Величайшие рукотворные чудеса

Первые китайские часы представляли собой бамбуковый шест, отбрасывавший тень. Время на этих солнечных часах узнавали по длине тени. В эпоху династии Цинь (221–207 гг. до н. э.) китайские мастера создали собственную версию водяных часов – так называемые «протекающие сосуды». Они состояли из системы сосудов, в том числе сосуда с постоянным количеством воды, водоприемника и сосуда для отвода части воды.

Хитроумная система обеспечивала такую подачу воды в сосуд, что он был постоянно наполнен. В его задней стенке находилось отверстие, через которое излишек воды сливался в сосуд для отвода части воды. В результате из первого сосуда за известное время под одинаковым напором вытекала в водоприемник определенная мера воды. На крышке водоприемника стояла медная статуэтка человека. Человек держал перемещающийся вверх и вниз стержень, на котором были выгравированы деления времени. Нижний конец стержня устанавливался на поплавке, находящемся на поверхности воды. Постепенно водоприемник наполнялся. По положению, в котором находился стержень, поднимавшийся вверх, определялось время.

Первые механические часы изготовил И Син (683–727), буддийский монах и математик. Скорее это был астрономический инструмент, выполняющий роль часов. Вот как описывают их устройство современники:

«[Часы] имели вид небесной сферы с изображением фаз Луны, расположенных в строгой последовательности, небесного экватора и градусной сетки. Вода, наливавшаяся в укрепленные на колесе ковшики, приводила в движение сферу, совершавшую один полный оборот в сутки. Снаружи ее охватывали два обруча, на которых были укреплены изображения Солнца и Луны, вращавшиеся по круговым орбитам… Все сооружение было наполовину помещено в деревянный корпус, поверхность которого изображала горизонт. С помощью такого инструмента можно было точно определять время восхода и заката, периоды полнолуния и новолуния, а также величину прецессии. Кроме того, в часах были колокол и барабан – первый звонил каждый час, а второй отбивал четверти часа. Все это приводилось в движение с помощью скрытых внутри корпуса колес, шпинделей, крючков и колесных передач [иными словами, с помощью анкерного механизма]».

Подобно водяным часам, изобретение И Сина зависело от превратностей погоды. Так, чтобы на холоде вода в часах не замерзала, рядом с ними приходилось ставить несколько горящих факелов. Поэтому в следующих часах, созданных Чжан Сисюнем в 976 г., воду заменили ртутью. Их механизм был намного больше размером и значительно сложнее, а для его размещения пришлось выстроить целую башню. Вот как описывает это сооружение хроника того времени:

«…Башня из трех этажей, каждый высотой более 3 м, внутри которой размещен весь механизм. Округлая форма верхушки башни символизировала Небо, а прямоугольное основание – Землю. Механизм, состоящий из великого множества горизонтальных, вертикальных и наклонных колес, шпинделей и анкеров, располагался на нижнем этаже. Семь деревянных молоточков били в расположенные по обеим сторонам от них колокола – один большой справа и несколько малых слева, а также помещавшийся по центру барабан, – отбивая каждую четверть часа. За день и ночь [24 ч] механизм совершал один полный оборот, а семь планет тем временем перемещались, меняя свое положение по отношению к эклиптике. Кроме того, было еще двенадцать деревянных рычагов с дощечками, которые выскакивали каждый час и показывали время…»

В X в. было изобретено еще одно часовое устройство, приводившееся в действие силой воды. Оно автоматически отмечало протекшее время звоном бубенчиков, колокольным и барабанным боем. Все эти изобретения стали вехами на пути к созданию «Космической машины» – знаменитых китайских часов эпохи Средневековья, изобретенных Су Суном в 1092 г.

Подобно своим предшественникам, «Космическая машина» представляла собой часовую башню 10-метровой высоты. На ее верхушке стоял огромный бронзовый астрономический инструмент с механическим приводом – так называемая армиллярная сфера, служившая для наблюдения за положением звезд. Располагавшийся внутри башни небесный глобус поворачивался синхронно с этой сферой. Говорят, что результаты наблюдений с помощью сферы и демонстрационного глобуса полностью совпадали. Основным элементом механизма был анкер, вращающийся по часовой стрелке под действием воды или ртути, вытекавших из расположенного выше резервуара.

