Научные консультанты:

Александр Павлович Васильков, кандидат физико-математических наук, Илья Николаевич Горькавый, кандидат технических наук, Александр Юрьевич Исупов, кандидат физико-математических наук, Владислав Вячеславович Сыщенко, доктор физико-математических наук.

Михайло был из крестьян, он вырос в глухой деревне Холмогоры возле Белого моря – и была ему уготована отцовская судьба: ходить за сохой да тащить невод с рыбой. Но больше всего на свете Михайло хотел постичь науки, увидеть разные страны и разгадать – почему гремят грозы и отчего светят полярные сияния. Но отец даже слышать не хотел про то, чтобы отпустить сына на учение. Тогда девятнадцатилетний Михайло надел тулуп, взял котомку с двумя книжками: «Грамматикой» и «Арифметикой» – и в декабрьский лютый мороз убежал из дома. Три дня и три ночи он шёл пешком по заснеженной дороге, по санному следу, пока не нагнал рыбный обоз – и не попросился ехать с рыбаками.

– Он же мог замёрзнуть насмерть! – ужаснулась Галатея. – Или его могли съесть волки!

– Да, это был отчаянно смелый план, – согласилась Дзинтара. – Но Михайло был богатырь, и он очень хотел учиться!

В северном безлюдье, заросшем болотистым лесом, нет дорог, их роль зимой заменяли замёрзшие реки. Рыбаки из Холмогор пользовались холодами, чтобы отвезти мороженую рыбу в город.

…Убаюкивающий скрип санных полозьев по стылому снегу сменялся на громыхание и тряску, когда рыбный обоз проезжал по бугристому речному льду, с которого резкий ветер смёл снег. В санях обоза ехал рослый Михайло. Он охотно помогал толкать застрявшие в сугробах сани и собирать сушняк для костров во время ночёвок. Рыбаки знали, что парень едет в город учиться, – и посмеивались над этим у вечернего трескучего костра. «Дык, разве учение поможет поймать больше рыбы?» Михайло в ответ отшучивался и присутствия духа не терял. Вот только ночью приходили в голову разные тревожные мысли: как там живётся, в невиданном доселе городе? Справится ли он? Говорят, для учения языки надо знать хорошо: латынь, немецкий. А с этим в Холмогорах было непросто. Неграмотный отец был против мечты сына – и даже решил его женить, чтобы дурь из головы выбить. Но какая-то неодолимая сила толкала парня вперёд, в бурную неизвестность. Перерос он Холмогоры, тесно ему было там.

И вот спустя три недели после начала путешествия, в январе 1731 года, рыбный обоз прибыл в Москву.

Михайло шёл по улице и дивился. Народищу-то сколько! Дома-то какие здоровенные!

В те времена в России учёба была привилегией дворян. Чтобы учиться, Михайло пошёл на обман: подделал документы, сказался не крестьянским, а дворянским сыном. И его взяли в единственное в то время высшее учебное заведение России – Славяно-греко-латинскую академию. Малолетние ученики посмеивались над взрослым Михайло, но именно он стал самым знаменитым выпускником академии.

Следующие десять лет прошли в бедности и в упорной учёбе. Михайло Ломоносов учился в Москве, Киеве, Германии, Голландии, Санкт-Петербурге – и к своим тридцати годам превратился из крестьянского парня в талантливого учёного, владеющего латынью и несколькими европейскими языками. Ломоносов был исключительно многогранным человеком, но исследование молний и северных сияний заняло важное место в его трудах.

Второй рыцарь – Георг родился в семье прибалтийских немцев. Он был сверстником Михаила и вообще не знал своего отца, который умер от чумы ещё до рождения Георга. Но с учением ему повезло больше – он без особых помех начал учёбу в Таллине, а продолжил в Германии. В результате он стал домашним учителем детей немецкого графа. Когда тот вместе с детьми и их учителем переехал в Санкт-Петербург, Георг очень обрадовался – ведь здесь находилась известная Санкт-Петербургская академия наук и художеств. Георг Рихман подал в академию своё сочинение по физике с просьбой принять его в академию – и стал её студентом. К своим тридцати годам Георг Рихман стал опытным учёным – и подружился с Михаилом Ломоносовым, который к тому времени уже стал профессором академии.

Третьим, кто бросил вызов молнии, стал Бенджамен. Он родился в Америке, в городе Бостоне. У его отца-ремесленника было 17 детей, а Бенджамен был пятнадцатым. Отец отдал сына в школу, но денег хватило только на год учёбы. Так как мальчуган очень любил читать, то отец определил двенадцатилетнего Бенджамена подмастерьем в типографию своего старшего сына. Мальчик печатал и сам продавал газеты на улицах Бостона. Ему очень хотелось написать что-нибудь в газету своего брата, но тот только смеялся над малолетним подмастерьем. Тогда Бенджамен написал письмо в газету от имени пожилой вдовы – и тайно подсунул письмо под дверь типографии. Письмо «вдовы» понравилось – и было напечатано. 16 «вдовьих» писем, опубликованных в газете, вызвали огромный интерес и розыски таинственной «вдовы». Когда мальчик Бенджамен признался в своём авторстве, то все пришли в восторг от его писательского таланта, только хозяин типографии оказался недоволен славой своего младшего брата, которого он даже стал поколачивать. Бенджамен ушёл из дому и отправился на юг – в Нью-Йорк, и далее – в Пенсильванию.

– Мама, как же так – уже второй герой твоей истории бежит из дому! – воскликнула Галатея.

– В те времена жизнь людей была очень трудна, – вздохнула Дзинтара. – У них не было денег на обучение. Еда и крыша над головой заботили их больше всего – и, как правило, сыновья продолжали налаженное дело отцов. Если подросток стремился к своей мечте, то он должен был взбунтоваться против этой рутины. Далеко не всегда это приводило к успеху, но без сопротивления существующему порядку вещей ни учёный, ни изобретатель появиться на свет не может. Они – бунтари по своей природе.

Жизнь бунтарей трудна. Бенджамен Франклин голодал, перебивался случайными заработками и работал подмастерьем в типографии. Он совершил путешествие в Лондон и после многочисленных приключений, в возрасте 21 года, основал в Филадельфии свою собственную типографию и стал выпускать «Пенсильванскую газету» и ежегодник с разной занимательной информацией. Бенджамен имел склонность к изобретательству – и даже сконструировал печь новой конструкции.

Достигнув сорокалетнего возраста, Франклин занялся изучением молнии и электрических явлений.

…В 1733 году француз Шарль Дюфе объявил о существовании двух видов электричества – стеклянного, возникающего от трения стекла о шёлк, и смоляного, вызванного трением смолы о шерсть.

Дюфе писал, что открыл принцип: «…проливающий свет на электрическую материю. Этот принцип заключается в том, что существует два рода электричества, одно из которых я называю стеклянным электричеством, а другое – смоляным электричеством. Первое находится в стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, волосах, шерсти и во многих других телах. Второе – в янтаре, в камеди, шелке, нити, бумаге и в большом количестве других веществ. Характерным для этих двух электричеств является способность отталкивать и притягивать объекты. Так, если тело обладает стеклянным электричеством, оно отталкивает тела, содержащие такое же электричество, и наоборот, притягивает всё то, что имеет смоляное электричество. Соответственно смоляное электричество отталкивает смоляное и притягивает стеклянное».

Франклин, проводя свои электрические опыты, пришёл к выводу, что смоляное и стеклянное электричество являются проявлением одной субстанции – «электрической жидкости», только находящейся в разных условиях. Он ввёл понятие положительных и отрицательных электрических зарядов и выдвинул идею электрического двигателя.

Франклин изучил и объяснил действие недавно созданной «лейденской банки», которая представляла собой простейший конденсатор и могла хранить значительное количество электрического заряда. В 1750 году Франклин опубликовал работу, в которой предложил провести эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу.

– Он решил подразнить электрического дракона! – воскликнула Галатея. – Запустить перед самым его носом игрушечного змея!

– Франклин понимал, что это очень опасно, поэтому, подняв летом 1752 года змея в грозовую тучу, он не стал дожидаться молнии, а с помощью ключа, надетого на бечеву, доказал, что гроза содержит в себе такое же электричество, что и лейденская банка.

– Как он это сделал с помощью ключа? – полюбопытствовал Андрей.

– Он заметил искры, исходящие от ключа, надетого на бечеву, конец которой удерживал рукой. Этот простой эксперимент позволил Франклину доказать тождество атмосферных громыхающих молний и «домашнего» электричества в виде искр от лейденской банки или от шерстяной одежды зимой.

– Тем самым он смог перенести изучение небесного дракона в лабораторию!

– Верно. В лаборатории изучать электричество было гораздо безопаснее, чем в грозовой туче. Франклин понимал угрозу, которую несёт в себе мощь электрического дракона. Он, рассматривая электричество как жидкость или электрический огонь, указывал на важность заземления, то есть стока небесного электричества в землю.

Франклин сделал в своём доме первый громоотвод (или молниеотвод). Он крепился к верхней части дымохода и возвышался над ним почти на три метра. От основания этого стержня проволока толщиной с гусиное перо шла через стеклянную трубку в крыше и далее – вниз по лестнице, мимо двери спальни Франклина, к хорошо заземлённому железному насосу. Напротив своей двери Франклин сделал от основной проволоки два ответвления и подвесил на них колокольчики. Между ними он поместил латунный шар на шёлковой нитке, рассчитывая, что грозовое электричество, проходящее по проводу, заставит шарик колебаться и звонить в колокольчики. Действительно, во время грозы вся эта конструкция звенела и искрила. Кроме всего прочего, Франклин заряжал таким способом стеклянные лейденские банки для своих опытов.

– Он уже заставил работать на себя небесного дракона! – удовлетворённо воскликнула Галатея.

– Да, но пока совсем немного. Но всё равно это дракону не нравилось – и он «рычал».

Однажды Франклин был разбужен громким треском на своей лестнице. Он выглянул из двери и увидел, как латунный шарик, вместо того чтобы звонить в колокольчики, отстранился от них. Между колокольчиками проскакивали яркие искры, а потом возникла электрическая дуга толщиной в палец, которая так ярко светила, что лестница была освещена как днем. Франклин отмечал – при этом свете «можно было собирать иголки».

– Так это он открыл, что электричеством можно освещать дома? – спросил Андрей.

– Ну… в общем-то, да, хотя до изобретения первой электролампы оставалось ещё много времени. Когда Франклин уехал по делам в Лондон, он оставил свой молниеотвод…

– Вернее – драконоулавливатель! – отметила Галатея.

– …в полной готовности к грозам. Внезапный громкий звон и яркие искры на лестнице так пугали жену Франклина, что она написала мужу письмо в Лондон с просьбой, чтобы он отключил своё электро-грозовое устройство.

Примерно в это же время к исследованию электрического дракона приступили Рихман и Ломоносов.

Для измерения электрической силы молнии Рихман изобрёл электроскоп – прибор для количественного измерения заряда, который несёт в себе молния. Он установил на доме металлический стержень, провод от которого он подвёл к своему электроскопу. Рихман, конструируя свой прибор для исследования молний, присоединил его проводом к внешнему стержню, но не стал заземлять, считая, что измерения заряда молний будут точнее без заземления.

Михаил Ломоносов, соавтор Георга Рихмана по электрическим исследованиям, установил у себя такую же «громовую машину» и занялся теоретическими исследованиями электричества и полярных сияний. Он рассматривал электрический ток как поток корпускул, чем значительно опередил современные представления об электрическом токе. Например, Ломоносов выдвинул гипотезу о связи электрических и световых явлений и задался следующим вопросом: «Будет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованных стекле и воде?» Эффект, который предвидел Ломоносов, действительно существует: он был открыт почти полтора века спустя шотландским оптиком Джоном Керром. Подтвердились и прозорливые идеи Ломоносова о том, что свет свечи или солнца тоже имеет электрическую природу, как и тепловые явления, – ведь в основе всех этих эффектов лежит движение мельчайших частиц материи. Ломоносову принадлежит множество выдающихся достижений в различных областях науки, например открытие атмосферы у Венеры. При наблюдении прохождения этой планеты по диску Солнца учёный обнаружил, что при сближении с краем солнечного диска возле диска Венеры вспыхнул яркий ободок, или «пупырь», вызванный рассеянием солнечных лучей в венерианской атмосфере. Это было первое наблюдательное доказательство существования атмосферы у небесного тела.

Новости о впечатляющих опытах Франклина с молнией достигли и России. К опытам Рихмана с интересом отнеслась российская императрица Елизавета – и даже выделила во дворце специальную комнату для его приборов. В этой комнате Рихман не раз демонстрировал иностранным послам и российским вельможам свои электрические опыты. Летом 1753 года, когда над Петербургом собралась гроза, императрица с вельможами решили посмотреть, как Рихман собирает энергию грозы в свой электроскоп. Рихман демонстрировал искры, которые рассыпались от его установки при грохоте молний за окном. Императрицу слегка ударило током, но Рихман успокоил её, рассказав о том, как один учёный наэлектризовал свою даму сердца, от чего в науке появилось понятие «электрического поцелуя». Придворные улыбались забавной истории, забыв о крутом нраве электрического дракона.

Опыты Рихмана и Ломоносова регулярно освещались в «Санкт-Петербургских новостях». По результатам своих электрических исследований друзья готовили совместный доклад на заседании Академии наук, которое должно было состояться в начале сентября 1753 года. Поэтому Рихман и Ломоносов старались не пропустить ни одной летней грозы.

6 августа они собрались в доме Рихмана возле установки для измерения заряда молнии, но тут Ломоносова позвали обедать жена и дочь. Он был голоден и решил отлучиться ненадолго.

С Георгом Рихманом оставался гравёр Иван Соколов.

– А зачем нужен был гравёр при таком эксперименте? – полюбопытствовала неугомонная Галатея.

– Тогда ещё не было фотоаппаратов, и научный опыт иллюстрировался рисунком в книге, который для печати должен был быть выгравирован на специальной металлической пластине. Поэтому гравёр работал как художник: он должен был увидеть происходящее, а потом перенести это на гравюру – для последующей печати в типографии.

– Значит, гравёр был живым фотоаппаратом, – кивнула Галатея, радуясь своей догадке.

– Когда разразилась гроза, Рихман стоял в тридцати сантиметрах от своего прибора. К несчастью, опыт пошёл не так, как ожидал Рихман, недооценивший силу электрического дракона. После разряда молнии, попавшей во внешний стержень, из прибора с пушечным грохотом вылетела ярко-синяя шаровая молния, которая ударила учёного в лоб. Рихман погиб, а оглушённый гравёр Соколов упал.

Соколов выполнил свою миссию и создал гравюру, на которой изобразил смерть Рихмана. Весь мир узнал про эту трагедию, а исследования атмосферного электричества были временно запрещены в России. Ломоносов, сильно переживавший из-за смерти друга и коллеги, писал: «Рихман умер прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет». Ломоносов хлопотал о пенсии для семьи погибшего друга и беспокоился, чтобы этот трагический случай не был использован как повод для запрета научных исследований. Смерть Рихмана стала предупреждением всем исследователям атмосферного электричества и спасла жизни многих других людей.

Работы Франклина, Рихмана и Ломоносова сделали XVIII век первым веком научного исследования молний и электричества. Прежде всего, был найден надёжный и до сих пор применяющийся способ защиты от молний. Убедившись в том, что его громоотвод – или молниеотвод – хорошо защищает дом от молнии, Франклин опубликовал способ защиты от молний в своём ежегоднике «Альманах Бедного Ричарда» в 1752 году.

«Способ этот таков, – писал Франклин. – Возьмите тонкий железный стержень (каким, например, пользуются гвоздильщики) длиною достаточною для того, чтобы три-четыре фута одного конца опустить во влажную землю, а шесть-семь другого поднять над самой высокою частью здания. К верхнему концу стержня прикрепите медную проволоку длиной в фут и толщиной с вязальную спицу, заостренную как игла. Стержень можно прикрепить к стене дома бечёвкой (шнуром). На высоком доме или амбаре можно поставить два стержня, по одному на каждом конце, и соединить их протянутой под коньками крыши проволокой. Дому, защищённому таким устройством, молния не страшна, так как остриё будет притягивать её к себе и отводить по металлическому стержню в землю, и она уже никому не причинит вреда. Точно так же и суда, на верхушке мачты которых будет прикреплено остриё с проволокой, спускающейся вниз на палубу, а затем по одному из вантов и обшивке в воду, будут предохранены от молнии».

«Альманах Бедного Ричарда» имел огромный по тем временам тираж – 10 000 экземпляров. Прочитав его, многие американцы стали устанавливать на свои дома «франклиновские стержни». Во время грозы 1760 года молния на глазах очевидцев ударила в дом филадельфийского купца Уэста, снабжённый громоотводом Франклина, – и дом не сгорел, как часто бывало после удара молнии.

В Европе громоотвод приживался трудно. В 1780 году один из жителей французского города Сент-Омер установил громоотвод на крыше своего дома. Соседи через суд потребовали снять его: они считали, что, отводя молнию от своего дома, владелец громоотвода наводит её на соседей, а перед Богом все должны быть равны. И судья согласился с этим доводом!

В Англии в споры вокруг громоотводов Франклина вмешался сам король Георг III, который попросту запретил их: ведь их изобретатель Франклин выступал за независимость американских колоний Англии, чем ужасно злил английского короля.

– Значит, Георг Рихман пожертвовал жизнью, чтобы спасти других людей от молний, а другой Георг – Георг III – рискнул жизнью своих подданных из-за своих антипатий? – сказал задумчиво Андрей.

– Душевное величие человека трудно измерить каким-либо прибором, но, полагаю, что оно – увы! – не растёт с высотой общественного положения человека, – вздохнула Дзинтара. – Франклин стал политиком и внёс огромный вклад в дело независимости Америки, а также основал один из старейших университетов Америки. Ломоносов стал просветителем России и создал проект Московского университета, который сейчас носит его имя. Эти два энциклопедиста стали ярчайшими фигурами XVIII века. Эстафету электрических исследований у них подхватил другой исследователь – итальянец Вольта. Он понёс дальше искрящийся факел электрической науки.

– Мама, – воскликнула Галатея. – Давай установим у нас дома громоотвод с колокольчиками, как у Франклина!

– Нет! – решительно сказала Дзинтара.

– Ну почему… – заныла Галатея.

– Потому что первые исследователи молний показали, насколько опасно атмосферное электричество. Надо уважать знание, которое добыто такой дорогой ценой. Электрический дракон живет сейчас в розетках, но он подчиняется людям только тогда, когда они следуют определённым правилам. Стоит нарушить хотя бы одно их них – и трагедия неминуема. И главное правило обращения с электрическим драконом гласит, что с ним должны иметь дело только квалифицированные люди, прошедшие специальное обучение. Даже при этом сохраняется риск того, что дракон вырвется на волю: ведь тайна шаровых молний до сих пор не раскрыта – и никто не знает, как они возникают и что собой представляют…

– Тайна шаровых молний ещё не раскрыта… – протянула Дзинтара, и глаза её заискрились самым электрическим образом.

Примечания для любопытных

Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) – великий русский учёный-энциклопедист, химик, физик, поэт, художник, просветитель. Создатель проекта Московского университета, который носит его имя. Исследователь атмосферного электричества. Универсальный человек.

Георг Рихман (1711–1753) – видный немецкий учёный, друг Ломоносова и исследователь атмосферного электричества. Погиб от удара шаровой молнией при эксперименте.

Бенджамен Франклин (1706–1790) – выдающийся американский учёный, политик и издатель. Исследователь атмосферного электричества и изобретатель громоотвода (молниеотвода). Универсальный человек.

Шарль Дюфе (1698–1739) – французский физик, член Парижской академии наук. Один из первых исследователей электрических явлений.

Джон Керр (1824–1907) – шотландский физик, один из пионеров электрооптики. В 1875 году он наблюдал в изотропном веществе, которое поместил в электрическое поле, явление двойного лучепреломления.

Лейденская банка – первый электрический конденсатор. Создан в городе Лейден в 1745 году голландскими учёными Питером ван Мушенбруком (1692–1761) и Андреасом Кюнеусом. Годом ранее принцип конденсатора был открыт лютеранским священником Эвальдом фон Клейстом (1700–1748).

Алессандро Вольта (1745–1827) – выдающийся итальянский учёный-физик, создавший в 1800 году первую электрическую батарею, дававшую постоянный ток, и открывший новую эру в изучении электричества. В его честь названа единица измерения электрического напряжения – вольт.

Шаровая молния – малоизученное электрохимическое явление. Представляет собой возникающий при грозах огненный шар, летящий по воздуху и несущий в себе значительное количество энергии. Смертельно опасное явление, которое послужило причиной гибели Георга Рихмана, одного из первых исследователей молнии.

– Вот так учёный! – удивилась Галатея. – Он писал о физике стихи!

– Да. Великий римский поэт Лукреций тоже любил излагать научные соображения в виде стихов, – улыбнулась Дзинтара. – Узнав о работах Франклина, 23-лет-ний Алессандро первым установил в Комо молниеотвод с колокольчиками, поразив этим устройством горожан.

Алессандро Вольта написал диссертацию по электрическим опытам с лейденскими банками и в 34 года стал профессором университета в итальянском городе Павии. Спустя несколько лет он узнал об электрических опытах итальянца Гальвани, профессора Болонского университета.

Луиджи Гальвани был врачом и физиком, и на его лабораторном столе размещались и препарированные лягушки, и электрические устройства. Он был женат на Лючии – дочери своего учителя. Юная Лючия с детства привыкла к научным экспериментам в доме отца и охотно посещала лабораторию мужа. Препарировать лягушек ей не нравилось, а вот ручку электрофорной машины, которая давала такие яркие электрические искры, Лючия крутила с большим удовольствием.

Однажды Лючия извлекала искры из своего любимого прибора, а ассистент Гальвани готовил мёртвую лягушку для одного из опытов профессора. Ассистент затронул металлическим скальпелем обнажённый нерв лягушки – и лапка неожиданно задергалась. Наблюдательная Лючия заметила, что в этот момент её машина дала яркую искру – и одновременно между скальпелем и лапкой, находящихся на другом конце стола, проскочила электрическая искра.

Лючия сразу же сообщила Гальвани о своём наблюдении. Тот немедленно забыл первоначальную цель эксперимента и приступил к исследованию нового явления. К тому времени уже был хорошо известен феномен генерации электричества электрическими скатами и угрями. Гальвани тщательно изучил явление дёргающейся лягушачьей лапки и обнаружил, что она дёргается и без электрофорной машины, – если к лапке присоединить цепь из различных металлических предметов (например, железный ключ и серебряную монету).

Гальвани опубликовал свои наблюдения, сделав вывод, что искра, на которую отреагировала лапка лягушки, была вызвана «животным электричеством», созданным внутри самой лягушки.

Это заключение выглядело совершенно логичным на фоне тогдашних исследований электрических рыб. В те времена врачи даже прописывали некоторым больным целебные удары током от электрического угря – и такая медицинская процедура стоила немалых денег. Эксперименты Гальвани вызвали сенсацию среди исследователей!

Галатея хмыкнула:

– И панику среди лягушек, которые вряд ли обрадовались новости, что они оказались очень интересными электрическими лягушками!

Андрей задумчиво сказал:

– Сделав вывод, что источником тока является сама лапка, Гальвани пренебрёг наблюдением своей жены – и счёл факт того, что рядом с дёргающейся лапкой работала электрофорная машина, несущественным.

– И это пренебрежение привело к ошибке. Да, конечно, в живых существах бродят электрические токи по нервам, которые представляют собой трубки с проводящей жидкостью, но эти токи очень слабы – и после смерти уже не могут вызвать такие сокращения мышц, которые наблюдал Гальвани в своём эксперименте.

Алессандро Вольта тоже повторил опыты с лягушкой, но не согласился с заключением старшего коллеги. Алессандро предположил, что лягушачья лапа служила лишь точным электрометром – измерителем тока, а сам ток был внешним и возникал при соединении разных металлов.

– Или при действии электрофорной машины, – уточнил педантичный Андрей.

Дзинтара заметила:

– Этот момент научных исследований всегда меня занимал. Как единственно верная идея приходит в голову учёного, освещая совершенно иным светом обсуждаемые эксперименты?

Нужно отметить, что настоящему учёному непременно нужно знать очень многое – иначе он не сумеет свести разные явления в одну картину. Вольта был очень хорошо образован и знал об опытах швейцарского врача Жан-Жака Зульцера, который сообщал, что если положить на язык соединённые кусочки олова и серебра, то на языке появится кислый вкус, в то время как по отдельности олово и серебро такого ощущения не вызывают. Вольта заподозрил, что здесь происходит тот же электрический процесс, что и в опытах Гальвани, – только мёртвая лягушка «заменяется» живым языком. Он повторил опыт Зульцера и ощутил, как он пишет: «вкус электричества» или «такой же кисловатый вкус, что и при приближении языка к кончику искусственно наэлектризованного проводника…».

Вольта экспериментировал с серебряными ложками, золотыми монетами, цинковыми и оловянными пластинками…

В одном из экспериментов он взял четырех помощников и выстроил их на полу, покрытом изолятором – смолой. Первый взял в мокрую руку цинковую пластинку, а пальцем другой руки коснулся языка второго помощника.

– Пальцем – в язык? – поморщилась Галатея.

– Наука требует жертв! – ответил Андрей.

– Второй помощник прикоснулся мокрым пальцем к глазному яблоку третьего помощника. Тот вместе с четвёртым держали в руках свежевыпотрошенную лягушку. Четвёртый помощник в свободной руке держал серебряную пластинку – и когда он прикасался ею к цинковой пластинке в руке первого помощника, то лягушка дёргалась, во рту второго помощника появлялся кислый вкус, а третьему казалось, что из его глаз сыплются искры.

– Спасибо науке, что не заставила держать дохлую лягушку во рту! – проворчала Галатея.

– Не будь такой капризной, тебе же сказали – лягушка была свежей! – укорил брат сестру.

– Этот эффектный опыт убедил Вольту, что источником электричества стали два соединённых куска разных металлов. Но как сделать эффект сильнее? Вольта опустил в раствор серной кислоты электроды из цинка и меди, соединённые проводом. Цинковый электрод стал растворяться, зато возле медного электрода стали подниматься пузырьки. Вольта легко убедился, что по проводу пошёл ток!

– Почему между двумя пластинками, попавшими в кислоту, возник электрический ток? – удивилась Галатея.

Дзинтара стала объяснять:

– Что происходит в растворе серной кислоты, в которую опущены цинковая и медная пластинка, соединённые проводом? Молекула серной кислоты H₂SO₄ плавает в воде как хищная рыба. Эта молекула состоит из атома серы, к которому прочно присоединена двойными связями пара атомов кислорода. Ещё два атома кислорода прикреплены к атому серы единичной связью. Другая связь атомов кислорода занята парой атомов водорода. В растворе серной кислоты эти атомы водорода могут отрываться и плавать в виде двух положительно заряженных протонов. Когда молекула серной кислоты теряет два своих атома водорода, у неё «портится характер» – она становится свободным радикалом или отрицательным анионом SO₄. Этот анион ужасно агрессивен: если он встречает на своём пути металлический электрод, то он набрасывается на него, как пиранья.

– Как пиранион! – придумала новое слово Галатея.

– Анион, или свободный радикал, орудуя парой свободных связей кислорода как зубами или клешнями, выкусывает из металлической стенки положительно заряженный атом металла. Присоединив к себе атом металла, анион «успокаивается», превращаясь в малоактивный сульфат, или соль этого металла. Металлический электрод, у которого кислота откусила положительный ион, остаётся с парой лишних электронов – и оказывается заряженным отрицательно. Благодаря этому, он притягивает к себе положительные ионы водорода или протоны, отдавая им электрон и превращая в пузырьки водорода. Поэтому если положить в серную кислоту кусочек цинка, то он начнёт пузыриться водородом. Но ситуация кардинально меняется, если в кислоту опустить медную пластинку – и присоединить её проводом к цинковому электроду. В такой паре пузыри водорода выделяются только на медном электроде, в то время как цинковый электрод будет быстро темнеть, разрушаемый кислотой.

– А почему водород перестает пузыриться на цинковом электроде? – спросил Андрей. – Ведь он выделялся, пока не был опущен медный электрод.

– Когда медный электрод появился в растворе кислоты, то часть электронов из разрушающегося цинкового электрода перебежала на него, зарядив медь отрицательно. И тогда медь тоже стала притягивать к себе плавающие в растворе кислоты ионы водорода и снабжать их электронами – отчего они образовали молекулы водорода и пузырьки.

– Не понимаю, – нахмурилась Галатея. – А почему медный электрод не разрушается в кислоте?

– Хищные анионы атакуют оба электрода, но от цинка или железа им откусывать ионы гораздо легче, чем от меди или серебра. Поэтому цинковый электрод заряжается быстрее медного и по проводу перебрасывает на него избыток своих электронов. А отрицательный заряд отталкивает от медного электрода хищные анионы, которые тоже заряжены отрицательно.

…Убедившись, что чашка с кислотой и парой электродов дает ток, Вольта стал экспериментировать с цепью из таких чашек, а потом придумал конструкцию, которая была удобнее при опытах. Он взял медную и цинковую пластинки, разделил их войлоком, смоченным серной кислотой, и получил простой элемент, вырабатывающий электричество. Сложив несколько таких элементов в столбик, Алессандро Вольта создал конструкцию, которая стала всемирно известна как «вольтов столб».

20 марта 1800 года Алессандро Вольта послал письмо президенту Лондонского королевского общества. Письмо, озаглавленное: «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ», гласило: «Имею удовольствие сообщить Вам, сеньор, а через Ваше посредство и Королевскому обществу о некоторых поразительных результатах, полученных мною… Главный… это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т. п., сходен с лейденской банкой или со слабо заряженной электрической машиной, но который, однако, действует непрерывно, одним словом, дает непрерывный поток электрического флюида».

Президент Королевского общества баронет Джозеф Бэнкс показал письмо Вольты своим друзьям – лондонскому врачу Энтони Карлейлу и инженеру Уильяму Никольсону. Те загорелись идеей Вольты – и уже 30 апреля сложили по его описаниям столб из семнадцати пар пластинок и ткани, смоченной серной кислотой.

– Сделаем какой-нибудь эксперимент с этим «вольтовым столбом»! – предложил Энтони.

Уильям в это время, чертыхаясь, отмывал под струей воды обожжённый кислотой палец. Джозеф, спокойно покуривая трубку в удобном кресле, сразу согласился с этим предложением. Уильям взял стеклянную трубку с водой, заткнул её пробками, через которые пропустил латунные проводки, – и присоединил провода к разным полюсам вольтовой батареи. Одна латунная проволочка в воде начала темнеть и покрываться налетом, от другой побежали пузырьки какого-то газа.

– В состав воды входит водород! – сказал Джозеф. – Ага, – мрачно сказал Уильям. – Я слышал, что он взрывается.

– Надо проверить! – добродушно сказал Джозеф из кресла.

Уильям смешал полученный газ с равным количеством воздуха и поджёг, предварительно отвернувшись. Раздался громкий хлопок, и осколки стеклянной колбы засыпали сердитого Уильяма.

– Эврика! – невозмутимо сказал Джозеф.

26 июня Джозеф Бэнкс на собрании Королевского общества обнародовал письмо Вольты. А Карлейл с Никольсоном продемонстрировали присутствующим британским учёным опыт по разложению воды. Раньше такое разложение требовало создания электрических искр из лейденских банок, а сейчас процесс шёл непрерывно, под действием «вольтова столба», изготовить который было чрезвычайно просто!

Королевское общество опубликовало сообщение Вольты в своих трудах в том же году – и учёные всего мира узнали о том, что электрический ток можно добывать не только с помощью гроз и трения, но и с помощью несложных химических реакций.

В 1801 году Вольту пригласили в Париж – и его путешествие по Европе стало шествием триумфатора. В каждом городе он останавливался и делал доклад о своём открытии. Парижские академики ещё до приезда Вольты воссоздали «вольтов столб» – и повторили все эксперименты, описанные Вольтой в его сообщении. Доклад Вольты и сопутствующие демонстрации прошли в присутствии императора Наполеона, который осыпал Вольту милостями и велел в его честь выбить медаль и учредить премию в восемьдесят тысяч экю. Впоследствии Вольта получил графский титул и стал сенатором Королевства Италия.

– Даже император заинтересовался опытами Вольты? Почему? – спросила Галатея.

– Вольта показывал, как дергается лапка дохлой лягушки, подсоединённая к его батарее. Когда Наполеон увидел, как электричество приводит в движение мертвое тело, он стал надеяться, что электричество сможет оживлять мертвых и сделает человека бессмертным. А императоры очень трепетно относятся к бессмертию, в первую очередь к собственному.

– Но электричество не может оживить человека, это невозможно!

– Ну, как показало будущее, электрический удар может запустить остановившееся сердце, а кардиостимулятор позволяет больному сердцу работать дольше. Так что какая-то доля правды в ожиданиях Наполеона была, хотя конечно, биологическое бессмертие слишком сложная штука, чтобы обеспечить его с помощью электрической батарейки.

С точки зрения физики, работа Вольты стала прорывом в будущее. Многочисленные академии мира, включая Петербургскую, стали выбирать Вольту в свои ряды, а лучшие университеты Европы – зазывать его к себе.

Уже в октябре 1800 года новость о «вольтовом столбе» достигла России, а ещё через год, осенью 1801 года, на заседании Академии наук учёный и граф Мусин-Пушкин показал немало любопытных экспериментов с батареей Вольта, состоящей из 150 элементов. Другой российский учёный, Василий Петров, построил в 1802 году батарею из 2100 элементов и впервые получил электрическую дугу.

– Её-то и наблюдал Франклин в своём доме во время грозы! – воскликнула Галатея.

– Да, только теперь это была не дикая грозовая, а полностью укрощённая, искусственная дуга.

– Домашний дракон! – сказала Галатея.

– Такую же мощную вольтову батарею британец Хэмфри Дэви построил в 1808 году – и тоже стал наблюдать электрическую дугу. За свои открытия он был возведён в ранг баронета.

– А Петров стал баронетом? – полюбопытствовала Галатея.

– С помощью вольтова столба Дэви методом электролиза открыл новые металлы – натрий и калий. По всему миру исследователи стали создавать вольтовы столбы – и новые электрические открытия посыпались как из рога изобилия.

Французский академик Араго писал в биографии Вольты: «В начале 1800 года вследствие теоретических соображений знаменитый профессор придумал составить длинный столб из кружков: медного, цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать заранее от такого столба? Это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделённых небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины».

Восемнадцатый век был веком электрофорных машин, заряженных банок и шаров. В это время человек научился создавать и хранить электрические заряды, получать искры и вызывать электрические удары. Это был век электростатики, теоретической вершиной которой стал закон о силе взаимодействия двух заряженных шаров, выведенный Кулоном в 1785 году:

«Фундаментальный закон электричества. Отталкивающая сила двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одного рода, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами двух шариков».

Первая электрическая батарея, созданная Вольтом в 1800 году, сделала девятнадцатый век – веком электродинамики. Учёные получили в своё распоряжение источник электрического тока, который создавался не молниями или лейденскими банками, а всего лишь несложными химическими реакциями. Этот источник был не кратковременным, а постоянным, что открывало перед исследователями огромные перспективы – и они ими с успехом воспользовались. XIX век стал триумфальным началом электрической эры в истории.

– Значит, Вольта загнал электрического дракона, как джинна, в бутылку, вернее, в вольтов столб – и заставил его работать на людей! – сказала Галатея.

– Да и, кроме того, Вольта нашёл прекрасный способ для всестороннего изучения этого дракона.

Дзинтара заключила:

– Наука ещё раз доказала, что природа величественна во всём и хранит свои тайны даже в таких, на первый взгляд, несерьёзных предметах, как дохлые лягушки. Дискуссия о дерганье лягушачьей лапки изменила ход истории и привела к наступлению эпохи электричества. Электричество, начавшись с легкого движения земноводной лапы, проникло во все сферы человеческого бытия, вытеснило паровые машины с заводов и железнодорожных путей, а сейчас выдавливает на обочину прогресса и автомобили с бензиновыми двигателями.

– Мама, – спросила Галатея. – А тайну землетрясений Алессандро так и не разгадал?

– Нет, – вздохнула Дзинтара. – Мы не всегда выполняем даже те клятвы, которые можем выполнить, а клятву, которую дал юный Вольта, выполнить было невозможно: мы уже понимаем, откуда землетрясения черпают свою силу, но мы до сих пор не можем предсказать – когда и где случится следующее. Из-за нашего незнания подземные толчки и сопутствующие им цунами ежегодно собирают кровавую дань с человечества.

По выражению лица Галатеи стало понятно, что она собирается немедленно заняться этой тайной, не решённой великим Алессандро Вольтой.

Примечания для любопытных

Энрико Ферми (1901–1954) – великий итальянский физик, один из создателей ядерного реактора. Лауреат Нобелевской премии по физике (1938).

Лиссабонское землетрясение – землетрясение силой 8,7 балла, произошедшее 1 ноября 1755 года в Атлантическом океане, в 200 километрах от побережья Португалии. Толчки вызвали массовые разрушения зданий и мощное цунами до 20 метров высотой. Огромные трещины в пять метров шириной откололи город Лиссабон от суши. Землетрясение и последующие пожары унесли жизни 100 тысяч человек.

Эдмунд Галлей (1656–1742) – известный английский астроном, рассчитавший орбиты 24 комет и верно предсказавший возвращение в 1758 году яркой кометы, которая стала известна как комета Галлея.

Лукреций (ок. 99–55 гг. до нашей эры) – знаменитый римский поэт и философ. Последователь материализма и атомизма.

Луиджи Гальвани (1737–1798) – выдающийся итальянский физиолог и физик. Исследователь электрических импульсов в биологических системах.

Электрофорная машина – устройство для накопления заряда, использующее трение между двумя вращающимися дисками.

Шарль Кулон (1736–1806) – выдающийся французский физик, установивший закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) в 1785 году. Его именем названа единица измерения электрических зарядов (кулон).

Серная кислота – сильная кислота с формулой H₂SO₄ представляет собой тяжёлую маслянистую жидкость без цвета и запаха. Опасна в обращении.

Электролиз – процесс выделения на электродах, погружённых в жидкость, составных частей вещества, из которого состоит данная жидкость. Электролиз использует тот факт, что в жидкости молекулы распадаются на две противоположно заряженные частицы – ионы, которые под действием электрического поля дрейфуют к разным электродам. Катодом при электролизе называется отрицательный электрод, анодом – положительный. Положительные части молекул (например, ионы металлов) – катионы – движутся к катоду, отрицательные ионы (например, ионы кислотных остатков) – анионы – движутся к аноду.

Доминик Араго (1786–1853) – известный французский физик и астроном, член Французской академии, директор Парижской обсерватории. В честь него назван астероид (1005) Араго и кратер на Луне.

Хэмфри Дэви (1778–1829) – видный английский химик и физик, основатель электрохимии. Обнаружил несколько новых химических элементов и был президентом Королевского общества.

Аполлос Аполлосович Мусин-Пушкин (1760–1805) – русский аристократ, химик, физик и минеролог. Известен своими электрическими опытами и новым способом получения платины.

Василий Владимирович Петров (1761–1834) – русский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук (1809). В 1802 году создал мощную вольтову батарею в 1700 вольт, открыл явление электрической дуги и показал, что её можно использовать для освещения, а также сварки и плавки металлов.

Галатея нетерпеливо спросила:

– Оправдал ли Дэви надежды знаменитого Вольты?

Джерри ответил:

– Не совсем. Элегантный Дэви был крупным учёным, но по-настоящему великим исследователем электричества стал его молодой помощник – Майкл Фарадей. Именно он сумел разгадать основные тайны электрического дракона.

– Почему же жена Дэви обращалась с ним как со слугой? – спросила Галатея.

– Небогатый Дэви, женившийся на богатой вдове, не смог или не захотел внушить своей супруге хоть немного уважения к своему помощнику. В то время Британия была разделена на классы. Леди и джентльмены были элитой, а все остальные люди считались ниже их – вне зависимости от их заслуг и талантов.

Жена Дэви не считала Фарадея джентльменом и требовала, чтобы Фарадей ел вместе со слугами и ехал не внутри, а снаружи кареты. В конце концов Фарадей не выдержал такого унижения и вернулся домой в Британию. Он стал великим учёным и вошёл в историю благодаря своим открытиям, а супруга Дэви попала в историю как образец сварливости и чванства. И не только по отношению к Фарадею: когда несколько лет спустя больной Дэви отправился в новую поездку по Европе, его супруга отказалась сопровождать его, и он поехал в путешествие со своим братом. В дороге Дэви хватил удар, и он умер в возрасте пятидесяти лет, не выполнив многого из того, что он мог бы выполнить.

Вернёмся к Майклу Фарадею. Его жизнь была увлекательнее любого романа. Он был сыном кузнеца из лондонского пригорода и рос вместе со своими сестрами и братьями. Семья была дружной, но бедной. В 13 лет Майкл начал работать и поступил рассыльным в лондонский книжный магазин, который принадлежал французу-эмигранту Рибо. В магазине было немало научных книг, которые Майкл читал всё свободное время. Особенно ему нравились книги по химии и электричеству. Нередко в магазин приносили книги, которые нуждались в переплете. Если книга была интересной, то Майкл копировал её для себя. Рибо поощрял любознательного мальчугана. Читая книги, Майкл проводил опыты, которые там описывались.

– Но как он мог это делать? – удивилась Галатея. – Ведь у него отсутствовало оборудование.

– Конечно, Майклу по силам были только простые эксперименты, которые он мог провести с помощью инструментов и материалов из кузницы своего отца. Но отец Майкла поощрял занятия сына и помогал, чем мог: например, приобрёл для него лейденскую банку. Старший брат Майкла гордился своим младшим братом и тоже поддерживал его.

Учёные, посещавшие книжный магазин Рибо, замечали смышлёного подростка и помогали ему. Например, один из посетителей подарил Майклу билеты на лекции знаменитого Хэмфри Дэви, которые тот читал в Королевском институте. Майкл посетил несколько лекций Дэви, тщательно записал их и, переплетя в аккуратную книжку, послал Дэви с просьбой принять его на работу в институт. Этот наивный и смелый шаг Майкла принёс результат – Дэви был поражён усердием незнакомого юноши и ответил ему. Через несколько месяцев Дэви повредил глаза при взрыве в своей лаборатории – и 22-летний Майкл стал его помощником.

Майкл никогда не учился в школе или университете, но несколько лет, проведённых им в книжном магазине Рибо, оказали на него огромное влияние, сделали его достаточно образованным человеком.

– Мне кажется, что тут главный вопрос не в магазине, а в желании подростка учиться, – сказал Андрей.

– Согласен, но если бы Майкл работал в угольной шахте – а в те времена подростки его возраста часто вместе с отцами спускались под землю, то возможностей для самообразования у него было бы заметно меньше, чем во время работы в книжном магазине. Впоследствии Майкл Фарадей посвятил Джорджу Рибо одну из своих книг, а на книжном магазине Рибо, который уцелел до сих пор, висит мемориальная доска о том, что здесь когда-то работал великий учёный.

В том же 1813 году Майкл отправился с Дэви и его супругой в европейское путешествие. Так как слуга Дэви не захотел уезжать так надолго, то Дэви попросил своего помощника Майкла выполнять обязанности слуги. Покладистый Майкл согласился…

– Да, и мы уже знаем, чем это закончилось! – фыркнула Галатея.

– Вольтов столб распространился по всему миру, и его использование непрерывно приносило неожиданные открытия. До сих пор электрические явления стояли особняком от магнитных – таких как указывание стрелки компаса на север или притяжение магнитом железных опилок. Но люди чувствовали, что между этими явлениями должна быть глубокая связь.

Вольтов столб помог обнаружить единство электрических и магнитных явлений. Произошло это так.

Однажды дождливым утром 1820 года Ганс Христиан Эрстед, профессор Копенгагенского университета, показывал студентам на лекции опыт по нагреванию проволоки из-за текущего по ней тока от вольтовой батареи. На лабораторном столе среди другого оборудования лежал компас. Швейцар, принёсший в комнату дрова для камина, выпрямил усталую спину, с завистью глядя на учёных людей, которые не таскали тяжести целый день, – и заметил, что, когда профессор включил свою электрическую цепь, стрелка компаса дёрнулась.

– Сударь! – деликатно кашлянул остроглазый швейцар, обращаясь к учёному, который проводил этот простой опыт в сотый раз. – У вас тут компас… того… шалит!

Эрстед глубоко верил в связь магнитных и электрических явлений и придал этому дрожанию стрелки, замеченному швейцаром, большое значение. До Эрстеда учёные пробовали пропускать электрический ток через магнитную стрелку, но не добились никакого результата. Эрстед провёл серию опытов, в которых доказал, что стрелка компаса реагирует на включённый провод из любого, даже немагнитного металла и располагается по касательной к окружности вокруг провода.

