Текст книги "Эврики и эйфории. Об ученых и их открытиях"
Автор книги: Уолтер Гратцер
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 33 страниц)
Когда б мы знали, из какого сора…
Ричард Фейнман настаивал, что физика для него как игра: если задача бросает вызов его интеллекту или подстегивает его любопытство, приходится за нее взяться. Академическая карьера Фейнмана началась в Университете Корнелла в 1945 году: молодого профессора все время принимали за студента. Ниже он показывает, насколько непредсказуемые плоды могут давать исследования:
Спустя неделю после прибытия в Университет Корнелла я зашел в кафетерий. Там какой-то парень, дурачась, подбрасывал тарелку в воздух. Подымаясь в воздух, тарелка начинала колебаться. Я заметил, как красный медальон, – символ Корнелла, ходит в ней по кругу. Причем быстрее, чем тарелка колеблется.
Делать мне было нечего, так что я начал прикидывать, как движется вращающаяся тарелка. Я обнаружил, что, когда угол наклона невелик, медальон оборачивается вдвое быстрее, чем происходит колебание – два к одному. Это вытекало из сложного уравнения! Затем я подумал: “Нет ли способа получить это более фундаментальным способом, исходя из сил или из динамики. Почему тут именно два к одному?"
Не помню, как я это проделал, но в конце концов я вывел уравнение движения массивной частицы и понял, как должны быть сбалансированы ускорения, чтобы выходило два к одному.
До сих пор помню, как пришел к Гансу Бете и сказал ему: “Эй, Ганс! Я тут заметил кое-что интересное. Вот так движется тарелка, и вот почему получается два к одному…” – и показал ему ускорения.
Он произнес: “Фейнман, довольно интересно, но какое это имеет значение? Почему ты этим занялся?”
“Ха, – сказал я. – Да никакого значения. Просто я так развлекался”. Его реакция меня не огорчила: для себя я решил, что собираюсь получать от физики удовольствие и заниматься чем угодно, лишь бы это мне нравилось.
Я принялся выписывать уравнения колебаний. Затем задумался над тем, как – в рамках теории относительности – двигается электрон. Потом всплыло уравнение Дирака. Потом – квантовая электродинамика. И я осознал (а это случилось весьма скоро), что я “играю” – а по сути работаю – с той же старой задачкой, которая мне так нравилась и над которой я прекратил работать перед отъездом в Лос-Аламос (чтобы заняться атомной бомбой): это задачи вроде тех, которым посвящена моя диссертация; старые добрые чудесные штуки.
Тут не требовалось никаких усилий. С такими штуками легко играть. Ну как откупоривать бутылки: все вылетает без усилий. Я даже пытался этому сопротивляться! То, чем я был занят, не имело значения, но в конечном счете значение все же нашлось. Диаграммы и всякие разные вещи, за которые я получил Нобелевскую премию, произошли из баловства с подрагивающей тарелкой.
Так Фейнман добрался от подрагивающей тарелки до сложнейших проблем теоретической физики. Следует отметить, что до истории с тарелкой он не получал никакого удовольствия от своих научных занятий.
Фейнману не было равных среди теоретиков, но его стихийные дерзкие набеги в область экспериментальной науки не всегда были успешны. Его блестящий принстонский наставник Джон Арчибальд Уилер вспоминает, чем закончилось одно экспериментальное начинание, вызванное к жизни дискуссией о проблеме, кажущейся элементарной, но которая, однако, часто занимает умы самых серьезных физиков:
Вероятно, размышлять об общеизвестной машинке для полива газонов нас заставила задача по механике для студентов младших курсов. Устройство в форме свастики выбрасывает четыре струи воды. Отдача заставляет его крутиться. Не правда ли, сила отдачи приложена в той точке, где вода, которая до сих пор текла прямо, начинает двигаться поперек? Но представьте теперь, что машинка не поливает газон, а засасывает воду вовнутрь. Конечно же, говорили мы друг другу, направление течения меняется точно так же – и, следовательно, точно так же меняются силы реакции. Наверняка машинка будет крутиться и тогда, когда вода засасывается. Или все-таки нет? Или все-таки да? Нам с коллегами доставляло неслыханное удовольствие обсуждать этот вопрос с разных сторон. С каждым днем все больше и больше физиков неожиданно принимались спорить об этом в коридоре. Дискуссия становилась все ожесточенней. Теоретических доводов, которые могли бы хоть кого-нибудь переубедить, не находилось. Обстоятельства требовали эксперимента.