Вся передняя часть башни была оформлена в виде пятиэтажной пагоды. Через определенные промежутки времени на том или ином ее этаже открывались двери, и оттуда появлялись фигурки, бившие в колокола или гонги и державшие дощечки с обозначением времени. Все это приводилось в движение тем же самым огромным часовым механизмом, который одновременно вращал небесный глобус и армиллярную сферу.

Двумя веками позднее использованные в часах Су Суна принципы легли в основу первых механических часов в Европе.

Магнитный компас

Знаете ли вы, что вплоть до XVII столетия стрелки всех европейских компасов указывали не на север, а на юг? И это потому, что сама идея компаса была заимствована европейцами у китайцев, которые еще 1600 лет назад изобрели «повозки, указывающие на юг», а еще раньше – первый магнитный компас, стрелка которого опять-таки была ориентирована на южный магнитный полюс.

Сегодня невозможно точно сказать, когда в действительности появился первый магнитный компас. Китайцы знали магнит очень давно. Уже в III в. до н. э. им было известно, что магнит притягивает железо. Очень рано стало известно китайцам и свойство магнита указывать направление на север и на юг.

В одной из древних китайских книг, относящейся в III в. до н. э., у китайцев уже в то время существовал магнитный компас. Он напоминал суповую ложку с длинной ручкой, по-видимому, вырезанную из куска магнитного железняка. Эта ручка указывала на южный магнитный полюс. Своей выпуклой частью «ложка» касалась гладкой середины медной или деревянной подставки, на которой делениями обозначались стороны света. Действовал такой компас очень просто: «ложку» крутили за свободно торчащую ручку и ждали, когда она остановится. Направление, которое занимала ручка, и было южным.

В XI в. китайские ученые обнаружили, что сталь и железо после трения о магнит приобретают магнитные свойства. Один из компасов того времени имел вид плоской рыбки, сделанной из намагниченной стали. Рыбка плавала на поверхности воды и указывала головой на юг. В дальнейшем эта рыбка претерпела ряд изменений и в итоге превратилась в компасную стрелку.

Несколько компасов описаны в трактате «Раздумья об озере снов» китайского астронома Шэнь Ко (1086 г.). «Магнитная игла, помещенная на краю чашки или даже на ногте, может свободно двигаться и в конце концов укажет на юг, но этот способ не слишком надежен, – писал Шэнь Ко. – Показания магнитной иглы, проткнутой через несколько кусочков камыша, которые плавают на поверхности воды, тоже могут оказаться неточными, когда поверхность воды придет в волнение. Гораздо точнее будут показания иглы, прикрепленной воском к шелковинке и подвешенной в безветренном месте».

В своей книге Шэнь Ко отмечает, что магнитная игла не совсем точно указывает на юг, а чуть-чуть отклоняется к востоку: «Фокусники натирают кончик иглы магнитом и она, указывая на юг, чуть отклоняется к востоку, вместо того, чтобы показывать точно на юг». Это явление мы называем сегодня магнитным склонением. Оно вызвано тем, что ориентация магнитного поля Земли не совпадает с направлением север-юг и магнитные полюсы не совпадают с географическими полюсами: так, северный магнитный полюс планеты отстоит от географического на 1900 м. Угол, на который магнитная стрелка компаса отклоняется от направления географического меридиана, называется углом склонения. О существовании склонения магнитного поля в Китае знали еще в VIII столетии. В более поздних китайских сочинениях указывалось, что угол магнитного склонения не превышает 5 и что он различен в разных точках Китая. В Европе угол магнитного склонения был открыт только в 1492 г. Колумбом, то есть на 400 лет позже, чем в Китае.

Уже во времена династии Хань (206 г. до н. э. – 220 г. н. э.) китайцы знали о том, что одинаковые магнитные полюсы взаимно отталкиваются, а разные притягиваются друг к другу. В Х— XIII вв. китайцы обнаружили, что магнит притягивает только железо и никель. На Западе это явление было открыто в начале XVII в. английским ученым Джильбертом.

Видимо, уже около 1100 г. китайцы стали применять магнитный компас в мореходстве. Китайский посол, прибывший в первой четверти XII в. морем в Корею, рассказывал, что на носу и на корме его корабля имелось по компасу, иглы которых плавали на поверхности воды. По ним держали курс в условиях плохой видимости. Приблизительно в конце XII в. через посредничество арабов в Западную Европу попал китайский компас, игла которого плавала на поверхности воды.