– Ой, – сказала Галатея. – Касательной к окружности из провода?

– Если поставить провод с током вертикально, то стрелка компаса укажет не на провод, а, например, влево. Если окружить провод многими компасами, то их стрелки выстроятся в горизонтальную окружность, в центре которой будет торчать вертикальный провод.

– Ага, – поняла Галатея. – Стрелки образуют кольцо, в центре которого будет торчать, как палец, этот самый провод.

– Верно, – согласился Джерри. – Я вижу, что твоя любовь к украшениям стала помогать тебе в физике.

– Ну… – засмущалась Галатея. – Совсем немножко…

– Эрстед стал знаменит, но история не сохранила имени остроглазого швейцара.

– Джерри, – деликатно кашлянула Галатея. – Тебе не кажется это немножко несправедливым?

– Кажется, – кивнул Джерри и продолжил: – Исследователи, которые узнали об опыте Эрстеда, удивлялись тому, что магнитное взаимодействие между объектами было направлено не друг к другу, как это было в теории гравитации Ньютона и электростатическом законе Кулона, а в сторону. Переводчики работы Эрстеда, сомневаясь в том, что они правильно поняли физика, давали рядом с переводом выдержку из оригинала статьи профессора, написанной на латыни. Результаты Эрстеда были настолько сенсационны, что о них узнали по всей Европе за считаные недели.

В том же году французский исследователь Андре-Мари Ампер обнаружил, что два провода под током отталкиваются или притягиваются друг к другу – в зависимости от направления течения тока. Он также обнаружил, что катушка из намотанного электрического провода становится сильным магнитом. Ампер также изобретает электромагнитный телеграф на основе воздействия провода с током на магнитную стрелку. В 1820 году Ампер писал: «…можно было бы, взяв столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, и помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок. Соединяя поочередно концы столба с концами соответствующих проводников, можно было бы лицу, которое наблюдало бы за буквами на стрелках, передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. Если установить со стороны столба клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш, то этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто и не требовал бы больше времени, чем необходимо для нажатия клавиш на одной стороне и чтения каждой буквы на другой».

Фарадея чрезвычайно увлекли опыты Эрстеда и Ампера. Изучая опыты Эрстеда, Майкл Фарадей интерпретировал их следующим образом: ток в проводе создаёт вокруг магнитное поле, на которое реагирует стрелка компаса. Но можно ли создать электрический ток из магнитного поля? Фарадей был уверен: если Эрстед превратил электричество, текущее по проводу, в магнитное поле, воздействующее на компасную стрелку, то должен быть и обратный процесс!

В 1822 году Фарадей записал в своём дневнике задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

Примерно в это же время Дэви с другим английским физиком, Волластоном, попробовали сконструировать электрический двигатель, но потерпели неудачу. За эту сложную проблему взялся Фарадей. В 1821 году он опубликовал работу, где продемонстрировал работоспособность сразу двух возможных конструкций электродвигателя. Он научился превращать электрическую энергию в механическую!

– Наверное, это очень не понравилось Дэви и Волластону! – воскликнул Андрей.

– Да. Волластон и Дэви даже стали обвинять Фарадея в плагиате их идей.

– Но как же это возможно? – удивилась Галатея. – Ведь идеи Дэви и его приятеля не сработали, а идея Фарадея удалась! Разве можно украсть неправильную идею и сделать её правильной? Это ведь будет уже другая идея!

– История науки пестрит взаимными обвинениями в заимствовании идей – и далеко не всегда можно разобраться, кто прав, а кто – нет. Фарадею эти склоки были столь неприятны, что он попросту перестал работать в области электродинамики и переключился на другие области. Вернулся он к электрическим опытам только тогда, когда оба его оппонента уже умерли вместе со своими идеями – и никто уже не мог обвинить его в их заимствовании. Начиная с этого момента Фарадей совершает революцию в области электродинамики. В 1831 году он открывает электромагнитную индукцию – или способ превращения магнитного поля в электричество.

– Как же он это сделал? – поинтересовалась Галатея. – Из магнита получил электричество?

Джерри призадумался и быстро нашёлся:

– А я сейчас вам покажу, как он это сделал! У вас есть магнит?

– Конечно, есть! – обиделся Андрей.

Они стали копаться в большом ящике с игрушками. – Отлично! – сказал Джерри, держа в руках подковообразный магнит. – Это лучшая детская игрушка всех времён. Теперь нам нужны провода… – он продолжил рыться в ящике, – …и какой-нибудь простенький вольтметр или любой другой измеритель тока.

– Лапок от дохлых лягушек у нас нет! – сказала Галатея.

– Тогда вот этот приборчик сойдёт, – показал Джерри найденный вольтметр, которым Андрей проверял электрические схемы, собираемые им для уроков физики.

– Теперь сделаем катушку в сотню витков, а лучше – ещё больше… – и Джерри стал наматывать провод вокруг пустого пластикового стаканчика, – …и её свободные концы присоединим к вольтметру.

Пара минут – и конструкция из пластикового стаканчика, обмотанного проводом и присоединённого к вольтметру, готова.

– И это всё? – удивилась Галатея.

– Да! – подтвердил Джерри. – Теперь мы можем приступать к опытам.

Он взял в руки магнит – и опустил его конец в стаканчик. В этот момент стрелка вольтметра дёрнулась на несколько милливольтов.

– Я видела, видела! – завопила в восторге Галатея. – Появился ток!

– Острый глаз! – похвалил девочку Джерри. – Теперь вытащи магнит сама.

Галатея быстро выдернула магнит из стаканчика – и стрелка вольтметра снова дернулась, только уже в другую сторону.

– Я – настоящий Фарадей! – воскликнула Галатея.

И они начали экспериментировать с новой игрушкой, вернее – с новым научным прибором.

Джерри сказал, глядя на увлечённых детей:

– Фарадей доказал: изменение величины магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводник, заставляет заряды в проводе двигаться, создает в нём электрический ток. Если мы соберём машину, периодически изменяющую магнитное поле, пронизывающее катушку, мы получим электрический генератор – источник тока, во многих отношениях гораздо лучший, чем батарея Вольты. С помощью этих простых предметов учёный создал прототип электрогенератора, который до сих пор служит главным источником получения электрического тока, отодвигая вольтов столб на второй план. Эти электрогенераторы, вращаемые огромными турбинами, стоят на гидроэлектростанциях, а также на тепловых и на атомных станциях по выработке электричества.

– Так вот кто придумал эти электростанции! – обрадовалась Галатея, видимо давно терзавшаяся догадками. – А электромоторы в автомобилях тоже придумал Фарадей?

– Не совсем. Он показал, как можно получать из электричества механическую энергию: в его опыте свободно висящий провод окунался в ванночку со ртутью, в середине которой был установлен магнит. Когда по проводу шёл ток, он начинал вращаться вокруг магнита. От этой конструкции до электродвигателей современного типа было очень далеко.

Многие изобретатели пытались создать практичный электродвигатель. Это удалось российскому учёному немецкого происхождения Борису Якоби. Все остальные изобретатели пытались создать электродвигатель, который был аналогом паровой машины и двигал поршень вперёд и назад. В 1834 году Якоби предложил совершенно иной электродвигатель – с вращающейся внутренней частью. Современные электромоторы устроены именно так, как двигатель Якоби. В 1839 году по Неве отправилась в плавание лодка с 14 пассажирами. Против течения реки лодку двигал мотор Якоби с мощностью в одну лошадиную силу. Впервые в истории электрический дракон послушно нёс людей на своей спине.

Но первым, кто доказал, что дракона можно заставить крутить колеса и винты, был всё-таки Фарадей. Имя Фарадея становится всемирно известным, о нём пишут газеты, академии разных стран выбирают его своим почётным членом.

– Так-так, – с удовольствием покивала головой Галатея. – Из рассыльного книжного магазина – в академики! Здорово!

– Фарадей оставался исключительно скромным человеком. Он отклонил честь быть возведённым в рыцарское достоинство и быть похороненным в Вестминстерском аббатстве, где размещались могилы английских королей и самого Ньютона. Он дважды отказался от должности председателя Королевского общества – главного научного поста Великобритании. Он был сосредоточен на науке и уклонялся от всего, что мешало ему заниматься ею.

Он тщательно записывал результаты своих опытов. Всего в течение своей жизни он провёл 30 тысяч экспериментов. Все работы по электричеству и магнетизму Фарадей посылал в Лондонское Королевское общество в течение 24 лет – и эта серия работ совершила революцию в электродинамике.

Дэви называл Фарадея своим самым великим открытием, хотя и ревновал своего ученика к его успехам.

Одно из главных достижений Фарадея, имеющее теоретический характер, состоит в том, что он ввёл в науку понятие физического поля, что стало кардинальным отличием электродинамики от теории гравитации Ньютона.

– В чём же они различаются? – удивился Андрей. – Ведь у Ньютона тоже было гравитационное поле.

– Ньютоновская теория была основана на дальнодействии. Это значит, что каждое гравитирующее тело, например Юпитер, действует на другое тело, например Сатурн, мгновенно на любом расстоянии.

– Но ведь это не так! – заёрзал Андрей. – Ничто не может действовать быстрее скорости света, а между Юпитером и Сатурном – расстояние в световые часы.

– Во времена Ньютона о конечной скорости взаимодействия никто не знал. Поэтому Ньютон исходил из бесконечной или мгновенной скорости передачи гравитационного взаимодействия. Так как его теория работала практически всегда хорошо, то такое мнение сохранилось до начала XX века, пока Эйнштейн не построил свою теорию гравитации, где скорость распространения гравитационного поля была ограничена скоростью света.

Для учёных XIX века пространство между гравитирующими телами было пустым. Для Фарадея пространство между зарядами и магнитами было заполнено полем или средой с особыми нитями – силовыми линиями. В электродинамике не было мгновенного взаимодействия между зарядами: один заряд воздействовал на поле, оно менялось – и это изменение чувствовал другой заряд. Электромагнитное поле стало, согласно Фарадею, переносчиком взаимодействия между зарядами – и эта концепция явилась основой современной физики.

С помощью своих опытов Майкл Фарадей открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Тем самым он заложил прочный фундамент нашей современной электрической цивилизации.

Член парламента Гладстоун, будущий премьер-министр Великобритании, спросил Фарадея:

– Чем же так важно это ваше электричество?

– Скоро вы будете обкладывать его налогами, – ответил Фарадей.

Максвелл был великим физиком-теоретиком: он взял законы Фарадея и превратил их в элегантные математические законы электродинамики, которые с тех пор носят его имя. Он послал свою работу Фарадею. Тот сразу откликнулся: «Мой дорогой сэр, я получил Вашу статью и очень благодарен Вам за неё. Не хочу сказать, что благодарю Вас за то, что Вами сказано относительно „силовых линий“, поскольку я знаю, что Вы сделали это в интересах философской правды; но Вы должны также предполагать, что эта работа не только приятна мне, но и даёт мне стимул к дальнейшим размышлениям. Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет её выдержал…»

Из-за напряжённых исследований, которые часто были связаны с вредными веществами, например со ртутью, здоровье Фарадея пошатнулось – и он больше не смог работать. Учёный остался практически без средств. Нехотя, лишь под воздействием общественного мнения, премьер-министр выписал небольшую пенсию Фарадею, которая и стала основным источником его существования в старости.

– Безобразие! – возмутилась Галатея. – Учёный, который столько сделал для людей и для своей страны, остался нищим.

Джерри вздохнул:

– Это обычная история жизни великих людей. Для Фарадея она закончилась относительно благополучно: он получил от королевы в подарок дом возле одного из королевских дворцов. В этом доме Майкл Фарадей и прожил свою старость со своей любимой супругой Сарой. Сейчас там музей Фарадея.

Жан-Батист Дюма, французский химик и политик, так отозвался о личности Майкла Фарадея: «Всякий из знавших его – я твердо убеждён – желал бы только приблизиться к тому нравственному совершенству, которое, по-видимому, было дано Фарадею от рождения. Это была какая-то, на него одного сошедшая, благодать, в которой он почерпал силы для своей кипучей деятельности, будучи одновременно горячим проповедником истины, неутомимым художником, человеком, исполненным радушия и весёлости, в высшей степени гуманным и мягким в частной жизни… Я не знал человека, который был бы более достоин любви и уважения, чем он, и утрата которого стоила бы более искреннего сожаления».

Герман Гельмгольц, великий немецкий физик, сказал: «До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея».

Альберт Эйнштейн, самый известный физик XX века, считал: «Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в её теоретических основах, другими словами в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом». В кабинете Эйнштейна всегда висели три портрета этих людей: Ньютона, Фарадея и Максвелла. Эйнштейн писал про Фарадея: «…надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».

Фарадей входит в десятку, а может быть в пятёрку, самых влиятельных учёных в истории, но он единственный из них, который не получил формального образования, оказался самоучкой. В этом смысле Фарадей уникален.

Андрей спросил:

– XVIII век – век электростатики, XIX век – век электродинамики. А чем стал XX век? Ведь вся электрическая наука уже была создана к его началу.

Джерри ответил:

– Благодаря трудам Франклина и Вольты, Фарадея и Максвелла, а также многих других учёных люди изучили характер электрического дракона, измерили его силу, узнали его слабости. После этого на арену выступили инженеры и изобретатели, которые заставили дракона работать на людей и стали конструировать различные устройства. XX век стал веком электрических машин. Но это уже совсем другая история.

Примечания для любопытных

Майкл Фарадей (1791–1867) – великий английский физик-экспериментатор и химик. Открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Ввёл в науку понятие физического поля. В его честь названы лунный кратер и единица измерения электрической ёмкости – фарад.

Ханс Христиан Эрстед (1777–1851) – выдающийся датский физик, исследователь электромагнетизма. Открыл в 1820 году влияние провода с током на стрелку компаса. В его честь названа единица напряжённости магнитного поля – эрстед.

Андре-Мари Ампер (1775–1836) – выдающийся французский учёный, открывшие важные законы электромагнетизма, в частности взаимное влияние проводников с током. В его честь названа единица силы электрического тока – ампер.

Уильям Волластон (1766–1828) – видный английский физик и химик, открывший новые металлы палладий и родий и впервые получивший в чистом виде платину, что позволило создать платиновую посуду для получения серной кислоты и других едких веществ. Волластон хранил в секрете рецепт получения платины до самой смерти.

Джеймс Максвелл (1831–1879) – великий шотландский учёный, создатель современной теории электродинамики, уравнения которой носят имя Максвелла. Предсказал существование электромагнитных волн.

Жан-Батист Дюма (1800–1884) – видный французский химик и политик.

Герман Гельмгольц (1821–1894) – выдающийся немецкий физик и физиолог. Один из открывателей закона сохранения энергии.

Альберт Эйнштейн (1879–1955) – великий учёный, физик-теоретик, создатель специальной и общей теорий относительности и ряда других теорий. Лауреат Нобелевской премии (1921).

Исаак Ньютон (1643–1727) – великий английский физик, математик и астроном. Один из создателей классической физики.

Борис Семёнович Якоби (1801–1874) – выдающийся российский учёный немецкого происхождения. Создатель первого электродвигателя с вращающимся якорем (1834), а также первого в мире телеграфа, печатающего буквы (1850).

– Первый работающий электромагнитный телеграф создал российский учёный Павел Шиллинг. Его телеграфный аппарат передавал сообщения по семижильному проводу и состоял из семи магнитных стрелок, каждая из которых реагировала на ток только в своём проводе. Публичная демонстрация работы аппарата Шиллинга состоялась в дождливый петербургский октябрьский денёк 1832 года в квартире изобретателя. Первое в мире телеграфное сообщение было передано из одной комнаты в другую.

Позже электромагнитные телеграфы были построены в Германии, Великобритании, а также в США. Американский телеграф, запатентованный художником и изобретателем Сэмом Морзе в 1840 году, стал самым распространённым телеграфом своего времени. Морзе также придумал систему сигналов (азбуку Морзе), которая позволяла передавать буквы алфавита в виде точек и тире – то есть коротких и длинных электрических сигналов. Для передачи таких сигналов было достаточно всего одного провода.

Художника Морзе на создание телеграфа вдохновило замечание одного из пассажиров, с которым он плыл на пароходе из Европы в Америку в 1832 году. Обсуждая недавнее создание электромагнита, этот пассажир сказал: «Если электрический ток можно сделать видимым на обоих концах провода, то я не вижу никаких причин, почему им не могут быть переданы сообщения». Дополнительным толчком стало то, что в 1836 году Морзе увидел модель немецкого телеграфа – и полностью ушёл в изобретательство. Долгие годы он трудился без всякой поддержки, испытывая бедность и разочарования. Но он всё преодолел – и в 1844 году телеграф Морзе передал на расстояние в 40 километров, из Вашингтона в Балтимор, первую междугороднюю депешу с фразой: «Дивны дела твои, Господи!»

– Но ведь телеграф – это диво, сотворённое человеком! – удивилась Галатея.

– Газеты, банки, правительства, железные дороги – все захотели использовать телеграф Морзе. Он, наконец, прославился и разбогател. В 1858 году десять европейских стран заплатили Морзе за его телеграф огромную сумму – 400 тысяч франков. Уже состарившийся Морзе купил имение под Нью-Йорком и стал заниматься благотворительностью, поддерживая школы, университеты и молодых художников.

1858 год стал знаменателен и тем, что всего лишь через 14 лет после первой междугородней телеграммы, преодолевшей 40 километров, человек сумел проложить телеграфную линию из Европы в Америку длиной многие тысячи километров.

Летом 1858 года, с третьей попытки, подводный кабель был протянут по дну Атлантического океана между Ирландией и американским островом Ньюфаундленд. 16 августа 1858 года королева Англии Виктория и президент США Бьюкенен обменялись поздравительными телеграммами по трансатлантическому кабелю. Общение было затруднённым: послание королевы содержало сто слов и передавалось 16 часов. В сентябре того же года кабель вышел из строя – видимо, из-за плохой изоляции.

Тогда за дело прокладки трансатлантического кабеля взялся корабль-левиафан «Грейт Истерн». На его корме была установлена катушка с кабелем, которая разматывалась с помощью матросов. Тонкий кабель уходил в тёмную воду и где-то там, на невообразимой глубине, опускаясь мимо удивлённых рыб и лангустов, ложился на илистое морское дно.

Прокладка кабеля шла трудно, хрупкий стальной провод ломался и рвал изоляцию. Его приходилось чинить на ходу.

Однажды вся команда была построена по требованию капитана Джеймса Андерсона. Оказалось, что кто-то из команды, кому быстрое сообщение между континентами казалось дьявольской затеей богачей, пытался повредить провода в катушках, забивая в них крупные гвозди.

Капитан прошёлся вдоль строя вытянувшихся в струнку матросов и сказал хищным голосом морского волка:

– Властью капитана данного корабля я буду на месте казнить саботажников, которые портят кабель!

Капитан Андерсон был настолько убедителен, что попытки повреждения проводов прекратились.

Но в этот раз прокладка подводного кабеля всё равно не удалась: 2 августа 1865 года, уже уложенные 2000 километров кабеля оторвались от катушки. Конец провода ушёл под воду, упав на океанское дно. Возглас, полный гнева и разочарования, раздался в этот драматический момент над палубой «Грейт Истерн». Корабль остановился и вернулся в гавань, не выполнив задания.

Но нет такой природной силы, которая могла бы переупрямить человека. В июле следующего 1866 года корабль снова отправился в Америку, нагруженный новыми катушками с улучшенным проводом.

На этот раз «Грейт Истерн» достиг успеха: за 15 дней гигантское судно проложило кабель между Америкой и Европой, сделав сообщение между континентами надёжным и фантастически быстрым. В августе этого же года корабль вернулся к месту прошлогоднего обрыва провода – в надежде найти оборванный конец кабеля.

– Найти на океанском дне тонкий провод? – не поверила в такую авантюру Галатея.

– Несколько дней команда скребла океанское дно – почти на четырёхкилометровой глубине – специально сконструированными кошками, но всё же сумела выловить утонувший конец кабеля. Когда электрики проверили кабель, то оказалось, что он исправен и хорошо проводит сигнал с суши. Эта новость вызвала ликование на корабле.

– Действительно – они молодцы! – обрадовалась и Галатея.

– Кабель соединили с новой катушкой – и уже в сентябре «Грейт Истерн» прибыл в Америку, проложив и второй трансатлантический кабель.

За 13 лет, с 1865 по 1878 год, «Грейт Истерн» проложил 48 тысяч километров кабелей. В 1870 году он соединил телеграфным кабелем Англию и Индию.

В 1874 году был построен специальный корабль – кабелеукладчик «Фарадей», который быстро вытеснил несчастный «Грейт Истерн» с океанских просторов: тот встал на прикол и был продан на металлолом в 1888 году. «Фарадей» же имел долгую жизнь и за 50 лет работы уложил более 90 тысяч километров кабелей, опутав мир телеграфными подводными проводами. К 1919 году число трансатлантических кабелей достигло 13.

Даже уйдя на пенсию, «Фарадей» остался в строю как складское судно и был списан только в 1950 году.

– Не посрамил своего гордого имени! – удовлетворённо отметила Галатея.

– Телеграф открыл новую эру в области связи, но человечество, вступив в эпоху быстрого технического прогресса, не думало останавливаться на достигнутом. Изобретатели, научившись передавать по проводам бибикающие точки и тире, немедленно стали мечтать о том, чтобы как-нибудь «протиснуть» в провод реальный человеческий голос. Тогда люди смогли бы разговаривать друг с другом на расстоянии!

– Какая безумная мечта! – пробормотал Андрей.

– В 1863 году, когда надёжное телеграфное сообщение между Европой и Америкой ещё не было установлено, произошло важное событие: 16-летний подросток Александр из шотландского города Эдинбурга увидел на технической выставке удивительный человекоподобный автомат, который имитировал человеческий голос. Такие события детства часто определяют всю дальнейшую судьбу человека. Говорящий автомат так потряс юношу, что он решил сделать аналогичную голову, произносящую слова. Он купил немецкую книгу, в которой описывалась конструкция этого автомата, и трудолюбиво перевёл её. Вместе со своим братом Мелвиллом и при одобрительной поддержке отца, который даже учредил денежную премию мальчикам, если они достигнут успеха, Александр создал реалистичную голову с голосовыми связками и губами, которая при прохождении воздуха через гортань произносила отдельные слова. Отчётливое слово «мама» приводило в восторг друзей и соседей, которые приходили посмотреть на изобретение.

– Так заплатил отец Александру и Мелвиллу обещанную премию? – спросила Галатея.

– Я думаю, что да, – ответил Джерри. – Полагаю также, что эта успешная работа оказалась очень важной для Александра Белла. Звуковые устройства были для него темой особого интереса, потому что его мать была глухой, а его отец был ритором, или учителем красноречия. Александр пошёл по стопам отца, не оставляя любимого изобретательства. Семья Белл переехала в Канаду. В возрасте 25 лет Александр Белл попал в американский город Бостон, где основал школу глухонемых при поддержке бостонского юриста Хаббарда, у которого была дочь Мейбл, оглохшая в пятилетнем возрасте после скарлатины.

Александр был прекрасным учителем. Одной из его учениц была Хелен Келлер, слепоглухонемая девочка, которой он помог научиться говорить и думать. Впоследствии она стала видной писательницей и лектором.

Мейбл Хаббард, ученица Белла, была красивой и энергичной девушкой. И нужно ли удивляться, что молодые люди полюбили друг друга?

– Нет, – сказала Галатея и почему-то вздохнула.

– Легенда гласит, что Белл неутомимо изобретал звуковые устройства и исследовал передачу звука по проводам именно для того, чтобы вернуть своей дорогой Мейбл возможность слышать. После многих попыток в 1876 году Белл создаёт и патентует телефон – устройство, которое позволяет передавать голос по проводам. 9 октября 1876 года первый в мире телефонный разговор состоялся между Беллом и его ассистентом Уотсоном по проводу длиной в три километра, протянутому между Бостоном и его пригородом Кембриджем.

Как многие изобретатели, Белл был сконцентрирован на своих технических устройствах, уделяя рекламе своего детища гораздо меньше внимания. В 1876 году в Филадельфии проходила юбилейная научно-техническая выставка, которую посещали миллионы людей и на которой присуждались различные премии за изобретения. Мейбл стала настаивать на том, чтобы Александр продемонстрировал своё изобретение на выставке. Но тот категорически отказывался, так как был загружен своей преподавательской работой и подготовкой студентов к экзаменам. Тогда Мейбл пошла на хитрость: она заранее купила билет на поезд и собрала саквояж с нужными вещами. Затем она под каким-то предлогом повезла Александра на вокзал, а когда они очутились на перроне перед поездом, уже разводящим пары, Мейбл объявила Александру, что он едет в Филадельфию на этом поезде. Когда он начал возражать, она отвернулась от него, что означало невозможность читать слова по его губам.

– Она осталась буквально глуха к его возражениям! – воскликнул Андрей.

– Александр был вынужден подчиниться и сесть в отходящий поезд. Его демонстрация на выставке закончилась триумфом! Жюри, состоящее из императора Бразилии и знаменитого физика лорда Кельвина, присудило ему две медали. Белл продемонстрировал своё изобретение английской королеве Виктории – и она назвала его телефон «наиболее выдающимся» достижением выставки. О Белле и его говорящей машинке написали все газеты, он стал знаменит.

На следующий год возникла фирма «Белл», первым президентом которой стал юрист Хаббард, отец Мейбл. Через 10 лет 150 тысяч американцев стали обладателями телефона Белла. В январе 1915 года, 39 лет спустя после первого, «трёхкилометрового» разговора между Беллом и Уотсоном между этими джентльменами снова состоялся телефонный разговор. На этот раз Белл находился в Нью-Йорке, на Атлантическом побережье США, а Уотсон – в Сан-Франциско, на Тихоокеанском берегу, на расстоянии более чем в пять тысяч километров от Нью-Йорка. Это был первый трансконтинентальный телефонный звонок.

Компания Белл более ста лет работала в области телефонной связи. Лишь в конце XX века эта гигантская компания, ставшая монополистом на американском рынке телефонных услуг, была разделена по решению суда на две независимые компании.

Алек и Мейбл Беллы жили долго и счастливо, вырастив двух дочерей. Александр Белл организовал в Вашингтоне институт имени Вольта, в котором изобретатели работали над различными электрическими и акустическими приборами, а потом увлёкся авиацией и другими проектами. В день кончины Александра Белла в 1922 году все телефоны США, которых насчитывалось уже более 13 миллионов, были отключены на минуту молчания в знак уважения к их изобретателю.

После смерти своего дорогого Алека Мейбл прожила всего несколько месяцев, погружаясь в слепоту, которая окончательно отдалила её от внешнего мира. Ровно через год после смерти Белла прах его жены был захоронен рядом – и сейчас Мейбл и Алек навсегда вместе.

Примечания для любопытных

Самуил Земмеринг (1755–1830) – немецкий учёный-физиолог, в 1809 году создал электрохимический (пузырьковый) телеграф.

Павел Шиллинг (1786–1837) – российский барон и дипломат, а также выдающийся изобретатель, создавший в 1832 году первый работающий электромагнитный телеграф на магнитных стрелках.

Сэмюел Морзе (1791–1872) – американский художник и выдающийся изобретатель, запатентовавший электромеханический телеграф в 1840 году и создавший азбуку Морзе.

Александр Белл (1847–1922) – выдающийся шотландский учёный и изобретатель, создавший один из первых телефонов и ставший основоположником широко известной компании «Белл».

Мейбл Белл (Хаббард) (1857–1923) – супруга и муза Александра Белла.

Хелен Келлер (1880–1968) – девочка, оглохшая и ослепшая после скарлатины в 19-месячном возрасте. Благодаря помощи Александра Белла и усилиям воспитателя Энн Салливан, Хелен стала деятельным человеком: писателем, лектором и политическим активистом.

Кельвин (1824–1907) – Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин. Выдающийся британский физик, известный своим трудами в области термодинамики, механики и электродинамики. В середине XIX века рассмотрел распространение электрических импульсов по кабелю и доказал возможность трансатлантической телеграфной связи по подводному кабелю. Сам участвовал в экспедициях по прокладке подводного кабеля. В честь него названа единица температуры – кельвин.

– А тот счёл его сумасшедшим! – кивнула Галатея.

– Что-то мне подсказывает, что это тоже не остановило Маркони, – сказал Андрей.

– Маркони через влиятельных знакомых связывается с итальянским послом в Англии – и тот советует ему попробовать найти поддержку своего проекта в Великобритании.

В сопровождении матери Маркони в возрасте 21 года прибывает в Великобританию с багажом, полным таинственных приборов и устройств. Увидев их, таможенный офицер немедленно доложил в Адмиралтейство. Прибором Маркони заинтересовался британский директор почты и телеграфа.

– Ага, он оказался умнее своего итальянского коллеги! – довольно сказала Галатея.

– Да. Он предложил молодому изобретателю продемонстрировать свой аппарат. Маркони установил передатчик на крыше лондонского почтамта и передал азбукой Морзе сигнал в другое здание – на расстояние в полтора километра. Эта демонстрация вызвала большой интерес. 2 июня 1896 года Маркони подал заявку на британский патент, через год получил его – и немедленно организовал акционерное общество по разработке дальнодействующей связи. Уже в 1897 году его компания создала первую постоянную радиостанцию и осуществила беспроводную связь на расстоянии в 23 км между материком и островом Уайт. В 1898-м компания открыла радиозавод, на котором работали 50 человек. Ещё через три года команда Маркони установила трансатлантическую радиосвязь. Интересно, что Маркони добился радиосвязи через Атлантику благодаря своему невежеству. Всем образованным физикам того времени было понятно, что волны Герца не могут распространяться в воде или земле, поэтому радиосвязь возможна только в пределах прямой видимости.

– Как связь с помощью фонарей или прожектора? – спросила Галатея.

– Верно. Но Маркони придерживался совершенно ошибочной точки зрения, что радиоволны могут свободно проникать в воду и камень, поэтому не оставлял своих попыток наладить радиосвязь на сверхдальних расстояниях. И ему удалось! Но не потому, что радиоволны проникали сквозь толщу Земли, а потому, что они отражались от ионосферы – от электропроводящего слоя в верхней атмосфере. Этот эффект был ранее неизвестен, но именно благодаря ему сигнал от передатчика Маркони и смог обогнуть земной шар.

– Классическая ситуация: Маркони не знал, что это невозможно, поэтому и сделал это! – воскликнул Андрей.

– В 1909 году Гульельмо Маркони и немецкий учёный Карл Браун (который, кроме практических экспериментов, активно публиковал научные работы по беспроводной связи) получили Нобелевскую премию за вклад в беспроволочный телеграф. Маркони быстро разбогател, стал маркизом и президентом Итальянской академии наук.

Сначала беспроволочные телеграфы обменивались лишь писком – азбукой Морзе, но вскоре был придуман способ накладывать на радиоволну человеческий голос.

– Как это? – заинтересовалась Галатея.

– Я тебе сам объясню, – вмешался Андрей. – Радиоволна имеет высокую частоту, а человеческий голос – низкую. Чтобы заставить радиоволну нести на себе звук, сделали так: у радиоволны стали медленно менять высоту её гребней. Возьми длинную гребёнку или расчёску: если укоротить длину её зубчиков, так чтобы получилась плавная кривая, то получим хорошее представление о радиоволне, на которую наложен звук.

Галатея не имела под рукой расчёски, поэтому она взяла лист бумаги, нарисовала на ней множество одинаковых зубчиков в качестве радиоволны, а потом провела по этим зубчикам плавную кривую. И посмотрела вопросительно на брата.

– Верно! – воскликнул тот и стёр вершины зубчиков, выступавших за кривую. Получился лес из острых зубцов, вершины которых плавно менялись с расстоянием. – Волна приходит на приёмник, который регистрирует не только частые электромагнитные колебания в своих контурах, но и плавные изменения силы этих колебаний – и переводит эти плавные изменения в низкочастотный человеческий голос.

Джерри кивнул:

– Или в музыку. В 1910 году состоялась первая радиотрансляция концерта из нью-йоркского зала «Метрополитен-опера», в котором принимал участие великий певец Карузо. В мире быстро возникла гигантская индустрия радио. В 30-х годах радиоприёмники размером с комод пришли во многие дома, тарелки репродукторов повисли на столбах, захрипели и забормотали разными голосами о разных новостях. Возникли специальные студии, где люди целыми днями сидели и приятными голосами читали в микрофоны различные фразы, которые им готовил огромный штат сотрудников и репортёров. Стала возможной прямая трансляция различных событий – от речей политических лидеров до передачи со стадионов, где проходили футбольные и хоккейные матчи.

– Но как можно слушать по радио футбол? – удивилась Галатея. – Ведь футболисты бегают, а не поют. По радио ничего не видно!

– Появилась специальная профессия – радиокомментатор, который сидел на стадионе, видел матч своими глазами – и рассказывал об игре слушателям. Комментатор переводил видимую картинку в звуковую информацию, а радиослушатели, слыша его объяснения, воображали себе футбольную игру в своих головах – и вовсю переживали за своих любимых спортсменов.

– Это как-то… странно, – сказала Галатея.

– Верно, поэтому, научившись посылать электрическую речь по воздуху, люди немедленно принялись искать способ посылать таким же способом и картинки – и даже движущиеся изображения, которые демонстрировались в кино.

– То есть инженеры стали изобретать беспроводное кино?

– Да, но это уже другая история. История радио интересна тем, что множество исследователей работали параллельно – и Маркони среди них не был первым достигшим успеха в передаче сигнала на многие километры.

Например, в 1896 году, когда аппарат Маркони послал сигнал на 3 километра, Никола Тесла в Америке уже улавливал волны на расстоянии в 50 километров. Но Тесла полагал, что радиосвязь возможна только на расстоянии прямой видимости, а значит, для больших расстояний нужны высокие башни, – и он строил эти дорогостоящие башни, в то время как Маркони работал с портативными и гораздо более дешёвыми устройствами. Пожар, уничтоживший лабораторию Теслы в 1895 году, тоже помешал его радиоисследованиям.

Александр Попов, которого не без оснований считают в России создателем радио, не только осуществил радиопередачу в 1895 году, но ещё и разработал удобный приёмник для поимки радиосигнала. Радиоаппараты профессора Попова были установлены на кораблях российского военно-морского флота. Но секретность, окружавшая работы учёного, не позволили его работам стать основой для коммерческого предприятия. Неожиданная смерть Попова в 1905 году прекратила его исследования.

Секрет успеха Маркони – в его настойчивости и семейной поддержке, которые позволяли ему двигаться вперёд, обходя любые препятствия. Он был молод и энергичен – и сумел создать процветающее предприятие по выпуску радиоаппаратов. Но самое главное – он, получив патент, сразу собрал команду видных учёных и специалистов, которые стали быстро развивать нужные для новой индустрии технологии. Тесла был гениальным одиночкой, но в деле развития новой технологии команда всегда побеждает одиночек. И это был важный урок, который можно извлечь из истории радио. Компания Маркони впоследствии оставит в истории яркий след, участвуя в создании радаров, телевидения и авиационной аппаратуры.

Историки интересуются – кто первый придумал, а для истории важно – кто первый внедрил. Изобретателей много – внедрителей мало. Из телеграфа Шиллинга не возникла индустрия, зато аппарат Морзе сделал революцию, связал континенты телеграфными проводами. Белл с компаньонами создал телефонную компанию, а его конкуренты-изобретатели – нет. Так и в радио: Маркони организовал целую индустрию радиопередатчиков и радиоприёмников, а Тесла и Попов – нет, как и десяток других пионеров радиосвязи. Самый первый патент на беспроволочную связь получил в 1872 году американский дантист Малон Лумис. Правительство собиралось профинансировать его работы, да так и не собралось. В США, кроме Теслы, в радиопионеры включают Дэвида Хьюза и Томаса Эдисона. В Германии создателями радио считают Генриха Герца и Карла Брауна. В Англии есть свой первый конструктор радио – Оливер Лодж; во Франции – Эдуард Бранли. Свои открыватели радиосвязи есть в Белоруссии – Яков Наркевич-Йодка; в Индии – Джагадиша Бозе; в Бразилии – Ландель де Мура.

Когда какая-то страна настаивает на том, что именно у неё было сделано данное важное изобретение, то часто возникает неудобный для этой страны вопрос: а почему тогда не в этой стране возникла новая индустрия вокруг этого изобретения?

Почему итальянец Маркони не нашёл поддержки у себя в Италии и создал британскую компанию по производству радио?

Хвастаясь умом своих великих соотечественников, надо признавать недальновидность своих правительств и неповоротливость общества, которые не оценили в своё время талантливых людей.

Примечания для любопытных

Гульельмо Маркони (1873–1937) – выдающийся итальянский изобретатель, создавший массовое производство радиопередатчиков и радиоприёмников. Его компания первой осуществила трансатлантическую радиосвязь.

Генрих Герц (1857–1894) – великий немецкий учёный, открыватель радиоволн, которые долгое время носили имя «волн Герца».

Оливер Лодж (1851–1940) – видный британский физик, один из пионеров радиосвязи. Награждён медалью Фарадея.

Никола Тесла (1865–1943) – выдающийся американский изобретатель сербского происхождения. Создатель целого ряда новых электрических приборов и устройств. Благодаря своим талантам и эксцентричности, стал легендарной личностью в глазах широкой публики.

Александр Степанович Попов (1859–1905) – выдающийся российский учёный, профессор, пионер радиосвязи. В честь Попова названы астероид 3074 и кратер на обратной стороне Луны.

Малон Лумис (1826–1886) – видный американский изобретатель, дантист из Вашингтона. Один из пионеров радиосвязи. Осуществил в 1866 году радиосвязь на расстоянии более 20 км между двумя горными вершинами в Виргинии с помощью воздушных змеев.

Дэвид Хьюз (1831–1900) – видный американский учёный британского происхождения, один из пионеров радиосвязи.

Томас Эдисон (1847–1931) – выдающийся американский изобретатель и бизнесмен, получивший более тысячи патентов. Один из пионеров радиосвязи.

Карл Браун (1850–1918) – видный немецкий физик и изобретатель, один из пионеров радиосвязи и телевидения. В 1874 году открыл принцип действия кристаллического диода, а в 1899 году запатентовал выпрямитель тока, основанный на кристалле. Лауреат Нобелевской премии (1909).

Эдуард Бранли (1844–1940) – видный французский учёный, профессор Парижского института, один из пионеров радиосвязи.

Яков Наркевич-Йодко (1848–1905) – видный белорусский учёный, врач и профессор электрографии и магнетизма. Один из пионеров радиосвязи.

Джагадиш Бозе (1858–1937) – видный индийский учёный, один из пионеров радиосвязи.

Ландель де Мура (1861–1928) – видный бразильский изобретатель и католический священник, один из пионеров радиосвязи. В 1900 году продемонстрировал передачу человеческого голоса по радиосвязи, но бразильское правительство отказало ему в поддержке.

Вскоре крупный промышленник Вестингауз выкупил у Теслы 40 патентов по 25 тысяч долларов каждый. Всего Тесла получил за свои разработки миллион долларов, что по тем временам было фантастическим состоянием. Но деньги мало интересовали Теслу, и он отказывался от выгодных предложений, если они мешали ему творить и не приносили удовлетворения. Он чувствовал и понимал поведение капризного электрического тока так, как, пожалуй, никто из живущих на Земле людей.

– Он стал укротителем электрического дракона! – воскликнула Галатея. – Недаром тот так бушевал во время рождения Теслы!

– Тесла поставил перед собой грандиозную задачу: добиться передачи по воздуху не просто радиосигнала или звука, а большого количества электрической энергии, достаточной, например, для горения электрических ламп. Он был уверен, что можно передавать электроэнергию с помощью самой Земли и даже фокусировать эту энергию в любой точке мира. Если бы ему это удалось, то линии электропередач, которые сейчас окутывают мир густой сетью, стали бы не нужны…

– Лампы горели бы без проводов! – взвизгнула от восторга Галатея, глаза которой горели не хуже электрических лампочек.

– Но ведь до сих пор электроэнергия для ламп и моторов передаётся только по проводам, – сказал Андрей.

– Да, потому что Тесла не добился своей цели. И мы до сих пор не знаем – решаема ли такая задача в промышленных масштабах. Тесла зажигал лампы без проводов на расстоянии 40 километров! Но, когда он задумал создать систему, которая бы распространяла электричество по всему миру без проводов, финансист Морган отказался поддержать этот проект. «А куда мы поставим электрические счётчики для взимания платы?» – спросил он изобретателя.

– То есть такая мировая электрическая система действительно возможна? – спросил Андрей. – Нужен только второй гениальный Тесла, чтобы создать её?

Дзинтара пожала плечами и сказала:

– Спустя сто лет появились небольшие устройства, которые заряжают свои батареи без проводов – так, как предлагал Тесла. Но, как биолог, я подозреваю, что такая мощная беспроводная энергетическая система потенциально может наносить вред здоровью людей.

Кроме этого, Тесла разработал электродвигатель, который работает на переменном токе, генератор переменного электричества и множество других полезнейших устройств, которые ускорили промышленную революцию в конце XIX и начала XX века. Двигатель Теслы широко используется до сих пор и считается одним из десяти величайших научно-технических достижений человечества.

Фотографическая память и прекрасное пространственное воображение позволяли ему создавать проекты своих устройств полностью в голове – и только потом переносить их на бумагу.

Тесла приобрёл широкую известность как инженер-электротехник: его выступления на собраниях американских инженеров пользовались большим успехом. Председатель одного из таких собраний пошутил, что когда-то Бог сказал: «Да будет свет!» – и мир осветился, но он мог сказать просто: «Да будет Тесла!» – и Тесла бы сам принёс свет людям.

Ещё большую популярность Тесла снискал у широкой публики: в глазах людей, мало что смысливших в электрических схемах. Высокий – 188 см и худой – 64 кг, Тесла был воплощением сумасшедшего учёного. Его элегантная тощая фигура была известна многим нью-йоркцам; его экстравагантные привычки привлекали внимание света; его эффектные эксперименты с многометровыми молниями вокруг огромных заряженных шаров восхищали народ и порождали массу слухов.

Когда в 1898 году на нью-йоркской выставке Тесла продемонстрировал радиоуправляемую лодку – она вызвала сенсацию. В публике высказывались различные мнения: лодка управляется волшебством, телепатией или маленькой обезьянкой, спрятанной внутри. Военные не заинтересовались радиоторпедами, которые предлагал им Тесла: его идея радиоуправляемых роботов, или телеавтоматов, как он их называл, опередила время на сто лет.

Тесле удалось исполнить свою мечту – он построил гидроэлектростанцию на Ниагарском водопаде.

Ему принадлежат 700 патентов в разных странах мира.

Он открыл рентгеновские лучи и получил рентгеновские снимки независимо от Рентгена.

Он создал радио и осуществил радиопередачу независимо от Маркони и других изобретателей.

Он был уверен, что принял в своей лаборатории сигналы с другой планеты.

Он утверждал, что разработал «лучи смерти», которые могут стать самым могущественным оружием в мире.

В пожилом возрасте он проходил в день около 15 километров, любил кормить голубей, а на излечение голубки со сломанным крылом потратил две тысячи долларов, причем сам сконструировал устройство, которое позволило ей поддерживать сломанное крыло. Он жил в отеле, никогда не был женат и не имел детей. Прогуливаясь, он считал шаги при ходьбе, обедая – рассчитывал объём тарелки с супом. Если его отвлекали от этого занятия, то пища не приносила ему удовольствия. Поэтому он предпочитал есть в одиночестве.

Он разговаривал на восьми языках.

Он очень не любил жемчуг и запах камфары.

Он элегантно одевался и всегда надевал к ужину белые перчатки. Ужинал он обычно в определённом ресторане и требовал, чтобы его обслуживал конкретный, уже знакомый ему официант. После холеры, которую он перенёс в юности, он опасался бактерий и был очень чистоплотен.

Последние 10 лет он, возможно, жил уже не в мире реальности, а в мире своих грёз, где многие его идеи осуществились.

Тесла по популярности мог поспорить с любой кинозвездой. Он не только изобретал полезные устройства – он вдохновлял людей своим талантом новатора. Он заложил фундамент современной электрической цивилизации, но умер небогатым и одиноким человеком, в возрасте 86 лет.

После смерти Теслы Федеральное бюро расследований опечатало его бумаги и пригласило эксперта, который бы оценил – насколько опасны открытия Теслы, включая его «лучи смерти». Эксперт не нашёл ничего интересного в устройствах и бумагах, хранимых в номере отеля, где жил Тесла, но многие поклонники таланта Теслы уверены, что секреты великого изобретателя с той поры были спрятаны в тайниках спецслужб.

За гробом Теслы шли тысячи людей, включая нескольких нобелевских лауреатов.

Его прах перевезён в Сербию и покоится в золотом шаре на мраморном постаменте в музее Теслы. Его именем названа единица магнитной индукции и первый массовый электромобиль.