И тогда Фейнман изготовил миниатюрную 15-сантиметровую модель машинки для полива из стеклянных трубок и подвесил ее на гибких резиновых шлангах. Проверка показала, что в режиме полива машинка работает отлично. Затем он протащил всю хитроумную конструкцию сквозь горлышко большой оплетенной бутыли с водой. Бутыль он установил на полу циклотронной лаборатории, где имелся подходящий компрессор со сжатым воздухом. Сжатый воздух Фейнман пустил сквозь дополнительную дыру в пробке, которой закрывалась бутыль. Ура! В первые секунды можно было заметить легкое дрожание – вода тогда только начинала течь в обратном направлении сквозь машинку. Когда течение установилось, дрожание прекратилось. Давление воздуха увеличили – увеличился поток воды. Снова легкое дрожание в начале процедуры, и никакого эффекта секунды спустя. Давление увеличили еще раз. И еще раз. Ба-бах! Стеклянная емкость с грохотом взорвалась. Вся комната, где стоял циклотрон, оказалась засыпана осколками и залита водой. С этого дня Фейнмана в лабораторию больше не пускали.
Пришли ли физики из Принстона к какому-нибудь заключению по поводу гипотезы, которую Фейнман взялся проверять, Уилер не сообщает.
Первый отрывок взят из воспоминаний Фейнмана, собранных в книге: Surely You're Joking, Mr Feynman: Adventures of a Curious Character (Norton, New York, 1985);рассказ Уилера – из книги: uMost of the Good Stuff': Memories of Richard Feynman, ed. Laurie M. Brown and John S. Rigden (American Institute of Physics, New York, 1993,).
Флогистон предают огню
Антуана Лорана Лавуазье (1743–1794) принято считать основателем современной химии. Он ввел принцип точных измерений, особенно в том, что касалось взвешивания исходных веществ и продуктов реакции; именно столь последовательная приверженность количественному подходу в противовес простым наблюдениям позволила ему совершить большую часть его великих открытий. Лавуазье был человеком довольно тщеславным, а иногда и заносчивым, но при этом абсолютно честным в науке. Он, никогда не нуждавшийся, сумел найти себе жену не только умную и красивую, но и весьма богатую. Все складывалось в его жизни вполне благополучно, однако его служба в “Главном откупе”, организации, занимавшейся сбором налогов, в конце концов привела его на эшафот. В 1794 году, во время революционного террора, откупщика Лавуазье признали врагом народа и казнили.
Лавуазье не испытывал неловкости, пользуясь результатами чужих работ, и редко признавал заслуги современников. Несмотря на все это, именно он первым установил различие между простыми и сложными веществами и осознал значение кислорода (правда, это открытие одновременно с ним сделали англичанин Джозеф Пристли и швед Карл Вильгельм Шееле). Лавуазье назвал кислород греческим словом oxygen, которое расшифровывается как “порождающий кислоты” (неточный перевод укоренился в немецком языке: слово Sauerhoff обозначает “кислое вещество”). Лавуазье сформулировал закон сохранения вещества, и таким образом расквитался с теорией флогистона, царившей в тогдашней химии.
