Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 46 страниц)

ПЛАНЕТА НЕПТУН

После открытия Гершелем Урана во многих обсерваториях мира начались тщательные наблюдения за движением новой планеты. Используя законы Ньютона и учитывая притяжение открытых к тому времени планет, астрономы уточнили орбиту Урана и уже к середине первой половины XIX века окончательно убедились в том, что видимая орбита новой планеты и результаты расчетов с каждым годом наблюдений… все больше расходятся.

Наиболее проницательные ученые высказали смелое предположение, что на движение Урана оказывает сильное влияние расположенная за ним и еще неизвестная науке довольно большая планета.

Урбен Леверье во Франции и Джон Адаме в Англии сумели математически точно определить положение и размеры неизвестной планеты, «возмущающей» орбиту Урана.

Если следовать хронологии фактически, то сначала следует изложить историю исследований английского астронома Джона Адамса.

Джон Кауч Адаме (1819–1892) родился в семье фермера в городке Лидкот (графство Корнуолл). Еще в детстве он проявил исключительные для его возраста математические способности, и в 1831 году родители послали его учиться в частную школу в Девонпорте, известную высоким уровнем преподавания. Все свободное время он проводил там, в институте механики, и здесь он впервые приобщился к научной литературе. В 1835 году он сам наблюдает комету Галлея, а в 1837 году – лунное затмение, после чего публикует свою первую небольшую заметку. Осенью 1839 года он блестяще выдерживает экзамен в колледж Сент Джона при Кембриджском университете и начинает там учебу.

Астрономия увлекает Адамса все более и более. В 1841 году он знакомится с публикацией директора Гринвичской обсерватории Эри 1832 года, в которой была изложена теория Бувара для Урана, рассказано о ее трудностях при совместном учете «старых» и «новых» наблюдений, о ее расхождениях с наблюдениями после 1820 года. Это определило научный путь Адамса на многие годы.

В том же 1841 году Адаме начинает изучать астрономию в качестве обычных студенческих курсов, в частности, теорию движения Луны и планет. Затем в течение всего 1842 года он готовится к знаменитому для Кембриджа ежегодному математическому конкурсу, который являлся официальным экзаменом на степень бакалавра по математическим наукам.

После конкурса Адаме приобретает степень бакалавра. Как первый призер он становится членом научного совета колледжа. Но проблема Урана волнует его больше всего. К этому времени у него окончательно укрепилось мнение, что неправильности в движении Урана вызваны неизвестной более далекой планетой.

Как видно из записей в дневниках Адамса, его окончательно убедила в этом научно-популярная книга Мэри Соммервиль «Связь между физическими науками». В начале лета 1843 года Адаме уезжает на время летних каникул к себе домой в Лидкот, где приступает наконец к исследованиям Урана. В октябре этого года он уже получает первые результаты.

Он продолжает работать над этой проблемой дальше. При этом он получает еще более точные с математической точки зрения решения проблемы. Всего, начиная с лета 1843 года до сентября 1845 года, Адаме получил шесть решений, каждое из которых он считал точнее предыдущего.

Хотя Адаме становился очень решительным и смелым в своих научных планах и исследованиях, но в, обыденной жизни он был невероятно скромным и робким. Так, первые пять решений проблемы о неизвестной планете, не увидев свет и никому не став в то время известными, перешли впоследствии лишь на полки архива Кембриджского колледжа Сент Джона, где и хранятся как огромная ценность до сих пор. Только шестое решение, правильнее сказать, только резюме результатов, которые выглядели наиболее полными и точными, Адаме решился показать в частном порядке осенью 1845 года Эри и Джеймсу Чэллису, профессору астрономии, директору Кембриджской обсерватории, кого он считал наибольшими авторитетами в астрономии Более или менее подробно об этом решении и о последнем, седьмом решении, полученном в 1846 году, рассказано в единственной статье, которая была представлена Адамсом в качестве доклада на заседании английского Королевского астрономического общества лишь в ноябре 1846 года (уже после фактического открытия Нептуна). По этой статье и по очень кратким высказываниям в литературе можно судить о содержании первых исследований Адамса.

