Текст книги "Американские ученые и изобретатели"

Автор книги: Митчел Уилсон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 17 страниц)

Революция в области света

В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за разработку теории, объяснившей фотоэлектрический эффект. Спустя два года Роберт Милликен получил Нобелевскую премию за проведение опыта, подтвердившего теорию Эйнштейна. Теория Эйнштейна была выдвинута в 1905 году. Великий эксперимент Милликена был проведен почти десять лет спустя. Двойное присуждение премии означало успех одной из самых великих революций в области физики.

Исаак Ньютон обогатил физику двумя теориями: первая касалась законов движения тел; согласно второй свет представлял собой скопище крошечных частиц светящейся материи. Первая теория Ньютона принесла ему репутацию гениального ученого. И только благодаря его престижу была принята и вторая теория – о корпускулярной структуре света, хотя она была значительно слабее первой и объясняла всего два из всех известных свойств света.

По Ньютону, отражение – это просто отскакивание упругих частиц света от отражающей поверхности. Рефракция же, преломление световых лучей при переходе из менее плотной среды, такой, например, как воздух, в более плотную, как, например, вода, имела место в результате изменения скорости частички света в момент прохождения ее сквозь поверхность более плотной среды. Ньютоновская теория света не могла объяснить интерференции, дифракции и поляризации.

К началу XVIII столетия стала привлекать внимание волновая теория света, выдвинутая современником Ньютона – Гюйгенсом. По этой теории свет состоит из вибраций в эфире. Великий французский физик Френель математически доказал, что если свет действительно волновое явление, то все его наблюдаемые проявления легко можно объяснить. Спустя полстолетия Джемс Максвелл подкрепил волновую теорию света, теоретически доказав, что свет является вибрацией электрических и магнитных волн. До последнего десятилетия XIX века в теории Максвелла не было, казалось, никаких противоречий.

В 1887 году Герц заметил, что свет и особенно ультрафиолетовые лучи заряжали металлические поверхности электричеством. Томсон доказал, что положительный заряд на поверхности металла был следствием мгновенного испускания им отрицательно заряженных электронов.

Альберт Эйнштейн был единственным физиком, понявшим, что в этом таилось противоречие, которое волновая теория света не может разрешить. В 1905 году он высказал предположение, что фотоэлектрический эффект можно объяснить, только возвратившись к корпускулярной теории света, в которую следует внести некоторые важные изменения.

В 1931 году Майкельсон и Милликен посетили Эйнштейна. Майкельсон подтвердил теорию относительности Эйнштейна; Милликен доказал его квантовую теорию света.

По мнению Эйнштейна, противоречие заключалось в следующем: чем больше света падает на металлическую поверхность, тем больше выделяется электронов; однако энергия каждого отдельного электрона с изменением интенсивности света не изменяется, хотя, по теории Максвелла, интенсивность света служит мерилом его энергии.

Эйнштейн предложил следующее объяснение: луч света состоит из потока крошечных корпускул, каждая из которых несет определенную энергию. Энергия корпускулы пропорциональна цвету, или, выражаясь классическим языком, частоте света, а не его амплитуде, как заявлял Максвелл. Когда свет падает на твердое вещество, некоторые из эйнштейновских корпускул энергии поглощаются. Количество поглощаемой энергии в некоторых случаях оказывается настолько большим, что электроны получают возможность покинуть атомы, в которых они находились. Энергия этих освобожденных «фотоэлектронов» должна поэтому быть абсолютно равной энергии пойманных корпускул света, называемых «квантами», минус количество энергии, нужной для того, чтобы вырвать электроны из атомов.

Это последнее количество, «работа выхода», может быть непосредственно измерено.

Эйнштейн сообщил об этом в форме уравнения, в котором была установлена связь между скоростью вылетевшего электрона, энергией пойманного кванта света и «работой выхода».

«Такая корпускулярная теория, – говорил Милликен, – не была подтверждена экспериментально, за исключением наблюдений, проведенных Ленардом в 1900 году и сводившихся к тому, что энергия, с которой электроны вылетают из цинковой пластинки, кажется, не зависит от интенсивности света. Я думаю, правильно будет сказать, что мысль Эйнштейна о квантах света, несущихся в пространстве в форме импульсов, или, как мы называем их теперь, „фотонов“, приблизительно до 1915 года не имела практически ни одного убежденного сторонника.