Флогистон был детищем немецкого ученого Георга-Эрнста Шталя. Так он назвал невесомый флюид, которым, как полагал ученый, пронизаны все горючие вещества: когда они горят, флогистон высвобождается в форме вихревого потока, он, собственно, и есть пламя. Соглашаясь со Шталем, Пристли – который до самой смерти оставался убежденным приверженцем теории флогистона – настаивал, что, когда вещества сжигают на воздухе, флогистон исчезает, оставляя после себя инертный остаток, не способный поддерживать горение или жизнь; этот газ (азот) он называл ”дефлогистированным воздухом”. Однако Лавуазье показал, что вещества, сжигаемые в атмосфере кислорода, на самом деле набирают вес предсказуемым образом, а некоторые (например, красная окись ртути) можно заставить отдать поглощенный кислород обратно. Свою победу над Пристли Лавуазье отметил пышным торжеством, состоявшимся в его парижском особняке, где собирались сливки общества:
Его тщеславие было раздуто до такой степени, что зачастую делало его посмешищем. Так, например, в 1789 году, вскоре после падения Бастилии, Лавуазье устроил показательный суд над теорией флогистона. Он созвал в гости множество известных персон и разыграл перед ними судебный процесс. Лавуазье и еще несколько человек заседали в судейских креслах, а обвинение зачитывал миловидный юноша, выступавший под именем Кислород. Защитник, весьма изможденный господин в годах, загримированный под Шталя, зачитал свою апелляцию. Затем суд вынес решение и приговорил теорию флогистона к смерти через сожжение, и тогда супруга Лавуазье, облаченная в белый хитон жрицы, бросила книгу Шталя в костер, словно исполняя некий обряд.
После этого курьезного эпизода Лавуазье прожил недолго. Когда к власти пришли якобинцы, его арестовали, провели расследование и отправили на гильотину. В приказе было написано: “Республика в ученых не нуждается” (впрочем, есть основания полагать, что это уже некий миф). Современник Лавуазье, математик Жозеф-Луи Лагранж, заметил, что “время требовало отсечь эту голову, но не хватит и века, чтобы произвести на свет другую такую” Свидетели казни ученого говорили, что Лавуазье держался достойно, а один из них заметил: “Не знаю, видел ли я последнюю и тщательно сыгранную роль актера, или же мои прежние суждения о нем были неверны и погиб действительно великий человек” Стоит добавить, что Лавуазье был не единственным ученым, ставшим жертвой революции. Известного астронома Жана Сильвена Байи, который первым вывел траектории спутников Юпитера, обвинили в том, что он причастен к разгону мирной демонстрации на Марсовом поле в 1791 году. Как старший депутат (депутат третьего сословия)[12]12
Автор ошибается – к 1791 году Байи уже был мэром Парижа.
[Закрыть] тот, вероятно, и вправду нес ответственность за случившееся. Как бы там ни было, Байи отправили на гильотину. Еще одним ученым, погибшим во время революции, был математик маркиз де Кондорсе. Он был убит в тюрьме – его, вероятно, отравили, не дожидаясь казни. Погибли и многие другие ученые, но их имена не так известны.
Описание маскарада у Лавуазье взято из книги: Szabadvary Ferenz, History of Analytical Chemistry (Gordon and Breach, London, 1960); cm. также замечательную биографию Bernadette Bensaude-Vincent, Lavoisier (Flammarion, Paris, 1993,).
Компас с дефектом
Ганс Кристиан Эрстед (1777–1851), профессор из Копенгагенского университета, на одной из своих лекций поставил опыт, направивший развитие физики в новое русло. Эрстеда интересовал магнетизм, но он не разделял мнения своих коллег, полагавших, что магнетизм и электричество (флюиды, как назвал их Ампер) – явления разной природы. Напротив, считал он, это силы, порождаемые всеми веществами, и такие силы способны взаимодействовать друг с другом. Действительно, было известно, что компас на корабле, куда попала молния, иногда меняет полярность. Поразмышляв над этим, Эрстед задался вопросом: начнет ли отклоняться стрелка компаса вблизи тонкого провода, по которому течет ток?
Неясно, почему Эрстед решил проверить свою гипотезу прямо перед аудиторией – для начала он мог бы убедиться в ней сам. Впоследствии он признавался, что испытывал колебания. Благоразумие подсказывало: опыт может и не удаться, и он, Эрстед, будет выглядеть глупо. Тем не менее Эрстед решился действовать. Он пропускал ток по платиновому проводу до тех пор, пока тот не засветился. Компас лежал в точности под проводом, и, прежде чем он успел его сдвинуть, стрелка отклонилась. Эффект был мал и практически незаметен для слушателей, которые отреагировали вяло, однако сам Эрстед был изумлен. Отчего, думал он, ток вдоль оси иглы поворачивал ее в сторону? Как такое может быть?