Адаме пишет краткую записку, в которой объясняет, что завершено решение труднейшей задачи, беспокоившей весь астрономический мир почти пятнадцать лет. Но Эри отнесся к записке Адамса явно отрицательно. Он не пошел навстречу Адамсу ни словом, ни делом. Итак, с сентября 1845 года до июля 1846 года результаты, полученные Адамсом, не имели никакого практического эффекта. В печати о них не появилось ни слова.

Над той же задачей, что и Адаме, в то же время работал и французский астроном Леверье, ничего не зная об исследованиях английского ученого.

Урбен Жан Жозеф Леверье – один из крупнейших французских астрономов XIX века. Достаточно сказать, что и во второй половине двадцатого века французский Астрономический ежегодник предпочитал публиковать координаты Меркурия, Венеры, Земли и Марса, т. е. четырех планет из девяти, вычисляемые на основании теории и конкретных формул Леверье! Но наибольшую и всемирную славу принесло Леверье открытие Нептуна.

Урбен Леверье (1811–1877) родился в городке Сен-Ло в Нормандии. Отец – скромный служащий. Уже в школе Леверье проявил способности к науке, и родители, связывающие со своим сыном честолюбивые надежды, посылают его в 1828 году в колледж города Каена на два года для повышения знаний по математике. В 1830 году Леверье окончил колледж.

Через год он успешно выдерживает конкурс в Политехническую школу. Окончив после трех лет занятий школу с отличием, Леверье получил возможность самостоятельного выбора работы. Он стал химиком в одном из государственных учреждений.

В астрономию привел Леверье случай. В 1837 году его знания в астрономии были еще довольно слабые. Но карьера ученого благодаря его огромному таланту оказалась быстрой и блестящей. Уже в 1839 году, после двух лет очень интенсивной работы, он представил в Парижскую Академию наук доклад «О вековых возмущениях (изменениях) планетных орбит», который был в скором времени опубликован. В 1840 году Леверье публикует еще более точные результаты по этой проблеме.

В последующие три года он работает над теорией движения Меркурия. С конца 1843 года до лета 1845 года Леверье провел очень интересные исследования некоторых короткопериодических комет, и тут же опубликовал результаты, которые также вошли в золотой фонд небесной механики.

Неудивительно, что летом 1845 года Франсуа Араго, директор Парижской обсерватории и глава французской астрономии того времени, предлагает Леверье заняться актуальнейшей тогда проблемой открытия неизвестной планеты, возмущающей Уран.

Леверье сразу приступает к этой проблеме. История его исследований сравнительно короткая и успешная.

В ноябре 1845 года он представляет в Академию наук и тут же публикует первую статью, посвященную Урану. Он заново строит всю теорию движения Урана с учетом возмущений от известных планет, перекрывая и уточняя все, что было сделано Буваром. Его работа и характер самого изложения отличались тщательностью, учетом тончайших деталей, четкостью.

Всю зиму 1845 года и весну 1846 года Леверье усиленно продолжает исследования и 1 июня представляет в Академию наук вторую статью по данной проблеме. Она состоит из двух частей. В первой части Леверье заново проводит сравнение всех существующих наблюдений Урана и вычислений по своей точной теории движения Урана.

Во второй части Леверье переходит уже к гипотезе о существовании неизвестной планеты. Прежде всего, он кратко и четко анализирует другие гипотезы относительно причин неправильного поведения Урана, не соглашаясь с ними.

Далее Леверье ставит задачу, близкую по содержанию к той, которую рассматривал Адаме: определить элементы орбиты неизвестной возмущающей планеты, а также поправки к элементам первоначальной орбиты Урана так, чтобы в конце концов теория движения Урана с учетом влияния этой неизвестной планеты отвечала наблюдениям.

В этой статье он дает предварительное решение задачи. Весь анализ выглядит в целом очень солидно и не оставляет сомнения в истинности результатов. Во Франции статья Леверье была встречена с восторгом и оценена как аналитический триумф.

Однако французские астрономы, к которым Леверье обратился дрежде всего, не собирались организовывать поиски новой планеты. Он срочно ищет возможности «внедрения своей работы в практику наблюдений».

