Научные открытия для тех, кто любит краткость

Электрон – и частица, и волна

6 января 1927 года американские физики Дэвиссон и Джермер получили картину дифракции электронов, подтвердив предсказание де Бройля о волновой природе микрочастиц.

20-е годы ХХ столетия – наиболее волнующий период развития физики. Не успели ученые примириться с идеей о двойственной природе света (см. 17 марта), как де Бройль выдвигает идею о столь же необычной природе «обычных» частиц – электронов, протонов, атомов (см. 15 августа). Но, пока теоретики голову ломают, экспериментаторы делают свое дело и, как это не раз случалось, неожиданно наталкиваются на открытие. Американские физики Дэвиссон и Джермер не слышали о «безумной» идее де Бройля, но в своих опытах по отражению электронного пучка от поверхности монокристалла получили типичную дифракционную картину. Так физики вынуждены были признать: да, частицам присущи свойства волн. Они измерили длину волны электрона в зависимости от его импульса и подтвердили предсказание де Бройля.

Вскоре дифракцию электронов другим методом наблюдал английский физик Джордж Паджет Томсон, сын знаменитого Дж. Дж. Томсона, открывшего электрон. Томсон-сын ставил опыт уже специально с целью проверки идеи де Бройля.

В 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах все «виновники» получили Нобелевскую премию.

Томсон-старший, открывший электрон в 1897 году, неодобрительно относился к идее о волновых свойствах электрона. Он считал все это «модой» и «фокусами» и надеялся, что заблуждение будет разоблачено и развеяно, после чего классическая физика воссияет в еще большей славе.

7 января

Начало эры телескопов

7 января 1610 года Галилео Галилей начал первые в мире телескопические наблюдения неба и открыл четыре спутника Юпитера.

Зрительная труба была изобретена в Голландии человеком, далеким от науки. В мае 1609 слухи об этой зрительной трубе дошли до Галилея, и буквально сразу он сделал из двух очковых линз свою первую зрительную трубу с трехкратным увеличением. Вскоре он понял, что качество очковых линз для зрительных труб неудовлетворительно. Усовершенствовав технологию изготовления линз, Галилей изготовил трубу с тридцатикратным увеличением. С этой трубой он сделал все свои знаменитые астрономические открытия.

Хотя Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он был первым, кто превратил ее в мощный инструмент для астрономических исследований. Направить трубу на небо до Галилея никому и в голову не приходило: казалось, что там смотреть? Когда Галилей начал обзор неба при помощи телескопа, Млечный путь распался на отдельные звезды, а у Юпитера обнаружились собственные луны-спутники. Галилей увидел, что Луна изрыта кратерами и покрыта горами (по длине теней высоту этих гор он оценил в 7 км), и составил первую карту видимого полушария Луны. Он открыл также фазы Венеры, солнечные пятна и вращение Солнца. Эти научные открытия произвели настоящий фурор!

Инквизиция ставила в вину Галилею умаление авторитета Священного Писания. Галилею угрожали пыткой в случае, если он не отречется от своего «еретического» мнения, что Земля движется вокруг Солнца. Официально Ватикан признал преследование Галилея ошибкой лишь в 1992 году.

8 января

Триумф духа

8 января 1942 года родился Стивен Хокинг, один из самых знаменитых физиков второй половины ХХ века (ум. 2018).

Этого человека сравнивают с Ньютоном и Эйнштейном. Хокинг изучал фундаментальные законы Вселенной. Среди его открытий – испарение черных дыр и несколько фундаментальных идей о возникновении Вселенной. Кроме научных трудов, его перу принадлежат бестселлеры «Краткая история времени» и «Черные дыры, молодая Вселенная и другие очерки», а также увлекательная серия книг для школьников «Джордж и тайны Вселенной» (в соавторстве с дочерью Люси Хокинг). Профессор Хокинг – обладатель двенадцати почетных ученых званий и множества различных премий, медалей и призов.

