Текст книги "Вчера, сегодня, завтра"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 15 страниц)

Часовщики опередили астрономов

Положение создалось досадное, – весь мир привык считать астрономические наблюдения как непревзойденные образцы тщательной работы – и вдруг такой конфуз: часы перещеголяли.

Как выйти из неприятного положения, астрономы не знали: надо бороться с ошибками наблюдений, надо их учесть, изучить и устранить. А ошибок множество. Они появляются в струйках воздуха, садятся пылинками на инструмент, подстерегают астронома на каждом шагу, норовят толкнуть его под руку и стремятся испортить всю его работу.

Астрономы взялись за изучение своих злейших врагов, чтобы понять, как их устранить.

Причин, по которым случаются ошибки астрономических наблюдений, в основном три.

Первая причина – в том, что мы – жители Земли и наши обсерватории расположены на дне воздушного океана. Над нашими головами простирается многокилометровая толща атмосферы. Воздух струится, колеблется. Его температура, давление, влажность, засоренность непрерывно и ежедневно меняются. Все это искажает изображение и положение звезды, заставляет ее дрожать.

Попробуйте при неспокойной погоде посадить звезду на горизонтальную нить; это легко сказать, а выполнить мудрено – изображение звезды в поле зрения инструмента прыгает, как мячик. Его колеблют струйки воздуха.

Уже много лет астрономы спорят: где лучше строить обсерватории? Где спокойнее атмосфера? В городах? А дым от фабричных труб? А теплый воздух от натопленных зданий? В горах? Нет, там часты туманы и дуют постоянные ветры. У моря нельзя – испарения сильны! Среди зелени полей, в рощах или парках? Растительность вокруг обсерватории полезна тем, что не позволяет солнцу сильно нагревать землю, поэтому ночью после захода солнца восходящие токи теплого воздуха не очень сильны. Это хорошо, но есть и недостаток. Деревья и кустарники каким-то образом под кроной, в листве ухитряются накапливать теплый воздух. Он собирается, а потом сразу неожиданно огромным пузырем вырывается из листвы и летит вверх, как невидимый воздушный шар.

Пулковская обсерватория, например, была расположена среди старинного парка, и это порой причиняло изрядные огорчения астрономам. Начнут с вечера наблюдения, все как будто идет хорошо, вдруг в самый ответственный момент звезды в поле зрения начинают прыгать, как молодые мустанги. Что такое? А это теплый воздух вырвался из-под листвы и смутил покой атмосферы.

Гринвичские астрономы тоже жаловались на проказы теплого воздуха, таившегося в старом парке. Видимо, его сюрпризы так надоели ученым, что когда часть обсерватории переехала на новое место, то там распорядились уничтожить всю растительность возле инструментов. Большую территорию сплошь залили асфальтом и теперь… жалуются на асфальт. Он слишком сильно нагревается солнцем и медленно остывает. Опять получилось плохо!

С атмосферными помехами астрономы все же борются, и довольно успешно. Они тщательно учитывают влияние преломления световых лучей в воздухе и вносят необходимые поправки. Кроме того, каждое наблюдение или измерение повторяют по нескольку раз, тщательно сопоставляя результаты.

Второй виновник ошибок – сам инструмент. Ничтожнейшая соринка, попавшая между осью инструмента и его опорой, уже искажает результаты. Пустяк, казалось бы, – невидимая глазом пылинка, а может вызвать заметную ошибку.

Некоторые ошибки, происходящие по вине инструмента, астрономы устраняют, бдительно наблюдая за его чистотой и исправностью. Затем ошибки пассажного инструмента выявляют перекладыванием трубы.

На рисунке пассажного инструмента под трубой видны рычаги, похожие на лапки. Астроном, повернув рукоятку, заставляет эти лапки приподняться, осторожно подхватить снизу ось и переложить ее так, что левая ось попадет на правую опору, а правая – на левую опору.

Перекладывание инструмента позволяет сразу же заметить ошибку инструмента. Если до перекладывания из-за маленького перекоса трубы звезда казалась чуть правее, то после перекладывания она покажется чуть левее или наоборот. Разделив разность пополам, получают весьма точный результат.