В штате Нью-Йорк и в других штатах 10 июля отмечают День Теслы, а на перекрёстке 40-й улицы и 6-й авеню в Манхэттене висит знак «Перекрёсток Николы Теслы».

Многие современники считают Теслу «святым заступником электрической эры» и «человеком, который изобрёл XX век». Его имя окутывает облако легенд – ему приписывают создание машины времени, а также фантастических устройств для телепортации и телепатии. Некоторые считают, что Тунгусский метеорит 1908 года был одним из экспериментов Теслы по фокусированию энергии на больших расстояниях. О нём пишут многочисленные книги и снимают фильмы. Он стал легендарным электрическим волшебником.

Если вы исключительно трезвомыслящий человек и не верите в легенды, то, когда пользуетесь многочисленными плодами электрической цивилизации, включающие различные устройства и электромоторы Теслы, просто скажите ему: «Спасибо».

Примечания для любопытных

Постоянный ток – электрический ток, который не меняет со временем своё направление и величину.

Переменный ток – электрический ток, который меняет со временем своё направление (например, в обычной бытовой электросети – 50 или 60 раз в секунду, что означает частоту 50 или 60 герц) или свою величину. В авиации используется переменный ток в 400 герц, на железных дорогах – 16 или 25 герц.

Вращающееся магнитное поле – магнитное поле, которое, не меняя своей величины, меняет своё направление, вращаясь с постоянной угловой скоростью, как это делает, например, часовая стрелка.

Тунгусский метеорит – событие 30 июня 1908 года, которое вызвало ослепительную вспышку, повалило деревья на площади в 2000 квадратных километров, но не оставило никакого кратера. Специалисты считают, что это был каменный астероид размером около 50 метров, разрушившийся высоко в атмосфере, как и каменный Челябинский болид диаметром в 20 метров, но среди неспециалистов бродит огромное количество фантастических гипотез, включая неудачную посадку корабля инопланетян и удачный опыт Теслы по передаче энергии на расстояние.

Проблема классификации химических элементов по свойствам и весу атомов заключалась в том, что далеко не все химические элементы в то время были открыты, а для тех элементов, что были открыты, физические параметры нередко определялись с большой ошибкой. И молодому учёному нужно было сначала уловить скрытый ритм химических свойств элементов, а потом понять – если какие-то элементы не укладываются в найденную закономерность, то является ли это признаком ошибочности данной закономерности или признаком неправильно определённых свойств химических элементов?

Гениальность и смелость Дмитрия Ивановича Менделеева, достигшего к 1869 году, времени открытия своего Периодического закона, 35-летнего возраста, как раз в том и выразились, что он верно уловил гармонию в периодичности химических свойств элементов, а параметры тех элементов, которые ей не соответствовали, он смело исправил. Для этого нужно твёрдо верить в открытый закон! Например, в те времена атомный вес урана считался равным 120 единицам.

– А что такое единица атомного веса? – спросил Андрей.

– Это одна двенадцатая массы атома углерода. Так как ядро углерода имеет массу 12 и состоит из шести протонов и шести нейтронов, то получается, что за единицу принимается величина, близкая к массе одного нуклона в ядре, то есть протона или нейтрона. Возвращаясь к урану: Менделеев взял и увеличил его массу со 120 до 240 единиц! Впоследствии оказалось, что уран имеет среднюю массу в 238.

– То есть Менделеев, исходивший из теоретических соображений, оказался гораздо точнее, чем все экспериментаторы? – удивился Андрей.

– Да, хорошая теория должна обладать способностью к верным предсказаниям. Учёный исправил параметры девяти элементов: например, известную атомную массу тория учёный изменил с 174 до 231; массу индия исправил с 75,6 на 113,4; массу церия поднял с 92 до 140. Все эти и ряд других сдвигов в параметрах элементов потом полностью подтвердились. Более того – таблица Менделеева позволила не только правильно разместить известные элементы, она также указала на пропуски или пустые клетки в таблице.

– А в этих пустых клетках должны были находиться ещё не открытые элементы? – догадалась Галатея.

– Верно. На основе открытых периодичностей свойств химических элементов Менделеев детально описывал возможные характеристики ещё не открытых элементов, указывал их атомный вес и химические свойства.

Учёный писал: «Без Периодического закона мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения… Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь».

Базируясь на своём законе периодичности, Менделеев предсказал наличие десяти ещё не открытых химических элементов: скандия, галлия, германия, гафния, полония, астата, технеция, протактиния, рения и франция. Все они были впоследствии открыты, что стало настоящим триумфом Периодического закона Менделеева.

Дзинтара раздала детям красивые цветные листки с таблицей.

– Возьмите таблицу Менделеева и внимательно посмотрите на неё. Она рекордсмен по информационной ёмкости: эта таблица, умещающаяся на одной странице, рассказывает невообразимо много о тайнах нашего мира. Таблицу Менделеева, как и физическую карту Земли, можно рассматривать бесконечно долго.

– Мама, а почему химические элементы проявляют такую периодичность? – спросила Галатея.

Дзинтара призадумалась, а потом молча потянулась к вазе, заполненной разными ягодами, и стала что-то сортировать.

Вскоре на столе выросли три кучки: тёмно-красных вишен, полупрозрачного желтоватого винограда и ягод чёрной смородины.

– С помощью этих ягод мы сейчас смоделируем набор элементов, из которых создан наш материальный мир. Пусть вишни означают протоны, виноградинки – нейтроны, а мелкие ягоды смородины – электроны.

Дзинтара взяла прозрачные стаканы и расставила их в ряд. В первый стакан она бросила одну вишенку, во второй – две, в третий – три.

– Каждый стакан – это ядро какого-то химического элемента. В таблице Менделеева больше сотни элементов, но мы не будем брать сотню стаканов – ведь нам важно понять общий принцип строения ядер химических элементов. В каждый следующий стакан мы кладём на одну вишенку больше, так что количество вишенок в стакане будет означать его порядковый номер в общем ряду.

– Значит, заряд каждого элемента будет всё время нарастать! – сказал Андрей.

– Верно, – согласилась Дзинтара. – Электрический заряд ядра каждого элемента, измеренный в зарядах протона, который равен заряду электрона, строго равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева – и растёт вместе с ним. Масса ядра тоже увеличивается с порядковым номером, но по более сложной функции.

Дело в том, что все протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Чтобы склеить их вместе, нужны нейтроны – частицы, очень похожие на протоны, но не обладающие электрическим зарядом. Протоны и нейтроны притягиваются друг к другу за счет мощных сил, которые так и называют – ядерными. Нейтроны нужны, чтобы «сцементировать» атомные ядра. Нейтроны склеиваются с протонами ядерными силами – и делают ядро стабильным, не радиоактивным.

Дзинтара указала на стакан с одинокой вишенкой.

– Этот единственный протон – ядро водорода, он стабилен и не нуждается в поддержке нейтроном. Зато если у этого элемента, гелия, – Дзинтара указала на следующий стакан с парой вишен, – составить ядро всего из двух протонов, то оно окажется очень нестабильным. Если мы добавим в ядро гелия один нейтрон, – Дзинтара бросила в стакан виноградинку, – то получим стабильный изотоп гелия – гелий-3. Если добавить ещё один нейтрон, то получится отличное, очень крепкое ядро гелия-4, которое настолько прочно, что может рассматриваться как отдельная элементарная частица – альфа-частица, – ведь именно она вылетает из многих радиоактивных ядер.

– А что будет, если к вишнёвому ядру водорода добавить виноградный нейтрон? – Галатея указала пальцем на стакан с одной вишней.

– Мы получим тяжёлый водород – дейтерий, который будет стабильным. Присоединение второго нейтрона дает тритий – сверхтяжёлый и нестабильный водород, с периодом полураспада двенадцать лет.

Но давайте обсудим третий элемент – литий, в состав ядра атома которого входят три протона. Чтобы ядро лития стало стабильным, нам нужно добавить ему три или четыре нейтрона. Ядра, которые содержат одинаковое количество протонов, принадлежат одному химическому элементу, но если у них разное число нейтронов, то говорят, что элемент имеет несколько изотопов. Поэтому литий с тремя протонами имеет два стабильных изотопа – с тремя и четырьмя нейтронами.

Дзинтара бросила в стакан три виноградинки, а потом – ещё одну.

– Для стабильности ядра требуется нейтронов больше, чем протонов, или, как минимум, столько же – это правило неукоснительно выполняется во всей таблице Менделеева, за исключением водорода.

Четырёхпротонное ядро бериллия нуждается для стабильности в пяти нейтронах, а пятипротонное ядро бора содержит пять или шесть нейтронов. Три следующих важнейших для жизни элемента: углерод, азот и кислород – достигают стабильности при минимальном количестве нейтронов, равном числу протонов, но сохраняют стабильность и при увеличении числа нейтронов на единицу или даже на двойку, как в случае кислорода. С ростом заряда ядра избыток числа нейтронов над числом протонов нарастает.

– Ведь протоны отталкиваются друг от друга, а нейтроны нет – так что чем их больше, тем ядру легче сохранять свою стабильность, – авторитетно заявил Андрей.

– Прочность ядер нарастает вместе с массой и достигает максимума на ядре железа. Потом ядерная прочность начинает падать – и после последнего стабильного ядра свинца с номером 82, в котором находится 82 протона и 125 нейтронов, уже никакая комбинация из нейтронов и протонов не может обеспечить устойчивость ядра.

– А какой номер клетки у радиоактивного урана? – спросила Галатея.

– Ядро урана содержит 92 протона и почти полтораста нейтронов.

Тут Андрея осенило:

– Теперь я понимаю, почему атомные электростанции производят так много радиоактивных отходов! Ядро урана с большим количеством нейтронов, поделившись пополам, дает два ядра из середины таблицы Менделеева, которым не нужно такое количество нейтронов! Радиоактивность таких новых ядер будет огромной!

– Ты сообразил быстрее меня, – признала Дзинтара. – В целом ядра химических элементов являются довольно простыми и прочными сгустками из протонов и нейтронов. Зато эти ядра служат основой для возникновения атомов, которые включают в себя электроны и оказываются гораздо более сложными конструкциями.

– Действительно, ядра атомов имеют положительный электрический заряд – значит, они должны притягивать к себе электроны везде, где только встретят их, – сказал Андрей.

– Верно, – согласилась Дзинтара. – Ядра химических элементов крайне редко можно встретить голыми, без электронов. В нормальных условиях атомы обычно содержат столько электронов, чтобы полностью компенсировать заряд ядра.

– Это значит, что в нейтральном атоме столько же электронов, сколько протонов в его ядре. А это число равно номеру химического элемента! – выпалила Галатея.

– Молодец! – сказала Дзинтара. – Ты хорошо разобралась. Это означает, что вокруг атома, например, свинца размещаются 82 электрона. Но, притягиваясь к ядру, они одновременно отталкиваются друг от друга, поэтому устойчивое размещение отрицательных электронов вокруг положительных ядер оказывается очень непростой задачей.

Дзинтара положила возле стакана с одной вишенкой одну ягодку смородины, а возле стакана с двумя вишенками и двумя виноградинками – две смородинки.

– Это модели атома водорода с одним электроном и атома гелия с двумя. Учёные знают, что эти элементы весьма различны по химическим свойствам: в ходе некоторых реакций у водорода можно отнять его собственный электрон, а можно присоединить к нему лишний. Например, при горении водорода в кислороде образуется вода с молекулой, состоящей из двух атомов водорода и атома кислорода. В молекуле воды кислород отнимает у атомов водорода по электрону, присоединяя их к своей электронной свите. Но и ядра водорода он не отпускает – ведь они заряжены положительно и притягиваются к отрицательно заряженному кислороду, получившему избыток электронов, – именно так и получается прочная молекула воды.

Зато у гелия очень трудно что-либо отнять – это такой скряга, который не хочет расставаться со своими электронами. Впрочем, и чужих электронов ему не надо. Это свойство гелия обеспечивает ему почти идеальную химическую инертность. Его так и называют: инертный газ, что значит – неповоротливый, не реагирующий ни на что.

В таблице Менделеева выделяют восемь групп элементов, которые проявляют периодичность. А знаете, почему их восемь? Потому что вокруг атомных ядер известно восемь уровней, где могут располагаться электроны. На первом уровне могут размещаться только два электрона…

Дзинтара нарисовала возле каждого из стаканов что-то вроде деревьев с восемью длинными ветками.

– Электроны водорода и гелия – это электроны первого уровня. Больше чем два электрона на первой или нижней ветке не поместятся. Поэтому, когда к ядру лития присоединяются три электрона, два из них садятся на самый низкой уровень, а третьему приходится помещаться на ветке повыше – на втором уровне.

Дзинтара нужным образом разместила три ягоды смородины возле стакана, где лежало три вишни и четыре виноградинки. Дети смотрели на её ловкие руки, которые сортировали ягоды, и переводили глаза на карточки с таблицей Менделеева, где в каждой клетке, соответствующей отдельному химическому элементу, указывалось размещение электронов по разным орбитам вокруг ядра данного элемента.

– На втором уровне могут уместиться восемь электронов. Поэтому следующие за литием семь атомов размещают свои электроны именно на этом, втором уровне: бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон. Последние три элемента особенно интересны: кислороду для заполнения второго уровня не хватает двух электронов, фтору – одного, а неон полностью заполнил второй уровень электронами. Эти особенности строения электронных оболочек определяют химические свойства данных элементов: кислород и фтор стремятся отобрать недостающие им электроны у любых встреченных ими атомов, заодно присоединить и сами эти атомы, «окислить» их, образовав молекулу «оксида» с одним атомом кислорода или «диоксида» – с двумя. Кислород – это самый распространённый окислитель, поэтому процесс окисления даже назвали по его имени.

– Может, это его назвали по процессу окисления? – предположила Галатея. – А нельзя ли привести какой-нибудь пример этого… окисления?

Дзинтара ответила:

– Конечно. Окисление железа, или образование ржавчины, является самым типичным примером соединения кислорода с металлом. Следующий элемент таблицы Менделеева, фтор, является самым сильным окислителем в природе, который может окислить все химические элементы, включая золото и платину. Исключением являются гелий и неон – инертность этих газов не может преодолеть даже агрессивный фтор.

Углерод имеет на втором электронном уровне четыре электрона, то есть можно с одинаковым основанием сказать, что его второй уровень наполовину пуст или наполовину полон. Эта особенность углерода позволяет ему создавать самые различные химические соединения, например отдавая сильному окислителю все четыре электрона – как в случае углекислого газа CO₂, или отнимая у четырёх атомов водорода по электрону, образуя метан CH₄. Это обилие химических соединений углерода сделало его основой жизни на нашей планете.

– А на других планетах? – полюбопытствовала Галатея.

– Вероятнее всего – и на других планетах, хотя некоторые фантасты рассуждают о возможности жизни не на основе углерода, а на основе других химических элементов. Но вряд ли такие формы жизни возможны.

– А почему так важно подсчитывать электроны на разных оболочках? – спросила Галатея.

– Давайте посмотрим на трёх соседей по таблице Менделеева – углерод, азот и кислород: массы их ядер очень близки, а их электрические заряды, то есть число протонов, отличаются всего на единицу. Но за счет другого расположения электронов мы получили совершенно разные по химическим свойствам элементы: углерод, который представляет собой твердое тело, и два газа с очень различными свойствами: слабо реагирующий с окружающим азот или кислород – сильнейший газ-окислитель.

Сотня химических элементов, ядра которых плавно меняют свои заряды и массы, благодаря разному строению электронных оболочек, скачками меняют свои свойства. Поэтому, если не разобраться со строением электронных оболочек атомов, то нельзя понять их способность к химическим реакциям. Именно электроны дают возможность сотне химических элементов соединяться в миллионы различных видов молекул, из которых построено всё вокруг нас, а также сконструированы мы сами. Химия – это фактически электрическая наука, которая базируется на движениях электронов и зарядов.

Менделеев открыл периодичность химических свойств элементов, глубокая причина которой заключается в том, что когда атомы начинают заполнять электронами новый уровень, то их химические свойства становятся очень похожими на свойства элементов с электронами на предыдущем уровне. Вот щелочной металл натрий, который настолько активно ищет, кому бы отдать свой единственный электрон на третьем уровне, что при падении в воду начинает с шипением расщеплять её, выдавливая из неё водород и присоединяя остаток к себе, образуя едкую щёлочь. Его химические свойства аналогичны свойствам других щелочных металлов – лития с одним электроном на второй оболочке и калия с одним электроном на четвёртой оболочке.

Хлор, которому не хватает для заполнения третьей оболочки всего одного электрона, является аналогом агрессивного фтора, а газ аргон, полностью укомплектовавший третий уровень электронами, является, как и неон, представителем инертных газов.

Но заполнение электронами четвёртой оболочки оборачивается сюрпризом: если кальций, следующий за щелочным калием, смог разместить на четвёртом уровне пару электронов, то следующий элемент – скандий – уже не смог разместить на внешнем уровне третий электрон. Новый электрон, притянутый выросшим зарядом ядра скандия, не удержался на растянутой четвёртой оболочке и провалился ниже – на третий уровень, потеснив восьмёрку тамошних электронов и став девятым на этой оболочке. Аналогичная ситуация произошла с электронами и последующих химических элементов. Так началось химически близкое семейство из десяти металлов: скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди и цинка.

– А почему они оказались химически близкими, хотя заряд ядра у них нарастает? – спросил Андрей, держа в руках таблицу Менделеева и внимательно рассматривая её.

– Потому что на химические свойства элемента, главным образом, влияет количество электронов на внешней оболочке – и у всех этих металлов на внешней, четвёртой оболочке расположено только по два электрона, за исключением хрома и меди, у которых уцелело на внешней оболочке вообще по одному электрону. Остальные электроны провалились на третий уровень, увеличив – к цинку – количество здешних электронов до 18-ти. Это число исчерпало возможности третьего уровня, и последующие электроны снова размещаются на четвёртом уровне – у галлия их там три, у германия – четыре. Эти изменения на самом внешнем электронном уровне снова начинают активно менять химические свойства элементов, причем восстанавливается аналогия с элементами предыдущей группы: бром, у которого не хватает одного электрона, близок по активности к хлору, а криптон с восьмёркой электронов на четвёртом уровне оказывается инертным газом, как и неон.

Двигаясь дальше по таблице Менделеева – а это очень увлекательное путешествие! – мы увидим периодичность свойств в новых группах элементов.

Как уже говорилось, всего в таблице Менделеева выделяется восемь групп элементов с химической периодичностью. В пятой группе снова появляется группа металлов, которые удерживают на внешней, пятой оболочке только один или два электрона – а остальные проваливаются на четвёртую. В этой группе металлов, которая начинается с иттрия и заканчивается кадмием, есть хорошо известные молибден, палладий и серебро. В шестой группе серия металлов начинается с лантана и заканчивается ртутью, но здесь насчитывается уже не десять, а 24 металла, включая 14 металлов-лантанидов.

– И сколько же электронов они удерживают на внешней, шестой оболочке? – спросил Андрей.

– По-прежнему по одному или два, – ответила Дзинтара. – Но, в отличие от предыдущих групп металлов, у которых электроны проваливались ниже на один уровень, у лантанидов электроны стали проваливаться на два уровня ниже, увеличивая количество электронов на четвёртом уровне с 18 до 32.

– Ага, у десяти обычных металлов электроны провалились на один уровень, а у 14 лантанидов – на два. Но это значит, что химические свойства лантанидов должны быть очень похожи, если они отличаются лишь количеством электронов на третьей сверху оболочке! – заключил Андрей.

– Совершенно верно! – похвалила сына Дзинтара, а Галатея недовольно посмотрела на Андрея. – Химические свойства лантанидов, которые называют ещё «редкими землями», очень близки друг к другу.

Среди обычных металлов шестой группы есть такие известные, как вольфрам, платина и золото.

В седьмой группе заполнение электронных оболочек идет по тому же принципу: группа начинается с радиоактивного щелочного металла франция, который был предсказан Менделеевым на основании его таблицы и открыт несколько десятилетий спустя. У франция есть электроны на семи оболочках: 2 электрона – на первой, 8 – на второй, 18 – на третьей, 32 – на четвёртой, 18 – на пятой, 8 – на шестой, 1 – на седьмой.

Следующий элемент номер 88 – радий – удерживает второй электрон на седьмой оболочке, зато у актиния за номером 89 новый электрон проваливается на шестую оболочку.

За актинием следует группа из 14 актиноидов. У тория за номером 90 новый электрон тоже садится на шестой уровень, увеличивая там количество электронов до десяти. У протактиния с номером 91 новый электрон ухает сразу на пятый уровень, захватывая с собой ещё и электрон с шестого уровня. В группе актиноидов пятый уровень достраивается с 18 до 32 электронов. Она включает такие известные радиоактивные металлы, как уран и плутоний.

Обычные металлы седьмой группы, такие как резерфордий с номером 104 или рентгений 111, не встречаются в природе – их синтезируют на ускорителях в ничтожных количествах.

Как установил Менделеев, все периодические группы химических элементов начинаются со щелочных металлов, за исключением первой, которая начинается с водорода.

– Но, может быть, можно рассмотреть водород как самый лёгкий щелочной металл? – спросил Андрей.

– Рассмотреть-то можно… Но даже если пренебречь фактом, что в нормальных условиях водород – газ, то очевидно, что водород не обладает главным свойством щелочных металлов: вытеснять из воды водород и образовывать щёлочь. Ведь водороду в данном случае придётся вытеснять самого себя!

– Чего никто не заметит! – победно сказала Галатея и почему-то показала Андрею язык.

– Все периодические группы заканчиваются инертными газами, за исключением восьмой, до конца которой учёные ещё не добрались, поэтому тамошний инертный газ, который должен быть сильнорадиоактивным, науке ещё неизвестен.

– Интересный газ – химически инертный и ядерно нестабильный! – пробормотал Андрей.

– Именно таким газом является радиоактивный, но химически инертный радон, замыкающий шестую группу элементов.

– А почему электроны себя так ведут – заполняют то одну, то другую оболочку? – спросила Галатея.

– Их поведение обусловлено электрическим притяжением ядра с одновременным отталкиванием со стороны других электронов. Важно учитывать квантовое поведение частиц, потому что электроны – это не столько частицы, сколько волны.

Гениальность Менделеева заключается в том, что он открыл основные квантовые закономерности формирования электронных оболочек атомов за 65 лет до создания квантовой механики, задолго до введения квантов Планком и создания реалистичной атомной модели Бора-Резерфорда.

Менделеев расположил элементы в порядке возрастания атомного веса и уловил глубинную симметрию – периодичность их химических свойств! Сейчас мы выводим квантовую основу всей таблицы Менделеева на нескольких страничках учебника, но тогда… Это и есть то, что называют гениальным открытием.

Сейчас мы понимаем, что десятки электронных волн сталкиваются и переплетаются вокруг атомного ядра, порождая самые замысловатые электрические конфигурации. Именно ими занимается квантовая механика, рассчитывающая с помощью сложных уравнений и мощных компьютеров поведение многоэлектронных оболочек атомов; именно эти электронные оболочки определяют химические свойства элементов, из которых состоим мы сами, наша еда и наше окружение.

– То есть вкус нашей еды зависит от электронных облачков вокруг атомов? Значит, мы едим электрическую еду? – спросила Галатея.

– Верно. Мы все фактически являемся электрическими организмами – мы используем электричество для передачи сигналов по нашим нервам, а для поддержания сил мы едим еду, приправленную электронами. Некоторые организмы, вроде электрических угрей, используют электроток ещё и как оружие, а кое-кто научился есть электричество впрямую, без всякой сопутствующей еды.

– Кто-то научился питаться электричеством прямо из розетки? – удивлённо спросил Андрей.

– Да, есть организмы, которые питаются электричеством, или, попросту, электронами, напрямую. Если взять маленький аккумулятор, прийти на берег реки и воткнуть электрод в илистое дно, то вокруг него соберутся совершенно особые бактерии, которые питаются электричеством. Этим одноклеточным организмам, которые живут на дне морей и в речном иле, не нужно есть и дышать – они способны просто поглощать электроны. Но электроны должны будут куда-то течь и сбрасываться, поэтому бактерии находят способ избавляться от ненужных электронов, выделяя их наружу.

– Ты хочешь сказать, что есть бактерии, которые едят электроны и какают ими? – недоверчиво спросила Галатея.

– Да. Эти бактерии слизывают электроны с поверхности электрода, а потом сбрасывают их в окружающие металлы или по проводам передают соседям…

– По проводам? – не поверила своим розовым ушкам Галатея.

– Эти бактерии выращивают из себя тонкие белковые нити, которые хорошо проводят электричество. Микроорганизмы соединяются этими проводами друг с другом в электрический контур, образуя длиннющие, в несколько сантиметров, электрические цепи. Такая бактериальная цепь может, например, соединять два участка почвы с разными химическими свойствами – и это позволяет бактериям эффективно использовать эту разницу.

Вольта соединил медный и цинковый кружок слабым раствором кислоты и получил электрический элемент. Что-то похожее делают и бактерии, образуя бактериальную электрическую батарею. Часто в такой электрический симбиоз вступают разного вида одноклеточные организмы – они делят свои функции и, передавая друг другу электроны, выживают успешнее, чем в одиночку.

Человек ничем принципиально не отличается от этих электробактерий. Мы едим электрические атомы, мы впитываем с едой электроны и выдыхаем их из лёгких, присоединяя к кислороду. Вся сложная цепь химических превращений еды и кислорода в нашем организме фактически сводится к тому, что мы питаемся электрической энергией.

– Постой, мама! – воскликнул Андрей. – Я привык думать, что сам кислород необходим нашему организму, а ты говоришь, что он всего лишь уносит от нас электроны.

– Конечно, ведь мы, вдыхая кислород, не усваиваем его, а, соединив с углеродом, выдыхаем его примерно в том же количестве, в каком получили при вдохе. И если человек не может дышать, то умирает за несколько минут из-за переизбытка электронов, которые не могут больше уходить наружу.

– А как же вкусные вещи, которые мы едим, тот же сахар – он тоже всего лишь передатчик, вернее, источник электронов? – стала расспрашивать Галатея.

– Да, у сахара есть избыточные электроны, наши клетки расщепляют сахар, и электроны проходят сквозь клетки до тех пор, пока не присоединятся к кислороду, который, как мы знаем, очень охотно присоединяет к себе электроны. В ходе расщепления сахара и перемещения электронов наши клетки вырабатывают аденозинтрифосфат – молекулу, которая служит батарейкой практически во всех живых организмах. Без движения электронов наша жизнь была бы невозможна.

– Кругом одно электричество! – с удивлением сказала Галатея.

– Астробиологи очень заинтересовались земными электробактериями. Ведь в Солнечной системе есть места, где мало света, кислорода и органических соединений. Могут ли там жить бактерии, которые питаются электричеством и не нуждаются в кислороде? Электробактериями активно занимаются и земные экологи – они рассчитывают, что те, способные жить в самых грязных и даже радиоактивных местах, могут помочь с очисткой нашей планеты от опасных загрязнений. Вот так электричество теснейшим образом переплетается с химией и биологией.

– Буду изучать электрохимию и особенно электробиологию! – решила Галатея.

Примечания для любопытных

Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) – великий русский химик, открыватель Периодического закона химических элементов – фундаментального закона природы. Элемент 101 назван в его честь – менделеевий.

Франций – радиоактивный щелочной металл, предсказанный Менделеевым и открытый в 1939 году Маргаритой Перей, сотрудницей Института радия в Париже. Чрезвычайно редкий химический элемент: суммарное количество франция в земной коре оценивается в 340 граммов. (Информацию обо всех остальных химических элементах легко можно найти в учебниках химии или Интернете.)

Макс Планк (1858–1947) – великий немецкий физик, основоположник квантовой физики. Ввёл понятие «квант». Лауреат Нобелевской премии (1918). Именем Планка названа фундаментальная константа квантовой теории – «постоянная Планка».

Эрнст Резерфорд (1871–1937) – великий британский физик. Предложил планетарную модель атома в виде положительного маленького ядра, вокруг которого двигаются электроны. Лауреат Нобелевской премии (1908).

Нильс Бор (1885–1962) – великий датский физик, ученик Резерфорда. Создатель первой квантовой модели атома и его электронных оболочек. Лауреат Нобелевской премии (1922).

– Так, давайте разберёмся! – решительно сказала Галатея. – Пусть одни лодки плавают у левого берега пруда – это будет команда излучателей, другие у правого – это будет команда дефекторов…

– Детекторов, – поправил Галатею Андрей.

– Ну да… На каждой лодке стоит игрок или человек с перчатками, в которые встроены измерители силы удара. Люди на левых лодках бросают мячи, а люди на правых лодках их ловят. И вы утверждаете, что мячи будут терять свою энергию при переброске?

– Да. Пусть все лодки покоятся в начальный момент. Когда игроки слева бросят свои мячи, то их лодки под действием реактивной силы поплывут к левому берегу. А когда игроки справа поймают эти мячи, их лодки поплывут к правому берегу. И перчаточные измерители у левых игроков покажут, что из 100 процентов энергии, которые игрок затратил на бросок, мячу досталось только, скажем, 95 процентов, а пять процентов досталось лодке. А измерители у правых игроков покажут, что они поймали мяч с силой удара, равной 90 процентам от первоначального, потому что ещё около пяти процентов начальной энергии уйдёт на движение правых лодок.

– Ну хорошо… – нехотя согласилась Галатея. – И что дальше?

– В данном примере никакого поглощения гамма-кванта ядром не произойдёт – слишком мало у мяча сохранилось энергии. Но исследователи заметили, что если заставить лодки двигаться хаотически в разных направлениях, то вероятность поглощения возрастает.

– И это совершенно понятно! – воскликнул Андрей. – Ведь если левая лодка движется слева направо, то бросок мяча левым игроком её просто остановит. И если правая лодка будет двигаться летящему мячу навстречу, то поимка мяча её не ускорит, а затормозит. Значит, энергия лодок была добавлена в процесс, от чего мяч, то есть гамма-квант, сумеет сохранить свою энергию – и поглотиться другим ядром.

– Кажется, тебе пора читать эти сказки вместо меня, – сказала Дзинтара, – ты обо всём догадываешься раньше всех.

Никки подмигнула покрасневшему Андрею:

– Да, можно двигать друг к другу излучатель или детектор – и тогда поглощение гамма-квантов в детекторе вырастет. Аналогичный процесс происходит, когда кристаллы не двигаются, но температура их растёт – ведь каждый атом начинает колебаться со скоростью, растущей вместе с температурой. В результате у нас появится какое-то количество атомов в излучателе, которые будут двигаться к детектору с нужной для поглощения скоростью.

Научный руководитель дал молодому аспиранту Рудольфу Мёссбауэру задание: измерить, как при изменении температуры кристалла меняется поглощение невозбуждёнными ядрами осмия гамма-квантов, выпущенных возбуждёнными ядрами осмия.

– То есть при увеличении скорости хаотического движения лодок… – пробормотал Андрей. – Действительно ядерный процесс оказался зависящим от температуры…

– Руководитель настоятельно рекомендовал аспиранту нагревать радиоактивный кристалл, чтобы достигнуть больших скоростей хаотического движения атомов. Но молодой аспирант поступил по-своему – и стал охлаждать кристаллы, чтобы измерить кривую поглощения при низких температурах.

– А что, открытия всегда делаются через непослушание? – спросила Галатея с хитрым прищуром.

Дзинтара вмешалась с некоторым беспокойством:

– Практически всегда. Но речь идёт о непослушании в научной дискуссии, а не в споре о том – убирать или не убирать девочкам носки со стола.

– Ах, о научной дискуссии… – протянула Галатея.

Никки ухмыльнулась и продолжила:

– Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то очень удивился: вместо ослабления поглощения он получил его резкий рост! Все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с абсолютно одинаковой энергией, причем, когда учёный охладил и детектор, то они стали активно поглощаться в нём.

– Почему? – спросила Галатея.

– Потому что атомы кристалла при низкой температуре вцепились друг в друга с такой силой, что отдача кванта стала приходиться не на один атом, а на весь кристалл. А он настолько тяжелее гамма-кванта, что тот стал полностью сохранять свою энергию. Вот представь, что лодки, в которых ты разместила игроков, бросающих мяч, вморожены в лёд, тогда они не отнимут у мячей никакой энергии, потому что отдачи не будет.

Эффект резкого роста поглощения гамма-квантов при глубоком охлаждении стали называть резонансным поглощением, или эффектом Мёссбауэра. Его открыватель стал знаменит – и получил в 1961 году Нобелевскую премию, в возрасте 32 лет.

– Как же полезно не слушаться своего научного руководителя… – протянула Галатея.

– Эффект Мёссбауэра стал удивительно точным инструментом для измерения разных тонких эффектов. Например, с его помощью можно измерить разность течения времени на первом и седьмом этажах многоэтажного здания.

– Там время течёт по-разному? – переспросила Галатея, пытаясь вспомнить свои личные впечатления от пребывания на седьмом и первом этажах.

– Да, согласно общей теории относительности Эйнштейна, время на первом этаже должно течь медленнее.

Через два года после открытия эффекта Мёссбауэра гарвардские учёные Роберт Паунд и Глен Ребка разместили на башне высотой 22,6 метра изомер железа как источник гамма-квантов и сумели измерить, насколько частота этих гамма-квантов вырастет при их движении к подножию башни. Это смещение частоты точно совпало с предсказанием теории Эйнштейна. Сейчас этот эффект изменения времени тщательно учитывается в спутниковых системах, потому что на спутнике, который двигается по геостационарной орбите – высотой более 20 тыс. км, часы спешат относительно земных часов на 45 микросекунд в сутки.

– Вот это да! – воскликнула Галатея. – Тогда мультики, которые транслируются через спутники, пришли к нам из ускоренного времени! Из будущего!

Андрей только вздохнул, глядя на восторженную сестру.

Примечания для любопытных

Рудольф Мёссбауэр (1929–2011) – выдающийся немецкий физик, открывший ядерный гамма-резонанс, или эффект Мёссбауэра. Лауреат Нобелевской премии (1961).

Роберт Паунд (1919–2010) – выдающийся американский физик, профессор Гарвардского университета, один из открывателей ядерно-магнитного резонанса и соавтор измерения смещения частоты излучения в гравитационном поле.

Глен Ребка (р. 1931) – видный американский физик, аспирант Р. Паунда, с которым он провёл знаменитый эксперимент Паунда-Ребки.

Но приблизиться к этому абсолютному нулю долго не удавалось – пока проблемой получения сверхнизких температур не занялся профессор Камерлинг-Оннес. В 1894 году он создал очень эффективную установку по производству жидкого азота, дающую в час четыре литра этой ужасно холодной жидкости, и стал директором им же организованной Лейденской криогенной лаборатории. В 1908 году Камерлинг-Оннес превратил гелий в жидкость и достиг температуры всего в 0,9 градуса Кельвина или минус 272,25 градуса по Цельсию. За это профессор получил от коллег почетный титул «Господин Абсолютного Нуля». Профессор составил обширную программу исследования свойств различных веществ при таких низких температурах, к которой и приступил с помощью двух ассистентов – Корнелиса Дорсмана и Гиллеса Хольста.

8 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес, взбудораженный сообщением помощников, пришёл в свою лабораторию – и убедился, что опыт поставлен полностью в соответствии с его указаниями: ртуть, замороженная до твёрдого состояния и охлаждённая до 3 градусов Кельвина, была присоединена к гальванометру для измерения её сопротивления. И гальванометр показывал… отсутствие всякого сопротивления столь холодной ртути!

– Это действительно странно, – согласился Андрей. – Словно речка, которая в самый сильный мороз взяла растаяла – и быстро побежала по руслу.

Дзинтара кивнула:

– Верно. Это совершенно противоречило представлениям о природе электрического тока при низких температурах.

Поставив серию опытов, Камерлинг-Оннес убедился, что электросопротивление ртути с понижением температуры падало сначала медленно, а потом – при 4,2 градуса Кельвина – скачком рушилось до нуля. Абсолютно неожиданный результат!

– Зато закономерный! – отметил Андрей. – Ведь профессор создал лучшую в мире лабораторию низких температур и методично исследовал физические свойства веществ при сверхнизких температурах. Он должен был наткнуться на это свойство сильно охлаждённых металлов…

– …которое стали называть сверхпроводимостью! – кивнула Дзинтара.

– Весть о таком странном свойстве металлов мгновенно облетела всё научное сообщество – и уже через два года профессор Камерлинг-Оннес получил за своё открытие Нобелевскую премию. Он стал знаменит, в его честь назван лунный кратер диаметром в 66 км, а также специальная медаль и премия.

А мировое сообщество криогенщиков, физиков и химиков стало ломать головы сразу над двумя проблемами. Экспериментаторы кинулись искать: какие ещё металлы и вещества проявляют сверхпроводимость? И нельзя ли получить сверхпроводящие материалы при обычной температуре, не охлаждая их до почти абсолютного нуля? Это стало бы революцией в электротехнике!

Вторая проблема встала перед теоретиками: она заключалась в том, что никто не понимал – как металл может идеально проводить электрический ток? Как возникает электросопротивление в обычном металле, который имеет довольно много практически свободных электронов? Свободные электроны, толкаемые электрическим полем, движутся среди атомов, сталкиваются с ними и теряют скорость, одновременно раскачивая атомы, то есть нагревая вещество. Эти столкновения электронов с атомами и являются источником электрического сопротивления. Но почему при низких температурах эти столкновения или исчезают, или перестают тормозить электроны?

Первыми достигли успеха экспериментаторы: в 1912 году они выяснили, что в сверхпроводящее состояние могут переходить свинец и олово, причем свинец переходил в сверхпроводящее состояние при 7,3 градуса Кельвина – заметно большей температуре, чем олово или ртуть.

Рекордсменом среди чистых металлов оказался ниобий, который становился сверхпроводящим при 9,2 градуса Кельвина. Дальше пришлось рассматривать сплавы и соединения.

В 1960 году был открыт сверхпроводник с критической температурой в 18 кельвинов. Молекула этого сверхпроводника состояла из трёх атомов ниобия и одного атома олова. После чего прогресс в «гонке сверхпроводников» практически остановился.

Прорывом стало открытие в 1986 году Карлом Мюллером и Георгом Беднорцем нового типа сверхпроводников. Например, соединение, состоящее из лантана, стронция, меди и кислорода, переходило в сверхпроводящее состояние при 36 кельвинах. А соединение иттрия, бария, меди и кислорода стало превращаться в сверхпроводник при температуре большей, чем температура кипения жидкого азота, – 77,4 кельвина.

– Это означает, что для исследования сверхпроводимости и для практического использования сверхпроводников стало можно использовать не дорогостоящий гелий, а дешёвый азот, – уточнил Андрей.

Дзинтара кивнула.

– В 2003 году был открыт керамический сверхпроводник на основе ртути, бария, кальция, меди и кислорода, который имел критическую температуру в 138 кельвинов. Многие вещества – например, сероводород – будут сверхпроводящими и при земных температурах – хотя бы зимой в Антарктиде, где минус 70 градусов по Цельсию, – но только при высоких давлениях. Так что экспериментаторы сделали важный шаг в поиске сверхпроводников при комнатной температуре и при обычном давлении. Конечно, в этих поисках им помогла бы хорошая теория сверхпроводимости – но тут теоретики подкачали, ведь полноценной теории сверхпроводимости, которая бы описывала разные типы сверхпроводников, до сих пор не создано.

Значительное продвижение в создании теории сверхпроводимости было достигнуто теоретиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом, работавшими в СССР. Они создали феноменологическую, то есть не затрагивающую микромеханизмы явления, теорию сверхпроводимости Ландау-Гинзбурга.

Первой микроскопической теорией сверхпроводимости стала модель американских физиков Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Она попыталась объяснить, почему электроны в сверхпроводнике не испытывают сопротивления от атомов вещества. Модель БКШ стала рассматривать объединение электронов в стаю…

– Как это возможно? – удивилась Галатея. – Электроны отталкиваются друг от друга.

– Да, когда они в свободном состоянии. Когда же они движутся в кристаллической решетке, то посылают друг другу сигналы с помощью фононов – особых колебаний решетки. И этот обмен позволяет им создавать пары, которые стали называть «электронными парами БКШ».

Галатея продолжала недоумевать. Тогда на помощь пришёл Андрей:

– Помнишь, мы потеряли друг друга в зарослях кукурузы? Тогда я пошёл туда, где сильнее всего качалась и шелестела кукуруза, – и нашёл тебя!

– Верно, нашёл… – кивнула Галатея, пытаясь представить себя электроном, а шелестение кукурузы – фононом.

Дзинтара продолжила:

– Но теория БКШ, за которую авторы получили в 1972 году Нобелевскую премию, не ответила на главный вопрос, интересующий экспериментаторов, – как вычислять критическую температуру для конкретных соединений?

Если узнать, от каких параметров вещества она зависит, то можно было бы сразу найти самый высокотемпературный проводник. Более того, если низкотемпературные проводники – с критической температурой ниже 77 кельвинов – обычно подчинялись теории БКШ, то высокотемпературные керамические сверхпроводники капризничали и подчиняться теории БКШ не хотели…

– В нагретых проводниках много тепловых шумов, то есть фононов, – задумался Андрей. – Я бы тоже не смог найти Галатею среди кукурузы, если бы дул сильный ветер!

– …поэтому учёным пришлось вводить дополнительную классификацию сверхпроводников: на те, которые следуют уравнениям Бардина-Купера-Шриффера, и на те, которые – нет. Универсальная теория сверхпроводимости до сих пор не создана, поэтому экспериментаторы двигаются вперёд на ощупь.

– Давайте создадим её, эту теорию! – загорелась Галатея.

Дзинтара засмеялась.

– Это непростое дело – теории создавать. Ни вы, ни я такой квалификацией не обладаем.

– Но поразмышлять-то можно? – неожиданно поддержал младшую сестру старший Андрей, который обычно был гораздо сдержаннее. – Вот я слушал тебя и вспоминал эффект Мёссбауэра из прошлой сказки. Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с одинаковой энергией, потому что кристалл при низкой температуре стал такой прочный, что отдача кванта пришлась не на один атом, а на сто миллионов атомов. В результате гамма-квант оказался неспособен отдать свою энергию упругой и массивной кристаллической решётке!

– Ага… – задумчиво протянула Галатея. – И ты думаешь, что такой же эффект наблюдается в сверхпроводниках?

– Возможно! – кивнул Андрей. – Ведь при низких температурах атомные решётки должны быть как единое целое – и электрон, налетев на один атом, на самом деле налетит на весь кристалл. Он не сможет отдать ему свою энергию, отразится, как от идеального зеркала, и полетит дальше!

– Не растратив свою энергию! – Широко раскрыла глаза Галатея. – То есть он не будет испытывать электросопротивления!

– Точно! – засиял Андрей. – В холодном кристалле электроны сталкиваются с атомами часто, но не могут передать им свою энергию и раскачать их.

– Кажется, мои дети стали вундеркиндами! Видимо, влияние неумеренного чтения научных сказок, – озабоченно сказала Дзинтара. – Но вы не спешите, любая теория требует математического оформления, там много может быть всяких вещей, которых вы просто не учитываете…

– А мы никуда и не торопимся, – сказал Андрей и подмигнул сестре. – Вырастем, всё оформим и всё учтём…

Примечания для любопытных

Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) – выдающийся голландский физик. Создал эффективные установки по сжижению азота и гелия, открыл явление сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1913).

Георг Ом (1787–1854) – видный немецкий физик, открывший связь между силой тока, напряжением и электрическим сопротивлением, единица которого названа в его честь. Член Королевского общества (1842).

Андерс Цельсий (1701–1744) – видный шведский астроном, предложивший шкалу температуры, где точку плавления льда и кипения воды разделяли 100 градусов. В честь него назван астероид 4169.

Гальванометр – электрический прибор для измерения тока в проводниках. Назван в честь итальянского учёного Гальвани.

Карл Мюллер (р. 1927) – выдающийся швейцарский физик, открывший вместе с Беднорцем в 1986 году новый тип керамических сверхпроводников. Лауреат Нобелевской премии (1987).

Георг Беднорц (р. 1950) – выдающийся швейцарский физик, открывший новый тип сверхпроводников. Получил вместе с К. Мюллером Нобелевскую премию за 1987 год.

Лев Давыдович Ландау (1908–1968) – выдающийся советский физик-теоретик. Создатель теории сверхтекучести и сверхпроводимости. Академик (1946), лауреат Нобелевской премии (1962).

Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009) – выдающийся советский физик-теоретик. Создатель теории сверхпроводимости (теория Гинзбурга-Ландау) и сверхтекучести (теория Гинзбурга-Питаевского). Академик (1966), лауреат Нобелевской премии (2003).

Джон Бардин (1908–1991) – выдающийся американский физик, создатель транзистора и первой микроскопической теории сверхпроводимости. Единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии по физике (1956 и 1972).

Леон Купер (р. 1930) – выдающийся американский физик, создатель теории сверхпроводимости (теории БКШ). Получил Нобелевскую премию (1972) вместе с Бардиным и Шриффером.