Когда Милликену было уже почти 70 лет, он работал с физиками нового поколения – П. Дираком и Р. Оппенгеймером.

Тогда, на тех ранних этапах, даже сам Эйнштейн не отстаивал эту мысль с достаточной решительностью и определенностью».

Милликен тоже далеко не был убежден в правоте Эйнштейна, но, поскольку лаборатория в Чикаго, руководимая Майкельсоном, проводила очень много экспериментов, основанных на волновой теории света, Милликен решил раз и навсегда проверить гипотезу Эйнштейна.

«Как только я вернулся в свою лабораторию осенью 1912 года, – писал Милликен, – я приступил к конструированию нового аппарата, при помощи которого можно было бы получить убедительное решение проблемы этого фотоэлектрического уравнения Эйнштейна. Я почти не надеялся, что решение, если только я его получу, будет положительным. Но вопрос был чрезвычайно важным, и найти какое-то решение было необходимо. Я начал фотоэлектрические исследования в октябре 1912 года, и они заняли практически все мое время, которое я посвящал исследованиям на протяжении последующих трех лет».

Вся трудность сводилась к тому, чтобы определить, в какой зависимости находится энергия от цвета, или частоты. Эйнштейн говорил, что эта зависимость была прямой: энергия равна частоте, помноженной на определенное число. Это «определенное число» было постоянным для любого цвета. Оно должно было быть природной константой. Эйнштейн применял для этого числа обозначение h из уважения к своему коллеге Максу Планку.

За несколько лет до этого Макс Планк первый сумел решить теоретическую проблему в области радиации, произвольно заменив в формуле член, обозначающий энергию, другим членом, в который входили обозначения частоты и этой самой постоянной величины. Планк обозначил эту величину через h и рассматривал всю операцию лишь как удобный математический прием, который помог ему решить задачу. Эйнштейн же увидел, что Планк невольно сделал значительно больше. При помощи «математического приема» Планка проблема решалась – значит, он точно отражал истинное положение вещей.

Эйнштейн придал этому приему буквальное значение, и его фотоэлектрическое уравнение стало первым непосредственным применением новой квантовой теории. Милликен решил проверить теорию Эйнштейна, попытавшись получить ответы на следующие три вопроса:

1. Действительно ли энергия кванта света равна частоте света, взятой h раз?

2. Является ли число h действительно постоянной величиной для всех цветов?

3. Соответствует ли фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна тому, что имеет место в природе?

Для опытов Милликен сконструировал оригинальный аппарат, который он позднее назвал «вакуумной парикмахерской». В стеклянную вакуумную камеру он поместил поворотный диск. Этот диск можно было поворачивать при помощи магнита, расположенного за пределами камеры. С трех сторон на диске находились небольшие количества трех металлов, отличающихся высокой активностью, – натрия, калия и лития, каждый из которых реагировал на свет только одной определенной частоты.

Вследствие того, что успех эксперимента в огромной степени зависел от характера поверхности каждого из металлических образцов, в камеру было также помещено небольшое приспособление для шлифовки поверхности образцов. Оно приводилось в действие при помощи магнитов, расположенных вне камеры.

Проходя сквозь линзы и призму, белый свет лампы преломлялся. Сквозь узкую щель луч того или иного основного цвета получавшегося спектра направлялся на поверхность металлического образца, и Милликен мог наблюдать действие луча одного цвета на металл. В то время как металлическая поверхность освещалась последовательно лучом каждого основного цвета, Милликен измерял количества вылетавших электронов и их энергию, определяя количество электрической энергии, необходимой, чтобы остановить их. Если, например, для того, чтобы удержать в воздухе тело неизвестного веса, необходима сила, равная пяти фунтам, то можно сказать, что это тело весит пять фунтов. Рассуждая таким образом, Милликен определял скорость электронов путем измерения силы, требуемой для полной остановки их. Зная скорость, он мог высчитать энергию электронов, выделяющихся при освещении металлической поверхности лучом каждого цвета.