Леверье не стал обращаться к маститым астрономам и директорам обсерваторий. Он обратился к молодому немецкому астроному Иоганну Готфриду Галле, ассистенту Берлинской обсерватории.

Леверье отсылает 18 сентября письмо к Галле, в котором пишет: «…Я хотел бы найти настойчивого наблюдателя, который согласился бы уделить некоторое время наблюдениям в той области неба, где может находиться неизвестная планета. Я пришел к своему выводу на основании теории движения Урана…»

Галле получил это письмо 23 сентября. Его реакция была немедленной и положительной. В ту же ночь он сел за телескоп – 23-сантиметровый рефрактор Берлинской обсерватории.

Галле стал помогать Д'Аррест, которому пришла счастливая идея. Он предложил использовать звездную карту неба и тут же в ходе наблюдений сравнивать положения наблюдаемых и зафиксированных на карте небесных светил. Неизвестной планеты на карте быть не должно, поэтому планетой окажется та звезда, которая не отмечена на карте.

Правда, требовалась подробная и точная звездная карта, без которой подобный способ поиска планеты привел бы только к недоразумениям. Такой карты данного участка неба не было ни у английских, ни у французских астрономов. Но она оказалась в Берлинской обсерватории. Это была карта звездного атласа Берлинской академии наук, составленная Карлом Бремикером (1804–1877), напечатанная в конце 1845 года, но еще не разосланная на другие обсерватории.

Взяв карту, Галле и д'Аррест продолжили наблюдение. Галле называл по очереди звезды, а д'Аррест отмечал их на карте. Вскоре, а именно почти ровно в полночь, Галле назвал звезду примерно 8-й величины, которую д'Аррест на карте не нашел. Ее положение отличалось от того, которое было вычислено по данным Леверье, но незначительно. Следовательно, это и была так долго разыскиваемая планета. С начала наблюдений и до замечательного открытия в эту знаменательную ночь 23 сентября 1846 года прошло лишь несколько часов.

В следующую ночь удалось подтвердить открытие. Все соответствовало данным Леверье: положение, яркость, собственное движение.

Утром 25 сентября Галле пишет Леверье письмо, подтверждая факт открытия планеты: «Планета, положение которой Вы указали, действительно существует. В тот же день, когда я получил Ваше письмо, я обнаружил звезду 8-й величины, не указанную на превосходной карте (составленной доктором Бремикером) из звездного атласа, опубликованного Берлинской академией наук. Наблюдения в следующую ночь подтвердили, что это – искомая планета».

Таковы обстоятельства официального и всеми признанного открытия восьмой планеты Солнечной системы.

Метод, с помощью которого было предсказано существование Нептуна, покорил воображение ученых. За движением Нептуна стали тщательно следить и вскоре обнаружили столь значительные различия между наблюдаемой и теоретической орбитами нового светила, что это могло быть объяснено только существованием еще одной планеты, расположенной за Нептуном!

18 февраля 1930 года молодой астроном Клайд Томбо из Ловелловской обсерватории в Америке, наконец, обнаружил (на расстоянии, почти в три раза превышающем радиус орбиты Нептуна) новую планету Солнечной системы, получившую название Плутон. Томбо тем самым подтвердил расчеты известных астрономов-теоретиков Персиваля Ловелла и Вильяма Пикеринга.

Поистине, как сказал знаменитый французский оптик и астроном Франсуа Араго, «…умственные глаза могут заменять сильные телескопы…»

КОСМОНАВТИКА

В наше время полет космического корабля считается обыденным явлением. И даже порою странным кажется, что еще сто лет назад люди только могли мечтать о таких полетах.

«В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полете на Луну, – пишет И.А. Минасян. – Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он все время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка все выше поднималась над Землей, пока не достигла Луны. Известный английский писатель Герберт Уэллс описал фантастическое путешествие на Луну в снаряде, корпус которого был сделан из материала, не подверженного силе тяготения.

Разные предлагались средства для осуществления космического полета, но ни один ученый, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть могучую силу земного притяжения и унестись в межпланетное пространство. Великая честь открыть людям дорогу к звездам выпала на долю нашего соотечественника Константина Эдуардовича Циолковского.

