 талант.
В Древнем Вавилоне одновременно в ходу были три типа
мины: одна для взвешивания продуктов, другая для
взвешивания серебра и третья для взвешивания золота.
По современным измерениям обычная, или «весовая»,
мина составляла 491,2 грамма, «серебряная»-—545,7
грамма, «золотая»—409,3 грамма.
В Древнем Египте основными единицами веса были
кедет н равный 10 кедетам дебен. В ходу были гири в
38
1; 27г; 5; 10 и 50 кедет. По современным измерениям,
вес 1 дебена соответствует 90,96 грамма.
Археологами обнаружены древнеегипетские надписи,
в которых вес исчисляется ие только в кедетах и дебенах,
но и в вавилонских единицах — минах. Впрочем, древние
египтяне не только знали вавилонские меры веса, но и в
некоторой мере согласовывали с ними свои весовые еди-
ницы. Так, например, вес 60 кедет довольно часто и особо
отмечается в древнеегипетских документах. Но вес 60 ке-
дет соответствует 545,8 грамма, что составляет как раз
одну вавилонскую «серебряную» мину.
Древнеегипетская и ассиро-вавилонская весовые си-
стемы послужили основой для весовых единиц других
древиих народов. Основная единица веса древних персов,
по современным измерениям, составляет 502,2 грамма,
что близко к вавилонской «весовой» мине. От персов эта
единица веса проникла в Индию и ряд других стран.
Индийская мера веса «пала» и китайская «таель» тоже
составляют около 502,2 грамма.
В X—VIII веках до н. э. Древняя Греция состояла из
мелких государств, мало связанных между собой. В этих
государствах в качестве денег в обращении были желез-
ные прутья («оболы»). Связка из шести таких прутьев
составляла пучок («драхму») и являлась более крупной
денежной и весовой единицей.
Около VII века до н. э. по всей Греции распространи-
лась денежно-весовая система, которая была основана
отчасти иа древнеегипетской, отчасти на ассиро-вави-
лонской и в некоторой мере объединяла их. В этой систе-
ме мелкая серебряная монета по своему весу была при-
равнена 2/з египетского кедета, т. е. около 6 граммов, и
названа драхмой; 100 драхм составляли 1 мину, которая,
т^ким образом, весила около 600 граммов, и, наконец,
60 мин составляли 1 талант.
В VI веке до н. э. греческий законодатель Солон
(638—559 гг. до н. э.) преобразовал систему весовых еди-
ниц. Вес драхмы был установлен в 7г египетского кедета,
т. е. в 4,5 грамма, 100 драхм составляли 1 мнну, вес кото-
рой теперь равнялся бы 450 граммам; 60 мни составляли
1 талант (27 килограммов). Самой мелкой весовой едини-
цей стал 1 обол, равный 1/е драхмы. Эта система весовых
единиц распространилась по всей Древней Греции.
В основе древнеримской системы весовых единиц ле-
жала 1 либра, вес которой по современным измерениям
39
равен 327,5 грамма. Это с большой точностью соответ-
ствует весу 36 древнеегипетских кедетов. В Древнем Ри-
ме были также в употреблении более мелкие весовые еди-
ницы: унция, равная Via либры, т. е. 27,3 грамма. Затем
заимствованная у греков драхма, которая была прирав-
нена V96 либры, т. е. 3,4 грамма. В III веке до н. э. у
древиих римлян появляется еще несколько мелких весо-
вых единиц: денарий (4,37 грамма) и сестерций, равный
денария, т. е. около 1,1 грамма.
Когда Римская империя распространила свое влияние
на соседние страны, то ее денежно-весовая система
была в той или иной мере воспринята населявшими их
народами. После крушения Римской империи и распада
ее на отдельные государства в ряде стран Западной Ев-
ропы единицы веса сохранили римскую основу — либру,
равную 327,4 грамма, деление ее на унции и т. ду'Древне-
римская либра в Византии преобразилась в литру, а в
Италии — в лиру. Древнеримский денарий дал название
французской монете денье и арабской монете динар.
В России вплоть до XII века при различных торговых
сделках товары довольно часто оплачивались кусками
серебра определенного веса. Таким образом, эти куски
серебра были одновременно и денежной единицей, и ме-
рой веса. Аналогичное положение было и во многих
других странах (например, в Англии одна из монетных
единиц — фунт стерлингов). В Древней Руси эти куски
серебра назывались гривнами. Для того, чтобы в случае
надобности их было легче разделить на части, на них де-
лались зарубки. Отломанные и рубленые части гривен
дали название рублям. Впрочем, в последнее время ну-
мизматы склоняются к тому, что рублем назывался как
раз целый елнток, а рубленая его половина именова-
лась полтиной.
Основными единицами веса в Древней Руси были:
гривна в 96 золотников и ансырь — русский фунт —в 96
и 128 золотников. По весу русский золотник равнялся
полушекелю ассирийской мины. Наряду с этим применя-
лись также и другие единицы веса: безмен, равный 2!/2
фунтам и полубезмен, составляющий РД фунта, а также
кентарь, равный 100 фунтам. Однако в отдельных райо-
нах России, например в Чернигове, Киеве, использова-
лись и некоторые другие единицы веса.
Между тем к концу XVI века в России установилась
общая для всей страны система весовых единиц. Осно-
40
вой этой системы был фунт, или большая гривенка, по
современным измерениям равный 409,5 грамма. Вся эта
система имела следующий вид: 1 ласт=72 пудам; 1 бер-
ковец=\Ъ пудам; 1 кентарь = 2$ пуда; 1 пуд = 16 безме-
нам **40 фунтам; 1 фунт=96 золотникам*=24 почкам.
Однако в отдельных частях страны все еще были в хо-
ду и местные единицы, а меры одного и того же назва-
ния не всегда были одинаковыми. Для того, чтобы покон-
рис, 18. Приложение к указу 1707 г. Изображение весов, новых чугунных
мер. питейных в хлебных чугунных мер,
41
чить с неупорядоченностью и разнобоем весовых единиц,
русское правительство в 1736 г. создало специальную ко-
миссию о мерах и весах. Этой комиссией был изготовлен
образец фунта, который в дальнейшем стал основой рус-
ской системы веса и получил название «бронзового зо-
лоченого фунта 1747 г.».
В 1797 г. русское правительство с целью дальнейше-
го упорядочения мер и веса издало специальный указ о
мерах весовых, питейных и хлебных, снабженный инст-
рукцией о их применении, а также приложением с изоб-
ражением этих мер (рис. 18).
Между тем, когда в начале XIX века в России вновь
был поднят вопрос об улучшении и уточнении основных
образцовых мер, то выяснилось, что кроме «примерного»
фунта, сделанного более полувека назад на моиетном
дворе, иных образцов нет, а сведения о том, что пред-
ставлял собой этот фунт, как он хранился и на какой ос-
нове был сделан, — отсутствуют.
В 1833 г. под руководством специальной комиссии
было изготовлено несколько прототипов фунта: платино-
вый и из медного сплава.
В 1835 г. русское правительство издало указ «О сис-
теме российских мер и весов», который гласил:
«Принять за основную единицу российского веса
образцовый фунт, сделанный Комиссией (1833 г.)
согласно с выведенным результатом, что российский
или английский кубический дюймы воды при темпе-
ратуре 1373° Реомюра в безвоздушном пространстве
весит 368, 361 долю, или что объем российского фун-
та той же воды равен 25,019 английским кубическим
дюймам, что составляет совершенное равенство с из-
вестным золоченым фунтом C-Петербургского Мо-
нетного двора, сделанным в 1747 г. и служащим с то-
го времени основанием Российской монетной систе-
мы».
Таким образом, этим указом в России была введена
своя, русская единица веса — русский фунт, — отличный
от английского фунта и других иностранных весовых еди-
ниц. Причем эта новая единица веса была основана, как
следует из приведенного выше указа, на «российском
и английском» дюйме.
Следующий важный этап в развитии метрологии в
России относится к 1893 г., когда была организована
42
Главная Палата мер и весов. Ее управляющим был наз-
начен Д. И. Менделеев, который счел первым и важным
делом Главной Палаты мер и весов возобновление и
уточнение прототипов. Однако золоченого фупта Монет-
ного Двора 1747 г. найти не удалось. Между тем как
платиновый прототип фунта, изготовленный по указанию
специальной комиссии в 1833 г., был обнаружен и ока-
зался в хорошем состоянии. Но в свое время он был
сделан из неплавленой платины, несколько пористой н не
вполне однородной. Оба эти обстоятельства могли за-
метно ухудшить неизменность прототипа при его долго-
временном хранении. Поэтому Д. И. Менделеев решил
изготовить новые прототипы из сплава Сеи-Клер Девиля,
состоящего из 90% платины и 10% иридия н отличаю-
щегося очень высокими механическими качествами.
После того как был заказан и изготовлен платино-
иридиевый сплав, приобретены усовершенствованные ве-
сы и сделаны гири-прототипы, были проведены точные
измерения веса этих гирь. После этого в «Положении о
мерах и весах» 1899 г. был узаконен новый прототип
фунта и его отношение к килограмму:
«1 фунт русский = 0,40951241 килограмма».
Было изготовлено несколько прототипов фунта. Один
из них был узаконен как Государственный эталон и пе-
редан на хранение в Главную Палату мер и весов. Кро-
ме того, были изготовлены два эталона — копии. Один
из них был замурован в стене здания Сената, а другой
передан на хранение Главной Палате мер и весов. Нако-
нец, еще один эталон-копия, сделанный нз никеля, был
передан в Московскую Оружейную Палату. Кроме того,
были изготовлены и соответствующим образом сверены
различные разновесы: золотниковые и граммовые.
Наряду с развитием научной и технической стороны
весового дела, каждое государство заинтересовано в
обеспечении правильности взвешивания, так как любые
нарушения в этой области (по глупости, беспечности или
злому умыслу) серьезно мешают нормальной хозяйст-
венной жизни страны. В архивах хранится множество
документов, рассказывающих о том, как в России велась
борьба за правильный вес. Приведем некоторые из них.
«Епископу наблюдать за мерами н весами; наказание
за неправильное пользование мерами и весами: каз-
43
нить близко смерти, а имущество делить на три час-
ти: часть Софийской церкви, часть Ивановской и
часть сотским и Новгороду».
Князь Всеволод. Грамота, данная городу
Новгороду (1135—1136 гг.)
«Все весы должны быть сходны с таможенными, за-
орленными весами... За найденные у торговцев во-
ровские весы определяется конфискация товаров и ссыл-
ка с семьей».
Наказ царя Федора Алексеевича Большой
Московской таможне о сборе таможенных
пошлин (1681 г.).
Такова другая — административная сторона вопроса
о мерах и весах. Одиако вернемся к научной и техничес-
кой стороне дела н рассмотрим, как постепенно выраба-
тывались международные «естественные» единицы веса.
ГЛАВА 7
ДЛИНА БОЛЬШОГО ПАЛЬЦА РУКИ
И ПОИСКИ ЛУЧШЕЙ ЕДИНИЦЫ ВЕСА
В средние века в Западной Европе было много мел-
ких феодальных государств, слабо связанных между со-
бой. Во многих из них меры веса были разные. В эпоху
Возрождения, да и в более позднее время, связи между
государствами усилились и расширились, но по-прежне-
му в них пользовались разными единицами веса.
По современным измерениям старый французский
ливр весит 489,5 грамма, английский торговый фунт —
453,6 грамма, египетский ротль — 449,3 грамма, итальян-
ский кантаро — 42,26 килограмма, аргентинская либра —-
459,5 грамма, русский фуит — 409,5 грамма.
Однако запутанность единиц веса была еще большей,
чем можно усмотреть из этого перечисления. Даже в од-
ной и той же стране одновременно в ходу были разные
единицы веса. Например, в Англии, наряду с торговым
фунтом в 453,6 грамма, в ходу был также монетный и
аптекарский (тройский) фунт в 373,2 грамма. В старой
колониальной британской Ост-Индии базарный моунд
весил 37,32 килограмма, фактория-моунд — 33,87 кило-
44
грамма, бомбейский моунд— 12,70 килограмма, мадрас-
ский моунд—11,34 килограмма.
В Италии каитаро Неаполя весил 89,1 килограмма,
а каитаро Сардинии —42,26 килограмма.
В Китае таель правительственный (для таможенных
расчетов) весил 37,78 грамма, таель для взвешивания се-
ребра (кантонский)—37,57 грамма, а наряду с ними в
ходу были еще и таели сватоусский и тянзинский.
При все увеличивающихся торговых связях внутри
стран и между ними такое обилие единиц веса станови-
лось все более нетерпимым. Естественно, что в ряде
стран стали появляться предложения об упорядочении
мер и введении единых международных единиц измере-
ния. Прн этом подчеркивалось, что новые меры должны
быть не только практически удобными, но и «естествен-
ными», т. е. взятыми из природы и благодаря этому точно
воспроизводимыми в случае утраты.
Годились ли для этого единицы древнего мира?
Древневавилонская единица веса 1 шекель—вес 60
пшеничных зерен — является естественной, но, конечно,
не точно воспроизводимой. Вряд ли нужно доказывать,
что зерна бывают разной величины и даже уередиеиие по
большому их числу не может обеспечить точной воспро-
изводимости грана.
Попытки отыскать «естественную» меру веса дела-
лись неоднократно и в разных странах. В 1827 г. в Рос-
сии член временной комиссии по упорядочению мер и
весов профессор Ламберти в результате тщательных из-
мерений показал, что вес 25 кубических дюймов дистил-
лированной невской воды прн температуре, равной 62
градусам по Фаренгейту, и высоте барометра 30 дюймов
соответствует весу позолоченного российского . фунта,
хранящегося в Петербургском монетном дворе. Указом
правительства Николая I этот золоченый фунт монетно-
го двора был утвержден в качестве основной единицы
веса. Однако последующие еще более тщательные изме-
рения показали, что этому золоченому фунту по весу со-
ответствует не 25,00000, а 24,99912 кубического дюйма
перегнанной воды. Поэтому в дальнейшем за образцовый
вес было решено принять тот же золоченый фунт монет-
ного двора с прибавлением 1/288 золотника.
Удовлетворяла ли эта единица веса условию точной
воспроизводимости в случае утраты? Очевидно, в такой
Же мере, как н дюйм, на котором она основана.
45
Посмотрим, в какой мере является «естественным»
и точно воспроизводимым дюйм. По-голландски cfw'm —
большой палец. Первоначально длина дюйма и опреде-
лялась как длина сустава большого пальца человека. Но
какого: карлика, великана или самого среднего? В 1324г.
королем Англии Эдвардом II с целью сделать дюйм бо-
лее точно воспроизводимым был установлен «законный
дюйм», равный длине трех ячменных зерен, вынутых из
средней части колоса и приставленных одно к другому
своими концами.
Увы, эта уточненная единица была хотя и естествен-
ной, но тоже точно невоспроизводимой. Не лучше об-
стояло дело и с другой мерой длины — футом (foot — по
английски ступня), величина которого была определена
как средняя «длина ступней 16 человек, выходящих от
заутрени в Воскресенье» (1?).
Ученым стало ясно, что в качестве основной междуна-
родной единицы веса ни одна из древних, а также дейст-
вовавших в то время национальных единиц не годится.
Ведь любая из них так же мало обоснована, как и ос-
тальные. К тому же если бы в качестве международной
была бы предложена какая-нибудь из национальных еди-
ниц, то отдельные страны смогли бы усмотреть в этом
ущемление их национального самолюбия, а тогда меж-
дународное признание единиц оказалось бы под сомне-
нием.
ГЛАВА 8
ВЕС И МАССА ТЕЛ
Возможно ли было создать Еву из ребра
Адама без добавления материк?
Э гид ий Римский
В XVII веке крупнейшие ученые обсуждали вопрос о
выборе основной единицы веса. Они считали, что она
должна быть не только «естественной», но и точно вос-
производимой. Особенно важное значение придавалось
второму требованию, так как было известно, что образ-
цовые меры уже не раз терялись, гибли или просто
дряхлели и портились. Как же, где найти такую единицу
веса? Пока ученым было ясно лишь то, что ни одна из
43
старых единиц веса условию точной воспроизводимости
не удовлетворяет.
Между тем результаты одного научного опыта освети-
ли этот вопрос совсем с особой стороны. В 1672 г. Жан
Рнше во время астрономической экспедиции проводил
ряд работ в Кайене н Южной Америке. При этом ои об-
наружил, что привезенные нм из Парижа маятниковые
часы на Кайене идут не верно. В Кайене маятник этих
часов стал качаться медленнее и для того, чтобы часы
показывали время правильно, его пришлось укоротить на
вполне заметную величину: на несколько миллиметров.
Когда же Рише с этими же часами вернулся в Париж, то
обнаружилось, что они спешат...
Как известно, длительность периода качаний маятни-
ка прямо пропорциональна квадратному корню из его
длины и обратно пропорциональна квадратному корню
из силы тяжести в пункте наблюдения. Таким образом,
Рише обнаружил, что в разных местах земной поверхно-
сти сила тяжести не одинакова. Этот простой и, в общем,
незапланированный опыт привел к далеко идущим вы-
водам. Оценим их с разных сторон.
Взвешивание широко применяется в технике и быту.
Сколь существенно при этом изменение веса в разных
пунктах? Если взвешивают с помощью гирь, то посколь-
ку при переезде в другой пункт изменяется вес и груза,
и гирь, то при отвешивании колбасы ни продавец, ни по-
купатель ничего не выигрывают и не проигрывают. Разу-
меется, если при этом изменение веса различных веществ
происходит в одинаковой степени, что заранее вовсе не
очевидно.
Если же взвешивать на пружинных весах, которые с
помощью гирь проградуированы на экваторе, то, отвеши-
вая на них колбасу на полюсе, продавец покупателю на
каждый килограмм недодаст около 1/190 его части, или
5,3 грамма. Для средних географических широт соответ-
ствующая разница оказывается меньше. Легко видеть,
что, в общем, этот эффект не велик и для большинства
практических задач не существен.
Между тем в научном отношении значение этого эф-
фекта огромно. В самом деле, как выбрать основную еди-
ницу веса, если в разных пунктах Земли вес одного и то-
го же тела различен? Установить единицу веса или силы
для какого-нибудь одного пункта, а для всех других вво-
дить поправки? Какие? На какой основе?
47
Для того, чтобы ответить на эти вопросы, нужно
прежде всего понять, почему в разных пунктах Земли вес
одного и того же тела не одинаков’.
На все эти вопросы ответы были даны Исааком Нью-
тоном (1643—1727 гг.) На основе введенного им в физи-
ку понятия о массе тел и установления различия между
весом тел и их массой. Однако прежде чем рассказать о
его работах посмотрим, какие идеи и какие знания в этой
области оставили ему его предшественники. Из них мы
упомянем лишь нескольких: тех, мысли которых были на-
иболее глубокими и тех, имена которых были наиболее
известными, — ведь эти определения не всегда совпада-
ют. Поэтому ученый должен обладать не только доста-
точной силой мысли, но и изрядным мужеством для того,
чтобы из уймы путаных, туманных и просто неверных
высказываний, а также мыслей правильных и глубоких,
принять одни и отбросить другие.
По вопросу о материи Аристотель (384—322 гг. до
н. э.), один из самых универсальных мыслителей Древне-
го Мира, который пользовался большим авторитетом при
своей жизни и еще большим, почти непререкаемым, в те-
чение многих последующих веков, писал так:
«Под матерней я разумею то, что само по себе не
обозначается ни как определенное по существу, ни как
определенное по количеству, Ни как обладающее ка-
ким-либо из других свойств, которыми бывает опреде-
лено сущее».
Это высказывание Аристотеля логически противоре-
чиво, если не бессмысленно. Некоторые другие высказы-
вания Аристотеля в области физики просто не верны.
Тем не менее в течение столетий им верили и их не раз
повторяли. Увы! Есть род какого-то самогипноза, под
действием которого человеку, сведущему в одном деле,
после того как он завоевал большой авторитет, начинает
казаться, что он лучше других разбирается и во всех ос-
тальных вопросах. И что еще более странно, есть род
какого-то гипноза, под действием которого множество
людей иногда в течение очень длительного времени ве-
рят не своим глазам и здравому смыслу, а словам авто-
ритета.
Понадобилось около 20 веков (!), чтобы это и неко-
торые другие неверные высказывания Аристотеля в об-
ласти физики были раскритикованы и опровергнуты. Это
было сделано лишь в XVII веке Галилео Галилеем.
48
В частности, по поводу приведенного выше отрывка из
Аристотеля, Галилеем было высказано следующее оче-
видное возражение:
«Если материя есть тело,— то она должна быть неко-
торым количеством и обладать величиной».
Приведенное в эпиграфе этой главы высказывание
Эгидия Римского (XIII век) демонстрирует еще одни из
аспектов выработки понятия о массе тел.
Среди предшественников Ньютона в разработке поня-
тия о массе лишь у одного Иогана Кеплера (1571—
1630 гг.) удается найти вместо умозрительных спекуля-
ций логичное физическое мышление. В астрономии Кеп-
лер сделал смелый шаг, отказавшись от традиционного
и необоснованного, но освященного авторитетом Плато-
на представления о том, что орбиты планет могут быть
только круговыми. Установив, что орбиты планет эллип-
тические, Кеплер, естественно, задумался о причинах,
побуждающих планеты двигаться так, а не иначе. В од-
ном из своих сочинений он писал:
«Если бы материя небесных тел не обладала инер-
цией, подобной весу, то не требовалось бы почти ника-
кой силы для того, чтобы привести - их в движение;
ничтожной силы было бы достаточно для того, чтобы
сообщить им бесконечную скорость. Так как, однако,
периоды планетных обращений занимают определен-
ное время (некоторые планеты имеют более короткий
период, а другие более длинный), то ясно, что мате-
рия должна иметь инерцию, которая объясняет эти
различия».
Это лишь качественное рассуждение, по, по сути дела,
очень близкое к тем понятиям о массе, весе тел и их дви-
жений, которым через несколько десятков лет Ньютон
придаст строгую количественную форму.
Ученые Древнего Мира еще не проводили четкого
различия между весом тел, их объемом и количеством ве-
щества. В дальнейшем понятие о весе тел стало несколь-
ко более ясным и свелось к следующему: вес — это сила,
с которой груз давит на чашку весов или па нашу ладонь,
если мы держим его в руке. От чего же зависит эта си-
ла? Почему в разных точках земной поверхности для
одного и того же тела значение этой силы различно?
49
В 1681 г., т. е. спустя 5 лет после опыта Рише, Хрис-
тиан Гюйгенс (1629—1695 гг.) дал на эти вопросы час-
тичный ответ. Ход его рассуждений был следующим: ес-
ли тяжелый шар прикрепить к вращающемуся колесу, то
этот шар будет стремиться двигаться по радиусу и при-
том равномерно ускоренно. Если тяжелый шар закре-
пить на нити и придать этой системе вращение, то пове-
дение тяжелого шара будет таким же. Гюйгенс объясня-
ет это появлением при вращении центробежной силы.
В одной из своих работ он пишет так:
«Отсюда мы заключаем, что центробежные силы не-
одинаковых тел, движущихся с одинаковой скоростью
по равным окружностям, относятся между собой как
веса этих тел, т. е. как количества вещества в них».
Далее Гюйгенс связывает изменение силы тяжести в
разных пунктах Земли с суточным вращением и объясня-
ет результаты опыта Рише исключительно различием
центробежных сил на различных географических широтах.
Нужно отдать должное проницательности Гюйгенса.
Все эти рассуждения — правда. Впрочем, нужно также
отметить, что в них только часть правды. Дело в том, что
Гюйгенс учел не все факторы, определяющие вес тел, а
тем, которые учел, не дал количественного выражения.
Нам известно, когда Ньютон задумался об этих воп-
росах и взялся за их решение. В одном из своих писем он
сообщает:
«В том же году (1666) я начал думать о тяготении,
простирающемся до орбиты Луны... Из правила Кеп-
лера о том, что периоды планет находятся в полу-
торной пропорции к расстоянию от центров их ор-
бит, я вывел, что силы, удерживающие планеты на их
орбитах, должны быть в обратном отношении квад-
ратов их расстояний и от центров, вокруг коих они
вращаются. Отсюда я сравнил силу, требующуюся
для удержания Луны на ее орбите, с силой тяжести
на поверхности Земли и нашел, что они почти отве-
чают друг другу. Все это происходило в два чумных
года, 1665 и 1666, ибо в это время я был в расцвете
моих изобретательских сил и думал о математике и
философии больше, чем когда-либо после».
Ньютону мы обязаны очень многим. Он глубоко раз-
работал ту механику, которой затем пользовались в те-
50
чение столетий и, развив и усовершенствовав, продолжа-
ют пользоваться и сейчас. В наше время эту область
знаний называют классической механикой. Ею пользу-
ются как при расчетах механизмов и машин, так и при
проектировании домов и мостов, не только при изучении
движения планет и звезд, но и при вычислении траекто-
рий полета искусственных спутников. Значение массы те-
ла входит в некоторые уравнения этой механики, напри-
мер во второй закон движения и в закон всемирного тя-
готения.
По закону всемирного тяготения Ньютона сила при-
тяжения между телами пропорциональна произведению
масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату рас-
стояния между ними. Вес камня, расположенного на по-
верхности Земли, обусловлен притяжением между дву-
мя телами: этим камнем и Землей. Так как Земля у по-
люсов сплюснута, то сила притяжения зависит от геог-
рафической широты пункта наблюдения и на полюсе
больше, чем на экваторе.
Однако это не единственная с^ла, действующая на те-
ло, расположенное на поверхности вращающейся Земли.
Ведь все тела обладают инерцией, т. е. стремлением сох-
ранять покой или равномерное н прямолинейное движе-
ние. Таким образом, тело, лежащее на поверхности вра-
щающейся Земли, должно было бы по инерции улететь
в космос точно так же, как камень, привязанный верев-
кой, при вращении такой системы стремится разорвать
веревку и улететь вдаль.
Все эти явления учитываются введением центробеж-
ной силы, которая тем больше, чем больше масса враща-
ющегося тела (например, камня), расстояние его от оси
вращения н угловая скорость На поверхности Земли вес
тела равен разности силы земного притяжения и центро-
бежной силы. Нас не уносит в космос лишь потому, что
первая больше второй.
На экваторе Земли, где расстояние от ее центра на-
ибольшее, сила притяжения минимальна, а центробеж-
ная сила максимальна. Напротив, иа полюсах сила при-
тяжения максимальна, между тем как центробежная си-
ла отсутствует, так как расстояние тел от оси вращения
равно нулю. Итак, обе указанные причины приводят к
тому, что вес тела зависит от географической широты
пункта наблюдения и одно и то же тело на полюсе весит
больше, чем па экваторе,
51
Установив таким образом связь между весом и мас-
сой тел и полностью прояснив вопрос о зависимости ве-
са тела от географической широты пункта наблюдения,
Исаак Ньютон дал этим соотношениям строгое матема-
тическое выражение. После работ Ньютона к вопросу об
установлении основной единицы веса или массы можно
было приступить на новой и более глубокой основе.
ГЛАВА 9
«НА ВСЕ ВРЕМЕНА,
ДЛЯ ВСЕХ НАРОДОВ»
В конце XVIII века понятия о весе и массе тел, а так-
же о связи между ними представлялись вполне одно-
значными и окончательными. Ученым было ясно, что,
выбрав в качестве основной единицы одну из них, всегда
можно строго и точно определить другую. Какую же из
них — вес или массу — выбрать в качестве основной?
Когда строят мост, то необходимая прочность опор
определяется весом пролетов. Мост, правильно построен-
ный для земных условий, будучи перенесен на Юпитер,
немедленно бы провалился, так как там сила тяжести
намного больше, чем на Земле. Напротив, если тот же
мост перенести на «Луну, то оказалось бы, что он постро-
ен с неразумно большим запасом прочности.
Таким образом, в торговле и в некоторых областях
техники и промышленности оказалось не только привыч-
ней, но и удобней пользоваться единицами веса.
Во многих машинах и станках отдельные их части со-
вершают быстрые движения. В этих частях, в особен-
ности при изменеиин величины и направления их скорос-
ти, возникают усилия, во много раз превышающие их вес.
Величина этих усилий равна произведению массы дви-
жущихся частей на их ускорение. Поэтому при расчете
возникающих усилий и прочности деталей именно маоса,
играет решающую роль.
Когда изучают движения небесных тел, понятие о
весе вообще теряет смысл и существенной их характе-
ристикой оказывается масса. Вот почему при введении
новых единиц нашлись сторонники основной единицы
массы и основной единицы веса,
52
В 1790 г. Национальное собрание Франции обсудило
вопрос о новых единицах измерения и решило принять
подготовительные меры к их введению. Крупнейшим
французским ученым Лапласу, Лагранжу, Борда, Мон-
жу было поручено обсудить различные проекты новой
системы единиц измерения и предложить на утвержде-
ние Национального собрания свое решение. Предложение
о выборе в качестве единицы массы некоторой части
массы Земли было отвергнуто. Такая единица массы бы-
ла бы вполне естественной, но плохо воспроизводимой,
так как относительная точность определения массы Зем-
ли невысокая.
Ученые посчитали более удобным взять из природы
единицу длины, а единицу массы связать с ней. Приэтом
обсуждались два основных предложения. Одно нз них бы-
ло высказано физиком Гюйгенсом, рекомендовавшим в
качестве основной единицы длины взять длину маятни-
ка, период колебаний которого равен одной секунде. Это
предложение было отвергнуто потому, что ускорение си-
лы тяжести земного тяготения в различных пунктах Зем-
ли различно, а следовательно, дли ннх различна и длина
секундного маятника.
Другая идея принадлежала астроному Мутону, кото-
рый предложил в качестве основной единицы длины взять
определенную часть длины земного меридиана. Так как
относительная точность измерения длины высокая, а раз-
меры и форма Земли достаточно неизменны, то такая еди-
ница удовлетворяла бы обоим основным условиям: «ес-
тественности» и точной воспроизводимости. Правда, ее
определение требовало проведения крупных и дорогостоя-
щих работ по измерению длины достаточно большой час-
ти земного меридиана. Однако комиссия ученых остано-
вилась именно на этом предложении. Почему? Может
быть, потому, что в те времена ученые действительно ве-
рили в то, что однажды определенную длину меридиана
можно вновь точно воспроизвести при повторных изме-
рениях. Несомненным было то, что длину меридиана мож-
но найтн с большей относительной точностью, чем массу
Земли.
Возможно, как об этом писал академик А. Н. Крылов,
тут не обошлось без некоторой хитрости или, если угод-
но, тонкого расчета Лапласа. Дело в том, что в некото-
рых астрономических измерениях длина диаметра Земли
служит опорной единицей и Лапласу для астроиомнче-
53
ских работ нужно было возможно более точно знать фи-
гуру Земли и ее размеры, а для этого как раз и нужно
было измерить длину меридиана...
Так или иначе, ио комиссия ученых предложила на
утверждение Национального собрания прекрасно разра-
ботанный проект метрической системы единиц, в котором
в качестве основной единицы длины — метра — предла-
галось принять одну сорокамиллионную часть земного
меридиана, а в качестве основной единицы массы — массу
одного кубического дециметра дистиллированной иоды,
взятой при наибольшей плотности, т. е. при температуре
+ 4 градуса Цельсия, н взвешенной в вакууме. В 1791 г.
Национальное собрание Франции эти предложения ут-
вердило.
Работы по точному определению длины дуги мериди-
ана велись от Дюнкерка (север Франции) до Барселоны
(Испания) и далее до острова Формеитеры, расположен-
ного в Средиземном море, и были закончены в 1799 г.
После измерений длины дуги меридиана были изго-
товлены платиновые прототипы метра и килограмма, ко-
торые и были 10 декабря 1799 г. утверждены правитель-
ством Франции в качестве основных единиц и переданы
в архив республики на хранение. В дальнейшем они по-
лучили название «архивных» прототипов. Одновременно
была принята метрическая система единиц, по которой
между отдельными единицами устанавливались возмож-
но более простые и удобные соотношения, а между про-
изводными единицами — десятичная зависимость.
Создание метрической системы и ее основных единиц
явилось несомненным и крупным достижением, способ-
ствовавшим развитию науки, техники и торговли. Яс-
ность положенных в ее основу принципов, несомненное
удобство ее использования, отсутствие каких-либо узко
местных признаков — все это должно было способство-
вать ее международному признанию. На медали, кото-
рую должны были выпустить (но так и ие выпустили) по
поводу создания новой системы единиц, предполагалось
выбить слова: «На все времена, для всех народов».
Однако бурные политические события того времени на
многие десятилетия отодвинули международное призна-
ние новой системы единиц. Даже в самой Франции она
была почти забыта. Лишь и середине XIX века передо-
вые ученые разных стран снова привлекли к ней общее
внимание.
54
В 1867 г. в Париже под председательством члена Пе-
тербургской академии Б. С. Якоби был создан Междуна-
родный комитет весов, мер и монет. Вскоре после изго-
товления платиновых прототипов метра н килограмма
астроном Бессель обнаружил, что при обработке градус-
ных измерений была допущена ошибка и длина V4 мери-
диана равна не 10 000 000, а 10 002 286 архивным мет-
рам. Следовательно, архивный прототип метра оказался
на несколько долей миллиметра меньше одной сорока-
миллионной части меридиана. Это была одна из основ-
ных проблем, которую надлежало решить комитету. Ко-
нечно, можно было изготовить новый, исправленный про-
тотип метра, но явилось бы ли это лучшим решением?
Ведь новые более точные измерения длины дуги мери-
диана, в свою очередь, дали некоторое отличие от преж-
него, уже исправленного значения. Следует ли из этого,
что после каждых новых все более точных измерений
длины меридиана нужно менять длину прототипа?
С единицей массы — архивным килограммом — дело
обстояло аналогичным образом. Поскольку архивный
прототип метра оказался немного меньше одной сорока-
миллионной части меридиана, то масса «архивного» кило-
грамма оказалась равной массе не одного кубического
дециметра дистиллированной воды, а немного большего
ее количества.
Комитету было ясно, что после каждых последующих
н более точных измерений длины меридиана может по-
требоваться новое изменение прототипов. Во избежание
этого было решено принять архивные метр и килограмм
за основные единицы и в дальнейшем их уже больше не
менять. Таким образом, прототипы потеряли свою «ес-
тественность», но зато получили полную определен-
ность.
Задачей, стоявшей перед Международным комитетом,
было создание более совершенных прототипов и обеспе-
чение возможно лучших условий их хранения. В 1872 г.
специальная комиссия этого комитета постановила соз-
дать платино-иридиевые прототипы метра и килограмма
и сличить их с архивными.
В 1875 г. представители 17 государств, в том числе и
России, собрались на Международной конференции и
подписали метрическую конвенцию, по которой устанав-
ливались международные прототипы метра и килограм-
ма и учреждался Международный комитет мер и весов.
55
В 1889 г. было закончено изготовление сернн прото-
типов метра и килограмма и произведено их сличение.
Прототипы были изготовлены из сплава платины и ири-
дия, этот сплав обладает большой прочностью и малым
коэффициентом теплового расширения. Прототипы метра
Рис. 19. Международный прототип метра и его поперечный разрез.
были сделаны в виде линеек, имеющих сечение, похожее
на букву «X» (рис. 19), прототипы килограмма — в виде
цилиндров. Всего было изготовлено 34 эталона метра и
43 эталона килограмма. Из них один эталон метра и один
эталон килограмма были узаконены как международные
Рис. 29. Прототип килограмма и устройство для его
хранения.
прототипы. Эти прототипы и еще по два контрольных к
каждому из них были сданы на хранение в Международ-
ное бюро мер и весов, находящееся в Бретейльском па-
вильоне, что в парке Сен-Клу близ Парижа. Там они хра-
нятся в специальных подвалах, защищенные футлярами
бб
и колпаками (рис. 20). В помещении все время поддер-
живаются постоянные температура и влажность. Двери
хранилища снабжены тремя замками, ключи от которых
даны представителям трех разных стран, так, что от-
крыть их можно лишь в присутствии всех трех представи-
телей. Эти международные прототипы используются лишь
раз в несколько лет для сличения с ними национальных
эталонов.
Пожалуй, очень трудно было бы судить об устойчи-
вости и постоянстве эталонов, если бы случай ие поста-
вил жесткий опыт для проверки этого. В 1915 г., когда
австрийские войска приближались к Белграду, сербские
эталоны метра и килограмма были спешно эвакуирова-
ны. Вместо тихого запертого подвала, в котором прибо-
ры следят за постоянством влажности и температуры,
временным жилищем эталонов стала переметная сума на
спине мула. По горным дорогам, с ночевками под откры-
тым небом погонщик все дальше увозил свой ценный груз
и, конечно, думал не столько о сохранении постоянства
температуры, сколько о том, чтобы поскорее уйти от пе-
редовых разъездов наступающей вражеской армии.
По окончании войны эти эталоны вернулись в нор-
мальную для них обстановку, а в 1920 г. было произведе-
но их сличение с прототипами. Оказалось, что по сравне-
нию с данными 1889 г. длина эталона метра изменилась
меньше чем на 0,0002 мм, а масса эталона килограмма —
меньше чем на 0,0001 г. Своеобразный экзамен эталоны
выдержали. Изготовленные в 1889 г. платино-иридиевые
эталоны метра и килограмма по жребию были распреде-
лены между отдельными странами, подписавшими метри-
ческую конвенцию. В частности, Россия получила два
эталона метра (№ 11 н 28) и один эталон килограмма
(№ 12).
ГЛАВА 10
СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ И ПОИСКИ
НАИЛУЧШЕЙ СИСТЕМЫ
После создания новых основных единиц —метра и
килограмма — на их основе было построено несколько
систем единиц. Карл Гаусс (1777—1855 гг.) создал снс-
57
тему, в которой основными единицами были миллиметр,
миллиграмм и секунда.
В шестидесятых годах XIX века Британской ассоциа-
цией для развития наук была введена система единиц
СГС, в которой в качестве основных единиц были взяты
сантиметр, грамм-масса и секунда.
Эта система получила название абсолютной и в тече-
ние долгого времени применялась в различных научных
исследованиях, однако из-за мелкого размера ее основ-
ных единиц она оказалась не очень удобной при реше-
нии многих технических задач.
В -конце XIX н начале XX века была введена систе-
ма МКГСС, получившая название технической системы
единиц, В этой системе за основные единицы взяты метр,
килограмм-сила и секунда. Существенным ее недостат-
ком является то, что в ней одна из основных единиц —
килограмм-сила — переменная величина, зависищая от
географической широты пункта наблюдения н высоты его
расположения над уровнем моря. Единица массы выра-
жается в ней сложным числом, что также неудобно, но в
этой системе удачно выбран размер основных единиц, и
поэтому она получила широкое распространение в инже-
нерной практике.
В 1922 г. во Франции была узаконена система МТС, в
которой основными единицами являются метр, тонна-
масса н секунда. В СССР эта система была введена и
утверждена в 1927 г. Однако из-за крупности ее основ-
ных единиц она оказалась неудобной и не нашла приме-
нения.
Таким образом, в двадцатых — тридцатых годах наше-
го века в ходу оказалось уже три системы единиц,
каждая из которых имела свои достоинства и недостат-
ки.
То, что одновременно использовались все три системы,
как раз и свидетельствовало о том, что ии одна из них ие
имела решающего преимущества перед другой. Такое
положение было неудобным не только школьникам и сту-
дентам, которым нужно было знать все три и не путать-
ся в переходных коэффициентах от одной к другой, но
особенно инженерам и техникам, для которых ошибка в
расчетах означала нечто большее, чем снижение экзаме-
национной оценки.
В 1901 г. ученый Джорджи предложил систему, в ко-
торой основными единицами были метр, килограмм-мас-
58
премьер-министр Англии объявил о введении метриче-
ской системы, диктор телевидения начал передачу, дер-
жа в руках кружку пенящегося пива. Прн этом он мелан-
холически заявил: «Вы, конечно, думаете, что я пью пинту
пива, не так ли? К сожалению, нет. Я пью пол-литра пи-
ва».
Это шутка, но и оиа свидетельствует о том, что анг-
личане с немалым сожалением расстаются с привычными
для них единицами измерения. Однако требования про-
мышленности и экономики оказываются сильнее тра-
диций.
В России в конце XIX и начале XX века метрическая
система применялась наряду со старыми единицами из-
мерения.
После Октябрьской революции, а именно 14 сен-
тября 1918 г., введение метрической системы было уза-
конено постановлением, в котором предлагалось «поло-
жить в основу всех измерений Международную метриче-
скую систему мер н весов...». Введение метрической
системы единиц в СССР было окончательно узаконено
1 января 1927 г. Тогда она стала единственной допущен-
ной к применению.
Государственные стандарты СССР иа единицы 1955—
1958 гг. были созданы на основе Международной систе-
мы единиц.
В 1961 г. в СССР, согласно ГОСТ 9867—61, по всей
стране было установлено предпочтительное применение
Международной системы единиц (СИ) во всех областях
науки и техники.
Таким образом, в Советском Союзе в ходу оказалось
уже не три, а четыре системы единиц. Инженерам и сту-
дентам нужно уметь пользоваться ими всеми, так как в
старой научной и технической литературе можно встре-
тить любую из них.
Комитет стандартов, мер н измерительных приборов
при Совете Министров СССР, утвердив 18 сентября
1961 г. новый ГОСТ 9867—61, установил срок его введе-
ния 1 января 1963 г. Поэтому во вновь выпускаемых кни-
гах теперь употребляется лишь Международная система
единиц.
Преимущества СИ очевидны, и нет сомнения в том,
что в ближайшее время остальные системы будут изъя-
ты из обращения и Международная система останется
единственной.
60
ГЛАВА 11
ПОНЯТИЕ О МАССЕ ТЕЛ.
МАССА ИНЕРТНАЯ И МАССА ТЯЖЕЛАЯ
Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор
не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю
(hypotheses non fingo).
Довольно того, что тяготение на самом деле сущест-
вует и действует согласно изложенным нами законам и
вполне достаточно для объяснения всех движений не-
бесных тел и моря.
Исаак Ньютон
Вводя в физику новую величину — массу тела, Нью-
тон отчетливо понимал, что понятие о массе тел не прос-
тое, а установление его связано с целым рядом труднос-
тей. В своих «Математических началах натуральной фи-
лософии» он дал следующее определение этому понятию:
«Количество материи есть ее мера, возникающая совмест-
но нз ее плотности и объема». К этому определению Нью-
тон дает следующее пояснение: «Это же количество я
обычно подразумеваю в дальнейшем под названием тело
или масса».
Однако, кроме такого общего определения, надлежа-
ло дать количественную меру массы. Между тем из зако-
нов механики и тяготения, разработанных самим же
Ньютоном, следовало, что по существу имеется два раз-
личных определения массы тел. Ньютон глубоко исследо-
вал этот вопрос как теоретически, так и эксперименталь-
но. Посмотрим, с какими трудностями прн этом ои столк-
нулся и как их разрешил.
Если вы проделаете простой опыт: с одинаковой си-
лой сначала толкнете пустые легкие санки, а затем на-
груженные тяжелые, то убедитесь, что ускорение движе-
ния легких санок будет больше, чем тяжелых. Проделаем
такой же опыт более строго: будем все время пользовать-
ся одной и той же силой, а грузы брать разные, причем
так, что каждый последующий составляет половину
предыдущего. В результате этого опыта обнаруживается,
что ускорение, приобретенное половиной груза, в два ра-
за больше, чем полученное целым грузом; ускорение, при-
обретенное четвертью груза, в 4 раза больше, чем полу-
ченное целым грузом и т. д. В математической форме это
можно записать в виде: a=F(tn и прочитать так: ускоре-
61
ние тела а прямо пропорционально величине действую-
щей на него силы F и обратно пропорционально массе
этого тела т.
Это второй закон движения механики Ньютона. Обра-
тим особое внимание на то, что количество груза, его
масса, выступает здесь как мера сопротивления тела из-
менению движения, как инертность этого тела. Именно
поэтому измеренная таким образом масса тела получила
название инертной массы.
Теперь обратимся к закону всемирного тяготения
Ньютона, в который также входит масса. Каждому из-
вестно, что камень, брошенный вверх, потом падает на
Землю, что вода течет сверху вниз, что гиря, лежащая
на ладони, давит иа ладонь; Луна вращается вокруг Зем-
ли, ие покидая ее, но и не падая на ее поверхность; пла-
неты также вращаются вокруг Солнца, не падая паевое
центральное тело, но и не покидая его.
Все это было известно давно, но до Ньютона никому
не приходило в голову, что эти эффекты имеют одинако-
вую природу и являются результатом взаимного притяже-
ния тел. Давая математическое выражение своему зако-
ну, Ньютон посчитал, что сила взаимного притяжения
тел тем больше, чем больше масса каждого из них, т. е.
что эта сила прямо пропорциональна произведению их
масс. Естественно было принять также, что сила притя-
жения между телами тем меньше, чем больше расстоя-
ние между ними. Однако отсюда еще никак не следовал
характер зависимости силы от расстояния. Ньютон по-
считал, что эта сила взаимодействия обратно пропорцио-
нальна квадрату расстояния между телами. В результа-
те'Весь закон всемирного тяготения Ньютона приобрел
вид:
"	J?9 *
где F— сила взаимного притяжения тел, гп^ и m2 — мас-
сы тел, R — расстояние между ними, у — постоянная все-
мирного тяготения или гравитационная постоянная.
Существует легенда о том, что Ньютон открыл закон
всемирного тяготения, увидев, как яблоко падает с дере-
ва на Землю. Со слов племянницы Ньютона об этом рас-
сказал Вольтер. Многие поэты и даже философы не смог-
ли удержаться от соблазна пожонглировать этим ябло-
ком. Однажды, писали они, яблоко погубило прародите-
62
ля Адама, другой раз опять же яблоко, подаренное
Парисом богине, в конце концов, привело к Троянской
войне, и третий раз — снова яблоко — открыло Ньютону
тайну движения планет.
Быть может, небезынтересно, что история с ньютоно-
вым яблоком в действительности достоверна. Сохранил-
ся рассказ Стекелея об одной из его встреч с Ньютоном:
«После обеда... мы перешли в сад и пили чай под тенью
нескольких яблонь; были только мы вдвоем. Между про-
чим, сэр Исаак сказал мне, что точно в такой же обста-
новке он находился, когда впервые ему пришла в голову
мысль о тяготении. Она была вызвана падением яблока,
когда он сидел, погрузившись в думы. Почему яблоко
всегда падает отвесно?.. Должна, следовательно, сущест-
вовать сила, подобная той, которую мы называем тяже-
стью, простирающаяся по всей Вселенной».
Одиако самое занятное в этой, по-видимому правди-
вой, легенде то, что падение яблок наблюдали до Ньюто-
на и многие другие...
К открытию закона всемирного тяготения Ньютон при-
шел путем глубокого анализа движения Луиы и планет.
К середние XVII века траектории движения планет уже
были подробно изучены и расчерчены. Коперник (1473—
1543 гг.) уже построил свою систему, в которой централь-
ным телом является не Земля, а Солнце, а Кеплер (1571—
1630 гг.) сформулировал свои законы, связывающие ско-
рости движения планет с их расстоянием от Солнца. Тем
не менее почему планеты дпижутся вокруг Солнца, а не
убегают от него; почему нх движения подчиняются неко-
торой закономерности, найденной и описанной Кеплером,
а не какой-либо другой,— все это оставалось не ясным.
Между тем, если при решении задачи о движении кос-
мических тел, притягивающихся друг к другу, в качестве
силы их взаимодействия подставить силу из закона все-
мирного тяготения Ньютона, то как раз и получатся за-
коны плаиетных’движеиий Кеплера. Законы Кеплера да-
ют правильное формально математическое описание тра-
екторий планетных движений и описывают связь между
периодами обращения планет, расстояниями, на которых
они находятся от Солнца,-и их орбитальными скоростя-
ми. Закон Ньютона описывает причину этих движений,
заключающуюся во взаимном притяжении тел.
Таким образом, в законах Кеплера, описывающих
планетные движения, по существу, уже содержится закон
63
всемирного тяготения. Не хватало лишь гения Ньютона
для того, чтобы суметь его из них извлечь. Существенно
также то, что этот закон универсален, т. е. одинаково
справедлив при описании взаимодействия Солнца и пла-
нет, Луны и Земли, Земли и яблока.
Тяжесть яблока, т. е. сила, с которой лежащее у пас
на ладони яблоко давнт на нашу ладонь, определяется
массой Земли и массой этого яблока. Разумеется, что при
этом нужно принять во внимание и расстояние между
ними (т. е. между центром Земли и центром яблока), а
также вращение Земли, которое, как известно, учитыва-
ется введением центробежной силы. Однако сейчас для
нас самым существенным является следующее: всюду,
где проявляется тяжесть тел, это происходит в результа-
те их притяжения друг к другу и в соответствии с зако-
ном всемирного тяготения. Именно поэтому принято мас-
су тел, описываемую этим законом, называть тяжелой
массой.