Когда этот опыт и расчеты были проделаны для всех частей спектра, Милликен смог вычертить кривую, показывающую зависимость энергии электрона от цвета луча, или частоты. Полученные им результаты дали абсолютно положительные ответы на поставленные им три вопроса и подтвердили верность теории Эйнштейна. После прямых измерений оказалось, что постоянная величина Планка равна 6,57×10^-27 эрг-секунд.

Америка долго ждала такого человека, как Милликен. Он был выдающимся исследователем. Работая преподавателем в Чикаго, он отдавал много времени подготовке и поощрению молодых людей, на работу с которыми у Майкельсона не хватало терпения. Выполняя административные функции в Калифорнийском технологическом институте, он подготовил несколько поколений молодых ученых. Уровень их подготовки был настолько высок, что отпала необходимость направлять молодых американцев за границу для получения научного образования. Благодаря Роберту Эндрюсу Милликену американская наука вступила в полосу зрелости.

Братья Райт

Полет в Китти Хок

Ровные северо-восточные ветры и длинные валы Атлантического океана без устали накатываются на песчаные дюны и пляжи побережья Каролины. Ветер покрывает рябью пустынные, унылые пески. Песчаная гряда отделяет проливы Албемарль, Пэмлико и Роунок от океана. Одна ее часть носит название Китти Хок.

Холодным пасмурным утром 17 декабря 1903 года два человека распахнули двери дощатой хижины, чтобы посмотреть, какая нынче погода. Это были братья Орвил и Уилбур Райт, худощавые молодые люди с тонкими лицами, в обыкновенных костюмах, какие носят деловые люди, и в высоких крахмальных воротничках. Тридцатидвухлетний Орвил, ростом в пять футов десять дюймов, был на полтора дюйма выше своего тридцатишестилетнего брата Уилбура. Орвил носил усы и любил поддразнивать. Уилбур обладал своеобразным грубоватым юмором. Орвил, младший брат, всегда поправлял Уилбура, если тот говорил «я» вместо «мы».

Рокотал прибой, обломки льдин неслись вниз по проливу Албемарль. Ветер, дувший со скоростью двадцати семи миль в час, вздымал белый песок пляжа.

В десять часов утра стало ясно, что больше нет смысла ждать в надежде на то, что ветер уляжется. Братья подняли на мачте флаг, служивший сигналом для персонала маленькой спасательной станции, расположенной к югу от лагеря на стофутовой дюне Килл-Девил Хилл. Ожидая прихода людей, братья вытащили из укрытия свою «летающую машину» – биплан с белыми муслиновыми крыльями шириной около 40 футов. Прямоугольные рамы, обтянутые тканью, назывались «аэропланами». Незадолго до этого, 23 марта того же года, Райты направили в Бюро патентов заявление, которое гласило:

«Наше изобретение относится к тому виду летающих машин, которые держатся в воздухе благодаря тому, что один или несколько аэропланов, расположенных под небольшим углом наклона, рассекают краями воздух».

Летающая машина, по замыслу изобретателей, должна была взлететь с небольшой двухколесной повозки на велосипедных втулках, двигавшейся по рельсу, изготовленному из железной балки 2×4.

Райты, борясь с ветром, укладывали рельс, когда к ним пришли на помощь пять человек со станции; они стали очевидцами одного из важнейших исторических событий.

«Лютый холод затруднял работу, – записал Орвил Райт в своем дневнике в тот день, – мы часто бегали греться в хижину, где в пустой банке из-под карбида, заменявшей нам печку, горел жаркий огонь».

Примерно в половине одиннадцатого был заведен мотор; пока он прогревался, пропеллеры медленно вращались. Ровно в десять тридцать пять Орвил, жмурясь от ветра, вскарабкался по железным стойкам машины и улегся ничком в специальной люльке, рядом с ревущим мотором. Люльку можно было слегка двигать из стороны в сторону и таким образом контролировать боковые движения машины. Кроме того, в руке он сжимал небольшую рукоятку, управляющую спуском и подъемом.

Уилбур стоял на песке рядом с машиной, держась за край крыла, чтобы уравновесить его. Когда мотор набрал обороты, Орвил отпустил тормоз, удерживающий машину, и она устремилась вперед. Уилбур сначала шагал рядом с ней, потом часто засеменил и, наконец, перешел на бег. Вскоре он стал спотыкаться и выпустил крыло. Первый моторный летательный аппарат тяжелее воздуха поднялся над землей вместе с человеком, который управлял полетом.