Третий виновник ошибок, и притом наиболее опасный, – это сам астроном.

Нет на свете двух одинаковых людей, нет и одинаковых глаз. Все люди видят по-разному. Когда астроном ловит звезду на перекрестке нитей, то одному она кажется чуть выше, другому чуть ниже, одному правее, другому левее. Когда астроном отмечает прохождение звезды через вертикальные нити, то каждый это делает по-своему. Один нажмет клавишу хронографа чуть раньше, другой позже.

Мало того, даже один человек в течение одной ночи не может работать совершенно одинаково. В начале наблюдений измерения бывают сравнительно точны, в конце, когда появляется усталость, увеличиваются и ошибки. Человеческий глаз самый капризный из инструментов.

В прошлом столетии пулковский астроном О. Струве, сын основателя Пулковской обсерватории, заметил, что в его работу неизменно закрадываются ошибки. Ученый убедился, что виновником ошибок является его зрению, его глаза, и решил уличить самого себя.

Для проверки точности своих измерений астроном поставил в двух километрах большой массивный щит и заказал в мастерской маленькие белые цилиндрики из слоновой кости, различного диаметра.

В щите для цилиндриков были высверлены гнезда. Ночью помощник астронома вставлял в гнезда цилиндрики, освещал их ярким фонарем и записывал, в каких гнездах сидят эти искусственные звезды из слоновой кости.

О. Струве, опустив телескоп горизонтально, нацеливал его, как пушку, на щит. Белые кружочки в щите казались ему звездочками различной величины, и он тщательно измерял их положение.

Затем ученый брал у помощника его тетрадь, сравнивал результаты своих измерений с истинным положением цилиндриков в щите и определял, насколько он ошибся.

Этот старинный способ определения ошибок с помощью искусственных звезд теперь уже не применяют – он не дает надежного результата.

Каждый астроном имеет свои личные ошибки, и никто не может сказать, будет ли он ошибаться сегодня так же, как вчера или как-нибудь иначе. Личная ошибка неуловима; она возникает неожиданно и потому опасна. Она всегда неизбежно искажает результаты измерений.

В тиши обсерваторий разыгрывается битва за точность. Сотые и даже тысячные доли секунды берутся на учет. Толщина паутинки, видимой с расстояния в сто метров, уже играет серьезную роль. И астроному есть отчего огорчаться. Он не может, не имеет права верить сам себе, доверять собственным глазам. Они обманывают его.

А как же наблюдать? Как улавливать тысячные доли секунды?

Выход один – нужно изобрести искусственные глаза, которые могли бы заменить астронома у телескопа. Пусть они смотрят на звезды, измеряют, учитывают и сами записывают результаты на ленты хронографов.

Создать искусственные, точные, зоркие глаза, способные улавливать слабый свет звезд, – вот это задача!

Искусственный глаз астронома

В тридцатых годах XX века молодой астроном Николай Никифорович Павлов вместе с директором обсерватории ехал по делу из Пулкова в Павловск. Лошадка не спеша трусила по дороге, а молодой ученый делился с директором своими планами и замыслами научных работ. Говорили они о повышении точности астрономических наблюдений, о том, как хорошо было бы изобрести прибор, способный заменить астронома у телескопа. Электрический глаз – равнодушный, вечно спокойный, точный, зоркий – вот чего не хватает ученым.

В разговоре Павлов обмолвился, что он давно уже обдумывает устройство такого прибора.

Директор, внимательно слушавший своего собеседника, улыбнулся и сказал:

– Вот и хорошо! Вот и займитесь этим делом! С сегодняшнего дня будем считать это темой вашей научно-исследовательской работы!

Отказываться было невозможно, да и не хотелось.

Так мысль, высказанная мимоходом в разговоре, превратилась в рабочее задание и, может быть, в задачу всей жизни ученого.

В 1934 году Николай Никифорович Павлов приступил к работе.

Вскоре стало известно, что за границей тоже конструируют электрический наблюдатель. Поступали сообщения об опытах. Потом в иностранных журналах перестали писать об этих работах. Опыты заканчивались неудачей. Изобретатели не находили способа сделать искусственный глаз более чувствительным и точным, чем человеческий. Их приборы «видели» только самые яркие звезды.