Джон Шриффер (р. 1931) – выдающийся американский физик, создатель теории БКШ, объяснившей важные особенности сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1972).

Фонон – квазичастица, которая представляет собой квант колебания кристаллической решетки или квант звука, названный по аналогии с фотоном, который является квантом света. Введена Игорем Таммом.

Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) – выдающийся советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1958 год. Академик АН СССР.

В Кембридже Капица быстро завоевал авторитет своими работами в области радиоактивности и сверхсильных магнитных полей. В 1925 году он стал заместителем Резерфорда, в 1929 году был выбран в академики – то есть в члены Королевского общества и, одновременно, в члены-корреспонденты Академии наук СССР. В 1930 году Королевское общество выделило крупную сумму на постройку в Лондоне специальной лаборатории для Капицы, которая вступили в строй в 1933 году.

В СССР Семёнов тоже быстро стал известным, благодаря своим работам на стыке физики и химии. В 1927 году он возглавил химико-физический сектор своего института, в 1929 году, вместе с Капицей, был избран в члены-корреспонденты Академии наук, а в 1932 году – в академики. В 1931 году отдел превратился в Институт химической физики, бессменным директором которого стал Семёнов. Вскоре институт переехал в Москву, где и существует до сих пор. В 1934 году Семёнов опубликовал книгу «Химическая кинетика и цепные реакции», которая положила начало целому научному направлению в химии и физике.

В том же 1934 году научная карьера Капицы сделала резкий поворот: он приехал в СССР в отпуск, но назад, в Лондон, где у него остались жена и двое сыновей, его уже не отпустили.

– Как так не отпустили?! – не поверил Андрей, а Галатея энергично закивала головой, соглашаясь с его удивлением.

– В те времена государство и чиновники свободно распоряжались не только свободой, но и жизнями людей. После нескольких случаев, когда видные учёные из СССР – физик Г. А. Гамов, химик В. Н. Ипатьев и другие – остались за рубежом и не вернулись назад, правительство велело закрыть границы для учёных. Капица стал жертвой этой новой политики.

Он был шокирован и даже решил бросить физику.

Правительство, склоняя учёного к сотрудничеству, предложило Капице создать новую лабораторию в Москве. Николай Семёнов, старый друг Капицы, поддерживал его, чем мог, – и Капица согласился работать в СССР, если правительство перевезёт его лабораторию из Лондона в Москву. В конце 1934 года правительство СССР создало для П. Л. Капицы Институт физических проблем и выделило крупную сумму денег на закупку необходимого оборудования. В 1936 году семья Капицы приехала к нему из Лондона в Москву. К марту 1937 года строительство института было закончено, большая часть необходимых приборов смонтирована – и Капица вернулся к научной работе, прерванной на три года.

В новой лаборатории Капица продолжил исследования поведения жидкого гелия, которые он начал ещё в Лондоне. Когда температура этой жидкости снижалась до 2,1 кельвина, она начинала вести себя странно – её вязкость падала в миллион раз.

– Что это означает? – спросила Галатея. – В чём это проявляется?

– Если взять стакан с крохотной трещинкой шириной в полмикрона, а микрон – это тысячная доля миллиметра, то обычная жидкость или тот же гелий теплее 2,2 кельвина, который называют гелий-1, будет очень неохотно просачиваться через эту микроскопическую трещину. Если же жидкий гелий остудить ещё на одну десятую градуса, то он приобретёт такие удивительные свойства, что немедленно полностью вытечет из стакана с трещиной. Более того, если налить в пробирку или стакан такой охлаждённый жидкий гелий, который стали называть гелий-2, то он начнет карабкаться по её стенкам, выбираться наружу и капать с донышка!

– Жидкость, которая выползает по стенкам стакана наружу?! – поразилась Галатея.

– Учёные поразились этому свойству гелия-2 не меньше тебя. Капица назвал гелий-2 сверхтекучей жидкостью. Её свойства задаются квантовыми законами и законами химии, которые основаны на электрических и квантовых свойствах атомов и молекул. Атомы гелия образуют такую жидкость, которая не способна обмениваться энергией с препятствиями, поэтому она легко проникает в тончайшие трубочки и трещины – и даже забирается по стенкам сосудов в виде тонкой капиллярной плёнки.

– Жидкость, которая не способна обмениваться энергией со средой, – воскликнул Андрей, – это же очень похоже на сверхпроводящий электронный газ!

– Верно. Движение электронов в сверхпроводнике можно рассматривать как течение сверхтекучей жидкости – это показал в своих трудах выдающийся математик и физик Николай Николаевич Боголюбов. Советский физик-теоретик Лев Давыдович Ландау построил теорию сверхтекучего гелия, за что получил Нобелевскую премию за 1962 год. Сам Капица получил Нобелевскую премию за открытие сверхтекучести в 1978 году.

Сверхтекучесть – единственный квантовый эффект, который виден на макроскопическом уровне. Проявления этого эффекта ещё слабо изучены, например есть мнение, что нейтронные звёзды пребывают в сверхтекучем состоянии.

– А как дальше сложилась судьба двух друзей? – с любопытством спросила Галатея.

– За работы в области цепных реакций Николай Николаевич Семёнов получил свою Нобелевскую премию гораздо раньше Капицы – в 1956 году. Он поделил её с Сирилом Хиншелвудом, британским физиком, который работал в той же области.

Капица был выбран в академики в 1939 году. Кроме научных исследований он разрабатывал и создавал установки для промышленного производства жидкого кислорода, а также преподавал в Московском государственном университете им. Ломоносова. В октябре 1941 года он предсказал появление атомной бомбы – и потом какое-то время участвовал в советском атомном проекте, который активизировался в 1945 году.

В те тяжёлые времена, когда за каждое неосторожное слово можно было попасть в тюрьму, Капица проявлял поразительную смелость, честно высказывая своё мнение в глаза всемогущим людям, которые стояли у руля государства и пытались командовать учёными, не обладая даже малой долей необходимых для этого знаний. В 1939 году он спас от тюрьмы Л. Д. Ландау, будущего нобелевского лауреата, взяв его в свой институт и поручившись за него.

После войны Капица сам попал в опалу и в 1946 году был снят с директорского поста. Он вернулся к руководству институтом лишь в 1955 году. Пока он был в опале, он сумел вместе с Семёновым, Курчатовым и другими учёными создать Московский физико-технический институт – учебное заведение совершенно нового типа, которое стало выпускать специалистов-физиков высочайшего класса.

Авторитет Капицы среди учёных был необычайно высок. В августе 1955 года на совещании у Мстислава Келдыша, где обсуждался вопрос о запуске искусственного спутника, мнения разделились. Свой важный вклад в обсуждение внёс Пётр Леонидович Капица, сказавший: «Дело это совершенно новое, здесь мы лишь вступаем в область неизведанного, а это всегда приносит науке плоды, которые заранее нельзя предвидеть. Но они обязательно будут. Искусственный спутник Земли надо делать!» Все согласились с мнением Капицы: искусственный спутник был сделан, запущен и оказал на земную цивилизацию огромное воздействие.

Оба друга – Пётр Капица и Николай Семёнов – прожили по 90 лет и оставили за собой мощный след в истории. Так что на портрете Кустодиева оказались запечатленными два по-настоящему выдающихся человека.

Примечания для любопытных

Абрам Фёдорович Иоффе (1880–1960) – выдающийся российский и советский физик; ученик В. К. Рентгена; талантливый организатор науки, носящий неофициальный титул «отца советской физики»; создатель уникальной школы физиков, куда входили П. Л. Капица, Н. Н. Семёнов, И. В. Курчатов и многие другие выдающиеся физики; с 1921 года – директор Физико-технического института в Петербурге.

Георгий Антонович Гамов (1904–1968) – видный физик-теоретик, уехавший в 1933 году из СССР и не вернувшийся. Известен своими работами в области радиоактивности, космологии и биологии.

Владимир Николаевич Ипатьев (1867–1952) – выдающийся химик, уехавший из СССР в конце 20-х и решивший не возвращаться, так как многие его знакомые были расстреляны. Член Национальной академии США, автор 200 патентов. Американский химик Ф. Уитмор считал, что «среди многих замечательных химиков Россия дала миру трёх выдающихся – М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева и В. Н. Ипатьева».

Николай Николаевич Боголюбов (1909–1992) – выдающийся математик и физик, известный своими трудами в области кинетических уравнений. Академик АН СССР (1953). Высказал предположение о сверхтекучести ядерной жидкости.

Сирил Хиншелвуд (1897–1967) – видный британский физикохимик, известный своими работами в области цепных химических реакций. Президент Королевского общества (1955–1960). Получил Нобелевскую премию в 1956 году.

Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) – выдающийся советский физик, руководитель проекта по созданию атомной бомбы. Основатель и первый директор Института атомной энергии. Академик (1943).

Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978) – выдающийся советский механик и математик, один из идеологов космической программы. Академик (1946), президент Академии наук СССР (1961–1975).

Дзинтара успокоенно кивнула и продолжила:

– Решающий вклад в развитие механического телевидения сделал молодой шотландский инженер Джон Бэрд. Вечером второго октября 1925 года Бэрд в своей лондонской лаборатории завершил монтаж первой телевизионной установки: камеры, которая получала движущееся изображение объекта, и телевизора, который воспроизводил полученную картинку в полутонах – то есть не просто в чёрно-белом варианте, но и в оттенках серого. Бэрду отчаянно захотелось тут же посмотреть, как будет выглядеть человеческое лицо в его телевизоре. Но он не мог одновременно стоять перед камерой и смотреть в телевизор. Тогда он спустился и нашёл на нижнем этаже здания курьера. Бэрд привёл его в лабораторию и совершил первую в истории полутоновую телепередачу – с разрешением в 30 строк и частотой 5 кадров в секунду. А 20-летний курьер Эдвард Тэйнтон вошёл в историю как первый в мире человек, чьё лицо стало телеизображением.

Вдохновлённый Бэрд пришёл к редактору популярной английской газеты «Дейли экспресс», чтобы сообщить всему миру о своём успехе. Редактор, выслушав посетителя, быстро вышел из комнаты и сказал своему заместителю:

– Ради бога, спуститесь вниз, в приёмную, и избавьтесь от безумца, ожидающего там. Он говорит, что изобрёл машину, чтобы видеть через радио! Будьте аккуратнее – он может быть вооружён!

Но телевидение быстро преодолело скепсис публики. Через 4 месяца Бэрд продемонстрировал своё изобретение журналистам «Таймс». К тому времени частота передаваемого изображения достигла 12 кадров в секунду. В 1927 году Бэрд передал телевизионное изображение по проводам между Лондоном и Глазго, на расстояние 700 километров. В 1928 году его компания осуществила передачу между Лондоном и Нью-Йорком. В том же году Бэрд, используя три диска Нипкова, создал цветное механическое телевидение.

С 1929 по 1935 год компания Би-би-си осуществляла чёрно-белую трансляцию по системе Бэрда. Изображение на экране механических телевизоров было некачественным: вначале оно состояло всего из 30 строк, потом выросло до 240. Первая телевизионная станция механического телевизора заработала и в США – в Чикаго в 1928 году. В 1931 году Бэрд провёл первую прямую телетрансляцию лошадиных скачек.

– И эти механические штуки, на которых показывались передаваемые картинки, тоже назывались телевизорами? – спросила Галатея.

Дзинтара ответила:

– Общепринятых стандартов не было, каждый называл свои аппараты так, как хотел, но термин «телевидение» уже возник – его в 1900 году использовал в своем докладе «Телевидение с помощью электричества» Константин Перский, российский физик. Постепенно этот термин вытеснил все остальные.

Механическое телевидение не смогло стать всеобщим – его победило электрическое или электронное телевидение. Ещё в XIX веке в опытах с электронно-лучевой трубкой Крукса электронный луч заставлял светиться стенку трубки, а если луч встречал на пути металлическую фигуру – например крест, то на стенке трубки появлялось изображение креста. Инженерам было понятно, что такую трубку можно в принципе использовать для воспроизведения и передачи изображений.

Борис Розинг, российский физик, запатентовал в 1907 году систему электрической передачи изображений на расстоянии, а в 1911 году осуществил с помощью специальной вакуумной трубки – кинескопа – практическую передачу и приём изображений простых фигур, правда неподвижных.

Как и при создании радио, учёных и инженеров, которых можно причислить к изобретателям телевидения, оказалось очень много. Но особое место среди них принадлежит Владимиру Козьмичу Зворыкину – ученику Розинга.

Владимир Зворыкин родился в России, в старинном русском городе Муроме, в семье богатого купца и владельца пароходной компании. Отучившись в муромском реальном училище, Владимир поступил в Санкт-Петербургский технологический университет, который и закончил в 1912 году с отличием и дипломом инженера-технолога. В студенческие годы Владимир Зворыкин участвовал в опытах «дальновидения», который проводил профессор Б. Розинг. В 1912–1914 годах Владимир Зворыкин учился в Париже, под руководством знаменитого физика-экспериментатора Поля Ланжевена.

Вихри мировой войны и российской революции забросили Владимира Зворыкина в 1919 году в Нью-Йорк, где он стал сотрудником известной компании промышленника Вестингауза. В этой компании Зворыкин попробовал продолжить свои опыты в области телевидения, но не нашёл поддержки у начальства, которое не понимало, зачем тратить время на эти телевизионные причуды. Пришлось Зворыкину заниматься любимым делом в свободное от работы время. В 1923 году он подал патентную заявку на телевидение, которое основывалось полностью на электронных устройствах.

В 1928 году Зворыкин встретился с Давидом Сар-новым, эмигрантом из России и вице-президентом «Американской радиокорпорации», которая занималась изготовлением радиоприёмников. Это знакомство оказалось исключительно плодотворным: в 1930 году Сарнов становится президентом «Радиокорпорации» и назначает Зворыкина руководителем лаборатории электроники. Это позволяет Зворыкину реализовать свои идеи: к 1931 году он завершил создание передающей вакуумной трубки. Новый аппарат он назвал иконоскоп.

В 1932 году с помощью иконоскопа и радиопередатчика мощностью два с половиной киловатта, установленного на Эмпайр-стейт-билдинг, самом высоком небоскрёбе Нью-Йорка, начались первые передачи электронного телевидения с качеством изображения в 240 строк. Сигнал принимался на расстоянии 100 километров на телевизоры конструкции Зворыкина.

В следующем году Зворыкин представляет на конференции Американского общества радиоинженеров свою электронную телевизионную систему, которая по качеству превосходила все электронные и механические телекамеры и телевизоры, созданные ранее.

Это был успех!

Иконоскопы Зворыкина разошлись по всему миру. В 1934 году немецкая телерадиокомпания начала регулярные телепередачи с разрешением в 180 строк. Берлинская Олимпиада 1936 года стала первой, с которой велась прямая телетрансляция. В 1938 году была введена в строй первая в Москве станция электронного телевидения и освоено производство телевизоров с кинескопом Зворыкина. В 1940 году Зворыкин разбил световой луч на синий, красный и зелёный, тем самым создав электронный цветной телевизор.

Позже Зворыкин участвовал в создании сканирующего электронного микроскопа, медицинских приборов и приборов ночного видения. Он получил более 120 патентов на различные изобретения.

Зворыкин соединял в себе научный и инженерный опыт России, Франции и Америки – может быть, именно поэтому он стал самым успешным изобретателем телевидения.

Усилиями многих изобретателей и инженеров телевидение быстро эволюционировало: телевизоры превращались из механических в электронные устройства, сначала на вакуумных лампах, потом на полупроводниках. Сигнал, с помощью которого телевидение передавалось между городами, сначала был аналоговым электрическим сигналом, который содержал три функции: яркости, цвета и звука. Такой аналоговый сигнал был подвержен помехам и искажениям. Позже телевидение стало переходить на цифровой формат передачи, который предполагал передачу чисел, описывающих телевизионный сигнал. Если телевизор или телеприёмник получал цифровую информацию о телесигнале, то он мог восстановить изображение совершенно неискажённым. Способы передачи сигнала тоже менялись: сначала это был сигнал, посылаемый по проводам и через телевышки, потом появилось спутниковое телевидение, которое использовало радиоволны, проходящие через геостационарные спутники.

Первые регулярные телевизионные передачи шли всего по часу, и то не каждый день. Потом телепередачи заняли всё дневное время, прерываясь только на ночь. Затем они захватили и ночное время. Появились различные телеканалы, между которыми можно было переключаться в поисках интересной передачи. Число каналов стало достигать десятков и даже сотен, а разнообразие телепередач позволило угодить вкусам любых зрителей – от младенцев до стариков, от спортсменов до цветоводов.

Сейчас телевизор – это часть нашей жизни, и главное – использовать телевидение не во вред, а на пользу.

– И как это можно – навредить телевизором? – насупилась Галатея.

Дзинтара ответила, осторожно подбирая слова:

– Телевизор предлагает зрителю массу увлекательных зрелищ. Это своего рода волшебный цветной мир, в который можно погрузиться с головой – и жить там всё свободное время.

– И что в этом плохого? – пробурчала Галатея.

– А то, что тогда у человека не остаётся времени на собственную жизнь, может не такую цветную и яркую, но реальную и неповторимую. Именно поэтому я не хочу, чтобы ты смотрела телевизор больше полутора часов в день. Кроме того, телевизионная среда – красивая и приятно звучащая – так мощно воздействует на психику человека, что легко может навязать ему практически любую точку зрения, – он перестаёт думать сам, его критическое мышление теряется. А мне хочется, чтобы ты была самостоятельно мыслящим человеком.

– Всё равно не понимаю, почему мои любимые мультики оказались вдруг вредными… – угрюмо сказала Галатея.

Дзинтара ласково погладила дочь по голове.

Примечания для любопытных

Пауль Нипков (1880–1940) – немецкий изобретатель, придумавший и запатентовавший «Диск Нипкова» – устройство для механического сканирования изображения. Этот диск использовался в механических телевизорах.

Джон Бэрд (1888–1946) – известный шотландский инженер, создавший механический телевизор.

Константин Дмитриевич Перский (1854–1906) – российский физик, придумавший термин «телевидение», который он использовал в своём докладе «Телевидение с помощью электричества», прочитанном на выставке в Париже в 1900 году.

Борис Львович Розинг (1869–1933) – российский учёный, запатентовавший в 1907 году систему электрической передачи изображений на расстоянии, а в 1911 году осуществивший практическую передачу и приём изображений простых фигур.

Владимир Козьмич Зворыкин (1888–1982) – видный американский инженер российского происхождения, ученик Б. Розинга. Разработал полностью электронный телевизор (1929 год) и электронную телекамеру. Его телевизоры и камеры первыми стали выпускаться серийно, для широкой публики.

Давид Абрамович Сарнов (1891–1971) – американский бизнесмен и связист, один из основателей радио– и телевещания в США. Родился в Белоруссии, с 15-летнего возраста работал на компанию Маркони. В 1912 году принял радиограмму о крушении «Титаника» и три дня поддерживал связь со спасателями.

Принцип действия вакуумной лампы-диода был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году. Но уже в следующем году немецкий физик Карл Браун понял, что в качестве диода можно использовать кристаллы твёрдого тела. Как мы знаем, в таблице Менделеева есть химические элементы – щелочные металлы, – которые с охотой отдают свой единственный электрон на внешней электронной оболочке. Зато другие элементы – как фтор и хлор, – у которых не хватает одного электрона для заполнения внешней электронной оболочки, готовы в любой момент сорвать электрон с верхней одежды, то есть орбиты прохожего атома.

Если взять кристалл кремния, в котором есть примесь химических элементов, любителей воровать чужие электроны, – то в нём всегда будет какое-то избыточное количество электронов. А если кристалл кремния снабдить примесью из элементов, которые легко расстаются со своими электронами, то в нём всегда будет какое-то количество положительно заряженных ионов – или атомов, лишённых электрона. Такие атомы называют «дыркой».

– Конечно, ведь у них дырявые карманы, из которых вываливаются электроны! – развеселилась Галатея.

– Что получится, если вставить в электрическую цепь два соединённых кристалла кремния, которые различаются свойствами своих примесей? Пусть слева будет кристалл с избытком электронов, а справа – кристалл с «дырками». При направлении тока, когда левый электрод заряжен отрицательно, электроны будут двигаться слева направо – к положительному правому электроду, а «дырки» – справа налево, от положительного электрода к отрицательному.

– Постой, мама, – удивилась Галатея. – Как же будут двигаться положительно заряженные атомы? Ведь они встроены в кристаллическую решётку!

– Отличный вопрос! – похвалила Дзинтара дочь. – Тут двигаются не сами атомы, а их признак. Представим себе кинозал, заполненный людьми, в котором есть только несколько пустых мест, которые и будем считать «дырками». Пусть с одного края зала возникла какая-то зона притяжения – например в зал вошёл известный актер. Тогда люди, стараясь быть поближе к зоне притяжения, будут пересаживаться на свободные места. В результате люди будут двигаться в одну сторону, а свободные места начнут смещаться в противоположный конец зала.

– Точно! – восхитилась Галатея. – Значит, люди – это электроны, которые притягиваются положительным зарядом в виде знаменитого актера, а «дырки», наоборот, ведут себя так, словно они отталкиваются этим зарядом, словно они не пустые дырки, а что-то заряженное положительно.

– Молодец! – мать похвалила дочь. – Если направление тока задаёт встречное движение электронов и «дырок» в соединённых кристаллах, то электроны и «дырки» встречаются на границе – и аннигилируют!

– Анни… чего они делают? – переспросила Галатея.

– Аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются. Ведь электрон садится в «дырку», в результате исчезает и она, и избыточный электрон. Так как новые электроны и новые «дырки» всё время возникают возле электродов, то взаимное движение электронов и «дырок» не останавливается, и через соединённые кристаллы идёт ток, то есть движение заряженных частиц. Зато, если направление тока повернуть, то электроны устремятся к положительному электроду, а «дырки» – к отрицательному. В результате зона соединения кристаллов кремния опустеет, там исчезнут все носители заряда – как электроны, так и «дырки». Значит, тока в данном направлении не будет. А именно эта «командирская» функция и требуется от диода.

Самые первые радиоприёмники строились обычно на основе вакуумных ламп, но уже около 1900 года американским инженером Г. Пикардом был создан первый радиоприёмник на основе кристаллического диода. Кстати, термин «диод» предложил в 1919 году британский физик Вильям Иксл.

Триод был создан и запатентован американским инженером Ли де Форестом в 1906 году. Триод Форе-ста представлял собой вакуумную лампу – внутри неё, между катодом и анодом, располагалась дополнительная, так называемая управляющая, сетка, к которой шёл отдельный провод. Если на управляющую сетку подавался отрицательный потенциал, то сетка отталкивала отрицательные заряды, заворачивала назад летящие в вакуумной лампе катодные электроны, и триод переставал проводить ток.

Транзисторы, или полупроводниковые триоды, были предложены в 1925 году австро-венгерским физиком Ю. Лилиенфелдом. В 1934 году аналогичную идею запатентовал немецкий физик О. Хейл, который работал вместе со своей женой, русским физиком Агнессой Арсеньевой (которая в 30-е годы, как и П. Капица, не смогла выехать из России). Но эти предложения и патенты были слишком преждевременными, до их практической реализации было ещё далеко.

Необходимость в создании полупроводниковых транзисторов стала очевидной во время Второй мировой войны: хрупкие вакуумные ламповые диоды и триоды плохо показали себя во время боевых действий. Например, рации часто выходили из строя из-за неизбежной тряски и ударов.

После окончания войны, в 1945 году, в лаборатории Белл была создана группа, которая всерьёз занялась разработкой полупроводникового триода. Нужно отметить, что в конце 1940-х годов лаборатория Белл представляла собой гигантскую научную организацию: в ней работали 5700 человек. Такая мощная лаборатория могла легко сформировать группу в тридцать человек – и бросить её на развитие какой-то важной темы.

Команду по разработке полупроводникового триода возглавил Уильям Шокли. Он предлагал создать такое устройство, взяв диод или два соединённых кристалла полупроводника – и приложив к ним внешнее электрическое поле. Многочисленные опыты показали, что ничего из этой идеи не выходит. К группе присоединился блестящий теоретик Джон Бардин, который организовал с экспериментатором Уолтером Браттейном очень работоспособный союз. Бардин и Браттейн отклонились от плана Шокли – и добились успеха в создании одного из типов транзисторов, о чём лаборатория Белл объявила в 1947 году. Термин «транзистор» в ходе объявленного внутри лаборатории Белл конкурса предложил инженер Джон Пирс.

– А что, транзисторов может быть не один тип? – удивилась Галатея.

– Конечно, – сказала Дзинтара. – Сейчас уже известно множество типов транзисторов, которые управляются промежуточным контактом. Электрическое напряжение на управляющем контакте тем или иным способом меняет процесс движения электронов и дырок по кристаллу, то разрешая прохождение тока по кристаллу, то запирая его.

Шокли был очень самолюбивым человеком: он рассердился, что его обогнали, – и стал секретно разрабатывать свою версию транзистора, одновременно начав придираться к слишком самостоятельным Бардину и Браттейну. В результате они ушли из группы Шокли, причем Бардин сосредоточился на теории сверхпроводимости, за которую впоследствии получил Нобелевскую премию.

Шокли, терзаемый демоном самолюбия, решил перейти в бизнес и в 1955 году тоже покинул лабораторию фирмы Белл. В начале 1956 года он основал в калифорнийском городке Пало-Альто, где жила его мать, частную компанию по производству полупроводниковых транзисторов, в которую набрал три десятка молодых талантливых специалистов. В конце 1956 года Шокли, Бардину и Браттейну присудили Нобелевскую премию по физике за создание транзистора. Это событие только подстегнуло авторитарный стиль руководства Шокли.

В результате в 1957 году группа из восьми ведущих специалистов уволилась из лаборатории Шокли и при поддержке финансиста Шермана Файрчайлда организовала новую компанию, которая за несколько лет стала крупнейшим производителем полупроводников, лидером новой области промышленности. Здание этой компании является сейчас историческим памятником.

В группе физиков и инженеров, покинувших лабораторию Шокли, были: Джулиус Бланк, Виктор Гринич, Джин Кляйнер, Джей Ласт, Гордон Мур, Роберт Нойс, Шелдон Робертс и Жан Эрни. Эта восьмёрка вошла в историю как «вероломная восьмёрка» или «восьмёрка предателей» – явно в соответствии с точкой зрения рассерженного Шокли. Именно они и стали катализатором новой индустрии полупроводников.

– Опять бунтари добиваются успеха, – пробормотала Галатея.

– Новая компания быстро разбогатела, после чего Файрчайлд воспользовался своим правом и выкупил у «восьмёрки» их акции, переведя инженеров из партнёров в наёмные сотрудники. Это было плохим решением: члены восьмёрки стали уходить из компании Файрчайлда и организовывать свои, не менее успешные электронные компании. Например, Мур и Нойс в 1968 году стали основателями ныне всемирно известной компании «Интел» по производству компьютерных процессоров. В 2015 году в «Интел» работали более ста тысяч сотрудников, и эта компания обладала капиталом более чем в 100 миллиардов долларов.

В результате распада лаборатории Шокли и ухода из неё «вероломной восьмёрки», вокруг Пало-Альто возникла так называемая «Кремниевая долина». Лаборатория Шокли не смогла оправиться после ухода талантливой молодежи – и через несколько лет тихо прекратила своё существование.

«Кремниевая долина» стала символом нового времени и местом, где выросли мощные заводы по производству электроники и крупнейшие состояния века. Полупроводниковые диоды и транзисторы позволили перейти от электронных устройств на основе громоздких и ненадёжных вакуумных ламп к современным компактным устройствам – мобильным телефонам и компьютерам, радиоприёмникам и телевизорам.

Спутники связи несут на своём борту миллионы микроскопических полупроводниковых деталей, оставаясь небольшими и лёгкими – что очень важно для запуска этих спутников. Процесс миниатюризации зашёл очень далеко – возникли даже космические нано– и пикоспутники весом в килограммы и сотни граммов. Инженеры надеются создать электронное устройство из многих миллиардов транзисторов, которое будет сопоставимо по мощности с человеческим мозгом.

– Неужели у меня такой мощный мозг? – удивилась Галатея и потрогала голову руками.

Примечания для любопытных

Фредерик Гутри (1833–1886) – видный британский учёный, который в 1873 году открыл принцип действия вакуумного диода.

Вильям Генри Иксл (1875–1966) – видный британский физик, который ввёл в обиход термин «диод».

Гринлиф Пикард (1877–1956) – видный американский инженер, один из пионеров радио. Создал около 1900 года первый радиоприёмник на основе кристаллического диода.

Ли де Форест (1873–1961) – видный американский инженер, создавший в 1906 году ламповый триод. Считается одним из отцов «века электроники».

Юлиус Лилиенфелд (1882–1963) – немецко-американский инженер, родившийся во Львове (Австро-Венгрия). Предложил и запатентовал в 1925 году полупроводниковый триод.

Оскар Хейл (1908–1994) – немецкий физик и изобретатель. Запатентовал полевой транзистор в 1934 году.

Агнесса Николаевна Арсеньева (1901–1991) – советский физик, работавшая со своим мужем О. Хейлом в Кавендишской лаборатории. В 1934 году, как и П. Капице, ей был запрещён выезд за границу из СССР.

Уильям Шокли (1910–1989) – видный американский физик и изобретатель. Возглавлял группу, создавшую современный полупроводниковый транзистор. Получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году.

Уолтер Браттейн (1902–1927) – видный физик, сотрудник лаборатории Белл, создатель современного транзистора. Получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году.

Джон Пирс (1910–2002) – американский инженер, сотрудник лаборатории Белл, предложивший термин «транзистор». Лауреат премии Маркони.

Гордон Мур (р. 1929) – выдающийся американский инженер и предприниматель, представитель «вероломной восьмёрки», основатель полупроводниковой компании «Файрчайлд» и компании «Интел». Состояние на 2015 год – около 7 миллиардов долларов. Вывел закон Мура о том, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 2 года.

Роберт Нойс (1927–1990) – выдающийся американский инженер и предприниматель, представитель «вероломной восьмёрки», основатель полупроводниковой компании «Файрчайлда» и компании «Интел». Один из создателей интегральной электронной схемы.

– Что это за код? – поинтересовалась Галатея.

– Код, который основан на передаче по проводам только двух значений – нуля и единицы. В своё время Морзе свёл всё богатство языка к аналогичной пересылке по телеграфу только двух значений – точка и тире.

Все принципы, которые сформулировал Атанасов, до сих пор используются в современных компьютерах.

Осознав, что ему нужно делать, учёный приступил к созданию специального электрического вычислительного устройства, которое могло бы решать дифференциальные уравнения в частных производных. Спустя какое-то время он понял, что без помощника ему не обойтись, – и попросил своего друга-декана найти ему хорошего электротехника. Тот предложил Атанасову блестящего аспиранта Клиффорда Берри. Его выдающиеся способности Атанасов признал сразу, и с начала 1939 года они начали создавать демонстрационную модель электрического вычислителя, которая должна была доказать его принципиальную работоспособность.

Уже в декабре 1939 года Атанасов и Берри показали руководству университета работающую модель вычислителя. Эта демонстрация была убедительна, и университет выделил нужную сумму денег – 850 долларов – для постройки компьютера в полную величину.

Атанасов и Берри принялись за создание вычислительного устройства, которое Атанасов честно назвал компьютером Атанасова-Берри. В 1942 году первый в мире электронный компьютер, величиной с письменный стол, заработал. На этом работа над ним прекратилась, потому что шла война, Атанасов был призван в армию и направлен на выполнение военных научно-технических заданий.

В декабре 1940 года, когда работа над компьютером Атанасова-Берри была ещё в самом разгаре, Атанасов побывал на лекции Джона Мокли, сотрудника Пенсильванского университета. Тот рассказывал о попытках создать аналоговую электронную машину, которая решала бы математические задачи, передавая по проводам переменные значения тока. После лекции Атанасов поговорил с Мокли и рассказал ему о своём компьютере, который передавал по сетям не плавные сложные функции, а цифры – ноль и единицу, что кардинально упрощало вычисления. Атанасов пригласил Мокли посмотреть на создаваемую им цифровую машину – и через несколько месяцев, в 1941 году, Мокли с сыном на пять дней стали гостями в доме Атанасова, и Мокли внимательно ознакомился с компьютером Атанасова-Берри.

Он был впечатлён и попросил у Атанасова разрешения скопировать документацию компьютера для создания аналогичной конструкции в Пенсильванском университете. Атанасов не разрешил этого, потому что университет Айовы планировал взять патент на создаваемое устройство (но, как показали дальнейшие события, так и не собрался этого сделать).

В 1942 году Мокли, учитывая идеи Атанасова, написал проект, в котором предлагал своему университету построить электронный скоростной вычислитель на вакуумных лампах. Начальство проигнорировало проект – его текст даже был утерян.

Лаборатория Мокли сотрудничала с военными, которые нуждались в скоростных вычислителях для расчета таблиц артиллерийской стрельбы. В 1943 году влиятельный военный узнал о проекте Мокли, и последнему была выделена значительная сумма – 62 000 долларов на первые полгода, для реализации проекта «Электронный числовой интегратор и компьютер» (или ЭНИАК – по аббревиатуре английского названия). В своём описании будущей вычислительной машины Мокли не упоминал о компьютере Атанасова-Берри.

Когда проект под руководством Джона Мокли и Джона Эккерта начался, то Атанасов, который в то время работал на ту же военную лабораторию и до которого дошли слухи о проекте нового компьютера, спросил Эккерта, чем он занимается, но тот сказал, что проект секретный, и он не может о нём говорить.

В июле 1944 года полностью электронный компьютер ЭНИАК впервые перемножил два числа. В сентябре 1944 года к проекту присоединился известный математик фон Нейман, который внёс значительный вклад в разработку принципов работы электронных компьютеров. Машина была закончена осенью 1945 года и вскоре была перевезена на военную базу в Мэриленде, где использовалась для различных расчётов вплоть до октября 1955 года. Первыми программистами ЭНИАК стали шесть девушек.

На создание ЭНИАК ушло около полумиллиона долларов, в нём было 17 468 электронных ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле и 80 000 конденсаторов и резисторов. ЭНИАК весил 27 тонн, потреблял более 170 киловатт энергии и мог выполнять 5000 операций сложения в секунду. Для ввода и вывода информации использовались перфокарты компании ИБМ. Отказ любой лампы или реле означал выход компьютера из строя. Значительными усилиями инженеры добились продолжительности непрерывной работы ЭНИАК в 20 часов, после чего он обычно ломался и требовал починки.

ЭНИАК сделал расчеты по термоядерному проекту и по аэродинамическому сопротивлению крыла самолета, рассчитал первый метеопрогноз и внёс важный вклад в развитие математического метода Монте-Карло. Когда ЭНИАК приступил к решению сложнейшего дифференциального уравнения, то на ввод данных потребовался миллион перфокарт!

ЭНИАК был изготовлен в единственном варианте, и главное, что он сделал, – это продемонстрировал возможности электронных устройств и дал бесценный опыт постройки и эксплуатации первого активно используемого компьютера. Поэтому ещё до вступления ЭНИАК в строй возникли проекты по созданию более совершенных электронных вычислительных машин – эра компьютеров началась!

К созданию компьютеров подключилась фирма ИБМ, обладающая огромными финансовыми и человеческими ресурсами. Кроме того, ИБМ имела солидный опыт создания электромеханических компьютеров, таких как весящий 4,5 тонны «Марк-1», созданный в 1943 году.

В 1952 году ИБМ анонсирует свой первый электронный компьютер на вакуумных лампах «ИБМ-701». Было произведено всего 19 компьютеров этого типа – но это было лишь началом серии компьютеров ИБМ, которые быстро эволюционировали. Компьютер «ИБМ-650», показанный публике в 1953 году и выпускавшийся до 1962 года, был изготовлен в количестве 2000 штук. В 1957 году ИБМ ввела в обиход язык «Фортран» для общения с компьютерами. Этот язык оказался столь успешным, что, модифицируясь, стал одним из важнейших языков программирования на многие десятки лет.

В 1959 году ИБМ, используя недавно изобретённые транзисторы, создаёт первые компьютеры на транзисторах, которые оказались гораздо надёжнее машин на вакуумных лампах. В 1964 году ИБМ выпустила компьютеры «ИБМ/360», которые стали стандартом компьютерной индустрии: было выпущено свыше 33 000 компьютеров этой серии, за которой последовали другие серии, не менее успешные.

ИБМ стала мировым лидером по производству крупных компьютеров, умещавшихся только в специальных помещениях – машинных залах с хорошим уровнем кондиционирования и мощной электросетью. Такие компьютеры обслуживались целой командой из инженеров и программистов. Поэтому менеджеры ИБМ с пренебрежением отнеслись к идеям создать персональный компьютер для личного использования.

– Кому придёт в голову держать компьютер дома? – удивлённо сказал один из руководителей ИБМ.

Но, увидев, с какой скоростью покупаются персональные компьютеры фирмы «Эппл», появившиеся в 1977 году, боссы ИБМ спохватились. В 1981 году ИБМ выпустила на рынок свой первый персональный компьютер «IBM PC», который стал стандартом для «персоналок».

Персональные компьютеры использовались не только для математических расчётов учёными, инженерами и бухгалтерами. На персональных компьютерах можно было набирать тексты статей и книг, поэтому они заменили собой пишущие машинки, и целая индустрия, которая выпускала их, быстро закончила своё существование. Люди могли играть с компьютером в шахматы, судоку и ещё кучу разных игр – и вскоре возникла мощная индустрия компьютерных игр. На компьютере можно было смотреть мультфильмы и кинофильмы – поэтому компьютер стал заменять собой телевизор.

Человек стал смотреть на компьютер как на будущего собеседника и советчика, с которым можно обсудить самые разные вопросы.

Многие писатели-фантасты, начиная с Карла Чапека и Айзека Азимова, думали, что самым важным использованием компьютера станет превращение его в мозг человекоподобного робота, который встанет на ноги и станет помогать человеку. Действительно, американские, японские и европейские компании вложили огромные средства в развитие человекоподобных или просто мобильных роботов.

Но задолго до создания практически полезного шагающего робота для компьютеров нашлась гораздо более популярная область применения.

29 октября 1969 года произошло знаменательное событие, которое по своей значимости оказалось более важным, чем первое телеграфное сообщение по подводному кабелю или первая радиограмма Маркони, переданная через Атлантический океан.

В этот день Чарли Клайн, сидящий за компьютером в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса, попробовал передать на компьютер, стоящий от него в 640 километрах, в Стэнфордском исследовательском институте, всего лишь одно слово – LOGIN. Не сразу, но это слово протиснулось по проводу, что подтвердил Билл Дюваль, сидящий за компьютером в Стэнфорде и наблюдающий за появлением букв, которые набирал Чарли Клайн в Лос-Анджелесе.

В этот день родился Интернет, который вскоре объединил мировые компьютеры в одну планетарную сеть. С помощью подводного кабеля в 1973 году к американскому сегменту подключилась Великобритания и Норвегия. Сначала люди, сидящие за компьютерами, обменивались лишь письмами – и это уже означало, что компьютеры заменили собой телеграф и почту. В 1990 году компьютеры стали связываться друг с другом не с помощью специальных кабелей, а по обычным телефонным линиям. Через 10–20 лет к Интернету можно было подключаться с помощью космических спутников, по радио– и телеканалам, мобильным телефонам, оптоволоконным кабелям и электрическим проводам – и даже по лазерному лучу. Компьютер заменил собой газеты и телефон, радио и телевизор.

Вопреки ожиданиям фантастов, компьютеры не встали на ноги и не взяли лопаты в металлические руки, а уселись на столах и приковали к себе стальной цепью половину человечества: потому что компьютеры попали в сеть и сами стали сетью.

Человек – животное общественное, он не может жить без общения, без разговоров с другими людьми. С появлением Интернета человек понял, что его компьютер подключён к миллионам интернет-сайтов, которые он может просматривать, где он может общаться с другими людьми, разделяющими его интересы. Главной функцией Интернета стало установление связей между людьми. Возникли «социальные сети» – и они пронизали людское общество снизу доверху.

Гениальный Никола Тесла предсказывал в 1908 году появление глобальной информационной связи, с помощью которой: «…бизнесмен в Нью-Йорке сможет диктовать указания, и они будут немедленно появляться в его офисе в Лондоне или любом другом месте. Он сможет со своего рабочего места позвонить любому абоненту на планете, не меняя существующего оборудования. Дешёвое устройство, по размерам не больше, чем часы, позволит его обладателю слушать на воде и суше музыку, песни, речи политиков, учёных, проповеди священников, доставляемые на большие расстояния. Таким же образом любое изображение, символ, рисунок, текст могут быть переданы из одного места в другое».

Это предсказание Теслы полностью реализовалось быстрее, чем через сто лет. Компьютер в своих мобильных версиях стал вытеснять бумажные книги и журналы, давая возможность читать книги на устройстве, которое легче одной бумажной книги, но вмещает в себя целую библиотеку! Впервые за тысячи лет бумажная книга стала уступать электронной.

Люди захотели иметь компьютер не только в своей комнате – они решили не расставаться с ним ни в ресторане, ни в кино или в автобусе. Поэтому персональные компьютеры превратились в мобильные устройства размером с ладошку, которые стали везде сопровождать человека.

Появление мировой информационной сети, объединяющей миллиарды самых различных компьютеров и процессоров, стало мощным фактором в образовании, в экономике, в политике и шоу-бизнесе.

Может ли в такой мировой сети возникнуть электронный разум, обладающий самосознанием и какими-то собственными желаниями? И что будет, если эти приоритеты компьютера станут противоречить человеческим? Не сменят ли разумные машины человека на эволюционной лестнице? Эти вопросы волнуют многих, но никто не знает на них точного ответа.

Алан Тьюринг был выдающимся учёным XX века. Во время Второй мировой войны он создал уникальную вычислительную машину, которая быстро расшифровывала сложнейшие шифрованные сообщения гитлеровского командования. В 1950 году Тьюринг задался вопросом «Могут ли машины думать?» и предложил практический тест на интеллект компьютеров, который известен сейчас как «тест Тьюринга». Он заключается в том, что испытуемый общается по Интернету с двумя собеседниками: один из них человек, а другой – компьютер. При этом компьютер изо всех своих электрических сил пытается изобразить из себя человека. Если испытуемый не сумел распознать, кто из его собеседников является электронной машиной, – то машина прошла тест.

Проводились многочисленные соревнования между говорящими машинами – и некоторые из них проявили недюжинные способности по обману человека насчет своей личности.

Могут ли такие говорящие машины мыслить? Будет ли этот вопрос иметь практический смысл, если появится машина, которая способна неограниченное время поддерживать интересную беседу с человеком, проявляя остроумие и оригинальность мышления? Какая разница человеку, откуда его собеседник извлекает ответы: из колоссальной памяти с помощью логических схем или генерирует их, исходя из самосознания или ещё чего-нибудь? Если с такой машиной можно будет полезно обсудить какие-то личные проблемы, посоветоваться насчет жизненных ситуаций и посмеяться над незадачливым приятелем – много ли людей спустя пару часов будут помнить, что их собеседник состоит из транзисторов, а не живых клеток?

Примечания для любопытных

Джон Атанасов (1903–1995) – выдающийся инженер, физик и математик, который, будучи сотрудником университета Айовы, создал в 1942 году первый в мире действующий электронный компьютер.

ИБМ – американская компания (IBM), основанная в 1911 году, которая занимается производством больших вычислительных машин и персональных компьютеров. В ней работали на 2015 год 377 тысяч человек.

Клиффорд Берри (1918–1963) – аспирант Д. Атанасова, соавтор создания первого электронного компьютера.

Джон Мокли (1907–1980) – видный американский физик и инженер. Вместе с Д. Эккертом руководил созданием первого практически используемого электронного компьютера ЭНИАК, законченного осенью 1945 года. В 1946 году вместе с Эккертом организовал компанию по производству компьютеров, но партнёры недооценили трудностей создания таких сложных систем и разорились через несколько лет.

Джон Эккерт (1919–1995) – видный американский инженер и пионер компьютерной техники. Вместе с Д. Мокли руководил созданием компьютера ЭНИАК.

Джон фон Нейман (1903–1957) – выдающийся венгеро-американский математик, один из создателей теории функционирования компьютеров и математического аппарата квантовой механики.

Алан Тьюринг (1912–1954) – выдающийся британский математик, который создал вычислительную машину, взломавшую сложнейший код гитлеровской армии, что стало исключительно важным фактором в победе над гитлеровской Германией. Ему принадлежат принципиально интересные работы в области информатики и искусственного интеллекта, которые привели к возникновению вычислительной «машины Тьюринга» и «теста Тьюринга» на апробацию искусственного интеллекта. Сделал также важное открытие в области математической биофизики («неустойчивость Тьюринга»).

Карел Чапек (1890–1938) – знаменитый чешский писатель-фантаст, который вместе со своим братом Йозефом придумал для искусственных людей термин «роботы», который использовал в своих произведениях.