Когда машина взлетела, Орвил обнаружил, что «управлять передним рулем довольно трудно… (он) …поворачивался сам по себе, так что… машину бросало то в одну, то в другую сторону». Из-за этого машина, поднявшись на высоту всего лишь 10 футов, стала пикировать вниз. Орвил все же наладил управление и пролетел сто футов, когда внезапно машина скользнула вниз и опустилась на землю. Первый полет человека на борту машины с двигателем продолжался двенадцать секунд. Орвил записал в тот день в дневнике, что «рычаг выключения двигателя был сломан и треснула рулевая стойка».

Все же в течение этих двенадцати секунд Орвил сознавал, что он «делает историю». Вот как он описывал свои ощущения в тот момент многие годы спустя: «Мотор прямо рядом со мной почти оглушал своим ревом во время всего полета, но я был так взволнован, что даже не замечал этого, пока его не выключил».

Братья целых полчаса подтаскивали машину назад к рельсу и чинили повреждения. В одиннадцать часов Уилбур совершил второй полет. Этот полет очень напоминал предыдущий. Машина летела низко, вихляя из стороны в сторону, то ныряя, то подскакивая вверх. Пролетев 175 футов, она опустилась на взвихренный песок.

Ветер начал утихать. Люди со спасательной станции помогли дотащить машину на старт для третьей попытки. В одиннадцать двадцать поднялся в воздух Орвил.

«Когда я пролетел примерно такое же расстояние, как Уилл, с левой стороны ударил сильный порыв ветра, который задрал кверху левое крыло и резко бросил машину вправо. Я немедленно перевел рукоятку, чтобы посадить машину, и потом заработал хвостовым рулем. Велико было наше удивление, когда при приземлении первым коснулось земли левое крыло. Это доказывало, что боковое управление на этой машине значительно эффективнее, чем на предыдущих».

Через двадцать минут пришел черед Уилбура сделать четвертую попытку. Машина взлетела ровно в полдень и подчинялась управлению еще лучше, чем прежде. Она пролетела довольно гладко расстояние в 800 футов, потом ее наклонило и вдруг бросило к земле. «Рама переднего руля, – писал Уилбур, – была сильно повреждена, но остов машины не пострадал. Машина пролетела над землей 852 фута за пятьдесят девять секунд».

Братья и пятеро помощников отнесли машину обратно и поставили ее на песок. Уилбур стал рассказывать о том, что случилось в полете. Неожиданно налетел порыв ветра, задрал крыло вверх и машина завертелась на месте. Все бросились к ней, чтобы удержать ее.

«Мистер Дэниельс, не имевший опыта в обращении с подобными машинами, вцепился в опорные стойки и в результате был сбит с ног. Машина, кувыркаясь, волочила его по земле. Он запутался между мотором и рулевыми цепями и уцелел лишь чудом. Крепление двигателя было сломано, звенья цепей сильно погнулись, почти все распорки треснули».

Машину надо было восстанавливать почти полностью. Братья Райт решили сделать перерыв и позавтракать: они знали теперь, что они – первые люди в мире, которые поднялись в воздух и летали на машине с двигателем и – что самое главное – впервые осуществили полное управление летающей машиной. В течение последующих пятидесяти лет принципы управления, которые они разработали совершенно самостоятельно, оставались главными законами пилотажа.

В то утро, как обычно, в хижине на открытых ветру дюнах Орвил готовил завтрак, а потом Уилбур мыл посуду.

Предшественники Райтов

Истинным пионером полетов на аппаратах тяжелее воздуха был сэр Джордж Кейли (1773–1857), который, по словам Орвила Райта, «знал о принципах аэронавтики больше, чем кто-либо из его предшественников, и столько же, сколько любой из его последователей».

В те времена существовало четыре главные школы идей о создании аппаратов тяжелее воздуха: орнитологическая подражала движению крыльев птицы при полете; вторая школа брала за основу воздушный змей, отличающийся устойчивостью; третья группа изучала парящий полет чаек и ястребов; четвертая группа занималась геликоптерами.

В 90-х годах прошлого столетия сэр Хирам Максим[30]30
  Максим Хирам (1840–1916) – крупный американский инженер, изобретатель знаменитого станкового пулемета. Работал и над созданием самолета, но неудачно.