Изобретение компаса сыграло огромную роль в развитии китайского мореходства. Но компас оказался великим благом и для всего человечества. Без него никогда бы не наступила эпоха далеких морских путешествий и Великих географических открытий, Колумб не поплыл бы в Америку, не окрепли бы мировые культурные и хозяйственные связи. В наши дни многие считают, что именно европейская культура и ее продолжение на Американском континенте создали современную науку и технику. Однако это не более чем заблуждение. В реальности едва ли не половина важнейших изобретений, на которых зиждется современная цивилизация, пришла из Китая.

Изобретение пороха

В IV–III вв. до н. э. на дорогах Китая можно было встретить множество бродячих «докторов магических наук». Правители и знать охотно приглашали к себе этих мудрецов и выслушивали их удивительные рассказы о том, что далеко на востоке, посреди моря, высятся три священных острова – там обитают блаженные, которые владеют эликсиром бессмертия; животные и птицы там только белого цвета, а дворцы и ворота на тех островах сделаны из золота и серебра…

Этим россказням верили многие. Знаменитый император Цинь Шихуанди, мечтая во что бы то ни стало добыть эликсир бессмертия, посылал даже морские экспедиции на поиски «счастливых островов». Большой успех имели «знатоки магии» и при дворе императора Уди. Особым доверием этого правителя пользовался некий шарлатан, который выдавал себя за «бессмертного», способного повелевать сверхъестественными существами. Однажды он выступил перед императором с такой речью: «Принесите жертву духу очага, и вы сможете вызвать сверхъестественные существа. Когда вы вызовете сверхъестественные существа, порошок киновари можно будет превратить в желтое золото. Когда будет получено желтое золото, сделайте из него посуду для питья и еды, и тогда вы продлите свою жизнь. Когда вы продлите свою жизнь, то сможете увидеть блаженных с острова Пэнлай, который лежит посреди моря. Если вы их увидите и совершите жертвоприношения небу и земле, то вы никогда не умрете.» Суеверный император делал все, что велел ему маг. И даже внезапная кончина «бессмертного» не позволила императору усомниться в истинности его слов.

Некоторые «доктора магических наук» занимались алхимией. Они искали рецепт «эликсира бессмертия» (много лет спустя их последователи в Западной Европе будут искать философский камень); кроме того, алхимики пытались искусственным путем получить золото и серебро.

Следуя путем проб и ошибок, алхимики накопили ряд ценных познаний о веществах и их превращениях. Случалось, что отважные эксперименторы умирали, приняв на пробу дозу какого-нибудь изобретенного ими «чудодейственного» снадобья.

Однако в своих лабораториях они изготовили и многие по-настоящему полезные лекарства, получили ряд металлических сплавов и красящих веществ, освоили способы плавки, перегонки, кристаллизации, возгонки.

Во время своих опытов китайские алхимики обнаружили, что при смешении серы, селитры и древесного угля иногда происходит вспышка и даже взрыв. И уже в VII в. алхимик по имени Сунь Сымяо написал свое «Сочинение о пилюлях бессмертия», в котором содержится самый древний рецепт пороха.

В X в. (а возможно, и раньше) китайцы уже применяли в военном деле несколько видов порохового оружия. Порох использовался сначала по преимуществу как начинка для различных снарядов зажигательного назначения. Затем появились пороховые снаряды взрывного действия.

В 1132 г. китайцы уже использовали первое пороховое ствольное оружие. Это были длинные бамбуковые трубки, в которые закладывался порох. Каждую такую трубку держало два человека. Порох поджигался, и из бамбукового ствола вырывалась струя пламени, нанося ожоги воинам противника А в 1259 г. в Китае было изобретено первое примитивное ружье. Оно представляло собой толстую бамбуковую трубку, в которую помещался заряд пороха и пуль.

На рубеже XIII–XIV вв. в Китае появились первые металлические пушки. Их называли «огневыми стволами». Они заряжались каменными и железными ядрами; это были уже настоящие пушечные снаряды.

Первые сведения о порохе европейцы получили от арабов. Возможно, что именно через их руки это китайское изобретение попало в страны Европы. И вскоре перед пушками королевских армий начали рушиться стены рыцарских замков…

Так открылась новая страница в истории военного дела.

Вехи прогресса

Атомная бомба

«Атомная бомба – такая штука размером с ананас, которой можно взорвать целый город». Так позволил себе однажды пошутить известный немецкий физик, лауреат Нобелевской премии Вернер Гейзенберг. Но он и сам не поверил, что такая бомба может быть когда-нибудь создана. Между тем не прошло и пяти лет после этого высказывания, как над землей «ярче тысячи солнц» полыхнул первый ядерный взрыв. Случилось это «чудо» летом 1945 г.