Таким образом, оказалось, что имеются два различ-
ных определения массы тел. Одно для инертной массы,
которая измеряется сопротивлением данного тела изме-
нению его движения. Другое для тяжелой массы, которая
определяется по весу тела, т. е. силой его притяжения к
другому телу. Инертная масса проявляется в ускорении
или замедлении движения тел при приложении к ним
силы. Величина тяжелой массы не зависит от движения
тела. Ведь в закон всемирного тяготения не входят ни
скорость, ни ускорение притягивающихся тел.
Итак, создалась довольно странная ситуация, когда
для одной и той же величины — для массы тела — имеют-
ся два разных определения. Впрочем, точно ли, что для
одной и той же? Может быть в данном случае под одина-
ковым названием скрываются разные вещи?
Несомненно, что любое тело характеризуется опреде-
ленной величиной и инертной, и тяжелой массы. Следо-
вательно, для данного тела существует вполне определен-
ное отношение между величиной его инертной и тяжелой
массы. Разумеется, все зто справедливо для любых тел,
состоящих из любых веществ. Одиако одинаково ли отно-
шение между инертной и тяжелой массой у разных тел,
состоящих из различных веществ?
Если это отношение для любых тел одинаково, то мно-
гие уравнения физики значительно упрощаются и это, ко-
нечно, очень удобно. Однако это лишь одна сторона дела.
64
Структура Вселенной, в которой мы живем, определя-
ется рядом параметров. Основные из них: масса, время,
расстояние. Таким образом, вопрос о свойствах массы
тел — зто вопрос о природе Мироздания.
Ньютон вполне понимал, сколь важно для выяснения
свойств массы тел получение ответа на вопрос об уни-
версальности соотношения между инертной и тяжелой
массой различных тел. Поставив соответствующий опыт,
он этот ответ получил.
ГЛАВА 52
ОТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ИНЕРТНОЙ
И ТЯЖЕЛОЙ МАССОЙ ТЕЛ
И «ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ» ОПЫТЫ
Под «отрицательным» экспериментом я понимаю ис-
ключительно тонкую проверку теории, при которой,
если теория неверна, должен обнаружиться некоторый
эффект, а если теория верна, этот эффект не обнаружи-
вается, т. е. получается отрицательный результат. На
мой взгляд, совокупность «отрицательных» эксперимен-
тов дает самые важные и убедительные наблюдательные
основания для теории гравитации.
Роберт Дикке
Для определения отношения между инертной и тяже-
лой массой разных тел, состоящих из неодинаковых ве-
ществ, Ньютон придумал и осуществил опыт, который
был наиболее простым и в то же время наиболее точным
из того, что можно было сделать в его время: он восполь-
зовался маятником. Однако не совсем обычным. Этот
маятник состоял из тонкой упругой нити, один конец ко-
торой был закреплен неподвижно, а к другому был подве-
шен сосуд, в который можно было класть различные
грузы.
Как известно, период качания маятника зависит от
длины подвеса и ускорения силы тяжести земного тяготе-
ния в данной точке земной поверхности. В свою очередь,
ускорение силы тяжести зависит от силы притяжения
Земли (направленной вниз) и центробежной силы (на-
правленной вверх). Сила притяжения данного тела к
Земле (например, груза маятника) определяется тяже-
лой массой Земли, тяжелой массой данного тела н квад-
ратом расстояния между ними, а центробежная сила —
3-125
65
инертной массой данного тела, его расстоянием от центра
вращения (в данном случае: радиусом Земли в данной
точке земной поверхности) и квадратом угловой скорос-
ти (т. е. квадратом угловой скорости вращения Земли).
Мы уже знаем, что на поверхности Земли сила тяготения
намного больше центробежной силы. Сейчас для нас су-
щественно, что ускорение силы тяжести зависит от обеих
указанных причин.
Если для любых различных тел, состоящих из разных
веществ, отношение между инертной и тяжелой нх мас-
сой одинаково, то период качаний маятника не зависит
от того, из какого вещества сделан его груз. Напротив,
если отношение между инертной н тяжелой массой ие
универсально, то период качания маятника зависит от
вещества его груза.
Таков принцип этого опыта. Однако есть еще и важ-
ная техническая его сторона: достаточна лн точность экс-
перимента для обнаружения исследуемого эффекта? Та-
кой вопрос экспериментатор задает себе перед началом
любого исследования. Ответить на него в большинстве
случаев нелегко. Ведь часто, как н в данном случае, ве-
личина ожидаемого эффекта заранее не известна. Более
того, заранее не известно, есть ли этот эффект или его
вообще нет.
Между тем для точного определения длительности
периодов качаний маятника Ньютон не располагал ни
морским хронометром (который лишь спустя 50 лет бу-
дет изобретен Гаррисоном), ни молекулярными или атом-
ными часами (которые разработаны и построены лишь в
XX веке). В его время самыми точными измерителями
временных интервалов были часы с маятником.
Эту трудность Ньютон преодолел опять же самым
простым и лучшим способом: он изготовил два одинако-
вых маятника с нитями по возможности одинаковой дли-
ны. Разумеется, йериоды качаний этих маятников все-та-
кн немного различались. Заставив эти маятники качать-
ся, ои наблюдал, через сколько периодов происходит
первое и второе совпадение фвзы их колебаний. Затем* в
сосуд для груза одного из маятников он клал другое ве-
щество (дерево, золото) и, побудив оба маятника качать-
ся, снова наблюдал, через сколько периодов происходит
совпадение фаз нх колебаний.
Результаты этих опытов оказались отрицательными:
при смеие грузов, состоящих из различных веществ, об-
66
наружить изменение периода качаний маятников не уда-
лось. Отсюда следует, что у разных веществ отношение
между их инертной и тяжелой массой одинаково.
Насколько достоверен этот вывод? Можно ли считать,
что в этом вопросе все вполне выяснено? И да и нет.
Почему? Разве Ньютон поставил свой эксперимент
неверно? Нет, Ньютон задумал и выполнил опыт правиль-
но. Дело же здесь вот в чем... Между экспериментами, в
результате которых получается ответ «да», эффект есть и
равен такой-то величине, и экспериментами, в результа-
те которых получается ответ «нет», эффект не обнару-
жен,— есть существенная разница.
Когда эффект обнаружен и измерен, то в дальнейшем
речь может идти лишь о его уточнении. Например, когда
в 1820 г. Ганс Христиан Эрстед (1777—1851 гг.), помес-
тив магнитную стрелку вблизи от проволоки, по которой
шел электрический ток, обнаружил, что эта магнитная
стрелка отклоняется, то наличие самого эффекта уже
больше не вызывало сомнений и дальнейшие исследова-
ния были направлены на углубление понимания этого
явления, разработку количественного его описания, тех-
ническое использование и т. д.
Между тем отрицательный результат опыта далеко не
столь однозначен и оставляет, по крайней мере, три воз-
можности: 1) эффекта нет; 2) эффект, возможно, есть, но
для его обнаружения и измерения нужен другой метод;
3) эффект, может быть, и есть и примененный метод ис-
следования правилен, но обнаружить его не удалось из-
за недостаточной точности измерений.
Так, например, после того как Эрстед обнаружил дей-
ствие тока на магнит, несколько ученых пришли к заклю-
чению о том, что должно существовать и действие магни-
та на ток. В данном случае имелось в виду следующее:
если электрический ток, текущий по проводнику, вызыва-
ет перемещение (поворот) магнитной стрелки, то и пере-
мещение магнита должно вызвать появление электриче-
ского тока.
Каким должен быть этот эффект: большим, малень-
ким? Как его обнаружить? В 1825 г. Жан Даниэль Кол-
ладон (1802—1892 гг.) занялся решением этой задачи.
Несмотря на молодость, он уже не был новичком в экс-
периментальной физике. Приступая к исследованию влия-
ния магнита иа электрический ток, он, казалось бы, сде-
лал все, что нужно. Для обнаружения и измерения этого
3*
67
эффекта он взял мощный магнит, надел иа него катушку
с большим числом витков проволоки, а концы этой ка-
тушки присоединил к чувствительному измерительному
прибору — гальванометру. При этом он предполагал
(и совершенно правильно!), что при выдвигании магни-
та из катушки должен появиться электрический ток; ему
казалось (и совершенно неправильно’), что этот ток дод-
жей быть длительным..,
Так как магнит, с которым работал Колладон, был
сильным, а гальванометр — прибор очень чувствитель-
ный, то для того, чтобы избежать иепосредствеииого влия-
ния магнита на прибор и проистекающих отсюда искаже-
ний, Колладон вынес гальванометр в соседнюю комнату.
Опыт проводился им так: убедившись, что стрелка галь-
ванометра стоит иа нуле, Колладон шел в другую ком-
нату, вытаскивал магнит из катушки, затем снова шел в
первую комнату и смотрел на гальванометр. Он много
раз повторял этот опыт, и каждый раз оказывалось, что
стрелка гальванометра стоит на нуле.
Что же это означало? Что эффект слишком мал и соб-
ранная им измерительная схема не достаточно чувстви-
тельна для того, чтобы его обнаружить? Что изменение
магнитного поля не вызывает появления электрического
тока и, следовательно, эффекта нет? Как же следовало
оценить этот «отрицательный» опыт?
Майкл Фарадей (1791—1867 гг.) тоже искал этот
эффект и тоже вначале неудачно. Эти поиски, хотя и с
перерывами, велись им около 11 лет. В 1831 г. он собрал
измерительную схему, состоящую нз тороидального
(в форме бублика) железного сердечника толщиной 2 см
и диаметром 15 см, электрической батареи и измеритель-
ного прибора. На железный сердечник были навиты две
обмотки из изолированной проволоки. Одну из этих об-
моток он присоединил к электрической батарее из 10 пар
пластин, другую обмотку замыкала проволока, помещен-
ная над стрелкой компаса. Таким образом, вместо посто-
янного магнита он воспользовался электромагнитом (об-
мотка с током на железном сердечнике), а вместо чувст-
вительного гальванометра — более грубым измеритель-
ным прибором: магнитной стрелкой компаса. Для того,
чтобы избежать непосредственного влияния электромаг-
нита на магнитную стрелку, он тоже отодвинул свой
измерительный прибор от магнита, но лишь на другой
край стола, а не перенес в другую комнату.
68
вил, что разные тела падают с одинаковой скоростью и,
таким образом, опроверг Аристотеля. Между тем этим
опытом была доказана также одинаковость отношения
между инертной и тяжелой массой у различных тел.
Впрочем, значительно менее точно, чем в опытах Ньюто-
на с маятниками.
По словам Дикке *, и Галилей не был в этом деле пер-
вым. Потому что тот первобытный человек, который, сбив
камнем с дерева белку, наблюдал, что камень и его завт-
рак падают на Землю одновременно, по существу тоже
убеждался в одинаковости отношения между инертной
и тяжелой массой у камня и, увы, мертвой белки.
Выводы из этих отрицательных опытов имеют столь
большое значение для понимания природы вещества и
строения Вселенной, что в дальнейшем, в том числе и в
наше время, подобные опыты были несколько раз повто-
рены. Разумеется, каждый раз это делалось со все более
высокой точностью.
ГЛАВА 13
ЕЩЕ ТОЧНЕЕ, ИЛИ ОПЫТЫ
ЭТВЕША
Роланд фон Этвеш (1848—1919 гг.) для сравнения
отношения между инертной и тяжелой массой у различ-
ных веществ разработал и построил очень простой по
своей конструкции и в то же время очень чувствительный
прибор. Этот прибор состоит из тонкой алюминиевой
трубки, нити подвеса и грузов (рис. 21)..Длина трубки
около 40 см. К се середине прикреплена очень тонкая
платино-иридисвая нить толщиной 0,045 мм и длиной око-
ло 70 см. Другой конец этой нити закреплен неподвижно.
К концам трубки подвешены грузы и в ходе опыта их
можно заменять. Для отсчета показаний в приборе име-
ется маленькое зеркальце, укрепленное на нити. С по-
мощью этого зеркальца свет от соответствующего источ-
ника отражается на движущуюся фотографическую
пленку. Вся система заключена в тройной металлический
* Дикке Р. Гравитация и Вселенная. Пер. с англ. М., «Мир»,
1972.
70
чехол для предохранения ее от колебаний воздуха и из-
менений температуры. Отсчет показаний прибора произ-
водится автоматически. Таким образом, прибор Этвеша
это очень чувствительные
однонитные крутильные
весы с зеркальным авто-
матическим отсчетом.
Идея опыта Этвеша та
же, что и эксперимента
Ньютона: сравнение пове-
дения разных тел в поле
тяготения Земли. Напом-
ним: на поверхности Зем-
ли на каждое тело дейст-
вует сила прнтяження,
обусловленная его тяже-
лой массой и одновремен-
но центробежная сила,
обусловленная вращени-
ем Земли и его инертной
массой. Если для разных
веществ отношение меж-
ду инертной н тяжелой
массами не одинаково, то
в принципе это можно об-
наружить по изменению
периода качаний маятни-
ков (Ньютон) нли по от-
клонению крутильных ве-
сов (Этвеш).
В своих первых опытах
между инертной и тяжелой
нерала
Рис. 21. Схема крутильных весов
Этвеша.
Этвеш сравнивал отношение
массой у латуии, стекла, ми-
антимонита и пробки. При этом он обнаружил,
что при переходе от одного вещества к другому измене-
ние направления равнодействующей силы (отвеса) не
превышало 1,7-1 О'5 дуговой секунды. Откуда следовало,
что различие отношения ниертной и тяжелой массы у ис-
следованных тел если н есть, то во всяком случае оно не
превышает пяти стомиллионных долей (5-10“8) массы
тела.
В дальнейшем этот опыт был повторен Этвешом сов-
местно с Пнкаром. При этом была достигнута еше в
10 раз более высокая точность намерений. Исследовали
платину, сплав магналия, дерево, медь, медный купорос,
71
воду, асбест и сало (!). Использование для опытов сала
выглядит довольно экзотично, однако, вполне оправдано
тем, что исследователи хотели измерить и органическое
вещество. Разумеется, выбор такого вещества зависел от
их личного вкуса. В этих опытах постоянство отношения
инертной н тяжелой массы у различных веществ было
установлено с погрешностью, меньшей 5-10~9.
Если иметь в виду различные технические примене-
ния, то можно считать, что результатом, полученным в
этом опыте, вопрос об отношении инертной и тяжелой
массы различных тел исчерпан. В самом деле, ведь из не-
го следует, что если при той же длине маятника его груз
сделан из золота, дерева, сала или любого другого ве-
щества, то это может изменить ход часов не более, чем
на миллиардную долю измеряемого интервала времени.
Между тем ряд других причин приводит к значительно
большим изменениям хода маятниковых часов.
Точно так же при расчете самых тонких механизмов
и даже движения ракет н спутников, точности, с которой
получен результат в опытах Этвеша н Пикара, вполне до-
статочно для того, чтобы считать, что отношение меж-
ду инертной и тяжелой массой одинаково для всех ве-
ществ.
Тем не менее опыт по определению отношения между
инертной и тяжелой массой различных веществ спустя
несколько десятилетий, т. е. уже в наше время, был повто-
рен снова. Зачем?
Это было сделано потому, что в науке решающую роль
играет принципиальная сторона дела, которая в данном
случае заключается в получении ответа на вопрос, уни-
версально ли отношение между инертной и тяжелой мас-
сой любых тел или нет. Иногда такие исследования, от
которых не ожидается непосредственной технической
пользы, принято называть «чистой наукой». О их целесо-
образности Э. Борель пишет так:
«...В тот день, когда прекратится культивирование чис-
той науки как таковой, когда ее чистая красота
перестанет возбуждать умы лучшей части человечест-
ва,— не замедлит обнаружиться быстрое падение ма-
териальной цивилизации; человечество через несколь-
ко веков вернется к состоянию примитивного варвар-
ства или, что еще хуже, варварства организованного
н застывшего — к состоянию, подобному однообраз-
ной жизни муравьев и пчел».
72
Формулировка Бореля резкая и верная. Однако сам
термин «чистая наука» неудачен. Нет науки «чистой» или
«грязной». Таким бывает лишь ее использование. Кстати,
в науке (вспомните ее историю!) уже не раз то, что се-
годня называли «чистым» исследованием, всего лишь че-
рез несколько десятков лет становилось основой техни-
ческого прогресса (например, открытие электромагнит-
ных волн Генрихом Герцем).
Между тем, когда в 1915 г. Альбертом Эйнштейном
(1879—1955 гг.) была создана общая теория относитель-
ности, то универсальность отношения между инертной и
тяжелой массой различных тел послужила одной из ее
основ.
Теория относительности существенно расширила наши
знания о природе и ее закономерностях, позволила пол-
нее и лучше понять строение Вселенной и пути ее разви-
тия. Именно потому, что универсальность отношения меж-
ду инертной и тяжелой массой разных тел легла в осно-
ву общей теории относительности, повторная и еще более
тонкая проверка этой универсальности оказалась особен-
но важной. К тому же во второй половине XX века для
этого уже имелись новые и более совершенные техниче-
ские средства.
ГЛАВА 14
ОПЫТ ДИККЕ, РОЛЛА
И КРОТКОВА
В 1962 г. Р. Дикке, П. Ролл и И. Кротков еще раз по-
ставили опыт по определению отношения, между инерт-
ной и тяжелой массой различных тел. Разумеется, этот
эксперимент был задуман и реализован так, чтобы полу-
чить результат с еще более высокой точностью. Однако
это делалось вовсе не для установления какого-то рекор-
да точности. Ведь, к счастью, ученые почти всегда далеки
от этого. Более того, существует какой-то психологиче-
ский эффект, приводящий к тому, что те,'кто в науке стре-
мятся к рекордам,* как-то незаметно для самих себя пере-
стают быть учеными. Вспомните историю открытия Се-
верного и Южного полюсов. В этой гонке по льдам со
смертью за плечами, из-за стремления быть первым — во
что бы то ни стало, но только первым—сколько без-
удержно смелых людей иногда, как слишком тяжелый
73
груз, бросали в пути не только науку, ио даже дружбу,
благородство...
Нет, в данном случае речь шла не о рекорде. Отрица-
тельный опыт всегда оставляет вопрос отчасти открытым,
и Дикке на основе современной техники хотел старую за-
дачу решить на новый лад.
В принципиальном отношении опыт Дикке не отлича-
ется от опытов Ньютона и Этвеша. В методическом от-
ношении между ними есть важное различие: Ньютон и
Этвеш для своих опытов использовали притяжение меж-
ду пробными телами и Землей, а Дикке — притяжение
между пробными телами и Солнцем. Разумеется, Дикке
не исключил притяжение Земли (что невозможно!), но
на его фоне наблюдал лишь эффект, обязанный притяже-
нию Солнца. Преимущество такого метода заключается
в более четком выделении искомого эффекта иа фоне по-
бочных. Именно это, наряду с использованием богатых
возможностей современной электроники, позволило Дик-
ке по сравнению с Этвешом и Пикаром повысить точность
измерений приблизительно в 500 раз.
Прибор Дикке представлял собой однонитные кру-
тильные весы, состоящие из тонкой упругой нити, верх-
ний конец которой закреплен неподвижно, а к иижиему
подвешены грузы из разных материалов. Нить в этом
приборе была сделана из кварца, два груза состояли из
алюминия и один — из золота. Использование трех гру-
зов вместо двух позволило более удобно и четко выде-
лить ось симметрии прибора. Все устройство было распо-
ложено так, что в б часов утра ускорения грузов, направ-
ленные к Солнцу, были горизонтальны. При этом золотой
груз располагался слева, а два алюминиевых — справа.
Через 12 часов, благодаря вращению Земли, прибор от-
носительно Солнца снова занимал такое положение, что
ускорения грузов, направленные к Солнцу, оказывались
горизонтальными. Однако теперь золотой груз был спра-
ва, а алюминиевые — слева. Таким образом, если для
разных грузов, сделанных из различных материалов, ус-
корение, вызываемое Солнцем, неодинаково, то это долж-
но было привести к повороту системы и закручиванию
нити: утром в одну сторону, вечером — в другую. Следо-
вательно, эффект должен был иметь суточную периодич-
ность.
Отсчет отклонения этих весов проводился с помощью
светового рычага и электронной схемы: пучок света от
74
осветителя попадал на грань полированного кварца,
скрепленного с грузами, отражался от нее, проходил че-
рез линзу, поворотную призму, колеблющуюся нить н по-
падал на фотоумножитель. Таким образом, оптическое
плечо весов (рис. 22) превращало поворот грузов в соот-
ветствующие сигналы переменного электрического тока.
Эти сигналы затем усиливались и поступали на регистри-
рующее' устройство.
Р н с. 22. Структурная схема опыта Р. Дикке, П. Ролла и И. Кроткова,
в котором определялось отношение инертной к тяжелой массы различ-
ных тел.
Когда ведутся столь топкие измерения, то очень важ-
но устранить все посторонние возмущения. Поэтому весы
были помещены в кожух, а из кожуха выкачан воздух.
Затем все это устройство было погружено в глубокий ко-
лодец, в котором очень точно поддерживалась постоян-
ная температура. Таким образом было сведено к мини-
муму большинство внешних искажений, но не все.
Чем чувствительнее весы, тем для них опаснее любые,
даже очень малые сотрясения. Для этих весов опасными
могли быть даже те сотрясения, которые вызывались гру-
зовиками, проехавшими где-то вдали по шоссе. Поэтому
в этом приборе была устроена быстро н четко работаю-
щая электронная система демпфирования. Для этого зо-
75
лотой груз поместили между обкладками конденсатора
обратной связи, так что он являлся частью электронной
схемы прибора (см. рис. 22). При смещении золотого
груза электрическое поле этого конденсатора создавало
противодействующий момент сил, и притом тем больший,
чем больше скорость смещения груза. Таким образом,
вызванные внешними причинами колебания грузов успо-
каивались всего лишь за несколько минут.
Между тем в этих весах имелись и внутренние причи-
ны искажений. Наиболее важная из ннх — дрейф кварце-
вой нити. Дело в том, что даже после длительного отжи-
га тонкая кварцевая нить подбеса крутильных весов все
же очень медленно раскручивается и этот процесс про-
должается месяцами. В данном приборе дрейф нити ис-
ключался с помощью компенсатора дрейфа (см.
рис. 22)—специального блока с программным управле-
нием, который создавал добавочный момент сил, направ-
ленный в сторону, противоположную направлению долго-
временного раскручивания нити.
Все эти технические тонкости, в конечном счете, позво-
лили в данном приборе довести точность отсчета угла по-
ворота рамки с грузами до 10-9 радиана (I).
Процедура измерений иа этих весах была не только
весьма продуманной, ио даже в некоторой мере торжест-
венной: после установки прибора в колодец и всевозмож-
ных проверок вход в шахту запечатывался (!), а все на-
блюдения в течение многих месяцев велись дистанционно
из удаленной от шахты будки.
Результаты этою опыта в смысле определения раз-
личия отношений между инертной и тяжелой массой у
алюминия н золота оказались отрицательными с точ-
ностью до 10-11 (1). Тем не менее в 1971 г. В. Б. Брагин-
ский и В. И. Панов еще раз занялись проверкой эквива-
лентности инертной н гравитационной масс. Это исследо-
вание интересно в нескольких отношениях: во-первых,
оно снова подтвердило универсальность отношения меж-
ду инертной и тяжелой массой различных тел, во-вторых,
изумительная точность измерений, реализованная Р. Днк-
ке, П. Роллом и И. Кротковым. была повышена еще бо-
лее чем в 10 раз, в-третьих, сохранив в общем метод из-
мерений Дикке, Брагинский и Панов создали устройство,
имеющее несколько остроумных отличий.
Прибор Брагинского и Панова представлиет собой
крутильный маятник с грузами из платины н алюминия,
76
Рис, 23. Схема установки В. Б. Брагинского и В, И. Панова
и расположение ее относительно Солнца:
1 — поворотное устройство; 2 — электростатический экран;
8— серый фильтр; 4 — лазер; 5 —барабан с фотопленкой;
6 — маятник; 7 —проводящий эллипсоид; 8— пластины кон-
денсатора; У — зеркальце; 10 — вакуумметр; // — вольфрамо-
вая нить,
подвешенными на тонкой и длинной вольфрамовой ннтн
(рис. 23). Грузов восемь: четыре из платины н четыре нз
алюминия. Длина нити 290 см, диаметр 5-10-4 см. Общий
вес грузов 3,9 г. Период качаний маятника 1,92«104 сек
(5 ч 20 мин). Маятник помещен в стеклянную камеру, в
которой создано высокое разрежение (10-8 торр).
Благодаря вращению Земли, этот маятник в течение
суток занимает разные положения относительно Солнца.
Если бы принцип эквивалентности не выполнялся и су-
ществовало искомое различие между ускорением различ-
ных веществ в поле тяжести, то 1/2 суток на крутильный
маятник действовала бы сила, закручивающая его в одну
сторону, а 1/2 суток — в другую. Таким образом, следо-
вало ожидать суточной периодичности искомого эффекта.
В этом приборе регистрация отклонений маятника ве-
дется с помощью гелий-неонового лазера с серым фильт-
ром, луч которого отражается от зеркальца, укрепленно-
го на нити подвеса маятника и проектируется на барабан
с движущейся фотопленкой. Записанная таким образом
кривая содержит информацию не только об искомом эф-
фекте, но н о различных помехах. Обработка результа-
тов измерений заключается в выделении гармоники с
суточной периодичностью. Так как большинство помех
имеет нерегулярный характер, то такой методический
прием позволяет существенно улучшить точность резуль-
татов измерений. В данном случае относительную по
грешность измерений удалось снизить до 0,9-КН2.
Итак, опыт Дикке, Ролла и Кроткова с погрешностью
до одной стомиллиардной массы груза, а опыт Брагинско-
го и Панова с погрешностью до одной биллионной еще
раз подтвердили универсальность отношения между
инертной и тяжелой массой тел. То обстоятельство, что
для всех веществ отношение между нх инертной и тяже-
лой массой одинаково, делает механику более простой и
стройной наукой по сравнению с тем, чем бы оиа стала,
если бы такое различие имелось. Это же обстоятельство
оставляет непоколебленной одну из основ общей теории
относительности.
Между тем понятие о массе, данное Ньютоном, имеет
некоторые недостатки. Поэтому оно подвергалось крити-
ке как при жизни Ньютона, так и в последующие века.
Его критиковали за то, что для определения массы ис-
пользуется плотность, между тем как эта величина сама
определяется через массу. Кроме того, указывалось, что
78
Часть вторая
ВЗВЕШИВАНИЕ ТЕЛ
МИКРОМИРА
Пифагор за изобретение одного геометрического пра-
вила Зевсу принес на жертву сто волов. Но ежели бы
найденные в нынешние времена от остроумных матема-
тиков правила по суеверной его ревности поступать, то
бы едва в целом свете столько рогатого скота сыскалось.
Словом, в новейшие времена наука столько возросла,
что не токмо за тысячу, но и за сто лет жившие едва
могли того надеяться.
М. В. Ломоносов
...объем науки по числу ученых или по числу публи-
каций удваивается за период от 10 до 15 лет.
...На каждый цикл удвоения населения приходится
по крайней ..мере три удвоения числа ученых, так что
объем науки возрастает за это время в восемь раз,
а число ученых на 1000 населения—в четыре раза.
Научная занятость на душу населения возрастает, таким
образом, гораздо быстрее, чем растет само население.
Дирек П райе (1962 г.)
ГЛАВА 15
КРАСИВЫЕ И ИНОГДА ВЕРНЫЕ
ФАНТАЗИИ
Время из своего семени произвело огонь, ветер и
воду...
Феретрид из Сиро с а (544 г. до н. э.)
Браман решил: я хочу быть многим, я хочу иметь
потомство! И сотворил жар. Этот жар решил: я хочу
быть многим, хочу иметь потомство. И сотворил воды.
Поэтому, когда человек ощущает боль или жар, возни-
кает вода (слезы, пот). Воды решили: мы хотим быть
многим, хотим иметь потомство. И сотворили пищу.
Поэтому, когда идет дождь, появляется обильная пища:
ибо именно из вод рождается пища, которую мы едим.
Хандоша-упанишада (около 500 г. до н. э.).
Наши прапрадедушки отличались от нас не только
отсутствием фактических знаний, по и всей своей точкой
зрения, с которой они рассматривали наблюдаемые ими
факты.
В. Рамсей, В. Оствальд
К началу XIX века соединенными усилиями ученых и
инженеров различных стран были достигнуты значитель-
ные успехи в развитии физики, химнн и различных облас-
тей техники. Особенно большие успехи были достигнуты
80
в области механики, оптики, наблюдательной астрономии
и небесной механики. В то же время в некоторых областях
физики господствовали идеи странные, противоречивые
и неверные. Так, например, считалось, что вещество, элек-
тричество, энергия непрерывны, т. е. могут быть делимы
на сколь угодно малые части. Считалось, что все химиче-
ские вещества состоят из трех или четырех основных, на-
деленных различными свойствами, и представляют собой
их смешение, при котором эти свойства лишь различным
образом комбинируются. Считалось, что в каждом теле —
металлах, растениях, животных — присутствует некое
невесомое вещество — флюид, или горючее начало, кото-
рое улетает при нагревании и т. д.
В XIX и XX веках ученые на основе ряда опытов —
иногда очень сложных и тонких, иногда очень простых и,
казалось бы, давно напрашивающихся — сумели отбро-
сить неверные идеи и высказать новые, придавшие нашим
представлениям о мире значительно большую универ-
сальность и стройность. При этом количество основных
постулатов уменьшилось, а круг их применения расши-
рился.
Таким образом, в науку вошли представления о пре-
рывной, атомной структуре вещества, о прерывности стро-
ения электричества и о прерывности строения энергии.
Ученым открылся микромир — мир мельчайших тел, не-
видимых не только невооруженным глазом, но и в самые
сильные микроскопы. При этом скоро стало ясно, что
познание законов микромира, овладение ими должно спо-
собствовать мощному научному и техническому прогрессу.
Для того чтобы разобраться в явлениях микромира,
нужно было в первую очередь определить основные ха-
рактеристики составляющих его мельчайших тел: массу
и размеры частиц вещества, их электрический заряд, ха-
рактер и величину сил взаимодействия между ними и т. д.
На этом пути ученые встретили много неожиданностей,
много трудностей и сделали целый ряд крупнейших от-
крытий, радикально изменивших наши представления об
окружающем мире, а также существенно преобразовав-
ших технику и промышленность. Далее мы увидим, какую
большую роль в развитии этих идей сыграло определение
массы различных тел микромира. Однако сначала мы
вернемся далеко назад, в глубокую древность, и шаг за
Шагом рассмотрим, что ученые XIX века получили в на-
следство от своих предшественников.
4—125
81
Древний мир подарил нам множество чисто умозри-
тельных теорий, очень причудливых, очень разнообраз-
ных, великолепно фантастических и иногда верных. Если
заранее знать правильный ответ иа какой-либо вопрос
и начать искать сходное высказывание у древних, то поч-
ти всегда таковое находится. Если же правильный ответ
заранее неизвестен, то выбор оказывается много шире,
выбор среди высказываний, противоположных друг дру-
гу, наивных, прозорливых, изумительно проницательных
и совершенно ложных.
Так, например, философы Древней Индии (XV—
XII века до и. э.) иногда упоминают о первичных мате-
риях н атомах, ио для них это лишь одно из проявлений
всемогущества духовного начала, лишь формы, в кото-
рых выражается творение духа.
Более поздним индийским мыслителям (Веды, XII—
X века до н, э.) происхождение физического мира пред-
ставлялось так:
«Дышало бездыханное «то единое», потому что ни-
чего не было, кроме него.
Была тьма; окутанное тьмою, все было вначале од-
ним беспросветным хаосом.
Жизненная сила, заключенная в пустоте, тад экам —
была рождена могуществом тапас («тапас» — жар,
усилие, аскетизм, углубление в самого себя).
Из него сначала развился кама (Эрос, любовь), ко-
торый был первым зародышем манас (души, воли,
ума)» («Рыгведа»)
Затем, утверждают древнеиндийские мыслители,
«жизненная сила» с помощью внутреннего усилия поро-
дила «первичные воды» — нечто вроде праматерии или
первичной субстанции. Далее, по мнению древнеиндий-
ских философов, нз этой первичной субстанции опять же
путем творческого акта духа образовались все тела, все
вещи нашего мира.
В упанишадах (VI—V века до н. э.) к этой субстан-
ции добавляются еще два элемента: земля и огонь. За-
тем индийские философы вводят еще два элемента: эфир
и ветер. Таким образом, более поздняя индийская фило-
софия говорит уже о пяти элементах или субстанциях.
При этом все тела природы представляются состоящими
нз различных комбинаций этих первичных субстанций,
взятых в разных пропорциях.
82
У индийского философа Канады, жившего незадолго
до начала нашей эры, к этим пяти субстанциям добавля-
ется еще несколько; душа (атман), время, пространство,
а также воля и ум (манас), служащие передаточным зве-
ном от чувств к душе. При этом четыре из этих субстан-
ций: земля, огонь, вода и воздух — считаются состоящи-
ми из атомов. Свою атомистическую теорию строения ве-
щества Канада обосновывал чисто умозрительно. Он
рассуждал так: если бы и горчичное зерно, и гора могли
быть разделены на бесконечное число частей, то они бы-
ли бы равны друг другу, потому что бесконечное всегда
равно бесконечному. Между тем гора больше горчично-
го зерна, а слон больше комара. Поэтому представление
о бесконечной делимости материи бессмысленно.
Хотя Канада приходит к правильному выводу, ход
его рассуждений нас удовлетворить не может, так как
ои представляет собой просто ложный силлогизм, лож-
ность которого заключается в том, что одна из посылок
считается доказанной, между тем как это не так. Утвер-
ждение, что бесконечное всегда равно бесконечному,
представляет собой просто неправильное обращение с
бесконечностью. Значит, рассуждает далее Канада, все
вещи состоят из частиц конечного размера, т. е. атомов.
Атомы, согласно Канаде, шарообразны, имеют одинако-
вую величину, но различные качества.
У древних греков первичным элементом сначала слу-
жит земля (Гесиод, IX век до н. э.), потом вода (Фалес,
VI век до н. э.) затем воздух (Анаксимен, VI век до н. э.)
и, наконец, огонь (Гараклит, VI век до н. э.). Затем поя-
вляется учение о четырех первичных элементах: огне,
воздухе, воде и земле (Эмпедокл, 490—430 гг. до н. э.).
Дальнейшее развитие этих идей (Платон, 429—347 гг.
до н. э.) заключалось в предположении о том, что при
соответствующих условиях один элемент может перехо-
дить в другой.
«Прежде всего то, что мы в настоящее время называ-
ем водой, застывши превращается в камень и землю
(по-видимому, намек на горный хрусталь, который в
то время рассматривался как окаменевший лед. —
Прим, переводчика); когда же этот элемент расплав-
ляется и рассеивается, то переходит в пары и огонь.
Когда воздух воспламеняется, то переходит в огонь и,
наоборот, огонь, если он сгущается и угасает, превра-
4*
83
щается в воздух; далее воздух, когда он собирается и
• сгущается, образует облака и пары. Когда эти послед-
ние еще более сгущаются, то они образуют жидкую
воду; вода же, в свою очередь, образует камень и
землю, и так превращение одного вещества в другое
образует круговорот».
Развивая эти идеи, Аристотель (384—322 гг. до и. э.)
полагает, что существует единственный субстрат, но он
всегда выступает снабженный какими-либо двумя свой-
ствами, и в результате этого возникает четыре основных
элемента:
субстрат-1-тепло и сухость дают огонь,
субстрат 4-тепло и сырость дают воздух,
субстрат 4-холод и сырость дают воду,
субстрат4-холод и сухость дают землю.
Итак, по Аристотелю, существует четыре элемента-но-
сителя различных качеств, и некая субстанция, что-то
вроде эфира, которую он называет Hyle. Эта пятая суб-
станция (quinta essentia — квинтэссенция) служит для
элементов объединяющим высшим одухотворенным на-
чалом.
Легко увидеть, что эти рассуждения, несмотря на всю
их фантастичность, не лишены некоторой логики. В са-
мом деле, один элемент может превращаться в другой
потому, что у них общий субстрат и, следовательно, для
превращения достаточно обмена свойствами. Например,
если холод заменить теплом, то вода переходит в воз-
дух. Таким образом, фантастично и в то же время логич-
но объяснен процесс испарения (!).
Итак, по Аристотелю, все тела природы состоят из
субстрата и присущих ему различных качеств.
В отличие от этой точки зрения атомисты Древней
Греции (Левкипп, V век до н. э.; Демокрит, 470—357 гг.
до н. э.; Эпикур, 341—270 гг. до н. э.) представляли ма-
терию состоящей из маленьких неделимых и непроницае-
мых частиц, отличающихся друг от друга величиной и
формой.
Демокрит утверждал, что ьсе атомы существуют веч-
но:
«Атомы не имеют ни начала, ни конца, потому что
первоначальные элементы вещей не могут произойти
от другою элемента и ничто не может закончиться
ничем».
84
По Демокриту, все тела природы представляют собой
лишь различные соединения атомов:
«... атомы, в течение всей вечности, носясь вверх и
вниз, или сплетаются каким-нибудь образом между
собой, или наталкиваются друг на друга и отскаки-
вают, расходятся и сходятся снова между собой в
такие соединения и таким образом, что они произво-
дят и все прочие сложные (тела) и наши тела, и их
состояния и ощущения».
К сожалению, из сочинений Демокрита до нас дошли
лишь разрозненные отрывки. Со значительной частью
взглядов Демокрита мы знакомы лишь по высказывани-
ям Аристотеля, Галена, Цицерона н других философов.
В частности, из приведенных двух отрывков первый ском-
понован Целлером по Аристотелю, второй приведен Га-
леном.
Тем не менее суть взглядов Демокрита и других ато-
мистов Древнего Мира ясна. Все многообразие тел при-
роды, все различия в их качествах объяснялись атомис-
тами чисто количественными различиями, т. е. числом и
сочетанием атомов, составляющих тела. Эта точка зре-
ния уже значительно ближе к нашим современным взгля-
дам на строение вещества.
ГЛАВА 16
ИДЕИ АЛХИМИКОВ
Ртуть холодна и влажна благодаря Луне, опа горя-
ча и суха благодаря Солнцу. Поэтому она обладает
природой воды, земли, воздуха и огня.
Арналъдо да Вилланова
Люди принимали за истину то, что им говорили,
и были довольны. Более того, считали неуместным слиш-
ком много задумываться над тайнами, которые нас окру-
жают. В весьма большом почете была традиция, и знаме-
нитое имя и личный характер человека, защищавшего
определенное учение, имели гораздо больше веса, чем
доказательства внутренней вероятности самого учения.
Этот дух далеко еще не стал исключительным до-
стоянием прошлого...
В. Р а м с е й, В. Оствальд
В средние века господствовал авторитет Аристотеля,
в то время как идеи других ученых древности были неиз-
вестны, забыты или не пользовались доверием.
85
В погоне за миражем философского камня, который
должен был превращать неблагородные металлы в золо-
то и дать обладателям его вечную молодость, алхимики
опирались на идеи Аристотеля, правда, очень своеоб-
разно их истолковывая. Из его учения следовало, что
субстрат у всех тел общий, а значит, превращение их из
одного в другое должно быть возможным. Алхимикам
казалось, что достаточно соответствующим образом сме-
шать несколько различных веществ для того, чтобы та-
ким образом получить другое вещество с нужными ка-
чествами. Поскольку авторитет Аристотеля был непрере-
каем, то превращение элементов казалось алхимикам
делом верным, а получение из неблагородных металлов
золота — вполне возможным. Однако в отличие от древ-
них алхимики уже не только рассуждали, но и ставили
опыты, и таким образом, устремляясь к неверной цели,
правильно решили множество чисто химических задач.
Увы! Эти правильные решения излагались в их трак-
татах наряду с множеством неверных. Излагались язы-
ком герметическим, т. е. скрытным, мало понятным даже
посвященным людям. Например, Раймонд Луллий
(1235—1315 гг.) получение философского камня описы-
вал так:
«Возьми меркурий философов, обжигай его, пока не
превратится в зеленого льва. Продолжай обжигание:
он превратится в красного льва. На песчаной бане
нагрей красного'льва с кислым спиртом винограда и
выпаривай: меркурий обратится в род камеди, кото-
рую можно резать ножом. Положи камедь в перегон-
ный снаряд и перегоняй: получишь безвкусную жид-
кость, спирт и красные капли. Стенки перегонного ку-
ба покроются, как тенью, легким налетом, а в пробир-
ке останется истинный дракон, ибо он съедает свой
хвост. Возьми этого черного дракона, разотри его на
камне, прикоснись раскаленным углем; ои воспламе-
нится: воспроизведешь зеленого льва. Пусть он съест
свой хвост. Снова перегоняй: получишь жгучую воду
и человеческую кровь — это и есть элексир».
Дюма (1800—1856 гг.) показал, что этот рецепт пред-
ставляет собой описание сухой перегонки уксусно-свин-
цовой соли. Меркурий обозначает свинец, зеленый лев —
окись свинца, красный лев — сурик, черный дракон —
порошок свинца с углистым веществом. Получающиеся
86
при описанной процедуре продукты окрашены в бурый
цвет. Эти продукты могут восстанавливать золото из,рас-
творов, содержащих соли золота. Таким образом, в дан-
ном случае рецепт, хотя и изложен герметическим язы-
ком, имеет вполне реальный смысл. Во многих других
случаях в рецептах алхимиков смысл отыскать так и не
удалось (если только он был).
Нередко в книгах алхимиков, чем пышнее и реши-
тельнее было то или иное высказывание, тем меньше в
нем было знания, а подчас и смысла. Многие рассужде-
ния алхимиков безнадежно пусты. Например, врач Лю-
довика XIV Дю-Клоз (XVII век) переход жидкости в
твердое состояние описывает так;
«Причиной перехода жидкостей в твердое состояние
является, очевидно, сухость, ибо это свойство, пред-
ставляющее противоположность влажности, делаю-
щей тела жидкими, может вызвать действие, проти-
воположное тому действию, которое вызывается
влажностью, именно отвердевание жидкостей».
И все же именно алхимики ввели еще три элемента:
ртуть, соль и серу. Два из них являются уже настоящи-
ми элементами в современном смысле (впрочем, некото-
рые алхимики элементами считали также масло, флегму
н спирт). Именно алхимиками были приобретены те зна-
ния, которые в дальнейшем послужили основой химии.
ГЛАВА 17
«ПРИРОДА... С ВЕСАМИ В РУКАХ»
Природа, даже через посредство людей, никогда
не производит соединения иначе как с весами в руках —
по весу и по мере.
Ж. Л. Пруст
В эпоху Возрождения ученые постепенно освобожда-
ются и от сковывавшего их мысль авторитета древних
авторов, и от свойственного мыслителям средневековья
схоластического способа рассуждать. Передовые умы
этой эпохи начинают понимать, что знания нужно чер-
пать не из хитрых силлогизмов и комментариев на ком-
ментарии, а из наблюдений н опыта. В XVII веке об этом
еще спорят, но уже четко формулируются принципы но-
вой науки:
87
«Какие принципы должны быть признаны первичны-
ми для однородных тел, может быть познано не пу-
тем догадок, а только на основании добросовестных,
детальных и прилежных наблюдений (И. Юнгиус,
1642 г.).
«... я теперь понимаю под элементами некоторые при-
митивные или простые или совершенно несмешанные
вещества; эти вещества, не будучи составленными из
других веществ или друг из друга, являются состав-
ными частями, нз которых непосредственно состоят
все те тела, называемые совершенными смесями, и на
которые этн последние в конечном результате разла-
гаются» (Р. Бойль, 1661 г.).
Это определение химических элементов, сделанное в
XVII веке, соответствует н нашему современному поня-
тию о них. Увы, при тогдашнем уровне эксперименталь-
ной химии осуществить эту программу и выделить прос-
тые вещества было еще крайне трудно. Эксперименталь-
ная химия во времена Бойля была в основном качест-
венной, а ие количественной. Поэтому решить, какие ве-
щества являются элементами, а какие их соединениями,
часто не представлялось возможным.
Наблюдая реакции окисления и восстановления, уче-
ные XVII—XVIII веков объясняли нх участием в реак-
циях некоей тончайшей материн — флогистона. При этом
считалось, что прн горении, окислении и тленин флогис-
тон из веществ выделяется, а при реакциях восстановле-
ния металлов флогистон в них входит. Как потом выяс-
нилось, флогистон оказался научным миражем. Однако,
для того чтобы это доказать, потребовались десятилетия
и прежде всего введение в химию нового для нее метода
точного взвешивания.
Применив при химических исследованиях весы, Ла-
вуазье (1743—1794 гг.) показал, что при окислении ртуть
становится тяжелее и, напротив, при разложении крас-
ной ртутной окиси вес получившейся металлической рту-
ти меньше веса окиси. Более того, уловив кислород, вы-
делившийся при разложении ртутной окиси, Лавуазье
показал, что сумма весов кислорода и ртути оказывает-
ся равной весу окиси ртути.
Из первого опыта следовало, что если только флогис-
тон существует, то его масса должна быть отрицатель-
ной, а из второго — что флогистон невесом. Противоре-
88
Сейчас, т. е. во второй половине XX века, известно,
что этот спор должен быть решен совсем по-иному и без
побежденных. Теперь мы знаем, что есть обширный класс
химических соединений, для которых строго выполняет-
ся закон простых отношений. Так, например, в ряду пре-
дельных углеводородов водород и углерод вступают
между собой в соединения с различным, но всегда прос-
тым (целым, а не дробным) соотношением компонент,
образуя соответственно этан СгНе, пропан СзЩ, бу-
тан С4Н10, пентан СзН12 и т. д.
Однако известно также, что существует не менее об-
ширный класс химических соединений переменного сос-
тава, У целого ряда кристаллов, например цеолитов: дес-
мина, шабазита, гейландита и др., содержание воды
изменяется не скачками, а непрерывно. Есть сплавы, в от-
дельных зернах которых относительное содержание сос-
тавных частей может меняться в определенных и притом
довольно широких пределах. Например, сплав меди и
циика с зернами одинакового состава может существо-
вать при относительном содержании цинка от 35,5 до
53,7%.
Итак, спустя сто с лишним лет научный спор был ре-
шен и принята следующая точка зрения:
«В настоящее время совокупность данных физико-хи-
мического анализа позволяет утверждать с полной
уверенностью, что обе стороны правы в своих утвер-
ждениях, но что точка зрения Бертолле является бо-
лее общей» (Н. С. Курнаков, 1936 а.).
Вернемся теперь снова к началу XIX века. В те вре-
мена химическая наука еще не располагала многими тон-
кими методами и приборами: они были изобретены позд-
нее. Поэтому многие эффекты, связанные с переменным
составом сплавов, попросту еще не могли быть об-
наружены. Это и предопределило временное поражение
идей Бертолле. Между тем точка зрения Пруста о су-
ществовании закона постоянных отношений во многих
опытах хорошо подтверждалась, а в последующие деся-
тилетия получила дальнейшее развитие.
1808 г. Джон Дальтон (1766—1844 гг.), развивая ато-
мистические взгляды на строение различных тел, при-
шел к выводу о том, что простые вещества образуют
сложные соединения, так что 1 атом вещества Л соединя-
ется с 1 или 2 атомами вещества В, 2 атома вещества А
90
соединяются с 1 атомом вещества С и т. д. Нетрудно ви-
деть, что этот закон кратных отношений Дальтона на-
ходится в соответствии с законом постоянных отношений
Пруста. Дальтон считал, что основным свойством ато-
мов является их неразрушимость, а основная их харак-
теристика— это вес. Он полагал, что атомы различных
элементов отличаются друг от друга, а атомы однород-
ного вещества одинаковы и между собой неразличимы.
Из такого взгляда, естественно, вытекало, что химичес-
кие соединения представляют собой атомы различных
элементов, прочно связанные в те или иные группы, или,
как мы теперь говорим, молекулы. Интересно отметить,
что Дальтон, по-видимому, не знал о работах Пруста и
из чисто теоретических соображений пришел к тому же
выводу, к которому тот пришел экспериментальным пу-
тем.