[Закрыть] и Сэмюэл Ленгли построили летательные аппараты, которые представляли собой не что иное, как огромные воздушные змеи с моторами, но этим машинам не хватало той самой устойчивости, на которую рассчитывали изобретатели. Ленгли, директору Смитсонианского института, выдающемуся ученому, удалось создать небольшие машины, которые летали по воздуху<sup>[31]31
  Автор пишет лишь о тех предшественниках братьев Райт, чьи работы были им хорошо известны, поэтому он не упоминает многих других, в том числе и А. Ф. Можайского, автора первого летательного аппарата с паросиловым двигателем.


[Закрыть]</sup>.

Орвил и Уилбур

В 1899 году 32-летний Уилбур Райт писал в Смитсонианский институт:

«Проблема механического полета и полета человека меня занимает с самого детства; еще мальчишкой я начал мастерить множество летучих мышей различного размера на манер машин Кейли и Пино. С тех пор мои наблюдения еще больше убедили меня в том, что полет человека всего лишь вопрос знания и мастерства, так же как любой акробатический трюк».

Прочитав еще неотосланное письмо, Орвил подумал: «Почему он не пишет „мы“»?

Тесное сотрудничество Орвила и Уилбура началось только в юношеском возрасте. У Мильтона и Сюзанны Райт было пятеро детей. Мать рано умерла, и их вырастил отец, епископ Объединенной церкви Братьев. Старшие сыновья Лорин и Рэклин женились и ушли из дома. Дочь Кэтрин опекала младших братишек. Они считали ее своей матерью.

У обоих мальчиков были необычайно ловкие и умелые руки. Они вступили в клуб любителей воздушных змеев и вскоре достигли такого мастерства, что стали продавать сделанные ими змеи другим мальчикам. Тринадцатилетний Орвил смастерил типографский станок, а семнадцатилетний Уилбур усовершенствовал его.

В конце концов Кэтрин покинула их и поступила в колледж в Оберлине. В 1892 году братья, которые уже стали неразлучны, изобрели «безопасный» велосипед и открыли мастерскую в городе Дейтоне (штат Огайо).

Уилбур Райт был серьезным и вдумчивым молодым человеком, Орвил же, как и Кэтрин, готов был без конца смеяться. Когда Орвилу было двадцать лет, в письме к отцу он так описал политика, выступавшего на собрании: «Мне достаточно было поглядеть на него в течение нескольких минут. Я был удовлетворен и ушел. Если он, паче чаяния, честный человек, то обязан привлечь свою физиономию к ответственности за клевету».

Уилбур никогда не посещал колледжа. Он и Орвил читали об экспериментах Отто Лилиенталя с планерами и труд Сэмюэла Пирпонта Ленгли. Они влюбились в идею полета человека и соединились с нею на всю жизнь. В начале 90-х годов прошлого века медленность передвижения на животных стала невыносимой для человека. На повозках начали устанавливать компактные паровые двигатели и электрические моторы. В те же годы, когда человек приступил к штурму неба, по улицам побежали первые «автомобили».

Смитсонианский институт откликнулся на письмо Уилбура, переслав ему несколько брошюр и порекомендовав еще целый ряд книжек. Уилбур Райт писал: «Мы ознакомились с этими книгами и были поражены, когда узнали, сколько времени и денег было потрачено на безуспешные попытки решить проблему человеческого полета… За нее брались самые великие ученые и изобретатели: Леонардо да Винчи, сэр Джордж Кейли, один из первых, кто предложил идею детонирующего мотора; профессор Ленгли, секретарь Смитсонианского института; д-р Белл, изобретатель телефона; Хирам Максим, изобретатель пулемета; Т. А. Эдисон и множество других».

Планер Райтов, построенный в 1902 году, был важным этапом в эволюции летательных машин. Только разработав вопросы конструкции, аэродинамики и управления планером, Райты могли приступить к полетам на машинах с двигателем.

Братья Райт начинали горячий спор об авиации, садясь за ужин, и продолжали его до тех пор, пока не отправлялись спать. Экономка слышала, как их ровные голоса вдруг подымались до крика, а потом наступала мертвая тишина и казалось, что братья уже никогда не заговорят друг с другом. После долгой паузы один говорил: «И это не то», на что второй отвечал: «Нет, это то». Оба неимоверно наслаждались обществом друг друга.