Скромный калужский учитель сумел рассмотреть во всем известной пороховой ракете прообраз могучих космических кораблей будущего. Его идеи до сих пор служат и еще долго будут служить основой создания ракет и освоения человеком околосолнечного пространства.

Почти две тысячи лет прошло с тех пор, как изобретатели пороха – древние китайцы – построили первые ракеты, но только Циолковский показал, что единственный летательный аппарат, способный проникнуть за атмосферу и даже навсегда покинуть Землю, – это ракета. Он не только обосновал общие принципы, но и произвел подробные практические расчеты, в результате которых замечательный ученый и пришел к выводу о необходимости создания ракетных поездов, или, как мы теперь говорим, многоступенчатых ракет, а также о необходимости создания искусственных спутников Земли».

Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935) родился в селе Ижевском Рязанской губернии в семье лесничего. В десятилетнем возрасте Костя заболел скарлатиной и потерял слух. Мальчик не смог учиться в школе и вынужден был заниматься самостоятельно.

Вот как вспоминал о годах юности сам ученый:

«Я разбирал с любопытством и пониманием несколько отцовских книг по естественным и математическим наукам (отец некоторое время был преподавателем этих наук в таксаторских классах) И вот меня увлекает астролябия, измерение расстояния до недоступных предметов, снятие планов, определение высот. Я устраиваю высотометр. С помощью астролябии, не выходя из дома, я определяю расстояние до пожарной каланчи. Нахожу 400 аршин. Иду и поверяю. Оказывается – верно. Так я поверил теоретическому знанию…»

Когда Константину исполнилось шестнадцать лет, отец отправил его в Москву к своему знакомому Н Федорову, работавшему библиотекарем Румянцевского музея. Под его руководством Циолковский много занимался и осенью 1879 года сдал экзамен на звание учителя народных училищ. После рождества 1880 года Циолковский получил известие о назначении на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище…

В Боровске Циолковский проработал несколько лет и в 1892 году был переведен в Калугу. В этом городе и прошла вся его дальнейшая жизнь. Здесь он преподавал физику и математику в гимназии и епархиальном училище, а все свободное время посвящал научной работе. Не имея средств на покупку приборов и материалов, он все модели и приспособления для опытов делал собственными руками.

Круг интересов Циолковского был очень широк. Однако из-за отсутствия систематического образования он часто приходил к результатам, уже известным в науке. Например, так произошло с его первой научной работой, посвященной проблемам газовой динамики.

Но за вторую опубликованную работу – «Механика животного организма» – Циолковский был избран действительным членом Русского физико-химического общества. Эта работа заслужила положительные отзывы крупнейших ученых того времени – Менделеева и Столетова.

Столетов познакомил Циолковского со своим учеником Николаем Жуковским, после чего Циолковский стал заниматься механикой управляемого полета. Ученый построил на чердаке своего дома примитивную аэродинамическую трубу, на которой производил опыты с деревянными моделями.

Накопленный им материал был положен в основу проекта управляемого аэростата. Так Циолковский назвал дирижабль, поскольку само это слово в то время еще не придумали. Циолковский не только первым предложил идею цельнометаллического дирижабля, но и построил его работающую модель. При этом ученый создал и оригинальный прибор для автоматического управления полетом дирижабля, а также оригинальную схему регулирования его подъемной силы.

Однако чиновники из Русского технического общества отвергли проект Циолковского из-за того, что одновременно с ним с аналогичным предложением выступил австрийский изобретатель Шварц. Тем не менее Циолковскому удалось опубликовать описание своего проекта в журнале «Научное обозрение» и таким образом закрепить за собой приоритет на это изобретение.

После дирижабля Циолковский перешел к исследованию аэродинамики самолета. Он детально исследовал влияние формы крыла на величину подъемной силы и вывел соотношение между сопротивлением воздуха и необходимой мощностью двигателя самолета. Эти работы были использованы Жуковским при создании теории расчета крыла.

В дальнейшем интересы Циолковского переключились на исследования космического пространства. В 1903 году он опубликовал книгу «Исследования мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что единственным аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета. Правда, Циолковскому не хватало математических знаний, и он не смог дать детальные расчеты ее конструкции. Однако ученый выдвинул целый ряд важных и интересных идей.