Н. Н. Павлов продолжал работать, уверенный в успехе. У него было одно важное преимущество. В те годы, когда среди молодежи началось увлечение радиотехникой, он был одним из первых советских радиолюбителей. Н. Н. Павлов жил тогда в Омске. С трудом добывая нужные радиодетали или изготовляя их вручную, он строил детекторные приемники с галеновым кристалликом и спиралькой, собирал сложные схемы приемников с лампами «микрушками» и с увлечением изучал радиотехнику.

Радиотехника вытеснила на время любимую астрономию, которой Павлов увлекался с детства. Еще десятилетним мальчиком он знал наизусть все созвездия северного неба, безошибочно отыскивал на небе планеты и мысленно странствовал среди звезд.

Однако, несмотря на всю новизну и богатое будущее, радиотехника не смогла вытеснить астрономию совсем. Она была только временным увлечением.

Н. Н. Павлов стал астрономом, но дружбы с радио не потерял. И вот, когда он приступил к созданию электрического наблюдателя, его юношеский радиолюбительский опыт и знания оказались драгоценными помощниками.

Иностранные ученые, работавшие в этой области до Павлова и одновременно с ним, были либо астрономами, недостаточно знавшими радиотехнику, либо инженерами, не знакомыми с астрономией. И те и другие терпели неудачи.

У Павлова в руках были два козыря: знание и радио и астрономии. Это преимущество обещало победу, но, конечно, не спасало от неудач. Первый прибор, построенный Павловым, был слеповат. Он «видел» фонари, но не замечал звезд. Чувствительность заграничных фотоэлементов, выписанных в обсерватории, была слишком мала. Слабые лучи звезд не оказывали на них никакого действия. Перышко самозаписывающего аппарата чертило унылую, совершенно прямую линию.

Однако Павлов работал в советской стране, где наука делает невиданные успехи; он не был одинок в своих исканиях. Одна лаборатория, очень далекая в своей работе от астрономии, изготовила для профессора Павлова особо чувствительный фотоэлемент. Отечественный прибор оказался несравненно лучшим. С таким фотоэлементом уже можно было быть уверенным в успехе.

В декабре 1935 года Н. Н. Павлов приступил к опыту. Для начала была выбрана самая яркая звезда нашего неба – Сириус.

Луч света звезды должен был скользнуть в узкую щель астрономической трубы и упасть на фотоэлемент.

В это мгновение в фотоэлементе под действием светового луча возникнет слабенький электрический ток. Усиленный мощными радиоусилителями, этот ток должен подействовать на магниты самозаписывающего прибора хронографа. Магниты притянут якорек, якорек щелкнет, а прикрепленное к нему перышко поставит на телеграфной ленте зубчик.

Наступал решительный момент. Сириус приближался к меридиану обсерватории. Павлов следил за медленным перемещением звезды в поле зрения инструмента.

Сейчас звезда пройдет через меридиан. Остаются считанные секунды, доли секунды, и тут громко щелкнули магниты хронографа. Перышко дрогнуло и поставило на ленте отчетливый зубчик. Это Сириус своим лучом расписался в прибытии на меридиан. Прибор впервые «увидел» звезду.

Правда, Сириус очень ярок. Заметить такую звезду еще не заслуга, но, как говорится, лиха беда – начало.

Ученый продолжал совершенствовать свое изобретение, и два года спустя его искусственный глаз по чувствительности сравнялся с человеческим, но по точности значительно превзошел его.

В течение тяжелых лет блокады Ленинграда Павлов продолжал улучшать свой прибор. В 1946 году было опубликовано подробное описание его изобретения.

Электрический глаз профессора Павлова имеет вид круглой коробки, величиной с литровую банку. Он привинчен к окуляру пассажного инструмента и составляет с ним одно целое.

На другом конце оси инструмента укреплена труба-искатель. С ее помощью астроном наводит телескоп на нужную ему часовую звезду, а затем включает электрический глаз. С этого момента астроном оказывается в положении телеграфиста, который собирается принять телеграмму, только его корреспондентом будет не другой телеграфист, а звезда.