Айзек Азимов (1920–1992) – знаменитый американский писатель-фантаст и учёный. Написал известный сборник рассказов «Я, робот», в котором сформулировал принципы поведения человекоподобных машин.

Теперь возьмём этот плазменный шнур молнии и свернём его в кольцо, чтобы ток не кончался, а всё время тёк по замкнутому кольцу, создавая одновременно магнитное поле, стабилизирующее кольцо.

– Так, значит, учёные решили свернуть электрического дракона в бараний рог? – покачала головой Галатея. – Смело!

– Токамак представляет собой такую свёрнутую в кольцо молнию, которая дополнительно стабилизируется мощным внешним магнитным полем, порождённым сверхпроводящими магнитами.

Токамак был придуман в 1950 году. А началась эта история в 1942 году, во время тяжёлой войны. Несмотря ни на что, университеты продолжали работать, а студенты – сдавать экзамены.

Однажды известный физик Игорь Тамм и его не менее известный коллега Михаил Леонтович принимали выпускные экзамены в Московском государственном университете. В экзаменационную аудиторию нескладной походкой зашёл высокий и худой юноша и тихим голосом представился:

– Андрей Сахаров.

Тамм и Леонтович стали экзаменовать студента по теории относительности. Андрей Сахаров отвечал, но его ответы совсем не следовали учебнику и были какими-то не очень вразумительными. Преподаватели пожали плечами, поставили студенту тройку – и отпустили.

Ночью Тамм позвонил Леонтовичу и сказал:

– Слушай, ведь этот студент всё правильно говорил! Это мы с тобой ничего не поняли – и это нам надо тройки ставить! Нужно с ним ещё поговорить.

Так Андрей Сахаров стал учеником Игоря Тамма.

В 1950 году они выдвинули идею термоядерного реактора, в котором плазма сохранялась бы в магнитной ловушке…

– Как джинн в бутылке! – воскликнула Галатея.

– Да, только плазму оказалось легче согнуть в кольцо, чем загнать в бутылку. Так возникла идея ловушки-бублика, или тора.

Вариантов работы термоядерных реакторов было придумано предостаточно: быстрый пинч-разряд в плазме; ловушки с плазменным шнуром в виде восьмёрки; плазма в шаре с микроволновым излучением; испарение маленького шарика с дейтериево-тритиевой смесью, размещённого в фокусе нескольких мощных лазеров.

Но токамак оказался самым надёжным вариантом постоянно работающей машины, поэтому по всему миру возникло множество токамаков в различных вариантах. Эти устройства помогли учёным достичь важного прогресса. Например, в 1997 году европейский токамак получил 16 мегаватт полезной энергии.

Как показали опыты, чем больше токамак, тем легче на нём достичь критерия Лоусона…

– Ну Солнце об этом давно догадалось! – фыркнула Галатея.

– …поэтому самый передовой международный реактор ИТЕР является и самым большим по размерам. Характеристики ИТЕР впечатляют: он весит 5000 тонн – вполовину веса Эйфелевой башни. Температура трития в нём достигает 150 миллионов градусов, что почти в 10 раз больше, чем в ядре Солнца.

– Наверное, плотность плазмы в этом токамаке будет не такая большая, как в центре Солнца? – догадался Андрей.

– Верно. Прогресс в термоядерной энергетике оказался очень непростым и очень дорогостоящим. Плазма в термоядерных реакторах коварна: так и норовит сбежать из магнитных ловушек. На каждый ее каприз нужно придумывать способ противодействия. Поэтому учёные всё время ищут возможности для облегчения термоядерного синтеза – и одна из возможностей перекликается с идеей Андрея: нейтрализовать ядра водорода или тритий перед синтезом.

Андрей немедленно возгордился, за что младшая сестра тут же пнула его в лодыжку. Младшие сестры должны следить за старшими братьями, чтобы те не очень заносились.

– Но электроны для этой задачи годятся плохо, поэтому возникла идея вместо электронов использовать отрицательные мюоны. Они в 207 раз тяжелее электронов, поэтому мюонная орбита располагается к ядру гораздо ближе электронной. Из-за этого температура, необходимая для начала термоядерной реакции, сильной понижается. Действительно, облучение мюонным пучком водородной смеси позволило гораздо легче получить термоядерную реакцию. Это явление получило название мюонного катализа. Проблема в том, что получать мюоны можно только на ускорителях, они нестабильны и их нельзя хранить. Тем самым мюонный катализатор термояда оказывает дороже электричества, которое при этом производится. Так что учёным есть над чем поломать головы, прежде чем термоядерные реакторы заработают по всей земле и дадут человечеству дешёвую энергию при минимальных радиоактивных отходах.

– Не волнуйся, мама, мы поможем! – сказал Андрей, а сестра в знак согласия мотнула не ногой, а головой.

Примечания для любопытных

Михаил Александрович Леонтович (1903–1981) – видный советский физик-теоретик, один из создателей советской школы физики плазмы. Академик АН СССР.

Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) – выдающийся советский физик-теоретик, один из создателей водородной бомбы, академик АН СССР. Известный правозащитник и диссидент, лауреат Нобелевской премии мира за 1975 год.

Джон Лоусон (1923–2008) – видный британский инженер и учёный, получивший широко известный критерий старта термоядерной реакции (критерий Лоусона).

Окно (туннель) Гамова – частицы могут преодолевать электростатический барьер Кулона благодаря просачиванию под барьером с помощью окон или туннелей Гамова, возникающих из-за квантово-механических эффектов. Этот эффект был исследован выдающимся русско-американским физиком Г. А. Гамовым, поэтому носит его имя.

Токамак – хитроумное электромагнитное устройство, мощным магнитным полем сжимающее горячую плазму в кольцо, вдоль которого течёт сильный электрический ток. Если водородную плазму в токамаке сделать достаточно горячей и плотной, то в ней начнётся термоядерная реакция.

– Так, значит, когда мы летим на самолёте, то в нас попадает космических лучей больше, чем обычно? – спросил Андрей.

– Да, заметно больше, но это неопасно, так как атмосфера нас защищает даже на высоте десяти километров, да и время, проведённое в полёте, не очень велико. Но сверхзвуковые пассажирские самолёты, которые летают выше остальных, в период повышенной солнечной активности выбирают более длинные южные маршруты, где интенсивность космических лучей меньше.

Советский физик Дмитрий Скобельцын использовал камеру Вильсона для анализа космического излучения и в конце 20-х годов сделал важные открытия: он нашёл, что в космических лучах много заряженных частиц, – это было видно по тому, как искривляется их траектория в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Скобельцын также открыл, что космическое излучение крайне неоднородно: то в камере ничего нет, то сразу возникает целый ливень частиц, которые так и стали называть – космические ливни.

В 1939–1941 годах было установлено, что космические лучи, подлетающие к границе земной атмосферы, главным образом состоят из положительно заряженных и очень быстрых протонов. Отдельные сверхбыстрые космические частицы врезаются в нашу атмосферу и вызывают вторичный поток новых частиц – целый ливень позитронов, мюонов, пионов и многих других частиц. Нередко из космоса прилетают такие быстрые заряженные частицы, энергия которых недостижима на самых мощных земных ускорителях.

Ливень элементарных частиц, вызванный всего лишь одной такой сверхбыстрой частицей космических лучей, достигает земной поверхности, расширяясь до площади в десятки километров. Ливни элементарных частиц светятся в атмосфере, испуская излучение Вавилова-Черенкова, – и это свечение могут засечь специальные телескопы. Например, в Аргентине построена обсерватория имени Пьера Оже, которая наблюдает за атмосферными ливнями.

– А что это за излучение – Вавилова и Черенкова? – спросила неугомонная Галатея.

– Когда по озеру плывёт катер, то за ним остаются два пенных «уса», которые расходятся от траектории движения катера. Они возникают, потому что скорость катера больше, чем скорость распространения волн на воде. Когда реактивный самолет летит на сверхзвуковой скорости – от него расходятся такие же по виду воздушные «усы-волны». То же происходит с элементарной частицей, которая двигается со скоростью больше скорости света, – вокруг неё возникают «световые усы», или конусовидное излучение.

– Тут какая-то ошибка, – сказал Андрей. – Частицы не могут двигаться со скоростью больше скорости света.

– И да и нет, – усмехнулась Дзинтара. – Частицы материи не могут двигаться быстрее световой скорости в вакууме, но скорость света в воде или прозрачных кристаллах гораздо меньше – например, в алмазе она в два с лишним раза медленнее скорости света в вакууме. Если в жидкость или кристалл залетит заряженная частица, скорость которой будет меньше, чем скорость света в вакууме, но больше, чем скорость света в данной среде, – то вокруг такой частицы возникнет излучение, которое и открыл Павел Черенков в 1934 году. Такое же излучение возникает, когда очень быстрые частицы залетают в атмосферу – ведь в воздухе скорость света тоже чуть меньше, чем в вакууме. Именно это излучение и ловит аргентинская обсерватория имени Оже.

Солнечные электрические потоки сообщают нам местные космические новости, рассказывая о вспышках на нашем светиле, о состоянии магнитного поля вокруг него и вокруг Земли. Если Солнце посылает нам космическую телеграмму в виде потока заряженных частиц, то мы получим её в течение 2–3 дней.

Космические галактические лучи – словно дальнодействующий телеграф, сообщающий о событиях галактической удалённости. Вот эта телеграмма сообщает о взрыве сверхновой, а эти электрические сигналы нам посылает пульсар, который своим магнитным полем ускоряет заряженные частицы и рассылает их по всей Галактике. Из-за огромных расстояний новости приходят устаревшими – звезда взорвалась тысячу лет назад, а телеграф только сейчас донёс информацию об этом взрыве.

Хотя никто не протягивал в космосе проводов и кабелей, космос сам создаёт электрические схемы и магнитные устройства. После солнечной вспышки – мощности которой хватит, чтобы давать электричество всей Земле в течение миллиона лет, – образуется поток солнечных протонов и электронов, которые летят со скоростью в сотни километров в секунду – и с размаха налетают на магнитное поле Земли. Земное поле «сгребает» частицы и формирует из них радиационные пояса, заключая космические заряженные частицы в своеобразные ловушки, схожие по принципу действия с токамаками.

Плазма, которая копится в радиационных поясах Земли, капризна и нестабильна – как и в токамаках. Если она вырывается из ловушки и достигает атмосферы, то свечение частиц в атмосфере рождает полярные (или северные) сияния – красивые светящиеся полотнища и полосы разного цвета, которые часто наблюдаются на севере Европы, Америки и России.

На Земле есть место, где из-за строения магнитного поля Земли интенсивность потоков космических частиц повышена – это область Южной Атлантики. Инженеры, обеспечивающие космические полёты, и учёные, которые занимаются спутниковыми измерениями, называют это место Южно-Атлантической аномалией. Когда космическая станция пролетает над этим местом, то компьютеры на ней могут давать сбой. В зоне Южно-Атлантической аномалии в данных околоземных спутников появляются сильные помехи – из-за попадания космических лучей в спутниковые сенсоры.

Когда ускорители элементарных частиц ещё не получили широкого распространения и были достаточно маломощными, специалисты по физике элементарных частиц использовали космические лучи в качестве естественного ускорителя.

В 1936 году американский физик Карл Андерсон вместе со своим студентом Сетом Неддермейером открыл в космических лучах мюон – отрицательно заряженную частицу в 207 раз тяжелее электрона. Сначала открыватели подумали, что они открыли пион – частицу, которую в 1935 году предсказал японский физик Хидеки Юкава. Эта частица должна была служить переносчиком сильного взаимодействия в атомном ядре. Но, когда выяснилось, что мюон является совсем другой частицей, то в стане теоретиков начался переполох. Физик Исидор Раби выразил своё отношение к этому открытию так: «Кто заказывал эту частицу?»

Открытия новых частиц перестали укладываться в существующие теории, поэтому физики стали шутить, что если за открытия первых элементарных частиц полагается Нобелевская премия, то за открытие остальных и «ненужных» частиц – штраф в 10 тысяч долларов за каждую.

Пион, предсказанный Юкавой, открыли в космических лучах в 1947 году. Это сделал британец Сесил Пауэлл, который запускал свои приборы на воздушных шарах, а также размещал их ближе к космосу – на вершинах гор.

Американский физик Джон Линсли, исследуя космические лучи в горах Нью-Мексико, открыл в 1962 году невероятно быстрые элементарные частицы, каждая из которых обладала энергией брошенного камня, двигающегося со скоростью 100 километров в час. Таких частиц наблюдается очень мало, но их существование снова озадачило теоретиков, которые рассчитывали, что космические протоны не могут обладать скоростью выше определённой – иначе они её растеряют, взаимодействуя с квантами излучения, которых достаточно в космосе. Но эти космические суперчастицы побили все рекорды. Возникло даже предположение, что в этих случаях из космоса прилетает не отдельный протон, а целое ядро железа. Но пока здесь много неясного.

– Короче, Вселенная шлёт нам свои телеграммы, а мы до сих пор не можем их прочитать? – засмеялась Галатея.

– Да, и это хорошо – иначе нам не досталось бы никаких тайн для разгадки! – подхватил Андрей.

Дзинтара сказала:

– В XX веке жил поразительно разносторонний учёный, который много сделал для расшифровки космических телеграмм. Он удивительным образом соединил в себе интерес к земному и космическому электричеству, занимаясь сверхпроводимостью и сверхтекучестью, а также космическими лучами и излучением Вавилова-Черенкова.

Звали его Виталий Гинзбург. Он родился в России в 1916 году, когда на крохотной планете Земля бушевала Первая мировая война – и испытания, которые выпали на долю человечества, только начинались. До 11 лет мальчик не ходил в школу – учился дома, под руководством отца, выпускника Рижского политехникума. Потом Виталий Гинзбург занимался в школе – но всего четыре года. Дальше была учеба в фабрично-заводском училище и работа лаборантом в рентгенологической лаборатории.

В возрасте 18 лет Виталий Гинзбург поступает сразу на второй курс физического факультета Московского государственного института. Через шесть лет он защищает кандидатскую диссертацию, ещё через два года – докторскую и начинает работать в теоретическом отделе Физического института им. Лебедева. Вокруг гремела Вторая мировая война, но учёного не брали на фронт, и он продолжал заниматься сложными физическими теориями. Ещё в 1940 году учёный разработал квантовую теорию эффекта Вавилова-Черенкова, а в 1950 году создал вместе со Львом Ландау одну из первых теорий сверхпроводимости. В 1958 году Виталий Гинзбург вместе с Львом Питаевским создал теорию сверхтекучести.

Но телеграммы из космоса занимали в его жизни особое место. Он разработал теорию происхождения космических лучей и вместе с Сергеем Сыроватским написал об этих лучах целую книгу, ставшую важной вехой в изучении этого удивительного явления. Он не только рассмотрел образование космических лучей – он также изучил их химический состав и превращения, которые испытывают частицы при блуждании в космосе, а также указал на механизмы космического ускорения тяжёлых ионов.

– То есть он был космическим телеграфистом – человеком, который умел читать телеграммы из космоса! – воскликнула Галатея.

– Да, эту профессию разносторонний Гинзбург тоже освоил, – кивнула Дзинтара.

В 1968 году Виталий Гинзбург решительно поддержал проект создания Якутской обсерватории по исследованию широких атмосферных ливней, которая под руководством видного учёного Дмитрия Красильникова была запущена уже через два года. Виталий Гинзбург создал при Московском физико-техническом институте кафедру проблем физики и астрофизики, которой заведовал долгое время.

Виталий Гинзбург был атеистом и активно выступал против преподавания религии в школе. Он был непримиримым борцом против лженауки. В 1998 году Виталий Гинзбург организовал в Академии наук комиссию по борьбе со лженаукой, куда были отнесены астрология, паранормальные явления, а также деятельность уфологов, экстрасенсов и многих целителей.

Он говорил: «Лженаука – это всякие построения, научные гипотезы и так далее, которые противоречат твёрдо установленным научным фактам. Лженаука – это то, что заведомо неверно». Академик Гинзбург написал письмо в газету «Известия» с требованием прекратить печатать астрологические гороскопы. Выступая на радио, Виталий Гинзбург решительно сказал:

– Я считаю, что астрология – это лженаука. И надувательство трудящихся. У нас сейчас в России достаточно тяжёлое положение. Задача интеллигенции и демократов – просвещать народ, а не оглуплять и всячески способствовать всякой чепухе. Поэтому я борюсь с астрологией.

За свою долгую научную жизнь Виталий Гинзбург написал около четырёхсот научных статей и десять монографий по теоретической физике, радиоастрономии и физике космических лучей.

В 2003 году Нобелевский комитет присудил Виталию Гинзбургу премию по физике «За пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей». В своей нобелевской речи Гинзбург сказал, вспоминая свою трудную молодость:

– Моя любовь к низким температурам удивительна после холодных военных зим.

Виталий Лазаревич Гинзбург активно популяризовал науку и писал: «Как бы мне хотелось передать читателю мой интерес к тому, как устроен мир! Я вообще считаю себя очень счастливым человеком: всю жизнь занимался тем, что считал важным и интересным, – наукой, физикой».

– Он действительно был счастливым человеком! – сказала Галатея.

– Безусловно! – ответила Дзинтара.

Примечания для любопытных

Виктор Гесс (1883–1964) – знаменитый австрийский физик, открывший в 1912 году космические лучи и получивший за это Нобелевскую премию в 1936 году.

Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892–1990) – выдающийся советский физик, открывший в космических лучах заряженные частицы. С помощью камеры Вильсона установил факт, что космические лучи приходят ливнем – целым потоком элементарных частиц. Академик (1946).

Космические лучи – элементарные частицы и ядра атомов, которые движутся в космическом пространстве со скоростями, близкими к скорости света.

Камера Вильсона – или туманная камера, наполненная перенасыщенным паром. Прибор, изобретённый шотландским физиком Чарльзом Вильсоном (1869–1959) в 1910–1912 годах. Камера позволяла видеть траектории элементарных частиц, вызывающих образование тумана вдоль своего пути. За это изобретение Вильсон получил Нобелевскую премию (1927).

Излучение Вавилова-Черенкова – излучение, возникающее при сверхсветовом движении заряженных частиц в средах, в которых скорость света меньше, чем в вакууме.

Павел Алексеевич Черенков (1904–1990) – выдающийся советский физик, открыватель черенковского излучения в 1934 году. Лауреат Нобелевской премии (1958).

Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) – выдающийся советский физик, основатель школы физической оптики. Академик, Президент АН СССР (1945–1951).

Обсерватория имени Пьера Оже – обсерватория, построенная в 2004–2008 годах в Аргентине на высоте около полутора километров для наблюдения широких атмосферных ливней, вызывающих излучение Вавилова-Черенкова. Охватывает наблюдениями 3000 квадратных километров.

Пьер Оже (1899–1993) – известный французский физик, исследовавший в 1938 году широкие атмосферные ливни.

Карл Андерсон (1905–1991) – знаменитый американский физик, открывший в 1932 году в космических лучах позитрон и получивший за это Нобелевскую премию. Позже он вместе со студентом Сетом Неддермейером открыл в космических лучах мюон.

Сет Неддермейер (1907–1988) – американский учёный, участвовавший в открытии позитрона и мюона вместе с К. Андерсоном. Позже участвовал в проекте создания ядерного оружия.

Хидеки Юкава (1907–1981) – выдающийся японский физик, предсказавший в 1935 году элементарную частицу пион – переносчик ядерного взаимодействия. Первый из японских учёных получил Нобелевскую премию (1949).

Сильное взаимодействие – одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике (вместе с электромагнитным, слабым и гравитационным). Отвечает за притяжение нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах атомов.

Исидор Раби (1898–1988) – выдающийся американский физик, получивший в 1944 году Нобелевскую премию за работы в области ядерно-магнитного резонанса.

Сесил Пауэлл (1903–1969) – выдающийся британский учёный, который открыл пион в космических лучах в 1947 году. Получил за это Нобелевскую премию (1950).

Джон Линдсей (1925–2002) – видный американский физик, открывший невероятно быстрые элементарные частицы космических лучей.

Лев Петрович Питаевский (р. 1933) – известный советский физик, соавтор теории сверхтекучести Гинзбурга-Питаевского. Академик (1990).

Сергей Иванович Сыроватский (1925–1979) – советский физик и астрофизик. Написал вместе с В. Л. Гинзбургом книгу «Происхождение космических лучей» (1963).

Дмитрий Данилович Красильников (1920–1985) – видный специалист по космическим лучам, основатель Якутской установки ШАЛ. Доктор физико-математических наук, лауреат Ленинской премии СССР.

Якутская комплексная установка ШАЛ им. Д. Д. Красильникова – обсерватория по комплексному наблюдению широких атмосферных ливней (ШАЛ), производящая измерения с 1970 года. Детекторы расположены в круге диаметром в 4 км.

Мальчик был прав: когда в 1966 году первый земной аппарат достиг поверхности другой планеты, ещё ничего не было известно про то, как выглядит Венера. Только в июне 1967 года к этой загадочной планете была запущена станция, которая должна была совершить мягкую посадку на поверхность – и сообщить на Землю, что она там узнала и измерила.

Какое давление атмосферы на поверхности Венеры? Какая температура? – учёные не знали ответов на эти вопросы и могли только строить предположения.

Теоретики полагали, что на поверхности Венеры давление атмосферы может быть в 10 раз больше, чем у земной атмосферы. Конструкторы услышали эти цифры, почесали в затылках, и на всякий случай сделали аппарат таким прочным, чтобы он мог выдержать давление в 20 атмосфер.

И вот межпланетная станция «Венера-4» 18 октября 1967 года достигла Венеры и вошла в её атмосферу. Перегрузки при торможении аппарата достигли 300 земных тяжестей, но аппаратура работала исправно, сообщая данные о температуре и давлении.

– 300 g? – поразился Андрей. – Да такая перегрузка слона расплющит!

– Не будем издеваться над бедным слоном, – нахмурила брови Дзинтара. – Действительно, редкий аппарат, созданный землянами, может остаться исправным при таких перегрузках, но венерианская станция была сделана очень прочно. Она передавала данные о давлении до высоты 28 километров, где её корпус, рассчитанный на давление в 20 атмосфер, всё-таки был раздавлен атмосферой Венеры, как жестянка из-под газировки.

– Мы ошиблись в расчётах! – сказал худой дяденька, знакомый сибирских мальчишек. – Если давление достигает такого значения на такой огромной высоте, то на поверхности Венеры давление гораздо больше! Там вся сотня атмосфер наберется!

– И там должно быть жарко, как на сковородке, – хмуро сказал другой учёный. – Температурный датчик сначала показывал 33 градуса по Цельсию, а перед разрушением – уже 262 градуса Цельсия. На поверхности будет пекло в сотни градусов!

– Ни океан, ни джунгли нас там не ждут, – сказал третий исследователь. – Приборы показывают, что в атмосфере почти нет кислорода, практически один углекислый газ.

– Надо полностью менять конструкцию станции, – вздохнул главный конструктор и потёр усталое лицо. – Спасибо станции «Венера-4»: мы сейчас знаем, что нас ждёт.

Прошло меньше трёх лет – и с космодрома Байконур взлетела ракета с межпланетной станцией «Венера-7», которая была сконструирована так, чтобы приземлиться на горячей поверхности Венеры и уцелеть. В этот раз учёные рассчитывали, что на поверхности Венеры станцию встретит давление в 100 атмосфер и температура в 500 цельсиев. Конструкторы заменили легкий магниево-алюминиевый корпус спускаемого аппарата на титановый, который мог выдержать давление в 180 атмосфер.

15 декабря 1970 года станция вошла в атмосферу планеты. Перегрузки достигли 350 g. Станция осуществила мягкую посадку, а по показаниям приборов учёные вычислили параметры венерианской атмосферы: давление 90 земных атмосфер, температура 475 градусов Цельсия: достаточно, чтобы расплавить свинец и олово.

В июне 1975 года спускаемый аппарат «Венера-9» совершил мягкую посадку и прислал первые чёрно-белые фотографии венерианской поверхности. В октябре 1981 года «Венера-13» с поверхности своей тёзки передала первую цветную панораму. Человек смог увидеть поверхность Венеры в естественном цвете.

– Он словно сам там побывал! – воскликнула Галатея.

– Да, Венера перестала быть планетой-тайной. Хотя она сохраняет немало секретов, но её поверхность мы уже видели. В 1984 году советскими аппаратами «Вега» в атмосферу Венеры были сброшены два летающих зонда-аэростата. В 1989 году вокруг Венеры начал работать американский спутник «Магеллан», который с помощью радиолокатора получил высококачественную трёхмерную модель поверхности Венеры – с её хребтами, вулканами, лавовыми потоками и метеоритными кратерами. Но атмосфера Венеры таит в себе множество тайн – как, например, её загадочное супервращение вокруг медленно вращающейся планеты, над которым, наверное, сломали голову все венерианские метеорологи.

Галатея вдруг сказала, немного невпопад, но видно – наболело:

– А почему земные метеорологи не могут хорошо предсказывать погоду? Вечно они ошибаются! Обещают солнце, а вдруг начинается дождь и всю прогулку портит!

Дзинтара:

– Полагаю, что планетные атмосферы – это самые сложные физические, то есть небиологические объекты во Вселенной. Здесь активны все фундаментальные взаимодействия – сильные, слабые, электрические и гравитационные. Ядерные взаимодействия включают атмосферные изотопы с космическими лучами. Сложнейшая атмосферная химия, в которой участвуют все четыре состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Нелинейная хаотическая динамика, из-за сложности и непредсказуемости которой человек не может уверенно предсказывать погоду даже на неделю вперёд. Вбросы пыли в атмосферу снизу – от вулканов и пожаров и сверху – от метеоритов. Атмосфера – это зона, где космическое смешивается с земным. Оболочка, в которой живут люди и о чистоте которой приходится заботиться, потому что, как оказывается, люди стали достаточно могущественными, чтобы разрушить свою атмосферу, но недостаточно умными, чтобы не делать этого.

Озон в верхних слоях атмосферы защищает нас от опасного ультрафиолета, но в приземных слоях воздуха он рассматривается как ядовитый газ. Атмосфера приносит нам живительные дожди, без которых не могут расти пшеница, рис, кукуруза и деревья. Она же обрушивает на нас разрушительные ураганы, смерчи и ливни, от которых реки выходят из берегов и сносят всё вокруг.

До сих пор атмосферное электричество таит в себе массу загадок. Вы знаете, что каждую секунду в земной атмосфере вспыхивают сто молний? Земной электрический дракон ревёт, не переставая, только не каждый его слышит. Все знают о молниях, которые вспыхивают между тучами и землёй, но мало кто знает о молниях, которые бьют от грозовых туч вверх – в верхние слои атмосферы, в ионосферу. Их зовут красными эльфами, потому что они имеют красный цвет. Такие космические молнии были сфотографированы из космоса, с обитаемой космической станции.

– Мама, а есть красные эльфы в атмосфере Венеры? – спросила Галатея.

– Ты задала отличный научный вопрос! – похвалила Дзинтара. – Пожалуй, никто ещё не знает на него ответа. Может, ты вырастешь и займешься этой загадкой?

Когда-то Михаил Ломоносов изучал земные молнии и открыл атмосферу Венеры. Много лет спустя на Венеру прилетели космические станции и обнаружили, что, несмотря на сухость местной атмосферы, здесь бушуют молнии почище земных. Приборы зафиксировали электромагнитное излучение, а также световые вспышки от венерианских молний. Несколько спускаемых советских и американских аппаратов замолчали на высоте 12 километров – и анализ показал, что возможной причиной их выхода из строя является разряд молнии! Но на этой высоте уже не было облаков – они располагались гораздо выше! Что за гром с ясного неба? Постепенно учёные составили карту Венеры, с её горами, равнинами, метеоритными и вулканическими кратерами. На карте таинственной планеты появились такие официальные названия, как Равнина Снегурочки и Каньон Бабы-яги.

Дальнейшие исследования потерь космических аппаратов показали, что чаще всего спускаемые аппараты выходят из строя над определёнными местами Венеры. Словно там живут электрические драконы, которые нападают на посланцев Земли.

Шаг за шагом планетологи изучали эти опасные венерианские равнины – и обнаружили, что эти области демонстрируют аномалию гравитационного поля, похожую на ту, которую имеют области молодых действующих вулканов на Земле. При этом было известно, что в облаках пепла, выброшенных земными вулканами, бушуют сильные молнии. Видимо, венерианские электрические драконы представляют собой мощные вулканические облака, в которых сверкают молнии. И спускаемым аппаратам, как бы они ни были прочны, надо держаться подальше от таких опасных мест с вулканическими извержениями и пылевыми электрическими драконами.

Шаг за шагом Венера открывала свои тайны учёным. Отметим, что первым высказал идею о молниях на Венере и об её активном вулканизме видный советский планетолог Леонид Ксанфомалити. Обширную программу по исследованию молний Венеры выполнил американец Кристофер Рассел.

Сменяются поколения конструкторов и инженеров, на смену им приходит молодежь – вчерашние мальчишки. Совершенствуются технологии, делая сегодня возможным то, что раньше считалось немыслимым. Человечество постепенно осваивает Солнечную систему. Пройдёт не так уж много времени, по историческим меркам, – и на далёких планетах возникнут человеческие поселения.

– Мама, – не вытерпела Галатея. – Но как создать город на Венере, если там так жарко и такое большое давление?

Дзинтара сказала, качая головой:

– Думаю, что на Венере возникнет необычный – летающий город. В венерианской атмосфере есть высоты, на которых и давление, и температура вполне комфортны. Если создать большой дирижабль, то он будет летать в атмосфере Венеры без всяких моторов, не боясь столкнуться с каким-либо препятствием.

Писатель Ник. Горькавый описал такой город в своем романе «Возвращение астровитянки». Вот несколько описаний Венеры и летающего города из этого романа:

«Огромный сплюснутый эллипсоид, надутый гелием, плавно и стремительно – в треть от земной скорости звука – летел на запад над экваториальной зоной Венеры, подгоняемый суперротацией плотной атмосферы. Над южным континентом Афродиты аэростат слегка потряхивало, и обычная высота полёта в шестьдесят километров чуть увеличивалась.

Под аэростатом размещалась круглая плоская гондола, похожая на таблетку, где жили люди и размещалось несколько десятков лабораторий и приборных отсеков.

Первые дни Анатоль много бродил по станции, на которой жила добрая сотня учёных, космонавтов, инженеров и вилётчиков-атмосферников – пилотов венерианских самолётов. В двух просторных шлюзах станции стояло несколько транспортных и научных венолётов – вилётов.

Это были угрюмые бронированные машины с сильно окисленными боками и горелыми полосами на массивном корпусе и кургузых крыльях. Неровная потемневшая поверхность фюзеляжа ясно говорила о раскалённых и едких воздушных потоках, бушевавших вокруг этих необычных летательных аппаратов. Вилёты не походили на щеголеватые земные самолёты и казались ржавыми боевыми машинами какой-то легендарной космической империи, случайно попавшими в руки людей».

«Пилот Серджио Ипатов покатал Анатоля на малом транспортном вилёте. Летящую машину здорово потряхивало, хотя они не забирались в глубь атмосферы – так, зацепили самый краешек на высоте сорока километров, поднырнув под дымку кислотных облаков.

– Понимаешь, сынок, с пассажиром вниз не положено, – объяснил Серджио.

Он снисходительно звал Анатоля „сынком“, хотя по возрасту ему в отцы явно не годился. Анатоль не возражал – пусть зовёт, лишь бы катал.

– Внизу там творится такое, такое… – Серджио закатывал глаза, но объяснить толком не мог.

Потом они поднялись на сотню километров, и небо над ними очистилось и посветлело, а под ними кто-то могучий продолжал помешивать огромной ложкой адское варево венерианской атмосферы, а варево сопротивлялось, тянулось колоссальными облачными струями и упрямо не перемешивалось.

„Странная планета… – думал Анатоль, глядя вниз сквозь толстое стекло иллюминатора. – Облака и туманы из концентрированной серной кислоты, атмосфера из бесплотного горячего углекислого газа в сто раз плотнее земной. Венерианский день длиннее венерианского года, а сухая каменистая поверхность раскалена как сковорода – до пятисот градусов. Дождь из серной кислоты не поливает поверхность Венеры только потому, что не долетает до неё, успевая испариться от невыносимой жары уже на высоте двадцати километров. И кто-то мечтает превратить эту страшную Венеру во вторую прекрасную Землю?“

Вилёт на тропосферных высотах ниже тридцати километров обычно управлялся дистанционно – с помощью не рукояток, а сенсорного костюма. Пилот словно прирастал к вилёту своими нервами и ощущал его крылья и двигатели как части собственного организма. На самом деле пилот сидел в аэростате в сенс-костюме, а вилёт нырял в адскую жаркую тьму без человека.

Но все пилоты настаивали на своём присутствии там.

– Я на своей шкуре чую всё – ливни из серной кислоты, ураганы, вулканические извержения! – Серджио пил слабое пиво в баре и размахивал руками. – Как-то над горами Максвелла меня затянуло в центр кислотного урагана. Я оттуда еле выбрался, всю горючку сжёг, а двигатели чуть не запорол. В меня ударило триста молний. Вылезаю из мокрого сенсорного костюма, а меня качает, словно я до сих пор болтаюсь в центре урагана. Залезаю в душ, а на плечах волдыри от ожогов серной кислотой. Так что это не вилёт там летает, а я сам. А вилёт это только оформляет. Понял, сынок?»

«– …Сегодня мы потеряли научный вилёт. Будет разбирательство, но человеческая ошибка вероятнее.

Анатоль обернулся. Серджио и двое других парней-пилотов сидели в дальнем углу и угрюмо что-то обсуждали, облокотившись на стол.

Анатоль задумчиво сказал:

– Ты летишь против плотного, как плоть, ветра, насыщенного каплями восьмидесятипроцентной серной кислоты. Ураган бьёт в твоё лобовое стекло со скоростью двести метров в секунду. Под тобой извергаются вулканы, и их ядовитые султаны, перемешанные с каменными бомбами, пробивают атмосферу насквозь. В тебя попадают невероятной силы молнии, в сто раз более частые, чем на Земле, рождённые электрическими драконами Венеры. Их громовой рёв оглушает тебя. Ты устал, ты взмок, но тебе даны доли секунды на решение, и ты принимаешь это решение. И оно оказывается неправильным. Аппарат раскалывается в раскалённых скалах, а ты попадаешь в лапы комиссий из сухопутных моряков, и все начинают тебя раскалывать, ненавидеть и жалеть, и ты уже сам жалеешь, что тебя не было в вилёте.

– Теперь я верю, что вы – писатель. Но страшное любит дружить с прекрасным. Над поверхностью Венеры плавают горячие металлические туманы, они оседают причудливым инеем на прохладных вершинах, и даже образуют блестящие озёра в высокогорных долинах. По берегам этих жидких озёр из свинца и висмута вырастают металлические цветы изумительной красоты. Я вам подарю такой цветок – у меня их целая коллекция».

Дзинтара усмехнулась:

– Возникнет ли в будущем венерианский город, описанный в фантастической книге? Это зависит от нас, землян. Вернее, от вас – молодых людей и от будущего, которое вы создадите.

– А электрические драконы не нападут на летающий город? – поинтересовалась Галатея.

– Нет, – улыбнулась Дзинтара. – В мире нет таких драконов, которых не мог бы победить разумный человек.

Примечания для любопытных

Леонид Васильевич Ксанфомалити (р. 1932) – видный советский и российский планетолог, исследователь Марса, Венеры и кометы Галлея. Высказал предположения о молниях и активных вулканах на Венере.

Кристофер Рассел – видный американский исследователь, осуществивший обширную программу по исследованию молний Венеры на основе данных американских межпланетных станций «Пионер-Венера».

Научные консультанты:

Александр Павлович Васильков, кандидат физико-математических наук

Александр Юрьевич Исупов, кандидат физико-математических наук

Андрей Вилхович Каява, кандидат биологических наук

Юрген Рюдигер, заведующий лабораторией приёмников рентгеновского излучения Российского научного центра рентгенорадиологии

Евгений Леонидович Ченцов, доктор физико-математических наук, астроном

– Все мы несём тяжкое бремя общения с людьми, – хмыкнул Кит, потирая плавником старый шрам на боку. – Они просто добрались до тебя позже, чем до нас. Лошади таскают для них повозки, тебя они заставили таскать на себе их нелепые представления о Вселенной.

– Что же мне делать? – тревожно переспросила Черепаха.

– Ждать, – сказал Кит и зачерпнул старой лодкой, которую он использовал в качестве ложки, полтонны вкусного криля. – Лошади тоже терпеливо ждут изобретения паровоза, который будет возить самые тяжёлые грузы. Как только люди придумают теорию строения Вселенной, которой не нужны подпорки в виде старой черепахи, тогда ты избавишься от этой тяжести.

Черепаха почувствовала обиду от слова «старая». Она считала себя вполне юной черепахой, шесть тысяч лет – не возраст.

– А когда они придумают эту самую теорию?

– Не знаю, – развел потрёпанными плавниками Кит и принялся глотать криль, отчего его речь стала невнятной. – Спроси об этом Николая Коперника, он сейчас главный эксперт по космосу.

– Сколько мне таскать на себе эту увесистую оранжерею под стеклянным колпаком? – спросила Черепаха у Коперника.

– Да, плоский мир – это тяжёлое заблуждение, – кивнул Николай Коперник. – Обычные люди думают, что земля огромна – в любую сторону можно скакать неделями, – а Солнце размером меньше кулака на вытянутой руке. На самом деле наша планета – сравнительно маленький шар, который вообще ни на чём не стоит, а вращается вокруг своей оси и, как и все остальные планеты, летит в космосе вокруг огромного сияющего Солнца. А вокруг нашей Солнечной системы расположена хрустальная сфера звёзд.

– Но сама хрустальная сфера – на чём она стоит? – с тревожным предчувствием спросила Черепаха Коперника. Тот развёл руками:

– Не знаю.

– Зато я знаю, на чём, вернее, на ком она держится, – ворчала Черепаха, готовясь ко сну и ощущая на спине увеличившуюся тяжесть купола звёзд, уже не полусферы над Землей, а сферы вокруг Солнечной системы. – Может, этот Николай очень умный, но пользы мне от этого никакой.

Прошло какое-то время, и друг Кит приплыл с новой вестью.

– В мире появился новый мудрец, Иммануил Кант. Такое умное говорит, что никто его не понимает.

– Мне и не нужно его понимать, пусть он заберёт эту штуковину с моей спины.

Кант увлечённо принялся объяснять Черепахе:

– Нынешние телескопы обнаруживают в космосе множество туманностей, похожих на наш Млечный Путь. Значит, Вселенная – это огромное пространство, в котором расположены мириады звёзд, собранных в галактики – млечные пути. Я полагаю также, что наша Вселенная не стационарна, она эволюционирует и меняется.

– Но на чём держится Вселенная, полная звёзд и туманностей? – спросила Черепаха.

– Это очень сложный вопрос, но в Гигантскую Черепаху, на которой покоится мир, уже никто не верит! – рассмеялся учёный.

Черепаха подумала с обидой: «Ну и пожалуйста. Раз вы во мне больше не нуждаетесь, то сделайте нормальную теорию Вселенной, чтобы она держалась сама по себе, а не вцепившись в мою усталую спину. Тогда я смогу отдохнуть».

И она поплелась домой, чувствуя на спине увеличившуюся тяжесть Вселенной: столько туманностей, не шутка!

Стоило неспешной Черепахе совсем чуть-чуть отдохнуть, как Кит приплыл с новостью:

– Знакомые чайки донесли мне: у людей переполох. Вселенная разбегается в разные стороны! Оказывается, она имеет огромные размеры – в десяток миллиардов световых лет. Кант был прав: Вселенная не стационарна, в ней всё куда-то бежит. Весто Слайфер измерил это разбегание галактик, а Генриетта Ливитт нашла метод определения расстояния до соседних галактик. Потом Эдвин Хаббл показал, что чем дальше расположена галактика, тем быстрее она от нас убегает!

– Это хорошо или плохо? – спросила Черепаха. – Может Вселенная убежать не только от людей, но и улететь с моей спины?

– Вряд ли, потому что люди не знают, почему она начала разбегаться. А если чего-то важного не знаешь, то без помощи Черепахи не обойтись.

– Ну да, – иронически согласилась Черепаха, – на произвол судьбы Вселенную ведь не бросишь, особенно такую огромную. Лучше уж Черепахой подпереть.

– Твоя главная надежда – на теоретиков. Они конструируют модели Вселенной, и сейчас они стали гораздо умнее, чем раньше. Альберт Эйнштейн вывел уравнения гравитации, которым подчиняется Вселенная, а Александр Фридман и Жорж Леметр нашли решения этих уравнений, которые описывают разлетающуюся Вселенную. Леметр предложил своеобразную «атомную модель» Вселенной, возникшей при взрыве огромного нестабильного атомного ядра и расщепление его на мелкие обычные атомы…

Тут Черепаха от умственного переутомления задремала. Совсем на чуть-чуть, лет на пятьдесят. Проснувшись, она пошевелилась и почувствовала, что груз на спине никуда не делся.

– Как там дела у людей? – спросила она своего друга Кита.

– Там всё бурлит! – оживлённо ответил Кит. – Гарпуны и охоту на китов стали запрещать!

– Это хорошо, – сказала Гигантская Черепаха. – А с этой… космологией-то у них как?

Кит немного напрягся, что-то вспоминая, потом выпалил:

– Современный этап характеризуется активной полемикой между двумя точками зрения на нестационарную Вселенную: концепция одноразовой Вселенной против концепции многоразовой, циклической Вселенной. Обе концепции содержались в новаторской работе Александра Фридмана, опубликованной в 1922 году. Циклические модели были детально рассмотрены Ричардом Толменом в тридцатых годах. Он обратил внимание, что энтропия – мера беспорядка – должна расти согласно второму закону термодинамики. Значит, энтропия должна повышаться от цикла к циклу, что делает Вселенную не совсем периодической.

– Какой-то пассажир лайнера уронил в воду популярный журнал? – догадалась Гигантская Черепаха.

– Ага, – немного покраснел Кит и продолжил: – В 1948 году Георгий Гамов со своими учениками предложил своеобразную «термоядерную» модель Вселенной, по которой циклическая Вселенная предыдущего цикла сжалась до компактного и очень горячего состояния, в котором существовали только протоны, нейтроны, электроны и гамма-кванты. Этот горячий плотный газ из элементарных частиц Гамов назвал «улемом» – первичным веществом Вселенной. Все более тяжёлые ядра химических элементов, созданные в звёздах прошлого цикла, развалились в сжатой Вселенной с температурой в многие миллиарды градусов. Когда Вселенная начала расширяться, «улем» стал остывать, и термоядерные реакции между протонами и нейтронами привели к созданию ядер гелия и дейтерия – тяжёлого водорода. Группа Гамова рассматривала Большой Взрыв как упругий Большой Отскок Вселенной, сжавшейся до размера около светового года.

– Это что такое – световой год? – спросила озадаченная Черепаха.

– Глубоководная рыба-удильщик привлекает добычу с помощью своего фонарика. Световой год – это такое расстояние между прожорливым удильщиком и его едой, которое свет фонарика преодолевает целый год.

– Что ж он так далеко уплыл-то от еды? – расстроилась Черепаха. – Помрёт с голоду, бедняга.

Кит продолжил цитирование популярного журнала:

– Хотя Гамов и его ученики не смогли указать на физический механизм такого отскока Вселенной, они предсказали реликтовое излучение, которое должно было остаться от когда-то горячей Вселенной, и верно оценили его температуру в несколько градусов Кельвина.

Когда Пензиас и Вильсон в 1965 году открыли реликтовое излучение с температурой около трёх градусов Келвина, то космолог Роберт Дикке и учёные его группы, интерпретируя открытие Пензиаса и Вильсона и склоняясь к цикличности многоразовой Вселенной, повторили гипотезу Гамова и его группы о том, что в результате предыдущего сжатия Вселенной образовался коллапсирующий огненный шар, превративший все химические элементы снова в протоны, а потом по какой-то причине сменивший сжатие на расширение. Свечение этого огненного шара со временем остыло и превратилось в нынешнее реликтовое излучение. К сожалению, группа Дикке не указала в публикации, что группа Гамова уже давно вычислила температуру реликтового излучения, и это нанесло серьёзный ущерб научной репутации команды Дикке.

Представление о том, что Вселенная в момент сжатия была компактным, но вовсе не микроскопическим объектом, без особых изменений просуществовало около двух десятков лет. По оценке нобелевского лауреата Стивена Вайнберга, сделанной в 1976 году, Вселенная при сжатии могла иметь минимальный размер около светового года.

– Это же сколько будет в километрах? – спросила медленно соображающая Черепаха.

– В году 30 миллионов секунд. Их надо умножить на скорость света – 300 тысяч километров в секунду. Получится десять триллионов километров.

– Ой, много. Значит, сторонники циклической Вселенной скоро построят хорошую космологическую модель и мои мучения закончатся?