Первую половину XX в. физики всего мира тщательно изучали строение атома и его ядра. Многих поражало, что, несмотря на свою малость, одна капля воды состоит примерно из 6000 миллиардов миллиардов (6 000 000 000 000 000 000 000) атомов водорода и кислорода. А каждый атом имеет строение, в некоторой степени сходное со строением нашей Солнечной системы. Вокруг ядра-«солнца» вращаются крохотные «планеты» – электроны.

В свою очередь атомное ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной – протонов и нейтронов или, как их еще называют, нуклонов. Электрон и протон – заряженные частицы. Причем величина заряда каждого из них одинакова; с той лишь разницей, что протон всегда заряжен положительно, а электрон – отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда, зато имеет очень большую проницаемость.

Ядра атомов одного элемента всегда содержат одинаковое число протонов. Но число нейтронов может быть разным, и такие разновидности элемента называются изотопами.

Обычно нейтроны и протоны в ядре держатся очень прочно. За это отвечают так называемые внутриядерные силы, которые компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно развалиться.

Однако каждое правило, как известно, имеет свои исключения. В данном случае к таковым относятся изотопы некоторых тяжелых элементов трансурановой группы. Например, в 1896 г. французский исследователь А. Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. То есть, говоря проще, он заметил, что соли эти засвечивают оказавшиеся рядом фотопластинки, даже если те плотно завернуты в черную бумагу.

Явлением заинтересовались другие физики, которые и обнаружили, что соли урана испускают таинственные лучи, способные воздействовать на ядра других элементов. Это явление физики прежде всего попытались использовать для осуществления давней мечты алхимиков – превращения одного химического элемента в другой.

В 1934 г. французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри доложили Французской Академии наук, что при бомбардировке алюминиевых пластин альфа-частицами (ядрами атома гелия) алюминий частично превращается в фосфор. Причем не обычный, а радиоактивный изотоп, атомы которого в свою очередь превращались в устойчивый изотоп кремния.

Этот опыт навел на мысль, что если «обстреливать» нейтронами ядра самого тяжелого из существующих в природе элементов – урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 г. немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио-Кюри, взяв вместо алюминия уран. Однако результаты эксперимента оказались совсем иными – вместо нового сверхтяжелого элемента исследователи получили легкие элементы – барий, криптон, бром и некоторые другие.

Объяснение этому нашла физик Лиза Мейнер, которой Ган сообщил о своих исследованиях. Она решила, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более легких элементов, а также выделяться 2–3 свободных нейтрона. Эти нейтроны в свою очередь при определенных условиях могут развалить еще несколько ядер. Это приводит к появлению еще большего количества нейтронов, которые разваливают еще больше ядер… В общем, при благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной.

Она, эта реакция, и была в конце концов использована для создания атомной бомбы. Физики уяснили себе, что если взять достаточно большое количество урана-235, то при критической массе, которая равна примерно 50 кг, в веществе начнется самопроизвольная цепная реакция. И если ее не остановить, она через несколько секунд приведет к взрыву чудовищной силы. Ведь деление каждого ядра сопровождается выделением энергии, которая примерно в 300 млн раз больше той, что затрачена на расщепление!

Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 г. Всему комплексу работ было присвоено наименование «Манхэттенского проекта». Административное руководство проектом осуществлял генерал В. Гровс, а научное – профессор Калифорнийского университета Р. Оппенгеймер.

Профессору вскоре удалось собрать группу теоретиков, в которую вошли крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Н. Бор, Э. Ферми, Р. Фейман и другие.

Кроме них, к работе было привлечено множество других специалистов самого разного профиля. Правительство США не скупилось на расходы, и в 1942 г. была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе, где работало около 9000 человек.

Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана-235, зарядом для бомбы, мог, как выяснилось, послужить искусственный элемент плутоний-239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой.

Работы сразу пошли по двум направлениям, поскольку невозможно было наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений. Поэтому Манхэттенский проект разделился на несколько программ, во главе каждой из которых стояли видные ученые. Так, сам Оппенгеймер был главой Лос-Аламос-ской научной лаборатории, Э. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета, Э. Ферми вел исследования по созданию ядерного реактора…