Нити, служившие в пассажном инструменте для точных отсчетов, сняты; их заменяет круглая пластинка с узкими вертикальными щелями.

В тот момент, когда звезда проходит через меридиан инструмента, луч ее света проскальзывает в щель и попадает на фотоэлемент. В фотоэлементе возникает электрический ток.

Сигнал звезды заставляет вздрогнуть перышко самозаписывающего прибора, и оно ставит на бумажной ленте зубчик.

Второе перышко самозаписывающего прибора, соединенное с часами, отмечает зубчиками секунды. Астроном берет ленту с записью сигналов звезды и часов, спокойно, не торопясь изучает и измеряет ее.

Электрический глаз никогда не спешит, не волнуется, не устает; он не капризен, как человеческий глаз, и не допускает его ошибок.

Правда, хотя чужих ошибок прибор профессора Павлова не повторяет, он не свободен от своих собственных; и, чтобы проверять своего электрического заместителя, ученый придумал контролера. Этот контролер имеет вид фонарика. В нем светится маленькая тусклая неоновая лампочка. Она соединена прямым проводом с самозаписывающим прибором.

Когда нужно проверить работу электроглаза, профессор подносит фонарик к объективу пассажного инструмента и нажимает кнопку. Лампочка вспыхивает, электрический глаз улавливает вспышку, как луч звезды. В самозаписывающем приборе вздрагивают перышки: одно – от сигнала электрического глаза, другое – от сигнала, поступившего по прямому проводу от фонарика.

Два сигнала – два зубчика. Ученый берет ленту и смотрит, насколько запаздывает сигнал звезды, то есть на сколько ошибается его электрический заместитель. Эту поправку астроном учитывает при вычислении точного времени.

Самовидящий и самопишущий прибор профессора Павлова избавил астрономов от многих ошибок. Погрешности при измерениях уменьшились во много раз.

Советские астрономы выиграли битву за точность. Благодаря этому изобретению советские ученые могут лучше обслуживать сигналами точного времени всех своих многочисленных и разнообразных заказчиков.

Глава девятая. Потребители точного времени

Тысячная доля секунды

Секунда – величина маленькая, но все же вполне ощутимая. За одну секунду можно сказать не спеша два недлинных слова.

Точность же современного астрономического определения времени достигла величины нескольких тысячных долей секунды.

Одна тысячная секунды! Эту меру трудно себе представить– уж очень она мала. Самое быстрое движение, на какое способен человек, это миг – мгновение ока, но, чтобы мигнуть, все-таки требуется ни мало, ни много, а четыреста тысячных долей секунды. Только чтобы закрыть глаза, и то надо семьдесят тысячных долей секунды.

Уколов палец иголкой, человек почувствует боль не сразу; чтобы ощутить боль от укола пальца, приходится ждать сорок тысячных долей секунды.

Даже комар – одно из самых быстрокрылых насекомых – и то за одну тысячную долю секунды не успевает махнуть крылышками. За этот срок он может только либо поднять, либо опустить крылышки.

Современный скоростной самолет с реактивным мотором, обгоняющий в полете звук, за одну тысячную долю секунды пролетит всего-навсего… около семидесяти сантиметров.

Так мала одна тысячная.

Астрономы добились поразительной точности; но можно ли этим гордиться? Кому нужна такая скрупулезная точность, кому от нее польза? В повседневной жизни мы прекрасно обходимся без нее. Если наши часы ошибаются на минуту в сутки, то это считается хорошо. Даже в железнодорожных расписаниях никогда не указывают секунд, – вполне достаточно минут.

Главным и очень требовательным заказчиком точности являются не моряки и не летчики, не топографы, которые с помощью сигналов точного времени определяют долготу, а разведчики подземных богатств – геологи.

В русских сказках наряду с ковром-самолетом и разрыв-травой существует также волшебный цветок папоротника. Он якобы вспыхивает голубым огоньком над тем местом, где зарыт какой-либо клад. Кто владеет таким цветком, – говорится в сказках, – тот может найти любое богатство, зарытое в земле.

Сейчас советские ученые изобрели изумительно чуткие приборы. Далеко до них сказочному цветку папоротника.