– Э-э… не хочется тебя зря обнадёживать. Сторонники циклической Вселенной до сих пор не знают, что привело сжимающуюся Вселенную к отскоку. Они предложили несколько вариантов, вроде несимметричного коллапса, но позже эти варианты были опровергнуты вычислениями и математическими теоремами.

– Может, мне ещё немножко поспать? – призадумалась Гигантская Черепаха.

Пока она не спеша размышляла над этой привлекательной идеей, Кит снова примчался с новостями:

– Сторонники одноразовой модели побеждают! Смотри, что я стащил с яхты одного богача.

И Кит показал Черепахе радиоприёмник, откуда лился уверенный голос:

– В 1981 году Алан Гус предложил принципиально новую инфляционную космологию Вселенной, которая базируется на трёх китах… Во-первых, Вселенная в момент рождения была микроскопической по размерам и подчинялась квантовым законам. Во-вторых, в начале своей эволюции Вселенная расширялась с сильным ускорением, вызванным новым отталкивающим полем «инфлантоном», которое увеличило размер Вселенной в гигантское число раз за ничтожную долю секунды…

– В какое число раз и за какую долю секунды? – переспросила Черепаха.

– Голос это в начале говорил, но я не запомнил, – застенчиво признался Кит. – Но очень во много раз и за очень крошечную долю секунды.

– Боюсь, попортят они мой панцирь своим инфлантоном, – обеспокоилась Черепаха. – Больно уж он взрывучий. А что тебя заинтересовало в этой передаче?

Кит в смущении погладил поседевший ус и сказал:

– Там говорится о трёх космологических китах. Может, мне удастся устроиться четвёртым, хоть на полставки?

– А третий-то кит какой?

– Он какой-то самый тёмный…

Голос из приёмника продолжал:

– …В-третьих, когда в 1998 году выяснилось, что Вселенная до сих пор расширяется со значительным ускорением, то теорию инфляции пришлось расширить и включить в неё ещё одну сущность: новое физическое поле или среду, которую принято называть «тёмной энергией». Предположительно она тоже носит квантовый характер, но никто пока не смог вычислить значение этой ускоряющей силы из первых квантовых принципов. Отметим, что значительная часть массы современной Вселенной содержится в «тёмной материи» неизвестной природы. Следуя общепринятой квантово-космологической парадигме, «тёмную материю» обычно тоже считают квантовым феноменом в виде большого количества элементарных частиц – аксионов или вимпов.

– О чём он говорит? Я не понимаю, – пожаловалась Черепаха своему приятелю Киту.

– Твоей спине стало легче?

– Нет.

– Ну и зачем тебе тогда понимать, о чём они говорят?

– Тоже верно, – вздохнула Черепаха. – Но как-то это всё мутно.

– Космологические модели менялись уже много раз. Может быть, этот инфляционно-аксионный криль тоже не всем придётся по вкусу! – засмеялся Кит.

Кит как в воду смотрел. Десятки лет экспериментаторы безуспешно разыскивали загадочные элементарные частицы, которые могли бы объяснить феномен «тёмной материи», а теоретики делали бесчисленные неудачные попытки вывести «тёмную энергию» из существующей квантовой теории.

В конце концов, после более чем тридцатилетнего господства теории инфляции в космологии, некоторые видные учёные стали громко выражать своё недовольство этой теорией, утверждая, что она неудовлетворительна, потому что вводит слишком много предположений в виде гипотетических субстанций «инфлантона», «тёмной энергии» и неизвестных ранее эффектов, вроде всемирного «фазового перехода». При этом, чтобы получить наблюдаемую ныне Вселенную, требовалось задать начальные значения её расширения с невероятной точностью. Ничтожное отклонение – и нынешняя Вселенная исчезнет. Пауль Стейнхард, Эйнштейновский профессор Принстонского университета (то есть он занимает место Эйнштейна) и директор Принстонского института теоретических исследований, в 2014 году написал в главном научном журнале Nature статью против теории инфляции. Он отметил, что теория инфляции содержит такое количество свободных параметров, что их подгонкой задним числом может объяснить любой эксперимент. По сути, её невозможно опровергнуть путем наблюдений! Стейнхардт заявил: «Инфляционная парадигма фундаментально непроверяема и, таким образом, научно бессмысленна».

– А почему профессор беспокоится не о проверяемости, а о непроверяемости теории? – спросил Андрей. Никки ответила:

– Философ науки Карл Поппер сформулировал принцип, согласно которому теория является научной, если существует принципиальная возможность её опровержения путём постановки того или иного эксперимента, даже если такой эксперимент ещё не поставлен. Если теорию нельзя опровергнуть даже в принципе, то она не является научной. Но инфляционисты считают, что принцип Поппера не применим к их теориям, а некоторые из них полагают, что принцип непременной экспериментальной проверки современных теорий устарел и не может служить руководством в работе теоретиков.

В 2017 году молодая сотрудница Принстонского университета Анна Иджас, а также Стейнхард, который является одним из отцов инфляционной теории, и профессор Абрахам Лоеб, глава кафедры астрономии Гарварда и директор Института теории и вычислений Гарвардско-Смитсоновского астрофизического центра, резко выступили против теории инфляции в популярном журнале «Сайентифик Американ». Они снова указали на то, что у теории инфляции имеются бесконечные возможности объяснить всё, что угодно, а «теория, которая может предсказать всё что угодно, ничего не предсказывает». Гипотетические сущности вроде «инфлантона» и «тёмной энергии», на которых базируется теория инфляции, так и не нашли никакого подтверждения. Кроме того, в рамках теории инфляции появилась концепция мультивселенной, согласно которой существует не одна, а множество (например, по одним из многих расчетов, 10 в степени 500) вселенных.

– Это сколько? – не поняла Галатея.

– Ну… миллион – это 10 в степени 6, то есть десятка, умноженная на десятку, – и так шесть раз. Миллион миллионов – это 10 в степени 12. Если сказать фразу «миллион миллионов миллионов…», где слово миллион повторится восемьдесят три раза, то мы получим представление о количестве вселенных, которое даёт теория инфляции.

– Ничего не поняла, – вздохнула Галатея. – Но продолжай, пожалуйста.

– Эти вселенные не соприкасаются и не сообщаются друг с другом, но их фантастическое количество позволяет если не решить, то как-то обойти проблему тонкой подгонки начальных параметров Вселенной. Действительно, если вселенных так много, то почему хотя бы одной из них не иметь параметров, благоприятных для возникновения разумной жизни? Именно в такой комфортной Вселенной возникнут учёные, которые зададутся вопросом о строении мира. Трое упомянутых критиков характеризуют концепцию «мультивселенной» как «мультибеспорядок» (в самом мягком переводе, хотя подходит и выражение «мультикошмар») и считают эту концепцию, наряду с тонкой подгонкой начальных параметров, фатальным недостатком теории инфляции.

В ответ на эту критику четверо учёных-инфляционистов опубликовали письмо, под которым собрали ещё три десятка подписей видных учёных. В числе прочих аргументов инфляционисты привели и такой: в теории инфляции работает девять тысяч учёных, написавших четырнадцать тысяч статей. Неужели это может быть не наукой?

Питер Войт, математик из Колумбийского университета, известный своей борьбой против теории струн, вступил в дискуссию на стороне антиинфляционистов. Он считает, что началась уже не научная, а политическая борьба. Войт так высказался о научности концепции мультивселенной: «Смех в том, что большинство учёных, с которыми я когда-либо говорил об этом, не думают, что претензии на мультивселенную являются наукой, но не видят причин тратить своё время на споры с лженаукой. Она просто исчезнет сама по себе, так как со временем становится всё яснее, что мультивселенная, с научной точки зрения, – пустая идея. К сожалению, я не вижу, как эта идея исчезает, и думаю, что она наносит очень серьёзный ущерб физике и её общественному имиджу. В настоящее время ведётся политическая кампания, и одна сторона очень решительно настроена на выигрыш и тратит на это много энергии. Другая сторона должна активизироваться и заставить себя услышать».

Так как трое критиков теории инфляции придерживаются мнения, что Большой Взрыв – это Большой Отскок, а Вселенная в своём минимальном размере не была квантовым объектом, то эту полезную дискуссию (а научные дискуссии все без исключения являются полезными) можно рассматривать как борьбу сторонников циклической Вселенной против модели одноразовой Вселенной.

– Одноразовая Вселенная – это как одноразовый памперс? – хихикнул Андрей. – Не очень престижный статус.

– Для объяснения Отскока Вселенной группа Стейнхарда предложила мембранную модель, предполагающую введение нового пространственного измерения, но эта модель не является единственной или самой убедительной моделью циклической Вселенной. Например, есть космологическая модель Никодима Поплавского, где за отскок отвечает сверхвысокое давление, существующее в неэйнштейновской теории гравитации, а сама Вселенная пульсирует внутри огромной чёрной дыры.

– Чёрной дыры мне в панцире только не хватало, – проворчала Гигантская Черепаха, которая внимательно прислушивалась к обсуждению. – Особенно огромной.

– Многие учёные удивительным образом перестали видеть фундаментальную разницу между моделями, создаваемыми в рамках теории гравитации, и моделями, возникающими среди сотен неэйнштейновских подходов. На самом деле в космологии существует только одна проверенная теория – общая теория относительности Эйнштейна (все остальные – гипотезы), а в физике известны и экспериментально исследованы только четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное). Следуя принципу Оккама, космологические модели нужно создавать на основе этих известных вещей и выходить за рамки известных теорий и экспериментальных фактов только в самом крайнем случае. Тем не менее ведущие физические журналы полны космологических статей, основанных на неэйнштейновских теориях, введении новых измерений и физических полей, ранее не известных науке.

К космологическим моделям, которые разрабатываются в рамках теории Эйнштейна, можно отнести модель с переменной гравитационной массой, в которой Большой Взрыв, или Большой Отскок, произошёл из-за быстрого уменьшения гравитационной массы коллапсирующей Вселенной, что породило сильную антигравитацию. Появились интересные статьи, в которых обсуждается идея, что из прошлого цикла Вселенной к нам проникли не только протоны, но и множество уцелевших чёрных дыр, которые и играют роль тёмной материи, а вокруг самых массивных из них формируются галактики.

В настоящий момент общепринятой и не вызывающей серьёзных возражений теоретической модели Вселенной не существует. Человечество вкладывает в решение космологических проблем миллиарды долларов, поэтому дискуссии вокруг тёмной энергии и тёмной материи вышли за рамки чисто академических. Научное сообщество прилагает огромные усилия, публикуя ежегодно тысячи статей, связанных с тёмными сущностями; значительные суммы выделяются на космические проекты, наземные телескопы и подземные лаборатории, изучающие природу тёмной материи и тёмной энергии. Но число вопросов к моделям Вселенной не уменьшается, а только растёт:

1. Является ли Вселенная одноразовой расширяющейся структурой или циклической системой с периодами сжатия и расширения?

2. Каков был минимальный размер Вселенной? 3. Какова была температура и плотность Вселенной в момент максимального сжатия?

4. Какие объекты (например, чёрные дыры, барионы) прошлых космологических циклов могут уцелеть при сжатии Вселенной до минимального размера и попасть в современный цикл?

5. Почему произошёл Большой Взрыв? Существовало ли ускоренное расширение в начальный момент Большого Взрыва, и чем оно было вызвано?

6. Почему так однородна и изотропна была Вселенная при отделении излучения от материи, случившемся 380 тысяч лет после Большого Взрыва? Именно это реликтовое излучение наблюдают сейчас астрономы. С чем связаны глобальные и локальные отклонения реликтового излучения и других космологических параметров от однородности и изотропии?

7. Почему Вселенная расширяется с ускорением до сих пор? Какие силы обеспечивают современное ускорение? Как долго будет разлетаться Вселенная?

8. Тёмная материя – что это такое? Состоит ли она из физических объектов, и какова их природа? Или теория Эйнштейна нуждается в модификации?

9. Если Вселенная – циклическая система, то какая сила обеспечит изменение направления движения галактик – с разбегания на сближение?

10. Второй закон термодинамики гласит, что все процессы ведут к увеличению энтропии. Если Вселенная циклична, то как решить проблему непрерывного роста энтропии в такой системе? Ведь если какой-то параметр во Вселенной непрерывно растёт, то о какой цикличности можно говорить?

11. Является ли наша Вселенная единственной, или существует множество Вселенных, которое предполагается концепцией мультивселенной?

12. Является ли Вселенная преимущественно квантовым объектом, или же она главным образом подчиняется общей теории относительности Эйнштейна?

13. Нужна ли для понимания Вселенной квантовая теория гравитации? Возможно ли в принципе построение такой теории?

Это «чёртова дюжина» самых главных космологических вопросов, которые остаются нерешёнными. И пока они не решены, Черепахе придётся подпирать модель Вселенной.

Всегда находятся учёные, считающие, что именно они построили самую верную модель Вселенной, но при детальном и объективном рассмотрении всегда обнаруживается, что эти теории всё ещё покоятся на прочном панцире Черепахи, правда, названия у этого панциря могут быть самые разные.

Истина заключается в том, что мы не нашли окончательных ответов на главные вопросы: «Как была создана Вселенная?» и «Как она устроена?» Более того, чем больше мы узнаём о Вселенной, тем больше вопросов у нас возникает. Поэтому космология остаётся одной из самых интересных и увлекательных наук, а Гигантской Черепахе придётся ещё немного потерпеть несовершенство наших знаний о Вселенной.

– Ладно, потерплю ещё, – сказала гигантская Черепаха, выслушав эту тираду. – Но только недолго!

Галатея спросила Никки:

– А что такое «недолго» для существа с возрастом в шесть тысяч лет?

– Хороший вопрос, – задумчиво ответила Никки. – И что будет, если Гигантской Черепахе наконец надоест подпирать наши неуклюжие модели Вселенной?

Примечания для любопытных

Николай Коперник (1473–1543) – польский астроном, автор гелиоцентрической модели мира, сменившей старую геоцентрическую, в центре которой находилась Земля.

Иммануил Кант (1724–1804) – немецкий философ и астроном, который предположил нестационарность Вселенной, состоящей из огромного количества галактик, похожих на наш Млечный Путь.

Весто Слайфер (1875–1969) – американский астроном Лоуэлловской обсерватории, измеривший в 1907 году скорость движения галактики Туманность Андромеды, а в последующие годы – скорость десятков других галактик. Его работы стали основой современной наблюдательной космологии.

Генриетта Ливитт (1868–1921) – американский астроном Гарвардской обсерватории. В 1908 году показала, что у цефеид, нового класса переменных звёзд, период пульсаций связан с их светимостью. Эти звёзды позволили впервые измерить расстояния до других галактик.

Эдвин Хаббл (1889–1953) – американский астроном обсерватории Маунт-Вилсон. Измерил расстояние до Туманности Андромеды с помощью цефеид и показал, что скорость роста разбегания галактик растёт с увеличением расстояния до них (закон Хаббла).

Альберт Эйнштейн (1879–1954) – физик, нашедший уравнения современной теории гравитации, описывающей динамику Вселенной. Лауреат Нобелевской премии по физике (1921).

Александр Фридман (1888–1925) – физик и астроном, нашедший решения уравнения Эйнштейна, которые описывают нестационарную, в том числе и циклическую, Вселенную.

Жорж Леметр (1894–1966) – бельгийский астроном. Нашёл нестационарные решения уравнения Эйнштейна для Вселенной и выдвинул концепцию «атомного взрыва» огромного первичного атома, который и стал началом расширения Вселенной.

Ричард Толмен (1881–1948) – американский физик, автор известной книги «Относительность, термодинамика и космология» (1934), в которой обсуждаются изменения энтропии в циклической модели Вселенной.

Георгий Гамов (1904–1968) – физик и астроном, родившийся в России. Вместе с учениками выдвинул концепцию горячей циклической Вселенной и правильно предсказал наличие и уровень реликтового излучения.

Арно Пензиас (р. 1933) – американский астроном и сотрудник компании Белл, открывший реликтовое излучение в 1965 году и получивший за это Нобелевскую премию по физике за 1978 год.

Роберт Вильсон (р. 1936) – американский астроном и сотрудник компании Белл, открывший реликтовое излучение вместе с Пензиасом и разделивший с ним Нобелевскую премию (1978).

Роберт Дикке (1916–1997) – американский астроном и разработчик астрономических приборов. Член Национальной академии США.

Стивен Вайнберг (р. 1933) – американский физик и астроном. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1979 год за работы по объединению электромагнитного и слабого взаимодействия.

Карл Поппер (1902–1994) – философ и социолог. Родился в Австрии, работал в Новой Зеландии и Англии. Один из самых влиятельных философов науки в XX веке. Рыцарь, член Лондонского королевского общества.

Но есть ещё проблемы, о которых мы знаем так мало, что с трудом можем сформулировать нужные вопросы. Вот очень приблизительный их список: существуют ли другие вселенные? Будем ли мы когда-нибудь общаться с ними? Как изменится наше представление о Вселенной при обнаружении гравитонов? Когда мы вглядываемся во Вселенную, мы смотрим в наше прошлое, но наши „глаза“ слабы, и мы ещё не можем проникнуть взглядом на большие расстояния. Загадки края вселенной превосходят наше понимание. Как Колумбы или викинги, мы заглянули в новый мир и увидели, что он более загадочен и сложнее, чем мы себе представляли. Самые большие загадки Вселенной остаются нерешёнными. Они станут приключениями для учёных будущего. Мне это нравится».

Вера Рубин сказала, обращаясь к молодёжи: «Для тех из вас, кто хочет быть учёным, у меня есть один совет. Не сдавайтесь! Наука трудна и требовательна, но каждый из вас должен верить в то, что вы можете добиться успеха. Сегодня может показаться невероятным, но среди вас нет никого, кто не мог бы внести важный, значительный вклад в мир науки. Наука ревнива, агрессивна, требовательна. Но она также великолепна, вдохновляет и окрыляет. Каждый из вас может изменить мир, потому что вы состоите из звёздного вещества и связаны со Вселенной».

Примечания для любопытных

Фриц Цвикки (1898–1974) – знаменитый швейцарский астроном, родившийся в Варне (Болгария) и почти всю жизнь проработавший в Калифорнии (США). Атеист. Открыл тёмную материю в скоплениях галактик, ввёл вместе с В. Бааде понятие «сверхновой», как взрыва, который превращает обычную звезду в нейтронную. Предсказал гравитационное линзирование галактик друг на друге. Получил в 1949 году за работы в области разработки реактивных двигателей Президентскую модель свободы от американского президента Трумэна. В 1972 году получил золотую медаль Королевского астрономического общества за выдающийся вклад в астрономию и космологию. В честь Цвикки назван астероид номер 1803 и лунный кратер размером в 150 км.

Калифорнийский технологический институт – знаменитый университет в Южной Калифорнии, основанный на частные пожертвования в 1891 году. В его состав входит Паломарская обсерватория, обладающая пятиметровым телескопом, и Лаборатория реактивного движения, которая работает на НАСА. В Калтехе учится всего 2200 студентов и аспирантов. Выпускники и сотрудники Калтеха получили тридцать семь Нобелевских премий.

Вальтер Бааде (1893–1960) – известный немецкий астроном, работавший в 1931–1959 годах в США. Вместе с Ф. Цвикки определил сверхновые звёзды как новую категорию астрономических объектов и предсказал появление нейтронных звёзд на месте взрыва сверхновых. Открыл десять астероидов. Астероид номер 1501 и лунный кратер названы в честь Бааде.

Вольфганг Паули (1900–1958) – физик-теоретик, один из основателей квантовой теории. Лауреат Нобелевской премии по физике (1945).

Кип Торн (р. 1940) – известный американский физик-гравитационист, соавтор классической монографии по теории Эйнштейна и космологии. Один из лидеров проекта ЛИГО, в результате которого открыты гравитационные волны. Лауреат премий Грубера, Шау, Харвея и Кавли (2016). Лауреат Нобелевской премии (2017).

Джоселин Белл (р. 1943) – знаменитая британская женщина-астроном, открывшая в 1967 году пульсары, будучи юной аспиранткой. Не получила за это открытие Нобелевской премии, хотя её научный руководитель получил. Награждена Королевской медалью (2015 год) и другими научными наградами.

Вера Рубин (1928–2016) – знаменитая американская женщина-астроном, которая открыла, что звёзды в галактиках, включая Млечный Путь, движутся быстрее, чем позволяет притяжение видимой материи, – так, словно в галактиках содержится большое количество невидимого вещества. В начале XXI века на эту тему публиковалось полторы тысячи научных статей в год. Вера Рубин получила за свои работы множество наград, включая золотую медаль Королевского астрономического общества (1996) и премию Грубера по космологии (2002).

Закон Кеплера – закон, сформулированный Иоганном Кеплером (1571–1630), согласно которому, скорость обращения планет падает с ростом расстояния от Солнца. Увеличение расстояния в четыре раза вызывает уменьшение скорости обращения в два раза.

– Какая дружба! – снова не удержалась от комментария Галатея.

– Как и лептонов, кварков тоже шесть плюс столько же антикварков. Шесть кварков называют так: «нижний», «верхний», «прелестный», «очарованный», «странный» и «истинный». Самый лёгкий – «верхний кварк», всего лишь в несколько раз превосходит электрон по массе, зато самый тяжёлый – «истинный кварк» – в сотни тысяч раз тяжелее электрона.

– «Истинный» и «очарованный»! – восхищённо повторила Галатея. – Я уверена, что состою только из самых прелестных кварков!

– Соединения кварков называются адронами. Адронов очень много, но самые известные из них – протон и нейтрон, каждый из которых состоит из трёх кварков. Мезоны – это тоже адроны, возникшие при соединении двух кварков, но могут существовать адроны из четырёх и пяти кварков. Если принять заряд электрона за единицу, то все кварки имеют электрические заряды 1/3 и 2/3, только разного знака. Так как в природе не наблюдается элементарных частиц с таким дробным зарядом, то кварки должны соединяться таким образом, чтобы итоговая частица имела целый заряд (как у электрона) или была нейтральна.

– Какая избирательная у них дружба… – задумалась Галатея. – Значит, два кварка с электрическим зарядом в 2/3 никогда не смогут соединиться? Как это грустно! Вдруг они нравятся друг другу?

– В многочисленных столкновениях частиц в ускорителях рождается множество новых частичек, и некоторые из них являются просто возбуждённым состоянием какого-нибудь адрона, например протона. Но какие бы экзотические частицы ни возникали, электрический заряд всегда сохраняется: суммарный заряд множества частиц, возникших при соударении, точно равен заряду частиц, которые столкнулись. Это правило называется законом сохранения электрического заряда. Кроме электрического заряда, кварки имеют такую характеристику, как «цвет» – «красный», «зелёный» и «синий», – и тоже подчиняются своеобразным законам сохранения: например, протоны и нейтроны – это бесцветные частицы, которые должны быть образованы кварками трёх разных цветов, которые в сумме дают белый цвет.

– Неправильно, я наверняка состою из цветных протонов, – хмыкнула Галатея.

– Очень интересным классом элементарных частиц оказались кванты поля. Один из них – фотон, отвечающий за электромагнитные взаимодействия, хорошо изучен. Но во Вселенной известно четыре фундаментальных взаимодействия. Учёные очень давно пытались объединить их. Например, Эйнштейн всю вторую половину своей жизни стремился слить гравитацию и электромагнитные взаимодействия в рамках единой теории, но ему это не удалось. А ведь он ещё не трогал ядерные и слабые взаимодействия! Современные физики пошли иным путём, отставив в сторону гравитацию и пытаясь объединить три других взаимодействия. Этот путь оказался успешнее: в 1967 году Стивену Вайнбергу, Шелдону Глэшоу и Абдус Саламу удалось объединить электрические и слабые взаимодействия. Эта теория получила общее признание, когда все элементарные частицы, предсказанные ею, были открыты. В 1973 году в единую теорию были включены сильные взаимодействия. Эта единая теория трёх фундаментальных взаимодействий и стала основой Стандартной теории, согласно которой переносчиками слабого взаимодействия стали бозоны трёх типов, а за сильное взаимодействие стали отвечать глюоны – восемь нейтральных частиц, не имеющих массы, что сближает их с фотонами.

– Значит, можно создать глюонный фонарик? – спросила Галатея.

Дзинтара задумалась:

– Ну, кварк-глюонные струи удается получить, но вот насчёт фонарика – не знаю…

– Итак, – сказал Андрей, – у нас есть следующее число «атомов» Демокрита: двенадцать лептонов, двенадцать кварков и двенадцать квантов?

– Нет, добавь сюда ещё и бозон Хиггса, тяжёлую частицу, которая играет важную роль в образовании частиц, в частности отвечает за появление массы у бозонов. Хиггс придумал поле, которое действует на бозоны, как вода на плавающие на ней пушинки одуванчика: без воды невесомые пушинки беззаботно летят в любом направлении, а при взаимодействии с водой становятся медленными, инертными. А бозон Хиггса – это волна на поверхности поля Хиггса. Его масса была вычислена из сложных уравнений, и именно такая частица была найдена в 2012 году при экспериментах на Большом Адронном Коллайдере. Это стало завершающим штрихом в подтверждении Стандартной теории. Она доказала, что в мире существует Квантовая Лестница, которая описывает три уровня энергии: атомный, ядерный и кварковый.

– Что это за лестница? – полюбопытствовала Галатея.

– Вы знаете про квантовые уровни в атоме – они дают разный цвет фотонам, вылетающим из атома, и связаны с перестройкой его электронных оболочек.

Внутри ядра атома тоже есть своя структура квантовых уровней, которые экспериментаторы изучают по дискретной энергии вылетающих из ядра электронов при ядерных превращениях.

Оказалось, что в таких элементарных частицах, как протоны и нейтроны, тоже существуют квантовые уровни, которые видны по энергиям вылетающих оттуда мезонов.

– Ух ты, действительно, лестница, идущая внутрь вещества, – поняла Галатея.

– Давно было известно, что химические связи между атомами и молекулами оказываются остаточным явлением от электромагнитного взаимодействия электронов и атомного ядра. Сейчас стало понятно, что ядерные силы между нуклонами ядра, связанные с обменом пи-мезонами, являются слабым отголоском могучих сил, которые удерживают кварки внутри каждого нуклона и не дают им вылетать наружу.

– Ой, какая сложная сказка получается! – пожаловалась Галатея. – А ведь обещали историю про самые простые частицы нашего мира.

– Да, но никто не обещал, что это будет простая история. И в ней ещё масса нерешённых проблем. Насколько полна Стандартная теория? Да, она не включает в себя гравитационное взаимодействие. Но недостаток ли это? Есть ли у гравитационного взаимодействия свой квант – гравитон? Неизвестно. Многие уверены, что есть. Так же был уверен и Менделеев, который оставлял в своей таблице место для элемента эфира – среды, в которой распространяется свет. Как потом выяснилось, никакого эфира нет, а электромагнитные волны прекрасно распространяются в вакууме. Есть и другое мнение – что гравитационное поле – особенное. Оно не квантовое, но создается коллективным действием обычных квантовых полей.

Есть ли ещё более фундаментальная теория всего, которая объединяет и элементарные частицы, и гравитационное поле и делает это на более простой основе, чем Стандартная теория?

Когда было завершено построение Стандартной модели, объяснившей все известные элементарные частицы и правильно предсказавшей серию новых частичек и бозон Хиггса, то огромное количество теоретиков в области элементарных частиц оказалось на перепутье: что делать дальше? Часть квантовых теоретиков прорвалась вслед за Гусом в космологию, породив там обширное поле теории инфляции, где растёт множество экзотических цветов. Значительная часть квантовых физиков решила остаться в долине элементарных частиц и строить новую теорию элементарных частиц и квантовых полей, которая включала бы и гравитацию.

Если обычная квантовая механика рассматривает элементарную частицу как точечный объект с некоторыми свойствами, то теория струн рассматривает такие частицы как очень маленькие струны, которые могут колебаться, возбуждаться, объединяться и т. д. Это позволяет избежать проблемы перенормировки, свойственной точечным квантовым объектам…

– Что это за проблема пере…сортировки? – полюбопытствовала Галатея.

– Если представить электрон заряженным точечным объектом и попробовать вычислить энергию электрического поля, которое его окружает, то мы получим бесконечность – ведь напряжённость электрического поля обратно пропорциональна радиусу и стремится в бесконечность при уменьшении радиуса до нуля. Теоретикам удалось с помощью хитрых способов вычитания бесконечности из бесконечности получить правильные результаты, которые совпадают с экспериментом. Это хитрое вычитание называется перенормировкой, но физический смысл этой процедуры непонятен, как и непонятно, как быть с бесконечной энергией электрона? Видимо, где-то устремление радиуса электрона к нулю нужно останавливать, но где? Ричард Фейнман занимался этой проблемой.

Дух Фейнмана вступил в разговор:

– Швингер, Томонага и я независимо друг от друга придумали уловку, как проводить конкретные расчёты в случаях, когда получаются бесконечности. Мы получили за это Нобелевскую премию. Наконец-то люди смогли вычислять при помощи квантовой электродинамики!

– Что за уловка? – поинтересовался Андрей.

– Эта уловка имеет специальное название – «перенормировка». Но каким бы умным ни было это слово, я бы назвал её дурацким приёмом! Необходимость прибегнуть к такому фокусу-покусу не позволила нам доказать математическую согласованность квантовой электродинамики. Я подозреваю, что перенормировка математически незаконна. Будущим физикам ещё предстоит разобраться в этой интригующей проблеме. Природа преподносит нам такие чудесные загадки! Почему она повторяет электрон частицами, массы которых в 206 и 3640 раз больше? Тайны, вроде этих повторяющихся циклов свойств частиц, делают работу физика-теоретика очень интересной. Я считаю совершенно неудовлетворительным, что не существует теории, адекватно объясняющей массы наблюдаемых частиц. Мы пользуемся этими числами во всех наших теориях, но не понимаем их: что они собой представляют или откуда они берутся. Я считаю, что с фундаментальной точки зрения это очень интересная и важная проблема.

Дзинтара сказала:

– Спасибо, мистер Фейнман, нам пора двигаться дальше.

Дух Фейнмана буркнул:

– Я профессор, а это означает, что я не способен вовремя остановиться.

Дзинтара улыбнулась.

– Теория струн, обойдя проблему перенормировки, породила другие теоретические проблемы, например многомерность мира: теоретически приемлемую теорию струн удаётся сформулировать, только если принять, что наше пространство имеет десять или двадцать шесть размерностей, большая часть из которых свернута в компактное, практически незаметное для нас состояние. Здесь возникает такое разнообразие решений, что математик Питер Войт считает, будто теория струн уже не является научной теорией. Её можно назвать математической моделью, которая не отражает физическую реальность и потому не может претендовать на научное описание этой реальности.

Главная проблема теории струн – её оторванность от эксперимента. Фактов, которые бы не могла объяснить Стандартная теория и которые бы требовали объяснения в рамках более общей теории, чрезвычайно мало, или, как полагают многие, их вообще нет. Одна из проблем Стандартной теории – она не предсказывает массу нейтрино, которая у них, видимо, есть. Например, часть теоретиков считает, что Стандартная теория неполна, потому что не включает частицы, образовавшие тёмную материю космоса. Но совсем не обязательно, что тёмная материя состоит из элементарных частиц – другие исследователи полагают, что она состоит из таких макрообъектов, как чёрные дыры.

Отсутствие связи с реальностью породило своеобразные социологические проблемы в теории струн. В условиях слабости экспериментальной базы теоретиков стали судить не по созданию теории, которая бы подтверждалась наблюдениями, а по количеству статей и их цитируемости. А в оценке самих теорий стали участвовать такие факторы, как мода, престиж и вероятность карьерного роста.

В первой трети XX века теоретиков в мире было гораздо меньше, чем сейчас, но они совершили научную революцию, создав атомную теорию и ядерную физику, специальную теорию относительности и современную теорию гравитации, квантовую механику и космологию. Современных теоретиков раз в сто больше, но список их научных достижений, полученных за аналогичный период конца XX и начала XXI века, гораздо скромнее – имеются в виду реальные достижения, а не количество публикуемых статей и индексы цитируемости. Ли Смолин, известный теоретик, пишет в своей книге «Проблемы с физикой», вышедшей в 2006 году: «Почему, несмотря на такие усилия тысяч самых талантливых и хорошо подготовленных учёных, так мало сделано в фундаментальной физике за последние двадцать пять лет?»

Математик Питер Войт, выпускник Гарварда, который получил докторскую степень в Принстонском университете и ныне преподаёт в Колумбийском, написал книгу «Даже не неправильно» с критическим взглядом на господствующую в фундаментальной физике теорию струн.

– Даже не неправильно? – удивилась Галатея замысловатой фразе.

– Физики делят теории на правильные, которые можно подтвердить экспериментом, и неправильные, которые можно опровергнуть. Но Вольфганг Паули ввел новую категорию теорий: «даже не неправильные» – для теорий, которые нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть каким-либо способом. Войт предложил свой труд издательству Кембриджского университета. Вскоре ему показали анонимный отзыв на книгу одного из струнных теоретиков. Войт пишет в своей книге, которая была опубликована в 2006 году, но в другом издательстве: «Прежде чем я увидел этот отзыв, я слегка беспокоился о некоторых вещах, которые написал, чувствуя, что слишком близко подошёл к обвинению струнных теоретиков в интеллектуальной нечестности. Увидев этот отзыв, я перестал беспокоиться об этом. Очевидно, что уровень такой нечестности и нежелание многих теоретиков струн признать проблемы своего предмета далеко превзошли мои первоначальные ожидания».

Сабина Хоссенфелдер из Франкфуртского института передовых исследований, работающая в области физики элементарных частиц и квантовой гравитации, в апреле 2017 года опубликовала в журнале «Nature» комментарий, заголовок которого можно перевести так: «Наука должна заслужить доверие». Комментарий начинается так: «Я теоретик в физике элементарных частиц, и я сомневаюсь в теоретической физике элементарных частиц… Я боюсь, что публика имеет веские причины не доверять учёным, и – печально, но правда – мне тоже всё сложнее им доверять». Она называет это кризисом фундаментальной науки, потому что «мы создаём гигантское количество новых теорий, и ни одна из них никогда не была подтверждена экспериментально». Она приводит уже ставший знаменитым пример: в декабре 2015 года группа учёных, работавшая на Большом Адронном Коллайдере, сообщила о признаке существования новой частицы, которая не укладывалась в Стандартную теорию элементарных частиц. Результат имел невысокую статистическую достоверность, и в августе 2016 года эта же группа сделала вывод, что никакой новой частицы нет – приборы просто показали статистическую флуктуацию. Но для объяснения существования этой несуществующей частицы теоретиками за восемь месяцев было опубликовано 600 научных статей, включая публикации в самых престижных физических журналах. Как отметила Сабина Хоссенфелдер, ни одна из этих теоретических публикаций «не описывала реальность».

Сабина подчеркнула, что такая же ситуация складывается в астрофизике, где существуют проблемы космологической постоянной и тёмной материи, а также в теории инфляции. «Теоретики вводят одно или несколько новых полей и потенциалов, которые управляют динамикой Вселенной… Существующие наблюдательные данные не позволяют сделать выбор между моделями. И если даже обнаруживаются новые данные, всё ещё остаётся бесконечно много моделей, о которых можно писать статьи. По моим оценкам, сейчас в литературе описано несколько сот таких моделей. Для каждого выбора инфляционных полей и потенциалов можно вычислять наблюдаемые величины и затем двигаться к следующим полям и потенциалам. Вероятность того, что любая из этих моделей описывает реальность, бесконечно мала – это рулетка на бесконечно большом столе. Но согласно существующим критериям качества, это первоклассная наука. Такой же поведенческий синдром возник в астрофизике, где теоретики придумывают поля для объяснения космологической постоянной… и предлагают всё более сложные „невидимые сорта“ частиц, которые – может да, а может нет – составляют тёмную материю».

Сабина пишет: «Нетрудно понять, как мы попали в такую ситуацию. Нас судят по количеству публикаций… и более строгие критерии качества для новых теорий обрежут нашу продуктивность. Но „давление публикаций“ поощряет к количеству в ущерб качеству, о чём уже неоднократно говорилось раньше…»

Никки, внимательно слушавшая эту совсем не сказочную историю, кивнула головой:

– Научное бесплодие в фундаментальной науке обычно связано с потерей независимости учёных. Молодой выпускник университета, чтобы выжить в гуще конкурентов, примыкает к самой популярной теории и старается дружить со всеми, особенно вышестоящими мэтрами, потому что именно от них зависит его будущая карьера, публикации и гранты. Такой теоретик пороха не выдумает по определению, потому что тот взорвёт все с таким трудом установленные связи и вызовет ненависть к своему изобретателю.

Дзинтара вздохнула:

– В книге Питера Войта в адрес тесного круга учёных вокруг лидирующей теории, которые вытесняют из науки всех несогласных, использован термин «мафия»; в книге Ли Смолина этот же феномен называется деликатно «социологические проблемы в науке».

Никки усмехнулась:

– Как терминами ни жонглируй, очевидно, что фундаментальная наука без фундаментальной свободы обречена на пробуксовку. Кроме того, удивительно субъективной остаётся такая важная вещь, как оценка новой теории. Я думаю, что можно ввести надёжный параметр научности и перспективности новой физической теории. Например, вычислить отношение наблюдаемых феноменов, предсказанных данной теорией, к числу сильных физических предположений теории. Естественно, так можно проверять лишь теории физических явлений. Математические теории, не имеющие отношения к реальному миру, в принципе нельзя проверить экспериментом.

Дзинтара заинтересованно спросила:

– А можно пример оценки физических теорий?

– Теория гравитации Эйнштейна сделала одно существенное предположение: гравитация – это искривлённое пространство-время. На основе этого предположения удалось объяснить не только весь спектр ньютоновских явлений – ведь способность объяснить эмпирический базис старой теории является обязательным условием любой новой физической теории, – но и аномальную прецессию орбиты Меркурия, отклонение света звезды возле Солнца, замедление времени в гравитационном поле Земли, а также существование чёрных дыр и гравитационных волн. То есть параметр научной надёжности для теории Эйнштейна – пять. По этому параметру теория струн или инфляционная теория имеют уровень надёжности гораздо меньший. А если теория имеет параметр научной надёжности, равный единице и меньше, то эта теория ещё не стала физической теорией, а находится в статусе недоказанных гипотез или просто математических построений, не претендующих на объяснения реальности. Этот параметр оценки теорий близок к известному отношению «цена-качество» для оценки любого изделия. А чем является фундаментальная теория, как не изделием человеческого разума?

Дзинтара сказала:

– Как бы ни были велики успехи фундаментальной физики за прошедшие сто лет, вопросов, на которые мы ещё не знаем ответа, остается всё равно множество. Вот «чёртова дюжина» самых главных вопросов, которые остаются нерешёнными в фундаментальной физике и физике элементарных частиц:

1. Стандартная модель опирается на девятнадцать числовых параметров, например шесть масс лептонов, шесть масс кварков, массу бозона Хиггса и три константы, характеризующие интенсивность электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия. Можно ли построить более простую модель? Связаны ли между собой лептоны и кварки?

2. Из чего состоят кварки? Откуда берётся такой разброс в массах кварков?

3. Почему кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии?

4. Есть ли другие ступени у Квантовой Лестницы? Может быть, ступени этой Квантовой Лестницы уходят в бесконечную глубь, по которой предстоит идти вечно? Но даже если этот увлекательный путь существует, насколько он практически полезен? Не станет ли он лишь интеллектуальным удовольствием без какой-либо связи с реальностью?

5. Как решить застарелые проблемы квантовой расходимости, связанные с предполагаемой точечностью электрона и других элементарных частиц?

6. Есть теории, которые предсказывают существование магнитных монополей – частиц, которые несут в себе отрицательный или положительный магнитный заряд, так же как электроны и позитроны обладают отрицательным и положительным электрическим зарядом. Но пока никто не открыл магнитных монополей. Есть ли они?

7. Есть теории, которые предсказывают распад протонов за времена, превосходящие длительность жизни Вселенной, но пока никто не наблюдал такой распад протона в окружающем нас мире, полном протонов. Реален ли этот эффект?

8. Что определило наблюдаемые величины фундаментальных констант нашего мира – гравитационной постоянной, скорости света, постоянной Планка, заряда электрона? Физик Эддингтон попытался найти алгебраическое уравнение, числовые решения которого дали бы мировые константы. Многие считают, что вселенных с разными величинами констант много, и мы живём в такой, где константы благоприятствуют возникновению звёзд, планет и разумной жизни, иначе некому было бы задаваться такими вопросами. Так ли это?

9. Один из фундаментальных вопросов, на который современная физика не знает ответа: почему тела гравитируют, или, вернее, искривляют вокруг себя пространство? Откуда пространство на миллиарды километров вокруг звезды знает, что ему нужно искривиться; как звезда или элементарные частицы, из которых она состоит, сообщают ему об этом?

10. Многие полагают, что существует квантовая теория гравитации, которая является аналогом квантовой электродинамики, только вместо фотона там живёт и работает гравитон – элементарная частица гравитационного поля. Другие считают гравитационное поле особенным: не квантовым, но возникшим при каком-то загадочном действии других квантовых полей, описанных в Стандартной теории. Кто прав? А может, существует какой-то третий вариант?

11. В общей теории относительности есть туманное место о законе сохранения энергии, дискуссии о котором затруднительны, потому что закон сохранения энергии канонизирован, и покушаться на него могут только еретики. Может, пора обсудить это место в теории Эйнштейна без запаха костров инквизиции?

12. Есть теории, которые предсказывают пространственно-временные червоточины. На них возлагаются надежды тех, кто мечтает о межзвёздных путешествиях. Насколько реальны такие червоточины и такие надежды?

13. Проблема физики внутри чёрных дыр: что там происходит? Насколько отличается физика мира внутри чёрной дыры и снаружи?

Никки подумала и добавила вопрос от себя:

– Математических теорий много, а физический мир – один. Вопрос не в математической корректности теории, вопрос в том, насколько данная теория правильно отражает мир. Где математика, а где реальность? Это главный вопрос, который стоит перед физикой фундаментальных взаимодействий.

– Ничего себе, – сказала Галатея. – Непростая сказочка получилась!

Примечания для любопытных

Демокрит (460–370 гг. до н. э.) – древнегреческий философ, выдвинувший вместе со своим учителем Левкиппом концепцию атомизма.

Дж. Дж. Томсон (1856–1940) – британский физик, директор знаменитой Кавендишской лаборатории. Открыватель элементарной частицы электрона (1897). Лауреат Нобелевской премии (1906).

Эрнст Резерфорд (1871–1937) – британский физик из Новой Зеландии, создатель планетарной теории атома, открыватель атомного ядра и протона. Лауреат Нобелевской премии 1908 года.

Джеймс Чедвик (1891–1974) – британский физик, ученик Резерфорда, открывший в 1932 году нейтрон. Лауреат Нобелевской премии (1935).

Хидэки Юкава (1907–1981) – японский физик, разработавший теорию ядерных сил. Лауреат Нобелевской премии (1949).

Исидор Раби (1898–1988) – американский физик. Лауреат Нобелевской премии (1944) за работы в области атомного ядра. Учитель Швингера.

Марри Гелл-Манн (р. 1929) – американский физик. Лауреат Нобелевской премии (1969) за классификацию элементарных частиц.

Питер Хиггс (р. 1929) – шотландский физик. Лауреат Нобелевской премии (2013) за предсказание бозона Хиггса и вклад в создание Стандартной теории элементарных частиц.

Франсуа Энглерт (р. 1932) – бельгийский физик, получивший в 2013 году Нобелевскую премию вместе с П. Хиггсом за работы в области теории элементарных частиц.

Леон Ледерман (р. 1922) – американский физик. Лауреат Нобелевской премии за 1988 год за открытие мюонного нейтрино.

Абдус Салам (1926–1996) – пакистанский физик, разделивший с Вайнбергом и Глэшоу Нобелевскую премию за работы по электрослабому взаимодействию.

Шелдон Глэшоу (р. 1932) – американский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1979 год за единую теорию электрослабых сил.

Ричард Фейнман (1918–1988) – американский физик, автор известного курса общей физики. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1965 год за фундаментальные работы в области квантовой электродинамики, в том числе и за теорию перенормировки.

Синъитиро Томонага (1906–1979) – японский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1965 год за фундаментальные работы в области квантовой электродинамики и физики элементарных частиц (вместе с Фейнманом и Швингером).

Джулиан Швингер (1918–1994) – американский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1965 год за фундаментальные работы в области квантовой электродинамики.

– На песке? – спросила Галатея. – Как долго сохранится эта надпись?

– Миллионы лет, если не вмешается случайный метеорит, – сказала Дзинтара. – На Луне нет ветра или дождя, которые могли бы уничтожить рыхлые буквы.

– Здорово! – сказала Галатея. – Надпись на лунном песке прочнее земных пирамид.