В конце концов они построили планер, весивший 52 фунта и имевший размах крыльев 17 ¹/₂ футов. В центре нижней плоскости было оставлено пространство шириной в 18 дюймов для авиатора, который лежал в особой люльке.

Братья Райт считали, что искусство планеризма заключается в умении при помощи веса тела и мускулов управлять плоскостями, направляя их против ветра. Анализируя предыдущие опыты с планерами, они обнаружили, что за многие годы стараний никому не удалось удержаться в воздухе более нескольких минут. Ни один человек не научился бы ходить, если бы он тренировался всего несколько секунд в день. Чтобы научиться летать, они должны отправиться туда, где дуют постоянные ветры и есть склоны, не заросшие деревьями, где бы они могли парить часами. Братья обратились за советом в Бюро погоды, которое назвало среди других и местечко Китти Хок в Северной Каролине.

Джозеф Дошер, работник метеорологической станции в Китти Хок, 16 августа 1900 года писал Уилбуру Райту: «В ответ на Ваше письмо от третьего числа сообщаю, что пляж здесь примерно в одну милю шириной. Деревьев и высоких холмов нет. Протяженность пляжа примерно 60 миль. В сентябре и октябре дуют большей частью северный и северо-восточный ветры».

23 сентября 1900 года Уилбур писал: «Моя машина почти готова. Она не будет иметь двигателя, и я не рассчитываю, что она будет летать в полном смысле этого слова. Моя идея заключается в попытке экспериментировать с целью решения проблемы равновесия в полете». Уилбур уверял отца, что это вовсе не опасно. При первых опытах планер запускался, как воздушный змей, причем рули управлялись канатами.

Машина летала превосходно, даже когда ее нагрузили цепями весом в 70 фунтов, равным весу человека.

На следующий год братья начали первые попытки свободного планирования с человеком на борту, но расчеты предыдущих планеров оказались неверными.

Уилбур Райт писал в своем дневнике 30 июля 1901 года: «Больше всего нас обескуражило то, что подъемная сила равна всего одной трети величины, указанной в таблице Лилиенталя[32]32
  Лилиенталь Отто (1848–1896) – знаменитый немецкий ученый, пионер воздухоплавания Трагически погиб при испытании своего планера.


[Закрыть]… Итак, наши надежды добиться практического полета в воздухе свелись примерно к одной пятидесятой доле того, на что мы рассчитывали. Уже пять минут в свободном полете мы считаем рекордным результатом».

Вернувшись в 1901 году в Дейтон, Райты решили проверить все прежние расчеты, касающиеся кривизны крыла и аэродинамики. Они построили аэродинамическую трубу, использовав старый ящик из-под крахмала. Октав Чэнют[33]33
  Чэнют Октав (1832–1910) – американский инженер-авиаконструктор.


[Закрыть]пригласил Уилбура Райта прочесть лекцию о планеризме в Западном обществе инженеров. Прежде чем выступить с лекцией, Уилбур и Орвил в своей трубе испытали воздействие давления ветра на двести с лишним миниатюрных моделей крыльев. Они доказали, что передний кран крыла не должен быть острым, как принято было считать раньше, что сильно изогнутые крылья не эффективны, что если летающая машина не сможет парить без двигателя, она никогда не будет устойчива в полете с мотором. Лекция Уилбура была перепечатана в «Годовом отчете Смитсонианского института».

После экспериментов с аэродинамической трубой Райты в третий раз отправились в Китти Хок. Новый планер резко отличался от предыдущих моделей. Размах крыльев был на 10 футов больше. Хорда крыла была равна всего одной шестой размаха крыльев; в старых моделях она составляла одну треть. Новый планер имел хвост из вертикальных планок. Райты еще раньше имели дело со штопором на хвост, и Орвил решил, что хвост должен быть подвижен, чтобы противодействовать повороту машины вокруг вертикальной оси. Модель была удачной и подтвердила правильность системы управления, разработанной Райтами.

В, марте 1903 года они подали заявку на патент, а осенью привезли в Китти Хок новую машину – на этот раз имевшую двигатель.

Теперь они были готовы к настоящему полету.