Правильное и достаточно полное объяснение закона
постоянных отношений было дано в 1811 г. Амедео Аво-
гадро (1776—1856 гг.), который высказал следующую ги-
потезу: равные объемы газов при одинаковых внешних
условиях (т. е. при одинаковых температуре и давле-
нии) содержат одинаковое число молекул. В дальнейшем
количество граммов вещества, численно равное его мо-
лекулярному весу, было названо грамм-молекулой, а чис-
ло молекул в одной грамм-молекуле любого вещества —
числом Авогадро. Таким образом, по Авогадро, то, что
два литра водорода при соединении с литром кислорода
дают два литра водяного пара, или в современных хими-
ческих символах
2H.2 + Os->2HaO,
объясняется содержанием в каждом литре (при одина-
ковых внешних условиях) одинакового числа двухатом-
ных молекул соответствующих газов. При химической
реакции образования водяного пара двухатомные моле-
кулы водорода и двухатомные молекулы кислорода пе-
регруппировываются в трехатомные соединения — мо-
лекулы водяного пара.
Гипотеза Авогадро позволяет пойти еще дальше:
«Исходя из этой гипотезы (то есть одинакового чис-
ла молекул в равных объемах газов), мы, очевидно,
имеем способ оче«ь легко определять относительные
массы молекул соединений, которые могут быть полу-
91
Чены в газовом состоянии..., потому что отношение
масс молекул газов точно такое же, как отношение
плотностей этих же газов при одинаковых темпера-
туре и давлении... Так числа 1,10359 и 0,07321 выра-
жают плотности газов кислорода и водорода, если
принять плотность атмосферного воздуха за единицу;
следовательно, отношение этих двух чисел представ-
ляет собой отношение масс равных объемов этих
двух газов; на основании гипотезы она выражает и
отношение масс нх молекул. Масса молекулы кисло-
рода, следовательно, в 15 раз больше массы молеку-
лы водорода, точно в 15,074 раза».
Таким образом, гипотеза Авогадро не только обосно-
вывает закон простых отношений, но и дает возможность
определить относительные массы молекул различных ве-
ществ. При этом, однако, число молекул в данном объе-
ме газа и их масса пока остаются неизвестными.
В последующие десятилетия учеными была продела-
на большая работа и накоплен значительный материал
о различных химических соединениях. Так, например,
только Берцелиус (1779—1848 гг.) проанализировал око-
ло 2000 различных химических соединений. В результате
удалось не только подтвердить закон постоянных отно-
шений, но и построить шкалу относительных атомных
весов, т. е. таблицу, в которой указано, во сколько раз
атомный вес данного элемента больше или меньше атом-
ного веса другого элемента, принятого за единицу.
По предложению Дальтона, атомный вес, равный
единице, условно был приписан водороду, как самому
легкому из всех элементов.
Построенные на этой основе таблицы атомных весов
дали для всех элементов приблизительно целочисленные
значения.
В дальнейшем, по предложению Берцелиуса, вместо
водорода в качестве единицы для отсчета атомных ве-
сов был взят кислород. В экспериментальном отношении
это было намного удобнее, потому что кислород соединя-
ется со значительно большим количеством элементов, чем
водород.
Единица для отсчета атомного веса получила назва-
ние атомной единицы массы (а. е. л:.). По условию,
атомный вес кислорода был принят равным точно
16,0 а. е. м. (табл. 1).
92
Таблица I
Атомный вес некоторых элементов
Элемент	Химический символ	По данным		По данным	
		1818 г.	1826 г,	1932 г.	1957 г.
Водород	н	1,1 12,0	1,о	1,0078	1,0080
Углерод	с		12,2	12,00	12.011
Азот	N	28,2	14,2	14,009	14,008
Кислород	О	16,0	16,0	16,000	16,0000
Фосфор	р	62,8	31,4	31,02	30,975
Сера	S	32,2	32,2	32,066	32,066
Хлор	С1	70,8	35,4	35,456	35,457
Таблицы атомных весов элементов, построенные на
основе кислорода (атомный вес которого условно при-
нят равным точно 16,000) также дали для различных
элементов приблизительно целочисленные значения. Ес-
ли бы речь шла о трех или четырех элементах, то еще
можно было бы считаться с вероятностью того, чго их от-
носительный атомный вес лишь случайно оказался цело-
численным. Для девяти элементов, по расчетам Стретта,
вероятность того, что атомные веса элементов случайно
расположатся около целочисленных значений; не превы-
шает 0,001.
В начале XIX века, когда горячо обсуждался вопрос
о смысле целочисленного отношения атомных весов, бы-
ло известно уже 35 химических элементов. Для 35 эле-
ментов вероятность случайного расположения атомных
весов около целочисленных значений настолько мала, что
практически ее нет смысла принимать во внимание.
Итак, в начале XIX века взвешивание нескольких де-
сятков элементов позволило сделать заключение, что их
относительные атомные веса имеют целочисленные зна-
чения. При этом, естественно, возникало по крайней ме-
ре два вопроса:
1) какой физический смысл имеет эта целочислен-
ность;
2) не связана'ли все-таки целочисленность относи-
тельных атомных весов элементов просто с недостаточно
точным взвешиванием и не является ли она, таким обра-
зом, научным миражем.
93
ГЛАВА 18
ГИПОТЕЗА ПРОУТА И ОЦЕНКА
ГИПОТЕЗ
Между числами, выражающими весовые количества,
в которых соединяются между собой простые тела, об-
разуя сложные соединения, не существует общего дели-
теля.
Я пришел к абсолютному убеждению и глубокой
уверенности, насколько это возможно для человека в
таких вопросах, что закон Проута есть лишь иллюзия,
простая спекуляция, определенно противоречащая опыту.
X С. Стас (1840 г.)
Гипотеза Проута явилась одной из самых плодотвор-
ных из когда-либо предложенных научных гипотез.
Д. Фриш, А. Торндайк (1966 г.)
В 1815 г. для объяснения распределения атомных ве-
сов элементов около целочисленных значений Проут
(1786—1850 гг.) предложил гипотезу о том, что все эле-
менты образовались из водорода путем его конденсации.
Из этой гипотезы, естественно, следовало, что атомные
веса всех элементов должны быть целыми кратными
атомному весу водорода. Гипотеза Проута выгодно отли-
чается от взглядов философов Древнего Мира. В самом
деле, их субстанции даже не являются простыми вещест-
вами и они лишь носители качеств-, первоматерия — во-
дород— вещество, при этом вещество простое и одно-
временно легчайший из элементов.
В начале XIX века идеи Проута нашли горячих сто-
ронников и не менее горячих противников. Сторонников
привлекала простота и стройность его гипотезы. Против-
ники свои возражения аргументировали тем, что из ги-
потезы Проута следует точная целочисленность атомных
весов элементов, которая иа самом деле не имеет места.
При этом, указывали они, чем выше становится точность
измерений атомных весов, тем заметнее это расхождение.
Кроме того, хлор н некоторые другие элементы явно име-
ют не целочисленный атомный вес (см. табл. 1).
Как же быть? Принять или отвергнуть гипотезу Проу-
та? Здесь мы сталкиваемся с вопросом о том, должна ли
быть принята или отвергнута определенная гипотеза на
основании ограниченного числа данных, полученных с
ограниченной точностью. Вопрос достаточно важный, по-
тому что все научные гипотезы принимаются или отвер-
94
гаются на таком же основании. Между тем точность из-
мерений всегда ограничена уровнем техники, а число дан-
ных— практическими соображениями.
Такова реальная действительность. Поэтому ученые
выработали определенные приемы для получения из ог-
раниченных данных ответов следующего типа:
1)	гипотеза неправильна и отвергается;
2)	гипотеза правильна (практически достоверна) и
принимается;
3)	данных или точности измерений для суждения о
достоверности гипотезы недостаточно. Вопрос о ее пра-
вильности остается открытым.
Простейший и наиболее употребительный из приемов
для суждения о достоверности гипотезы заключается в
следующем: исследуемая величина, например относи-
тельный атомный вес элемента, измеряется несколько
раз, а в качестве истинного (точнее, условно истинного)
берется среднее арифметическое значение результатов
этих измерений.
Такой метод является вынужденным, потому что ис-
тинное значение нам заранее неизвестно, а все данные,
полученные из опыта, в некоторой мере не точны.
Однако для суждения о правильности гипотезы опре-
делить среднее значение — значит сделать лишь полдела,
н в этом мы сейчас убедимся.
Предположим, что при определении относительного
атомного веса хлора сделано всего два измерения, из ко-
торых найдены значения Л1 = 35 и Лг = 36. Среднее ариф-
метическое (или истинное) значение равно соответствен-
но ЛСр —35,5. Можем ли мы на основании этих измерений
сказать, что атомный вес хлора не целочисленный? Для
ответа на этот вопрос нам необходимо оценить погреш-
ность измерений. В данном случае она составляет
±0,5 единицы атомного веса. Запишем окончательный
результат измерений в более полном виде: Л = 35,5±0,5.
Теперь хорошо видно, что отклонение найденного атомно-
го веса хлора от целочисленного значения, равное 0,5, не
превышает погрешности измерений, тоже равной 0,5.
Таким образом, на основании этих измерений из-за их
недостаточной точности гипотеза о нецелочисленности
атомного веса хлора не может быть ни принята, ни от-
вергнута.
Предположим теперь, что при определении атомного
веса хлора сделано 20 измерений и притом с большей
95
точностью, чем в предыдущем случае. Пусть получено
значение атомного веса хлора ACp = 35,4, а погрешность
измерений равна ±0,1 (Л=35,4±0,1). В рассмотренном
случае отклонение атомного веса хлора от целочисленно-
го значения более чем в три раза превышает погрешность
измерений и это позволяет с достаточной достоверностью
утверждать, что гипотеза о нецелочисленности значения
атомного веса хлора верна. Часто для сокращения запи-
си, вместо того чтобы указывать величину погрешности
измерений, приводят лишь значение самой величины с
определенным числом значащих цифр. Например, вместо
А = 35,4±0,1 пишут просто А = 35,4. Такая запись означа-
ет, что предпоследняя цифра вполне точна, а последняя
приблизительна.
В таблице атомных весов (см. табл. 1) атомный вес
хлора по данным 1826 г. равен 35,4; по данным 1932 г.—
35,456, а по данным 1957 г. — 35,457. По этим значениям
хорошо видно, как с течением времени повышалась точ-
ность измерений атомного веса и что атомный вес хлора
не является целочисленным.
Если воспользоваться более полными современными
таблицами атомных весов элементов, то можно убедить-
ся, что это исключение не единственное. Однако у боль-
шинства элементов значения атомных весов все же очень
близки к целочисленным.
Как же объяснить то, что у одних элементов относи-
тельный атомный вес целочисленный, а у других нет?
Нужно ли гипотезу Проута окончательно отвергнуть?
ГЛАВА 19
ЗАГАДКА НЕЦЕЛОЧИСЛЕННОСТИ
АТОМНОГО ВЕСА ЭЛЕМЕНТОВ
Древние греки (Эсхил, «Агамемнон») оставили нам
трагический образ Кассандры — пророчицы, которая ви-
дела будущее, правильно его предсказывала, но которой
никто не верил.
В науке нередко высказываются взгляды, являющие-
ся мощным предвидением, освещающим путь ученым на
многие десятилетия вперед; имеют место и ложные взгля-
ды, надолго задерживающие ее развитие. Иногда в ней
возникает такое драматическое положение, когда пра-
96
вильное предвидение высказано и отвергнуто, а лож-
ное— мираж — принято и долго маячит, уводя с пра-
вильного пути. Именно такая ситуация сложилась в
XIX веке в вопросе о целочисленности атомного веса эле-
ментов.
В самом начале XIX века Дальтон высказал пять по-
стулатов, которые легли в основу современной химии.
Это было глубокое предвидение, указавшее правильный
путь химикам на целые десятилетия вперед. И сам же
Дальтон одной необоснованной формулировкой тех же
постулатов серьезно запутал ученых. При .этом то, что
научный авторитет Дальтона был очень высок, в даль-
нейшем только усугубило трудности.
В своем пятом постулате Дальтон определение поня-
тия «элемент» или «химический элемент» дал следующим
образом: все атомы одного и того же элемента одинако-
вы и равны по весу. В современной науке химическими
элементами называют вещества, имеющие постоянные
химические свойства и не разложимые на другие состав-
ляющие никакими химическими процессами.
Таким образом, первая часть определения, данного
Дальтоном, если только иметь в виду одинаковость в хи-
мическом отношении, вполне соответствует нашему со-,
временному пониманию слова элемент. Вторая часть это-
го определения — равенство по весу всех атомов данного
элемента — чистая гипотеза.
Когда эксперимент показал, что у некоторых элемен-
тов атомный вес явно не целочисленный, то можно было,
отвергнув точку зрения Проута, принять взгляд Дальто-
на.
Однако можно было также, сохранив идею Проута,
предположить, что элементы состоят из смеси атомов
разного веса, но имеющих одинаковые химические свой-
ства.
В этом случае атомный вес отдельных составляю-
щих мог быть целочисленным, а их смесь могла давать не
целочисленный средний атомный вес. Эта вторая возмож-
ность не то что была отвергнута, а просто в те времена
никому не приходила в голову, так как с точки зрения
химика казалось просто невероятным, чтобы вещества
имели разный вес и одинаковые свойства. В результате
на многие годы перевес получила точка зрения Дальтона.
Лишь в 1886 г., т. е. уже в конце XIX века, Вильям
Крукс высказал иную точку зрения:
97
«...если мы говорим, например, что атомный вес каль-
ция равен 40, мы в действительности выражаем тот
факт, что большинство атомов кальция в действи-
тельности имеют атомный вес 40, но не исключена
возможность, что некоторые имеют вес 39 или 41 и
еще меньшее количество — 38 и 42 и т. д.».
Нужно по достоинству оценить смелость Крукса, его
прекрасную научную фантазию и умение рассуждать.
Крукс вполне отчетливо понимал, что до тех пор, пока
атомный вес элементов определяется не для отдельных
атомов, а как средний вес очень большого их числа, пред-
положение о разном атомном весе отдельных атомов од-
ного и того же элемента столь же обоснованно, как и
противоположное суждение.
Выступление Крукса было тем более смелым, что экс-
перименты, производившиеся в то время по диффузии и
разделению элементов, неизменно оканчивались неуда-
чей.
Развивая эти идеи дальше, Крукс высказал опять-та-
ки правильную мысль о том, что у атомов данного эле-
мента, имеющих различный вес, должны оказаться раз-
личными их оптические спектры. Для доказательства
этого он путем дробного осаждения, как ему казалось,
разделил элемент нттрий на несколько компонент и ис-
следовал их спектры. Процесс дробного осаждения дли-
тельный и кропотливый. Когда он был выполнен, Крукс
для отдельных компонент действительно получил различ-
ные спектры. Эти опыты и погубили его правильную
мысль, так как прн дальнейших исследованиях выясни-
лось, что наблюдаемые им различные спектры на самом
деле принадлежали другим элементам, которые присутст-
вовали в исследуемом им веществе в виде малых приме-
сей.
Теперь мы знаем, что прав был Крукс и что атомы од-
ного и того же элемента, но разного веса существуют и
действительно дают разные спектры. Кроме того, теперь
ясно, почему их не смогли обнаружить тогда: разделение
таких атомов диффузией мало эффективно и требует при-
менения чрезвычайно тонкой методики. В то время этого
попросту еще не научились делать.
Однако случилось так, что экспериментальная по-
грешность Крукса сразу подорвала доверие к его взгля-
дам, а это привело к тому, что его правильная идея об
98
атомах данного элемента, имеющих различный вес, была
на долгое время, на целые десятилетия, отброшена.
Только в 1910 г. в связи с развитием исследований по
радиоактивности Фредерик Содди возродил идею о ве-
ществах, идентичных по своим химическим свойствам,
ио имеющих различный атомный вес. Для того чтобы ход
его рассуждений был более понятен, вспомним некоторые
элементарные сведения о радиоактивности. Радиоактив-
ные элементы самопроизвольно испускают заряженные
Рис, 24. Схема радиоактивных превращений семейства урана.
а- и р-частицы. а-Частица имеет электрический заряд,
равный + 2 (единиц заряда), и массовое число, равное
4. Электрический заряд р-частицы равен — 1, а ее атом-
ный вес составляет лишь около 1/2000 единицы атомного
веса.
В результате последовательного испускания этих час-
тиц происходит превращение элементов. При а-распаде
атомный номер уменьшается на две единицы, а массовое
99
число на четыре, что соответствует на схеме рис. 24 сме-
щению влево и вниз. При p-распаде заряд ядра увеличи-
вается на единицу, что соответствует смещению вправо.
Например, 238Ug2 (уран, имеющий заряд ядра, равный
+ 92, и массовое число, равное 238 единицам атомного
веса) в результате последовательного испускания 8 а-час-
тиц и 6 р-частиц (см. рис. 24) последовательно превраща-
ется в торий-234, протактиний-234, уран-234, торий-230,
радий-226, радон-222, полоннй-218, свннец-214, вис-
мут-214, затем таллий-210 и, наконец, стабильный сви-
нец-206.
Принято говорить, что эти последовательно распада-
ющиеся элементы образуют радиоактивное семейство,
родоначальником которого является уран-238, а конеч-
ным продуктом — стабильный свинец-206.
В другом радиоактивном семействе, где родоначаль-
ником является уран-235, конечным продуктом оказыва-
ется стабильный свинец-207. В третьем радиоактивном
семействе, где родоначальником является торнй-232, ко-
нечным продуктом оказывается стабильный свннец-208.
Существует также стабильный свинец нерадиогенного
происхождения — свинец-204. Таким образом, атомный
вес природного свинца должен зависеть от соотношения
этих компонентов. Содди указал на то, что свинец нз ура-
новых минералов должен иметь атомный вес несколько
меньший, а свинец из ториевых минералов — атомный
вес несколько больший, чем обычный свинец из нерадио-
активных руд.
Эти предположения были блестяще подтверждены
экспериментом. Исследование обычного свинца, свинца
из цейлонского торита н свинца из норвежского уранини-
та дали соответственно значения атомного веса, равные
207,19; 207,77 и 206,08.
Следовательно, хотя и по усредненным пробам, но
вполне четко было показано существование веществ с
одинаковыми химическими свойствами н различным
атомным весом.
В периодической системе элементов вещества распо-
лагаются в порядке возрастания их атомных номеров,
причем каждому элементу отводится отдельное место, от-
дельная клеточка. Так как вещества с одинаковыми хи-
мическими свойствами имеют один и тот же атомный но-
мер, то, несмотря на различие их атомного веса, в перио-
100
дической системе элементов они должны размещаться в
одной и той же клеточке.
Поэтому Содди предложил такие вещества называть
изотопами (по-гречески ifiog — одинаковый, толод—
м.есто).
Открытие изотопии, казалось бы, полностью объясни-
ло вопрос о нецелочисленности атомного веса природных
элементов, так как можно было предположить, что все
дело лишь в том, что они представляют собой некоторую
смесь отдельных изотопов.
Это на некоторое время вновь возродило гипотезу
Проута. Однако ненадолго. Прошло лишь несколько де-
сятилетий и спор между сторонниками и противниками
этой гипотезы был снят появлением других более глубо-
ких физических идей.
Далее мы увидим, сколь большую роль в развитии
этих новых идей сыграло определение массы отдельных
атомов.
ГЛАВА 20
ВЗВЕШИВАНИЕ «МЕШКА» АТОМОВ
Если вы можете измерять и выражать в числах то,
о чем говорите, то об этом предмете вы кое-что знаете;
если же вы не можете сделать этого, то ваши познания
скудны и неудовлетворительны. Быть может, они и пред-
ставляют первый шаг исследования, но едва ли позво-
лительно думать, что ваша мысль продвинулась до сте-
пени настоящего знания.
Лорд Кельвин
Итак, многие десятилетия химики имели дело лишь с
относительными атомными весами элементов, Когда по-
надобилось разработать методы определения абсолютно-
го веса атомов, то на помощь химикам пришли физики.
Они применили свои очень чувствительные методы иссле-
дования и изобрели ряд новых, еще более чувствитель-
ных и после десятилетий упорной работы открыли боль-
ше, чем вначале искали.
Рассмотрим, как была определена масса атома. До-
пустим, что вам предложили взвесить пшеничное зерно,
а вы располагаете лишь заведомо грубыми весами, чув-
ствительность которых не превышает одного грамма. При
решении такой задачи можно либо взвесить мешок зер-
101
на, а потом, сосчитав число зерен в нем, найти средний
вес одного зерна; либо изобрести и построить достаточ-
но чувствительные весы, а потом на них взвесить одно
зерно.
Каждый из этих методов имеет свои преимущества и
недостатки. Первый метод проще, но он не позволяет изу-
чить различия между отдельными зернами. Второй —
сложнее, но открывает возможность исследования от-
дельных зерен.
Сначала ученые пошли первым путем. Они взвешива-
ли различные тела достаточно большого объема, а потом
считали количество содержащихся в них частиц. Так как
число частиц оказалось огромным, то для их счета, в
свою очередь, понадобились специальные методы. Один
из этих методов имеет довольно длинную историю.
102
В 1827 г. ботаник Роберт Броун (1773—1858 гг.), наблю-
дая под микроскопом каплю жидкости, обнаружил, что
плавающие в ней крупинки неживого вещества соверша-
ют быстрые и неправильные движения. Правильное объ-
яснение этого броуновского движения было даио Карбо-
нелем в 1880 г. и заключается в том, что крупника, пла-
вающая в жидкости, смещается под действием
нерегулярных ударов молекул. Если с помощью микрос-
копа, снабженного окулярной шкалой, отмечать положе-
ние крупинки через определенные промежутки времени
(например, через каждые 10 секунд), то можно вычер-
тить крайне причудливую траекторию ее движения
(рис. 25).
В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879—1955 гг.) построил
теорию броуновского движения, из которой, в част-
ности, следовало, что смещение крупинки обратно про-
порционально квадратному корню из числа Авогадро,
т. е. числа молекул в одной грамм-молекуле вещества.
Так как остальные члены в формуле Эйнштейна могли
быть получены независимо, то из нее следовала возмож-
ность определения числа Авогадро.
Первые измерения такого рода были проделаны Жа-
ном Перреном (1870-^-1942 гг.), который получил значе-
ние числа Авогадро, равное Af=6,82-102e кмоль-1 с по-
грешностью около 30%.
В 1915 г. Вестгрен проделал большое число измере-
ний над частичками коллоидного золота, серебра и селе-
на, имевшими радиус около 0,00001 см, и получил чнсло
Авогадро, равное N = (6,05± 0,03) • 1026 кмоль-1, т. е. с по-
грешностью около 0,5%. Еще большая точность в опре-
делении числа Авогадро была достигнута измерением
числа частиц в твердых кристаллических телах с по-
мощью рентгеновских лучей.
Эта методика основана на том, что при отражении
рентгеновских лучей от кристалла на экране или фото-
пленке возникает дифракционная картина в виде опре-
деленным образом расположенных светлых и темных пя-
тен. Зная длину волны рентгеновских лучей, по расстоя-
нию между этими пятнами можно определить постоян-
ную решетки кристалла, т. е. расстояние между его части-
цами.
Если известно расстояние между частицами н тип
кристалла (кубический, ромбоэдрический и т. д.), то
можно уже легко вычислить число частиц в единице его
103
объема. С помощью таких измерений в пятидесятых го-
дах нашего века было получено зиаченне числа Авогад-
ро N= (6,0228±0,0011) • 1026 кмоль-1.
Зная число Авогадро, уже не представляет труда оп-
ределить массу любого атома, которая равна его атом-
ному весу, поделенному на число Авогадро. Например,
масса атома водорода равняется
Ми = — = —1’007?-.- = 1,6733  10~а7 кг,
N 6,0228-10м
а масса атома кислорода
М. = А =.. 16’0000. . = 26,566  10"27 кг.
° N 6,0228-Ю2?
Аналогичным образом были вычислены средние значе-
ния массы атомов н других элементов. В дальнейшем
значение числа Авогадро было определено с еще более
высокой точностью и соответственно были уточнены зна-
чения масс атомов.
Таким образом, поставленная цель была достигнута:
была определена масса атомов различных элементов. Од-
нако, как и следовало ожидать от метода взвешивания
мешка зерна, для каждого элемента это было лишь сред-
нее значение массы данного типа атомов.
Между тем физиков продолжала занимать мысль: ка-
ковы различия между атомами данного элемента? Для
того чтобы ответить на этот вопрос, нужно было научить-
ся взвешивать отдельные атомы.
На первый взгляд такая задача может показаться не-
разрешимой. Ведь самые чувствительные аналитические
весы, микровесы, электрические весы и все их остроум-
ные модификации дают возможность взвешивать грузы,
величина которых не меньше микрограммов, т. е. милли-
онных долей грамма. Масса атомов оказалась порядка
Ю~27-т-1(У"26 кг, т. е. в 1016 раз меньше чувствительности
самых чувствительных весов. Тем не менее при использо-
вании некоторых новых методов ученым удалось взвесить
отдельные атомы.
Рассмотрим, как это было сделано и какие из этого
последовали грандиозные теоретические и технические
результаты.
104
ГЛАВА 21
ИОНЫ ВЗВЕШЕНЫ,
А ЗАГАДКА НЕЦЕЛОЧИСЛЕННОСТИ
ЛИШЬ УГЛУБИЛАСЬ
В чем заключается польза такого крайнего усовер-
шенствования искусства измерения?.,, для большей
части... законов существуют кажущиеся исключения, и
это относится в особенности к тем случаям, когда на-
.блюдения доходят до какого-либо крайнего предела...
Почти наверное можно сказать, что подобные иссле-
дования приводят не к опровержению закона, а скорее
к открытию новых фактов н законов, под влиянием ко-
торых и возникали кажущиеся исключения.
А. А. Майкельсон (1899 г.)
В обычном состоянии атом любого вещества электри-
чески нейтрален. Однако если его разделить, то получа-
ются две частицы и обе электрически заряженные. Их
называют ионами. При этом отрицательным иоиом яв-
ляется электрон, а положительным — ядро атома с не-
сколькими оставшимися электронами. Именно положи-
тельный ион является носителем индивидуальности ато-
ма, а также почти всей его массы (более 99,9%). Таким
образом, желая узнать массу атома, мы можем взвесить
соответствующий положительный ион. Такая замена вы-
годна в том отношении, что на заряженную частицу осо-
бым образом действуют электрическое и магнитное поля,
а это позволяет придумать новый, крайне чувствительный
метод взвешивания.
Метод определения массы ионов различных веществ
был разработан в 1911 г. Дж. Дж. Томсоном (1856—
1940 гг.) и заключается в следующем. На заряженную
частицу в электрическом поле действует сила F
(рис. 26, а). Если положительный ион, движущийся с не-
которой скоростью и, пролетает между двумя заряженны-
ми электродами, которые создают электрическое поле Е,
направленное перпендикулярно к его движению, то он от-
клоняется. Отклонение тем больше, чем больше напря-
женность электрического поля Е, и тем меньше, чем боль-
ше кинетическая энергия иона mv2/2. Картина получается
примерно такой же, как при действии сильного бокового
ветра иа лодку. Если лодка легкая и движется медленно,
to боковой снос будет заметным. Если лодка тяжелая
(например, моторный катер) и движется быстро, то боко-
105
вой снос будет менее заметным. Действие магнитного
поля на движущийся ион отличается тем, что направле-
ние силы Лоренца и соответственно смещение оказывают-
ся перпендикулярными как к направлению скорости иона,
так и к направлению магнитного поля (рис. 26, б). При
' 'Н
д
Рис. 26. Силы, действующие на заряженную части-
цу, движущуюся в электрическом (а) и магнит-
ном (6) полях.
этом смещение иона оказывается тем больше, чем боль-
ше напряженность магнитного поля Н, и тем меньше, чем
больше импульс частицы mv.
Таким образом, отклонение пучка ионов в электриче-
ском поле позволяет определить их энергию mv2(2, а от-
клонение в магнитном поле — их импульс mv.
Посмотрим теперь, как этим воспользовался Томсон
для определения массы нонов. Прежде всего нужно было
получить пучок положительных ионов. Для этого он из-
готовил установку (рис. 27), в которой сосуд С через со-
ответствующие отверстия 01 и 0% заполняется исследуе-
мым газом. К электродам А и К. приложено высокое на-
пряжение порядка (34-5) *104 в. Под действием этого на-
пряжения электроны вырываются из атомов и газ в сосуде
ионизуется. Отрицательные ионы (электроны) устрем-
ляются к положительно заряженному электроду +Л, а
положительные ионы — соответственно к отрицательно-
му электроду —К- В отрицательном электроде сделано
цилиндрическое отверстие — канал, через который пучок
положительных ионов выводится в левую часть установ-
ки. Попутно эти ионы проходят между заряженными
электродами -f-t/i и —U2, создающими электрическое по-
ле, н полюсами магнита, создающими магнитное поле
(см. рис. 27). Для устранения взаимного влияния и воз-
106
можных искажений обе части установки разделены маг-
нитным экраном, сделанным из мягкого железа. Таким
образом, пучок ионов достигает фотопластинки уже под-
вергнувшись отклонению в электрическом и магнитном
полях. Экран служит для визуального наблюдения сме-
Магнитный
Рис. 27. Установка для изучения положительных ионов методом парабол.
щения пучка иоиов и используется при иаладке уста-
новки.
Каким же будет изображение на фотопластинке? Ес-
.ли бы все ионы имели одинаковые заряды, массу и ско-
рость, то при включении электрического поля они откло-
нились бы вниз и попали бы в точку 1 (см. рис. 27). Точ-
ка О соответствует неотклоиенному пучку. При тех же
условиях и включении только магнитного поля все ионы
отклонились бы вбок и попали в точку 2. При включении
обоих полей одновременно ионы попадут в точку 3. Од-
нако все это справедливо лишь при одинаковых зарядах,
массе и скорости ионов. Осуществляются ли эти условия
в данной установке? Оказывается, что заряд большинст-
ва ионов равен +1 (в единицах элементарного заряда),
а некоторых +2. При этом различить такие и$ны не со-
ставляет большого труда. Что касается скорости, то она
оказывается вовсе не одинаковой для различных ионов.
Таким образом, реальным условиям опыта соответст-
вует положение, когда заряды и масса ионов одинаковы,
а скорость различна. При этом под действием электриче-
ского и магнитного полей новы попадают уже не в одну
1Г ту же точку, а в зависимости от скорости располагают-
ся по отрезку параболы. Если в сосуде С содержится не
107
один газ, а смесь нескольких, то пучок положительных
ионов состоит из- нескольких групп ионов с разной мас-
сой. Тогда на фотопластинке получается изображение не-
скольких отрезков парабол. Причем каждый отрезок со-
ответствует ионам с одной и той же массой (рис. 28).
Рис. 28. Параболы Томсона	Рис. 29. Параболы Томсона для
для ионов водорода, кислорода	неона и некоторых других веществ,
и ртути.
На рис. 28 видно центральное пятно, соответствующее
неотклоненному пучку. Видны отрезки парабол, соответ-
ствующие ионам водорода: положительному Н+ и отри-
цательному Н~, а также ионам кислорода О и ртути Hg.
Кроме того, для повышения точности измерений на той
же фотографии получена еще одна серия парабол при
другом направлении электрического поля (нижняя часть
фотографии).
Теперь подведем некоторые итоги. Метод парабол
впервые позволил измерить массу отдельных ионов, а не
среднюю массу большого их числа. Это позволило сде-
лать ряд важных выводов. Рассмотрим некоторые нз них.
То, что на спектрограмме (см. рис. 28) получились не
размытые пятна, а резкие линии, доказывает, что группы
атомов одного и того же элемента имеют (по крайней ме-
ре в пределах точности опыта) одинаковые массы. Даль-
нейшие исследования методом парабол позволили непо-
108
средственно обнаружить изотопы стабильных элементов.
На рис. 29 наряду с параболами, соответствующими
одно-, двух- и трехзарядным ионам одного и того же изо-
топа, видны также отрезки парабол, соответствующие
ионам неона с различным атомным весом 22Ne и 20Ne. Раз-
личные изотопы были обнаружены сначала у нескольких,
а потом у всех элементов.
Каким же оказался атомный вес изотопов? Почти це-
лочисленным. Таким образом, как и предсказывал Крукс,
нецелочисленный атомный вес элементов мог быть объ-
яснен тем, что они представляют собой природную смесь
иесколькнх изотопов с разными атомными весами. Одна-
ко осталось неясным, почему отдельные изотопы имеют
не точно, а лишь почти целочисленный атомный вес. Что
здесь: погрешность опыта или опять в двери ученых сту-
чится неизвестное?
ГЛАВА 22
ВЗВЕШИВАНИЕ ИЗОТОПОВ
...мы должны искать наши будущие открытия в
шестом десятичном знаке... каждое средство, способст-
вующее точности наблюдений, может явиться средством
будущего открытия...
А. А. Майкельсон (1899 г.)
Физики уже не раз сталкивались с тем, что даже не-
большое несовпадение эксперимента с теорией — это
важный сигнал. Такое несовпадение может быть триви-
альным и объясняться просто тем, что имеются погрешно-
сти в эксперименте или допущены неточности в теории.
Однако иногда оказывается, что оно обязано более глу-
бокой причине, существованию нового, дотоле неизвест-
ного эффекта. В этом случае обнаруженное расхождение
теории и опыта нужно расшифровать так: к вам стучится
новое. Можно ли войти?
В такой ситуации отдельные ученые ведут себя по-
разному. Одни следуют хорошему старинному правилу,
которое еще в XIV веке высказал Уильям Оккам: entia
non sunt multiplicanda praeter necessitatem (сущности не
следует умножать сверх необходимости). Это правило
можно истолковать так: не придумывай новых гипотез
для объяснения новых фактов, до тех пор пока не исчер-
паны все возможности объяснения их старыми, основан-
ию
ними на проверенных фундаментальных знаниях теория-
ми. Ученые, являющиеся сторонниками такого взгляда,
упорно повторяют опыты, совершенствуя методы и тех-
нику измерений, или улучшают существующие теории,
учитывая ряд побочных факторов и уточняя расчеты.
Другие ученые, посчитав, что в данном вопросе возмож-
ности существующей теории исчерпаны, а измерения до-


Рис. 30. Масс-спектры, полученные на масс-спектрографе Астона
в 1920 г. Числа соответствуют атомным весам различных изотопов.
статочио точны н достоверны, строят новые гипотезы.
Какой нз этих путей правильней? Как когда.
В вопросе о нецелочисленности атомного веса элемен-
тов ученые уже прошли длинный н полный неожиданнос-
тей путь. Мы видели, что после открытия изотопов этот
вопрос не отпал, а стал лишь еще более интересным и
тонким. В самом деле, почему атомный вес отдельных
изотопов оказался лишь почти целочисленным? Ведь если
ядра атомов построены из однотипных элементов, то, ка-
залось бы, атомный вес изотопов должен быть только це-
лочисленным.
Ученые поняли, что в данном вопросе повышение точ-
ности измерений может вскрыть глубокие и принципи-
альные явления. Началась борьба за повышение точнос-
ти измерений. Метод парабол оказался для этой цели
мало пригодным. При широком отверстии в катоде тако-
го прибора (см. рис. 27) линии на фотопластинке получа-
ются толстыми, а при сужении этого отверстия резко па-
дает нх яркость. Кроме того, точным измерениям мешает
то, что линии получаются нерезкими, с полутенями по
краям. В методе парабол изображение, соответствующее
нонам с одинаковой массой (точнее, с одинаковым удель-
ным зарядом е/m), растянуто по отрезку дуги параболы.
Поэтому яркость этих линий мала.
В 1919 г. Астон предложил новый метод фокусировки
пучка ионов, который позволил в значительной мере пре-
одолеть дефекты метода парабол. Разработанный и по-
но
строенный Астоном прибор получил название масс-спект-
рографа.
В масс-спектрографе Астона электрическое и магнит-
ное поля расположены так, что электрическое поле от-
клоняет и рассеивает пучок ионов, а магнитное поле
отклоняет пучок в противоположную сторону и вновь су-
жает его, в результате в одном месте собираются все
ноны с одним удельным зарядом, а в другом — все ионы
с другим удельным зарядом, и изображение получается в
Источник
ионов w
диафра&ма
а
Рис. 31. Схема (а) и устройство (б) масс-спектрографа Астона.
виде отдельных более или менее резких и коротких чер-
точек (рис. 30).
Рассмотрим теперь схему и устройство масс-спектро-
графа Астона (рис. 31). Прибор состоит из источника
ионов, двух узких параллельных щелей Щу и Ш.2, двух
параллельных пластин /71 и /7г, к которым приложено уп-
равляющее электрическое напряжение, диафрагмы, мощ-
ного постоянного магнита, экрана и фотопластинки. Ис-
точник нонов состоит из сосуда, заполненного исследуе-
мым газом, анода, катода со щелью Щ\ и антикатода.
Между анодом и катодом приложено высокое напряже-
ние от 2-10* до 5-104 в, которое и вызывает ионизацию.
1П
Ионы, созданные в сосуде источника, проходя через ще-
ли н Щг, образуют узкий пучок частиц (см. рис. 31 ,б).
Этот пучок отклоняется в электрическом поле, причем
угол отклонения обратно пропорционален энергии частиц
mv2/2. Таким образом, происходит разложение пучка
ионов по энергии. Затем, этот же пучок ионов попадает в
однородное магнитное поле, которое направлено так, что-
бы отклонить ноны в обратную сторону. Магнитное поле
а >?	-’С

Рис. 32. Масс-спектры, полученные Астоном в 1937 г. Числа соответ-
ствуют атомным весам различных изотопов.
отклоняет ионы на угол, обратно пропорциональный им-
пульсу частиц mv. При прохождении ионов последова-
тельно через электрическое и магнитное поля, располо-
женные так, как это показано на рис. 31, а, те из ионов, у
которых удельный заряд е/т одинаков, собираются на
экране или фотопластинке в одной и той же точке.
Если в первоначальном пучке содержатся ноны раз-
личных изотопов, то вследствие различия их удельных
зарядов они фокусируются в разных местах экрана и со-
здают там изображение в виде отдельных линий (см.
рис. 30). Определение массы того или иного изотопа про-
водится сравнением линий от исследуемого изотопа с
эталонными линиями, полученными на той же спектро-
грамме от изотопов, масса которых известна. Отношение
расстояний между ними позволяет определить отноше-
ние их масс. Разрешающую способность этого прибора
можно оценить по спектрограмме (см. рис. 30), на кото-
рой различию атомного веса на единицу соответствует
смещение линий на несколько миллиметров.
Уже первый масс-спектрограф Астоиа, построенный
по этому принципу и работавший с 1919 до 1925 г., по-
зволил измерить атомные веса изотопов с погрешностью
меньше 1%. Однако отличие атомного веса некоторых
изотопов от целочисленных значений тоже составляет
лишь единицы процентов. Поэтому такая точность не
смогла удовлетворить ученых;
112
В 1918 г. Демпстером для взвешивания иоиов был
разработан метод и прибор, основанный иа несколько
ином принципе фокусировки. В приборе ионы исследуе-
мого вещества получались при испарении металла с
накаленной спирали. Ионы из спирали вылетали с относи-
тельно небольшой скоростью и затем разгонялись в элек-
трическом поле. Это позволило Демпстеру получить пу-
чок ионов, имеющих почти одинаковую энергию, поэтому
для разделения их по массе оказалось достаточным ис-
пользовать лишь одно магнитное поле. Таким образом,
была достигнута точность приблизительно в сто раз луч-
шая, чем в первом приборе Астона.
В 1925 г. Астон усовершенствовал свой масс-спектро-
граф и довел его разрешающую способность до 10-4, т. е.
0,01%. Для этого длина пути ионов в приборе была уве-
личена вдвое, улучшены форма отклоняющих пластин,
стабилизация магнитного поля и т. д.
В последующие годы Демпстер, потом Смайс и Мат-
таух, а затем Нир разработали некоторые новые принци-
пы фокусировки ионов и, построив соответствующие при-
боры, достигли замечательной точности измерения мас-
сы изотопов. Высокая чувствительность прибора Нира
позволяла обнаружить наличие данного изотопа, смешан-
ного с другими, даже если его относительное содержание
составляло лишь 1/100000 весовую долю от основного.
В 1937 г. на своем третьем, еще более усовершенство-
ванном масс-спектрографе Астон получил спектрограм-
мы масс четкие, резкие и с хорошей дисперсией, т. е.
большим смещением положения линий при изменении
массы изотопа (рис. 32). Это позволило ему определить
атомные веса изотопов с точностью до пятого знака. Та-
ким образом, погрешность его измерений составляла
лишь тысячные доли процента (табл. 2).
Различают химическую шкалу атомных весов, где за
основу принята естественная смесь изотопов кислорода,
которой н приписан атомный вес, точно равный 16,0000,
и физическую, в которой точное значение 16,0000 припи-
сано изотопу кислорода 160з. Приведенные в табл. 2
значения атомных весов изотопов даны в физической
шкале. С 1961 г. за основу для построения таблицы атом-
ных весов элементов принят углерод, так как оказалось,
что сравнение с ним более удобно и дает более точные
результаты. Такая шкала названа единой, и в ней изото-
пу 12С приписан атомный вес 12,0000.
5—125
113
Таблица 2
Атомный вес некоторых изотопов
Изотоп	Химичес- кий символ	Атомный вес	
		По Астону, 1937 г.	По Маттауху, 1938 г.
Водород-1	ХН1	1,00812-1-0,00004	1,008132+0,0000038
Дейтсрий-2	SDj	2,01471 ±0,00007	2,014726±0,0000074
Гелий-4	4Не2	4,00391+0,00016	—
Углерод-12	12Св	12,00355±0,00015	12,00387±0,000032
Кислород-18	«о,	18,0057±0,0002	18,0037 + 0,0007
Неон-20	2“Ие1л	19,9986+0,0006	19,99896+0,000066
Хлор-35	35С117	34,9800±0,0008	—
Аргон-40	*»Аг18	39,9754+0,0014	39,97564+0,000153
В тридцатых годах нашего века были разработаны
масс-спектрографы с двойной фокусировкой [Демпстер
(1935 г.), Бейнбридж и Демпстер (1936 г.), Маттаух
(1936 г.)], в которых при использовании электрических и
магнитных полей специальной формы удалось получить
чрезвычайно острую фокусировку и хорошую дисперсию.
Эти приборы позволили снизить погрешность измерений
до 10_6, т. е. десятитысячных долей процента (см. табл. 2).
Если принять во внимание, что масса ионов составляет
лишь 10-27—10-2S кг, тс, конечно, такую точность нужно
признать великолепной. Между тем, в последующие дес»,
тнлетия точность измерения массы частиц возросла еще
в десятки раз.
Самым легким положительным ионом является про-
тон — ядро атома водорода. В 50-х годах нашего века
была определена масса протона тр= 1,6724-10-27 кг с по-
грешностью около 0,005%. В 60-х годах было найдено ее
значение, равное (1,67239 ± 0,00004) • 10-27 кг, т. е. с по-
грешностью около 0,002%. По данным, полученным к
1972 г., масса протона составляет (1,672651 3±
±0,000 0087) • 10-27 кг, т. е. она найдена с погрешностью
всего лишь около 0,0005%.
Такая высокая точность измерений достигается очень
не легко, и в своем стремлении к ней исследователи
столкнулись с проблемами совсем особыми. Рассмотрим
некоторые из них.
Если одна и та же величина измерена несколькими
учеными и при этом получены разные результаты, то ка-
кое значение считать правильным? Среднее арнфметиче-
114
ское из всех измерений? Но ведь не исключено, что из
10 исследователей по крайней мере один проводил из-
мерения плохо или просто допустил ошибку. При простом
усреднении это одно плохое измерение сыграет роль лож-
ки дегтя в бочке меда и исказит общий результат.
Откажемся от простой средней и перейдем к улучшен-
ной. Для этого сначала по всем результатам отдельных
измерении определим простую среднюю. Затем вычислим
отклонение каждого отдельного результата от этой прос-
той средней. После этого каждому отдельному результа-
ту припишем определенный «вес»: большой, если откло-
нение этого результата от средней мало, или малый, если
отклонение от средней велико. Таким образом, «хоро-
шие» измерения получают большой «вес», а «плохие» —
маленький.
Далее каждое отдельное значение искомой величины
умножим на его «вес», все эти произведения сложим, а
их сумму разделим на сумму весов. Найденная таким об-
разом улучшенная средняя, конечно, намного более до-
стоверна, чем простая средняя. И все же, не проявлена
ли при этом излишняя совестливость? Ведь при такой об-
работке результатов исследований «плохие» измерения
все же влияют на окончательный результат.
Поступим по-другому: для некоторых результатов от-
дельных измерений одной и той же величины найдем
простое среднее значение и отклонение каждого отдельно-
го результата от этого простого среднего. Затем те значе-
ния, которые сильно отклоняются от простой средней, от-
бросим, а по остальным вычислим улучшенное среднее
значение искомой величины, которое и посчитаем пра-
вильным.
Этот метод лучше предыдущих, по таит новую опас-
ность: используя для расчетов только «хорошие» значе-
ния, мы судим о том, что они «хорошие» лишь потому, что
они хорошо согласуются между собой. Между тем, если
даже эти измерения выполнены различными исследова-
телями, но одним и тем же методом, то не исключено, что
все они содержат какую-то одинаковую систематическую
погрешность.
Есть еще один путь: искомая величина определяется
по данным разных исследователей, работавших разными
методами, а обработка результатов выполняется преды-
дущим методом, т, е. с отбрасыванием плохих данных
и нахождением улучшенной средней.
5*	115
Этот путь самый надежный. Многочисленные провер-
ки показали, что он дает обоснованные и достаточно до-
стоверные результаты. Имеино таким путем в последние
годы были получены столь точные значения массы про-
тона и некоторые другие важные величины.
ГЛАВА 23
МАССА ЭЛЕКТРОНА МЕНЯЕТСЯ
ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЕГО СКОРОСТИ
В начале XX века учеными были сделаны иовые опы-
ты и высказаны новые физические идеи, которые значи-
тельно углубили наши представления о строении вещест-
ва, и в частности о массе тел. Эти работы по существу
создали новую современную физику и новую энергетику.
Прн этом немалую роль сыграло найденное учеными объ-
яснение нецелочислениости атомных весов отдельных
изотопов. Однако прежде чем изложить эти идеи, целе-
сообразно сначала рассмотреть некоторые опыты, кото-
рые осветили вопрос о массе тел с особой стороны и тем
самым подготовили ученых к дальнейшим решающим
шагам.
Когда Томсон с помощью метода парабол измерял
массу положительных ионов, то в колбе источника ионов
(см. рис. 27) создавались как положительные, так и от-
рицательные частицы. Затем положительные ионы через
отверстие в катоде выводились в другую часть прибора,
где и исследовались.
Для того чтобы взвесить электроны, Томсон восполь-
зовался таким же прибором, но при этом изменил поляр-
ность на электродах колбы источника и таким образом
вывел через щель пучок отрицательно заряженных час-
тиц — электронов.
Условия фокусировки для электронов такие же, как
и для положительных ионов, только в соответствии с дру-
гим знаком заряда их отклонение происходит в другую
сторону. Зная величину напряженности электрического
и магнитного полей в приборе и измерив смещение пятна
на экране или фотопластинке, Томсон смог вычислить
удельный заряд электрона е/tn. Так как заряд электрона
был уже известен, то он смог найти и массу электрона,
116
которая оказалась равной те=9 • 10—31 кг, что приблизи-
тельно в 2000 раз меньше массы атома водорода.
Прибор Томсона, как мы уже говорили, имеет неко-
торые недостатки: так, например, иа его экране пятныш-
ко получается несколько размытое, не очень яркое, с по-
лутенью. Поэтому точность измерений иа нем невысокая.
Рис, 33. Схема вакуумного прибора для определения удель-
ного заряда электрона.
В двадцатых — тридцатых годах нашего века, благо-
даря развитию техники высокого вакуума, ученые смогли
для определения массы электронов построить значитель-
но более совершенные приборы. В вакуумном приборе
такого рода (рис. 33) источником электронов служит ме-
таллическая нить, накаливаемая электрическим током от
батареи Вылетающие из нити электроны имеют отно-
сительно небольшую скорость. Поэтому, проходя через
ускоряющее электрическое поле, созданное батареей Бч
и включенное между катодом и анодом, все электроны
приобретают почти одинаковую скорость.
Пройдя через отверстие в аноде, узкий пучок элект-
ронов попадает в управляющее электрическое поле, рас-
положенное между отклоняющими пластинами П\ и Пч.
Тут же на пучок электронов действует и магнитное поле,
созданное мощным магнитом. Под действием электриче-
ского поля электроны в этом приборе отклоняются по го-
ризонтали влево (см. рнс. 33, точка /), а под действием
магнитного поля — по горизонтали вправо (точка 2).Точ-
ка О соответствует несмещенному изображению.