Всего этого уже достаточно для восхищения. Но оно сменяется изумлением, когда узнаешь, что последние 50 лет жизни этот человек был прикован к инвалидному креслу из-за неизлечимого заболевания центральной нервной системы. Он даже не мог говорить. Кроме мозга, ему подчинялись лишь два пальца левой руки, которыми он управлял специально сконструированным компьютером. Впоследствии инвалидное кресло Хокинга оборудовали еще синтезатором речи. Не вставая со своего кресла, Хокинг сделал больше многих своих здоровых коллег-ученых. Он исколесил с лекциями и экскурсиями весь мир. Как рассказывают те, кто его знал, через несколько минут полностью забываешь, что находишься рядом с тяжело больным человеком. Его жизнь – украшение истории человеческого духа.

Хокинг планировал полететь в космос в 2019 году, в возрасте 77 лет, на коммерческом космолете SpaceShipTwo (см. 21 июня). Он скончался в возрасте 76 лет.

9 января

Что находится между звездами?

Можно сказать, что пустота. В кубометре этой пустоты содержится не более 100 частиц (не считая загадочной «темной материи» – см. 22 мая) – это в тысячи раз меньше, чем удается получить в лаборатории при самой современной вакуумной технике. Кое-где межзвездный газ сгущается, образуя гигантские туманности. Но даже в них плотность газа невообразимо мала: масса ста кубических километров туманности не больше миллиграмма! Если бы мы оказались внутри туманности, она казалась бы нам совершенно прозрачной. Однако размеры туманностей столь велики, что их массы хватило бы на тысячи солнц.

Газовые туманности – это смесь молекул и атомов (в основном, водорода), ионов и электронов. Температура межзвездного газа может достигать десятков тысяч градусов. Значит ли это, что космический корабль, залетевший в такую туманность, расплавится от жары? Вовсе нет. Наоборот, в отсутствие подогрева изнутри его температура упала бы почти до абсолютного нуля. Парадокс? Дело в том, что высокая температура туманностей говорит о больших скоростях движения частиц, но концентрация их столь мала, что их редкие столкновения с кораблем почти не будут увеличивать его внутреннюю энергию, то есть нагревать его.

Есть в космосе и гигантские облака космической пыли, которые на звездном небе выглядят черными пятнами – такова, например, темная туманность Угольный Мешок в созвездии Южного Креста. Пылевые туманности еще более разреженные, чем газовые. Если бы в земной атмосфере концентрация пыли была такой же, как в Угольном Мешке, мы бы считали воздух идеально чистым!

10 января

Оловянная чума

В январе 1912 года экспедиция англичанина Роберта Скотта достигла южного полюса, но обнаружила, что их опередила норвежская экспедиция Руаля Амундсена. На обратном пути Скотт и его товарищи погибли. Что же случилось? Продвигаясь к полюсу, путешественники оставляли на своем пути склады с продуктами и керосином – запасы на обратную дорогу. Но на возвратном пути обнаружилось, что керосиновые жестянки пусты. Люди не могли согреться и приготовить горячую еду. Как назло, разразился страшный буран. Роберт Скотт и его друзья погибли от холода и голода. Но почему исчез керосин? Жестяные банки были запаяны оловом. Путешественники не знали, что на морозе олово «заболевает»: рассыпается в порошок. Это явление, называемое «оловянной чумой», было известно еще в средние века. Причину «оловянной чумы» ученые установили лишь в ХХ веке. Оказалось, что кристаллическая решетка олова (как и других металлов) может иметь различные формы. При обычной температуре самой устойчивой формой является белое олово – вязкий, пластичный металл. При температуре ниже минус 13 °C более устойчивой становится другая форма решетки – это серое олово. Скорость перехода максимальна при минус 33 °C. Внутренние напряжения, которые возникают в местах контакта разных кристаллических решеток, приводят к разрушению материала. Вот почему сильные морозы так быстро «расправляются» с оловянными изделиями.

Чтобы избежать порчи металла, столь необходимого для пайки проводов и электронной аппаратуры, ученые научились делать олову «прививки»: при добавлении висмута олово становится устойчивым.

11 января

Как «Вояджер-2» потерялся

11 января 1787 года Уильям Гершель (открывший Уран в 1781 году) обнаружил два спутника Урана.

Долгое время об Уране и его спутниках, кроме самого факта их существования, не было известно практически ничего. Второе открытие этой планетной системы состоялось в 1986 году, когда ее ближайшие окрестности посетил автоматический межпланетный зонд «Вояджер-2» (см. 24 января). Он стал первым и пока единственным космическим аппаратом, совершившим огромный тур по внешней части Солнечной системы с посещением всех четырех планет-гигантов.