– Астронавты вернулись в кабину, когда в скафандрах оставалось кислорода всего на несколько минут. Проведя на Луне трое суток и три часа, Сернан и Шмитт взлетели, увозя с собой более 110 килограммов лунных образцов, которые они собрали за время пребывания на Луне, включая 22 часа езды на лунном электромобиле. Когда они пристыковались к орбитальному модулю, где их ждал Эванс, тот первым делом передал друзьям в открывшийся люк пылесос, чтобы они могли почиститься от лунной пыли. 19 декабря 1972 года аппарат с тремя астронавтами финальной лунной экспедиции приводнился в Тихом океане.

Шмитт и Сернан оказались последними людьми, кто побывал на Луне в XX веке. Джек Шмитт стал первым учёным, посетившим другое космическое тело, и первым геологом, который лично исследовал и Землю, и Луну. Благодаря усилиям Шмитта экспедиция «Аполлон-17» стала самой успешной по геологическим результатам. В частности, один из образцов, привезённый Шмиттом, подтвердил, что Луна раньше обладала заметным магнитным полем.

Через три недели после возвращения на Землю последнего экипажа «Аполлона» к Луне стартовала советская «Луна-21». Она доставила на Луну второй «Луноход», который до июня 1973 года прошёл рекордные 39 километров по лунной поверхности.

Лунная гонка выдыхалась. Она закончилась формальной победой США, которые высадили на Луну двенадцать астронавтов, но, с точки зрения полезности разрабатываемых технологий, советская лунная программа оказалась не менее перспективной. Мировые планетологические программы в последующие десятки лет двинулись именно по пути создания роботов и самоходных аппаратов для исследования поверхностей других планет, а также возвращения образцов инопланетного грунта с помощью автоматических станций. Пилотируемые экспедиции к другим планетам оказались хороши для престижа, но слишком дороги и опасны для систематических исследований. Поэтому в начале XXI века Китай посылает на Луну, а США на Марс не астронавтов, а самоходных роботов, похожих на советские «Луноходы».

Научный анализ привезённых «Аполлонами» трёхсот шестидесяти килограммов грунта из шести областей Луны очень много дал науке. Даже десятки лет спустя исследование этих лунных образцов улучшенными методами анализа даёт всё новые и новые результаты. Например, было доказано, что лунные горы обеднены металлами, как и земная кора. Это стало рассматриваться как довод в пользу «мегаимпактного» образования Луны из поверхностных слоёв Земли, вырванных мощным ударом другой планеты.

Но и триста с лишним граммов лунного грунта из трёх точек Луны, герметически упакованного и привезённого советскими станциями, внесли свой важный вклад в науку о Луне. Дело в том, что из-за вездесущей лунной пыли, повредившей уплотнитель на крышках, все контейнеры с геологическими образцами экспедиции «Аполлон» оказались разгерметизированными, а железные включения в привезённом лунном грунте покрылись свежей ржавчиной, как это бывает с метеоритами, залетающими из космоса в земную атмосферу.

– Постой, мама, – воскликнул Андрей. – Но ведь на Луну за три с лишним года высадились шесть экспедиций. Почему, когда первые образцы оказались разгерметизированными, не было создано более качественных контейнеров? Потратить сто миллиардов на пилотируемую программу и не суметь привезти на Землю образцы в герметичных ящиках?

– Ты задаешь отличные вопросы, сын, но я не знаю на них ответа, – сказала Дзинтара. – Зато 22 августа 1976 года «Луна-24» привезла третий образец герметично запакованного лунного грунта весом в 170 граммов, взятого бурением с глубины двух метров. При изучении этого образца советские исследователи М. Ахманова, Б. Дементьев и М. Марков открыли наличие в лунном грунте воды в количестве 0,1 %. Это было грандиозное открытие, которое долгое время оставалось незамеченным мировой наукой. Все остальные исследователи были уверены, что Луна совершенно суха и воды в ней меньше одной миллиардной доли, тем более что высохшие русла, найденные на лунной поверхности, как оказалось, были образованы потоками лавы. Согласно господствующей теории мегаимпакта, Луна прошла стадию раскалённого состояния, в котором ни одна капля воды выжить не может.

При исследовании американских образцов грунта вода тоже была обнаружена, но тогда сочли, что это – результат негерметичности хранения образцов.

Кто же прав в вопросе лунной воды – американские или советские исследователи? Ответа долгое время не было, потому что после 1976 года все лунные исследования были прекращены почти на пятнадцать лет. Но в 1990-х годах США вывели на орбиту вокруг Луны аппараты, локаторы которых нашли признаки воды в лунном грунте. В 2008 году Индия запустила к Луне ракету, которая разделилась на ударную часть и наблюдательный модуль. Ударник врезался в планету 14 ноября 2008 года, образовав кратер и выбросив высоко над поверхностью Луны облако пыли и испарившегося грунта. Несколько минут спустя в это облако влетел наблюдательный модуль и нашёл там несомненные признаки воды.

США провели аналогичный эксперимент 9 октября 2009 года, выбрав в качестве цели лунный район, который, по данным орбитальных аппаратов, был наи более «влажным». Аппарат «Кентавр» весом более двух тонн врезался в Луну, выбросив вверх 350 тонн лунной породы и образовав кратер диаметром в двадцать метров и глубиной в четыре метра. Проанализировав выброшенное облако газов, американский аппарат-наблюдатель, летящий следом за «Кентавром» с отставанием на четыре минуты, обнаружил, что в данном районе Луны в грунте содержится до нескольких процентов воды, окончательно доказав, что Луна – вовсе не высохший до предела мир, и что будущие лунные поселенцы смогут добывать воду из грунта.

Множество задач стоит перед будущими исследователями Луны и других планет и тел Солнечной системы. Теоретики должны понять, например, как образовалась эта странная космическая пара – Земля и Луна? Последние модели теории «мегаимпакта» пришли к выводу, что Луна возникла, собственно, не из верхних слоёв Земли, а из обломков Теи – гипотетической планеты, налетевшей на Землю. Но тут своё веское слово сказали космохимики, которые проанализировали изотопный состав лунного грунта и сравнили его с земными породами. Оказалось, что по концентрации изотопов, которая сильно зависит от условий и места формирования планеты, Луна и Земля – изотопные близнецы. Значит, никакой Теи не было? Появилась теория мультимпакта или множественных ударов, которые породили вокруг Земли диск из выброшенных с земной поверхности обломков. Луна образовалась из этого диска, став изотопным близнецом Земли. Она сформировалась совсем рядом с Землёй, на расстоянии десятков тысяч километров…

– Луна была в десять раз ближе, чем сейчас? – удивился Андрей. – Она, наверное, казалась огромной на тогдашнем небе!

– Так и было, – подтвердила Дзинтара. – Из-за приливного взаимодействия с Землёй Луна отодвинулась от Земли на нынешнее расстояние и до сих пор отползает от нашей планеты на четыре сантиметра в год. Она прекратит удаляться, когда суточное вращение Земли замедлится настолько, что Земля окажется повернута к Луне одной стороной – так сейчас Луна повернута к Земле.

– Значит, они будут смотреть друг на друга, не отрываясь? – пошутила Галатея. Дзинтара кивнула и продолжила перечислять проблемы, стоящие перед планетологами:

– Как образовались другие спутники Солнечной системы? Например, обратный по орбитальному вращению, огромный спутник Нептуна Тритон, на котором есть гейзеры из жидкого азота? Как возникли группы нерегулярных спутников, которые кружатся вокруг планет-гигантов по самым причудливым орбитам? Как появились спутники у астероидов? Как возникли кометы и главный пояс астероидов, а также пояс гигантских ледяных тел, располагающийся за Нептуном?

В середине XX века человечество знало за Нептуном только Плутон. Но он оказался лишь одним из крупнейших тел этого пояса. Поэтому астрономы голосованием лишили Плутон статуса настоящей планеты. И многие вскоре пожалели об этом, потому что первый космический аппарат, который приблизился к Плутону, открыл на нём разнообразнейшие геологические структуры: горы до пяти километров из прочного водяного льда и узорчатые равнины, покрытые холмами из текучего азотного льда. Этот лёд течёт со скоростью нескольких сантиметров в год и передвигает на себе водные айсберги.

Плутон окружён преимущественно азотной атмосферой с лёгкой дымкой, высота которой достигает 200 километров над поверхностью. Вокруг Плутона вращается пять спутников, так что система Плутона по геологическому богатству и динамическому разнообразию не уступает более крупным планетам.

Есть ли (или была ли?) жизнь на Марсе или в подлёдном тёплом океане юпитерианского спутника Европы? Как выглядит вблизи метановый океан на поверхности Титана, спутника Сатурна? Как возникли кольца Сатурна, Урана и Юпитера, а также недавно найденные кольца вокруг некоторых астероидов?

Но самыми сложными являются практические задачи выживания человечества в Солнечной системе и её освоение. Сумеют ли лунные поселения стать экономически независимыми и быстро развивающимися? Смогут ли марсианские купола обеспечивать себя продовольствием? Отправятся ли когда-нибудь земные корабли в плавание по рекам и озёрам Титана? Появится ли в атмосфере Венеры огромный обитаемый дирижабль? Станет ли астероид Церера с её запасами подземного льда обитаемым миром? Как будет развиваться космическая геология и добыча полезных ископаемых в поясе астероидов? Смогут ли ракеты создаваться в космосе из металла, добываемого тут же, на астероидах?

Один из крупнейших астероидов – Психея 16 – по современным представлениям является полностью металлическим телом, состоящим из железа и никеля. Стоимость такого количества металла на земном рынке превосходит всякое воображение. Астероиды могут служить источником не только обычных железа и никеля, но и золота, платины, иридия и других ценных металлов. Десятиметровый астероид, состоящий из платины, стоит на Земле миллиарды долларов. Поэтому в начале XXI века стали появляться многочисленные компании, которые собираются заняться космической геологией и добычей полезных ископаемых на астероидах.

Удивительные материки и экзотические океаны, гейзеры и вулканы, инопланетные небеса с десятками лун и диковинными облаками ждут своих исследователей. Если создать космический корабль, который сможет достаточно долго двигаться с ускорением, при котором вес космонавта будет равен земному, то перелёты внутри Солнечной системы станут занимать считаные дни. И тогда настанет эпоха грандиозных космических открытий внутри Солнечной системы и время освоения её просторов и богатств.

Следующие слова первого космического геолога Джека Шмитта, сказанные им в одном из интервью, прямо адресованы молодежи, будущим исследователям космоса: «Мы исследовали лишь очень маленькую часть Луны. Обратную сторону Луны мы вообще не затронули! Исследование Марса станет потрясающе интересным».

– Мы непременно займёмся исследованием Марса. Мы изучим весь миллион других планет! – пообещала Галатея. – И нашими именами назовут материки и океаны!

Примечания для любопытных

Нил Армстронг (1930–2012) – первый астронавт, высадившийся на Луне в 1969 году в ходе американской экспедиции «Аполлон-11».

Базз Олдрин (р. 1930) – американский астронавт, высадившийся на Луне в 1969 году вместе с Армстронгом.

Роналд Эванс (1933–1990) – американский астронавт, участник последней лунной экспедиции программы США «Аполлон-17».

Юджин Сернан (1934–2017) – американский астронавт, участник последней лунной экспедиции программы США «Аполлон-17». Совершил высадку на Луну в декабре 1972 года.

Харрисон (Джек) Шмитт (р. 1935) – американский астронавт-геолог, побывавший на Луне в декабре 1972 года в ходе экспедиции «Аполлон-17».

– В 1866 году пятнадцатилетний мальчик Эразмус Якоб нашёл на берегу южноафриканской реки прозрачный камушек, который оказался алмазом весом более четырёх граммов. Так началась знаменитая «алмазная лихорадка». В 1871 году богатое месторождение алмазов, расположенное в жерле старого вулкана, было обнаружено на ферме братьев Де Бирс. Британское правительство заставило братьев задёшево продать свою землю, и в 1872 году на раскопке алмазоносной трубки трудилось уже пятьдесят тысяч человек, которые и основали город, названный Кимберли, в честь тогдашнего британского министра по делам заморских территорий лорда Кимберли.

– Подхалимы, – сказала непосредственная Галатея.

– Землекопы-алмазодобытчики выкопали кирками и лопатами яму шириной почти в полкилометра и глубиной в 240 метров, которая стала известна как кимберлитовая трубка, или в просторечье «Большая Дыра».

– Глубиной в 240 метров? – изумился Андрей. – Эйфелева башня в Париже имеет высоту около трёхсот метров.

– Да, добыча алмазов в XIX веке была трудной. Двадцать два миллиона тонн породы вытащили наружу землекопы из Большой Дыры, добыв при этом почти три тонны алмазов.

– Один грамм алмазов на семь или восемь тонн породы, – быстро подсчитал Андрей. – Неплохо.

– Большая Дыра стала одним из крупнейших карьеров, созданных ручным трудом. Выкопанный карьер стал осыпаться и заполняться водой, поэтому с 1914 года добычу алмазов в Кимберли стали вести с помощью шахт, которые дошли до глубины более километра. Африка стала известна как источник прекрасных драгоценных камней, которые добываются практически каторжным трудом. Вот так алмазы, порождения вулканов, повлияли на жизнь целых континентов.

Многие земные породы за время геологической эволюции претерпели значительные изменения, перейдя из осадочных или магматических в метаморфические породы.

– А что это за магматические породы? – спросила Галатея.

– Это те, которые возникли в результате вулканических извержений, например базальты. Базальт – самая распространённая магматическая порода на поверхности Земли и других планет. К магматическим породам относится и обсидиан, или вулканическое стекло. Древние люди широко использовали острые обломки обсидиана для стрел и охоты. В отличие от кристаллических минералов и пород, обсидиан – аморфный материал, то есть его молекулы не выстроены в правильную решетку, а расположены хаотически, в беспорядке.

– Магматические породы – это просто застывшая магма? – спросил Андрей.

– Да, под земной корой, начиная с глубины в несколько десятков километров, расположена земная мантия, которая занимает более 80 % объёма Земли. Жидкая часть мантии – это и есть магма, состоящая в основном из расплавленных силикатов. В раскалённой глубине Земли кипят атомы кислорода, кремния, кальция, магния, железа, алюминия, натрия и калия. Но магматические породы очень распространены и на поверхности Земли…

– Но почему? – удивилась Галатея. – Ведь вулканов довольно мало, они расположены всего в нескольких местах на Земле.

Дзинтара сказала:

– Из жерл вулканов вытекло гораздо больше магмы, чем ты думаешь. Сто миллионов лет назад Африка и Южная Америка были единым целым, как видно по очертаниям берегов и по сходству геологических пород на противоположных берегах Атлантического океана. Подземное течение поднимающейся магмы создало цепь вулканов между Африкой и Америкой. Эти вулканы извергали огромное количество жидкой лавы, которая растекалась в стороны, – и континенты стали медленно, со скоростью несколько сантиметров в год, расходиться. Там, где континенты сталкиваются, из складок геологических пород вырастают горы, например Гималаи, или край побеждённой литосферной плиты опускается под плиту-победитель, в глубины расплавленной магмы – как случилось вдоль берега Индонезии. Там тоже образовалась цепь вулканов, только совсем с другим типом лавы – гораздо более вязкой. Такая лава не выливается, а застревает в жерле вулкана плотной пробкой. Это похоже на перегретый паровой котёл, в котором заткнут предохранительный клапан. Такой котёл взрывается, то же самое происходит и с вулканом.

Семьдесят пять тысяч лет назад на индонезийском острове Суматра взорвался вулкан Тоба. Площадь жерла после катастрофы составила почти две тысячи квадратных километров, и сейчас здесь расположено крупнейшее озеро Суматры. Вулкан Тоба выбросил в атмосферу около трёх тысяч кубических километров лавы и огромное количество пепла и вулканических газов. Газообразный оксид серы из вулкана поднялся до стратосферы, соединился с водой и образовал на высоте 20–30 километров долгоживущий слой мелких капелек серной кислоты, который отражает часть солнечного света назад в космос. Из-за вулканического запыления атмосферы на всей планете наступило похолодание. Есть гипотезы, что в этот голодный и холодный период население планеты Земля сократилось до нескольких тысяч человек, о чём свидетельствуют данные генетиков, отмечающих резкое падение разнообразия человеческой популяции в этот период.

Таким образом, вулканы влияют не только на образование пород, но и на климат всей планеты. Они являются весьма непредсказуемыми и опасными соседями. Ужасное извержение произошло в 1883 году на индонезийском острове Кракатау, длиной всего в семь километров, шириной – в пять. Вулкан на Кракатау стал извергаться, опустошил свою подземную камеру с магмой – и стенки вулкана обрушились внутрь, в озеро раскалённой лавы, вместе с миллионами тонн морской воды. Произошёл взрыв, грохот которого был слышен за многие тысячи километров. Гигантское цунами высотой с четырёхэтажный дом обрушилось на побережье Явы, разрушив множество деревень и убив тридцать шесть тысяч жителей. Небольшое военное судно волна унесла на два километра в глубь суши и выбросила на вершину холма.

Галатея кивнула:

– Я поняла, что вулканы могут стать источником многих пород и неприятностей, но как вообще возникла эта беспокойная жидкая лава? Почему мы живём на крышке кипящего котла?

– Наша Земля возникла из астероидов, собравшихся в гигантский комок. Когда они падали на будущую планету, то нагревали её. Кроме того, горным породам присуща небольшая естественная радиоактивность, которая тоже приводит к выделению некоторого количества тепла. Это тепло совершенно незаметно, когда мы держим в руке камень, но если собрать такие камни в огромную кучу, то теплу, выделившемуся в её центре, просто некуда будет деваться, потому что до поверхности, которая отдаёт своё тепло космосу, очень далеко. Это тепло разогревало будущую планету до тех пор, пока та частично не расплавилась. А в каждом астероиде содержится большое количество как тяжёлых элементов – вроде железа, никеля, марганца, золота, урана и многих других, – так и более лёгких каменных пород на основе силикатов. В расплавленном виде эти элементы и породы начинают разделятся: железо, никель и золото тонут, а каменные породы всплывают вверх и застывают, потому что на поверхности планеты им легче остывать. Так возникла литосфера и твёрдая земная кора, на которой мы живём. По весу она состоит на 99 % из восьми химических элементов: кислорода (47 %), кремния (29,5 %), алюминия (8,1 %), железа (4,7 %), кальция (3 %), натрия (2,5 %), калия (2,5 %) и магния (1,9 %). Под корой всё ещё кипит расплавленная магма, а в центре нашей планеты собрался раскалённый металлический шар радиусом в три с половиной тысячи километров, который называется ядром планеты. Это ядро жидкое снаружи и твёрдое внутри, но мы очень мало о нём знаем, потому что добраться туда с приборами невозможно. Лишь по отражению звуковых волн мы можем как-то судить о его состоянии.

– Но если ядро Земли – железное, то это значит, что в среднем на нашей планете гораздо больше железа, чем в коре? – спросил быстро считающий Андрей.

– Верно, в общем составе Земли в восьмёрке самых распространенных элементов лидирует именно железо – 38 % от общей массы планеты. На втором месте кислород – 27 %.

– То есть железо и кислород составляют две трети веса Земли? – уточнил педантичный Андрей.

– Да, а если добавить сюда кремний, то получится самая распространенная тройка элементов, которые дают 80 % от состава планеты.

– Ты сказала, что расплавленное золото утонуло вместе с железом и застряло в этом самом ядре, – сказала, хитро сощурившись, Галатея. – Но ведь золотоискатели находят золото на поверхности! Кроме алмазной лихорадки, были ещё и золотые – например в Калифорнии и на Аляске! Я читала про них в книгах.

– Верно. В настоящее время золота в земной коре в тысячу раз больше, чем тогда, когда юная земная кора только всплыла из магмы и застыла. Оказывается, золотой запас Земли пополняется падением небольших астероидов и метеоритов.

– То есть золото на земной поверхности – это космический металл второго поколения?

– Да. Первый золотой запас возник в космосе при взрыве сверхновых или при соударении нейтронных звёзд. Он долетел до юной Земли, утонул в магме и собрался в центре планеты. А когда твёрдая земная кора сформировалась, то мелкие астероиды уже не могли её пробить и распыляли своё вещество по поверхности Земли. Это золото не утонуло в магме, и часть его досталась людям. К 2015 году на Земле добыто 186 тысяч тонн золота, которое хранится в сейфах банков, украшает пальцы, руки и шеи модников и модниц, а также используется в электронных приборах, потому что золото – прекрасный нержавеющий проводник.

– А к какому виду пород надо отнести космическое вещество, выпадающее на Землю? – спросил Андрей. – Оно не осадочное, не магматическое, не метаморфическое.

– Да, это хороший вопрос, – задумалась Дзинтара. – Было бы логично отнести космическое вещество к новому сорту пород – первичным. В геологии немало непонятного и непознанного. Мы ещё учимся тому, чтобы уверенно находить в толще земли полезные ископаемые: золото, алмазы, никель и уголь, газ и нефть.

– А нефть – это что такое? – спросила Галатея. – Тоже минерал?

– Да, это минерал, который возникает в толще осадочных пород, как уголь и газ. Растения, зоопланктон и водоросли, умирая, давали огромное количество органического материала. Если он в процессе геологической эволюции попадал в глубину, где в течение десятков, а то и сотен миллионов лет подвергался нагреву в условиях отсутствия кислорода, то образовывался газ, который горит в кухонных плитах, а также нефть, из которой сейчас делается бензин.

– Значит, мы ездим на жидкости, которая выделилась из трупов и гнили? – скривилась Галатея. – И даже еду готовим на газе из этого… – она не нашла подходящего слова.

– Да, – сказала Дзинтара. – Если тебя смущает гниль с возрастом в сто миллионов лет, могу напомнить, что фрукты, которые ты поглощаешь по утрам, выросли на удобрениях, которые были навозом совсем недавно.

– Ты хочешь испортить мой аппетит? – фыркнула Галатея.

– Я уверена, что твоему здоровому аппетиту ничего не грозит, – усмехнулась Дзинтара. – Твои природные инстинкты верно оценят прекрасную грушу, которую тебе дают на завтрак, и победят рассуждения незрелого разума о том, откуда возникли молекулы этой груши.

– А какой минерал на Земле самый… – Галатея задумалась, – загадочный. Ну… непонятно, откуда взявшийся? Золото?

– Нет, происхождение золота понять гораздо легче, чем происхождение такого минерала, как вода.

– Вода – это тоже минерал? – удивилась девочка.

– Да, и если тебя смущает то, что она – жидкость, вспомни о ледяных горах, айсбергах и ледниках.

– И о снежинках… – добавил Андрей.

– Верно – это прекрасные примеры кристаллов. Лёд – это такой же минерал, как и кварц, только температура его плавления заметно ниже. Он имеет несколько разновидностей, отличающихся кристаллическим строением или отсутствием такового. Во льду и в воде много неизученного, но главная проблема, которую не могут решить учёные – откуда взялась вода на Земле. На Венере воды практически нет, а на Марсе её мало. Почему на Земле так много воды, и откуда она взялась? Попала ли она на Землю с первыми астероидами и уцелела во всех превращениях пород и минералов? Или она была принесена на Землю позже – кометами? Каждая из этих гипотез имеет своих сторонников и противников. Так что вода – это самый загадочный минерал Земли.

Твёрдая часть Земли, собранная из сотен минералов, сложным образом взаимодействует с океанами воды и с воздушной оболочкой, которая окружает нашу планету. Всё вместе – это целый клубок загадок и нерешённых проблем. Как меняется климат? Какова роль человеческой цивилизации в этих изменениях? Какова динамика уровня океана, и что ждёт океанические течения при изменениях климата? Не поменяет ли своё течение Гольфстрим, отапливающий Европу? Мы не можем предсказывать землетрясения и цунами, ураганы и смерчи. Мы даже не можем уверенно предсказывать погоду на несколько дней вперёд, не говоря уж о том, чтобы управлять ею. Науки о Земле – это огромный фронт, на котором работает целая армия учёных, но загадок там по-прежнему более чем достаточно. Земля – наш дом, мы должны понимать и беречь его.

– Что это за физика твёрдого тела? – поинтересовалась девочка.

– О, физика твёрдого тела имеет давнюю историю, которую можно начать с кроманьонцев, живших в Европе более сорока тысяч лет назад. Они сумели среди множества камней, встречающихся на поверхности земли, найти самый прочный и удобный к обработке – кремень. Именно он стал популярным у кроманьонцев материалом, из которого они начали делать наконечники для стрел, кремневые ножи и топоры. Обсидиан, вулканическое стекло, тоже шло на изготовление ножей и наконечников стрел. Современные хирурги изучили обсидиановые ножи древних людей и нашли, что они острее, чем современные скальпели из нержавеющей стали. Если пациент имеет аллергию на металл, то для его лечения используют обсидиановые скальпели, правда с большой осторожностью, потому что они очень хрупкие. Умение найти подходящий камень и создать из него каменное орудие – это технология, которая лежит на стыке минералогии, физики твёрдого тела и механики. Сейчас она кажется древней и примитивной, но в своё время помогала кроманьонцам охотиться и выживать. Потом начались медный, бронзовый и железные века, в которые возникла такая наука, как металлургия. Умение древних оружейников учитывать физику твёрдых тел проявилось, например, в создании сабель из дамасской стали, в которых гибкость клинка соединялась с твёрдостью и режущими свойствами заточенной кромки.

Двадцатый век принёс расцвет физики твёрдых тел.

Ключевым моментом стал 1912 год, когда в Мюнхене на заседании Баварской академии наук был заслушан доклад о рассеянии рентгеновских лучей на кристаллах. Первая, теоретическая, часть доклада была сделана Максом фон Лауэ из Цюриха, а во второй части его ассистенты Фридрих Вальтер и Пауль Книппинг продемонстрировали результаты эксперимента, подтверждающего теорию. Авторы доклада доказали, что рентгеновские лучи имеют волновую природу, а кристаллы обладают периодической атомной структурой. Через три года фон Лауэ получил за открытие нового, очень плодотворного метода исследования кристаллов Нобелевскую премию.

– Всё-таки мне не очень понятно, что такое физика твёрдого тела, – покачала головой Галатея. – Кремниевые ножи, кристаллы, рентгеновские лучи… как это всё объединяется?

– Физика твёрдого тела пытается установить связь между физическими свойствами твёрдых тел, которые нас окружают, и их атомным строением, то есть связать макромир и микромир. Если мы хорошо изучим эти связи, то сможем создавать материалы с нужными нам свойствами – например сверхчистые кристаллы кремния и германия для полупроводников. Именно на примере кристаллов удобно изучать связь между крошечными атомами и нашим макромиром, потому что многократная повторяемость атомной структуры кристалла позволяет получить наглядное макроскопическое отображение этой структуры, например при облучении её рентгеновскими лучами.

Такова двойственная природа физики твёрдого тела. Поэтому в неё вносят важный вклад как квантовые механики, которые рассчитывают квантовое поведение атомов и электронов в твёрдых телах, так и экспериментаторы, которые изучают макроскопическое поведение, например сверхпроводящих образцов. Именно сверхпроводимость является одним из самых перспективных направлений физики твёрдого тела. Если бы были получены высокотемпературные сверхпроводники, работающие в условиях комнатных температур, то это стало бы новой технологической революцией. Экспериментаторы ищут такие сверхпроводники, но практически наугад, потому что хорошей квантово-механической теории высокотемпературных сверхпроводников ещё не создано.

В жилах нашей цивилизации течёт электрическая кровь, поэтому проводники, которые передают электрическую энергию на большие расстояния, и полупроводники, лежащие в основе всей электроники, играют колоссальную роль в экономике планеты. Сейчас специалисты работают над созданием триода на основе графена.

Не менее важным достижением физики твёрдого тела стало создание лазеров. Но об этом мы поговорим в следующей истории.

Примечания для любопытных

Сэр Андрей Константинович Гейм (р. 1958) – советский, нидерландский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Сочи. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II.

Сэр Константин Сергеевич Новосёлов (р. 1974) – российский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Нижний Тагил. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II. Его работы процитированы более ста тысяч раз.

Графен – первый известный истинно двумерный кристалл. Обладает высокой проводимостью, теплопроводностью и прочностью. Позже были открыты двумерные кристаллы кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен).

Макс фон Лауэ (1879–1960) – немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии за 1914 год «за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах».

– Лидар на автомобиле измеряет расстояние до соседних машин или других препятствий и сигнализирует водителю об опасном сближении. Если машина снабжена автопилотом, то лидарные данные позволяют компьютеру-водителю безопасно маневрировать, так что ошибка человека-водителя не может привести к аварии. Особенно ценными оказались лидары для роботов, которые двигаются не по гладким дорогам с известным маршрутом. Робот должен сопровождать человека всюду, куда тот пойдёт, и действовать самостоятельно там, где для человека слишком опасно: в развалинах, образовавшихся после землетрясений, либо на местах аварий, где разлиты радиоактивные вещества или химикаты. Поэтому робот должен прекрасно ориентироваться в пространстве и иметь точную трёхмерную картину окружающей его среды. Этого без лидара добиться невозможно.

– Почему? – поинтересовался Андрей. – У нас ведь нет лазеров в глазах, а мы хорошо видим и всегда знаем, что нас окружает.

– Человеческое зрение – это великолепно устроенный аппарат восприятия окружающей действительности. Он включает высокочувствительную оптику прекрасного разрешения – глаз человека имеет 130 миллионов рецепторов, мощный мозг для быстрой обработки поступающей информации и многолетнюю тренировку в привычной среде для эффективного построения трёхмерной картинки. Два глаза, разнесённых для объёмного зрения, дают хорошую возможность оценить расстояние до окружающих нас предметов.

У современных роботов таких замечательных способностей нет: их видеокамеры не имеют столь высокого разрешения, но даже при этом поток информации с них столь велик, что быстро обработать его портативный компьютер не может.

– Да и многолетней тренировки у него нет! – гордо заявила Галатея.

– Верно. Поэтому лидар, который мгновенно дает надёжную информацию о расположении предметов и не перегружает мозг робота избыточным объёмом информации, оказывается для робота исключительно важным органом чувств – важнее, чем его видеокамеры. Человек давно хотел создать себе механического помощника, который будет помогать ему в тяжёлых и опасных работах. Термин «робот» придумал чешский художник Йозеф Чапек, и оно произошло от чешского слова «каторга».

– Да, роботов планировалось создать явно не для прогулок! – сказал Андрей.

– Однако между мечтой и реальностью пролегла огромная дистанция. Сделать человекоподобного робота оказалось очень непросто. Движения человека определяются лёгким прочным скелетом, отдельные части которого двигаются мышцами, сокращающимися по приказу мозга, передаваемому по нервам. Но люди не могут создать искусственные мышцы, сопоставимые по эффективности с биохимическими мышцами, созданными природой.

– Этой проблемой стоит заняться! – с энтузиазмом воскликнула Галатея.

– Поэтому обычно роботы двигаются с помощью электромоторов. Это означает, что на каждую степень свободы движения какой-то конечности человека, например сгибания руки в локте, требуется отдельный электромотор. Если присмотреться к движению кисти нашей руки, то можно подсчитать, что для человекоподобной механической кисти нужно 17 моторов. Если подсчитать степени свободы для всех конечностей, то окажется, что для постройки человекоподобного робота потребуется сотня моторов. Энергетическая эффективность электромоторов для человеческих движений невысока. Электромоторы легко вращают колёса или оси винтов, а сгибать конечности робота в суставах для них непросто: требуется специальная передача, которая переводит вращение в поступательное движение. При этом мотор в роботе всё время должен менять скорость и направление своего вращения. Если в электромобиле, едущем по шоссе, электромоторы вращаются примерно с одинаковой скоростью, то их работа в человекоподобном роботе будет состоять из постоянных включений и выключений, что не способствует ни энергетической эффективности, ни долговечности. Лишь в XXI веке был создан механический человекоподобный робот, который мог уверенно передвигаться по лестницам, перепрыгивать через препятствия и даже делать обратное сальто. Но стоимость и сложность такого робота оказались очень высоки. Понятно, что широкое распространение легче получить не человекоподобным массивным роботам, а небольшим подвижным киберам с размером и мобильностью собаки. Но как бы ни передвигался кибер – на ногах, лапах или колёсах, – ему непременно нужны лидарные глаза для того, чтобы видеть, куда идти.

Автомобили с автопилотом и робототехника образовала целую новую индустрию, в которой есть масса интересных задач как для учёных, так и для инженеров. И важную роль в этой новой индустрии играют лазеры, которые были созданы в середине XX века Прохоровым, Басовым, Таунсом и их сотрудниками.

Примечания для любопытных

Александр Прохоров (1916–2002) – советский и российский физик, создатель мазера (квантового генератора микроволнового излучения) и лазера (квантового генератора оптического излучения). Лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год.

Николай Басов (1922–2001) – советский и российский физик, создатель мазера и лазера. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год.

Чарльз Таунс (1915–2015) – американский физик, создатель мазера и лазера. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год.

Альберт Эйнштейн (1879–1955) – швейцарско-немецко-американский физик, создавший концепцию световых квантов и заложивший теоретические основы лазерной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1922 год.

Карел Чапек (1890–1938) – чешский писатель, фантаст. Термин «робот» придумал его брат Йозеф, художник. Карел использовал его в своей пьесе «Россумские универсальные роботы», написанной в 1920 году. Пьеса была поставлена в театре в начале 1921 года, и слово «робот» прочно прижилось в мировом словаре.

Мортон был единственным журналистом, которому разрешили присутствовать при этом событии. На следующий день в английской «Дейли Экспресс» появилось его сообщение:

«Романтический секрет гробницы фараона Тутанхамона в Долине царей в Луксоре был раскрыт вчера, когда впервые за три тысячи лет люди вошли во внутреннюю камеру гробницы. Все ожидания были превзойдены. Внутри камеры стоял огромный саркофаг сверкающего золота, в котором почти наверняка содержится мумия короля. Прекрасные картины, в том числе и гигантской кошки, покрывали стены. Вторая камера была переполнена бесценными сокровищами».

Это стало мировой сенсацией. Картер, лорд Карнарвон и даже Мортон прославились навсегда. 5398 предметов извлекли из гробницы фараона, включая золотую посмертную маску весом более десяти килограмм, саркофаг из чистого золота весом более 110 килограммов и множество драгоценных предметов: чаш, тростей, амулетов, статуэток, оружия, музыкальных инструментов. Десять лет ушло на извлечение и опись вещей из гробницы Тутанхамона.

Фараон Тутанхамон взошёл на трон в возрасте десяти лет и умер в девятнадцать, видимо, от малярии и осложнений, связанных со сломанной левой ногой. В современном мире он получил широкую известность как «Мальчик-король» или Король Тот. Он был стройный и высокий – 180 см. В гробнице в числе прочих сокровищ лежал нож, сделанный из метеоритного железа. Фараон Тутанхамон в ряду других правителей Египта был ничем не примечателен, и его гробница оказалась скромнее обычного. Но её находка стала мировым событием в археологии, потому что могила была практически не тронута грабителями, и все её сокровища сохранились.

Через месяц после открытия гробницы, 19 марта 1923 года, граф Карнарвон умер в отеле Каира от пневмонии, что породило миф о «проклятье фараона», которое поражает тех, кто участвовал во вскрытии гробницы. После смерти графа его супруга Альмина продолжила финансировать раскопки Картера.

В настоящее время археология продолжает активно развиваться. Раскопки ведутся по всему миру, включая Европу, Азию и Китай, где в конце XX века возле могилы императора Цинь была обнаружена целая армия – более восьми тысяч – глиняных воинов, которые, видимо, должны были служить своему повелителю в загробном мире. Сенсационные археологические открытия были сделаны в Центральной и Южной Америке, где когда-то процветали цивилизации майя, ацтеков и инков. В конце XX века на Южном Урале экспедиция Челябинского университета нашла город бронзового века возрастом около четырёх тысяч лет.

Археологи ведут свои поиски не только на земле, но и на дне моря. Испанский галион «Сан-Хосе» вышел из порта Картехены (Колумбия) в июле 1708 года и был потоплен английским военным судном в восемнадцати милях от берега, потому что в то время между Испанией и Англией шла война.

В 2015 году корабль обнаружили на дне моря. В трюмах «Сан-Хосе» находятся золото, серебро и драгоценные камни на сумму свыше миллиарда долларов. Споры вокруг него между Колумбией, Испанией и частными кладоискателями ведутся десятки лет. И таких судов с сокровищами на дне морей немало.

– Вот здорово! – воскликнула Галатея. – А когда мы будем учиться нырять с аквалангом?

– Важнейшей частью археологических изысканий является расшифровка памятников письменности, которые нередко находятся при раскопках.

Учёные до сих пор не знают, на каком языке говорили Гектор и жители гомеровской Трои. Долгое время оставались загадкой и древние иероглифы Египта. Их расшифровке помог счастливый случай: французский лейтенант наполеоновской армии Бушар нашёл в 1799 году возле египетского города Розетта каменную плиту метровой высоты и весом в три четверти тонны, покрытую непонятными письменами. Британская армия вскоре отбила камень у французов и в 1802 году доставила его в Лондон. Сейчас этот «розеттский камень» хранится в Британском музее. На нём написано благодарственное письмо египетских жрецов царю Птолемею, причём на трёх языках – на древнегреческом, древнеегипетскими иероглифами и поздним египетским демотическим письмом. Сопоставление всех трёх текстов позволило расшифровать древние египетские иероглифы. Выдающуюся роль в этом сыграли француз Жан-Франсуа Шампольон, который в 1822 году совершил прорыв в расшифровке розеттского камня, и британец Томас Юнг.

В XX веке письменность майя расшифровал советский лингвист Юрий Кнорозов.

Но немало старинных рукописей и надписей остаются нерасшифрованными…

– Какие, какие? – нетерпеливо запрыгала Галатея.

– Шифром пользовались тогда, когда хотели скрыть информацию от чужаков. Так, в США были найдены три листка с числами, так называемые «Криптограммы Бей-ла». На первом зашифровано расположение сокровищ примерно на шестьдесят миллионов долларов в виде трёх тонн золота, серебра и драгоценностей, которые закопаны где-то в графстве Бэдфорд в Вирджинии. Так гласит второй листок, который удалось расшифровать. Но первый лист с координатами клада и третий – с указанием, кому и какая часть клада принадлежит, остались нерасшифрованными.

– Но как удалось расшифровать второй листок? – спросила Галатея.

– Этот шифр один из самых сложных, потому что числа указывают на слова в каком-то тексте. Удалось установить, что для шифрования второго листка использовалась американская Декларация независимости, что и позволило прочитать его. Но какие тексты использовались для шифра первого и третьего документа? Это осталось неизвестным, но не помешало кладоискателям перекопать графство Бэдфорд сверху донизу.

– А какой-нибудь пример не специального шифра, а нерасшифрованного неизвестного языка есть? – поинтересовался Андрей.

– Да, например, рукопись Войнича. Так звали книготорговца, который купил её в 1912 году. Это рукописная книга, написанная на пергаменте начала XV века неизвестным языком и даже неизвестным алфавитом. Множество лингвистов безуспешно билось над этой рукописью, используя самые передовые методы расшифровки и самые мощные компьютеры. В рукописи есть описания более трёхсот растений, но идентифицировать из них удалось только около трёх десятков. Также в книге приводятся рисунки звёзд и даже какого-то звёздного скопления, удивительно похожего на спиральную галактику. Приведённая страница книги больше всего напоминает алхимический трактат, в котором описывается рецепт омолаживающих ванн, которые должны принимать знатные дамы в коронах. Кто-то из лингвистов думает, что она написана на европейском языке, который уже исчез. Другие полагают, что это искусственный секретный язык. Учёные привлекли на помощь искусственный интеллект, который проанализировал 380 хорошо известных языков и сравнил их с языком книги. Он пришёл к выводу, что манускрипт Войнича написан на иврите, из которого удалены все гласные, а порядок букв в словах специально изменён – в явной попытке автора зашифровать текст. Но многие думают, что это просто фальшивая и не имеющая никакого смысла книга, которую носил при себе средневековый травник, чтобы производить впечатление на клиентов.

Андрей высказал свою гипотезу:

– А может, это книга, написанная на языке инопланетян? Недаром в ней приведён рисунок спиральной галактики, хотя на средневековой Земле даже простейших телескопов не было. Поэтому там так много незнакомых растений – может, это инопланетные растения?

– Ну, твоя гипотеза ничем не хуже других, – спокойно ответила Дзинтара.

– Надо будет заняться этой рукописью… – пробормотала Галатея, не отводя взгляда от листка. – Вдруг здесь взаправду описан рецепт ванны молодости?

– Галатея, тебе рано думать об омоложении, – поддел сестру брат. – Может, сначала поищем древние сокровища на земле или на дне моря?

Галатея встрепенулась и растерялась:

– Да что нам, разорваться, что ли?

Примечания для любопытных

Чарльз Макларен (1782–1866) – шотландский журналист и геолог. В 1822 году в энциклопедической статье про Трою, изучив все доступные материалы, указал на холм Гиссарлык как на вероятное место расположения гомеровской Трои.

Фрэнк Калверт (1828–1908) – англичанин, родившийся на Мальте и бывший дипломатом в Турции. Археолог-любитель, который первый начал раскопки Трои на холме Гиссар-лык, половина которого принадлежала его семье. Позже он привлек к раскопкам Г. Шлимана.

Генрих Шлиман (1822–1890) – бизнесмен и археолог-любитель, который при активном участии Ф. Калверта обнаружил Трою в холме Гиссарлык. Золотые украшения, найденные на раскопках Трои, часто называют «Золотом Шлимана». Его именем назван лунный кратер и астероид 3302, открытый в 1977 году Н. С. Черных в Крымской астрофизической обсерватории.

Тутанхамон (1342–1323 гг. до н. э.) – фараон Древнего Египта с 1332 по 1323 годы до нашей эры. Второстепенный член династии фараонов, ставший знаменитым из-за того, что его гробница была практически не разграблена.

Джордж Карнарвон (1866–1923) – английский граф, любитель-египтолог. Жена – Альмина, наследница А. Ротшильда.

Ховард Картер (1874–1939) – английский археолог и египтолог, который открыл в 1922 году нетронутую гробницу фараона Тутанхамона, что стало одним из наиболее известных событий в египтологии.

Пьер-Франсуа Бушар (1772–1832) – французский лейтенант наполеоновской армии, который в 1799 году нашёл Розеттский камень, благодаря чему древнеегипетские иероглифы были расшифрованы.

Жан-Франсуа Шампольон (1790–1832) – французский востоковед, основатель египтологии. В 1822 году внёс определяющий вклад в расшифровку иероглифов Древнего Египта.

Томас Юнг (1773–1829) – английский учёный, полиглот, физик, врач, астроном и востоковед. Один из расшифровщиков древнеегипетских иероглифов.

Юрий Кнорозов (1922–1999) – выдающийся советский историк и лингвист. Расшифровал письменность майя – народа из Центральной Америки.

Кювье написал о своём мнении в Британию, вызвав суматоху среди членов Геологического общества Лондона, которые в январе 1824 года даже собрались на специальное заседание для изучения вопроса о плезиозавре.

Мэри была очень взволнована. Авторитет Кювье в мире науки был чрезвычайно велик, и с его мнением все учёные обычно соглашались. Если скелет плезиозавра, найденный Мэри Эннинг, признают подделкой, то её репутации собирателя и продавца окаменелостей будет нанесён непоправимый ущерб.

Заседание Геологического общества проходило бурно…

– Неужели они не поверили выступлению Мэри Эннинг? – удивился Андрей. – Думаю, все сомнения должны были рассеяться при её бесхитростном рассказе о поисках скелетов этих чудовищ!

– Мэри не выступала на этом заседании и даже не присутствовала на нём, потому что женщинам не разрешалось участвовать в заседаниях Геологического общества, как и других научных обществ.

– Не присутствовала? – поразилась Галатея. – Учёные разбирали вопрос о подлинности скелета, не пригласив человека, который его нашёл? Тогда они не так умны, как им кажется.

– К счастью для Мэри, общество само пришло к выводу, что скелет плезиозавра подлинный, а позже и знаменитый Кювье признал, что сделал поспешный и ошибочный вывод.

– Ура! – сказала Галатея.

– 1824 год стал важным этапом в истории палеонтологии, потому что именно в этом году появилась научная статья, основанная на находках Мэри Эннинг и описывающая скелеты короткошеего ихтиозавра и диковинного длинношеего плезиозавра. Раньше найденные окаменелые кости чаще всего приписывались существам, которые напоминали ныне живущих людей, слонов и крокодилов. Скелет плезиозавра, найденный Мэри, доказал, что древние существа могли быть совсем не похожи на современных.

Находки Мэри покупались богатыми людьми и музеями разных стран, включая крупнейшие музеи Лондона и Нью-Йорка. В 1830 году Мэри нашла второй полный скелет плезиозавра, который продала за двести фунтов. Сейчас он выставлен в музее Парижа. Но обнаруженные ею скелеты доисторических существ часто описывались другими учёными в статьях, где имя Мэри Эннинг даже не упоминалось. Это её, конечно, очень обижало.