Включая и выключая эти поля, можно на экране труб-
ки получить соответственно смещенное и несмещенное
117
изображение. При этом пятно получается маленьким, яр-
ким и резко очерченным, потому что все электроны име-
ют почти одинаковую скорость. К тому же вследствие от-
сутствия в колбе прибора газа рассеяние электронов по
пути к экрану не происходит.
С помощью такого прибора удалось определить массу
электрона с погрешностью, не превышающей долей про-
цента. Полученное таким образом значение массы элект-
рона оказалось равным me=9,106« 10-31 кг.
До сих пор, говоря о весе различных тел илн о их мас-
се, мы не упоминали, лри какой скорости тела проводи-
лось взвешивание. Молчаливо подразумевалось, что это
попросту не имеет значения.
В макромире, т. е. в мире больших тел, обычно взве-
шивают неподвижные объекты, потому что неподвижное
тело взвешивать проще, чем движущееся. Лишь иногда
оказывается удобней взвешивать объекты в движении,
например железнодорожные вагоны. Однако прн этом
никому не приходит в голову, что движение железнодо-
рожного вагона может как-то изменить его вес. Скажем
сразу, что практически — и притом с высокой степенью
точности — так оно на самом деле и есть.
При определении массы тел микромира: атомов,
ионов, электронов, в том числе и таких, которые двигались
с большой скоростью, — ученые по традиции или по инер-
ции ума первоначально также считали, что масса тела не
зависит от его скорости. Однако всегда ли это верно?
В самом конце XIX века учеными деятельно обсуж-
дался вопрос о природе электрона и его строении. Для
того чтобы первоначально покоившееся тело привести в
движение, нужно совершить некоторую работу. Эта ра-
бота, называемая механической, идет на преодоление
инерции тела. Механическая работа тем больше, чем
больше масса тела и квадрат приданной ему скорости:
А — ти2/2.
Для того чтобы первоначально покоившийся электрон
привести в движение, тоже нужно совершить некоторую
работу, но не только механическую. Ведь если покоящий-
ся электрон создает лишь электростатическое поле, то
движущийся, кроме того, создает еще и магнитное поле,
и тем большей величины, чем больше его скорость. Для
того чтобы создать это магнитное поле, тоже нужно совер-
шить некоторую работу. Величина этой работы тоже про-
порциональна квадрату скорости электрона.
118
Таким образом, заряженное тело, когда изменяют его
скорость, проявляет добавочную инертность, т. е. ведет
себя как тело с добавочной массой.
А может быть, инертность электрона целиком обяза-
на электрическим вилам и, таким образом, вся его масса
электромагнитного происхождения? Такую гипотезу в
1881 г. выдвинул Джозеф Томсон. Макс Абрагам (1875—
1922 гг.) и Гендрик Лоренц (1853—1928 гг.) развили эту
идею дальше и, в частности, вывели формулы зависимос-
ти массы электрона от его скорости.
Однако строение электрона они представляли по-раз-
ному: Абрагам — в виде абсолютно твердого шарика, а
Лоренц — в виде шарика упругого, который при переме-
щении сжимается в направлении движения, и притом тем
больше, чем больше его скорость. Поэтому и их формулы
получились различными.
Итак, обе теории приводили к тому, что масса элект-
рона должна зависеть от его скорости, но давали разное
выражение и соответственно разную величину этой зави-
симости. В обе формулы (Абрагама н Лоренца) входит
отношение скорости электрона к скорости света в пусто-
те. Таким образом, ясно было одно: эффект изменения
массы со скоростью должен быть заметен при скоростях
электрона, сравнимых по величине со скоростью света.
Этот важный научный спор должен был решить опыт.
Нужно было определить массу электронов при различ-
ных и притом достаточно больших скоростях, составляю-
щих сотни тысяч километров в секунду.
В 1901 г. Вальтер Кауфман (1871 —1947 гг.) измерил
массу электронов, движущихся с большой скоростью.
Для этого он воспользовался уже известным нам мето-
дом парабол Томсона.
Однако если в опыте Томсона исследовались различ-
ные ионы, имевшие относительно небольшую скорость
движения, то в опыте Кауфмана исследовались одинако-
вые частицы — электроны, но имевшие относительно
большую скорость. В качестве источника Кауфман ис-
пользовал радиоактивный препарат, испускающий ^-из-
лучение, т. е. быстрые электроны. Одной из особенностей
^излучения является то, что вылетающие частицы имеют
непрерывный спектр скоростей, т. е. в потоке частиц пред-
ставлены все скорости от нулевой до некоторой предель-
ной, характерной для каждого данного радиоактивного
препарата.
119
Прибор Кауфмана (рис. 34) представляет собой ва-
куумную трубку, с одного края которой расположены ис-
точник электронов и диафрагма, а с другого — экран или
фотопластинка. В середине трубки, на пути пучка элект-
ронов, расположены отклоняющие пластины /7: и П2,
между которыми с помощью электрической батареи со-
ри с. 34. Схема опыта Кауфмана.
+U
Рис. За. Расположение парабол
опыте Кауфмана,
здается разность потенциалов —U2. Там же располо-
жен постоянный магнит М. Таким образом, создаются
электрическое и магнитное поля, отклоняющие движу-
щиеся от источника к экрану электроны.
В результате изменения направления электрического
поля, т. е. переключения полярности электрической бата-
реи, Кауфман получил иа
фотопластинке не одну, а две
кривые (рис. 35). Тоика О
соответствует неотклоиенно-
му лучу. Кривые не доходят
до точки О потому, что ско-
рость частиц ограничена
сверху. Однако самым су-
щественным в этих кривых
оказалось то, что они не яв-
ляются параболами.
Вспомним, что в опыте
Томсона (см. гл. 21) каждой
группе ионов, имеющих раз-
120
личные скорости, ио одинаковую массу, соответствуют
различные отрезки парабол. Отличие экспериментальных
кривых от парабол показывает, что при изменении ско-
рости электрона непрерывно меняется его удельный за-
ряд: elm. Однако по ряду соображений заряд электрона
меняться не может. Значит меняется его масса. Таким об-
разом то, что в опыте Кауфмана получилась непрерывная
кривая, отличная от параболы, свидетельствовало о том,
что при разных скоростях масса электрона различна. Раз-
бив экспериментальную кривую на отдельные участки,
Кауфмаи по расстоянию от осей для каждого из них вы-
числил значение скорости и удельного заряда соответст-
вующих групп электронов (табл, 3).
Таблица 3
Зависимость удельного заряда и массы электрона от его скорости
Скорость влас трока о. 108 м/сек	Удельный заряд электрона е/т. 10” к/кг	Масса електро- на т, КГ*’8 кг	Относительное приращение масеы т/та
2,36	1,31	1,23	1,35
2,59	0,97	1,65	1,81
2,83	0,63	2,54	2,80
Так как заряд электронов неизменен, то из этих же
данных получаются значения массы электронов при той
или иной их скорости.
ГЛАВА 24
КОГДА КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
ПЕРЕСТАЕТ БЫТЬ ПРАВИЛЬНОЙ!
...Точка зрения может быть последовательной и в то
же время неправильной.
Дж. Шварц (1965 г.)
К концу XIX века в физике создалось довольно на-
пряженное положение: нецелочислениость атомного веса
изотопов была установлена в ряде точных опытов. Этот
экспериментальный факт не вызыввл сомнений, а объяс-
нения не получил. Изменение массы электрона со ско-
ростью было вполне нвдежио установлено Кауфманом.
121
Он же пришел к заключению, что формула Абрагама
правильно описывает характер зависимости массы элект-
рона от скорости. Однако исходные допущения, на основе
которых была выведена эта формула, казались слишком
искусственными и потому неубедительными. Такой же
представлялась и теория электрона, разработанная Ло-
ренцем.
Та или иная теория редко удовлетворяет ученых, ес-
ли лежащие в ее основе допущения придуманы специ-
ально для объяснения данного факта. Напротив, если ос-
нованная на немногих допущениях теория правильно
объясняет целую группу фактов и верно предсказывает
некоторые новые явления, то такая теория надолго вхо-
дит в основной фонд науки.
Масса покоящегося электрона в те годы'приинмалась
равной то — 9,106-10-31 кг. Между тем из опытов Кауф-
мана следовало, что при скорости электронов около 0,8 с
(с=3-108 м/сек, — скорость света в пустоте) она увеличи-
вается приблизительно на 35%, а при еще больших ско-
ростях даже на несколько сот процентов. Таким образом,
наличие самого эффекта зависимости массы тела от его
скорости ие вызывало сомнений. Значительно сложнее
обстояло дело с объяснением этого эффекта.
Современное значение массы покоящегося электрона
(по данным, полученным к 1972 г.*) равно (9,109548±
±0,000047) • 10“31 кг. Легко видеть, что в данном вопро-
се это уточнение не меняет сути дела.
Для объяснения изменения массы электрона со ско-
ростью в те годы были предложены две модели электро-
на: Абрагам посчитал электрон абсолютно твердым ша-
риком, а Лоренц предположил, что электрон является
шариком упругим, деформирующимся при двнженнн. Со-
ответственно, по Абрагаму, зависимость массы электрона
от его скорости имеет вид:
а по Лоренцу:
• Б. Тейлор, В. Паркер, Д. Лангенберг. Фундаментальные кон;
станты и квантовая электродинамика. Пер. с англ. М., Атомиздат,
1972.
122
Здесь те— масса движущегося электрона; то — масса
покоящегося электрона; $ = v/c; с=3-108 м/сек — ско-
рость света в пустоте; v — скорость электрона.
Теперь оставалось сделать еще один н, казалось,
очень небольшой шаг: вычислить по этим формулам зна-
чения массы электрона при разных скоростях и сравнить
их с результатами эксперимента. Затем на основании та-
кого сравнения сказать, каков же электрон: абсолютно
жесткий или упругий.
Впрочем, уже и в те годы обе эти теории представля-
лись мало обоснованными, как говорят, придуманными
на случай, т. е. для объяснения возникшей трудности. По-
этому доказательство того, что какая-то одна из них со-
впадает с опытом, имело особенно большое значение. Об-
работав результаты своих опытов, Кауфман пришел к
заключению, что они находятся в согласии с формулой
Абрагама.
Между тем всего лишь через несколько лет, т. е. в са-
мом начале XX века, появилась новая теория, осветив-
шая все эти вопросы совсем по-иному, с более общей точ-
ки зрения и более глубоко. Однако н зта теория оказа-
лась в противоречии с теми выводами, которые Кауфман
сделал на основе своих опытов.
Запутанный клубок нз теорий правильных и непра-
► дальних, идей верных и ошибочных, правильных опытов
и неправильных выводов, — вот что представляла собой
физика в самом конце XIX и начале XX века.
Между тем имелась еще одна неразрешенная загад-
ка — результаты опыта Майкельсона, противоречащие
закону сложения скоростей классической механики.
В законах сложения скоростей Галилея дотоле никто не
сомневался, но и опыт был выполнен Майкельсоном бе-
зукоризненно, а совместить нх оказалось невозможно.
Таким образом, ситуация создалась довольно острая.
Однако прежде чем рассказать об опыте Майкельсо-
на н о преодолении указанных выше трудностей, мы рас-
смотрим те позиции, на которых находились ученые в
конце XIX века. Это позволит лучше увидеть закономер-
ность, необходимость и гениальность найденных ре-
шений.
Основные законы движения тел были разработаны
Галилеем н Ньютоном в XVII веке. Эти законы образуют
стройную систему, покоящуюся на нескольких основных
постулатах. В дальнейшем и эти законы, и вся система
123
связанных с ними понятий получили название классиче-
ской механики. Последующие работы многих ученых да-
ли нм блестящее развитие н не менее блестящее под-
тверждение. Даже те затруднения, которые возникали
время от времени в классснческой механике, в дальней-
шем вели лишь к еще большему ее триумфу.
Так, например, когда обнаружилось некоторое несо-
ответствие наблюдаемого движения планеты Уран с вы-
численным по законам классической механики, то ока-
залось, что это происходит не потому, что не верны эти
законы, а потому что за Ураном есть другая плане-
та.
На основе тех же законов классической механики Ур-
бан Леверрье (1811—1877) и Джон Адамс (1819—
1892 гг.) вычислили н правильно предсказали положе-
ние этой планеты, а 23 сентября 1846 г. Иоганн Галле
обнаружил ее вблизи заранее указанного места. Так бы-
ла открыта планета Нептун.
В основе классической механики лежат понятия про-
странства и времени, сформулированные Ньютоном
(«Математические начала натуральной философии»,
1687 г.):
«I. Абсолютное, истинное математическое время са-
мо по себе н по самой своей сущности, без всякого отно-
шения к чему-либо внешнему, протекает равномерно, и
иначе называется длительностью.
Относительное, кажущееся илн обыденное время
есть или точная или изменчивая, постигаемая чувствами,
внешняя, совершаемая прн посредстве какого-либо дви-
жения, мера продолжительности, употребляемая в обы-
денной жизни вместо истинного математического време-
ни, как-то: час, день, месяц, год.
II. Абсолютное пространство по самой своей сущнос-
ти, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, ос-
тается всегда одинаковым и неподвижным.
Абсолютное время не может быть изменено в своем
течении. Одна н та же продолжительность и одно и то
же состояние соответствуют состоянию всех вещей, без-
различно скоры лн движения, медленны или равны
нулю».
Таким образом, по Ньютону, тела движутся относи-
тельно пространства, а темп времени не зависит от ско-
рости движения тел. Следовательно, в рамках классичес-
кой механики вполне закономерен вопрос: какова ско-
124
рость тела относительно пространства, т. е. его абсолют-
ная скорость.
Итак, в XIX веке ученым казалось, что определение
абсолютной скорости тела возможно, более того, чрез-
вычайно важно. Для такого определения в качестве объ-
екта наблюдения представлялось наиболее удобным вы-
брать Земной шар, так как он по своей годичной орбите
вокруг Солнца движется достаточно равномерно н до-
статочно быстро: Va=30 км/сек.
Идея определения абсолютной скорости Земли осно-
вывалась иа законе сложения скоростей Галилея, со-
гласно которому суммарная скорость тела равна алгеб-
раической сумме слагающих скоростей	На-
пример, если пароход движется относительно берега со
скоростью pi® 15 км/ч, а человек идет по палубе парохо-
да в направлении его движения со скоростью th=3 км/ч.
то скорость движения человека относительно берега рав
на 18 км/ч.
Предполагалось, что при движении прибора навстрс
чу световому сигналу относительная скорость сигнал
(т. е. его скорость относительно наблюдателя) увеличит
ся, так как скорость света сложится со скоростью Земли
^сигнала = сЧ-р3‘ Наоборот, при движении прибора i
противоположную сторону относительная скорость сиг-
нала соответственно уменьшится и будет равна ^''сигнала ==
= с—va. Наконец, при таком расположении прибора, ког-
да луч света в нем движется перпендикулярно к направ-
лению движения Земли, относительная скорость светово-
го сигнала остается неизменной.
Далее считалось, что, сравнивая эти скорости, мож-
но вычислить скорость движения Земли относительно
пространства, т. е. ее абсолютную скорость. Правда, ско-
рость света равна с=300000 км/сек, скорость Земли
и=ЗЪкм/сек, и их отношение составляет лишь р = и/с=
= 0,0001. Таким образом, ожидаемый эффект должен
быть небольшим. Однако это уже техническая трудность,
которая означала лишь то, что для измерений нужно
разработать очень чувствительный метод.
В 1881 г. Альберт Майкельсои (1852—1931 гг.) за-
кончил изготовление разработанного им интерферомет-
ра— прибора, обладающего нужной чувствительностью,
и провел серию измерений. Каково же было удивление
Майкельсона, да и других ученых, когда оказалось, что
при любом расположении прибора не обнаруживается
125
изменения скорости распространения светового сигнала.
Это означает, что скорость распространения светового
сигнала не зависит от скорости движения Земли и, сле-
довательно, при движении наблюдателя или источника
света остается неизменной.
Можно сказать, что это самый замечательный отри-
цательный результат из всех, полученных до сих пор
учеными. Однако такая оценка была дана этому опыту
много позже. Вначале отрицательный результат опыта
вызвал лишь недоумение.
В одном из публичных выступлений Майкельсои зая-
вил:
«Поскольку результат опыта был отрицательным,
проблема по-прежнему ждет своего решения». И до-
бавил: «На мой взгляд, эксперимент не прошел впус-
тую, поскольку поиски разрешения этой проблемы
привели к изобретению интерферометра. Я думаю,
все признают, что изобретение интерферометра впол-
не компенсирует отрицательный результат данного
опыта».
Результат опыта показался настолько неожиданным,
что спустя несколько лет Майкельсои и Морли, а затем
и другие ученые, проделали повторные измерения с еще
более высокой точностью. Результат был тот же: ско-
рость света не зависит от скорости движения системы
(наблюдателя, источника и т. д.)!
Что же означает отрицательный результат опыта
Майкельсона?
Очень многое. Экспериментальный факт оказался в
резком противоречии с законами классической механи-
ки, в частности с законом сложения скоростей. Отсюда
вытекали две возможности: либо физические явления в
телах, движущихся с разной скоростью, протекают по-
разному и, следовательно, основные законы природы не
являются универсальными, либо законы классической
механики, и в частности закон сложения скоростей Га-
лилея, не верны. Первая альтернатива разрушала строй-
ность всей науки и казалась невероятной. Против второй
была традиция, основанная на нескольких столетиях не-
сомненных успехов классической механики. В начале
XX века выход из этих трудностей был найден Альбер-
том Эйнштейном.
12«
ГЛАВА 25
МАССА И ЭНЕРГИЯ ТЕЛА
В ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Отныне пространство само по себе и время само по
себе должны обратиться в фикции и лишь некоторый
вид соединения обоих должен еще сохранить самостоя-
тельность.
Г. Минковский. (1908 г.)
Время от времени в науке назревают такие ситуации,
когда усовершенствования и развития существующих
взглядов оказывается уже недостаточно. В таких случа-
ях нужна ломка старых теорий и замена их новыми.
Сделать это всегда бывает трудно прежде всего по инер-
ции нашего ума, стереотипности мышления, в силу при-
вычки. По этим же причинам трудно бывает иногда по-
нять и принять новые научные взгляды.
Мы редко отдаем себе отчет в том, насколько стерео-
типно мы мыслим. Между тем это так. Проделайте такой
курьезный опыт: предложите кому-нибудь громко вслух
вести счет, затем быстро, не задумываясь, ответить на
ваш вопрос и снова продолжать счет, потом ответить на
ваш следующий вопрос и опять продолжать счет и т. д.
Если вы при этом скажете: назовите часть
лица, назовите домашнюю птицу, назовите фрукт,
подавляющее большинство людей ответит: нос, кури-
ца, яблоко. Разумеется, курицу и яблоко назовут
люди, живущие в умеренном климате. Для жителей дру-
гих климатических зон наиболее обычными будут дру-
гая птица или другой фрукт. Однако это не меняет сути
дела. Записав предварительно ответы на бумаге, а по-
том их угадав, вы можете даже прослыть гипнотизером
или колдуном.
Между тем каждое научное открытие в большей или
меньшей мере требует прежде всего непредвзятого и
критического подхода к существующим в данное время
взглядам- и теориям по изучаемому вопросу, а также са-
мостоятельного и смелого мышления.
Ранее мы уже рассмотрели несколько серьезных труд-
ностей, которые возникли в науке в конце XIX века,
оказались принципиальными и поставили ученых перед
нелегким выбором: отказаться либо от универсальности
законов природы, либо от классической механики.
127
В поисках выхода из этого положения Альберт Эйн-
штейн сумел усомниться в самих основах классической
механики, подвергнуть их критике, а затем построить но-
вую механику.
В 1905—1908 гг. он опубликовал несколько статей, в
которых изложил новый взгляд на пространство и вре-
мя. Эта теория получила название специальной теории
относительности. Критику классической механики Эйн-
штейн начал с лежащих н ее основе понятий пространства
и времени.
В понятиях пространства и времени классической ме-
ханики есть двойственность: наряду с относительным
временем и пространством, «постигаемыми чувствами» и
измеряемыми путем сравнения, постулируются также
абсолютное пространство и абсолютное время, сущест-
вующие безотносительно к чему-либо внешнему и всег-
да неизменные. Кроме того, в классической механике
считается, что движение тел никак не влияет на масштаб
времени и пространства, а пространство и время как бы
независимы друг от друга. Все этн утверждения неодно-
кратно подвергались критике. Однако до тех пор, пока
классическая механика давала результаты, совпадающие
с опытом, ее основы оставались незыблемыми. Более то-
го, они стали точкой зрения здравого смысла, привычкой.
Лишь тогда, когда классическая механика вошла в про-
тиворечие с опытом (опытом Майкельсона, установив-
шим постоянство скорости света, и некоторыми другими),
для ее пересмотра появились достаточные основания, и
он стал необходим.
В специальной теории относительности рассматри-
ваются системы, движущиеся друг относительно друга с
постоянной скоростью, так называемые инерциальные
системы. При этом определение понятий просгранства
и времени делается не декларативно, а на основе мыс-
ленного опыта, производимого в этих системах. При та-
кой постановке вопроса выяснилось, что временная и
пространственная координаты взаимосвязаны и образу-
ют некоторое единство, а масштабы времени и прост-
ранства зависят от относительной скорости движения
тел.
Эйнштейн на основании представлений о единстве
пространства и времени показал, что если мы, находясь
в первой системе, измеряем длину линейки, массу тела и
длительность некоторого процесса во второй системе,
128
движущейся относительно нас с постоянной скоростью,
то все эти величины будут соответственно равны:
1' = 1 у [-v2lc2;	'
/1 — о2 /с2 ’
III ..... ,
/I — p2/CS
где V, i', т' — соответственно расстояние, длительность
и масса во второй системе, измеренные из первой систе-
мы; Z, t, т — расстояние, длительность и масса во второй
системе, измеренные в ней же; и— скорость относитель-
ного движения двух систем; с — скорость света в пустоте.
Следовательно, темп времени н масса тела зависят
от относительной скорости движения второй системы,
т. е. скорости движения объекта относительно наблюда-
теля. Эти формулы показывают, что в движущейся сис-
теме все расстояния укорачиваются, темп времени за-
медляется, а масса тел увеличивается, причем тем в
большей степени, чем больше скорость относительного
движения обеих систем.
Приведенные формулы были выведены Лоренцем
еще до появления теории относительности и носят назва-
ние преобразований Лоренца. Одиако Лоренцем оии бы-
ли получены на основании некоторых формальных пред-
посылок, а Эйнштейном — на основе новых идей о про-
странстве и времени.
В отличие от закона сложения скоростей Галилея
(u> = Pi + u2) в теории относительности суммарная ско-
рость двух тел всегда меньше арифметической суммы со-
ставляющих скоростей. Так, например, если мимо Земли
ракета пролетает со скоростью гц и при этом выбрасы-
вает в направлении своего движения снаряд со ско-
ростью t>2, то, согласно теории относительности, земной
наблюдатель отметит, что скорость снаряда относитель-
но Земли равняется
0 = —
1 -f- V1J'2/C2
где — скорость движения ракеты относительно Земли;
129
t»2 — скорость движения снаряда относительно ракеты;
w — скорость движения снаряда относительно Земли.
Таким образом, если ракета, движущаяся относи-
тельно Земли со скоростью t»i = 200 000 км/сек, выброси-
ла в направлении своего движения снаряд со скоростью
и2 = 200000 км/сек, то земной наблюдатель обнаружит,
что скорость снаряда равна лишь 277000 км/сек. Если
скорость ракеты и скорость выброшенного ею снаряда
равняется V] =	= 250 000 км/сек, то земной наблюда-
тель отметит, что скорость снаряда равна лишь
295000 км/сек и т. д. Наконец, если ракета, пролетаю-
щая мимо земного наблюдателя со скоростью испус-
тит фотон, скорость которого равна с, то и в этом случае
земной наблюдатель отметит, что скорость фотона равна
скорости света:
о, -к с
W ------—-----— с.
1 + ViC/c2
Для энергии тела специальная теория относительно-
сти тоже дает выражение, отличающееся от формулы
классической механики. В классической механике кине-
тическая энергия тела выражается в следующем виде:
Е = mv2/2.
В специальной теории относительности выражение пол-
ной энергии тела имеет вид
Е = тс2 =....--S--
V1 — o’/с3
где Е — полная энергия тела; т — масса движущегося
тела; т0— масса покоя; v и с — соответственно скорость
движения тела и скорость света в пустоте.
Если выражение в правой части формулы разложить
в ряд и ограничиться первыми тремя членами, то пол-
ная энергия тела
гч	9 ।	1	л .	3	.
Е = т0с2 + — m0v2 + — т„ — 4-   
2	8 с2
Далее мы специально обсудим новые понятия, свя-
занные с этой формулой, и те важные выводы, к кото-
рым она привела. Однако это — научные события, отно-
сящиеся главным образом к последующим десятилетиям.
Между тем как в начале XX века, когда только поя-
130
вилась теория относительности и стало ясно, что она ве-
дет к глубочайшим изменениям самых основных физиче-
ских представлений, наиболее актуальным считалось
выяснение вопроса о том, является ли эта теория доста-
точно обоснованной. Ведь в первые годы после своего
рождения теория относительности казалась очень стран-
ной не только нз-за необычности связанных с ней пред-
ставлений, ио и вследствие малочисленности подтверж-
давших ее экспериментов. Правда, эта теория изящно и
глубоко объяснила отрицательный результат опыта
Майкельсона. Однако ученые чувствуют себя уверен-
нее, когда их теории опираются иа опыты положитель-
ные. Между тем Кауфман нашел, что результаты его
эксперимента совпадают с формулой Абрагама и ие со-
впадают с формулой Лоренца — Эйнштейна.
Вот почему у теории относительности нашлось до-
вольно много противников среди ученых и ..., как это ни
парадоксально, не только среди ученых. Одна из первых
дискуссий развернулась вокруг результатов опыта Кауф-
мана. В следующей главе мы проследим за ходом этой
дискуссии, интересной не только по своему существу, ио
и по форме, в которой она протекала.
ГЛАВА 26
КАК МЕНЯЕТСЯ МАССА ЭЛЕКТРОНА!
ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ
«...Природа является осуществлением- того, что ма-
тематически проще всего себе представить. Я убежден,
что чисто математическое построение позволяет найти
те понятия и те закономерные связи между ними, кото-
рые дают ключи к пониманию явлений природы. При-
годные математические понятия могут быть подсказаны
опытом, но пи в коем случае не могут быть выведены из
него. Опыт остается, естественно, единственным крите-
рием пригодности некоторого математического построе-
ния для физики. Но собственно творческое начало отно-
сится к математике. Таким образом, я в известном смыс-
ле считаю оправданной мечту древних об овладении
истиной путем чисто логического мышления».
Л. Эйнштейн (1934 г.)
Изменение массы электрона со скоростью является
экспериментальным фактом. Теоретическое описание
этого явления было дано Абрагамом, Лоренцем и Эйн-
131
штейном, причем каждым из них с совершенно различ-
ных позиций.
Кто же из ннх прав: Абрагам, построивший свои вы-
воды на том, что электрон абсолютно жесткий; Лореиц,
создавший модель упругого деформирующегося электро-
на, или Эйнштейн, объяснивший этот эффект изменением
масштабов при движении систем? Характер изменения
массы электрона со скоростью описывается теориями
Лоренца и Эйнштейна не так, как теорией Абрагама.
Поэтому проведенный с достаточной точностью анализ
характера изменений массы электрона со скоростью
позволяет установить, какая из этих теорий не верна.
Итак, как это обычно бывает в науке, решающее слово
оставалось за экспериментом, и в 1906 г, Кауфман это
слово сказал вполне определенно и категорично:
«Я предвижу, что общий результат измерений будет
следующий: результат измерений не совместим с фун-
даментальными предположениями Лоренца — Эйн-
штейна».
Кауфман был очень тонким и искусным эксперимен-
татором. Проделанный им эксперимент позволил вполне
четко обнаружить эффект изменения массы электрона со
скоростью. Однако использованный им метод парабол
был слишком грубым для того, чтобы подметить тонкие
различия в характере этих изменений н таким образом
получить однозначный ответ на вопрос о правильности
той или иной теории. Между тем другой крупный ученый
Макс Планк еще раз обработал данные измерений Кауф-
мана, и притом иным методом, и тоже пришел к за-
ключению о том, что результаты этих измерений проти-
воречат формуле Лоренца — Эйнштейна и согласуются
с формулой Абрагама. Как реагировал на это Эйнштейн?
В 1906 г, Эйнштейну было 27 лет. Лишь год назад он
выступил с теорией, которая, по мнению многих ученых
того времени, была не только парадоксальной, но и про-
сто неверной. Результаты опытов — это фундамент, на
котором строятся теории. Они же, т. е. эксперименталь-
ные факты, — конечный критерий для суждения о пра-
вильности теорий. Такого же мнения придерживался н
Эйнштейн. Спустя несколько лет в одном из своих писем
он пишет: «Теория, желающая заслужить доверие, должна
основываться иа фактах, поддающихся обобщению».
Между тем, когда была сделана экспериментальная про-
132
верка одного из следствий его теории, в данном случае
проверка зависимости массы тела от скорости, то выяс-
нилось, что теория не совпадает с экспериментом.
В своей статье «О принципе относительности и его
следствиях», опубликованной в 1907 г., Эйнштейн преж-
де всего отмечает наличие расхождений между теорией
относительности и экспериментом:
«... Наблюдаемые отклонения являются систематиче-
скими и значительно превосходят эксперименталь-
ные ошибки измерений Кауфмана. Тот факт, что вы-
числения Кауфмана не содержат ошибок, следует из
того, что Планк, применяя другой метод вычислений,
получил результаты, полностью согласующиеся с ре-
зультатами Кауфмана».
Итак, эксперимент Кауфмана против теории Эйн-
штейна; суждения Кауфмана подкреплены очень весо-
мым авторитетом Планка. Тем не менее в этой же статье
Эйнштейн пишет:
«Вопрос о том, являются ли причинами систематиче-
ских отклонений еще не учтенные источники ошибок
или несоответствие основ теории относительности эк-
спериментальным фактам, можно с уверенностью ре-
шить лишь тогда, когда будут получены более разно-
образные экспериментальные данные».
Для того чтобы сказать так, нужна очень большая
уверенность в правильности своих идей. Однако Эйн-
штейн идет еще дальше и добавляет:
«Необходимо еще отметить, что теории движения
электронов Абрагама и Бухерера дают кривые, со-
гласующиеся с экспериментальной кривой значитель-
но лучше, чем кривая, соответствующая теории отно-
сительности. Однако, по нашему мнению, эти теории
вряд ли достоверны, поскольку нх основные предпо-
ложения о массе движущегося электрона не вытека-
ют из теоретической системы, охватывающей более
широкий круг явлений».
Итак, вызов был брошен. Принять этот вызов — под-
нять перчатку — мог лишь тот, кто надеялся не просто
повторить опыт Кауфмана, а сделать измерения лучше и
точнее. Притом не просто точнее, чем Кауфман, а с точ-
ностью, достаточной для вполне однозначного решения
данной задачи.
133
Поясним, что это значит. По формуле Лоренца —
Эйнштейна и по формуле Абрагама можно вычислить, на
сколько процентов увеличивается масса электрона при
том илн ином увеличении его скорости. Эти формулы да-
ют различные значения, однако различие это невелико.
Так, например, прир=0,7 (р = о/с, где v—скорость элект-
рона, а с — скорость света в пустоте) значения массы
электрона, полученные по формуле Лоренца — Эйнштей-
на и Абрагама различаются приблизительно на 7%.
Поэтому экспериментальное определение массы движу-
щегося электрона, сделанное с погрешностью 5—7%, ни-
чего не дает для решения этой задачи. Даже измерения,
погрешность которых около 3—4%, не достаточны для по-
лучения вполне однозначного ответа и лишь при погреш-
ности результата около 1—1,5% и меньше можно счи-
тать, что ответ получен с достаточной для решения
данной задачи достоверностью.
Нужна ли в данном случае еще большая точность из-
мерений? Если получение ее связано с большими трудно-
стями и затратами, то стремление к ней не оправдано.
Высокая точность измерений сама по себе не представ-
ляет никакого интереса. Ведь исследователи стремятся
не к установлению рекордов, а к получению ответов на
научные вопросы.
Кстати, в данном случае, получение ответа с погреш-
ностью не более 1% означает, что следует разработать и
построить такой прибор, если угодно, такие весы, иа ко-
торых можно взвесить частицу, с массой примерно равной
10-з° кг, сделать это необходимо с точностью до 10-32 кг.
При этом приходится взвешивать частицу, которая дви-
жется внутри весов со скоростью более 200 000 км!сек.
Тем не менее перчатка, брошенная Эйнштейном, бы-
ла тотчас же поднята экспериментаторами. Слишком уж
велик был приз, который заключался в лучшем понима-
нии строения Мира и решении вопроса о принятии или
отвержении одной нз глубочайших физических тео-
рий.
В течение следующего десятилетия несколько иссле-
дователей (Бухерер, Нейман и др.) в разных вариантах
повторили опыты Кауфмана и пришли к заключению,
что полученные ими результаты подтверждают формулу
Лоренца — Эйнштейна. Однако их оппоненты нашли
различные изъяны как в постановке, так и в методике
этих опытов.
134
В 1921 г. Гюи и Лаванши исследовали электроны в
интервале скоростей, соответствующем £=(0,2—0,5), и
вновь подтвердили правильность формулы Лоренца —
Эйнштейна. Их оппоненты возражали, что из этих опытов
не следует правильность формулы Лоренца — Эйнштей-
на при других скоростях. Спустя несколько лет Трнккер
построил прибор, основанный на ином принципе измере-
ний н поместил в него источник, испускающий более бы-
стрые электроны (до £= 0,8). Результаты его опытов
также оказались в согласии с формулой Лоренца — Эйи-
Конденсатор
Рис. 36. Схема опыта Цана и Списса.
штейна. Однако, поскольку погрешность измерений со-
ставляла около 2%, то этот результат еще нельзя было
считать достаточно достоверным.
В 1938 г. Паи и Спнсс вновь провели исследование
зависимости массы электрона от его скорости. При этом
они существенно изменили н улучшили метод измерений
н таким образом снизили погрешность настолько, что на-
конец был получен ответ достаточно достоверный. Раз-
работанный ими прибор (рис. 36) состоит из источника
электронов и двух диафрагм с узкими щелями Si и Si.
Источник представляет собой радиоактивный препарат,
испускающий электроны во все стороны. Эти электроны
имеют разные скорости, от нулевой до некоторой гранич-
ной, близкой к скорости света. Диафрагмы Si и Si про-
пускают в конденсатор только узкий пучок этих частиц.
К обкладкам конденсатора подведено электрическое
напряжение. С обеих сторон конденсатора расположены
полюса магнита (не показанные на рис. 36). Таким об-
разом, в этом конденсаторе создается электрическое по-
ле напряженностью £ и магнитное поле напряженностью
Н. Пролетев через конденсатор, электроны попадают
еще на одну диафрагму (S3), а те из них, которым уда-
ется пролететь через нее, достигают счетчика, регистрн-
135
рующего эти электроны. Все устройство работает так,
что источник испускает электроны, конденсатор и маг-
нит нх сортируют н пропускают дальше лишь те из иих,
которые удовлетворяют определенным условиям, а счет-
чик их считает.
Все это происходит следующим образом: иа элект-
рон, пролетающий вдоль оси конденсатора со скоростью
v, действует магнитное поле, направленное по горизон-
тали и перпендикулярно к траектории движения элек-
трона. Это поле действует иа электрон с силой Fi —
=е v Н, направленной по вертикали. Одновременно на
этот же электрон действует электрическое поле, направ-
ленное тоже по вертикали, но в противоположную сторо-
ну. Электрическое поле действует с силой Fz — еЕ.
Если какая-нибудь из этих сил больше другой, то
электрон отклоняется вверх или вниз, сталкивается с об-
кладкой конденсатора и выходит из дальнейшей игры.
Значит проходят через щель конденсатора лишь те элек-
троны, для которых обе эти силы равны по величине Fi —
=Fz т. е. evH=eE. Между тем, это условие выполняется
лишь для тех электронов, скорость которых точно равна
о = Е/Н. Значит,-коидеисатор работает как фильтр ско-
ростей, и, задав определенные значения напряженностей
электрического и магнитного полей, можно пропустить
через него электроны,'имеющие лишь определенную ско-
рость, а, следовательно, и вполне определенную массу.
Это же устройство позволяет определить массу элек-
тронов. Дело в том, что поскольку магнитное поле созда-
ет силу, направленную перпендикулярно к траектории
движения электрона, то оно тем самым искривляет эту
траекторию и заставляет электрон двигаться по дуге ок-
ружности радиуса R. Движение тяжелого тела по кри-
вой описывается уравнением, в котором действующая
сила приравнивается центробежной силе. В данном слу-
чае действующей силой является та, которая создана
магнитным полем (F^evH). Центробежная сила,
как известно, выражается через массу тела tn,
квадрат его скорости и радиус: F3 = mvzIR. Таким обра-
зом, из равенства этих сил Fi *= F$ (т. е. mv2/R = evH)
и с учетом выведенного ранее условия для скорости
(и=*Е/Н) следует, что m—eRH2IE.
Так как заряд электрона е заранее известен и притом
с хорошей точностью, радиус R определяется размерами
прибора и тоже заранее известен, а напряженности элект-
136
рического и магнитного полей Е и Н измеряются во вре-
мя исследований, то таким образом удается определить
массу электрона.
Цан и Списс определили массу и скорость электронов
с точностью около 1%. Сопоставив полученные результа-
ты с данными различных теорий, они пришли к заключе-
нию, что имеется вполне хорошее согласие с формулой
Лоренца — Эйнштейна. Таким образом, дискуссия, за-
тянувшаяся на несколько десятилетий, закончилась не-
сомненным признанием правильности формулы Лорен-
ца — Эйнштейна.
Такова была одна сторона борьбы А. Эйнштейна за
признание теории относительности. Между тем была и
другая: удивительная, парадоксальная..., связанная с
особенностями «руководства» наукой в фашистской Гер-
мании.
Так как теория относительности А. Эйнштейна ввела
новые представления о времени, пространстве и массе
тел, то ничего удивительного не было в том, что некото-
рые ученые приняли ее ие сразу и высказали свои возра-
жения. Однако среди ученых нашлись и такие, чьи воз-
ражения носили совсем особый характер. Например,
Филипп Леиард* писал:
«Чем смелее проявляет себя какой-либо естествоис-
пытатель, тем больше мест в опубликованных им ра-
ботах оказывается, по общему правилу, недолговеч-
ным... К числу немецких свойств такая смелость не
принадлежит».
К двадцатым — тридцатым годам нашего века теория
относительности была значительно достроена и углубле-
на. Одно за другим были получены новые эксперимен-
тальные подтверждения. Она вошла в основной фонд на-
уки. Некоторые выводы нз теории относительности послу-
жили основой для развития целых областей науки и соз-
дания совершенно новой техники. Между тем в это же
время в фашистской Германии А. Эйнштейн как «неари-
ец» стал фигурой нежелательной, а теория относительно-
сти была признана неверной н объявлена «блефом» (?!).
Парадокс заключался не в том, что такое суждение
о научных вопросах и ученом было вынесено фюрерами
* Ф. Ленар. О принципе относительности, эфире и тяготении.
Пер. с нем. Изд. 3. Под ред. А. К. Тимирязева. Госиздат, 1922.
137
разного ранга. Ведь фюреры были в науке полностью не-
компетентны, хотя и занимали высокие политические
посты. Парадоксальным было то, что нашлось несколь-
ко ученых, к тому же достаточно известных, например,
уже упомянутый Филипп Ленард, Иоган Штарк (оба
нобелевские лауреаты), которые сами выступили иници-
аторами «германской физики» и полного отрицания
«неарийской» физики Эйнштейна и Бора.
В середине нашего века в фашистской Германии бы-
ла провозглашена «Германская физика», а в университе-
тах введена должность «доцент фюрера» — надзирателя
за поведением ученых. Разумеется, это привело к подав-
лению свободного обмена мнениями и, следовательно, к
подавлению науки. Ведь наука представляет собой си-
стему постоянно развивающуюся. Ее прогресс основан
иа том, что любая концепция, кем бы она ни была выска-
зана, может и должна подвергаться обсуждению и про-
верке. Провозглашение любой концепции окончательной
и совершенной, а следовательно, не дозволенной для об-
суждения и критики, запрет ниспровержения той или
иной физической концепции и замены ее другой, — все
это для живого организма науки задержка развития, ос-
тановка и загнивание. Вот почему в тоталитарном фа-
шистском государстве не только была заторможена нау-
ка, но и не замедлили появиться ядовитые цветы лже-
науки.
Приведем лишь один пример. После нескольких тыся-
челетий развития астрономии, после работ Коперника,
Галилея, Ньютона и Эйнштейна в 1925 г. в Германии
Ганс Гербигер выступил с «космологической теорией», по
которой происхождение Солнечной системы объясняется
тем, что когда-то некая ледяная планета вошла внутрь
раскаленного Солнца и взорвала его(?1). По Гербйгеру,
ледяные глыбы, выброшенные при этом в космос, как
раз и образовали планеты Солнечной системы. Далее
Гербигер предсказывал вещи не менее «чудесные»: пла-
неты по скручивающимся спиралям должны прибли-
зиться друг к другу и к Солнцу, а Луна подойти к Зем-
ле. При этом — утверждал Гербигер — сила притяжения
Луны будет постепенно возрастать, а в результате
уменьшения веса люди вырастут и появятся люди-гиган-
ты... (?!)
Что это: бред безумца? Может быть, но бред злове-
щий... Ведь Гербигер многим работникам науки и куль-
138
туры рассылал письма, в которых писал: «Или вы на-
учитесь верить в меня, или вас сочтут врагами».
Так как его поддерживало национал-социалистиче-
ское правительство и лично Гитлер, то это, увы, не было
пустыми словами! Ведь в фашистской Германии челове-
ка могли посчитать врагом и за меньшие провинности.
В 1933 г. А. Эйнштейн покинул Германию. О дальней-
ших событиях один из биографов Эйнштейна* пишет
так:
• «Национал-социалистические правители жаждали
покарать Эйнштейна. Они конфисковали его имуще-
ство и дом в Капуте, за его голову была обещана на-
града в 50 000 марок. Но всем этим они гораздо боль-
ше наказали самих себя».
Между тем к 30-м годам нашего века теория относи-
тельности в некоторых областях знаний уже стала осно-
вой и рабочим инструментом ученых. Теперь, как это не-
редко бывает, возникли совсем другие вопросы: почему
так долго, целые столетия, эффектов, вытекающих из те-
ории относительности, никто не замечал? Насколько ре-
альны эти эффекты и какое они имеют практическое зна-
чение?
В самом деле, почему в течение столетий классиче-
ская механика удовлетворяла ученых и инженеров, если
г'многие ее заключения н формулы ие точны?
Это' объясняется тем, что входящие в формулы пре-
образования Лореица характерные члены
/1 -У2/С2’,
1
V1 —^/с3"
прн малых скоростях (по сравнению со скоростью све-
та) очень мало отличаются от единицы и соответствен-
но очень мала поправка, даваемая формулами теории
относительности по сравнению с формулами классичес-
кой механики. Например, если скорость самолета
1000 км/ч или около 300 м/сек, а скорость выброшенного
им в направлении движения снаряда относительно са-
молета равна 2000 м/сек, то скорость движения сна-
ряда относительно земного наблюдателя составляет
* К. Зелиг. Альберт Эйнштейн. Пер. с нем. М,, Атомиздат, 1964.
139
2 299,999 999 986 jaIcck., и, таким образом, отличается от
арифметической суммы скоростей меньше, чем иа мил-
лиардную долю процента. Имеино потому, что в мире
больших тел и относительно небольших скоростей раз-
личие между значениями, полученными в классической
механике и в теории относительности, столь мало, оно и
ие было замечено в течение целых столетий.
Классическая механика давала (и продолжает да-
вать) правильные ответы до тех пор, пока рассматрива-
ются движения тел, медленные по сравнению со ско-
ростью света. Это означает, что теория относительности
не отвергает вовсе классическую механику, а является
более общей теорией, включающей в себя классическую
механику как частный случай, справедливый при отно-
сительно медленном движении тел. Лишь тогда, когда
ученые стали изучать движения тел, скорость которых
сравнима со скоростью света, законы классической ме-
ханики оказались непригодными.
Что касается вопроса о том, насколько реальны и ка-
кое практическое значение имеют релятивистские изме-
нения длины, массы и времени, т. е. те, которые следуют
из теории относительности, то в настоящее время ответ
не вызывает ни сомнений, ни затруднений. Эти измене-
ния вполне реальны, а в отдельных случаях имеют не-
посредственное практическое значение. Так, например,
в циклотроне — приборе для получения частиц с боль-
шой энергией — релятивистское изменение массы ионов
накладывает ограничения на увеличение их энергии.
Циклотрон представляет собой камеру с двумя элект-
родами внутри нее, помещенную между полюсами боль-
шого постоянного магнита. Внутри этой камеры движут-
ся иоиы. Магнитное поле закручивает их и заставляет
двигаться по окружности. Частота этого вращения зави-
сит от заряда иона, его массы и напряженности магнит-
ного поля, создаваемого постоянным магнитом. На
электроды, находящиеся внутри камеры, подается пере-
менное электрическое напряжение определенной часто-
ты. Если эта частота выбрана в соответствии с частотой
вращения ионов внутри камеры, то каждые пол-оборота
ион, приближаясь к электроду, будет притягиваться им
и, следовательно, ускоряться. Это немного похоже на
раскачивание маятника с помощью ряда ударов, произ-
водимых в нужном направлении и с нужной частотой
т. е. в такт с качаниями маятника.
140
Однако по мере возрастания энергии ионов н соответ-
ствующего увеличения нх массы синхронность между
частотой обращения частиц и частотой электрического
поля все более нарушается и, наконец, электрическое по-
ле вместо того, чтобы ускорять ноны, начинает их тормо-
зить. Это и определяет предел увеличения энергии ионов
в циклотроне.
Между тем, если учесть эффект изменения массы
ионов при увеличении их скорости, то синхронность мож-
но сохранить. Для этого по мере увеличения энергии
ионов соответственно меняют частоту электрического по-
ля или напряженность магнитного поля, закручивающего
частицы.
В таких приборах — синхротроне и фазотроне — за-
ряженным частицам удается сообщить в сотни и тысячи
раз большую энергию, чем в циклотроне.
Не менее реальным является изменение масштаба
времени в движущейся системе. Так, при исследовании
нестабильных частиц — мюонов — выяснилось (Розетти,
1941 г., Росси и Нерсон, 1943 г.), что среднее время жиз-
ни покоящегося мюона равно (2,15±0,1) • 10'6 сек, а
движущегося (в зависимости от его скорости) —
(2,7—2,9) • 10’6 сек.
Рассмотрим еще один вывод теории относительности.
В выражении для энергии движушегося тела (см. преды-
дущую главу) третий член в правой части мал по сравне-
нию со вторым и поэтому без ущерба для точности
результата его можно отбросить. Второй член справа —
кинетическая энергия тела классической механики. Пер-
ный член справа не имеет аналога в классической меха-
нике и представляет собой выражение внутренней энер-
гии тела.
Таким образом, из теории относительности следует,
что энергия тела, покоящегося в некоторой системе коор-
динат (где его скорость о=0), Е=тсК Если этому телу
с помощью излучения или нагревания сообщить некото-
рую энергию Eq, то масса увеличится н станет равной
т + Ео/с2. Таким образом, следует различать массу по-
коя частицы и ее полную массу, которая равна сумме
массы покоя и энергии движения частицы, поделенной
на квадрат скорости света в пустоте. Возможен и об-
ратный процессе, когда вся инертная масса тела или не-
которая ее часть превращается в излучение или тепло-
вую энергию.
141
Следовательно, теория относительности существенно
расширяет представление о массе и вводит понятие об
эквивалентности массы и энергии тел.
«Классическая физика допускала две субстанции:
вещество и энергию. Первая имела вес, а вторая бы-
ла невесома. В классической физике мы имели два
закона сохранения: один для вещества, другой для
энергии. Мы уже ставили вопрос о том, сохраняет ли
еще современная физика этот взгляд на две субстан-
ции и два закона сохранения. Ответ таков; нет. Со-
гласно теории относительности, нет существенного раз-
личия между массой и энергией. Энергия имеет массу,
а масса представляет собой энергию. Вместо двух за-
конов сохранения мы имеем только один: закон сохра-
нения массы-энергии. Этот новый взгляд оказался
очень плодотворным в дальнейшем развитии физики»
(Л. Эйнштейн, Л. Инфелъд, 1938 г.).