Он размышлял три месяца, а потом отправился в лабораторию. Наконец, после ряда экспериментов, он понял, что электрический ток инициирует возникновение магнитной силы, и сформулировал известное правило: ток порождает магнитную силу, направленную перпендикулярно течению тока. Двенадцатью годами позднее Майкл Фарадей в Англии и Джозеф Генри в Америке обнаружили и обратную связь: меняющееся магнитное поле порождает электрический ток в проводящем контуре. Джеймсу Клерку Максвеллу оставалось только все это объяснить.
Статья Oersted Hans Cristian в словаре Dictionary of Scientific Biography, ed. C.C.Gillespie (Scribner; New York, 1980).
Освобождение огнем
Мириам Ротшильд, известный зоолог-самоучка, – автор замечательных книг о животных. В книге “Камбалы, блохи и кукушки” она рассказывает, как ей удалось закончить свои исследования об изрядно надоевших ей трематодах, микроскопических червях-паразитах.
Когда начиналась Вторая мировая война, Мириам Ротшильд состояла в штате морской биологической станции в Плимуте. Вызвавшись быть добровольным дежурным, который во время авианалетов подавал бы сигнал опасности, она предложила установить противовоздушное оружие прямо в лаборатории. Руководитель лаборатории отнесся к предложению сдержанно: во время этой войны не будут бомбить города, считал он, а даже если будут, то Плимут обойдут стороной, поскольку каждый знает, что цистерны с топливом пусты, порт здесь не особенно важный, а город в любом случае находится далеко от воздушных путей немецких самолетов. Само собой, авианалеты вскоре начались, и цистерны с топливом, которые вовсе не были пустыми, загорелись. Лабораторию тоже задело.
Когда стемнело, но еще оставалось немного света, чтобы хоть что-нибудь разглядеть, – искусственное освещение у нас, разумеется, не работало, – я, пошатываясь, отправилась в нашу комнату оценить разрушения. Моим глазам открылось невероятное зрелище. Дверь вынесло, комната выглядела пустой, если не считать груды мелких осколков стекла на полу и единственного выжившего обитателя, осторожно прокладывающего себе путь сквозь обломки, – это была ручная птица-травник.
Где все мои блокноты и рукописи? Где рисунки с подписями? Где все культуры промежуточных организмов, зараженные червями рыбы-бычки, сотни больных улиток? Где микроскопы, лабораторный микротом, камера-люцида (прибор для зарисовки образцов), предметные стекла, пробирки, стеллажи, банки? Все пропало. Семь лет работы пошли прахом!
Три дня я не чувствовала ничего, кроме боли в спине. Я была ошеломлена. Опустошена.
Немецкий разведывательный самолет скользнул над пылающими до сих пор цистернами, прорвался сквозь пелену дыма и ушел невредимым. Ждет ли нас прямо сейчас новый налет? Пожар определенно делал цель идеально различимой. Но ничего не происходило.
Следующим утром я обнаружила, что моя птица-травник умерла – от запоздалого шока или от внутренних повреждений, полученных при взрыве.
Наверное, она страдала перед смертью. Было так тяжко смотреть, как она тихо лежит среди осколков стекла – недвусмысленным укором всему человечеству. Я стояла и оплакивала птицу.
Но прошел день, и меня охватило чувство беспричинного возбуждения и легкости. Раньше, до этого страшного налета, я жила словно придаток к моим трематодам. У меня не было ассистентов, и я не могла позволить себе ни заболеть (хотя бы на день), ни каникул, ни выходных. Я должна была холить и лелеять все эти промежуточные формы, нянчиться со всеми этими улитками; пересчитывать, зарисовывать и описывать всех этих восхитительных, но столь недолгоживущих церкарий (личинок-паразитов); измерять все эти раковины; лелеять все эти гнезда, чтобы в них из яиц вывелись птенцы и чтобы эти птенцы выжили. Это означало 16-часо-вой рабочий день без перерывов.