Угадывать скрытые изгибы земных пластов, определять плотность пород, залегающих на глубине двух – трех километров, и даже определять количество скрытых природных богатств – видеть в глубь земли – все это позволяют делать волшебные приборы, созданные отечественной наукой.

Сила тяжести на Земле не везде одинакова. Если где-либо в верхних слоях земной коры находится масса большей плотности, чем окружающие ее породы, например крупная залежь железной руды, то сила тяжести над этой залежью будет больше, чем в стороне от нее.

Если в земле находится пласт легких пород вроде мела, гипса или нефтяное месторождение, то сила тяжести над таким местом окажется меньше нормальной.

Измеряя силу тяжести в различных точках земной поверхности, геолог разведывает плотность пород, залегающих под почвой. Связав ее с другими геологическими данными – возрастом горных пород, характером изгибов пластов, – он решает, какие полезные ископаемые можно предполагать в данном месте.

Для определения силы тяжести существуют приборы, которые называются гравиметрическими. (Латинское слово «гравис» означает: «тяжелый».) Простейшим гравиметрическим прибором могут служить достаточно точные часы с маятником. Время качания маятника зависит от его длины и от притяжения Земли.

Различные маятниковые приборы, и часы в том числе, отличаются замечательной чувствительностью к малейшим изменениям силы тяжести. Это прекрасно понимал великий ученый и первый русский академик – Михаил Васильевич Ломоносов.

Он строил особые маятники или, как их называли в те времена, пендулы и с их помощью производил наблюдения за колебаниями силы тяжести на земной поверхности.

В рапорте о своих трудах за 1758 год Ломоносов пишет: «Сделал четыре новоизобретенных мною пендулы, из которых один медный, длиною в сажень, однако служит через механические стрелки против такого, который был бы вышиною с четвертью на версту».

Идеи Ломоносова о наблюдениях за силой тяжести с помощью маятников развивал и совершенствовал другой великий русский ученый – Дмитрий Иванович Менделеев. Он также строил маятниковые приборы и производил измерения силы тяжести.

Наблюдения за ходом современных точных часов показали, что, их маятники, находясь глубоко в подвале, «чувствуют» такие явления, как восход луны на небе.

Когда луна поднимается высоко над горизонтом, ее тяготение сказывается на силе тяжести. Притяжение луны противодействует земному тяготению; оно ослабляет его и все предметы на той стороне земного шара, которая обращена к луне, становятся чуть легче. Например, мальчик или девочка, весящие 25 килограммов, при свете луны становятся на 0,0055 грамма легче, чем до восхода луны. А маятники соответственно замедляют свое качание.

Этой чувствительностью маятниковых приборов пользуются геологи для определения силы тяжести в различных местах земной поверхности. Где сила тяжести больше, там маятник будет качаться быстрее – часы будут спешить; где сила тяжести меньше, маятник будет качаться медленнее, а часы – отставать.

Поэтому часы, выверенные в Ленинграде, уже в некоторых местах неподалеку от города покажут небольшое изменение хода. Под ленинградской почвой находятся пласты синей глины, а в окрестностях Ленинграда кое-где к поверхности земли подходят более тяжелые и плотные граниты. В таких местах сила тяжести будет чуть больше, и ленинградские часы там будут торопиться.

Таким образом, сравнивая ход часов, можно определить разницу в силе тяжести и плотность горных пород.

Разумеется, для гравиметрических исследований употребляют не часы, а специальные приборы.

Самой важной частью всех этих приборов является маятник. Поэтому геологи, занятые гравиметрической разведкой, на месте работ ежедневно принимают сигналы точного времени. Они сообщают им надежно выверенную величину секунды и позволяют непрерывно контролировать качания маятника.

Эта работа имеет необычайно важное значение. Весь наш народ стремится сделать свою Родину страной изобилия, могучей державой, которая была бы застрахована от всяких случайностей, а для этого прежде всего наша страна должна иметь первоклассную промышленность. Поэтому нам необходимо исследовать и использовать природные богатства нашей страны.

А остановись хотя бы на несколько суток деятельность службы времени, – и замрут в бездействии сотни гравиметрических экспедиций, работающих в различных уголках нашей Родины.

Служба времени – ценный помощник разведчиков природных богатств.