В отношении вывода теории относительности об экви-
валентности массы и энергии тоже можно поставить во-
прос о том, насколько реален этот эффект н какое он име-
ет практическое значейие. В следующих главах мы рас-
смотрим ряд тонких исследований, посвященных этому
вопросу.
ГЛАВА 27
ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
И ЕГО ВЗВЕШИВАНИЕ
В начале XX века были известны лишь две элементар-
ные частицы —электрон и протон — и лишь две основ-
ные их характеристики: электрический заряд и масса.
Казалось, что найдены два основных «кирпича» миро-
здания, из которых построены все атомы. В соответствии
с этим представлением о составе вещества в 1911 г. Эр-
нестом Резерфордом (1871—1937 гг.) была предложена
модель атома в виде тяжелого положительно заряжен-
ного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно за-
ряженные электроны. При этом предполагалось (а иного
выбора тогда и не было), что ядра атомов состоят из про-
тонов и электронов.
Самый легкий из элементов — водород — имеет атом-
ный вес, равный 1, а электрический заряд его ядра ра-
142
вен +1. Следовательно, ядро атома водорода состоит из
одного протона, а вокруг этого ядра вращается один
электрон. Согласно модели Резерфорда, более тяжелые
атомы имеют ядра, состоящие из нескольких протонов и
электронов, а вокруг ядер вращается группа электронов.
Таким образом, в какой-то мере возрождались идеи
начала XIX века, идеи Проута о водороде как основе
мироздания. Такая картина привлекала своей простотой,
если угодно, даже изяществом, и как будто подтвержда-
лась тем, что ядра некоторых атомов при радиоактнв-
* ном [3-распаде выбрасывают электроны.
Впрочем, все это только казалось. Дальнейшие иссле-
дования показали, что такая модель атома неверна, а ее
простота эфемерна.
Между тем еще в 1900 г. Максом Планком (1858—
1947 гг.) в науку было введено понятие о прерывности
энергии. Эта идея нашла подтверждение в различных
опытах. Положение о том, что любая система при любых
процессах может поглощать или отдавать энергию не не-
прерывно, а лишь определенными порциями, квантами,
прочно вошло в основной фонд науки.
В 1913 г. Нильс Бор (1885—1962 гг.) разработал но-
вую модель атома. При этом, в соответствии с идеями
Планка, он постулировал, что момент вращения электро-
на вокруг ядра не произволен, а обязательно равен цело-
му кратному некоторой величины h, т. е. lh, 2h или, во-
обще, nh. Постоянная Планка: Л= (6,626 189±0,000 028) X
X 1О-34 дж-сек. — является, таким образом, минимальной
порцией действия. Из этого положения, естественно, сле-
довало, что электроны могут вращаться вокруг ядра ие
по любым, а лишь по определенным — стационарным —
орбитам. Кроме того, Бор постулировал, что, находясь иа
такой орбите, электрон не излучает энергию. Это тоже
является следствием прерывности энергии и означает
лишь то, что либо электрон находится на одной и той же
орбите и при этом атом не излучает, либо атом излучает,
ио тогда электрон перескакивает на другую орбиту. По-
глощение или излучение энергии атомом происходит при
перескоке электрона с одной орбиты на другую. Когда
электрон с более далекой от ядра орбиты, где его энергия
равна Е2, переходит на более близкую к ядру орбиту, где
его энергия равна Е\, атом излучает квант света с энер-
Т гией Е2—Еь При этом частота света равна v=(E2—
-E^/h.
143
Эта модель оказалась очень плодотворной и с ее по-
мощью удалось объяснить некоторые важные закономер-
ности микромира, в частности вычислить длины волн, из-
лучаемых атомами, т. е. дать объяснение расположению
линий в атомных спектрах.
Впечатление, произведенное на научный мир теорией
атома Нильса Бора, ярко выражено в автобиографиче-
ском очерке человека, который не стеснялся хвалить дру-
гих, быть может, потому, что и сам не был беден идеями:
«...было так, точно из-под ног ушла земля н нигде не
было видно твердой почвы, на которой можно было бы
строить. Мне всегда казалось чудом, что этой колеб-
лющейся и полной противоречий основы оказалось
достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гени-
альной интуицией и тонким чутьем—найти главней-
шие законы спектральных линий и электронных обо-
лочек атомов, включая их значение для химии. Это
кажется мне чудом и теперь. Это — наивысшая музы-
кальность в области мысли» (4. Эйнштейн, 1949 г.).
Успех модели атома Бора был несомненным и круп-
ным, но, увы, неполным. Оказалось, что число спектраль-
ных линий, наблюдаемых на опыте, в отдельных случаях
больше того, которое следует из этой модели. Там, где,
согласно теории Бора, должна быть одна линия, иногда
их оказывается две или три. Особенно большие и, каза-
лось, непреодолимые трудности возникли при попытках
объяснить с помощью модели атома Бора влияние на свет
магнитного поля. Эксперимент, о котором сейчас пойдет
речь, сыграл большую роль в развитии физических идей.
Его результаты, с одной стороны, еще более осложнили
задачу о построении теории атомных спектров, а с дру-
гой,— дали путеводную нить для ее решения.
В 1896 г. Питер Зееман (1865—1943 гг.) сфотографи-
ровал спектры различных газов, помещенных в слабое
магнитное поле. При этом оказалось, что отдельные ли-
нии спектров как бы расщепляются и там, где была одна
линия, получаются две (дублет) или три (триплет), а
иногда и больше (мультиплет).
Так как электрон, вращающийся вокруг ядра, образу-
ет замкнутый электрический ток, то в атоме создается
собственный магнитный момент, который называют орбьь-
тальным. Поэтому атомы ведут себя как маленькие маг-
ниты. Во внешнем магнитном поле происходит переориен-
144
тация атомов, т. е. оно их -соответствующим образом
выстраивает. Естественно, что на это затрачивается некото-
рая энергия. При этом закон о прерывности энергии и
здесь, как и всюду, накладывает свои условия. Орбиталь-
ные магнитные моменты относительно внешнего магнит-
ного поля располагаются не под любыми углами, а лишь
под определенными. Таким образом, число возможных
ориентаций оказывается ограниченным.
Можно было ожидать, что расщепление спектральных
линий в магнитном поле произойдет в соответствии с чис-
лом возможных ориентаций орбитального магнитного
момента. Действительно, такой эффект наблюдается и но-
сит название нормального эффекта Зеемана. Однако в
некоторых случаях наряду с этим наблюдается расщепле-
ние на большее число линий, которое называют аномаль-
ным эффектом Зеемана. Само это название показывает,
что наблюдаемый эффект не уложился в рамки сущест-
вовавшей в то время теории.
Каждой линии спектра соответствуют электромагнит-
ные колебания определенной частоты, т. е. кванты света
определенной энергии. Оказалось, что в тех случаях, ког-
да вместо одной линии обнаруживаются две или три, раз-
ность энергии квантов света, соответствующая соседним
линиям, всегда равна вполне определенной величине.
В общем дело обстоит так, как будто при поглощении
энергии атом запасает ее не только путем перехода элек-
трона с нижней орбиты на более высокую, но еще каким-то
способом. Поэтому у атома оказывается больше раз-
личных уровней энергии н соответственно больше различ-
ных спектральных линий, чем это следует из первоначаль-
ной модели атома Бора.
Правильное и очень изящное решение задачи, позво-
лившее преодолеть все эти трудности, было дано в 1925 г.
Г. Уленбеком и С. Гаудсмитом. Они предположили, что
электрон помимо орбитального момента вращения и ор-
битального магнитного момента, связанных с его обра-
щением вокруг ядра атома, имеет еще и собственный,
внутренний момент вращения и собственный магнитный
момент.
Аналогия с Солнечной системой, в которой планеты по-
мимо движения вокруг Солнца вращаются еще и вокруг
.собственной оси, в данном случае неверна. Оси планет
•по-разному наклонены к плоскости их годичного враще-
ния вокруг Солнца, скорости нх суточного вращения не
6—125
145
. одинаковы, и, следовательно, совершенно различны их
моменты вращения. Между тем внутренний момент вра-
щения электрона, который получил название спин, всегда
одни н тот же. Для любого электрона он равен s — (1/2) X
Х(Л/2л). Направление спина электрона во внешнем маг-
нитном поле всегда строго задано: либо он расположен
вдоль этого поля, либо против него.
Таким образом, оказалось, что электрон имеет не
только массу н заряд, но н магнитный момент и спнп, а
во внешнем магнитном поле может ориентироваться лишь
двумя способами. Эти свойства вначале казались удиви-
тельными. Однако именно такой электрон позволил ус-
пешно преодолеть все указанные выше трудности с атом-
ными спектрами. Оказалось, что расщепление спектраль-
ных линий не только качественно, но н количественно
объясняется той добавочной энергией, которая нужна для
переориентации спина электрона. Изменение энергии
атома при перескоке электрона с одной орбиты на дру-
гую как бы играет роль больших ступенек энергии, а из-
менение ориентации спина — добавочных маленьких. На-
личие и тех и других дает большее число вариантов раз-
личных переходов и в конечном счете большее число
различных спектральных линий.
Аномальный эффект Зеемана также получил объяс-
нение с помощью представления о магнитном моменте и
спине электрона. В самом деле, так как в магнитном по-
ле электроны переориентируются, то на это требуется не-
которая добавочная энергия. Таким образом, создаются
добавочные уровни энергии и при излучении квантов све-
та в магнитном поле получается большее число спектраль-
ных линий, чем без него.
Мы уже говорили однажды о том, что если какая-ни-
будь теория придумывается специально для объяснения
данного случая, то как бы удачно она это ни делала, все
же к ней возникает некоторое недоверие. Заслуживает
ли доверия теория Уленбека и Гаудсмита, придавшая
электрону столь удивительные свойства? Да, вполне. По-
тому что эти свойства позволили объяснить целый ряд
эффектов, наблюдавшихся иа опыте, н дать нх строгое
не только качественное, но н количественное описание.
Наконец, забегая несколько вперед, можно сказать,
что когда в 1932 г. Поль Дирак построил глубокую и бо-
лее общую, чем это было сделано до него, теорию пове-
дения тел микромира, то оказалось, что элементарные
146
частицы должны иметь собственный магнитный момент и
спин. Если бы в 1925 г. Уленбек и Гаудсмит не открыли
эти свойства электрона, то, по-видимому, спустя семь лет
Дирак их бы предсказал.
Ныие представления о магнитном моменте и спине
элементарных частиц прочно вошли в основной фонд,
науки.
Вернемся теперь снова в тридцатые годы нашего века
и посмотрим, к каким еще последствиям привело откры-
тие магнитного момента и спина элементарных частиц.
В области строения атомного ядра это привело к ката-
строфе.
Ядро атома водорода имеет положительный заряд,
равный 1, и атомный вес, тоже равный 1. Таким образом,
оно состоит из одного протона. Спин протона з=(1/з)Х
X (Л/2л), т. е. в единицах /г/2п полуцелын. Когда экспери-
ментаторы измерили магнитный момент и спин ядра ато-
ма водорода, то действительно оказалось, что у него по-
луцелый спин и соответствующий магнитный момент.
Ядро атома гелия 4Нег имеет заряд +2 н атомный вес,
равный 4. С точки зрения протон-электронной модели яд-
ра оно должно состоять нз четырех тяжелых частиц
(протонов), чтобы им^ть соответствующую массу, и из
двух электронов, чтобы иметь соответствующий электри-
ческий заряд (4—2=2). Так как у протона и электрона
* полуцелые спины, а их магнитные моменты и спины от-
носительно направления внешнего магнитного поля име-
ют лишь две ориентации, то при любой из них суммарный
• спин ядра должен быть либо целым, либо равным нулю.
Это следует из того, что общее число частиц в ядре чет-
ное. Опыт показал, что. суммарный спин ядра атома ге-
лия равен нулю, что не противоречит протоп-электрон-
ной модели атомного ядра.
Ядро атома азота l4N7 имеет электрический заряд +7
и атомный вес 14. Согласно протон-электронной модели,
оно должно состоять из 21 частицы: 14 тяжелых частиц,
чтобы иметь соответствующую массу, и 7 электронов,
чтобы иметь соответствующий электрический заряд
(14—7 = 7). При любой комбинации нечетного числа час-
тиц суммарный спин ядра должен быть полуцелым. Меж-
ду тем эксперимент вполне отчетливо показал, что ядро
атома азота имеет спин, равный 0 или 1, т. е. целый.
Поскольку ни в существовании спина и магнитного
момента элементарных частиц, ни в результатах экспе-
б*
147
риментального определения характеристик ядер атома
азота никаких сомнений не было, то указанное противо-
речие означало крушение существовавших модельных
представлений о строении атомного ядра. Ученые окре-
стили этот казус «азотной катастрофой».
Через несколько лет выход из этих трудностей был
найден благодаря открытию повой элементарной части-
цы, которое произошло следующим образом. В 1930 г.
Боте и Беккер обнаружили, что при облучении а-частица-
ми легкого металла бериллия (и некоторых других лег-
ких элементов) возникает сильнопроникающее излучение.
Поставив на пути данного излучения толстую металличе-
скую пластину, ученые легко установили, что это не элек-
троны и не протоны, так как эти частицы поглощаются
даже в топком слое металла. Оставалось предположить,
что это у-излучение, так как других ионизирующих из-
лучений тогда еще не было известно. Однако и такое
объяснение встретило большие трудности. Неизвестное
излучение, пройдя через свинцовую пластинку толщиной
5 см, ослаблялось вдвое. Отсюда следовало, что если это
у-излучение, то оно должно иметь энергию 5 Мэв. Между
тем это же излучение, направленное на сосуд, содержа-
щий водород, выбивало ядра водорода (протоны) и со-
общало им пробег в 26 см. Но это означало, что если это
у-кваиты, то они Должны иметь энергию 50 Мзе!
Трудность была разрешена Чедвиком, который понял,
что неизвестное излучение представляет собой поток час-
тиц, имеющих массу примерно такую же, как и у прото-
на, и не имеющих электрического заряда. Они были на-'
званы нейтронами. Именно то, что они не имеют электри-
ческого заряда, делает их столь проникающими, а то, что
их масса близка к массе протона, позволяет им при со-
ударении с протонами и другими ядрами передавать
столь большой импульс.
Прн соударении двух частиц распределение энергии
между ними после столкновения зависит от отношения
масс этих частиц. Поэтому измерения длины пробега раз-
личных атомных ядер, выбитых нейтронами из атомов
(рис. 37, 38), цозволилн вычислить массу нейтрона. Та-
ким образом, хотя и довольно грубо (с погрешностью до
10%), была определена масса нейтрона. Она оказалась
в 1,15 раза больше массы протона.
В последующие годы значительно более точное опре-
деление массы нейтрона было выполнено с помощью
148
ядерной реакции разложения ядра атома тяжелого водо-
рода при облучении у-квантами.
По данным, которые получены к 1972 г., масса покоя
нейтрона тп= (1,674 957 5±0,000 008 7) • 1СН7 кг или
Рис, 87. Изображение в каме*
ре Вильсона следа протона,
выбитого в нижней части ка-
меры нейтроном.
Рис. 38. Изображение в камере Вильсо-
на следа ядра атома гелия, приведенного
в движение нейтроном.
1,008 665 20 ±0,000 000 10 а. е. м. *. Спин нейтрона, так
же как у протона и электрона, оказался равным s = (1/2) X
X (Л/2л), т. е. полуцелым.
Вскоре после открытия нейтрона Д. Д. Иваненко и
Е. Н. Гапон и независимо от них В. Гейзенберг высказа-
ли предположение о том, что атомные ядра построены не
из электронов и протонов, а из протонов и нейтронов.
Протон-иейтронная модель атомного ядра легко спра-
вилась с азотиой катастрофой. В самом деле, в протои-
нейтронной модели для построения ядра азота нужно
лишь 14 частиц (7 протонов и 7 нейтронов), что дает
электрический заряд +7 и массовое число, равное 14. Та-
ким образом, число частиц в ядре получается четным и
соответственно суммарный спин ядра — целым, что совпа-
дает с результатами опыта.
Идея о протон-нейтрониом составе атомных ядер ока-
залась правильной и плодотворной. В последующие годы
протон-нейтронная модель ядра получила дальнейшее
развитие, а ее применение во многом прояснило вопрос о
строении атомных ядер.
* См. сноску на стр. 122.
149
Дальнейшее исследование нейтронов показало, что эти
частицы неустойчивы. По истечении некоторого времени
нейтрон самопроизвольно превращается в протон, элек-
трон и антинейтрино. Масса покоя нейтрона больше мас-
сы покоя протона и электрона, вместе взятых, поэтому
эта ядерная реакция идет с выделением энергии, которую
и уносят родившиеся частицы.
Исследования нейтрино и антинейтрино показали, что
эти частицы имеют спин и не имеют электрического заря-
да. Их масса покоя, по-видимому, равна нулю и во вся-
ком случае меньше сотых долей массы покоя электрона.
Они очень слабо взаимодействуют с веществом и поэтому
обладают чрезвычайно большой проникающей способно-
стью. Участвуя во многих ядерных превращениях, нейтри-
но и антинейтрино уносят заметную часть энергии, вы-
деляющейся при протекании этих процессов.
ГЛАВА 28
ДЕФЕКТ МАССЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
РЕСУРСЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
Дорелятивистская физика знала два фундаменталь-
ных закона сохранения, а именно: закон сохранения
энергии и закон сохранения массы; оба этих фундамен-
тальных закона считались совершенно независимыми
друг от друга. Теория относительности слила их в один.
А. Эйнштейн
Если бы физикам XIX века была предложена задача
об определении разницы между массой целого тела и сум-
мой масс его частей, то, вероятнее всего, они сочли бы
это шуткой. Если бы некто все-таки стал настаивать на
постановке такой задачи и утверждать, что решение ее
очень важно,'то физики прошлого века сказали бы ему,
что существует ряд хорошо известных законов сохране-
ния, например: закон сохранения энергии, закон сохране-
ния вещества и т. д. Быть может даже с некоторым со-
страданием оии бы добавили, что искать случаи наруше-
ния этих законов также безнадежно, как надеяться по-
строить вечный двигатель. Возмущаясь невежеством
своего собеседника, удивляясь его научной наивности,
физики XIX века, конечно, ие удержались бы от того,
чтобы не сказать также: вспомните классические опыты
150
Лавуазье, сделанные еще в XVIII веке. Ведь когда Ла-
вуазье разложил окись ртути, то оказалось, что вес по-
лученной таким образом металлической ртути меньше
веса окиси. Однако, уловив и взвесив получившийся при
этой химической реакции газообразный кислород, Ла-
вуазье как раз и показал, что сумма веса металлической
ртути н кислорода точно равна весу исходного продукта,
т. е. окиси ртути. Да, добавили бы они, закон сохранения
вещества не имеет исключений и масса целого всегда
равна сумме масс его частей, если только (не удержа-
лись бы оин от иронии) горе-экспериментатор не потеря-
ет чего-то, перенося свои вещества из одной колбы в
другую.
Между тем в XX веке была определена разница меж-
ду массой атомного ядра и суммой масс составляющих
его элементарных частиц: протонов и нейтронов. Для по-
становки и решения этой задачи в сороковые годы нашего
века уже имелись достаточные основания: теоретические
и экспериментальные. Теоретические дала теории относи-
тельности, экспериментальные были получены в резуль-
тате точных измерений массы атомов и элементарных
частиц.
Сначала мы проведем эти расчеты и определим раз-
ность соответствующих масс, а уже затем обсудим те
грандиозные выводы в отношении понимания строения
вещества н преобразования всей энергетики человечест-
ва, которые из иих следуют. Однако, прежде чем присту-
пить к этим расчетам, нам еще нужно вспомнить следую-
щие элементарные сведения из области строения веще-
ства: атом любого вещества состоит из положительно
заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрица-
тельно заряженные электроны. Ядра различных атомов
имеют различный электрический заряд, равный + 1 у
ядра атома водорода, + 2 у ядра атома гелия, + 92 у яд-
ра атома урана н т. д. В соответствии с этим в нейтраль-
ном состоянии атом водорода содержит 1 электрон, атом
гелия — 2 электрона, атом урана — 92 электрона.
В свою очередь ядра атомов также имеют сложное
строение н состоят из протонов, имеющих электрический
заряд, равный +1, н нейтронов, ие имеющих электриче-
ского заряда. Ядро легкого водорода — протия — состо-
ит из 1 протона. Ядро тяжелого водорода — дейтерия —
состоит из 1 протона и 1 нейтрона. Ядро сверхтяжелого
водорода — трития — нз 1 протона и 2 нейтронов. Ядро
151
стабильного изотопа — гелия — состоит из 2 протонов и
2 нейтронов.
Все изотопы урана радиоактивны. Ядро 238U92 состоит
из 92 протонов и 146 нейтронов, а ядро урана 235Ug2 — из
92 протонов н 143 нейтронов. Электроны принято назы-
вать легкими элементарными частицами, или лептонами,
а протоны и нейтроны — тяжелыми элементарными час-
тицами, или нуклонами.
Указанные расчеты'мы проведем для а-частицы— яд-
ра атома гелия, которое, как известно, состоит из двух
протонов и двух нейтронов. Точные значения масс час-
тиц были приведены ранее. Сейчас мы ограничимся их
значениями, округленными до трех знаков после запя-
той. Суть дела от этого не изменится, а соответствующие
расчеты упростятся.
Итак, выраженные через атомные единицы, значения
масс протона, нейтрона и а-частицы, соответственно
равны*:
mp = 1,007 а. е. м.
тп = 1,009 а. е. м.
та = 4,003 а. е. м.
Нетрудно подсчитать, что если из суммы масс двух
протонов и двух нейтронов вычесть массу а-частицы, то
соответствующая разность составит:
Дт == 2тр 4- %тп — та= 0,030 а. е. м.
Полученная разность называется дефектом массы а-час-
тицы.
Теперь учтем соотношение между массой и энергией,
полученное из теории относительности: Е — тс2, и подсчи-
таем энергию, которая соответствует 1 а. е. м. При этом
результат получится в единицах работы и энергии —
джоулях. Однако для дальнейших расчетов удобнее вы-
разить его в мегаэлектронвольтах (/Изе). 1 Мэв соответ-
ствует энергии, которую приобретает электрон, пройдя
разность потенциалов в 1 миллион вольт. Такой едини-
цей обычно пользуются при различных физических рас-
четах, учитывая, что 1 Мэв = 1,6-10"13 дж. Таким обра-
зом, энергия, соответствующая 1 а. е. мл
* Напомним, что 1 а. е. м.= (1,6605683±0,0000087) • IO~27 кг.
152
Е, = т • с2 = 1,66 • КГ2’ • 8,99  10« =
а.е.м. а.е.м.	’	’
= 1,49 - 10~*° дж = 931 Мэв.
Теперь для определения величины энергии, соответст-
вующей дефекту массы а-частицы, достаточно этот де-
фект массы помножить на энергию, соответствующую
1 а. е. м.:
Е = &п- Еа^ = 0,03  931 = 28 Мэв.
* Мы подошли к самому интересному: анализу полу-
ченных результатов.
Что означает этот дефект массы ядра атома гелия,
равный 0,03 а. е. м. (5л 10-29 кг) или соответствующая
ему энергия в 28 Мэв? Дефект массы — это та часть мас-
сы элементарных частиц, протонов и нейтронов, которая
перешла в излучение при образовании из этих частиц
системы: ядра атома гелия. Эта система обладает опре-
деленной и к тому же довольно большой прочностью.
28 Мэв — энергия излучения, испущенного прн ее об-
разовании и одновременно это как раз та энергия, кото-
рую нужно приложить к ядру атома гелия для того, что-
бы разложить его на отдельные части.
Нетрудно подсчитать, что в данном случае на одну
частицу приходится энергия в четыре раза меньшая, т. е.
i 7 Мэв. Между тем извлечение из атомного ядра даже
одной частицы разрушает его. Таким образом, именно
эта энергия характеризуем прочность атомного ядра и
является важной его характеристикой. Ее называют
энергией связи, приходящейся на одну частицу, или про-
сто энергией связи.
Теперь мы вернемся к вопросу о нецелочисленности
атомного веса элементов. Ведь задача, которая столь
долго волновала умы ученых, вызвала столько интерес-
ных гипотез и дискуссий, привела однажды к ситуации
драматической (вспомните правильные идеи Крукса и
неудачу его опытов)... Эта задача введением понятия
о дефекте массы, по существу, уже решена. В самом де-
ле, когда протоны и нейтроны образуют то или иное
атомное ядро, то при этом излучается энергия и соответ-
ственно уменьшается масса системы, причем так, что
она становится меньше суммы масс составляющих час-
• тиц. Таким образом, отклонение атомных весов элемен-
тов от целочисленных значений объясняется не только
153
тем, что эти элементы состоят из разных изотопов, но
также и тем, что ядра изотопов имеют дефект массы.
Важно отметить, что каждый изотоп имеет характерные
лишь для него дефект массы и энергию связи. Далее мы
увидим, сколь важно это обстоятельство.
Итак, теория относительности, установив связь меж-
ду массой и энергией тел, дала ключ к решению задачи
о нецелочисленности атомного веса элементов, а протон-
нейтронная модель атомного ядра оказалась тем замком,
к которому этот ключ подошел. Физики XIX века знали
закон сохранения энергии и закон сохранения вещества.
Между тем теория относительности ввела обобщенный
закон сохранения массы и энергии и показала, что из-
лучение связано с вполне определенной массой, которая
равняется энергии этого излучения, поделенной на квад-
рат скорости света km-Efc2. Таким образом, нецело-
численность атомного веса элементов наконец получила
объяснение, н оно оказалось глубоким и изящным.
Между тем, как это часто бывает в иауке, решение
одной задачи вызвало постановку других, еще более ин-
тересных, а изучение, казалось бы, абстрактных вопро-
сов привело к радикальному преобразованию техники.
В сороковые годы нашего века благодаря работам
Астона, Демпстера и других ученых с большой точностью
были определены значения дефекта массы и вычислены
энергии связи для некоторых изотопов. На рис. 39 эти ре-
зультаты представлены в виде графика, иа котором по
оси абсцисс отложен атомный рес изотопов, а по осн ор-
динат — средняя энергия связи частицы в ядре.
Внимательно рассмотрим эту кривую. Анализ ее ин-
тересен и важен, так как на ней, и очень наглядно, вид-
но, какие ядериые процессы дают большой выход энер-
гии. По существу, ядерная энергетика Солнца и звезд,
атомных электростанций и ядерного оружия является
реализацией возможностей, заложенных в тех соотно-
шениях, которые показывает эта кривая. Она имеет не-
сколько характерных участков. Для легкого водорода
1Hi энергия связи равна нулю, так как в его ядре всего
одна частица. Для гелия 4Не2 энергия связи на частицу
составляет 7 Мэв. Таким образом, переход от водорода к
гелию связан с крупным энергетическим скачком.
У изотопов среднего атомного веса: железа, никеля и
др., энергия связи частицы в ядре наибольшая (8, 6 Мэе)
и соответственно ядра этих элементов наиболее прочные.
154
У более тяжелых элементов энергия связи частицы в яд-
ре меньше и поэтому их ядра относительно менее проч-
ные. К таким ядрам относится и ядро атома 235U.
Чем больше дефект массы ядра, тем большая энер-
гия излучена при его образовании. Следовательно, ядер-
ное превращение, при котором происходит увеличение
дефекта массы, сопровождается добавочным излучением
Рис. 36. Кривая энергии связи, приходящейся на одну
частицу.
энергии. Из рис. 39 видно, что-имеются две области, в
которых эти условия выполняются: переход от самых
легких изотопов к более тяжелым, например от водоро-
да к гелию, и переход от самых тяжелых, например ура-
на, к ядрам атомов среднего веса.
Вопрос заключается в том, как велика энергия, ко-
торую можно при этом получить, и как такое превраще-
ние осуществить.
Качество топлива принято оценивать по его тепло-
творной. способности, т. е. количеству тепла, которое полу-
чается при сгорании 1 кг данного вида топлива. На-
пример, теплотворная способность пороха равна
5000 ккал!кг, а угля — 7000 ккал!кг.
Для определения теплотворной способности ядерных
реакций примем во внимание, что 1 Мэе соответствует
3,83’10~14 кал. В грамм-атоме любого вещества содер-
жится 6,02-10-23 атомов (число Авогадро). Грамм-
атом гелия равен 4 г. Вспомним также, что' при образо-
вании одного ядра атома гелия выделяется энергия, рав-
155
пая 28 Мэв. Следовательно, при образовании 1 г гелия
выделяется энергия
Е - 28 • 3,83  Ю-14 - 6,02  1033/4 = 1,6  1031 ккал!кг.
Для того чтобы уголь начал гореть, его нужно пред-
варительно нагреть до определенной температуры и обес-
печить доступ к нему воздуха (кислорода). Для осуще-
ствления ядерной реакции- синтеза гелия из водорода
нужно, чтобы водород находился под очень высоким дав-
лением и при очень высокой температуре.
Такие условия имеют место в недрах многих звезд, и
в том числе внутри Солнца. Именно за счет ядерной
реакции синтеза гелия из водорода наше Солнце в тече-
ние многих миллиардов лет поддерживает свои энерге-
тические ресурсы.
Исследования и расчеты показали, что синтез гелия
из водорода идет через ряд промежуточных ступеней.
Сначала из легкого водорода *Hi образуется тяжелый
2Нь затем легкий изотоп гелия 3Нег и, наконец, стабиль-
ный изотоп гелия 4Нег. В этом протои-протоином цикле
ядро гелия, как снежный ком, постепенно лепится из от-
дельных частей.
В другом варианте реакции образования гелия при-
нимает участие углерод, который, подобно катализато-
рам химических реакций, участвует лишь в промежуточ-
ных стадиях синтеза. Углеродный цикл (разработанный
Бете в 1939 г.), по-видимому, является основным для
звезд Главной последовательности, к которым относит-
ся наше Солнце.
В протои-протонном и углеродном циклах на проме-
жуточных ступенях реакций образуются также нейтрино
и антинейтрино, которые уносят с собой часть энергии за
пределы звезды. В результате этого для самой звезды
полезный выход реакций снижается до 26,2 Мэв для про-
тон-протонного цикла и 25,03 Мэв для углеродного. Это
соответствует теплотворной способности, равной приб-
лизительно 1,5-Ю11 кк.ал!кг, что в 20 миллионов раз пре-
вышает теплотворную способность лучшего угля.
Таким образом, 1 г водородного ядерного горючего
дает такое же количество тепла, как 20 т угля.
Для ядер, расположенных на правом нисходящем
участке кривой (см. рис. 39), энергетически выгодным
является превращение в более легкие ядра. Одним из
таких процессов является обычный радиоактивный рас-
156
пад. Однако дефект массы при этом меняется незначи-
тельно и выход энергии получается относительно неболь-
шим. В энергетическом отношении значительно более вы-
годным оказался другой ядерный процесс, открытие ко-
торого произошло следующим образом: в 1934 г. Энрико
Ферми (1901 —1954 гг.) обнаружил, что при облучении
урана нейтронами происходят явления, не похожие иа
обычные ядерйые превращения.
В 1936—1937 гг. Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фриц
Штрассман, проводя аналогичные исследования, обна-
ружили, что при облучении урана нейтронами появляет-
ся несколько радиоактивных элементов, которые они
сначала ошибочно приняли за трансурановые, т. е. более
тяжелые, чем уран,
Ирен Кюри, повторив эти опыты, тоже обнаружила в
результате облучения урана нейтронами несколько ра-
диоактивных элементов и также ошибочно приняла их за
трансурановые.
Как завеса густого тумана, инерция ума мешала уче-
ным увидеть то новое, что настойчиво стучалось в их
двери.
Наконец, Ган и Штрассман, очень тщательно пов-
торив еще раз опыты, опубликовали статью, в который
писали, что после облучения урана нейтронами они обна-
ружили барий, церий, лантан, т, е. не трансурановые
элементы, а элементы среднего атомного веса.
Однако решающий шаг был сделан Лнзой Мейтнер и
Отто Фришем, которые, оценив все эти эксперименты, по-
няли, что при облучении урана нейтронами атомы его де-
лятся на осколки приблизительно равной величины, т. е.
элементы среднего .атомного веса. Поняв это, они поста-
вили специальный эксперимент, который показал, что при
облучении урана нейтронами действительно имеет место
именно деление атомов урана. В статье, опубликованной
в 1939 г., они писали:
«... ядро урана обладает лишь небольшой стабиль-
ностью и может после захвата нейтрона разделиться
на два ядра примерно равной величины... Эти два яд-
ра будут отталкивать друг друга (потому что оба они
несут большие положительные заряды) и должны по-
лучить общую кинетическую энергию около 200 мил-
лионов электронвольт, как это рассчитано по ядерно-
му радиусу и заряду».
157
В 1940 г. К. А. Петржак и Г. Н. Флёров показали, что
процесс деления ураиа происходит также и самопроиз-
вольно, ио чрезвычайно редко.
Для осуществления реакции деления урана ни высо-
кой температуры, ни высокого давления не требуется.
Однако для использования этой реакции в технических
целях иужио сделать ее непрерывной и самоподдержи-
вающейся. Оказалось, что для этого необходимо выпол-
нить два условия. Во-первых, замедлить нейтроны, так
как-именно медленные нейтроны наиболее эффективна
вызывают деление урана. В дальнейшем выяснилось,
что для замедления нейтронов можно использовать тя-
желую воду или графит. Во-вторых, нужно, чтобы коли-
чество делящегося вещества превышало некоторую оп-
ределенную величину — критическую массу. Энергети-
ческий выход реакции деления урана с учетом различных
потерь составляет около 170 Мэв на один акт деления, и
соответственно теплотворная способность такого ядер-
иого горючего равняется
с 170 • 3,83 • К)-14 • 6,02 • 1023	. сл |Л10	,
Е --------1----------------— 1,64 • Ю10 ккал!кг,
235
что в два миллиона раз больше теплотворной способности
лучшего угля.
Как известно, реакция деления тяжелых ядер снача-
ла была использована для получения бомб, а затем в
ядерных электростанциях. Реакция синтеза гелия из во-
дорода также была применена при изготовлении бомб.
Сделать ее управляемой и, таким образом, пригодной для
мирных целей пока еще не удалось. Однако над этой за-
дачей работают многие ученые в разных странах. Реше-
ние этой задачи даст человечеству огромные энергети-
ческие ресурсы.
Мы рассмотрели несколько ядерных процессов, в ко-
торых изменение дефекта массы составляет лишь долю
процента массы покоя частиц, участвующих в реакциях.
При этом энергетический выход этих реакций оказался
огромным.
Следующий шаг, очевидно, состоит в том, чтобы отве-
тить иа вопрос: имеются ли процессы, в которых проис-
ходит полный переход массы покоя частиц в энергию
излучения, н возможно ли техническое использование та-
ких процессов?
158
ГЛАВА 29
АНТИЧАСТИЦЫ ОБНАРУЖЕНЫ И ВЗВЕШЕНЫ.
ГДЕ ЖЕ АНТИМИРЫ?
Никакие результаты наблюдений пока не обнару-
жили антивещества в Галактике или за ее пределами,
отрицательные результаты поисков антиядер в космиче-
ских лучах указывают на отсутствие заметных количеств
антивещества в недалеких окрестностях Солнечной сис-
темы. Но никакие данные наблюдений не доказывают
того, что антивещества практически нет в Галактике
вообще.
Н. 4. Власов (1966 г.)
Для описания поведения очень малых тел, например
элементарных частиц в атоме, классическая механика
оказалась непригодной. Б течение нескольких десятиле-
тий первой половины XX века трудами многих ученых
была создана квантовая механика, в основе которой ле-
жит идея Макса Планка о том, что тела испускают и пог-
лощают энергию не непрерывно, а некоторыми порция-
ми — квантами. Теория, построенная на этой основе, с
большим успехом объяснила и правильно предсказала
многие явления микромира.
Таким образом, к тридцатым годам нашего века уче-
ные располагали двумя мощными теориями: квантовой
механикой и теорией относительности. Б 1928 г. Поль
Дирак построил теорию, в некоторой мере нх объединя-
ющую.
Наряду с другими интересными и важными результа-
тами из теории Дирака следовало также и то, что долж-
на существовать частица с такой же массой, как у элект-
рона, и электрическим зарядом другого знака, — поло-
жительным. В 1932 г. Карл Андерсон открыл такую час-
тицу. Она получила название позитрон.
Андерсоном была применена обычная методика, ис-
пользуемая при изучении космических лучей: камера
Вильсона в магнитном поле. Поперек камеры Андерсон
поставил свинцовую пластинку толщиной 6 мм.
Камера Вильсона заполнена парами, близкими к на-
сыщению. Проходя через такую камеру, заряженные час-
тицы создают центры конденсации, вокруг которых сгу-
щаются капли, что и делает видимым след частицы.
Магнитное поле искривляет путь частицы. При этом ра-
диус кривизны траектории частицы зависит от ее массы
159
Рис. 40. Фотография, на которой впервые был обнаружен
позитрон. Снимок получен с помощью камеры Вильсона.
Р н с. 41. Фотография электронно-позитронной
пары в криптоне (позитрон отклонился вправо,
электрон — влево).
и энергии. Свинцовая пластинка служит для резкого из-
менения энергии частицы.
На рис. 40 приведена фотография следа позитрона,
полученная Андерсоном. Позитрон движется сверху вниз.
В нижней части камеры кривизна его траектории боль-
ше, чем в верхней, так как после прохождения свинцовой
пластинки он потерял часть энергии, движется медлен-
нее и магнитное поле его закручивает сильнее. О том, что
это частица с такой же массой, как у электрона, свиде-
тельствует плотность следа (протон дал бы более толс-
тую линию). О знаке электрического заряда частицы го-
ворит направление его отклонения (электрон отклонился
бы в другую сторону).
В 1934 г. Тибо уже другим методом и с большей точ-
ностью экспериментально установил, что массы элект-
рона и позитрона равны, а заряды равны по абсолютной
величине и противоположны по знаку.
Каждая элементарная частица характеризуется мас-
сой покоя, электрическим зарядом, спином и магнитным
моментом. У электрона и позитрона масса покоя одина-
ковая, величина спина, магнитного момента и электри-
ческого заряда также одинаковая, а знак заряда и со-
ответственно направление магнитного момента раз-
ные.
Таким образом, по отношению к электрону позитрон
является античастицей.
Дальнейшие исследования показали, что у-кванты
(излучение, испускаемое при радиоактивном распаде
атомного ядра) способны порождать электронио-позит-
ронные пары, если только их энергия превосходит неко-
торый порог, чуть больший 1 Мэв. С помощью камеры
Вильсона, а также фотографических эмульсий процесс
рождения электронно-позитронных пар был обнаружен и
зафиксирован (рис. 41).
Пороговый характер этого процесса обусловлен тем,
что у-квант имеет определенную энергию, но не имеет
массы покоя. При рождении пары часть энергии
у-кванта идет на создание массы покоя двух частиц, а
остальная переходит в кинетическую энергию рожден-
ных частиц. Масса покоя электрона me=9,109-10-31 кг, а
соответствующая энергия Е—тес2=0,511 Мэв. Позитрон
имеет такую же массу покоя. Таким образом, для рожде-
ния пары требуется, чтобы у-квант имел энергию не
меньше 1,022 Мэв.
161
Наблюдается также и обратный процесс, или анниги-
ляция пар, прп котором античастицы — позитрон и
электрон — превращаются в два у-кванта с энергией, не-
сколько большей 0,5 Мэв у каждого нз них.
По теории Дирака, следовало ожидать существова-
ния античастиц и у других элементарных частиц. В шес-
тидесятые годы нашего века были начаты деятельные
поиски тяжелых античастиц, в первую очередь антипро-
тонов. Сначала была применена такая же методика, как
н в предыдущем случае, т. е. изучение следов космичес-
ких частиц с помощью камеры Вильсона н фотографи-
ческих эмульсий. Прн этом на отдельных фотографиях
были обнаружены следы, похожие на те, которые могли
бы создать антипротоны. Однако из-за низкой точности
самого метода результаты были признаны неубедитель-
ными. Тогда было решено попытаться создать антипро-
тоны искусственно. Нетрудно посчитать, что для созда-
ния антипротонов нужна достаточно большая энергия.
Действительно, удвоенная масса покоя протона соответ-
ствует энергии £=?2-938=1876 ЛЪв = 1,87б Гэв (1 Гэв=
109 эв). Кроме того, нужно учесть, что процесс рождения
пары происходит вблизи какой-либо частицы, которая по-
лучает при этом некоторый импульс, а это требует доба-
вочной затраты энергии. Для процесса образования анти-
частиц, например протон — антипротон, добавочная энер-
гия оказывается довольно значительной, так что для рож-
дения пары требуется энергия £ = 5,63 Гэв.
В 1955 г. Чемберлен, Сегре, Виганд и Ипсилантис на
построенном ими в Беркли ускорителе получили пучок
протонов с энергией около 6 Гэв. При облучении этими
протонами медной мишени были получены антипротоны.
При дальнейших исследованиях на мощных ускорителях
были получены антинейтроны. В 1965 г. Дорфаи на ус-
корителе на 30 Гэв в Брукхейвене получил антидейт-
роны.
Энергетический выход в этих процессах (в расчете на
один акт аннигиляции) огромен. В отличие от процессов
деления урана и синтеза гелия из водорода, при которых
меньше 1% массы покоя реагентов переходит в излуче-
ние, в процессах аннигиляции в излучение переходит
значительная часть массы покоя участвующих в реак-
ции частиц. Для получения этих частиц и наблюдения их
реакций создаются огромные уникальные сооружения и
затрачивается огромная энергия, а их техническое ис-
162
пользование для получения энергии освоено пока лишь в
научно-фантастических романах. Тем не менее изучение
этих процессов представляет исключительно большой ин-
терес для понимания строения вещества.
Не следует забывать, что многие научные открытия,
которые вначале казались бесконечно далекими от техни-
ческого использования, затем находили существенное
применение, а иногда и приводили к технической рево-
люции.
Существование античастиц и их поведение представ-
ляют интерес еще и в другом аспекте — космическом.
Какова распространенность антивещества в природе?
Свойства античастиц, в общем, довольно сходны со свой-
ствами частиц. Есть лишь существенное различие в их
среднем времени жизни. В земных условиях протон и
электрон стабильны, а позитрон и антипротон аннигили-
руют в течение промежутков времени, меньших миллион-
ной доли секунды.
Одпако не исключена возможность, что есть области
Вселенной, где положение обратное. Дирак поставил воп-
рос еще более широко: существует ли во Вселенной сим-
метрия относительно вещества и антивещества? Имеют
ли вещество и антивещество одинаковое распростране-
ние в природе? С логической точки зрения такая поста-
новка вопроса вполне закономерна. Ответ па него дол-
жен дать опыт. С экспериментальной точки зрения воп-
рос о существовании значительного количества антиве-
щества в природе (может быть, равного количеству
вещества?) сводится к следующему: если это действи-
тельно так, то как его можно обнаружить?
Прежде всего очень мала вероятность того, что ве-
щество и. антивещество могут быть распределены во Все-
ленной равномерно. На Земле и в Солнечной системе в
этом отношении наблюдается резкая асимметрия. Кро-
ме того, если бы каким-то образом в некий момент где-то
и возникло бы равномерное распределение вещества и
антивещества, то в результате аннигиляции в относи-
тельно короткое время частицы и античастицы преврати-
лись бы в излучение.
Можно предположить, что антивещество расположе-
но в какой-то очень удаленной от нас области Вселенной
и именно там оно стабильно. Если это так, то там, где об-
лако вещества вступает в соприкосновение с облаком
антивещества, должна происходить аннигиляция. Следу-
11*
163
ет ли ожидать, что при этом произойдет кратковремен-
ный гигантский взрыв? По-видимому, нет. Потому что в
том месте, где облака вещества и антивещества сопри-
коснутся, резко возрастет скорость частиц и плотность
излучения и, таким образом, появятся силы, расталки-
вающие оба облака.
Капли воды па раскаленной плите не испаряются ера*
зу потому, что от непосредственного соприкосновения с
ней их предохраняет образовавшаяся газовая подушка.
Подобно этому сгорание пришедших в соприкосновение
облаков вещества и антивещества должно происходить в
некоторой мере замедленно.
• Обнаружить такой процесс можно было бы по избыт-
ку в космических лучах, идущих из какой-то определен-
ной области пространства, излучения характерной энер-
гии, например у-квантов с энергией 0,5 Мэв, с энергией
больше 50 Мэв и т. д. Однако пока это сделать не уда;
лось.
Впрочем, в самой идее о симметрии Мира относитель-
но вещества и антивещества есть серьезные принципи-
альные затруднения, связанные с построением достаточ-
но убедительной схемы возникновения этой симметрии.
Преодолеть эти трудности пока что также не удалось.
ГЛАВА 30
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ МЕЗОНОВ, ГИПЕРОНОВ
И, МОЖЕТ БЫТЬ, КВАРКОВ
Не исключено, что кварки действительно сущест-
вуют... Сейчас американские и советские ученые начи-
нают искать кварки на поверхности Земли. Ведь паша
планета подвергалась облучению космическими лучами
на протяжении миллиардов лет, При этом благодаря
большим энергиям космических лучей некоторое количе-
ство известных нам частиц должно было раздробиться
на кварки.
И. Е. Тамм (1967 г.)
К середине XX века многие важные вопросы строе-
ния вещества были решены. Мы видели, какую большую
роль при этом сыграло изучение массы изотопов и эле-
ментарных частиц, определение дефектов массы и уста-
новление связи между массой и энергией тел. Однако,
164
как это обычно бывает в науке, решение одних задач
вызвало постановку других, еще более глубоких.
В отличие (притом не единственном) от детективного
рассказа, где поимка преступника и объяснение его
уверток сразу все проясняет и развязывает все хитро-
сплетенные узлы, в науке решение одной задачи почти
всегда влечет за собой постановку новых еще более ин-
тересных и трудных.
Перечислим некоторые из них: какие силы связывают
протоны и нейтроны в ядре? Почему при построении эле-
ментарных частиц природа как бы отдает предпочтение
определенным значениям массы и заряда? Почему одни
частицы стабильны, а другие нет? Ученые здесь едино-
душны в одном: путь к решению этих задач в изучении
элементарных частиц.
В 1935 г. Хидеки Юкава при построении теории ядер-
ных сил пришел к заключению, что должна существо-
вать частица, имеющая массу большую, чем у электрона,
но меньшую, чем у протона, и именно она должна связы-
вать частицы в ядре. Экспериментаторы занялись ее
поисками.
В первую очередь, для таких исследований была при-
менена камера Вильсона — прибор, в котором след час-
тиц становится видимым благодаря конденсации пара в
капельки тумана. Широкое применение для исследования
элементарных частиц получили фотографические эмуль-
сии. В них заряженные частицы создают скрытое изобра-
жение, которое становится видимым после проявления.
Ценным прибором для исследования быстрых частиц ока-
залась также изобретенная в эти годы пузырьковая ка-
мера. В ней при прохождении заряженной частдцы жид-
кость в отдельных местах закипает и образует пузырьки
газа. Таким образом, след заряженной частицы обозна-
чается цепочкой пузырьков, становится видимым и мо-
жет быть сфотографирован.
Итак, ученые забросили в океан неизвестного свои
глубоководные тралы в надежде поймать золотую рыбку.
Несколько неожиданно для самих себя они в течение по-
следних двадцати лет поймали их больше сотни.
В 1936 г. Андерсон и Неддермайер при изучении кос-
мических лучей с помощью камеры Вильсона обнаружи-
ли частицу, которая была тяжелее электрона, ио легче
протона. Для выяснения ее свойств в первую очередь
нужно было измерить массу и заряд.
165
Определение массы частицы по ее следу в камере
Вильсона делается так: камера помещается в сильное
магнитное поле. При этом траектория пролетающей заря-
женной частицы искривляется (см. рис. 40), а величина
этого искривления оказывается пропорциональной силе
магнитного поля и обратно пропорциональной количеству
движения mv самой частицы. Понятно, что для определе-
ния массы частицы знания одной лишь кривизны следа
еще недостаточно. Поэтому экспериментаторы, работаю-
щие с камерой Вильсона, изучают также плотность сле-
да частицы и подсчитывают число капелек, образовав-
шихся на каждом сантиметре ее пути. Каждая капелька
образуется вокруг иона, созданного пролетающей заря-
женной частицей. На создание каждой пары ионов части-
ца расходует определенную энергию. В результате ока-
зывается, что плотность следа частицы в камере пропор-
циональна квадрату ее электрического заряда и обратно
пропорциональна квадрату ее скорости z2/v2. Так как ки-
нетическая энергия частицы пропорциональна квадрату
ее скорости, то таким образом удается получить сведения
об электрическом заряде и энергии частицы. Легко ви-
деть, что, учитывая одновременно плотность следа и его
кривизну, можно определить массу частицы. Ее можно
найти и несколько иным способом. Так как длина пробега
частицы в камере Вильсона пропорциональна массе час-
тицы и ее скорости = где k — постоянная, кото-
рая зависит от состава вещества, заполняющего камеру),
то, комбинируя сведения о длине пробега частицы и плот-
ности ее следа, можно вычислить массу частицы.