А теперь все мои мучения закончились!
Я тут же упаковала чемоданы и уехала из Плимута, чтобы никогда не возвращаться туда. Я и понятия не имела, что вскоре цветущие поля и бабочки заменят мне плавающих церкарий и беспокойный Атлантический океан. Так немецкие военно-воздушные силы сделали меня свободной – хотя бы на некоторое время.
Creation to Chaos: Classic Writings in Science, ed. Bernard Dixon (Blackwell, Oxford, 1989).
Небольшое – это мало или много?
В 1930-е Лео Сцилард мучительно размышлял над тем, возможна ли цепная ядерная реакция и, как следствие, создание атомной бомбы. В 1939 году он встретился в Вашингтоне с Исидором Раби, и Раби рассказал Сциларду, что те же самые мысли посещали великого итальянского физика Энрико Ферми, который к тому времени тоже перебрался в Соединенные Штаты, и, однако, не изъявлял желания всерьез заниматься этим вопросом. Сцилард настаивал, что позвонить Ферми нужно непременно.
“Ферми не оказалось на месте, – вспоминал впоследствии Сцилард, – поэтому я попросил Раби поговорить с ним и предупредить, чтобы тот держал подобные вещи в тайне, поскольку весьма вероятно, что, если при делении урана нейтроны все же испускаются, это может привести к цепной реакции, а она – ключ к созданию атомной бомбы. Спустя пару дней я снова заглянул к Раби: ‘Бы разговаривали с Ферми?” – “Да, разговаривал” – “И что Ферми сказал?” – “Ферми сказал: это – безумие!”– “А почему он сказал “безумие”?” – “Ну, я не знаю, но он сейчас у себя, можете просто взять и спросить”. Мы отправились к Ферми, и Раби обратился к нему так: “Смотрите, Ферми, я вам передал, о чем размышляет Сцилард, и вы сказали “это – безумие”, а теперь Сцилард хочет знать, почему вы так сказали”. На это Ферми отвечал: “Ну, есть небольшая вероятность, что при делении урана образуются нейтроны, и в таком случае, разумеется, цепную реакцию можно провести”. Раби уточнил: “Что вы имеете в виду под “небольшой вероятностью”?” – и Ферми сказал: “Ну, десять процентов”. Раби возразил: “Десять процентов – вовсе не небольшая вероятность, когда речь о том, погибнем мы или нет. Если у меня пневмония и врач заявляет: есть небольшая вероятность, что я умру, и эта вероятность десять процентов – я определенно разволнуюсь”.
После этой встречи Сцилард осознал, насколько по-разному он и Ферми могут отнестись к одному и тому же научному факту. “Мы оба старались быть консерваторами, – позже вспоминал Сцилард. – Но Ферми считал: приуменьшать вероятность, что произойдет нечто новое, – это и есть консервативный поступок; для меня же консервативным поступком было предположить, что новая неприятность случится, и принять все необходимые предосторожности”.
Как мы знаем, вскоре всем стало ясно, что Сцилард был прав. Его биографы убеждены, что разница во взглядах Сциларда и Ферми отражает разницу их мировоззрений: “По сути, для Ферми наука и жизнь были тождественны, тогда как Сциларду наука казалась предметом приложения усилий, тесно переплетенным с политикой и личными амбициями” Ужиться вместе настолько разным людям было трудно. Когда, к примеру, Ферми стал руководителем проекта по сооружению первого атомного реактора, где предстояло проверять возможность цепных реакций, он часто подгонял своих рабочих, а однажды, не выдержав, сам закатал рукава и принялся затаскивать тяжелые графитовые блоки в здание. Сцилард же с отвращением относился к какому бы то ни было физическому труду, и его уговорить помочь рабочим не удалось. Ферми тогда сильно разозлился на Сциларда. Этот эпизод надолго их рассорил.