Но этот грандиозный проект был на грани срыва. И началось с элементарной оплошности: после очередного сеанса радиосвязи операторы забыли послать на борт специальную команду, что привело к выходу приемника из строя. Конечно, на борту был и резервный приемник. Но вот беда – и тот оглох. Дело шло к фактической потере аппарата! После длинной серии экспериментов удалось установить, что аппарат все-таки что-то слышит, но только на одной-единственной частоте, т. к. не работает автоматическая подстройка частоты. Дело в том, что частота сигнала, принимаемого аппаратом с Земли, постоянно меняется из-за изменения скорости аппарата (так называемый эффект Доплера). К тому же на настройку приемника сильно влияет температура самого аппарата. Оставался один выход – каждый раз подстраивать наземный передатчик так, чтобы после всех сдвигов сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это делалось все 12 лет полета. Время от времени аппарат все же терял сигнал на несколько дней. Но миссию свою выполнил полностью!

12 января

«Отец» не только атомной бомбы

12 января 1903 года родился Игорь Васильевич Курчатов, физик, создатель советской атомной бомбы (ум. 1960).

Молодость Курчатова, совпавшая с революцией, была трудной, голодной. Кем только ни приходилось работать – все ради одной цели: получить образование, стать ученым. И вот в 1930-х годах молодой, талантливый и уже опытный физик занялся исследованиями в области физики атомного ядра – самой передовой области физики.

Расцвет ядерной физики в нашей стране во многом связан с Курчатовым. Под его руководством созданы: первый советский циклотрон (1944), первый в Европе атомный реактор (1946), первая советская атомная бомба (1949), первая в мире термоядерная бомба (1953), первая в мире атомная электростанция (1954), первый в мире атомный реактор для подводных лодок (1958) и атомных ледоколов (1959). Он стал отцом школы советских физиков-атомщиков, среди которых – немало всемирно известных.

Игорь Васильевич умер, когда ему было всего 57 лет. Поехал навестить в санаторий коллегу. Гуляли по саду, Курчатов излагал новые идеи. Сели на скамейку, и вдруг Игорь Васильевич замолчал – навсегда… Академия наук присуждает золотую медаль им. Курчатова за выдающиеся работы в области ядерной физики.

Занятия на военной кафедре:

– Представьте себе: летит нейтрон, попадает в ядро, ядро – вдребезги, и из него вылетают еще 2 нейтрона! Каждый из них попадает в другое ядро и т. д. И вот пошла-поехала цепная реакция…

– Товарищ майор, а откуда берется первый нейтрон?

– Эээ… Ааа… А вот это и есть государственная тайна!

13 января

Какая будет погода?

13 января 1872 года в России начала работу официальная служба погоды.

При организации в 1724 году Академии наук в Петербурге Петр I предложил академикам «производить повсюду метеорологические наблюдения». Такие регулярные наблюдения с помощью измерительных приборов начались в России с 1 декабря 1725 года, уже после смерти императора.

Многие приборы для наблюдений за погодой изобрел Ломоносов. Он создал анемометр (прибор для измерения скорости ветра – лопастная вертушка), морской барометр и ряд других инструментов. К середине ХIX века в России работала целая сеть метеостанций. Первыми работниками метеорологической службы были в основном энтузиасты, которые проводили наблюдения на добровольных началах.

Создание официальных служб погоды ускорила катастрофа во время Крымской войны. Англичане и французы, осаждая Севастополь, надеялись захватить город после обстрела. Но 14 ноября 1854 года на Черном море разразилась жестокая буря, уничтожившая англо-французский флот. Пострадавшая сторона запросила директора Парижской обсерватории Леверье: можно ли было заблаговременно предсказать эту бурю. Леверье пришел в выводу, что траектория бури хорошо прослеживалась с помощью синоптических карт и могла быть предсказана заранее. Это событие привело к зарождению службы погоды в Европе. На первых порах основной задачей такой службы являлись штормовые оповещения. Самой первой организовала службу оповещений Франция (1857), затем США (1858). В России регулярный выпуск ежедневных бюллетеней погоды начался с января 1872 года.

Нет плохой погоды, есть недогадливые синоптики

14 января