Таким образом, Андерсон и Неддермайер установили,
что новая частица отличается от электрона и протона я
имеет массу, равную около 200 электронных масс те, и
единичный электрический заряд. Эта частица получила
название ц,-мезон.
По современным данным, масса р_-мезона равна
206,8 пге. Масса его античастицы ц+-мезона также равна
206,8 пге, а их электрические заряды соответственно рав-
ны —1 и +1. Обе эти частицы радиоактивны, т. е. само-
произвольно распадаются. ц~-Мезон распадается на элек-
трон, нейтрино и антинейтрино, а р+-мезон распадается
на позитрон, нейтрино и антинейтрино. Среднее время
жизни и той, и другой частицы равно 2,15-10_6 сек.
Открытие ц-мезона показало, что у природы для уче-
ных припрятано еще немало сюрпризов. В частности, ока-
166
залось, что свойства р-мезона не соответствуют тем, кото-
рые следуют из теории Юкавы. Значит, либо не верна
теория, либо должна быть еще и другая частица.
В 1947 г. Латтес, Мюирхэд, Оккиалини и Пауэл при
работе с фотографическими эмульсиями обнаружили на
них следы новой частицы. На одной из таких фотографий,
полученной в 1949 г., было видно, что зта частица, пройдя
некоторый путь в эмульсии (рис. 42), затем распалась,
Рис. 42. Полученная с помощью фотоэмульсии мнврофото-
графил, на которой видны следы п-мезона н продуктов
его распада.
породив другую частицу, а та, также пройдя некоторое
расстояние в эмульсии, в свою очередь распалась и поро-
дила еще одну частицу.
Изучение плотности следов показало, что след слева
наиболее плотный, продольный след, несколько менее
плотный, а след справа еще менее плотный. Значит, час-
4 тица двигалась слева направо (см. рнс. 42). Более де-
тальное изучение фотографии позволило определить мас-
су частицы для разных участков следа. Оказалось, что
средний продольный участок соответствует частице, мас-
са которой немного больше 200 те и идентифицируется
с р-мезоном. Тонкий след справа соответствует электро-
ну, а более толстый след слева соответствует частице с
массой около 270 те. Эта частица была названа п-ме-
зоном.
Таким образом, на фотографии (см. рис- 42) запе-
чатлен распад л-мезона на р-мезон и нейтрино н после-
дующий распад р-мезона иа электрон, нейтрино и анти-
нейтрино. На фотоэмульсии следов нейтрино и антиней-
трино, разумеется, не видно, так как эти частицы не
имеют электрического заряда и не ионизуют вещество.
При дальнейших исследованиях были обнаружены
я-мезопы трех типов: л+, л- и л°-мезоны, т. е. положи-
4 тельные, отрицательные и нейтральные. По фотографиям
их следов с большой точностью была определена их мас-
167
са, которая у л+- и л~-мезоиов оказалась равной 273 те,
а у л°-мезона равной 264 те. Среднее время жизни л+ и
лг-мезонов равно 2,55-10-8 сек, а л°-мезона 1,80-10-16 сек.
Впрочем, замечание, что масса нейтральной части-
цы — л°-мезона — определяется по ее следу, требует не-
которого разъяснения. Ведь нейтральная частица следа
в камере не оставляет. Однако продукты распада этой
нейтральной частицы, являющиеся заряженными части-
цами, след оставляют. Поэтому для определения массы
нейтральной частицы подсчитывают массу и энергию ее
дочерних продуктов н по их сумме находят искомую ве-
личину.
Такой же метод применяется и при определении мас-
сы очень короткоживущих частиц, так как собственный
их след в камере оказывается весьма коротким.
При изучении свойств лг-мезонов выяснилось, что в
отличие от ц-мезонов они сильно взаимодействуют с атом-
ными ядрами. Таким образом, по ряду свойств лг-мезоиы
оказались как раз теми частицами, наличия которых тре-
бовала теория ядерных сил Юкавы.
Казалось бы, теперь ученые могли быть довольны, так
как концы сошлись с концами. Однако исследования про-
должались, и в течение последующих лет были открыты
частицы с массой, равной 966 те и 974 гпе (/(-мезоны), и
целая группа частиц с массой от 2183 до 2580 пге, полу-
чивших название гиперонов. Среднее время жизни этих
частиц порядка 10~8—1О~10 сек.
Частиц оказалось уже так много, что для удобства их
изучения пришлось ввести классификацию, разделив их
по некоторым основным свойствам на группы (табл. 4).
В эту таблицу для полноты включены и фотоны, масса
покоя которых равна нулю.
Вскоре ученые пришли к мысли, что такая классифи-
кация ие только удобна для анализа различных частиц,
но, по-видимому, отражает некоторые реальные и глубо-
кие свойства микромира. Дальнейшим развитием этих
представлений явилась идея о том, что есть лишь несколь-
ко основных элементарных частиц, но каждая из них мо-
жет находиться в нескольких различных состояниях, об-
разуя группу сходных частиц. Например, протон и ней-
трон представляют два различных состояния нуклона
и т. д.
В пятидесятые годы нашего века с помощью пузырь-
ковых камер была открыта еще целая серия частиц. У не-
168
169
Семейство частиц	Частица	Символ частицы
	Фотон	1
Лептоны	Нейтрино Электрон Отрицательный мю-мезон	е~ F"
Мезоны	Нейтральный пи- мезон Положительный пи-мезон Положительный К-мезон Нейтральный /(-мезон	я ° те* /е к°
Барионы	Протон	р
Таблица 4
Свойства элементарных частиц
Масса покоя и электронных массах.	Заряд	Спин	Среднее время жизни, сек
0	0	1	Стабилен
0	0	1/2	»
1	"е	1/2	»
206,77 + 0,02	”е	1/2	(2,212±0,001)-IO"6
264,2±0,1	0	0	(2,2±0,8)-10-м
273,2±0,1	+е	0	(2,55+0,03)-IO"8
966,6±0,4	+е	0	(1,224+0,013)-10"8
974 ±1	0	0	(1,00 + 0,004) • 10“10 K§:(6,l±l,4)-10-s
1836,12±0,02	+е	1/2	Стабилен
Античастица
Сам фотон
v — антинейтрино
е* — позитрон
р.+— положитель-
ный мю-мезон
Сам нейтральный
пи-мезон
— отрицатель-
ный пи-мезон
К~ — отрицатель-
ный К-мезон
— нейтральный
анти-/(-мезон
р — антипротон
Семейство частил	Частица	Символ частицы	Масса покоя в электронных массах,	Заряд
Барионы	Нейтрон	П	1838,65±0,02	0
	Ламбда-частица	До	2182,8±0,3	0
	Положительная сигма-частица		2327,7 ±0,4	+е
	Нейтральная сиг- ма-частица	2»	2331,8±1,0	0
	Отрицательная сигма-частица	s-	2340,5±0,6	-е
	Нейтральная кси- частица	Зэ	2565 ±8	0
	Отрицательная кси-частица	-	2580±2	—й
Продолжение табл. 4
Спин	Среднее время жизни, сек	Античастица
1'2	(1,01 ±0,03)-10а	п — антинейтрон
1/2	(2,51 ±0,09). 10-1°	Л°—анти-ламбда- частица
1/2	(0,81 ±0,06)-10-1°	S~—отрицательная анти-сигма-час- тица
1/2	Меньше, чем 10~ч	S0 — нейтральная анти-сигма-час- тяиа
1/2	(1,61 ±0,10).Ю-ю	S+ — положитель- ная анти-сигма- частица
1/2	Приблизительно 10“1°	3° — нейтральная анти-кси-части- ца
1/2	(1,3 ±0,4) .10,-1°	S+— положитель- ная анти-кси- частица
которых из них среднее время жизни составляет лишь
10-23—1Q-22 сек зти чрезвычайно короткоживущие час-
тицы получили название резонансов.
На рис. 4-3 приведена полученная с помощью пузырь-
ковой камеры фотография, иа которой удалось запечат-
леть аннигиляцию антипротона. На этой фотографии ви-
ден след антипротона р, движущегося снизу вверх. Бу-
ри с. 43. Фотография аннигиляции антипротона, по-
лученная с помощью пузырьковой камеры.
дучи быстрой, тяжелой и заряженной частицей, он на
своем пути создал большое число пар ионов и поэтому ос-
тавил толстый и плотный след.
Протонов на этой фотографии не видно. Ни того, с
которым столкнулся антипротон, ни остальных. Между
тем в камере их огромное количество. Камера заполнена
жидкостью, содержащей водород, а ядрами атомов водо-
рода являются протоны. Эти протоны потому и не вид-
ны на фотографии, что они входят в состав атомов. Ведь
171
атомы электрически нейтральны и поэтому при движе-
нии не производят ионизации, а следовательно, и не ос-
тавляют в камере следа.
Для наглядности на рис. 44 протон, с которым анни-
гилировал антипротон, обозначен жирной точкой. При
взгляде на эту фотографию представляется, что из той
точки, где аннигилировал антипротон, вылетело четыре
частицы. Однако более детальный анализ, проведенный
с учетом энергии продуктов реакции и углов их разлета,
позволил установить, что в этой точке были порождены
два л-мезона (л-* и л+), а также со°-частица. Спустя
10-22 сек ©°-частица распалась на три л?мезона (л-, л°,
лЛ). Разумеется, л°-мезон на фотографии не видеи, так
как, будучи нейтральной частицей, он в камере следа не
оставил. На фотографии точка, в которой произошел рас-
пад ©Мастины, сливается с точкой, в которой аинигили-
172
ровал антипротон, потому что оЛчастица, будучи очень
короткоживущей, не успела отойти на заметное расстоя-
ние.
На этой фотографии можно заметить также следы
распада л+-мезона на р,+-мезон и нейтрино и р+-мезона —
на позитрон и нейтрино. Следов нейтрино в камере, ко-
нечно, не видно.
Таким образом, фотография запечатлела не всех уча-
стников события. Однако цепь логических умозаключе-
иий, опирающаяся на знание свойств и поведения уже
известных частиц, позволила выявить их. При этом одна
из частиц со0 оказалась ранее неизвестной. Одиако сопо-
ставление массы и энергии ее «родителей» и «потомков»
позволило определить и ее массу, которая оказалась рав-
ной 1532 те. В 1961 г. независимо друг от друга Гелл-
Манн и Нееман разработали систему классификации час-
ти элементарных частиц, основанную на новой фундамен-
тальной идее.
В эту часть включены сильно взаимодействующие (тя-
желые) частицы — мезоны, барионы, резонансы — и не
включены фотоны и легкие частицы (лептоны) — элект-
роны, мюоны и нейтрино.
Идея заключается в предположении о том, что все
сильно взаимодействующие элементарные частицы состо-
ят лишь из трех основных частиц, которые Гелл-Манн
назвал кварками. Предполагается, что кварки (их обозна-
чают р, п, л) имеют дробный электрический заряд и по-
луцелый спин (табл. 5).
В отношении массы
кварков высказывается
предположение, что она
в шесть — восемь раз
больше, чем у протона.
Однако при объединении
кварков силы связи меж-
ду ними и соответственно
дефект массы оказывают-
ся столь большими, что
масса покоя образовав-
шейся частицы получается
масс свободных составляющих частиц.
Кроме того, считают, что у кварков, как и у всех дру-
гнх частиц, должны существовать античастицы, т. е. ан-
! тикварки.
Таблица б
Свойства кварков -
Символ кварка	Электричес кий заряд	Спи 4
Р	+2/3	1/2
п	-1/3	1/2
X	-1/3	1/2
в десятки раз меньше суммы
173
Таблица 6
Кварковая схема классификации барионов
Частицы	Символ частицы	1	Комбинация кварков			
			2	3	4	5
Пре тон и нейт-	Р, п	-	ррп	—	рпп	—
Ламбда-частица	А0			—	рпХ	—			
Сигма-частииы: положительная, нейтральная и от рицательная	S*. S-	ррА.		ргсХ		nrik
Кси-частицы: нейтральная и от- рица1ельная	S°, 8“				пХХ	
Далее предполагается, что мезоны образуются при
соединении кварка и антикварка, а бариоиы и- резонан-
сы — при различных соединениях трех кварков.
Посмотрим, как выглядит и что дает кварковая схема
классификации для барионов (табл. 6).
Сравнив табл. 6 с табл. 5, убедимся в том, что она
дает правильные значения заряда и спина частиц.
Чрезвычайно интересным оказалось использование
кварковой схемы для систематики резонансов: тяжелых и
очень короткоживущих частиц, о которых мы уже упоми-
нали раньше. Группа резонансов включает дельта-части-
цы — нейтральную, отрицательную и положительные. Все
они имеют одинаковую массу, равную 241.9 те, и одина-
ковый спин, равный 3/2. Большое число резонансов было
открыто недавно, в шестидесятые годы нашего века. Схе-
ма классификации этих частиц включает ряд возможных
комбинаций кварков (табл. 7).
Прежде всего, так же как и в предыдущем случае,
комбинация кварков дала соответствующие значения за-
ряда и спина известных частиц. Когда схема была со-
ставлена, омега-минус-частица еще не была открыта.
В эту таблицу она была введена из чисто теоретических
соображений о симметрии строения элементарных час-
тиц. Короче говоря, данная частица была предсказана.
Более того, кварковая систематика позволила заранее
вычислить массу этой, тогда еще гипотетической, частицы
следующим образом: в первой горизонтальной строке
174
Таблица 7
Кварковая схема классификации резонансов
Частицы	Символ частицы	Комбинация кварков						
		1	2	3	4	5	6	7
Дельта-частицы Возбужденные сиг-	Д++, Д+, Д», Д-	РРР	-	ррп	-	рпп	-	ппп
.ма-частицы: положительная, нейт- ральная к отрицатель- ная Возбужденные кси-	Е°, 2-		рр\		рп\		ппХ	
частицы: нейтральная и отрица- тельная	Е°, Е	—			—	пХК	—	—
Омега- минус- частица		—	—	—		—	—	—
комбинируются р- и ft-кварки, а масса всех дельта-частиц
одинакова (см. табл. 7). Значит, масса р- и п-кварков
также одинакова.
Во второй и третьей горизонтальных строках табл. 7
комбинируются все три типа кварков, но во второй стро-
ке в каждую комбинацию входит один k-кварк, а в третьей
строке — два Х-кварка. Масса дельта-, сигма- и кси-
резонансов в это время уже была известна (табл. 8). По-
этому не представляло труда вычислить разности масс
частиц, расположенных в соседних горизонтальных стро-
ках данной таблицы (первой и второй, второй и третьей),
и таким образом определить, насколько масса Л-кварка
больше массы р- или ft-кварков. После этого для опреде-
ления массы омега-минус-частицы оставалось лишь к
Таблица 8
Масса некоторых резонансов
Частицы	Символ частицы	Масса в единицах mg
Дельта-частица	д	2419
Возбужденная сигма-частица	S	2705
Возбужденная кси-частица		2992
Омега-минус-частица	Q-	3278
175
массе кси-частицы прибавить найденную разность. Со-
ответствующие расчеты далн значение массы омега-ми-
нус-частицы, равное 3278 те.
В 1964 г. эта частица была открыта и эксперименталь-
но. Оказалось, что значение се массы, найденное опыт-
ным путем, совпадает с предсказанным значением с по-
грешностью, меньшей десятых долей процента.
Когда оправдывается научное предвидение, это всегда
вызывает у нас чувство глубокого удовлетворения и ра-
дости: «открытие, сделанное на кончике пера!» Это ли не
лучшая демонстрация силы человеческой мысли!
Когда Адамс и Леверье предсказали существование
еще неизвестной планеты и правильно вычислили предпо-
лагаемое ее положение иа небесном своде, разве это не
было не только прекрасным доказательством универсаль-
ности закона всемирного тяготения, но также и показа-
телем глубины и силы человеческого ума?
И все же вопрос о кварках еще окончательно не ре-
шен. Дело в том, что анализ кварковой модели строения
элементарных частиц кроме указанных выше выводов
приводит еще к одному: в природе помимо трехкварковых
комбинаций должны существовать и одиночные «свобод-
ные» кварки. Между тем обнаружить их не удалось.
Во многих странах ученые занялись поисками этих
свободных и стабильных кварков: частиц достаточно тя-
желых (в несколько раз тяжелее нуклонов) и имеющих
дробный электрический заряд.
Их ищут в космических лучах, но эти опыты пока еще
не далн положительных результатов. Для поисков сво-
бодных кварков используются самые мощные ускорители,
но и с их помощью кварки пока обнаружить не удалось.
Означает ли это, что свободных кварков или вообще
кварков нет? Нет, не означает. В природе есть целый ряд
процессов, резко уменьшающих содержание свободных
кварков. Так, например, в недрах звезд кварки могут пре-
вращаться в нуклоны и этот процесс должен привести к
тому, что их относительное содержание станет столь ма-
лым (один кварк на 109—1018 нуклонов), что мы с наши-
ми современными средствами измерений попросту не смо-
жем их обнаружить.
В межзвездном газе относительная концентрация сво-
бодных кварков должна быть значительно больше, чем
в звездах. Однако все же не столь велика, чтобы можно
было рассчитывать там их обнаружить.
176
Есть еще один путь для обнаружения свободных квар-
ков: поиск «древних» кварков в земных водоемах. Мил-
лиарды лет назад свободные кварки могли быть порож-
дены космическим излучением очень высокой энергии.
Так как искомые кварки стабильны, то они могли блуж-
дать по Вселенной, попасть в атмосферу Земли и про-
диффундировать в ее нижние слои. В земной атмосфере
такие кварки явились бы центрами конденсации влаги н
с каплями дождя попали бы в океан.
Таким образом, свободные кварки могут быть в воде,
*и их там упорно искали. Однако пока и этот путь не при-
вел к успеху.
Итак, несмотря на несомненные достижения, получен-
ные с помощью кварковой модели строения элементар-
ных частиц, эта теория еще не завершена. Кто на основе
эксперимента сумеет уверенно ответить, есть ли кварки?
А если они действительно есть, кто и когда сумеет экс-
периментально определить нх массу и заряд?
Мы видим, что, изучая микромир, ученые получили
ответы лишь на часть своих вопросов. Однако эти ответы
необычайно углубили наши знания и коренным образом
преобразовали технику. Так, например, понимание неко-
торых ядерных реакций позволило создать ядерную энер-
гетику и объяснить, откуда берутся столь грандиозные
энергетические ресурсы звезд.
1 Мы не должны огорчаться тем, что многие задачи еще
не решены. Ведь нерешенные задачи, если только вопро-
сы правильно поставлены, являются предвестниками бу-
дущих открытий.
, 7-125
Часть третья
ВЗВЕШИВАНИЕ
НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Нам следует изучить уроки истории и понять, что
знания ищут ради того понимания, которое оно дает,
к каким бы выводам это знание не приводило.
Дир ек Прайс (1964 г.)
ГЛАВА 31
ВЗВЕШИВАНИЕ ЗЕМНОГО ШАРА
В ФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Определение массы небесных тел существенно отлича-
ется от измерения массы других объектов масштабами и
методами. Масса некоторых космических тел огромна, к
тому же они удалены от нас на чрезвычайно большие
расстояния. Одиако, использовав ряд известных физиче-
ских законов и открыв новые, ученые научились довольно
точно определять массу космических тел. При этом им
пришлось преодолеть много трудностей. Но они были
щедро вознаграждены тем, что взвешивание небесных
тел позволило в некоторой мере разобраться в строении J~
и эволюции звезд, и в частности Солнца. А ведь будущее
Солнца — это будущее человечества.
Первым из всех небесных тел удалось взвесить Землю.
Рассмотрим, как это было сделано. Для определения
массы Земного шара мы не можем положить его иа ча-
шу весов или привязать к плечу безмена. Впрочем, в этом
и нет необходимости. Задача об определении массы Зем-
ли изящно и достаточно просто решается с помощью за-
кона всемирного тяготения Ньютона.
Рассмотрим в качестве примера взаимодействие меж-
ду яблоком и Землей. Яблоко падает на Землю потому,
что Земля притягивает его. Однако яблоко тоже притя-
гивает Землю. При этом сила, с которой Земля притяги-
вает яблоко, по закону всемирного тяготения равна той
силе, с которой яблоко притягивает Землю. Поскольку
эти силы направлены навстречу одна другой, то Земля
и яблоко падают тоже навстречу друг другу. Однако пу--*
ти, проходимые ими за одно и то же время, очень различ-
ие
ны. Земля, падая на яблоко, проходит путь, во столько
раз меньший пути, проходимого яблоком, во сколько раз
ее масса больше массы яблока, т. е. примерно в 1025 раз.
Если яблоко падает с высоты 10 At, то при этом Земля
продвигается навстречу ему лишь на 10~21 мм. Если бы
мы могли измерить такое смещение (например, по отно-
шению к звездам), то, зная вес яблока, смогли бы опре-
делить и вес Земли. Однако измерение столь малых рас-
стояний лежит далеко за пределами наших возможностей.
Другую и более благоприятную возможность взвеши-
вания Земли открывает измерение силы ее притяжения.
Напомним, что по закону всемирного тяготения сила вза-
имного притяжения двух тел F пропорциональна произ-
ведению их масс Мт и обратно пропорциональна квад-
рату расстояния между ними R2:
В этом уравнении коэффициент пропорциональности
у называют постоянной всемирного тяготения, или грави-
тационной постоянной.	,
Для решения задачи об определении массы Земли
рассмотрим взаимодействие двух тел, одним из которых
является гиря, а другим Земной шар. Массу гири tn и
силу ее притяжения к Земле, т. е. вес Р, можно считать
известными. За расстояние от центра гири до центра Зем-
ли примем радиус Земного шара, который нам тоже из-
вестен. Тогда для определения массы Земли не хватает
лишь знания гравитационной постоянной у.
Для определения гравитационной постоянной было
предложено несколько методов. Один из них заключается
в том, что по обе стороны горы помещают отвесы в ви-
де нитей с грузами (рис. 45, а). Пункты, в которых нахо-
дятся отвесы, располагают на одном и том же меридиане,
но на разных географических широтах. Если бы горы не
было (рис. 45, б), то на гирьки каждого из отвесов дей-
ствовали бы лишь силы Р, направленные к центру Зем-
ли. В этом случае угол между направлениями нитей от-
весов зависит лишь от кривизны Земли и расстояния АВ
между пунктами расположения отвесов. Измерение этого
угла сводится к определению географической широты
каждого из пунктов и делается обычными астрономиче-
скими методами. Когда же между пунктами наблюдения
находится гора (см. рис. 45, а), то на гирьки отвесов кро-
7*	179
ме силы тяжести Р действуют еще силы притяжения к го-
ре f, отклоняющие отвесы от вертикали. Если известна
масса гирек и масса горы, расстояние между ними и уг-
лы отклонения отвесов от вертикали, то по этим данным
можно найти величину гравитационной постоянной.
Рис. 45, Определение гравитационной постоянной методом отвеса.
Такие измерения были проведены в 1775 г. Маскели-
ном в Шотландии, а затем в 1855 г. также в Шотландии
повторены Джемсом и Кларком, В 1877 г. Престои про-
делал аналогичные измерения на одном из Гавайских
островов. При этом масса горы определялась по ее раз-
мерам и средней плотности складывающей ее горной по-
роды. Угол отклонения отвесов от вертикали измерялся
оптически, последовательным визированием нитей и груп-
пы звезд.
Описанные измерения позволили найти гравитацион-
ную постоянную, а следовательно, и массу Земного шара,
которая оказалась равной около 6-Ю24 кг. Впрочем, из-за
трудности точного определения объема горы и ее средней
плотности метод отвеса дал лишь приблизительные ре-
зультаты. Расхождение результатов отдельных измерений/
этим методом составило около 5%.
180
Значительно более точным оказался лабораторный
метод определения гравитационной постоянной, разрабо-
танный в 1798 г. Генри Кавендишем (1731—1810 гг.). Он
заключается в измерении силы притяжения между тяже-
лыми шарами с помощью очень чувствительных и точных
однонитных крутильных весов. Установка Кавендиша
(рис. 46) состоит из легкого горизонтального стержня
АВ, к концам которого подвешены два металлических
шарика т-\ и т2 весом по Fi = /?2=730 Г. Горизонтальный
стержень на тонкой и упругой нити I подвешен к непод-
вижной опоре О. По бокам от этих шариков расположены
два больших массивных шара М, и М2 весом по 158 кГ
каждый. Большие шары с помощью рамы CD н поворот-
ного механизма Е помещаются поочередно то с одной,
то с другой стороны от маленьких шариков. Под влияни-
ем снл притяжения fa и /2, действующих между малень-
кими и большими шарами, стержень АВ поворачивает-
ся. В зависимости от расположения больших шаров по-
ворот происходит то в одну, то в другую сторону. Упру-
181
гость нити подвеса, а с ней и чувствительность крутиль-
ных весов определяются предварительно, из наблюдений
за длительностью периода свободных крутильных коле-
баний стержня АВ с грузиками mi и т2. Измерение угла
закручивания проводится с большой точностью прн по-
мощи зрительных труб Тх и Т2. Знания масс всех четырех
шаров, чувствительности прибора, расстояния между ша-
рами и угла поворота достаточно для вычисления гра-
витационной постоянной, а затем и массы Земного
шара.
Измерения гравитационной постоянной по методу Ка-
вендиша неоднократно повторялись. При этом совершен-
ствовалась методика измерений и повышалась их точ-
ность. Корню и Белл, для того чтобы избежать сотрясе-
ния прибора, происходившего прн перемещении больших
шаров, совсем отказались от подвижной рамы. В разра-
ботанной в 1870—1878 гг. установке они вместо этого по-
местили вблизи от малых шариков по паре больших по-
лых металлических шаров, заполнявшихся ртутью.
Ртутью поочередно заполнялись два расположенных на-
крест полых шара, и таким образом стержень кру-
тильных весов закручивался то в одну, то в другую сто-
рону.
В последующие годы учеными были предложены даль-
нейшие, иногда довольно остроумные, усовершенствова-
ния как метода, так и прибора. В результате такого рода'
измерений было получено значение гравитационной по-
стоянной у= (6,6732±0,0031) - IO-11 н-м2/кг2 и масса Зем-
ли Л1з = 6,6-Ю24 кг. Знание массы Земли позволило сде-
лать важные выводы относительно ее состава и строения.
Рассмотрим.некоторые из них.
Сопоставление массы Земли с ее объемом позволило
определить среднюю плотность Земного шара, которая
оказалась равной рср=5,5 г!см3. Плотность поверхностно-
го слоя Земли нам достаточно хорошо известна из непо-
средственных измерении; она в среднем составляет
Рпов=2,3 г!см\
Сопоставление этих двух величин позволяет сделать
вывод, что внутренняя часть Земли имеет значительно
большую плотность, чем поверхностная и, по-вндимому,
состоит нз металлов. Такое заключение согласуется с на-
личием у ЗемЛн магнитного поля.
Земля окружена газовой оболочкой — атмосферой,
строение и состав которой нам известны нз непосредст-
182
венных измерений. Принято подразделять ее по высоте
на несколько слоев: тропосферу, стратосферу, ионосферу
и экзосферу. Самый верхний слой — экзосфера — состоит
из очень сильно разреженного газа, отдельные частицы
которого покидают Землю и рассеиваются в межпланет-
ном пространстве.
Вопрос о существовании атмосферы у планет очень
важен для суждения о возможности существования на
них жизни. Поэтому мы рассмотрим его подробнее. Зем-
ная атмосфера — это бутылка с газом, открытая в пус-
тоту.
Объем, занятый довольно плотной земной атмосфе-
рой, столь мал по сравнению с огромным и почти пустым
межпланетным пространством, что, если бы не было
силы, удерживающей газы атмосферы у Земли, то они
очень быстро рассеялись бы в межпланетном простран-
стве.
Сила, которая удерживает их, — это земное притя-
жение. Но способно ли оно удержать все газы и надол-
го ли?
С точки зрения связи с Землей судьба движущегося
около нее тела зависит от скорости этого тела и силы
притяжения Земли. Если скорость тела ц<УуМз/Яз> где
Мз и /?з —масса и радиус Земли соответственно, то те-
ло падает на Землю. В случае, когда скорость тела
О1 = УуЛ1з /*з , тело становится спутником Земли. Это
величина называется первой космической скоростью. Для
Земли щ=8,1 км!сек. Если скорость тела г,2^У2уЛ1з//?з,
то оно покидает планету. Эта величина называется вто-
рой космической скоростью, или скоростью убегания. Ра-
зумеется, при этом речь идет о скорости, направленной
не к Земле (тогда при любой скорости тело упало бы на
Землю), а от нее.
Для Земли скорость убегания и2=11,2 км!сек. Для
других планет в зависимости от их массы скорость убега-
ния оказывается больше или меньше этого значе-
ния.
В банке, заполненной смесью нескольких газов, в ре-
зультате столкновений различных частиц газа между
собой их средняя энергия становится одинаковой.
Поэтому в смеси газов легкие частицы (водород, ге-
’лнй) в среднем движутся быстрее, а частицы более тяже-
лые (азот, углекислый газ) в среднем движутся более
183
медленно. Прн температуре 0° С средняя скорость различ-
ных частиц газа составляет около 0,5—2,0 км}сек (на-
пример, средняя скорость частиц водорода 1,84 кипсек,
углекислого газа —0,40 км/сек). В верхних слоях атмос-
феры температура ниже и соответственно скорость час-
тиц газа несколько меньше.
Следует, однако, учесть, что если большая часть час-
тиц газа имеет скорость, близкую к средней, то всегда
имеется н некоторое число частиц, скорость которых боль-
ше средней. При этом, чем больше скорость частиц отли-
чается от средней скорости, тем меньше число таких час-
тиц.
Таким образом, число частиц газа, скорость которых
в 4—5 раз больше средней скорости, составляет лишь
доли процента общего числа частиц газа. Однако именно
благодаря им происходит рассеяние атмосферы.
Джемс Джинс показал, что при средней скорости мо-
лекул, в 4 раза меньшей скорости убегания, рассеяние
газов атмосферы в межпланетное пространство происхо-
дит еще достаточно быстро н атмосфера должна практи-
чески исчезнуть примерно за 50 000 лет. Если средняя ско-
рость частиц газа в 4,5 раза меньше скорости убега-
ния, то долговечность атмосферы увеличивается до
30 миллионов лет. При средней скорости частиц газа
в 5 раз меньшей, чем скорость убегания, продолжитель-
ность существования атмосферы возрастает до 25 млрд,
лет. Возраст Земли и других планет около 4,6 млрд,
лет.
Ясно, что планеты, у которых превышение скорости
убегания иад средней скоростью молекул газа равно или
больше пятикратного, застрахованы от потери своей ат-
мосферы и притом довольно надежно.
Таким образом, то, что Земля сумела удержать до-
вольно плотную газовую оболочку, а рассеяние этой обо-
лочки происходит очень медленно, то, что Земля удержа-
ла ие только азот и кислород (которых больше всего в
атмосфере Земли), но и некоторое количество водоро-
да,— все это обусловлено величиной массы Земли и ее
температурой. На других небесных телах с другой мас-
сой и температурой состав и строение газовых оболочек
совсем другие.
Следовательно, существование на Земле жизни, в том
числе и высших ее форм, в значительной мере связано с
величиной ее массы.
184
ГЛАВА 32
ПРОСТАЯ ПРОПОРЦИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МАССЫ ЛУНЫ
Один маленький шаг человека — огромный шаг че-
ловечества.
Нейл Армстронг
Принято говорить, что Луна вращается вокруг Земли.
На самом деле Земля и Луна вращаются вокруг их об-
щего центра тяжести. Правда, поскольку Земля намного
тяжелее Луиы, то и центр тяжести этой системы располо-
жен значительно ближе к Земле, чем к Луие. При годич-
ном движении вокруг Солнца системы Земля — Луна
лишь центр тяжести этой системы описывает вокруг Солн-
ца эллипс, а траектории Земли и Луны порознь представ-
ляют собой навитые на этот эллипс волнистые линии
(рис. 47).
Посмотрим, как ученые воспользовались этим явлени-
ем для определения массы Луны. Однако предваритель-
но рассмотрим один пример. Пусть лодка стоит в воде
рядом с пристанью, а на ее корме стоит человек. Если на
лодку не действуют никакие внешние силы: течение, ве-
тер, реакция воды на удары весел и т. д., то лодка будет
стоять неподвижно. Если человек с кормы лодки перей-
дет иа ее нос, то лодка немного сдвинется в направлении,
обратном перемещению человека, и сдвинется как раз на
столько, что центр тяжести системы (лодки с человеком)
останется иа прежнем месте. Это происходит потому, что
одни лишь внутренние силы не могут вызвать смещение
центра тяжести системы.
Луна, как беспокойный пассажир, все время ходит из
стороны в сторону около Земли — лодки, соответственно
смещается и траектория движения Земли. Когда Солнце,
Луна и Земля находятся на одной прямой, притом так,
что Луна расположена ближе к Солнцу, чем Земля (см.
рис. 47, положение /), то Земля оказывается несколько
дальше от Солнца, чем это следовало бы при чисто эл-
липтической траектории, г. е. при отсутствии возмущаю-
щего действия Луиы. Когда Солнце, Луна и Земля опять
же находятся на одной прямой, но так, что Земля ближе
к Солнцу, чем Луна (см. рис. 47, положение 2), то Зем-
ля оказывается несколько ближе к Солнцу, чем это сле-
185
довало бы при чисто эллиптической траектории. Макси-
мальное смещение Земли от чисто эллиптической траек-
тории соответствует расстоянию, иа котором центр
тяжести системы Земля — Луиа находится от центра
Земли.
Таким образом, для вычисления массы Луны доста-
точно знать массу Земли, расстояние от Земли до Луны
и смещение Земли от строго эллиптической траектории.
Масса Земли иам уже известна. Расстояние от Земли до
Луиы и искажение земной орбиты были определены с по-
мощью астрономических измерений.
Дальнейший расчет оказывается довольно простым,
составляется пропорция: масса Луны относится к массе
Земли как расстояние от центра тяжести системы до
центра Земли (4800 ли) к расстоянию от центра тяжес-
ти системы до центра Луны (384 000 км). Отсюда масса
Луиы
4800
--------А1з
384 000
Мл =
Дальнейшие более точные измерения, а также введе-
ние поправок, учитывающих возмущение движения Зем-
ли другими планетами, позволили уточнить это значение.
По современным данным масса Луиы
Мд=—!—Мз = 8,1 • 1022 кг.
81,30
186
Теперь посмотрим, какие заключения о строении Лу-
ны можно сделать, пользуясь знанием ее массы и некото-
рых других характеристик. Радиус Луны Rji = 0,273 R3 =
= 1738 км. Соответственно средняя плотность Луны
Рл = 3,33 г]см\ что значительно меньше средней плотности
Земли. Это заставляет предполагать, что у Луны нет
уплотненного ядра.
В последнее десятилетне физическое строение Луны
было существенно уточнено благодаря полетам ракет и
это предположение подтвердилось.
Вследствие того, что масса Луны в 81,30 раза меньше
массы Земли, а ее радиус составляет лишь 0,273 радиу-
са Земли, значение второй космической скорости на Лу-
не примерно в 5 раз меньше, чем на Земле. Поэтому на
Луне сколько-нибудь заметной атмосферы нет. Если она
ее и имела, то вследствие малости второй космической
скорости давно потеряла. Однако при нагревании поверх-
ности Луны солнечным излучением, а также при бомбар-
дировке лунной поверхности метеоритами горные поро-
ды, слагающие ее поверхность, должны выделять газы.
Таким образом, существование на Луне чрезвычайно раз-
реженной газовой оболочки все же возможно. Однако ее
плотность должна быть в миллиарды раз меньше плот-
ности земной атмосферы.
Отсутствие плотной атмосферы существенно сказалось
на температуре Луны и строении ее поверхности. Землю
ее газовая оболочка, подобно одеялу, прикрывает от быст-
рой потери тепла и, подобно панцирю, защищает от бом-
бардировки мелкими космическими телами. У Луны та-
кой защиты нет. Поэтому к полудню в районе экватора
ее поверхность нагревается до 100—130° С, а после захо-
да Солнца быстро падает до —120° С. По той же причине
вся ее поверхность изъязвлена следами ударов малых
небесных тел.
Чрезвычайная разреженность атмосферы н низкая
температура делают жизнь на Луне невозможной. Не бо-
лее чем в 100 раз масса Луны меньше массы Земли, но в
результате этого различия ,наш столь красивый н единст-
венный естественный спутник — не более чем камень и
песок, на которых нет жизни.
Как известно, штурм космических тел начался совсем
недавно и первым его объектом стала Луна. 2 января
1959 г. по направлению к Луне был запущен первый кос-
мический аппарат «Луна-1». Этот аппарат пролетел в
187
6000 км от Лупы. Через несколько месяцев «Луна-2» со-
вершила жесткую посадку на Луну, т. е. достигла ее по-
верхности и разбилась об нее. Осенью того же года «Лу-
иа-3» облетела Луну и передала иа Землю закодирован-
ное изображение ее поверхности, в том числе обратной ее
стороны, невидимой с Земли. Последующее более полное
и подробное фотографическое картирование Луны было
проведено станциями «Рейнджер-3», «Рейнджер-5», «Лу-
на-4», «Луна-6», «Зонд-З» и «Орбитер-5». В феврале
1966 г. на поверхность Луны совершил мягкую посадку
космический аппарат «Луна-9», а 4 месяца спустя «Сер-
вейор-1».
В том же 1966 г. космический аппарат «Луна-10», а
затем и «Орбитер-1» были выведены на орбиту Луны.
Вращаясь вокруг Луны, эти станции проводили фотогра-
фирование ее поверхности. Полученные фотографии были
в дальнейшем использованы для составления подробных
атласов Луны, в том числе н обратной ее стороны.
Станция «Орбитер-1» сначала была запущена на ор-
биту, удаленную от поверхности Луны в среднем на
800 км, а потом, по команде с Земли, переведена на орби-
ту, удаленную лишь на 40 км от лунной поверхности.
С помощью этой станции были проведены исследования
гравитационного поля Луны. Таким образом, был успеш-
но завершен первый этап исследования Луны, заключав-
шийся в фотографировании и картировании Луны, а так-
же исследовании ее гравитационного и магнитного полей.
20 июля 1969 г. в районе Моря Спокойствия прилу-
нился отсек космического корабля «Аполлон-11» с астро-
навтами Н. Армстронгом и Э. Олдрином на борту. Теперь
людей от поверхности Луны отделяли не 384 000 км, а
всего лишь несколько метров. Одиако, по заранее разра-
ботанной программе, астронавтам после прилунения над-
лежало не выходить сразу наружу, а прежде всего не-
сколько часов поспать. Это уже было свыше их сил. Они
запросили Хьюстон — земной центр управления поле-
том — ис его согласия, после проведения тщательной
проверки индивидуальных систем жизнеобеспечения, на-
чали выход из корабля. По телевидению можно было
увидеть, как они один за другим ступили иа поверхность
Луны, и услышать, как Нейл Армстронг сказал слова,
приведенные в эпиграфе этой главы.
Отобрав образцы лунных пород и установив па по-
верхности Луны научные приборы, астронавты вернулись
188
в лунный отсек корабля, запустили двигатель и взлетели.
По возвращении на Землю астронавты были подвергну-
ты длительному карантину и тщательному медицинскому
обследованию, так как не исключалась возможность за-
ражения их лунными бактериями. Доставленные астро-
навтами образцы лунных пород, в свою очередь, стали
предметом разнообразных научных исследований: физи-
ки определили их элементарный и изотопный состав, а
также абсолютный возраст; химики исследовали молеку-
лярный состав; геологи установили характер пород и ми-
нералогический состав; биологи искали в образцах следы
какой-либо жизни, может быть на уровне бактерий н т. д.
Вскоре эти исследования были продолжены: 12 сен-
тября 1970 г. с Земли стартовала автоматическая стан-
ция «Луна-16», 20 сентября она совершила мягкую посад-
ку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия. Авто-
матический бур этой станции просверлил лунный грунт
на глубину 35 см и отобрал пробу. 24 сентября «Луна-16»
доставила эту пробу на Землю.
В 1971—1972 гг. еще несколько космических кораб-
лей типа «Аполлон» с астронавтами на борту были на-
правлены в разные районы Луны. Этими астронавтами
на поверхности Луны были проведены различные науч-
ные исследования, отобраны образцы лунных пород и ус-
тановлены научные приборы, которые продолжали дей-
ствовать и передавать информацию на Землю и посл«
отлета людей. В общей сложности таким образом было
доставлено на Землю несколько сот килограммов различ-
ных лунных пород, отобранных в разных местах Луны.
В результате всех этих исследований, проведенных как
автоматическими, так и пилотируемыми космическими
станциями, удалось узнать, каков минералогический, хи-
мический, элементарный и изотопный состав ряда лунных
пород. Характер лунных пород оказался, в общем, сход-
ным с некоторыми земными горными породами, но име-
лись и явные отлнчия, связанные с различными условия-
ми их образования, отсутствием на Луне воды и т.‘ д.
Был определен абсолютный возраст некоторых лунных
пород, он оказался равным 3—4 млрд, лет, что близко
к возрасту горных пород Земли. Было исследовано
гравитационное и магнитное поля Луны н установлено
наличие под поверхностью Луны довольно протяженных
областей со значительно повышенной плотностью, кото-
рые были названы масконами. Составлены подробные
189
карты поверхности Луны, в том числе и обратной ее сто-
роны, невидимой с Земли. Была измерена плотность лун-
ной атмосферы, которая оказалась чрезвычайно разре-
женной. На Луне были установлены различные научные
приборы, которые позволили провести глубинное сейсми-
ческое ее зондирование. Другие устройства, оставленные
на Луне, позволили с огромной точностью (до 15 сл!) из-
мерить расстояние между Землей и Луной и т. д.
Опасения относительно лунных бактерий оказались
напрасными. Их ие обнаружили ни у астронавтов, ни на
их одежде, ин в доставленных ими образцах пород.
Однако сюрпризы все же были: некоторых веществ на
Луне оказалось значительно больше, чем на Земле, дру-
гих значительно меньше. У некоторых элементов изотоп-
ный состав оказался совсем не такой, как у таких же зем-
ных элементов и т. д.
Итак, грандиозная программа исследований Луны,
выполненная советскими и американскими учеными, при-
несла много важных результатов и..., как это всегда бы-
вает в науке, возбудила ряд новых вопросов. Луна иа
поставленные ей вопросы ответила еще не полностью и
одновременно загадала иам несколько новых загадок,
очень интересных и совсем не простых.
ГЛАВА 33
МАССЫ ПЛАНЕТ
И ИХ АТМОСФЕРЫ
Для определения массы планет ученые воспользова-
лись тем, что траектория движения каждой из них иска-
жается притяжением соседней.
Если бы у нашего Солнца была лишь одна планета,
то эта планета двигалась бы по строго эллиптической
орбите. Уже при двух планетах движение каждой из иих
перестает быть строго эллиптическим. В нашей Солнеч-
ной системе девять планет и в результате взаимных воз-
мущений ни у одной из иих орбита не является строго
эллиптической. Таким образом, идея этого метода такая
же, как и та, которая была использована при определе-
нии массы Луны. Однако в математическом отношении
задача оказывается много трудней, так как приходится
учитывать взаимное возмущение нескольких планет,
190
В 1874 г. Ньюкомб по возмущениям орбиты Урана
определил массу Нептуна. В 1897 г. он же из периодиче-
ских возмущений движения Венеры, вызванных Меркури-
ем, определил его массу. Масса самой далекой от Солнца
планеты нашей системы
Плутона была определена
из вызванных им возму-
щений орбит Урана н Неп-
туна и т. д.
Расстояния между
планетами даже в периоды
их противостояния доволь-
но значительны, и в соот-
ветствии с этим вызывае-
мые ими взаимные возму-
щения очень малы. Поэто-
му для определения мас-
сы некоторых планет
оказалось более удобным
воспользоваться астерои-
дами, большое количество
которых движется в про-
странстве между Марсом
и Юпитером. Многие из
них хорошо наблюдаются
в телескопы и имеют вы-
Рис. 4S. Орбиты некоторых планет и
астероидов.
тянутые орбиты, проходящие вблизи ряда планет (рис.
48). Существенно, что для определения массы планеты
знать массу астероида не требуется. Достаточно знать
лишь искажение орбиты астероида, вызванное притяже-
нием данной плане-
ты. Возмущения ор-
бит астероидов оп-
ределяют обычны-
ми астрономически-
ми методами. Этот
астероидный метод
оказался удобным и
более точным, чем
предыдущий.
Рис. 49. Схема определе-
ния массы планеты, имею-
щей спутник.
191
С большой точностью значение массы Земли было
получено Рабе (1950 г.) из измерений возмущения орби-
ты Эроса Землей. Уточнение массы Меркурия им было
сделано из наблюдений возмущений Эроса, вызванных
Меркурием.
В тех случаях, когда планеты имеют спутников, задача
определения массы этих планет значительно облегчается
(рис. 49). Идея этого метода следующая: спутники дви-
жутся по стационарным орбитам. Условие равновесия
тела на стационарной орбите заключается в равенстве
центробежной силы
р __ MtnV2
‘ цб — Р	’
Лорб. СП
обязанной движению спутника, и центростремительной
силы
р V ^сп-Чтл
ruc — 7 р
‘'орб. СП
обязанной его притяжению к планете. Приравняв эти си-
лы, можно легко убедиться в том, что масса спутника из
уравнения выпадает, и для определения массы планеты
получается выражение
м _ 4тс3 ^орб. сп
Шпл— ’ т2
I	СП
зависящее лишь от радиуса орбиты спутника Яорб- сп, пе-
риода его обращения вокруг планеты 7’Сп и гравитацион-
ной постоянной у-
Гравитационная постоянная известна, а элементы ор-
биты спутника (Гсп н 7?Орб. сп) с большой точностью опре-
деляются из астрономических измерений.
- Таким образом, с хорошей точностью была определе-
на масса ряда планет: Alapca (работы Пулковской, Иерк-
ской, Ликской обсерваторий), Урана, Нептуна и т. д.
(табл. 9).
Знание массы и размеров планет, а также скорости их
вращения, степени сжатия и т. д. позволило сделать ряд
выводов об их физическом строении и соответственно воз-
можности существования на них различных форм жизни.
Вообще, можно, считать обоснованным заключение о том,
что когда на поверхности планеты имеются условия, при
192
Таблица 9
Некоторые физические характеристики планет
Название планеты	Относитель- ная масса М/М3	Относитель ный средний редиус /?/«з	Средняя плотность. г/см	Скорость убегания, км! сек
Меркурий	0,0543	0,38	5,46	3,9
Венера	0,8136	0,961	5,06	-	10,3
Земля	1,0000	1 ,000	5,52	11,2
►Марс	0,1069	0,523	4,12	5,1
Юпитер	318,35	10,97	1,35 .	60,2
Сатурн	95,22	9,03	0,71	36,3
Уран	14,54	3,72	1,56	22,0
Нептун	17,23	3,38	2,47	25,1
Плутон	0,99	0,10	—	3,5
которых возможна жизнь, то почти наверное она должна
была возникнуть.
Планеты нашей Солнечной системы во многих отно-
шениях различны. Меркурий из всех планет расположен
ближе всего к Солнцу и имеет самую меньшую массу.
Вращаясь вокруг Солнца, он всегда обращен к нему од-
ной и той же стороной, так что его день равен году. По-
этому одна сторона Меркурия очень горяча (±400°С), а
^другая очень холодна. В соответствии с его массой и раз-
мерами скорость убегания на Меркурии равна 3,9 км!сек,
что лишь в 1,5 раза больше, чем на Луне. К тому же при
температуре +400° С средняя скорость молекул в 1,47 ра-
за больше, чем при 0° С. Таким образом, у Меркурия
могла сохраниться лишь крайне разреженная атмосфера.