Lanouette W., Szillard В., Genius in the Shadows. A Biography of Leo Szillard (Scribner, New York, 1993)
Как Герц открыл радиоволны
В 1886 году Генрих Герц, чьим именем названа единица частоты (в Герцах измеряют, к примеру, число электромагнитных колебаний в секунду), был молодым профессором Университета Карлсруэ, тихой учебной заводи, где он вел курсы вроде метеорологии для агрономов. Располагая минимумом средств и не слишком веря в успех, он прилагал все усилия, чтобы в университете велись хоть какие-то научные исследования. Его самого занимало электромагнитное излучение и в особенности теория Максвелла. Летом 1886-го он женился, и в день его великого открытия, в ноябре того же года, жена Герца, весьма интересовавшаяся его работой, оказалась у него в лаборатории. Герц приспособил индукционную катушку, чтобы генерировать гигантские искры в зазоре между парой небольших сфер на концах металлических стержней. Это была довольно обычная установка для демонстрационных опытов, однако Герц внес в нее кое-какие усовершенствования: стержни были длиннее, а сферы на концах, служившие конденсаторами, где накапливался заряд, больше, чем обычно. Ширину зазора можно было варьировать, а реостат (проводник с переменным сопротивлением) регулировал разность потенциалов в зазоре. Доведя сопротивление реостата до нуля, чтобы вызвать разряд, Герц с удивлением заметил, что слабые искры не прекращают проскакивать. На скамье рядом с прибором лежала еще одна металлическая катушка с парой контактов, куда были насажены сферы, а между ними оставлен зазор для искрового разряда. Во время работы с индукционной катушкой Герц (или, может, его жена) заметили не только ослепительную вспышку между сферами того контура, который катушка подпитывала, но и едва различимые искры в катушке поодаль (которая не была никуда подключена). Ученому выпал редчайший шанс. Как впоследствии писал он сам, “невозможно было прийти к этому явлению, основываясь только на теории”.
Тогда Герц осознал, что странное и необъяснимое происшествие – знак чего-то нового. Совсем немного времени потребовалось, чтобы заключить, что контур-приемник реагировал именно на колебания тока в искровом промежутке первого контура, и измерить частоту колебаний с помощью простейшего стробоскопа – вращающегося зеркальца. Герц показал, что он наблюдал вовсе не явление индукции, как предполагал вначале: до катушки-детектора добиралось излучение, которому для этого приходилось пройти сквозь всю комнату. Длина волны излучения была невероятно большой, зато путешествовало оно со скоростью света. Так был открыт путь к радио и всему, что за ним последовало. До технологической революции, вызванной его открытием, Герц не дожил: вскоре он умер от заражения крови в возрасте 36 лет. Случилось это в Бонне – ученый переехал туда, поскольку ему предоставили более высокую должность в Боннском университете. Вот что Герц писал родителям незадолго до смерти:
Что бы со мной ни стряслось, не печальтесь. Наоборот, вам стоит слегка гордиться – ведь я из тех избранных, которым отведено прожить недолго и при этом ровно столько, сколько следует. Я не выбирал себе такую судьбу, но, раз она мне досталась, следует ею довольствоваться; и, если бы мне дали право выбирать, я, возможно, ее бы и выбрал.
Это напоминает слова Энрико Ферми, который умер – и тоже обидно рано – спустя 70 лет. “Столь ранняя смерть не слишком меня беспокоит, – заявлял Ферми, – поскольку большую часть того, на что я был способен, я сделал”.
Обнаружение радиоволн – пример синхронного открытия, какие часто встречаются в истории науки. Идеи носятся в воздухе. Англичанин Оливер Лодж наблюдал электромагнитное излучение в том же году, что и Герц. Однако вместо того, чтобы написать статью, он отправился покорять Альпы, собираясь по возвращении подготовить работу к печати.
Но было уже поздно: в Лондоне его поджидало известие о статье Герца. Удивительно, но, похоже, Лодж не слишком тогда расстроился.
Воспоминания сестры Генриха Герца: Hertz Johanna, Heinrich Hertz: Memoirs, Letters, Diaries (San Francisco Press, San Francisco, 1977); а также: Susskind Charles, Heinrich Hertz: A Short Life (San Francisco Press, San Francisco, 1995).