Те первые работы ученого прошли почти незамеченными. Учение о реактивном звездолете только тогда было замечено, когда начало печататься вторично, в 1911–1912 годах, в известном распространенном и богато издающемся столичном журнале «Вестник воздухоплавания». Тогда многие ученые и инженеры за границей заявили о своем приоритете. Но благодаря ранним работам Циолковского его приоритет был доказан.

В этой статье и последовавших ее продолжениях (1911 и 1914 годах) он заложил основы теории ракет и жидкостного ракетного двигателя. Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишенных атмосферы.

В 1926–1929 годы Циолковский решает практический вопрос: сколько нужно взять топлива в ракету, чтобы получить скорость отрыва и покинуть Землю.

И.А. Минасян: «Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Эта максимально достижимая скорость в первую очередь зависит, конечно, от скорости истечения газов из сопла ракеты. А скорость газов в свою очередь зависит, прежде всего, от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость.

Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, которое при сгорании дает наибольшее количество теплоты.

Но максимальная скорость ракеты зависит не только от скорости истечения газов из сопла. Из формулы следует, что она зависит также от начальной и конечной массы ракеты, т. е. от того, какая часть ее веса приходится на горючее и какая – на бесполезные (с точки зрения скорости полета) конструкции: корпус, механизмы управления, рули и даже самую камеру сгорания и сопло.

Эта формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчет современных ракет Отношение общей, стартовой массы летательного аппарата к его весу в конце работы двигателя (т. е. по существу к весу пустой ракеты) в честь великого ученого названо числом Циолковского.

Основной вывод из этой формулы состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьет тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше отношение начальной массы ракеты к ее конечной массе, т. е. чем больше число Циолковского. Установив, что предел скорости ракеты зависит от качества топлива и отношения полезной и „бесполезной“ массы, Циолковский исследовал теплотворные возможности пороховых топлив. Его вычисления показали, что эти топлива не смогут обеспечить нужной температуры горения, а значит, и скорости истечения, необходимых для преодоления земного притяжения. Кроме того, рыхлый порох занимает большой объем, приходится увеличивать корпус и, следовательно, конечную массу ракеты».

Расчет показывает: для того чтобы жидкостная ракета с людьми развила скорость отрыва и отправилась в межпланетный полет, нужно взять топлива в сто раз больше, чем весит корпус ракеты, двигатель, механизмы, приборы и пассажиры, вместе взятые. Снова очень серьезное препятствие.

Ученый нашел оригинальный выход – ракетный поезд, многоступенчатый межпланетный корабль. Он состоит из многих ракет, соединенных между собой. В передней ракете, кроме топлива, находятся пассажиры и снаряжение. Ракеты работают поочередно, разгоняя весь поезд. Когда топливо в одной ракете выгорит, она сбрасывается, при этом удаляются опустошенные баки, и весь поезд становится легче. Затем начинает работать вторая ракета и т. д. Передняя ракета, как по эстафете, получает скорость, набранную всеми предыдущими ракетами.

Может показаться, что выгоднее сделать как можно больше ступеней ракеты. Однако расчеты убедительно доказывают, что это не так: максимальная скорость заметно увеличивается до трех-четырех ступеней, а дальше почти не растет. Скорость ракеты после шести ступеней практически остается постоянной.

Любопытно, что, не имея практически никаких приборов, Циолковский рассчитал, что оптимальной высотой для полета вокруг Земли является промежуток от трехсот до восьмисот километров над Землей. Именно на этих высотах и происходят современные космические полеты.

На много лет опередив своих современников, великий ученый с помощью точного языка математики впервые показал пути овладения человеком космическим пространством и указал реальные пути, по которым должна пойти техника межпланетных сообщений.

Узнав о работах Циолковского, немецкий ученый Герман Оберт написал ему: «Зная Ваши превосходные работы, я обошелся бы без многих напрасных трудов и сегодня продвинулся бы гораздо дальше».

Еще в 1911 году Константин Эдуардович произнес вещие слова: «Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

Сегодня все мы свидетели того, как сбывается это великое предвидение.