Сочетание этих условий таково, что существования жиз-
ни на Меркурии ожидать нельзя. Масса Венеры состав-
ляет приблизительно 4/s массы Земли, ее радиус почти ра-
вен земному, а скорость убегания на ней лишь немного
меньше земной. В соответствии с этим протяженность и
плотность ее атмосферы должны быть лишь немного
меньше, чем у Земли. Наличие атмосферы у Венеры обна-
руживается астрономическими наблюдениями: при про-
хождении ее между Землей и Солнцем вокруг нее виден
светящийся ободок (галос).
Каковы состав и плотность атмосферы Венеры? Ка-
у нее магнитное поле? Какая температура на ее по-
верхности? Сходны ли эти величины с соответствующими
193
параметрами Земли? Есть ли на Венере условия для су-
ществования жизни?
Все эти вопросы были в значительной мере выяснены
в результате грандиозной серии исследований Венеры, ко-
торые были проведены советскими и американскими авто-
матическими космическими станциями. 12 февраля 1961 г.
в сторону Венеры была послана автоматическая космиче-
ская станция «Веиера-1». В 1962 г. автоматическая стан-
ция «Маринер-2» прошла в 40 000 км от Венеры и произ-
вела ряд измерений массы Венеры, ее магнитного поля
и т. д. Эти измерения, в частности, показали, что в от-
личие от Земли у Венеры нет заметного магнитного по-
ля.
1 марта 1966 г. «Веиера-3» доставила иа поверхность
Венеры вымпел с изображением герба Советского Союза.
В июне 1967 г. на Венеру были запущены две автомати-
ческие космические станции: «Венера-4» и «Маринер-5».
В октябре 1967 г. автоматическая станция «Венера-4» до-
стигла Венеры и вошла в ее атмосферу. При этом уда-
лось провести непосредственные измерения температуры,
плотности, давления и химического состава атмосферы
этой планеты. Станция «Маринер-5» обогнула Вейеру,
пройдя приблизительно в 4000 км от ее поверхности. Она
проводила зондирование атмосферы Венеры под разными
углами, а полученная информация передавалась иа Зем-
лю. Сопоставление результатов работы обеих этих стан-
ций оказалось чрезвычайно интересным и ценным.
В последующие годы советские и американские авто-
матические космические станции продолжали исследова-
ние Венеры и получили ряд важных данных. Запущен-
ная в 1969 г. «Венера-5» уточнила данные о температуре
и давлении иа поверхности планеты, а также провела не-
которые другие исследования. В том же 1969 г. «Марн-
иер-6» н «Маринер-7» тоже получили ряд важных дан-
ных. В 1972 г. «Венера-8» совершила мягкую посадку иа
освещенной Солнцем стороне планеты. При этом в тече-
ние 1 часа во время снижения и еще 50 минут после по-
садки иа поверхность Венеры станция передавала на
Землю различные данные о параметрах атмосферы пла-
неты, характеристиках ее грунта и т. д.
В результате всех этих исследований удалось устано-
вить, что температура на поверхности Венеры составляет
около 470°С, а давление — около 90 кГ)см?. Выяснилось, ,
что атмосфера Венеры иа 97% состоит из углекислого га-
194
за, содержание азота не превышает 2%, кислорода мень-
ше 0,1%, водяных паров меньше 1% и т. д. Кроме этих
были получены и многие другие сведения.
Увы. Оказалось, что на Венере условия для существо-
вания жизни резко неблагоприятные. Чем же объяснить,
что несмотря на то, что масса Венеры столь близка к
массе Земли, а расстояние ее от Солнца ие так уж силь-
но отличается от расстояния, на котором расположена
наша Земля, различия между Венерой и Землей столь
велики?
1 Пока это не ясно. Однако исследования Вейеры авто-
матическими космическими станциями продолжаются с
большим размахом н есть основания полагать, что уже в
ближайшие годы таким образом будет получено много
новых интересных данных.
Другой ближайший сосед нашей Земли — планета
Марс — уже давно и всесторонне изучен, однако пока не
менее загадочен, чем Венера. Диаметр Марса лишь не-
многим больше Vs диаметра Земли, его масса приблизи-
тельно в 10 раз меньше земной, а скорость убегания на
ием всего 5,1 км{сек. В соответствии с этим у Марса име-
ется атмосфера, но значительно более разреженная и ме-
нее протяженная, чем у Земли. Состав марсианской ат-
мосферы в основном азотно-углекислый. Водяные пары и
кислород в атмосфере Марса есть, но в очень небольшом
^количестве (меньше 0,0001 земного). Температура на
Марсе колеблется очень резко: около марсианского пол-
дня температура поверхности планеты достигает 4-28° С,
а затем опускается ниже —60° С. Для сравнения укажем,
что хотя на Земле в среднем температура на 40° выше,
чем иа Марсе, одиако, в полярных областях Земли она
нередко опускается до —40° С и даже —60° С, а в Антарк-
тиде была зарегистрирована температура —82° С. Кроме
того, уже давно на Марсе обнаружены причудливой фор-
мы темные пятна, а также сезонные изменения окраски
его поверхности.
Можно ли на основании этих данных сделать какие-
либо заключения о существовании на Марсе жизни? Да,
конечно, можно. Более того, обычно, чем разнообразнее
исходные данные и чем меньше их точность, тем больше
делается различных заключении.
В конце XIX века культурный мир был заинтересован
VR увлечен открытием Джиованпн Скиапарелли. В 1877 г.
в период противостояния Марса с помощью телескопа он
165
увидел на его поверхности ряд почти прямых темных ли-
ний. Эти линии были им названы каналами. Во время не-
скольких последующих противостояний Марса другие
наблюдатели тоже увидели эти каналы. На этом основа-
нии Персиваль Ловелл и некоторые другие авторы соз-
дали заманчивые гипотезы о том, что на Марсе есть ра-
зумные существа, владеющие высокоразвитой техникой.
Откуда же еще взяться оросительным сооружениям столь
огромных размеров?
Увы, улучшение техники наблюдений закрыло эти
идеи. При наблюдении поверхности Марса в хорошие со-
временные телескопы все эти «каналы» теряют правиль-
ные очертания и распадаются на отдельные пятна непра-
вильной формы. Каналы Марса оказались научным мира-
жем, комбинацией недостаточной точности наблюдений
и пылкой фантазии.
Между тем уже современными астрономическими из-
мерениями вполне надежно установлено, что сезонные
изменения окраски этой планеты действительно проис-
ходят.
Еще недавно, одно-два десятилетия назад, считалось,
что атмосферное давление на поверхности Марса прибли-
зительно в 10 раз меньше, чем у поверхности Земли. От-
сюда заключали, что физические условия на поверхности
Марса приблизительно соответствуют тем, которые име-
ются в высокогорных областях Земли. Предполагалось
что изменение окраски Марса объясняется таянием сне-
гов и сезонным развитием на его поверхности растений
или низших организмов, может быть, бактерий. Высказы-
валось предположение о том, что Марс, потерявший поч-
ти всю свою атмосферу н влагу и сохранивший лишь ма-
лое количество кислорода, является миром отжившим,
вымирающим.
Исследования последнего десятилетия, в том числе
проведенные с помощью автоматических космических ап-
паратов, позволили многие сведения о Марсе уточнить.
В частности, выяснилось, что давление атмосферы у по-
верхности Марса не в 10, а в 100 раз меньше давления
земной атмосферы. Это обстоятельство отнюдь не исклю-
чает жизни на Марсе, ею все же значительно уменьшает
вероятность ее существования.
Многие авторы все же считают, что на Марсе есть
жизнь и сезонные изменения окраски этой планеты свя-
зывают с соответствующими циклами развития растений
196
и различных микроорганизмов. Другие авторы эти же
явления объясняют различными химическими процесса-
ми в неорганическом веществе. Кто знает?
Ныне в придумывании гипотез о жизни на Марсе эн-
тузиазм сменился скепсисом. Между тем в настоящее
время и для того и для другого не достает точных наблю-
дательных данных. Несомненно здесь лишь то, что в са-
мое ближайшее время благодаря посылке на Марс авто-
матических космических станций мы многое о нем узна-
rfeM. Может быть больше, чем ожидаем.
Гигантские планеты, расположенные за Марсом —
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — имеют много общего:
большую массу, сильное сжатие, низкую температуру и
очень малую плотность (плотность Юпитера равна
1,35 г)см\ Сатурна — 0,71 г/см3). Плотность этих планет
значительно меньше плотности любой из горных пород,
известных на Земле, а плотность Сатурна даже меньше
плотности воды.
Низкая температура этих планет объясняется тем, что
они расположены далеко от Солнца. Малая нх плотность
нуждается в специальном объяснении. Дело в том, что
большая масса этих планет наряду с низкой нх темпера-
турой обеспечили нм наличие мощных атмосфер. Плане-
ты-гиганты при своем образовании и в процессе своего
.дальнейшего развития удержали не только тяжелые, но
*и самые легкие газы — водород н гелий, и притом в зна-
чительно большем количестве, чем Земля.
Сильное сжатие планет-гигантов (приблизительно
1/16 у Юпитера, 1/10 у Сатурна, в то время как у Земли
всего 1/297) свидетельствует о значительной концентра-
ции их массы в центре.
Все эти данные позволили ученым построить довольно
обоснованные модели тяжелых планет. Модели Юпитера
по Г. Джеффрису (1924 г.), В. Г. Фесенкову (1924 г.),
В. Г. Фесенкову и А. Г. Масевич (1951 г.) сводятся к то-
му, что у него имеется твердое ядро из скальных пород.
Это ядро окружено толстой ледяной оболочкой, которая
в свою очередь покрыта толстым слоем атмосферы. Имен-
но за счет их толстых атмосфер видимые размеры планет
этой группы представляются столь большими, а их сред-
ние плотности оказываются столь малыми.
По вычислениям Вильдта, радиус скалистого ядра
'Юпитера около 35 000 км, ледяной покров имеет толщи-
ну 25 000 км, а атмосфера — глубину около 10 000 км.
197
На дне атмосферы Юпитера давление в миллионы раз
превышает то, которое существует на дие земной атмос-
феры, т, е. иа поверхности Земли.
Остальные планеты-гиганты имеют довольно сходное
строение. Спектроскопические измерения позволили уста-
новить, что нх атмосферы содержат много метана и ам-
миака.
Увы, негостеприимно выглядят этн далекие от нас
гигантские миры! Их атмосферы насыщены ядовитыми
газами. Сами они одеты в тысячекилометровые ледяные
паицирн. Миры мрачные н холодные.
ГЛАВА 34
НЕБОЛЬШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВЕЗД
Звезды, населяющие Вселенную, очень различны по
своим размерам, массе, плотности, химическому составу,
температуре, яркости, цвету и даже поведению.
Шаг за шагом, факт за фактом астрономы и астрофи-
зики накапливали различные сведения о звездах. Затем
ученым удалось найти у ряда звезд некоторые общие чер-
ты и разделить звезды иа группы н классы, т. е. система-
тизировать. Это означало несколько больше, чем расста-
новка книг по полкам в алфавитном порядке. Классифи-
кация звезд позволила искать и находить связи между
различными характеристиками звезд, например массой,
размерами, количеством испускаемого излучения, цветом
и т. д. На этом этапе ученые сумели ответить на несколь-
ко вопросов типа «что и как?»: что с чем связано и как
связано?
Следующим этапом развития науки о звездах были
ответы на вопросы типа «почему». Почему имеет место
такая связь, а ие другая? Почему эта звезда ведет себя
так, а другая — по-иному? Таким образом, наступила по-
ра обобщений.
Начнем и мы с перечисления некоторых фактов о звез-
дах. Звездой называют небесное тело, обладающее само-
стоятельным блеском. Размеры звезд варьируют в очень
широких пределах. Ближайшая к нам звезда — это наше
Солнце. Его диаметр равен 1,4 мли. км, что в 100 с лиш-
ним раз больше диаметра Земли. Диаметр звезды Анта-’
рес равен 720 солнечным диаметрам, а диаметр Батель-
198
гейзе— 1010 диаметрам Солнца. Средн звезд есть и кар-
лики, диаметр которых в сотни раз меньше солнечного.
Некоторые из иих имеют почти такие же размеры, как и
планеты.
Звезды находятся от нас на огромном расстоянии.
Ближайшая нз них — наше Солнце — отстоит от Земли
иа 149,5 млн. км, а ближайшая из чужих звезд — Прок-
сима созвездия Центавра — удалена от нас приблизитель-
но на 4-1013 км.
Для удобства и большей наглядности астрономы вве-
ли свои единицы длины. Расстояние от Земли до Солнца
они назвали астрономической единицей длины (1 а. е.=
= 149,5 млн. кл).
Расстояние, которое свет проходит за один год, было
названо световым годом (1 св. год = 9,45-1012 км^ 1013км).
Наконец, то расстояние, на котором радиус земной орби-
ты виден под углом в одну секунду дуги, получило назва-
ние секундного параллакса, или парсека (1 парсек =
= 3,26 св. года=20б265 а. е. = 3,083-1013 к.и).
Появление этих довольно специфических единиц дли-
ны связано с тем, что определяя расстояние до ближай-
ших к нам звезд, астрономы мысленно строили треуголь-
ники, в которых одной из сторон является радиус земной
орбиты, а одним из углов — тот, под которым этот радиус
виден из исследуемой' звезды.
В настоящее время уже другими способами удалось
измерить расстояние до звезд, расположенных от нас на
миллиарды световых лет.
Яркость звезд тоже очень различна. В этом нетрудно
убедиться, посмотрев ночью па небо. Однако этот види-
мый блеск звезд еще недостаточно характеризует их
свойства. Ведь при таком сравнении бортовой фонарь
пролетающего самолета кажется ярче любой звезды.
Если бы можно было все звезды выстроить на оди-
наковом расстоянии от нас, то при этом видимый блеск
более полно выражал бы нх свойства. Астрономы проде-
лывают эту операцию мысленно. При этом в качестве
стандартного расстояния они выбрали 10 парсек, а блеск,
который звезды имели бы, находясь иа этом расстоянии
от нас, они назвали абсолютной звездной величиной нли
абсолютной величиной звезды.
Еще более полной характеристикой звезд является
'Количество световой энергии, испускаемой каждой из них
в единицу времени. Такую величину астрономы называ-
199
ют светимостью звезды и исчисляют в единицах светимо-
сти Солнца. Так вот, если светимость Солнца принять за
единицу, то оказывается, что звезды-гиганты имеют све-
тимость, в тысячи и десятки тысяч раз большую, а
сверх-гиганты в сотни тысяч раз большую, чем наше
Солнце. В то же время звезды-карлики имеют светимость,
в сотни, а некоторые и в десятки тысяч раз меньшую, чем
Солнце.
Цветовая гамма звезд простирается от ультрафиоле-
товых, через голубовато-белые, белые, желто-белые к-
желтые до оранжевых, красноватых и красных звезд.
Цвет звезды нли, точнее, характер спектра ее излучения,
является важной характеристикой звезды, по которой
можно определить ее температуру, состав атмосферы,
скорость движения в пространстве и вращения вокруг
оси, а также некоторые другие физические параметры.
Поэтому изучению спектров звезд астрономы уделяют
много внимания.
Для удобства изучения звезды разделены на спект-
ральные классы и, согласно Гарвардской классификации,
обозначаются следующими символами: О — весьма горя-
чие звезды, имеющие температуру более 20 тысяч граду-
сов и соответственно сильно развитый ультрафиолетовый
участок спектра: В н А — голубовато-белые звезды с тем-
пературой от 16 до 10 тысяч градусов, в спектре которых
преобладают линии свечения гелия и водорода; F и G —
желтовато-белые и желтые звезды с температурой 7—
6 тысяч градусов, в спектре которых помимо водородных
заметны линии свечения калия, кальция и железа; К, М.
N— оранжевые, красноватые и красные звезды с темпе-
ратурой 5 тысяч градусов и ниже, в спектре которых
кроме линий свечения водорода, калия и кальция обна-
ружены линии, обязанные свечению углерода, циана
и т. д. Звезды, спектр которых лежит в промежутке меж-
ду двумя какими-нибудь-классами, обозначают буквой
соответствующего класса и номером подкласса, например
До, Д1- Да и т- Д. Наше Солнце относится к числу желтых
звезд, температура его поверхности равна 6000° К.
Спектральный анализ позволил определить и состав
звезд. Солнце в основном состоит из водорода и гелия.
Металлов и вообще тяжелых элементов в нем относитель-
но немного, примерно в 10000 раз меньше, чем водорода.
В высшей степени интересен тот факт, что химический
состав большого числа звезд в общем очень близок к хи-
200
мическому составу Солнца, Правда, отклонения от этого
правила имеются. Например, у так называемых металли-
ческих, гелиевых, углеродных звезд обнаружен избыток
соответствующих веществ. Однако количество таких ано-
мальных звезд относительно невелико.
Еще более разнообразно и причудливо поведение
звезд. Есть звезды, которые ведут себя спокойно и в те-
чение многих миллиардов лет почти не меняют своего
блеска. Однако есть и другие. Среди звезд обнаружены
пульсирующие (с периодом пульсаций от нескольких ча-
сов до 100 дней). Есть звезды, бурно извергающие мате-
рию, звезды, сбрасывающие свои оболочки, и т. д. Нако-
нец, есть звезды, которые внезапно разгораются так, что
их блеск увеличивается в сотни и тысячи раз, а у некото-
рых— в миллиарды раз. Спустя относительно короткое
время, в течение месяцев, они снова потухают и становят-
ся едва различимыми.
Массы звезд различаются не столь сильно, как другие
их характеристики. Гиганты и сверхгиганты по массе пре-
восходят Солнце лишь в несколько десятков раз, а звез-
ды-карлики лишь в десятки или сотни раз меньше его.
Однако именно масса звезды в значительной мере оп-
ределяет ее свойства. Давно установлено, что звезды ме-
няются, развиваются, и притом совсем не одинаково.
Судьба звезды тоже в значительной мере зависит от ее
массы.
Посмотрим, какими путями шли ученые при определе-
нии массы звезд и что они при этом нашли.
ГЛАВА 35
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ СОЛНЦА
И ЗВЕЗД
Ближайшая к нам звезда—это наше Солнце. При
его взвешивании ученые воспользовались тем, что соот-
ношение элементов земной орбиты зависит от его массы.
Таким образом, задача определения массы Солнца ока-
залась аналогичной уже рассмотренной раньше задаче
определения массы планеты по характеру движения ее
спутника.
Прн движении Земли по ее годичной орбите вокруг
Солнца сила притяжения Солнца тянет ее к нему, а
201
центробежная сила устремляет от него. Равенство этих
сил и обеспечивает движение Земли по ее орбите
(рнс. 50). Приравняв друг другу центростремительную
силу, обязанную притяжению Солнца, и центробежную
Рис. 50. Схема определения массы Солнца.
силу, обязанную движению Земли, ученые получили вы-
ражение для определения массы Солнца
через расстояние от земли до Солнца период обра-
щения Земли Т и гравитационную постоянную.
Расстояние от Земли до Солнца и период обращения
Земли с достаточно хорошей точностью известны из ас-
трономических измерений. Гравитационная постоянная
определена с помощью лабораторных измерений и из-
вестна с несколько меньшей точностью. Подобно тому
как прочность всей цепи зависит от прочности ее наибо-
лее слабого звена, так и суммарная погрешность измере-
ний в основном определяется погрешностью той величи-
ны, которая измерена с меньшей точностью.
Для повышения точности определения массы Солица
астрономы могли попытаться повысить точность измере-
ния гравитационной постоянной, однако они посчитали
более удобным сделать обходной маневр. Астрономы вос-
пользовались тем, что Земля имеет спутник — Луну, а
элементы ее орбиты зависят от массы Земли. Из условия
202
равновесия Луны на ее орбите получается выражение
массы Земли
через расстояние от Земли до Луны /?зл. , период обра-
щения луны Гл и гравитационную постоянную у.
Совместное решение уравнений движения Луны во-
.круг Земли и Земли вокруг Солнца дает выражение мас-
сы Солнца
пЗ	<г2
«З.Л Т2
через массу Земли, соответствующие расстояния и перио-
ды обращения. При этом знания гравитационной постоян-
ной уже не требуется. Воспользовавшись уже известными
значениями периодов обращения Земли и Луны Тз~
— 365,26 суток, Гл = 27,32 суток и измерив расстояния
между Землей и Луной, а также между Солнцем и Зем-
лей, которые оказались равными: Rz.л. —384 440 км\
Rs.с. ~ 1,4953-108 км, астрономы по приведенной выше
формуле нашли, что масса Солнца составляет А'1с =
= 333 400 М3 = 1,983-1030 кг.
После этого ученые занялись определением массы
других звезд. При этом они воспользовались одним важ-
ным обстоятельством, которое значительно облегчило эту
задачу. Дело в том, что среди огромного количества
звезд, населяющих Вселенную, половина и даже больше
являются физически двойными, т. е. такими, которые не
только кажутся расположенными одна около другой, но
и на самом деле находятся относительно близко друг к
другу и связаны силами взаимного притяжения. Масса
двойных звезд МСИСт. определяется из сопоставления пе-
риода их взаимного обращения ГЗЕ и расстояний между
ними /?зв.]-зв-гС периодом обращения Земли вокруг Солн-
ца Г и расстояния от Земли до Солнца /?с.з. Так же как
н в предыдущем случае, условие равенства центростре-
мительной и центробежной сил для тела, движущегося
по стационарной орбите, позволяет получить нужные
уравнения для систем Земля — Солнце и двойной звезды.
Совместное решение этих уравнений дает выражение мас-
203
сы системы двойной звезды через массу Солнца и соот-
ветствующие расстояния и периоды обращения:
^3	у-2
Л4СИСТ. ~ МЭа. 1 4- МЗВ. 2 =	зв-‘-зв-,2 .	.
RC. 3	7 зв
Массой Земли по сравнению с массой Солнца в этих рас-
четах пренебрегают- Именно таким способом была опре-
делена масса большего числа звезд.
Наряду со звездами, масса которых в десятки раз
меньше солнечной, были обнаружены и такие, масса ко-
торых в десятки раз больше. Например, масса звезды
Бласкета равна 1,5-1032 хг=75 Мс и т. д. После определе-
ния массы звезд стало возможным определение и их плот-
ности.
В 1862 г. Альвен Кларк открыл у звезды Сириус спут-
ник. В дальнейшем астрономы определили элементы ор-
биты этой двойной системы: длину большой полуоси эл-
липса и период обращения. Вычисленная по этим дан-
ным масса системы А1сист- “МсириусН-АГспутнин оказалась
равной 3,4 Мс-
Неожиданность подстерегала астрономов дальше. По-
сле того как удалось измерить расстояние Сириуса и его
спутника от их общего центра тяжести, из отношения
этих расстояний (равного 2,5) удалось определить массу
обоих этих тел раздельно. Оказалось, что Мсириус —
= 2,43 Мс, а МСцуТНик=0,97 АТс- Затем был определен и ра-
диус спутника Сириуса, который оказался равным всего
лишь трем земным радиусам. Масса нашего Солнца ока-
залась упакованной в объем нескольких десятков земных
шаров. Это означает, что плотность вещества в спутнике
Сириуса около 52000 г!см3 (!).
Это могло показаться невероятным. Однако в даль-
нейшем астрономы обнаружили еще ряд звезд, имеющих
относительно небольшие размеры и аномально большую
плотность. Такне звезды назвали белыми карликами. На-
пример, звезда Койпера имеет плотность 2,4- 10б г!см3, а
у звезды Лейтона плотность достигает 6,8-107 г!см3- На-
помним, что плотность нашего Солнца всего лишь
1,41 г! см3.
После накопления достаточно большого эксперимен-
тального материала о различных свойствах звезд стал
возможен переход к некоторым обобщениям. Фогт и Рес-
селл предложили следующую теорему: все параметры,
204
100
§
1
§
^10	5	0-5
Мсвлютяая величина звезды,усл.ед.
Рис. 61. Связь между массой звезд
н их абсолютной величиной.
определяющие физическое состояние звезды, находящей-
ся в состоянии равновесия, зависят только от ее массы и
химического состава. Так как химический состав боль-
шинства звезд приблизительно одинаков, то из этой тео-
ремы следует, что существенной характеристикой звезды
является ее масса.
В двадцатых годах нашеговека Герцшпрунг и Ресселл
проанализировали соотношение между массой, свети-
мостью и спектральным
классом у большого
числа звезд.
Полученные этими
учеными результаты
оказались интересными
и важными, более того,
они послужили основой
для понимания некото-
рых свойств звезд и
звездной эволюции. На-
помним, что спектраль-
ный класс звезд зави-
сит от их состава и тем-
пературы и определяет-
ся по относительной яр-
кости получаемых при
их наблюдении спект-
ральных линий. Массу
звезд выражают в ки-
лограммах или едини-
цах солнечной массы.
Светимостью астрофи-
зики назвали количест-
во световой энергии,
излучаемой в единицу
наглядности светимость
светимости Солнца.
Результаты исследований Герцшпрунга и Ресселла
представлены на соответствующих диаграммах. На диа-
грамме рнс. 51 по оси абсцисс отложена абсолютная
звездная величина, а по оси ординат — масса звезд в еди-
ницах солнечной массы. На этой диаграмме каждая точка
соответствует какой-нибудь определенной звезде. То, что
эти точки расположены на диаграмме приблизительно
вдоль одной прямой линии, показывает, что между мас-
од
.од
времени. Часто для большей
звезд выражается в единицах
205
Светимость, ед. светимости Солнца.
сой и светимостью звезд существует тесная связь. Эту
связь приближенно можно выразить так: для данного
типа звезд чем больше масса звезды, тем больше ее све-
тимость.
На диаграмме Герцшпруига — Ресселла (рис. 52) по
оси абсцисс отложены спектральные классы звезд и соот-
ветствующая им температура, а по оси ординат — свети-
мость звезд и их абсолютная звездная величина.
Вместо светимости иа этой диаграмме по оси ординат
можно было бы откладывать массу звезд. Предыдущая
диаграмма (см. рис. 51) показывает, что такая замена
вполне правомочна. Более того, при этом физический
смысл некоторых звездных процессов стал бы нагляднее.
Однако астрономы предпочитают пользоваться величи-
ной светимости, так как она определена из непосредст-
венных измерений и известна более точно, чем масса
звезды, определяемая с помощью ряда вспомогательных
измерений.
Даже при беглом взгляде на диаграмму (см. рис. 52)
видно, что точки-звезды на ией расположены очень не-
равномерно: есть области, где оии образуют группы, це-
почки, и есть области, которые они явно избегают. Более
подробное рассмотрение диаграммы позволяет увидеть,
что наибольшее количество точек-звезд образует длин-
ную цепочку, идущую от левого верхнего угла диаграм-
мы вправо и вниз. Этой группе присвоено название глав-
ной последовательности (см. рис. 52; 6). Примерно в се-
редине ее расположено иаше Солнце (оно обозначено на
рисунке крестиком).
Точки главной последовательности, расположенные и
верхнем левом углу диаграммы, соответствуют звездам,
имеющим большую массу, большую светимость н высо-
кую поверхностную температуру. Точки главной после-
довательности, расположенные соответственно в середи-
не диаграммы и ее правом нижнем углу, относятся к
звездам с относительно меньшей массой, меньшей свети-
мостью и меньшей поверхностной температурой.
Справа от главной последовательности, в правом
верхнем углу диаграммы, расположены точки, соответ-
ствующие звездам с большой массой и светимостью и
относительно низкой поверхностной температурой. В за-
висимости от размеров их называют сверхгигантами
(см. рис. 52; /, 2), гигантами (см. рис. 52; 3, 4) и субги-
гантами (см. рис. 52; 5).
207
Слева от главной последовательности, в левом ниж-
нем углу диаграммы, расположены точки, соответствую-
щие звездам, масса и светимость которых меньше сол-
нечной. Их называют субкарликами (см. рис. 52; 7) и бе-
лыми карликами (см. рис. 52; 8, 9). Наконец, точкам, рас-
положенным в правом нижнем углу диаграммы, соответ-
ствуют звезды с малой массой, малой светимостью и от-
носительно невысокой температурой. Их называют жел-
тыми карликами.
Таким образом, диаграмма Герцшпрунга— Ресселла
очень наглядно показывает различные типы звезд. Одна-
ко из нее можно извлечь и нечто большее: проследить
пути эволюции звезд. Начнем обсуждение с пустых
участков диаграммы Герцшпрунга — Ресселла. Области
диаграммы, не заполненные точками, по-видимому, соот-
ветствуют таким соотношениям массы и температуры
звезд, которые в природе не встречаются. Возможно так-
же, что звезды с соотношением массы и температуры,
соответствующим этим областям диаграммы, очень не-
устойчивы и при своем развитии относительно быстро
проскакивают эти участки.
Путь развития звезды предопределен ее начальной
массой и составом. По мере разгорания в звездах раз-
личных ядерных реакций они разбухают, их размеры
увеличиваются в десятки и сотни раз и поэтому их по-
верхностная температура оказывается относительно не-
высокой.
Такие звезды превращаются в красные гиганты. При
этом на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла они сходят
с главной последовательности н смещаются вправо и
вверх.
Если начальная масса звезды равнялась 10—15 сол-
нечным массам, то она прн протекании ядерных реакций
превращается в сверхгигант. При начальной массе по-
рядка солнечной звезда превращается в нормальный
гигант или субгигаит. Расчет соответствующих моделей
показал, что звезды с массой около 5 солнечных масс
совершают эту эволюцию приблизительно за 100 мил-
лионов лет.
Звезды, у которых масса больше, проходят этот путь
быстрее, звезды с меньшей массой — соответственно
Медленнее.
Став гигантами или сверхгигантами, звезды бурно и
щедро разбрасывают свою массу и тратят свою энергию.
208
В их недрах развиваются столь высокие температура и
давление, что скорость протекания ядерных реакций уве-
личивается, и чем больше была начальная масса таких
звезд, тем быстрее они эту массу растрачивают. Это при-
водит к тому, что через относительно короткое время,
исчисляемое лишь миллионами лет, в таких звездах вы-
горает значительная часть водорода и начинается выго-
рание гелия. Растратив значительную часть своих водо-
родных и гелиевых ресурсов, звезды становятся менее
массивными и менее яркими.
На диаграмме Герцшпрунга — Ресселла этот процесс
соответствует их смещению вниз и приближению к глав-
ной последовательности. При этом некоторые звезды
оказываются неустойчивыми и начинают пульсировать,
сбрасывать свои оболочки и т. д., а другие выходят на
главную последовательность и начинают длительную
спокойную жизнь. И на этом этапе развития судьба звез-
ды зависит от ее массы и состава. Звезды, масса кото-
рых много больше солнечной, чаще оказываются не-
устойчивыми. Так, например, большинство пульсирую-
щих звезд — цефеид—имеют массу около 2—8 солнеч-
ных масс. Звезды с расширяющимися оболочками, типа
Вольфа-Райе, которые всего лишь за 100 000 лет выбра-
сывают в межзвездное пространство около десятой части
своей массы, имеют начальную массу, приблизительно
равную 10 солнечным. Напротив, звезды с массой, при-
близительно равной солнечной, став иа главную последо-
вательность, в течение многих миллиардов лет почти не
меняют своих свойств. Однако, хотя и медленно, в звез-
дах, находящихся на главной последовательности диа-
граммы Герцшпрунга — Ресселла, все же накапливают-
ся изменения. В результате идущих в них ядерных про-
цессов превращения водорода в гелий меняется химиче-
ский состав звезд, уменьшается прозрачность, изменяет-
ся тепловой режим. Внутренняя температура звезды
увеличивается, а количество излучаемой энергии падает.
Наконец, постепенно в них исчерпывается запас водо-
родного горючего.
Некоторые из таких звезд медленно скатываются в
правый нижний угол диаграммы Герцшпрунга—Рессел-
ла, т. е. становятся маленькими и тусклыми и превраща-
ются в желтых карликов. Для других все это заканчива-
ется коллапсом — катастрофой. Коллапс может произой-
ти по следующим причинам: оболочка горячей звезды
8-125
209
поддерживается внутренним газовым и лучистым давле-
нием. -Когда горючее кончается, то внешняя часть звезды
обрушивается и звезда сжимается в десятки и сотни раз,
превращаясь в белый карлик. В таком виде эти звезды
существуют неопределенно долго. На диаграмме Герц-
шпрунга — Рссселла они занимают всю се нижнюю
часть.
Конечно, мы не можем непосредственно наблюдать
эволюцию звезд, потому что большая часть звездных
процессов протекает за сотни тысяч и сотни миллионов
лет, а вся наша земная наблюдательная астрономия еще
не насчитывает и половины тысячелетия.
Все сведения об эволюции звезд получены из наблю-
дений за звездами, находящимися на разных этапах
своего развития, и соответствующих умозаключений и
расчетов. Однако эти расчеты могут быть различным об-
разом проверены.
Одной из таких проверок является количественный
анализ распределения звезд на диаграмме Герцшпрун-
га — Рссселла. Если на этой диаграмме подсчитать чис-
ло точек-звезд в каждой группе, то оказывается, что на
10 миллионов звезд главной последовательности прихо-
дится приблизительно 9 миллионов красных карликов,
около 10 тысяч субкарликов, всего около 1 тысячи гиган-
тов и только 1 сверхгигант.
Чем же можно объяснить столь неравномерное рас-
пределение звезд по группам? Различием их начальной
массы, а также тем, что длительность пребывания звезд
в каждой из этих групп различна. В сверхгигантах и
гигантах звезды пребывают относительно недолго, по-
этому мы в данный момент времени обнаруживаем отно-
сительно мало сверхгигантов н гигантов. На главной по-
следовательности звезды проводят миллиарды лет. По-
этому там мы обнаруживаем относительно много звезд
и т. д. Эти результаты прекрасно согласуются с данными
о поведении звезд, полученными -другими способами, и,
таким образом, хорошо подтверждают их. Итак, для каж-
дой звезды ее начальная масса, некоторое своеобразие ее
химического состава, начальный момент вращения — это
подарок феи, случайность. Получив эти дары, звезда по-
лучила свою судьбу.
Некогда считалось, что астрологи по звездам могут
определить судьбу людей. Теперь люди научились опре-
делять судьбу звезд.
210
Вспомним о самих себе и подумаем, чего можно ожи-
дать от нашего Солнца. Наше Солнце по массе, свети-
мости и спектральному классу является, в общем, до-
вольно средней звездой.
В этом наше счастье, так .как это означает, что оно
устойчиво, свойства его меняются медленно и приблизи-
тельно в таком же виде оно просуществует еще десятки
миллиардов лет. Да, в этом наше счастье.
Но совсем ли случайно это счастье? По-видимому, иет.
Для развития жизни, а в особенности высокоорганизо-
ванной, требуются определенные условия в отношении
температуры поверхности планеты, состава и плотности
ее атмосферы и т. д. Кроме того, эти условия должны в
течение довольно длительного времени оставаться приб-
лизительно постоянными. Если бы наше Солнце было не-
стационарной звездой: пульсирующей, сбрасывающей
оболочку и т. д., то иа планете Земля не смогла бы раз-
виться жизнь. Если бы наше Солнце относительно быстро
меняло свои свойства, то жизнь на планете Земля, воз-
никнув, быстро угасла бы. Именно потому, что Солнце —
средняя звезда, у человечества есть еще немалый запас
времени.
ГЛАВА 36
МАССА И СУДЬБА ЗВЕЗД
Ты говоришь правду по своему разумению, сара-
цин,— сказал христианский рыцарь. Но поверь мне:
я не рассказываю тебе басни. В этой пустыне жара
делает землю почти такой же зыбкой, как вода, а в моей
стране холод часто делает воду твердой, как скала.
...Сарацин внимательно посмотрел на него, как бы
недоумевая, как ему понять эти слова... Как видно,
сказал он, — ты принадлежишь к племени, которое лю-
бит посмеяться..., рассказывая небылицы.
Вальтер Скотт
Вселенная населена звездами очень разного типа, ко-
торые отличаются друг от друга массой, размерами, со-
ставом н светимостью. Очень различны плотность и со-
стояние вещества в разных звездах. Не менее различна
и судьба отдельных звезд: одни из них. в течение многих
8*
211
миллиардов лет лишь постепенно меняют свои свойства,
другие на определенном этапе своего развития претерпе-
вают катастрофические изменения. В этом разнообразии
параметров и поведения космических тел астрономами и
астрофизиками уже установлены многие важные законо-
мерности. О некоторых из них уже было рассказано в
предыдущих главах. В этой главе будет рассмотрена
связь между массой некоторых больших космических тел,
их состоянием и развитием.
Можно ли ожидать, что в телах с очень большой мас-
сой происходит нечто необычное? Да, и притом по нес-
кольким причинам. Во-первых, внутри таких тел в резуль-
тате гравитационного сжатия развивается огромное дав-
ление, которое должно привести к изменению состояния
вещества. Во-вторых, некоторые эффекты, предсказанные
теорией относительности, которые в телах средних раз-
меров малы, в телах с очень большой массой н очень
большой концентрацией массы должны стать огромными
и существенно изменить течение ряда процессов.
Какие же размеры тел и какую их плотность следует
считать большими? После того как смелый капитан Гул-
ливер побывал у коварных лилипутов и благородных
гуигнгмов, посетил Бробдингнег, Лапуту и пр., мы уже
наверняка знаем, что любые оценки зависят от точки зре-
ния, принятой за основу. Поэтому целесообразно рас-
смотреть ряд различных объектов в порядке возрастания
их масс и сравнить их поведение.
Масса Земли округленно равна 6,6*1024 кг, ее средняя
плотность 5,5 г/с.м3. В центре Земли давление достигает
приблизительно 4 Мбар, а плотность вещества 10—
20 г/см3 (1 Мбар (мегабар) ~106ат^105кгс/с.ч2). В ла-
бораторных условиях путем статического сжатия удалось
достигнуть давления около 0,5 Мбар, а с помощью удар-
ных волн взрыва — даже нескольких десятков мегабар.
При таких давлениях происходит частичное разрушение
электронных оболочек атомов и в результате этого ди-
электрики приобретают свойства металлов.
Масса Солнца в несколько сот тысяч раз больше мас-
сы Земли и составляет около 2-Ю30 кг. В центре Солнца
давление достигает 105 Мбар, а плотность вещества —
приблизительно 100 г/см3. При этом в недрах Солнца про-
текают ядерные реакции синтеза гелия из водорода. Эти
реакции дают огромное количество энергии. Поэтому
внутри Солнца развивается температура в несколько мил-
212
лионов градусов и создается высокое давление, препятст-
вующее его гравитационному сжатию.
Энергетические ресурсы Солнца и других звезд ог-
ромны, однако с течением времени они постепенно исчер-
пываются. По мере выгорания ядерного горючего звезды
испытывают ряд превращений и внутри них одни ядериые
реакции сменяются другими: после исчерпания водорода
основной становится реакция синтеза углерода из гелия
и т. д. .Когда же и эти ресурсы исчерпываются, происхо-
дит резкое сжатие звезды. Однако в зависимости от на-
чальной массы звезды характер этого сжатия оказывает-
ся существенно различным.
Если масса звезды меньше 1,2 /Ис (/Ис— масса Солн-
ца), то после исчерпания ядерного горючего звезда сжи-
мается так, что ее диаметр не превышает 20000 км. При
этом звезда теряет часть своей массы. Это происходит
либо вследствие постепенного истечения ее вещества, ли-
бо путем образования оболочки, которая потом рассеи-
вается в космическое пространство. Плотность вещества
сжавшейся звезды достигает 106—1010 г!см3. При таком
давлении электронные оболочки атомов разрушаются и
электроны становятся общими для всего тела. Давление
этого электронного газа как раз и удерживает звезду от
дальнейшего сжатия. Такие звезды известны. Это — бе-
лые карлики.
' Откуда взята величина 1,2 Л1с? Эта величина началь-
ной массы получена из расчетов, основанных на поневоле
упрощенных модельных представлениях о строении звезд.
Это вовсе не означает, что данные расчеты не верны или
не обоснованы. При построении мысленных моделей звезд
принимаются во внимание сотни наблюдательных данных,
взвешиваются и оцениваются десятки различных сообра-
жений и используются тончайшие математические методы
анализа. Полученные таким образом выводы сравнивают-
ся с наблюдательными данными, и та или иная модель
безжалостно отбрасывается, если обнаруживаются су-
щественные расхождения с научными фактами.
Если существенных расхождений между тем что дает
модель и наблюдательными данными не обнаруживается,
то механизм того или иного явления можно считать по-
нятым правильно, а количественные его характеристики
хотя и известными, но лишь с ограниченной точностью.
-Ведь при построении мысленных моделей часть парамет-
ров учитывается, другая часть отбрасывается, а при рас-
213
четах используются значения отдельных величии, найден-
ные из наблюдений с той или иной, но всегда ограничен-
ной точностью- Таким образом, и в данном случае
механизм образования белых карликов можно считать
известным, а указанную выше предельную величину на-
чальной массы звезды определенной приблизительно.
Если масса звезды больше 1,2 Мс, но ие превышает
приблизительно 3 Мс, то после исчерпания ядерного го-
рючего она тоже сожмется. Однако в этом случае дав-
ления электронного газа оказывается уже не достаточно
для того, чтобы остановить это сжатие и оно продолжа-
ется до тех пор, пока плотность внутри звезды не достиг-
нет примерно 1014 г/см3. При этом радиус звезды умень-
шается приблизительно до 10 км (напомним, что радиус
Земли равен 6000 км, а радиус Солнца — 700000 км).
При столь высокой плотности (того же порядка величи-
ны, что н плотность атомных ядер) в звезде устанавлива-
ется равновесие совсем иного типа. Внутри такой звезды
разрушаются не только электронные оболочки атомов, но
частично разрушаются и ядра атомов, а значительная
часть протонов превращается в нейтроны. Такой процесс
называют нейтронизацией звезды, а такие тела — ней-
тронными звездами.
Реально ли существование таких объектов, можно ли
их наблюдать и удалось ли это?
Да, наблюдать их удалось. Причем случилось это нео-
жиданно. Настолько неожиданно, что сначала изрядно
смутило самих авторов открытия. Произошло это так: в
конце 1967 г. группа исследователей, работавших в Кемб-
ридже. (Англия) на радиотелескопе, настроенном иа дли-
ну волны 3,7 м, обнаружила сигналы совершенно не-
обычного типа. Период их повторения оказался очень
постоянным и для космических тел чрезвычайно корот-
ким: 1,33 сек. Естественные предположения о какой-то
помехе земного происхождения были тщательно прове-
рены и вскоре отпали. Между тем ни одни из дотоле из-
вестных космических объектов таких сигналов никогда
не давал. Более того, соответствующий анализ показал,
что все известные типы звезд и обычные механизмы их
деятельности для объяснения появления таких сигналов
не пригодны. Между тем непонятное радиоизлучение нзо
дия в день наблюдалось и таинственный источник посы-
лал сигналы очень точно — ровно через 1,33 сек.
Тогда родились гипотезы типа: а вдруг? А вдруг это
214
долгожданные сигналы от иной цивилизации? Далекой,
высокоразвитой, обладающей достаточными энергетиче-
скими ресурсами, может быть жаждущей поделиться сво-
ими знаниями и идеями...
Почему бы нет? Вероятность существования в космо-
се иных цивилизаций в настоящее время оценивается ос-
торожно и низко. Вероятность получения сигналов от
них — еще ниже. Но ни то, нн другое полностью не отвер-
гается. Более того, изучаются все допустимые возможно-
' сти связи с ннымн мирами: предполагаемые программы
сообщений, оптимальные коды, наиболее удобные интер-
валы длин волн и т. д. Радиоастроном Дрэйк (Нацио-
нальная радиоастрономическая обсерватория в Грин-
Бэнк, США) разработал специальную аппаратуру для
наблюдения искусственных инопланетных сигналов в
диапазоне 21 см. В 1960 г. с помощью этой аппаратуры
иа 27-метровом радиотелескопе Грин-Бэнк в течение не-
скольких месяцев американские исследователи по про-
грамме «ОЗМА» вели наблюдения двух звезд: е-Эрндана
и т-Кита, расположенных иа расстоянии около И свето-
вых лет от Солнца. Увы, искусственных сигналов им об-
наружить не удалось.
Однако маловероятное еще не означает невозможное:
наконец, «а вдруг?» иногда все же случается. Именно
поэтому, когда 27 февраля 1972 г. по направлению к
z Юпитеру был запущен космический зонд «Пионер-10»,
программа полета которого включала прохождение мимо
Юпитера и выход из Солнечной системы в просторы Га-
лактики, то американские исследователи учли также и
возможность его встречи с представителями иных циви-
лизаций. «Пионер-10» снабдили изображением внешнего
вида землян, схемой траектории его полета внутри сол-
нечной системы и некоторыми другими «анкетными» дан-
ными о тех, кто его послал.
Итак, если бы принятые в Кембридже сигналы дейст-
вительно оказались вестью иных миров, то что ожидало
бы нас: счастье или катастрофа?
В двух очень интересных научно-популярных книгах
•вполне серьезный ученый Фред Хойл, надев для удобства
яркий плащ фантаста, обсуждает соответствующие воз-
можности широко и непринужденно *. Журналист У. Сал-
* Хойл Ф. Черное облако. Пер. с англ. М„ «Знание», 1966.
Хойл Ф., Эллиот Дж. Андромеда. Пер. с англ. М., «Мир», 1966.
215
Ливан остроумно н увлекательно, как это н положено
специалисту его профиля, рассказывает о многих идеях н
работах в этой области*. В 1969 г. в Москве вышел
сборник научных работ, посвященных этому вопросу2*.
Таким образом, столь заманчивое предположение о
сигналах иной цивилизации не было совсем необоснован-
ным н его нельзя было полностью исключить. Более того,
то что период повторения уловленных радиотелескопом
импульсов составлял около 1 сек, а ширина каждого им-
пульса была около сотых долей секунды, позволило опре-
делить размеры космического тела, посылавшего таинст-
венные сигналы и они оказались близкими к размерам
планет...
Один из участников этих исследований — А. Хыоиш —
создавшуюся в те дни напряженную ситуацию описывает
так3*:
Это показало, что источник был планетных разме-
ров, и больше нельзя было игнорировать возможность
того, что сигналы приходят от внеземной цивилизации.
Быстрые вариации амплитуд импульсов наводили на
мысль о существовании некоторого кода, однако об-
ширные наблюдения... не дали указаний на возмож-
ность осмысленной расшифровки принимаемых сиг-
налов».
Первоначально исследователи, наблюдавшие эти сиг-
налы, назвали обнаруженные ими источники LGM. (little
green men — маленькие зеленые человечки). Однако поз-
же это название было заменено другим. Уже через не-
сколько месяцев после первых наблюдений все недоуме-
ния были разрешены. И увы, без иных цивилизаций. На
основании некоторых дополнительных данных исследова-
тели Хьюнш, Белл, Пилкингтон, Скотт и Колине пришли к
заключению о том, что ими открыт новый тип звезд, на-
званный пульсарами.
Вскоре в поиски и исследование пульсаров включи-
лись радиоастрономы многих стран. В последующие годы
было открыто еще несколько десятков пульсаров, в том
числе с периодами в несколько сотых долей секунды и в
несколько секунд. Было определено расстояние до ряда
пульсаров. То обстоятельство, что длительность сигналов,
* Салливан У. Мы не одни. Пер. с англ. М., «Мир», 1967.
2* Гиндилис Л. М. и др. Внеземные цивилизации. Проблемы
межзвездной связи. М., «Наука», 1969.
*3 В сб.: Пульсары. М., «Мир», 1971.
216
посылаемых пульсарами, составляет лишь сотые доли
секунды, свидетельствует о том, что их размеры не пре-
вышают нескольких десятков километров.
Если звезды образуют двойную систему, то определе-
ние элементов их орбиты идтериода обращения позволя-
ет вычислить массу этих звезд. О том, как это делается,
было рассказано ранее. В последние годы было обнару-
жено несколько пульсаров, являющихся членами двойных
систем, в которых вторая компонента — обычная звезда.
Таким образом, были получены данные о размерах,
массе и плотности пульсаров, наличии у них огромной
угловой скорости и т. д. Все это привело астрофизиков к
заключению о том, что пульсары являются нейтронными
звездами, а периодичность посылаемых ими сигналов свя-
зана с их вращением.
Итак, то что та или иная звезда в процессе своего раз-
вития превращается в пульсар, определяется ее началь-
ными данными и в значительной мере зависит от того,
что ее масса чуть больше одного предела и чуть меньше
другого и составляет от 1,2 до 3 Л1с-
Между тем соответствующий теоретический анализ
показал, что у звезд, масса которых больше 3 Мд, устой-
чивого состояния нет даже при сжатии до плотности в
1014 г!см\ В таких звездах после исчерпания ядерного
горючего и сжатия развиваются столь большие гравита-
ционные силы, что давление электронного газа илн ней-
тронного вещества не в силах им противостоять. В этом
случае должен произойти коллапс — катастрофическое
обрушение вещества звезды к ее центру. Конечно, расхо-
дуя свои ядерные ресурсы, звезды одновременно разбра-
сывают свое вещество в космос. Известно, что звезды раз-
ного типа делают это по-разному. Например, при вспыш-
ках сверхновых звезд центральная часть звезды
сжимается, а оболочка выбрасывается в космос, причем
масса этой оболочки составляет единицы, а иногда даже
десятки процентов общей массы звезды. Однако, если
после различных превращений и исчерпания ядерного го-
рючего, звезда еще сохранила достаточную массу, то
। коллапс ее неизбежен.
Какими свойствами должны обладать сколлапсировав-
шие звезды? Есть ли онн в космосе? По каким признакам
их следует искать? Удалось ли их обнаружить?
Для того, чтобы ответить иа эти вопросы, нужно хотя
бы в некоторой мере представить себе свойства и пове-
217
дение сколлапсировавшей звезды. Попробуем это сделать,
используя некоторые выводы из теории относительности.
В книге «О специальной и общей теории относительно-
сти», вышедшей в 1917 г., А. Эйнштейн пишет:
«Частота излучения атома, находящегося на поверх-
ности небесного тела, будет несколько меньше часто-
ты излучения атома того же элемента, находящегося в
свободном пространстве (или атома на поверхности
меньшего небесного тела)».
Если vo — частота излучения атома в свободном про-
странстве, a v — частота излучения атома того же эле-
мента, находящегося на поверхности тела с массой М и
радиусом то из теории относительности следует, что
эти частоты связаны следующим образом:
-е-я
где с — скорость света в пустоте, а у — это уже известная
нам гравитационная постоянная (о ее определении см.
гл. 31 «Взвешивание Земного шара в физической лабора-
тории»).
Этот эффект назван гравитационным красным смеще-
нием, так как уменьшение частоты излучения соответству-
ет увеличению длины волны и сдвигу спектра в красную
сторону. Легко вндеть, что величина этого, предсказанно-
го А. Эйнштейном эффекта пропорциональна М//?, т. е.
тем больше, чем больше масса тела и меньше его радиус.
Для излучателя, расположенного на поверхности
Солнца, этот эффект составляет около 2- 10~б. Это величи-
на небольшая, но вполне доступная измерениям. Когда
такие измерения были проведены, то оказалось, что крас-
ное смещение действительно наблюдается, но побочные
факторы создают эффекты примерно такой же величины.
Поэтому достоверность полученных результатов невы-
сокая.
Между тем в последние годы техника измерений час-
тоты излучения была резко улучшена и это позволило по-
ставить опыт, не выходя за пределы земной лаборатории.
Если два пункта наблюдения расположены на разном
расстоянии от центра Земли (т. е. попросту иа разной вы-
соте), то при разности высот в 22 м гравитационное крас-
ное смещение составит лишь 4,92«10~15, т. е. приблизи-
218
тельно в миллиард раз меньше, чем в том случае, когда
сравниваются излучатели, расположенные иа Солнце и
Земле. Тем не менее, в 1960 г. Р. В. Паунд и Г. А. Ребка,
тщательно учтя все побочные факторы, проделали этот
опыт и обнаружили искомое красное смещение, которое
оказалось равным (5,13±0,51) • 10*15.
Итак, эксперимент достаточно убедительно подтвер-
дил предсказание теории. Поэтому с достаточным осно-
ванием можно поставить такой вопрос: к чему приведет
эффект гравнтацнонного красного смещения иа коллап-
сирующей звезде?
Если излучатель расположен на поверхности коллап-
сирующей звезды, то по мере ее сжатия длина волны из-
лучения будет все более увеличиваться. Наконец, когда
звезда достигнет некоторого критического размера, по-
следний называется радиусом Шварцшильда или грави-
тационным радиусом тела, длина волны изучения обра-
тится в бесконечность, т. е. излучение прекратится. Таким
образом, звезда, сжавшаяся до размеров меньших, чем
гравитационный радиус, наружу не излучает.
Это же явление можно объяснить и иным способом:
на поверхности звезды, сжавшейся до размеров, мень-
ших радиуса Шварцшильда, развиваются столь большие
гравитационные силы, что их оказывается достаточно для
того, чтобы завернуть фотоны и притянуть их к звезде.
Таким образом, в отношении излучения происходит са-
мозамыкание звезды. Столь экзотическим членам нашей
Вселенной теоретики придумали впечатляющее название
черные дыры.
При обсуждении столь причудливой гипотезы, естест-
венно, возникает вопрос о том, насколько все это реаль-
но. Впрочем, мы уже неоднократно убеждались в том,
что странное не всегда означает неверное, а очевидное и
привычное не всегда соответствует правильному.
Если катастрофически обрушившаяся внутрь звезда,
ставшая черной дырой, входит как одна из компонент в
систему двойной звезды; а второй член этой системы
обычная звезда, то изучение траектории движения этой
обычной звезды, может сказать о том, что у нее есть вто-
рой член и даже какова его масса, период обращения и
расстояние от видимого члена системы. У некоторых
звезд были обнаружены партнеры, по поводу которых
было высказано предположение, что они как раз и явля-
ются черными дырами.
219
я. Б. Зельдович и некоторые другие исследователи су-
мели найти очень остроумный способ, с помощью которо-
го можно увидеть черные дыры. Для окружающей ма-
терии черная дыра — это ловушка. Ведь черная дыра,
будучи массивной и относительно очень маленькой, соз-
дает вблизи от своей поверхности сильное притяжеине и
втягивает в себя окружающее ее вещество- При этом
сама она становится лишь плотней и меньше. Однако в
свободном космосе плотность вещества очень невелика.
Поэтому у одинокой черной дыры процесс втягивания
вещества идет крайне медленно.
Если же черная дыра входит в двойную систему, то
она вытягивает вещество еще и из своего партнера. При
этом данное вещество приходит к ней сбоку и с опреде-
ленным моментом вращения. По мнению Я. Б. Зельдови-
ча, это обстоятельство существенно меняет механизм по-
глощения вещества черрой дырой. Из-за наличия мо-
мента вращения газообразное вещество, прежде чем
упасть в черную дыру, образует вокруг нее газовый диск,
в котором происходит турбулентное движеине. При этом
силы треиня приводят к выделению огромной энергии,
которая уходит в космос в виде коротковолнового излу-
чения, лежащего в рентгеновской области спектра.
Таким образом, хотя черная дыра сама ничего и не
излучает, тем не менее существует возможность ее обна-
ружить.
Удалось ли найти черные дыры?
Экспериментальные данные дали следующее: двойная
звезда Лебедь X-I состоит из видимой компоненты, пред-
ставляющей собой красный гигант, а также какого-то
невидимого космического тела.
Напомним, что красные гиганты представляют собой
звезды, находящиеся иа относительно раннем этапе раз-
вития. Их ядерные ресурсы еще далеки от исчерпания и
поэтому даже тогда, когда нх масса в десятки раз пре-
вышает массу Солнца, оии в течение относительно дли-
тельного времени устойчивы.
В системе Лебедь Х-1 оказалось, что спектральные ли-
нии видимого компонента перноднческн сдвигаются то в
сторону длинных, то в сторону коротких волн. Это объ-
ясняется эффектом Доплера и свидетельствует о движе-
нии видимой компоненты к нам и от нас. Соответствую-
щий период обращения составляет для этой звезды
5,6 дня.
220
Между тем эта же система Лебедь Х-1 испускает очень
мощное рентгеновское излучение (около 1037 эрг, что в
4 тысячи раз больше светимости Солнца), а также излу-
чение, соответствующее спектру гелия. Причем частота
линий гелия тоже периодически меняется и тоже с перио-
дом в 5,6 дня, но в противоположной фазе по-отношению
к излучению красного гиганта. Расчеты элементов ор-
биты данной системы показали, что масса красного ги-
ганта этой системы равна около 20 Мс, а масса невиди-
мой компоненты — около 1Q Мс.
Сопоставление этих данных привело исследователей
к заключению о том, что, во-первых, масса второй компо-
ненты слишком велика для того, чтобы она могла быть
нейтронной звездой- Во-вторых, что гелиевые линии спект-
ра излучаются там же, где рентгеновские лучи, т. е. вбли-
зи второй компоненты. На основании всего этого они при-
шли к заключению о том, что эта вторая компонента сис-
темы Лебедь Х-1 представляет собой сколлапсировавшую
звезду, т. е. черную дыру.
Какова надежность этого вывода? Несомненно, ие
только его остроумие, но и логичность. Все это делает
данный вывод очень красивым и привлекательным. Од-
нако лишь дальнейшие наблюдательные данные позво-
лят вынести суждение о степени его достоверности.
Теперь нам осталось рассмотреть галактики, системы
галактик и, наконец,..систему, которая имеет самую боль-
шую массу: нашу Вселенную.
ГЛАВА 37
МАССА ГАЛАКТИК
И МОДЕЛИ МИРА
Даже беглый взгляд на усыпанное звездами ночное
небо позволяет заметить, что звезды иа нем распределе-
ны неравномерно: в области Млечного Пути их значитель-
но больше, чем в других частях неба.
Вильям Гершель (1738—1822 гг.) хорошо умел не
только наблюдать звезды, но и рассуждать. Обратив вни-
мание на неравномерность распределения звезд, он по-
нял, что эту неравномерность можно объяснить тем, что
мы находимся внутри сплюснутого, как спортивный диск,
скопления звезд и смотрим на него изнутри. Естествен-
но, что при этом направление большей протяженности
221
скопления представляется нам более густо усыпанвым
звездами. Гершель выполнил огромную работу: поочеред-
но направляя свой телескоп на разные участки неба, он
каждый раз подсчитывал число звезд, попавших в поле
зрения телескопа. Проделав тысячи таких измерений не-
ба и сопоставив их результаты, он доказал, что мы нахо-
димся внутри обширной сплюснутой звездной системы —
Галактики, по форме напоминающей гигантский мельнич-
ный жернов.
Попутно Гершель открыл около 2500 туманностей и
звездных скоплений и сделал заключение, что по крайней
мере некоторые из них состоят из множества звезд н
представляют собой самостоятельные галактики, имею-
щие примерно такие же размеры, как и ваша. Эти от-
крытия в основном блестяще подтвердились.
Галактики представляют собой скопления звезд и
пылевой материи. Такова и наша Галактика. В средней ее
части звезды расположены очень густо — это ядро Га-
лактики. Оно имеет форму эллипсоида вращения, боль-
шая полуось которого составляет 4000, а малая — около
1500 световых лет.
К периферии населенность Галактики звездами посте-
пенно убывает. Таким образом, четкой границы у иеенет
и ее размеры являются в некоторой мере условными.
По современным астрономическим данным, наша Галак-
тика имеет форму сильно уплощенного диска диаметром
около 85000 световых лет, или 8-1017 км (рис. 53). Наше'
Солнце находится относительно не очень далеко от ядра
Галактики: примерно в 26000 световых лет от ее центра,
и 50 световых лет от большой оси. Поэтому рис. 53 вы-
полнен не в масштабе, иначе он был бы очень растянут.
Исследование движения звезд показало, что наша Га-
лактика вращается, однако, не так, как твердое тело: раз-
личные ее части, расположенные на разном расстоянии
от ее ядра, вращаются с разной скоростью. Например,
угловая скорость галактического иращения нашего Солн-
ца составляет 0,0047 угловых секунд в год, что соответ-
ствует периоду обращения в 275 млн. лет. Обычно эту ве-
личину и называют галактическим годом. Разумеется, для
других расстояний от ядра Галактики период обращения
будет другим.
Указанных выше данных уже достаточно для вычисле-
ния массы всех звезд, населяющих нашу Галактику, вер-
нее массы всей Галактики, включая не только звезды, но
?22
и находящиеся в ней темные космические тела, так как и
они участвуют в создании силы притяжения.
Масса Галактики определяется из условия равенства
центростремительной и центробежной сил для тела (на-
пример, Солнца), участвующего в галактическом враще-
Р и с. 53. Схема строения Галактики (размеры указаны в
световых годах).
нии. При этом нужно, конечно, учитывать специфическую
форму нашей Галактики.
Оорт вычислил массу Галактики, приняв, что одна
часть силы притяжения обязана ее ядру, а другая — дис-
ку. Для тела, удаленного от ядра, первая часть силы об-
ратно пропорциональна квадрату расстояния от центра
Галактики, а вторая —прямо пропорциональна расстоя-
нию от ее ядра-
Для соответствующих значений угловой скорости вра-
щения Галактики, периода ее обращения и линейной ско-
рости движения, взятых в окрестности Солнца, он полу-
чил значение массы ядра Галактики, равное 9-1010 Мс, и
значение массы диска Галактики, равное 4-1010 Л4с. Та-
ким образом, масса всей нашей Галактики равна 1,ЗХ
Х1011 Мс, или 2,6-1041 кг. В последующие годы масса на-
шей Галактики была определена н другими методами, ко-
торые дали вполне удовлетворительное согласие с этими
результатами.
Исследование большого числа звезд показало, что на-
ше Солнце по.своей массе — довольно средняя звезда.
Исходя из этого удалось оценить общее число звезд в на-
шей Галактике. Оказалось, что оно приблизительно рав-
но 100 миллиардам.
На самом деле число звезд в нашей Галактике, веро-
ятно, больше. Дело в том, что белые карлики обладают
относительно небольшой светимостью и те из них, которые
расположены дальше от нас, мы не видим даже в самые
мощные телескопы. Между тем учет их снизил бы массу
223

«средней» звезды; соответственно повысилось бы расчет-
ное число звезд в Галактике.
Наша Галактика не является едииствеиной. Напротив,
она лишь одна из многих тысяч н сотеи тысяч галактик,
разбросанных во Вселенной. Среди галактик есть плоские,
подобные нашей, например туманность Андромеды
(рис. 54), есть сферические, неправильные... Некоторые
галактики представляют собой физически связанные па-
ры, т. е. двойные системы. Обнаружены скопления га-
лактик.
4 Некоторые из этих скоплений имеют один или не-
сколько центров конденсации и содержат десятки тысяч
отдельных галактик.
Можно ли определить массу этих галактик? Да, мож-
но. Однако для двойных и одиночных галактик это при-
ходится делать различными способами. При определении
массы двойной галактики движение ее компонент считают
круговым. Масса системы ЛГСист.==А1|+Л42 получается из
условия ее устойчивости при вращении, откуда для каж-
дой компоненты следует равенство центростремительной
и центробежной сил. Таким образом, для определения
массы системы галактик, так же как и при определении
массы системы двойных звезд, требуется найти период
обращения ее компонент, их взаимное расстояние и ско-
рость.
/ В 1952 г. Пейдж для 20 двойных галактик получил
' среднее значение массы, равное (8±3) ♦ 1010 Мс. В 1959 г.
Пейдж и Торнтон завершили более широкое исследование
парных галактик и получили для 45 из них среднее значе-
ние массы 4-Ю” Mq, а для 20 — среднее значение массы,
равное 0,3- 10й Мс.
Определить массу одиночной галактики несколько
сложнее. Так, например, если определяется масса плоской
спирали галактики, то нужно знать не только период ее
вращения и размеры, ио и распределение ее плотности
вдоль радиуса. Однако задача определения массы одиноч-
ной галактики значительно упрощается в том случае, ког-
да оказывается возможным измерить скорость вращения
областей галактики, лежащих достаточно далеко от ее
'ядра. Если при этом удается найти такую область галак-
тики, где линейная скорость ее вращения обратно пропор-
циональна квадратному корню из расстояния от центра
.'-галактики, то можно пользоваться законами притяжения
точечных масс.
225
В этом случае выражение массы галактики оказывает-
ся достаточно простым: Мгал==/?г>2/у, где Мгал — масса
галактики; /?— ее радиус; у — гравитационная постоян-
ная; v — линейная скорость вращения.
Таким образом была определена масса большого чис-
ла галактик и при этом получилось хорошее совпадение
с результатами более строгих и сложных методов. Оказа-
лось, что масса большинства галактик лежит в пределах
(10104-3-10п)Мс- Одиако обнаружены и «карликовые»
системы с массой около 106 Ма.
После того как быЛо обнаружено огромное число га-
лактик и исследованы различные их свойства (масса, раз-
меры, форма, скорость вращения и т. д.) для ученых ес-
тественным был следующий шаг: поиски каких-либо об-
щих закономерностей в поведении галактик. Важная и
удивительная закономерность была обнаружена при ис-
следовании линейных скоростей галактик. Оказалось, что
все галактики удаляются от нас, притом те, которые рас-
положены дальше, убегают с большей скоростью. Эта за-
кономерность была исследована Хабблом и сформулиро-
вана в виде следующего закона: скорость убегания галак-
тик пропорциональна расстоянию, на которое они удале-
ны от нас.
Разбегание галактик вовсе не означает, что наша Зем-
ля занимает какое-то выделенное положение. Если на по-
верхность резинового пузыря нанести краской метки, аза-
тем этот пузырь раздуть, то расстояние между метками
увеличится и это будет справедливо для любой из точек
пузыря;
Таким образом, разбегание галактик означает, что
наш Мир расширяется. Здесь следует сделать важное за-
мечание. Когда мы говорим наш Мир — это в сущности
означает участок Вселенной, доступный нашим наблюде-
ниям, так как закономерности, отмеченные для этого уча-
стка, и в частности разбегание галактик, быть может, ие
имеют места для других участков Вселенной.
Всегда ли наш Мир расширялся? Сменится ли его те-
перешнее расширение сжатием или, достигнув определен-
ного предела, он перестанет расширяться? Для ответа на
эти вопросы ученые предложили различные модели наше-
го Мира.
При построении модели ученый использует известные
законы, описывающие те или иные явления природы, на-
пример закон всемирного тяготения и др. Затем задает
226
начальные условия, например массу и размеры модели,
взаимное расположение небесных тел и скорости их дви-
жения и т. д. Далее ищет решение задачи, которое долж-
но содержать выводы, доступные проверке на опыте, на-
пример характер изменения с течением времени плотнос-
ти вещества в нашем Мире и др.
Если оказывается, что хотя бы один эксперименталь-
ный факт противоречит модельным представлениям, то
модель неверна и ее нужно отбросить. Если предложен-
ная модель приводит к выводам, не противоречащим из-
вестным фактам, то научные гипотезы, лежащие в ее ос-
нове, возводятся в ранг теории- Если эта теория предска-
зывает новые явления, которые затем подтверждаются
опытом, то она признается заслуживающей доверия и счи-
тается хорошей.
Такова общая и вполне логичная программа научного
исследования. Однако в данном случае на пути ее выпол-
нения обнаружились большие трудности, связанные с тем,
что пока еще ученые недостаточно знают структуру на-
шего Мира и описывающие его закономерности.
Поэтому ученым пришлось, как это обычно н делает-
ся в таких случаях, ввести некоторые упрощающие пред-
положения. Так, например, при построении модели Мира
очень важно знать, каково распределение материи в нем
и какова ее плотность. Упрощая задачу, ученые посчита-
,/ли, что наш Мир сферически симметричен и однороден.
Однороден в том смысле, что вещество в нем распределе-
но приблизительно с одинаковой плотностью. И вот от
того, какова эта плотность (т. е. масса, заключенная в
сфере определенного радиуса), существенно зависит по-
ведение нашего Мира.
В 1908—1916 гг. Эйнштейн заложил основы общей
теории относительности. Одним из выводов этой теории
является существование некоторой критической плотнос-
ти вещества в нашем Мире: ркр=2’10~2Э а/сл«3. В 1922—
1924 гг. А. А. Фридман чисто теоретически (из решения
космологического уравнения Эйнштейна) показал, что
иаш Мир не стационарен.
Эти два положения означают следующее: наш Мир
может быть расширяющимся, сжимающимся, пульсирую-
щим. Каков он на самом деле — зависит от его плотнос-
ти.
«Согласно теории Фридмана оказывается, что гео-
метрические свойства Мира как целого и эволюция его
227
со временем существенно зависят от средней плотно-
сти вещества при заданной скорости расширения. При
плотности, меньшей некоторой, однородный Мир бес-
конечен и будет неограниченно расширяться (откры-
тая модель); при плотности, большей критической,
мир замкнут, его объем конечен и тяготение тормозит
расширение столь сильно, что в конце концов расши-
рение сменяется сжатием (закрытая модель). Поэто-
му определение средней плотности вещества укажет
выбор между закрытой и открытой моделью, включая,
таким образом, предсказание далекого будущего (не-
ограниченное расширение или смена расширения сжа-
тием).
Найти среднюю плотность вещества можно, с од-
ной стороны, определяя одну за другой плотность раз-
личных форм материи. К ним принадлежат звезды,
невидимые звезды в галактиках; атомный, молекуляр-
ный и ионизованный водород в галактиках (общую
плотность этих форм материи можно определить, най-
дя массу галактик); электромагнитное излучение, ней-
трино и гравитационные волны, т. е. формы материи,
равномерно распределенные в межгалактическом про-
странстве и в галактиках; наконец, особенно трудный
для обнаружения межгалактический газ, состоящий
в основном из ионизованного водорода и гелия»
(Я. Б. Зельдович, Н. Д. Новиков, 1967 г.).
По современным данным Оорта, средняя плотность
вещества в нашем Мире (без учета межгалактического
вещества) приблизительно равна р«5-10_31 г/см3, т. е.
меньше критической. Если это так, то наш Мир соответ-
ствует открытой модели, вернее какой-то из открытых
моделей. Таким образом, он некогда находился в состоя-
нии сверхвысокой плотности, а затем начал неограничен-
но расширяться. По Г. Гамову, начальному сверхплотно-
му состоянию соответствовала н сверхвысокая темпе-
ратура.
Во-первых, отметим, что такая модель согласуется с
наблюдаемым ныне расширением нашего Мира. Далее
рассмотрим некоторые следствия, к которым приводит
такая модель.
В состоянии сверхвысокой плотности вещество для из-
лучения непрозрачно. При расширении Мира плотность
вещества в нем и температура этого вещества уменьша-
ются. Уже спустя несколько сот тысяч лет плотность
228
уменьшается приблизительно до 10-20 г/слг3, а темпера-
тура — приблизительно до 3—4 ^ысяч градусов. В это
время электроны начинают рекомбинировать с ионами,
образуются атомы водорода и среда становится прозрач-
ной для излучения.
Таким образом, на этом этапе расширения Мира рав-
новесное (тепловое) излучение получает возможность-
уйти, «оторваться» от того места, где оно образовалось.
Оторвавшееся высокотемпературное (7=3000—4000° К)
^равновесное излучение, блуждая по расширяющейся Все-
ленной, постепенно остывает, а его спектр соответствен-
но сдвигается к все более длинным волнам.
За те 15—20 миллиардов лет, которые прошли от вре-
мени отрыва излучения до наших дней, средняя плот-
ность вещества изменилась от 10-20 до 10-29 г!см?, а ра-
диус Мира (при постоянной массе Мира его плотность
обратно пропорциональна кубу радиуса) увеличился при-
близительно в 1000 раз. Соответственно температура
оторвавшегося равновесного излучения должна была за
это же время тоже уменьшиться приблизительно в
1000 раз.
В настоящее время температура этого реликтового
теплового излучения должна равняться всего 3—4° К.
Таким образом, максимальная интенсивность этого излу-
чения соответствует длине волны около 0,1 см, а спектр
простирается от нескольких сотых сантиметра до несколь-
ких десятков сантиметров. Обнаружение блуждающего
по Вселенной реликтового равновесного излучения, соот-
ветствующего этой температуре, явилось бы важным до-
казательством правильности расширяющейся горячей мо-
дели Мира.
Такое излучение недавно действительно было обнару-
жено, однако не в результате специальных поисков, а бо-
лее илн менее случайно.
В телефонной компании Белла была изготовлена спе-
циальная антенна, соединенная с. очень чувствительной
радиотехнической измерительной аппаратурой- Все уст-
ройство было настроено на работу при длине волны
7,35 см. Прн испытаниях выяснилось, что устройство вос-
принимает некоторый «шум», от которого никаким улуч-
шением аппаратуры отстроиться не удается. В дальней-
шем неизвестное излучение было обнаружено также при
^настройке аппаратуры на работу при других длинах волн:
20,7, 3,2; 1,5 и 0,26 см. Тогда стало ясно, что это не
229
аппаратурные помехи, а равновесное излучение, приходя-
щее из космоса. Соответствующие расчеты показали, что
это излучение соответствует температуре около 3° К.
Таким образом, модели горячей расширяющейся Все-
ленной получили убедительное подтверждение. Однако
пока еще нет достаточно точных наблюдательных данных
для того, чтобы среди них уверенно выбрать одну. Этот
выбор в значительной мере зависит от знания средней
плотности вещества во Вселенной или, в конечном счете,
от знания массы Мира.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
&
Описывая устройство какой-нибудь конструкции,
обычно чертят несколько ее проекций (вид сверху, вид
сбоку...). Если конструкция сложная, то, кроме этого, вы-
черчивают чодин или несколько ее разрезов, и притом так,
чтобы сечения прошли через наиболее сложные узлы.
В этой книге дан «разрез» Мира по массе. Масса явля-
ется одной из основных характеристик вещества, поэто-
му, естественно, рассказ о ней в той или иной мере затра-
гивает целый ряд важных научных и технических
проблем.
В глубокой древности наши предки выработали поня-
тие о весе тел. Долгое время оно удовлетворяло людей
и усилия многих ученых того времени были направлены
лишь на усовершенствование весов и гирь. За 60 с лиш-
ним веков, прошедших со времени изобретения весов, лю-
ди значительно нх усовершенствовали, намного увеличи-
ли их чувствительность и точность, но никак не углубили
понятие о весе тел.
Лишь в конце XVII века н. э. благодаря эксперимен-
тальным работам Жана Рише н фундаментальным тео-
ретическим исследованиям Исаака Ньютона представле-
ния о веществе были расширены и в науку было введено
понятие о массе тел.
Ньютон дал два независимых метода определения
массы тел: из закона всемирного тяготения (тяжелая мас-
са) 'и из закона инерции (инертная масса). Он же опыта-
ми с маятниками, имевшими соответственно грузы из зо-
лота и дерева, показал, что оба определения (если только
соответственным образом выбраны единицы измерения)
приводят к одинаковым значениям массы тел.
По Ньютону, масса тела — это мера количества содер-
жащегося в нем вещества, и пока тело сохраняется как
231
целое, его масса остается неизменной. В то же время вес
тела обусловлен силой его притяжения к Земле и поэто-
му меняется при изменении географической широты мест-
ности, при поднятии груза на гору и т. д.
После этих работ долгое время казалось, что в отно-
шении массы тел все вполне ясно.
В XVII—XIX веках в торговле, промышленности, тех-
нике и науке взвешивание тел и определение их массы
стало необходимым и привычным. В XX веке в области
строения весов были достигнуты еще большие успехи.^
Были созданы различные весовые автоматы, разработаны
методы взвешивания как очень больших, так н очень
маленьких грузов, достигнута изумительная точность
взвешивания. Наконец, были разработаны и построены
бесконтактные весы.
Начиная с XVII века, точное взвешивание стало мето-
дом научного исследования, что привело к ряду важных
открытий.
Когда ученым удалось проникнуть в микромир, то
определение массы атомов и элементарных частиц вскры-
ло поразительные вещи. Кауфман экспериментально по-
казал, что масса частицы зависит от ее скорости. После
работ Содди, Томсона, Астона, Демпстера и других ста-
ло известно, что атомы одного и того же химического эле-
мента могут различаться по весу и что такие изотопы су-
ществуют у всех элементов.
Необычайная точность, достигнутая в определении
массы ядер различных изотопов, позволила установить,
что по какой-то причине эти массы упорно отклоняются
от целочисленных значений.
Многие выдающиеся ученые бились над решением
этой задачи, причем не было недостатка в смелых и кра-
сивых гипотезах.
Таким образом, в начале XX века перед наукой стоя-
ло несколько важных нерешенных задач (зависимость
массы тел от их скорости, нецелочисленность атомных
весов изотопов и т. д.). Решение этих задач, данное в на-
чале XX века Альбертом Эйнштейном, оказалось неожи-
данным и фундаментальным-
Специальная теория относительности Эйнштейна за-
ставила нас изменить взгляды на пространство и время.
Как необходимое следствие этого получилась не только
зависимость массы тел от их скорости, но и связь между
массой и энергией тел {Е~тс2),
232
Таким образом, прежде всего расширилось понятие о
массе тел. Оказалось, что при любом изменении энергии
тела меняется и его масса. Это капитальное открытие по-
влекло за собой серию других. Стало ясно, что прочность
атомных ядер обязана тому, что при их образовании из-
лучается энергия, а дефект массы, является мерой этого
процесса. Таким образом, получила объяснение нецело-
числеииость атомного веса изотопов.
Исследовав ряд элементов, ученые построили кривую
энергии связи атомных ядер. Стало ясно, что некоторые
ядерные реакции могут дать огромный энергетический
выход. Открытие реакций деления урана и синтеза гелия
из водорода дало этому блестящее подтверждение и вы-
пустило из бутылки джина — ндерную энергию.
Дальнейшие исследования различных ядерных реак-
ций привели к открытию многих десятков элементарных
частиц, каждая из которых имеет определенную массу,
заряд, спин и среднее время жизни. В настоящее время
еще не ясно, почему оии имеют такие массы, а не другие;
почему некоторые из них устойчивы, а другие распадают-
ся за миллионные или миллиардные доли секунды. Одна-
ко взаимодействие и взаимные превращения элементар-
ных частиц уже довольно хорошо изучены, и ученые уже
научились не только описывать, но в некоторых случаях
и правильно предсказывать их свойства.
i Именно в области исследования элементарных частиц
‘ ученые упорно ищут и с нетерпением ожидают кардиналь-
ных открытий. При этом понимание того, почему каждая
частица имеет ту, а не другую массу, должно сыграть
важную роль.
Обратимся теперь к макромиру. Измерение массы не-
бесных тел: планет, звезд и галактик — оказалось одной
из основ для понимания их строения и поведения. Несмот-
ря иа то, что они удалены от нас на огромные расстоя-
ния, их все же удалось «взвесить». При этом определе-
ние массы планет нашей Солнечной системы дало воз-
можность кое-что узнать об их составе, строении и воз-
можности существования на них жизни.
Определение массы большого числа звезд, наряду с
изучением ряда других их свойств, позволило выяснить их
поведение. Оказалось, что масса и состав звезды опреде-
ляют ее судьбу' Так как состав большинства звезд при-
С близительно сходен, то решающую роль в жизни звезды
играет ее начальная масса.
233
Ученым удалось определить массу многих галактик,
их размеры, форму, расстояния между ними и характер
движения. Таким образом, достигнуто некоторое знание
строения Метагалактики, например: определена средняя
плотность составляющего ее вещества, обнаружено, что
все галактики разбегаются, и притом с тем большей ско-
ростью, чем дальше они удалены от иас, и т. д.
На основании этих данных удалось построить более
или меиее удовлетворительную модель нашего Мира. Од-
нако при этом немало осталось загадок н нерешенных во-
просов.
Эти вопросы лежат на той подвижной, привлекатель-
ной и пугающей грани, отделяющей знание от незнания,
к которой всегда тянутся ученые.
Ныне — в 80-х годах XX века — в области микромира
эта грань проходит там, где ученые изучают взаимодейст-
вие элементарных частиц при сверхвысоких энергиях и
соответственно иа сверхмалых расстояниях между ними.
Можно предполагать, что в результате того натиска, ко-
торый сейчас ведут ученые многих стран, будет достигну-
то существенно новое понимание строения элементарных
частиц. При этом можно ожидать, что в образовании дан-
ной частицы со всеми ее характерными особенностями
весьма существенной окажется роль, которую играет мас-
са покоя этой частицы.
В области макромира эта грань между знанием и не-
знанием находится сейчас там, где ученые исследуют не-
бесные тела огромных размеров, расположенные на
сверхдальних расстояниях от нас. Ведь именно тут, и
только за последние несколько лет, природа приподнесла
нам великолепные сюрпризы: квазары, пульсары, черные
дыры... Строение и поведение этих тел, в основном, опре-
деляется величиной их массы. Можно предполагать, что
дальнейшее изучение ряда свойств этих огромных косми-
ческих масс в ие столь отдаленном будущем позволит нам
существенно больше узнать, в каком Мире мы живем.
Для полноты изложения мы расскажем еще об одном
применении взвешивания и той роли, которую при этом
играли весы города Аудватер.
Было время, когда взвешивание спасало людей от об-
винения в связи с дьяволом и следовавшей за этим об-
винением жестокой казии через сожжение.
Часто многие события прошлого невольно смещаются
в нашей памяти: нам кажется, что черные времена ии-
234
квизиции — сожжения ведьм, сожжения мужчин по обви-
нению в дьяволизме — были давно; постепенно взгляды
людей изменились: люди научились мыслить смело и не-
предубежденно, научились позволять это и другим. На-
ступила эпоха Возрождения. Нет, долгое время все это
сосуществовало. В одни и те же годы делались крупные
научные открытия и велись процессы по обвинению в
полете на помеле.
В начале XVII века Иоганн Кеплер вычислял орбиты
планет н строил научную систему Мира, н в те же годы он
составлял по звездам гороскопы и боролся за жизнь сво-
ей матери, которая была заключена в тюрьму по обвине-
нию в ведовстве.
В те времена одной из привилегий городов было право
иметь свои городские весы,. Город Аудватер в этом отно-
шении удостоился особой чести: его городские весы были
признаны образцовыми для всей Германской империи.
Считалось, что ведьмы н колдуны весят меньше, чем лю-
ди, не связанные с дьяволом, поэтому тысячи людей при-
езжали в Аудватер для взвешивания на этих весах.
В присутствии двух присяжных и секретаря городского
Управления весовщик производил взвешнванне, а затем
бургомистер выдавал грамоту о том, что вес человека со-
ответствует его внешнему виду. Такая грамота служила
свидетельством об отсутствии связи с нечистой силой.
Как извество, ведовские процессы прекратились лишь
во второй половине XVIII века, а до этого времени Ауд-
ватерские весы спасли жизнь тысячам людей.
Как разнообразна человеческая мысль.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Рамсей В., Оствальд В. Из истории химии. Пер. с англ. Петроград,
Госиздат, 1920.
2.	Пипуныров В. Н. История весов и весовой промышленности в
России в сравнительном историческом освещении. М., НИИ
Веспром, 1955.
3.	Джуа М. История химии. Пер. с итал. М., «Мир», 1966.
4.	Астон Ф. В. Масс-спектры и изотопы. Пер. с англ. М., Изд-во
иностр, лит., 1948.
б. Росси Б. Космические лучи. Пер. с англ. М., Атомиздат, 1966.
6.	Власов Н. А. Антивещество. М., Атомиздат, 1966.
7.	Завельский Ф. С. Время и его измерение от биллионных долей
секунды до миллиардов лет, М., «Наука», 1972.
8.	Форд К. Мир элементарных частиц. Пер. с англ. М., «Мир», 1965.
9.	Койпер, Мидельхерст. Планеты и спутники. Пер. с англ. Изд-во
иностр, лит., 1963.
10,	Уипл Ф. Земля, Луна и планеты, Пер. с англ. М.—Л., Огиз, 1948.
11,	Спенсер-Джонс Г. Жизнь на других мирах. Пер. с англ. М.—Л„
Огиз, 1946.
12,	Шепли X, Галактики. Пер. с англ. М.—Л., Огиз, 1947.
13.	Эйнштейн А. Сущность теории относительности. Пер. с англ. М.,
Изд-во иностр, лит., 1955.
14,	Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Пер. с англ.
М,—Л., Огиз' 1948.
15.	Дикке Р. Гравитация и Вселенная. Пер. с англ. М., «Мир», 1972.
ОГЛАВЛЕНИЕ
' Предисловие ко второму изданию................ 3
Предисловие к первому изданию................... 4
Часть первая
ВЕСЫ ТОРГОВЦЕВ, АЛХИМИКОВ,
ИНЖЕНЕРОВ И УЧЕНЫХ
• Глава 1. Весы, созданные в Древнем Мире , . , .	7
Глава 2. «Весы мудрости». Как Роберваль изобрел,
а Пуансо понял ..........................  13
Глава 3. Весы платформенные, автоматические и гам-
ма-лучевые бесконтактные .......	17
Глава 4. Аналитические весы XIX и XX веков ...	23
Глава 5. Микровесы и ультрамикровесы. Идеи и кон-
струкции .........................................    27
Глава 6. Пшеничное зерно и единицы веса ....	37
Глава 7. Длина большого пальца руки в поиски луч-
шей единицы веса	44
Глава 8. Вес и масса тел............................. 46
Глава 9. «На все времена, для всех народов» ...	52
Глава 10. Системы единиц и поиски наилучшей системы	57
Глава Понятие о массе тел. Масса инертная и мас-
са тяжелая . .......................................  61
Глава 12. Отношение между инертной н тяжелой мас-
сой тел и «отрицательные» опыты ....	65
Глава 13. Еще точнее, или опыты Этвеша............... 70
Глава 14. Опыт Дикке, Ролла и Кроткова .....	73
Часть вторая
t	ВЗВЕШИВАНИЕ ТЕЛ МИКРОМИРА
Глава 15. Красивые и иногда верные фантазии ...	80
Глава 16. Идеи алхимиков ...........	85
Глава 17. «Природа ... с весами в руках». 87
Глава 18. Гипотеза Проута и оценка гипотез ....	94
Глава 19. Загадка нецелочислеппости атомного веса
элементов ................................ 96
Глава 20. Взвешивание «мешка» атомов ......	101
237
Глава 21. Ионы взвешены, а загадка нецелочисленнос-
ти лишь углубилась .............................  .	Ю5
Глава 22. Взвешивание изотопов......................  Ю9
Глава 23. Масса электрона меняется при изменении
его скорости.................................. 116
Глава 24. Когда классическая механика перестает быть
правильной? .................................. 121
Глава 25. Масса н энергия тела в теории относитель-
ности .  ..................................... 127
Глава 26. Как меняется масса электрона? Теория и
эксперименты ............	131
Глава 27. Открытие нейтрона и его взвешивание . .	142
Глава 28. Дефект' массы и энергетические ресурсы че-
ловечества .................................   150
Глава 29. Античастицы обнаружены и взвешены. Где
же антимиры?.................................. 159
Глава 30. Определение массы мезонов, гиперонов и,
может быть, кварков..........................  164
Часть третья
ВЗВЕШИВАНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Глава 31. Взвешивание Земного шара в физической ла-
боратории .............................  .	, .
Глава 32. Простая пропорция для определения массы
Луны...........................................
Глава 33. Массы планет и их атмосферы..........
Глава 34. Небольшая характеристика звезд . . . .
Глава 35. Определение массы Солнца и звезд . . . .
Глава 36. Масса и судьба звезд .........
Глава 37. Масса галактик и модели Мира . . . . .
Заключение.....................................
Список литературы ...... ......................
178
185
190
198
201
211
221
231
236
Завельский Фридрих Самуилович
МАССА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Редактор Л. В. Белова
Художественный редактор А. Т. Кирьянов
Обложка художника Н. Я. Вовк
Технический редактор А. Л. Гулина
Корректоры М. А. Жарикова,
Н. М. Загудаева
Сдано в набор 15/11-1974 г. Подписано к печати
23/VIII-1974 г. Т—13554, Формат &4X'108/ss. Бумага
типографская № 2. Усл. печ. л. 12,6. Уч,-изд,
л. 13,04. Тираж 59 000 экз. Зак. изд. 71262. Зак.
тип. 125. Цена 40 коп.
Атомиздат, 103031, Москва, К-31, ул. Жданова, 5.
Ярославский полиграфкомбинйт «Союзполнграф-
прома» *при Государственном комитете Совета
Министров СССР по делам издательств, поли-
графии и книжной торговли. Ярославль, ул. Сво-
боды, 97,
Вниманию читателей!
В Атомиздате в 1975 г. выйдут в свет книги:
Васильев М. В., Станюкович К. П. В глубины неисчер-
паемого. 1975 (II кв.), 12 л., 40 к.
Капустинская К. А., Макареня А. А. Металл из «камня
надежды». 1975 (II кв.), 5 л., 20 к.
Макареня А. А. Д. И. Менделеев о радиоактивности и
сложности элементов. Изд, 3-е, перераб. и доп. 1975
(II кв.), 5 л., 20 к.
Рехин Е. И., Смолин В, А. События и спектры. 1975
(IV кв.), 12 л., 40 к.
Рыдник В. И. Законы атомного мира. 1975 (II кв.),
15 л., 50 к.
Финкельштейн Д. Н. Чистота вещества. Изд. 2-е, 1975
(II кв.), 13 л., 45 к.
Франк-Каменецкий Д. А. Плазма — четвертое состояние
вещества. Изд. 4-е. С послесловием академика Р. 3. Са-
гдеева. 1975 (II кв.), 9 л., 30 к.
Заказы принимают все книжные магазины, распростра-
няющие научно-техническую литературу,


са и секунда. Собравшаяся в 1933 г. VIII Генеральная
конференция Международного комитета мер и весов
одобрила эту систему. Однако война на несколько лет
задержала ее введение.
В 1956 г. X Генеральная конференция Международно-
го комитета мер и весов собрала и обсудила мнения раз-
ных стран о введении новой системы единиц. Все стра-
ны единодушно одобрили ее в целом. Отдельные замеча-
ния касались частных вопросов и по ним без труда
удалось договориться. Представитель Советского Союза
на этой конференции Г. Д. Бурдун пишет, что наиболее
оживленную дискуссию вызвал вопрос о том, как назвать
новую систему единиц: «система Джорджи», «система
МКСАГС» (метр — килограмм — секунда — ампер —
градус — свеча) или «Международная система единиц».
Впоследствии утверждено было последнее название. Эту
систему сокращенно называют — «СИ» (System Interna-
tional— «SI»).
В 1960 г. XI Генеральная конференция Международ-
ного комитета мер и весов окончательно утвердила ос-
новные единицы этой системы: метр, килограмм-масса, се-
кунда, ампер (сила тока), градус (температура по шкале
Кельвина), свеча (сила света). Одновременно были ут-
верждены и производные единицы. В частности, в систе-
ме СИ единица силы — 1 ньютон — определяется как
такая сила, которая массе в 1 кг сообщает ускорение в
1 м!сек2.
Международная система единиц удачно совмещает
достоинства других систем, избегая их недостатков: ос-
новные единицы в ней имеют практически удобные вели-
чины, а соотношение между единицами построено на де-
сятичной основе. В настоящее время к метрической кон-
венции присоединилось около 40 стран с общим
населением более 1,5 миллиарда человек, В частности,
Индия присоединилась к метрической конвенции в 1956 г.,
Китайская Народная Республика — в 1959 г., Индонезия
и Венесуэла — в 1960 г. Лишь в Англии и нескольких дру-
гих странах до последнего времени наряду с метрической
системой сохранилась также и старая система единиц.
Теперь и в Англии метрическая система единиц одержа-
ла победу.
В мае 1965 г. английское правительство объявило о
десятилетнем плане перехода Англии на метрическую
систему единиц. На следующий день, после того как
59
Начав этот опыт, т. е. подав на обмотку электромаг-
нита электрический ток от батареи, Фарадей сразу обна-
ружил, что магнитная стрелка отклонилась. Правда,
вслед за этим она довольно быстро успокоилась. Далее
Фарадей обнаружил, что при размыкании батареи стрел-
ка компаса тоже отклоняется, но уже в другую сторону,
а затем снова успокаивается. Когда Фарадей использовал
для этого опыта батарею из 100 пластин, то импульс был
настолько большим, что магнитная стрелка компаса де-
лала 4—5 оборотов. Однако во всех случаях отклонение
магнитной стрелки было кратковременным. Отсюда сле-
довало, что лишь изменение магнитного поля создавало
электрический ток. Так было открыто явление электро-
магнитной индукции, широко используемое в современ-
ной электротехнике, а опыт по обнаружению влияния
магнита на ток стал из отрицательного положительным.
Таким образом, когда экспериментатор обнаруживает
новый эффект, то величина этого эффекта и даже объяс-
нение его природы могут в дальнейшем уточняться, а
иногда и меняться, но то, что он существует, считается
фактом. Между тем, если искомый эффект не обнаружен,
то сомнение в его существовании все же остается. Поэто-
му в таких случаях физики, оценив точность, с которой
проводился соответствующий эксперимент, говорят: с та-
кой-то точностью (например: 5; 1; 0,001%) эффект не
обнаружен; или: эффекта нет с точностью до стольких-то
процентов такой-то величины.
Так, например, в опыте, который Ньютон провел с
маятниками, погрешность эксперимента не превышала
0,1%. Поэтому полученный результат следует сформули-
ровать так: в опыте с маятниками, груз которых состоял
из золота, дерева и других материалов, Ньютон уста-
новил, что для разных веществ отношение величин
их инертной н тяжелой массы с точностью до 0,1 % одина-
ково.
Для строгости изложения заметим, что в постановке
опытов по проверке отношения между инертной н тяже-
лой массой различных тел, состоящих из разных веществ,
Ньютон имел предшественников. Одним из них был Га-
лилео Галилей. Для того, чтобы опровергнуть утвержде-
ние Аристотеля о том, что тяжелые тела падают быстрее
легких, Галилей сбрасывал с башни разные грузы и наб-
людал, за какие промежутки времени они достигают
поверхности Земли. При этом, как известно, он устано-
69
законы движения Ньютона и его закон всемирного тя-
готения позволяют определить лишь отношение между
массами тел (например, в виде: масса одного тела во
столько-то раз больше или меньше массы другого тела),
но ие абсолютную величину массы какого-либо тела.
Эти замечания правильны. Однако нужно иметь в ви-
ду, что мы точно так же не располагаем абсолютной еди-
ницей длины и абсолютной единицей времени. Для опре-
деления массы тела недостаточно только единиц длины
и времени, но это как раз и показывает, что масса — не-
зависимая и фундаментальная величина.
В дальнейшем понятие о массе тел было значительно
усовершенствовано. «Физический энциклопедический сло-
варь», изданный в Москве в 1963 г., определяет ее так:
«Масса — физическая характеристика материи, являю-
щаяся выражением и мерой одновременно гравитацион-
ных свойств материи и ее инерционных свойств».
В XX веке, когда при изучении ряда явлений микроми-
ра пришлось столкнуться с очень быстрыми движениями
тел, то обнаружилось, что их масса зависит от скорости
их движения. К этому же приводит н специальная теория
относительности. Впрочем, об этом будет сказано далее...
чивость и нерациональность таких предположений была
очевидной. Так, с помощью точного взвешивания был
навсегда развеян мираж флогистона.
В этом исследовании вполне последовательно приме-
ней строгий количественный метод анализа вместо не-
строгого качественного. Весы применялись давно и для
самых различных целей, даже в рецептах алхимиков мож-
но встретить указания, сколько по весу нужно взять того
или другого вещества для получения желаемых резуль-
татов. Однако лишь с XVIII века в химнн точные измере-
ния, и в частности точное взвешивание, становится ме-
тодом исследования. Это было коренным изменением в
самом подходе к решению научных задач. Таким же ко-
ренным, как и провозглашение того, что знания нужно
черпать из наблюдений и опытов, а к высказываниям
древннх авторов следует относиться критически.
Введениелтих принципов в науку не замедлило при-
нести плоды, в особенности в отношении понимания
строения вещества. Дальнейшие шаги в развитии атомис-
тики связаны с выделением целого ряда простых ве-
ществ— элементов — и изучением отношений, в которых
они вступают между собой в соединения. Речь идет о
том, может ли одно вещество вступать в соединение с
другим в любых отношениях или только в некоторых оп-
ределенных.
В 1801—1808 гг. этот вопрос был предметом научно-
го спора между Бертолле (1748—1822 гг.) и Прустом
(1754—1826 гг.). Бертолле утверждал, что различные те-
ла вступают в химические соединения не в постоянных
отношениях и что относительное содержание этих тел в
данном соединении зависит от условий, при которых
происходило его образование. Пруст настаивал на том,
что веса составных частей, образующих химическое сое-
динение, всегда находятся в строго постоянных отноше-
ниях.
Бертолле для доказательства своих взглядов ссылал-
ся на существование однородных жидких растворов, сте-
кол, шлаков и т. п. Одиако Пруст прн помощи точных
опытов каждый раз доказывал, что в примерах, приво-
димых Бертолле, либо вещества не были достаточно очи-
щены, либо представляли собой не химические соедине-
ния, а различные их механические смеси.
Так, в начале XIX века победила точка зрения Прус-
та о постоянстве состава химических соединений.
89