– Видимо, эти люди никогда не ходили целыми днями под холодным дождём на ветреном берегу, иначе они по-другому относились бы к Мэри, – сердито сказала Галатея.

– Учёные XIX века были обычно выходцами из аристократии и богатых слоёв общества, а Мэри Эннинг, по тогдашним британским понятиям, относилась к простонародью, поэтому могла и не приниматься в расчет. Но так поступали далеко не все. Мэри Эннинг переписывалась с многими знаменитыми учёными и имела среди них репутацию грамотного профессионала.

Она была хорошо знакома с видным геологом, профессором Мурчисоном, и его женой Шарлоттой, с которой Мэри обменивалась письмами. Когда она приезжала в Лондон, то останавливалась в доме Мурчисонов. В 1833 году она написала Шарлотте про обвал, который убил её собаку: «Я была в одном мгновении от такой же судьбы». Мэри Эннинг посвятила научным достижениям самого Мурчисона, который вернулся недавно из геологической экспедиции из России, шутливую поэму, которая начиналась словами: «Кто первый выжил в русском государстве?»

Великий геолог Чарльз Лайелл спрашивал в письмах мнение Мэри о прибрежных рифах. С ней переписывался и покупал у неё окаменелости профессор Кэмбриджа Адам Седжвик, будущий учитель Чарльза Дарвина. Случалось, Мэри в её походах сопровождали знаменитые палеонтологи, которые многому учились у этой женщины, не имевшей никакого специального образования. Когда Мэри Эннинг попадала в трудные финансовые обстоятельства, то её друзья-учёные приходили ей на помощь, например проводили аукционы её находок. Они даже выхлопотали ей небольшую, двадцать пять фунтов в год, государственную пенсию, позволившую упрочить её положение в последние годы жизни.

Мэри изучила древние существа так детально, что сделала немало открытий об их поведении. Например, на берегу Ла-Манша часто встречались узкие острые окаменелости, похожие на наконечники стрел, которые были оставлены белемнитами – вымершими головоногими моллюсками. Мэри внимательно изучила строение этих древних существ и нашла у них полость или камеру, в которой было чёрное вещество. Местная художница и собирательница окаменелостей, подруга Мэри, истолкла это вещество в порошок и использовала как чёрную краску для своих иллюстраций древних существ.

– Здорово, – сказала Галатея. – Использовать краску из драконов для рисования этих самых драконов.

– Примеру подруги Мэри последовали и другие художники. Но что это было за вещество? Мэри препарировала современных головоногих моллюсков – кальмаров и каракатиц, сравнивала строение их тела и расположение чернильных мешков с останками древних белемнитов и выяснила, что…

– Постой, мама, что это за чернильные мешки? – спросила Галатея. – Моллюскам нужны чернила для стихов?

– Нет, кальмары используют чернила для более важного дела – спасения своей жизни. Когда за кальмаром гонится хищная акула, он выпускает из себя чернила, создавая между собой и врагом своеобразную «дымовую завесу», пользуясь которой, может сбежать в безопасное место. Чернильные мешки повышают шансы головоногих моллюсков не быть съеденными.

В результате своих находок и исследований Мэри выяснила, что камеры в теле белемнитов, заполненные чёрным веществом, являются чернильными мешками. Таким образом, по окаменелым остаткам удалось сделать вывод о жизни ископаемых существ, узнать важную особенность их поведения: оказывается, древние белемниты использовали чернила для защиты от крупных хищников, так же как современные кальмары и каракатицы.

– Сразу представляется огромный ящер, который гонится за белемнитами… – сказала Галатея и поёжилась.

– А те всей стаей убегают и как выпустят разом свои чернила! – хихикнул Андрей. – Ящер сразу потеряется, не будет знать, куда и за кем плыть.

– Исследования Мэри развеяли существовавший в то время популярный миф о так называемом «безоарове камне», которому приписывали даже магические свойства. Мэри нашла эти камни в кишечнике древних ящеров и доказала, что они являются экскрементами вымерших существ.

– Вот тебе и магические свойства у окаменелых какашек! – развеселилась Галатея.

– Находки Мэри открыли для людей целый древний мир, густо населённый диковинными животными.

Генри де ла Беш, видный английский геолог и палеонтолог, друг детства Мэри Эннинг, на основании её находок создал первую картину из жизни ископаемых существ. Он продавал её копии в пользу Мэри. На картине были изображены древние плавающие и летающие драконы, которые поедали друг друга, а плезиозавр, которого схватил за длинную шею крупный ихтиозавр, похожий на крокодила с плавниками, был нарисован обкакавшимся от ужаса.

– Что доказано исследованиями «безоарова камня», проведёнными Мэри, – хихикнула Галатея.

– Про Мэри ещё при жизни писали газеты, её называли «геологической львицей» и «принцессой палеонтологии». Известный палеонтолог Луис Агассиз, который консультировался с Мэри, назвал в честь неё два вида ископаемых рыб: Acrodus anningiae and Belenostomus anningiae. В 1865 году о ней написал статью великий Чарльз Диккенс. Слава Мэри Эннинг росла со временем. В честь двухсотлетия со дня её рождения в городе Лайм Регис собрался научный симпозиум. О Мэри Эннинг написаны книги и сняты фильмы. В честь неё названо несколько видов животных, включая семейство плезиозавров Anningasaura и вид ихтиозавров Ichthyosaurus anningae. Она внесена в число десяти наиболее влиятельных британских женщин-учёных.

Для многих женщин Мэри Эннинг стала примером упорства, самообразования и научной успешности. Возможно, главным достижением Мэри было не открытие окаменелых драконов, а доказательство, что женщины могут заниматься наукой успешнее мужчин, несмотря на ограничения, которые законы того времени воздвигали перед женщинами, желающими получить университетское образование или участвовать в работе научных сообществ.

Окаменелости представляют собой крошечную часть животного мира, который населял Землю сотни миллионов лет назад, а палеонтологи нашли только крошечную часть существующих окаменелостей. Их запас ограничен и уменьшается с каждым извлечённым скелетом. Окаменелые скелеты, которые Мэри Эннинг продавала за сто-двести фунтов стерлингов, сейчас стоят двести-четыреста тысяч долларов.

– Она была бы сейчас миллионером! – в восторге сказала Галатея.

– Важно тщательно сохранять найденные окаменелости, потому что только они могут передать нам бесценную весть из эпохи, отделённой от нас сотней, а то и двумя сотнями миллионов лет, когда континенты выглядели совсем по-другому и жили на них удивительнейшие существа.

Благодаря находкам Мэри Эннинг, знания людей о древних настоящих драконах стали быстро расширяться. Динозаврами, в переводе с греческого – «ужасными ящерами», этих вымерших существ назвал палеонтолог Ричард Оуэн в 1842 году. В 1851 году он сделал выставку из бетонных макетов динозавров, а на Рождество 1853 года устроил ужин для двух десятков известных ученых внутри полого макета игуанодона.

Мощный толчок палеонтологии дала так называемая «Война костей», или «Великие гонки динозавров», которая развернулась в последней трети XIX века между американскими палеонтологами Эдвардом Копом и Отниэлем Маршем. Эти два палеонтолога познакомились ещё в молодом возрасте в 1864 году и подружились, обмениваясь письмами и образцами окаменелостей. Несколько лет спустя Марш, осматривая найденный Копом скелет длиннохвостого плезиозавра Elasmosaurus, заявил, что его друг неправильно собрал скелет: приставил череп ящера к хвосту. Коп разъярился в ответ на оскорбительное заявление Марша, и оба учёных горячо заспорили. Наконец они пригласили третьего специалиста, который без колебаний взял череп с одного конца скелета чудовища и перенёс его в другой конец. То, что Коп принял за длинный хвост, на самом деле оказалось очень длинной шеей с семьюдесятью двумя позвонками. Плезиозавры Albertoneckes могут иметь даже семьдесят шесть позвонков в шее семиметровой длины.

– Кювье ни за что не поверил бы в такого зверя! – отметила Галатея.

– Коп был в ужасе от своей ошибки, так как изображение нового длиннохвостого плезиозавра уже было им опубликовано. В последующей публикации он исправил изображение длиннохвостого плезиозавра на длинношеего, но дружба с Маршем после этой истории закончилась.

– Почему? – удивилась Галатея. – Марш же был прав.

– Именно чужая правота оказывается самой тяжёлой ношей для некоторых учёных. С этого времени между Копом и Маршем развернулась настоящая война: они старались доказать друг другу своё научное превосходство, обвиняли друг друга в плагиате, в невежестве и воровстве образцов. Каждый из них с помощью взяток и тайных сговоров широко раскидывал сети своих агентов – сборщиков окаменелостей, одновременно стараясь лишить конкурента источников финансирования. Марш предпочитал сидеть в университете и организовывать потоки окаменелостей от своих подчинённых, а Коп сам охотно ездил в экспедиции.

Скелет первого диплодока – огромного травоядного ящера – Бенджамен Мюдж и Сэмюэль Уиллистон нашли в 1877 году при раскопках в Колорадо. Они послали этот скелет Маршу, который описал его в своей работе. В том же году Коп нашёл в Колорадо гигантской позвонок высотой в два с половиной метра. Он принадлежал амфицелию – ящеру длиной до 48 метров, высотой более 20 метров и массой около 100 тонн. Жил этот ящер 150 миллионов лет назад.

Оба учёных тратили на поиски ископаемых свои личные состояния и к концу этой войны и своих карьер оказались на грани банкротства со взаимно подмоченными репутациями.

Марш описал таких динозавров, как стегозавр и нодозавр, и выиграл «Войну костей», описав более восьмидесяти видов динозавров, в то время как Коп нашёл всего лишь пятьдесят шесть.

– Всего лишь! – фыркнул Андрей. – Всем бы такое невезение.

– Безусловным победителем в «Войне костей» стала наука палеонтология, которая испытала революционный подъём в XIX веке, когда было получено общее представление об эпохе гигантских пресмыкающихся в истории Земли. Смитсоновский музей в 2004 году выпустил сборник из 47 наиболее важных палеонтологических работ, опубликованных с 1676 по 1906 год. В этом сборнике четыре работы принадлежат Копу, четыре – Маршу.

Крупнейший хищный динозавр Tyrannosaurus rex был описан Генри Осборном в 1905–1906 годах. В своей работе Осборн основывался на результатах многих палеонтологов, главным образом на результатах экспедиций 1902–1905 годов, которые возглавлял Барнум Браун, за палеонтологическую удачливость и открытие знаменитого Tyrannosaurus rex получивший прозвище «Мистер Кости».

Учёные в XIX и XX веках нашли и описали около тысячи видов динозавров, возникавших и угасавших в течение всей эпохи древних ящеров, которая длилась около ста шестидесяти миллионов лет. От каких-то драконов нашли целые скелеты, от кого-то только отдельные кости, а кто-то оставил исследователям только окаменелые следы размером более метра. Самый крупный отпечаток ступни динозавра достигает 1,7 метра. Крупнейший зуб динозавра, найденный учёными, имеет длину в 30 см с корнем. Окаменелые яйца динозавров нередко обладают удлинённой формой.

– Чтобы в нём уместился хвост малыша-динозаврика? – догадалась Галатея.

– То, что в древние времена наша планета была населена драконами, произвело сильное впечатление на людей. Писатели-фантасты стали писать книги, основанные на идее, что где-нибудь в малодоступном уголке Земли сохранились древние ящеры. Знаменитый француз Жюль Верн опубликовал в 1864 году роман «Путешествие к центру Земли», в котором путешественники находят глубоко под землёй доисторических животных. Британский известнейший писатель Конан Дойл создал в 1912 году «Затерянный мир», где уголок с живыми динозаврами нашёлся в горах Южной Америки. Русский геолог Владимир Обручев написал в 1915 году научно-фантастический роман «Плутония», и в нём герои обнаруживают динозавров во внутренней полости Земли.

Рисунок де ла Беша про жизнь древних ящеров был первым в длинном ряду других аналогичных иллюстраций. Сейчас красочные картины, изображающие жизнь ящеров, заполняют бесчисленные популярные книги и энциклопедии по палеонтологии. О жизни древних существ снимают многочисленные фильмы и мультфильмы. Фильм «Парк Юрского периода» 1993 года стал одним из кассовых фильмов XX века, собрав более миллиарда долларов.

Несмотря на всеобщий интерес к динозаврам, на многие вопросы исследователи пока не могут дать ответа. Всё ещё непонятны причины вымирания динозавров. Каждый образованный землянин должен знать цифры: 252-201-66.

– Что это – номер телефона службы спасения? – спросил Андрей.

– Своего рода. Это времена трёх последних массовых вымираний биосферы на планете Земля. Самый масштабный катаклизм случился 252 миллионов лет назад, он привел к концу палеозойской эры и вымиранию 96 % видов морских организмов и 70 % сухопутных. До этого на Земле крупные сухопутные животные отсутствовали, в океанах царили ракоскорпионы, достигавшие в длину двух с половиной метров, трилобиты и моллюски-аммониты со спиральной раковиной. Конечный период палеозоя шотландский геолог Мурчисон назвал пермским – по имени города Пермь, который стоит на породах данного геологического периода.

Пермское Великое Вымирание, которое случилось четверть миллиарда лет назад, дало начало мезозойской эре и толчок развитию более сложных организмов, лучше адаптирующихся к неблагоприятным условиям. В это время единый материк Пангея стал раскалываться на отдельные современные континенты, что увеличило разнообразие климатических условий на суше. Через двадцать миллионов лет после этой катастрофы появились первые динозавры – эорапторы, которых в 1991 году нашли в Аргентине. Они были размером с собаку, весили около десяти килограммов и достигали всего лишь метрового размера от кончика хвоста до носа. Но они уже напоминали будущих гигантов: быстро бегали на задних лапах, поджимая передние слаборазвитые лапы и балансируя массивным хвостом. В это время на суше и в море царили сравнительно небольшие, но очень зубастые животные вроде крокодилов или больших варанов.

201 миллион лет назад случилось ещё одно событие-вымирание, которое уничтожило конкурентов динозавров: последние оказались более приспособленными к посуровевшим условиям и воцарились на Земле. Наступил расцвет эпохи динозавров, потому что тогда млекопитающие были малы и не выдерживали конкуренции с огромными и зубастыми драконами.

Самые крупные хищные динозавры – тираннозавры и гиганотозавры – достигали в длину 14 метров и весили 5–8 тонн, хотя крупнейшие особи могли достигать и веса в 20 тонн. В пасти тарбозавра размещалось около шестидесяти зубов длиной до 85 миллиметров. Плотоядные динозавры охотились на травоядных, часто более крупных ящеров.

Мощные хвосты травоядных динозавров служили им защитой от хищников, но у зауроподов, достигавших в длину 36 метров, хвост служил и для брачных игр. Они сильно били им по земле, вызывая оглушительный грохот. Длинные хвосты этих динозавров действовали как хлысты – скорость движения их кончиков превышала звуковую. Для прочности позвонки в этих местах хвоста срастались. Самки предпочитали самых громкохвостых самцов.

– Конечно, – сказал Андрей. – Ведь они легко отобьются от врагов своим сверхзвуковым хвостом.

– Учёные спорят о том, какой из травоядных динозавров был самым крупным. У амфицилия пальму первенства оспаривает сейсмозавр, скелет которого был найден в американском штате Нью-Мексико в 1980-х годах. Не входя в детали научных споров, можно смело сказать, что самые крупные травоядные динозавры достигали 50 метров в длину и весили свыше 100 тонн.

– Живой танк! – воскликнул Андрей.

Дзинтара покачала головой:

– Знаменитый танк Т-34 времен Второй мировой войны весил всего 30 тонн. Так что травоядные динозавры по размерам и весу превосходили танки. Хищные свирепые динозавры были несколько меньших размеров.

– Зато у них были острые зубы! – сказала Галатея.

– Да, и эти зубы не оставались без дела. Но все ссоры между динозаврами прекратились, когда 66 миллионов лет назад случилась планетарная катастрофа, которая привела к массовому вымиранию биосферы. 75 % всех сухопутных животных, включая динозавров, прекратили своё существование. На Земле не осталось четвероногих существ, которые бы весили более 25 килограммов. Маленькие млекопитающие с более совершенной системой теплорегуляции, чем у динозавров, выжили – и наступило их время. Мезозойская эра уступила место современной – кайнозойской эре, времени китов и мамонтов, львов и носорогов, лошадей и людей. Среди растений распространились цветковые и злаковые.

Все динозавры мезозойской эры вымерли. Учёные доказали, что только птицы ведут своё происхождение от динозавров, покрытых перьями. Современные птицы являются прямыми наследниками этой огромной и разнообразной группы животных, царившей на Земле сто миллионов лет назад. Глядя в круглые глаза какого-нибудь воробья, а лучше – страуса, мы встречаем холодный взгляд древних динозавров.

– Воробьи – единственные уцелевшие динозавры на Земле? – удивилась Галатея.

– Мы очень плохо изучили мир вымерших животных, имеем очень слабое представление об их повадках и местах обитания, цвете их панцирей, шкур и перьев. Жили ли они поодиночке или стадами? Например, откладывание яиц. Бросали ли их динозавры на произвол судьбы или наоборот – охраняли?

– Я думаю, что охраняли, – сказала Галатея. – Они же не полные идиоты.

– Да, хорошо развитый материнский инстинкт по защите своего потомства – это условие успешного выживания биологического вида. Планета Земля мезозойской эры, населённая огромным количеством настоящих драконов и других удивительных существ, всё ещё остается для нас загадкой. В начале XXI века биологи каждый год описывали примерно десять тысяч ранее неизвестных видов ныне здравствующих животных, даже таких крупных, как обезьяны, что же говорить о полноте наших знаний о существах, которые обитали сотни миллионов лет назад?

Учёные спорят, были хищные динозавры теплокровными или холоднокровными, чья температура тела зависела от температуры окружающей среды – как у лягушек. Быстрота передвижения хищных динозавров, на что указывает строение их тела, считается доводом в пользу теплокровности этих ящеров, потому что холоднокровные пресмыкающиеся более медлительны.

– Хочу внести в этот научный спор свой вклад, – заявила Галатея. – Современные ящерицы – холоднокровные, а бегают очень быстро! Я как-то захотела подружиться с одной красивой синехвостой ящерицей, разбила коленку, опрокинула столик на веранде, но так и не догнала эту холоднокровную бестию. А ведь я – теплокровная. И даже очень!

– Это интересное научное наблюдение, – сказала Дзинтара, – спасибо, Галатея. Мир динозавров удивительно многообразен. Микрорапторы имели маховые перья не только на передних конечностях-руках, но и на задних лапах, тем самым они представляли собой четырехкрылых летающих динозавров.

У спинозавров были огромные длинные кости над хребтом, которые, вероятно, выступали у них над спиной как парус высотой в человеческий рост. Что это за парус? Охлаждающее устройство, как уши у зайца? Средство привлечения самок и запугивания врагов, как хвост у индюка? Аналогичные шипы существовали у акрокантозавров и других ящеров. А может, у динозавров эти шипы и паруса были просто погружены в мощный горб из мышц и жира, который служил дополнительной защитой от врагов? Были динозавры покрыты шерстью или перьями?

– Перьями? – удивилась Галатея.

– Да, последние исследования показывают, что спина даже такого ужасного хищника, как тираннозавр, вероятнее всего, была покрыта перьями.

– Это помогало им согреться холодными ночами! – решила Галатаея.

Троодоны, жившие 85–66 миллионов лет назад, были небольшими стройными динозаврами длиной более двух метров и высотой в метр, весом до 50 кг. Они имели острое бинокулярное зрение и крупный мозг, ходили на двух лапах и хорошо хватали добычу передними лапами. Могли бы троодоны или другие древние динозавры стать разумными существами, если бы их развитие не было прервано космической катастрофой? Можно ли восстановить хотя бы часть того ископаемого мира, используя гены современных птиц и пресмыкающихся?

Бесчисленные вопросы, на которые до сих пор нет ответов. А это значит, что будущим палеонтологам предстоит открыть немало интереснейших островов знаний в море древнего мира.

– Мама, когда мы поедем на пляж?

– Ты решила между развлечениями и купанием открыть какого-нибудь нового ископаемого дракона?

– Ну-у…

– А ты понимаешь, что для такой находки надо не только правильно выбрать место исследования, но и ходить на поиски долгие дни, месяцы, а то и годы? Первый скелет плезиозавра Мэри Эннинг нашла через двенадцать лет ежедневных поисков, второй – ещё через семь лет. Конечно, поиски окаменелостей доступны каждому – обычно для этого нужно только желание, терпение и хороший молоток. Но более мощная техника тоже бывает полезной. В 2011 году канадский шахтер Шон Фанк, работая на экскаваторе в угольной шахте, наткнулся на особенный камень, не похожий на обычные окаменелые остатки деревьев, которые нередко находил на протяжении двенадцати лет работы. Внимательный Фанк различил на прочной глыбе чёрные, коричневые и даже оранжевые пятна, образующие узор, напоминающий чешую. Он сообщил о своей находке, и Марк Митчелл, сотрудник Королевского Тиррелловского музея, пять с половиной лет извлекал из каменной глыбы древнего дракона нодозавра длиной в пять метров и весом в полторы тонны. В результате мы увидели не просто скелет, а самого окаменелого дракона – с мордой и шкурой. Шкура уцелела благодаря тому, что была покрыта прочными роговыми пластинами и огромными шипами, образующими настоящую броню. Нодозавр был травоядным ящером, которому такая защита очень помогала против хищных и голодных динозавров.

– В эпоху динозавров обычная бурёнка не выжила бы, – сказал Андрей. – Только бронированные коровы получали шанс на выживание.

– Ма-ам, ну давай выберем подходящий пляж с породами нужных возрастов… – заныла Галатея.

– Мы этим сами займёмся, – сказал Андрей. – Поищем информацию о самом лучшем пляже с окаменелостями, а потом попробуем уговорить маму поехать туда.

– Чего тут пробовать, – сказала Галатея. – Уговорим – и всё! А почему случались эти ужасные вымирания животных?

– Это ещё один вопрос, на который нет однозначного ответа. Были ли эти вымирания биосферы связаны с падениями крупных астероидов? Или с вулканическими извержениями, которые вызвали похолодание климата? Или похолодание климата было вызвано вулканическими извержениями, спровоцированными падением астероида? Вымирание, случившееся 66 миллионов лет назад и уничтожившее динозавров, обычно связывается с падением астероида диаметром около десяти километров, оставившего кратер Чиксулуб диаметром в 180 километров. Но даже в данном случае есть учёные, которые не согласны с таким заключением. Причины же вымираний, которые случились 252 и 201 миллион лет назад, тем более неясны, не говоря уж о более ранних подобных событиях. Есть доказательства, что в периоды этих вымираний активизировались вулканы. Они выбрасывали в атмосферу соединения серы – и в стратосфере возникал плотный слой мелких капелек серной кислоты. Он отражал приходящий из космоса солнечный свет, и поверхность планеты получала меньше тепла. Если извержения вулканов следовали одно за другим, что могло быть связано с расхождением материков, то климат Земли значительно менялся, отчего менялась и привычная биосфера.

Андрей сказал:

– Вымирания происходили каждые 50-100 миллионов лет, с момента последнего прошло 66 миллионов. Значит, в любой момент такое событие-вымирание может повториться?

– Да, и мы должны быть готовы к такому обороту событий. У нас есть то, чего нет у динозавров – разум. Мы способны заранее обнаружить и отклонить опасный астероид. Если вулканы являются причиной вымирания биосферы, то у нас вряд ли получится предотвратить их извержение, но мы сможем подготовиться и минимизировать ущерб от планетарной катастрофы.

– Лучше всего создать космические поселения! – предложила свой план Галатея.

– Как один из вариантов. Если мы не будем готовы к новым эволюционным испытаниям, то всё, что нам останется, – это звонить в службу спасения: 252-201-66.

– И там нам никто не ответит, потому что они все уже вымерли! – сказала Галатея.

– Да, поэтому лучше всего полагаться на собственный разум и силы.

Примечания для любопытных

Мэри Эннинг (1799–1847) – палеонтолог, активный собиратель окаменелостей. «Принцесса палеонтологии», которая первой нашла скелет плезиозавра, а также полные скелеты ихтиозавра и птеродактиля. Внесена в число десяти наиболее влиятельных британских женщин-учёных вместе с астрономом Каролиной Гершель (1750–1848), открывателем новых комет и туманностей, и Дороти Ходжкин (1910–1994), лауреатом Нобелевской премии 1964 года за исследование белков с помощью рентгеновских лучей и определившей молекулярную структуру пенициллина и витамина B₁₂.

Жорж Кювье (1769–1832) – французский натуралист, зоолог и палеонтолог. Один из семидесяти двух великих французских учёных, чьи имена написаны на Эйфелевой башне. В их числе Лагранж, Ампер, Беккерель, Кулон, Леверье и др.

Генри де ла Беш (1796–1855) – английский геолог и палеонтолог. Сын английского офицера, плантатора на Ямайке. Стал членом Королевского общества в 1819 году, возведен в рыцари в 1848 году. Президент Лондонского геологического общества в 1848–1849 годах.

Ричард Оуэн (1804–1892) – английский геолог и палеонтолог. Рыцарь-командор ордена Бани. В 1842 году ввел термин «динозавр», что в переводе с греческого означает «ужасный ящер». Написал серию статей про окаменелости, которые в 1884 году вышли сборником «История британских окаменевших рептилий».

Родерик Мурчисон (1792–1871) – шотландский геолог и путешественник, впервые описавший силурийский (444–419 млн лет назад), девонский (419–359 млн лет назад) и пермский (299–252 млн лет назад) геологические периоды. Награждён медалью Копли (1849) – высшей наградой Королевского общества Великобритании. Баронет.

Чарльз Лайель (1797–1875) – английский геолог, основоположник современной геологии. Рыцарь и баронет. Его именем назван кратер на видимой стороне Луны.

Адам Седжвик (1785–1873) – английский геолог, один из основателей современной геологии. Награждён медалями Волластона (1833) и Копли (1863).

Луис Агассиз (1807–1873) – швейцарско-американский биолог и геолог. Профессор Гарвардского университета. Награждён медалью Волластона (1836).

Бенджамен Мюдж (1817–1879) – американский геолог, палеонтолог и юрист, профессор Канзасского университета. Рьяный собиратель окаменелостей. Открыл диплодоков и ещё 80 вымерших видов животных и растений.

Сэмюэль Уиллистон (1851–1918) – американский палеонтолог, профессор Канзасского и Чикагского университетов. Нашёл первый скелет диплодока.

Отниэль Марш (1831–1899) – американский палеонтолог, выпускник и профессор Йельского университета, директор Музея натуральной истории при этом университете. Открыл около 400 неизвестных видов окаменелых животных, включая более 80 видов динозавров. Известен «Войной костей» с Эдвардом Копом.

Эдвард Коп (1840–1897) – американский палеонтолог, профессор Пенсильванского университета. Открыл около 600 неизвестных видов окаменелых животных, включая 56 видов динозавров. Автор 1400 научных работ. Член Национальной академии наук. Известен «Войной костей» с Отаниэлем Маршем.

Барнум Браун (1873–1963) – американский удачливый палеонтолог, открывший скелет Tyrannosaurus rex. Получил прозвище «Мистер Кости».

Генри Осборн (1857–1935) – американский палеонтолог, описавший тираннозавра Tyrannosaurus rex. Возглавлял Американский музей натуральной истории в Нью-Йорке в течение 25 лет. Награждён медалью Волластона (1926) и другими наградами.

– Именно поэтому у нас глаза и волосы разных цветов! – сказала торжествующе Галатея, и её яркие глаза вспыхнули.

– Да. Второй уровень понимания структуры ДНК означает знание того, за что отвечает в организме тот или иной участок ДНК или ген. Мы только приступили к расшифровке ДНК, и нас там ждёт масса удивительных открытий.

Но вернёмся к проблеме происхождения жизни. К XXI веку биологи пришли к выводу, что создание белков сразу из аминокислот нереально. Была предложена гипотеза РНК-мира, в котором сначала возникли РНК – молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые по структурным свойствам располагаются между белками и ДНК, но могут выполнять их функции. С одной стороны, РНК имеют такие же, как у ДНК, двухспиральные участки и могут передавать генетическую информацию, с другой – они, подобно белкам, могут сворачиваться в сложные пространственные структуры и катализировать биохимические реакции. Но РНК тоже достаточно сложная молекула. Может ли она возникнуть из смеси более простых органических молекул?

– Самозародиться! – подсказала Галатея.

– Верно. На этот вопрос ещё не получено убедительного и однозначного ответа, хотя первые опыты дали обнадёживающие результаты. Нужно учитывать, что в биологических средах существуют многочисленные механизмы самоорганизации, которые исследовал Илья Пригожин с сотрудниками. Алан Тьюринг, талантливейший математик, доказал, что в биохимических системах существует неустойчивость Тьюринга, которая приводит к возникновению различных структур и пятен.

– Как на шкурах животных? – спросила Галатея.

– Да. Эти механизмы самоорганизации играют важную роль в самозарождении жизни. Ряд исследователей полагает, что сначала возник естественный отбор в мире циклических химических реакций, что привело к ускорению биохимических процессов и возникновению РНК. Ещё совершенно не изучено, как из отдельных, пусть и сложных, молекул создать клетку, отгороженную от среды мембраной и способной к делению, то есть к размножению.

– Ты хочешь сказать, что учёные до сих пор не смогли синтезировать из неорганических молекул хотя бы одну живую клетку? – в восторге воскликнула Галатея. – Да это же отличная задачка – стать богом и создать новую жизнь из воды и глины!

– И получить за это Нобелевскую премию! – поддакнул Андрей.

– Да, загадка происхождения жизни далека от своего полного решения. Пока сделаны только первые шаги на этом пути – и там исследователей ждут невероятные открытия, удручающие разочарования и непрерывное удивление. Как сказал Холдейн: «Я подозреваю, что Вселенная не только страннее, чем мы себе представляем, но и страннее, чем мы можем представить».

– Решено! – Галатея ударила по столу крепким кулачком. – Становимся богами… то есть биологами – и создаём новую жизнь! Непременно сделаю себе ласковую говорящую кошку!

Примечания для любопытных

Аристотель (384–322 гг. до н. э.) – знаменитый древнегреческий философ, выдвинувший теорию самозарождения жизни. Ученик Платона, воспитатель Александра Македонского.

Франческо Реди (1626–1697) – итальянский врач и натуралист, который опроверг мнение Аристотеля о самозарождении жизни в гнилом мясе.

Александр Иванович Опарин (1894–1980) – советский биолог и биохимик, создавший теорию происхождения жизни из неорганических компонентов. Академик АН СССР.

Джон Холдейн (1892–1964) – английский биолог и философ, внёсший важный вклад в теорию происхождения жизни. Член Лондонского королевского общества (1932).

Стэнли Миллер (1930–2007) – американский химик, осуществивший в 1953 году, будучи студентом, знаменитый опыт Миллера-Юри по образованию аминокислот из неорганических веществ.

Гарольд Юри (1893–1981) – американский физик и химик. Лауреат Нобелевской премии по химии (1934) за открытие дейтерия – тяжёлого изотопа водорода.

Аминокислоты – органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы. Все они – кристаллические вещества, многие из них имеют сладкий вкус.

Белки – макромолекулы, состоящие из аминокислот и играющие ключевую роль в строении и функционировании живых организмов. Часто имеют чрезвычайно сложную пространственную структуру. За расшифровку аминокислотной последовательности белка инсулина Фредерик Сенгер получил Нобелевскую премию в 1958 году.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения; биополимеры, образованные остатками нуклеотидов. Примеры нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.

РНК – рибонуклеиновая кислота. Макромолекула, играющая важную роль в кодировании, прочтении и регуляции генов.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.

Ген – единица наследственности живых организмов, которая представляет собой участок ДНК.

Розалинда Франклин (1920–1958) – английский биофизик и рентгенограф, внёсшая важный вклад в изучение структуры ДНК.

Джеймс Уотсон (р. 1928) – американский биолог. Лауреат Нобелевской премии за 1962 год за открытие структуры молекулы ДНК.

Фрэнсис Крик (1916–2004) – британский биолог. Лауреат Нобелевской премии за 1962 год вместе с Уотсоном и Уилкинсом.

Морис Уилкинс (1916–2004) – английский физик и биолог. Лауреат Нобелевской премии за 1962 год «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живой материи».

Илья Пригожин (1917–2003) – бельгийский физик и химик российского происхождения, основатель теории самоорганизации. Лауреат Нобелевской премии по химии за 1977 год.

Алан Тьюринг (1912–1954) – выдающийся английский математик, оказавший глубокое воздействие на криптографию, логику и биологию. Один из основателей современной кибернетики. В 1950 году выдвинул идею эмпирического теста на разумность искусственного интеллекта. В честь учёного учреждена «Премия Тьюринга» – самая почётная премия в области информатики.

У птиц очень развит родительский инстинкт. Они неутомимо кормят своих птенцов и защищают их даже ценой своей жизни. Однажды, поздним вечером, в гнездо, которое пара сереньких птичек свила над самой дверью, забралась змея, которая задушила птичку и двух её птенцов. Осталось гнездо с тремя осиротевшими птенчиками. Чтобы спасти их от ночного холода и змеи, я снял гнездо и занёс его в дом. Но что с ними делать, я никак не мог решить, потому что выкормить трёх прожорливых птенцов привычной им едой – червяками – не представлялось возможным. Утром, выглянув из дому, я первым делом увидел серую птичку – отца семейства, который ночевал где-то поблизости и, прилетев с рассветом, не нашёл своего гнезда. Когда я вышел, он совсем не испугался, а, сидя совсем рядом на верёвочке, в упор, и, как мне показалось, свирепо смотрел на меня. Я забормотал что-то, извиняясь, и немедленно вернул гнездо на место. Смелый отец взялся выхаживать своих оставшихся детей – и выкормил их! Через месяц они улетели, оставив воспоминание о храброй маленькой птице, которая, защищая своих детей, была готова напасть на самое страшное и большое чудовище.

– Какой героический отец! – сказала удивлённо Галатея.

– К моему дому живые существа не только прилетают, но и приползают. Это змеи всех сортов, синехвостые и краснохвостые ящерицы, серые вараны и красные саламандры… Я их так называю, но могу и ошибаться в названиях, я не биолог. Нередко можно увидеть небольших черепах с жёлто-коричневым панцирем. Он устроен очень интересно: в случае опасности черепаха не только втягивает в панцирь голову и лапы, но и захлопывает заднюю и переднюю дверцы, превращая панцирь в бронированный сейф, который ни одна лиса не разгрызёт.

Лисы, конечно, тоже приходят к моему дому. Однажды лисёнок устроился на солнышке под самыми окнами и долго дремал там, как кот, дав себя спокойно сфотографировать. Иногда на полянке можно заметить сурка – крупного грызуна размером с небольшую собаку. Он очень любит копать норы и однажды решил устроить нору под домом, но начал неудачно, попробовав раскопать бетонный пол под верандой. Я услышал шум, вышел и долго отговаривал упрямого сурка от этой затеи, отправляя его копать в месте помягче.

Самые забавные зверьки – это еноты. Они прекрасно лазят по деревьям и заборам, и очень сообразительны. Однажды зимней ночью я ужинал и услышал стук в стеклянную дверь на веранде. Оборачиваюсь – за дверью стоит на задних лапах енот и стучит передними лапами в стекло, глядя в мою тарелку с пельменями. Звериная просьба была совершенно понятна. Немедленно была сварена новая порция пельменей и выставлена за дверь. Енот съел предложенный ужин и стал постоянным посетителем моей веранды. А я взял в привычку, не дожидаясь умилительных просьб, выставлять на улицу тарелку с какой-нибудь подходящей едой.

К этой тарелке стал наведываться и опоссум, который получил имя Марфутка. Это единственное сумчатое, которое можно найти в местных средних широтах. Это медлительный зверёк с четырьмя лапками и длинным голым хвостом, с помощью которого они ловко цепляются за ветви. Он может забраться на любой куст, крепко держась за ветки ладонями четырёх лап и хвостом. Получив вкусный кусочек, опоссум берёт его передними лапами и ест очень интеллигентно. Однажды енот и опоссум встретились возле тарелки с едой. Марфутка отступила назад, не стала бороться за пищу с шустрым енотом. А как-то енот пришёл к тарелке не один, а с подружкой. Енотиха активно навалилась на угощение, а енот оказался оттеснён от кормушки. Это явно поставило его в затруднительное положение: драться с подругой он определённо не хотел, но и закусить тоже был не прочь. Он глядел-глядел, как пустеет тарелка, а потом придумал такой ход: сел на задние лапы, повернулся к тарелке пушистым задом и стал медленно на неё надвигаться, решив таким беззубым, в прямом смысле мягким способом оттеснить прожорливую подружку от тарелки. Енотиха заторопилась, глотая куски и видя, как тарелка исчезает под пушистым задом. Еноту почти удался его трюк, но я, наблюдая за этой сценой сквозь стеклянную дверь, не выдержал – и расхохотался, чем спугнул эту уморительную парочку.

– Да уж, – засмеялась Галатея. – Острый конфликт между сердцем и желудком!

– Енот, удирая, с испугу решил забраться на дерево, но первым деревом на его пути оказалась стойка веранды. Забравшись по столбу до крыши, он понял, что попал в тупик, и ему пришлось спускаться, чтобы поискать убежище попривычнее.

Самые крупные травоядные, которые заглядывают ко мне, – это олени, рыжие летом и серые зимой. Оленята носят на шкуре симпатичные солнечные пятнышки. Наверное, они помогают им прятаться в солнечном лесу, где сквозь листья проникают лучи и делают всю землю пятнистой. Если подкармливать оленей, то их можно приручить, – наверное, так у древних людей и появились первые домашние животные.

Самый большой зверь, который приходит к моему дому, – это чёрный медведь. Он любит птичье зерно и вполне может угоститься булочкой – особенно если она с мёдом, – но вряд ли он готов за эту булочку стать домашним животным. Уж очень неприветливые у него глаза. Поэтому я держусь от медведей на безопасном расстоянии, глядя на них с высокой веранды.

Мир насекомых не менее интересен, чем мир крупных животных. Мы с внуком Лёвушкой недавно наблюдали ожесточённую битву паука с лесным клопом-вонючкой. Крупный паук поймал клопа в свою сеть, натянутую за оконным стеклом, и стал быстро обматывать паутиной, вращая его, как веретено. Но клоп ответил химической атакой, обрызгав паука вонючей струёй. Паук был ошарашен: он бросил клопа, отбежал от него на приличное расстояние и там замер. Было видно, как он трёт себя лапками, стараясь избавиться от химического клопиного оружия. В это время клоп пытался сбросить с себя паутину, дрыгая ещё свободными ногами. Это ему не удалось, и вскоре паук, вернувшись к активной жизни, расправился с клопом. Но всё равно было понятно, что химическое оружие лесных клопов дает им значительное преимущество в борьбе с врагами. Возможно, именно поэтому популяция лесных клопов-вонючек переживает расцвет.

– Фу! – только и сказала брезгливо Галатея.

– Конечно, если не ограничиваться одним местом, а отправиться в далёкое путешествие, то на нашей планете можно увидеть гораздо большее многообразие живых существ, хорошо знакомых всем по книгам и фильмам: львов, слонов, носорогов, жирафов, крокодилов, кенгуру, обезьян, китов, дельфинов, тюленей и пингвинов.

Эволюция прекрасно поработала над приспособляемостью различных животных. Вот верблюд – чудо приспособленности. У него на каждой ноге по два пальца с перепонкой – при ходьбе они растопыриваются, чтобы не проваливаться в песок. Ноздри снабжены мышцами, которые закрывают их при песчаных бурях. Тело сверху защищено от солнца густой шерстью, а ниже кожа почти обнажена и легко отдаёт тепло. Верблюды без труда едят самые жёсткие колючки. Почему у верблюда есть горб? Жир распределяется по телу обычного животного более-менее равномерно, но в жару это способствует перегреву. Поэтому верблюд концентрирует жир в горбе, а остальное тело легко остывает на жаре. На этом жировом запасе он может существовать очень долго. Верблюд выпивает перед путешествием много воды и держит её запас в желудке. Он может превращать в воду часть жира с горбов. Верблюды способны не пить в четыре раза дольше, чем ослы, и в десять – чем люди. К концу путешествия горбы превращаются в сморщенные мешки.

– Тут верблюду надо отдохнуть и взять отпуск для подкорма! – сказал Андрей.

– Ещё один пример хитроумного приспособления к среде представляет собой птица малео – лесная курица с индонезийского острова Сулавеси. Она живёт на склонах вулканов, поэтому сама не высиживает яйца, а закапывает их в песок, подогреваемый подземным теплом. Эти птицы используют могучий вулкан как обычный инкубатор!

Сухопутные черепахи дышат ртом и воздухом, а морские черепахи могут поглощать кислород из воды нёбом. Кожистые черепахи, самые крупные черепахи планеты, сделав кладку яиц на пляже, маскируют её, ползая по пляжу и имитируя огромное количество фальшивых кладок. Пусть кто-нибудь попробует найти, где в изрытом пляже закопаны черепашьи яйца!

Морские сверлильщики – двустворчатые моллюски – живут в мягких породах вроде известняков. Моллюск прикрепляется к прибрежной скале, омываемой волнами, а потом начинает её скрести своей ракушкой, вытачивая себе убежище – туннель до тридцати сантиметров длиной. Когда скала рушится от множества обитающих в ней сверлильщиков, то уцелевшим приходится искать новую скалу.

Илистый прыгун, обитающая в прибрежном иле рыбка около двадцати сантиметров длиной, сохраняет воду в жаберных камерах и дышит её кислородом, периодически возвращаясь в глубокую часть водоёма и обновляя запас воды. Значительную долю кислорода прыгун получает через влажные бока – и время от времени быстро перекатывается по илу, чтобы смочить кожу. Прыгуны ползают по илу, опираясь на плавники, как тюлени. А если им надо прыгнуть вперед, они сворачивают хвост кольцом и быстро распрямляют его как пружину – прыг! Некоторые виды прыгунов имеют спинные плавники, окрашенные в яркие цвета. Чтобы привлечь внимание самки, самец бьёт хвостом и прыгает высоко вверх, развернув плавник как знамя, демонстрируя свою красоту максимальному числу зрительниц.

– Наверное, именно так рыбы и вышли на сушу? – поинтересовалась Галатея. – Они сначала были как этот прыгун?

Рассказчик кивнул:

– Или как крокодилы, которые тоже неплохо себя чувствуют и в воде, и на суше. Но как бы ни были разнообразны животные других континентов, секретов у скромной природы, окружающей ваш дом, предостаточно. Например, весной в лужах появляются жёлтые разводы – это сосны рассеивают свою пыльцу. Мхи тоже отпускают свои споры на ветер. Этим же способом пользуются и грибы: шампиньон сбрасывает с пластинок своей шляпки сто миллионов спор в час, а созревшие дождевики выпускают споры в виде клубов дыма, по миллиарду спор за выброс. Орхидеи тоже полагаются на ветер: каждый цветок даёт три миллиона семян. У этих мелких семян нет питательных запасов, они прорастают, только попав на поверхность определённого вида гриба, который и предоставляет им среду для роста. Заботливый одуванчик снабжает свои семена питательными веществами, поэтому они становятся слишком тяжелы для ветра. Чтобы придать им летучесть, одуванчик прикрепляет к каждому семечку пушинку: на этом парашютике семечко легко летит по ветру. Паучки тоже используют попутный ветер, чтобы перебираться с места на место: они выпускают паутинку, и когда она становится достаточно длинной, ветер подхватывает её вместе с хозяином – и несёт их вдаль, в новые места.

Любой ручеёк или пруд представляет собой интереснейшее сообщество различных животных. В соседнем пруду я наблюдаю и тритонов с икрой, и лягушек, и рыбок. Личинки ручейника облепляют себя склеенными песчинками и веточками, чтобы их не съели рыбки, и ползают по дну ручьев в поисках еды. Если еды мало, то некоторые виды ручейников плетут «рыболовные» сети из паутины, чтобы успешнее самим кого-нибудь съесть. Совершенно особый мир расположен на границе воды и воздуха. Водомерки бегают по поверхности пруда, используя силы поверхностного натяжения воды.

– Что эта за сила? – спросила Галатея.

– Молекулы воды притягивают друг друга. На поверхности они притягиваются к общему массиву воды сильнее, чем обычные молекулы внутри капли, поэтому там образуется что-то вроде упругой плёнки. Ею и пользуются многие мелкие животные. У водомерок лапки покрыты водоотталкивающим воском. Они бегают по поверхности воды, как по льду. Ногохвостки, членистоногие размером с булавочную головку, почти целиком покрыты воском и тоже не проваливаются сквозь плёнку. Но они очень легки, и чтобы их не унёс ветер, на брюшке у них имеется не покрытый воском шип. Этот шип вонзается в водяную плёнку и держится за неё, как якорь.

Поверхностная плёнка воды представляет собой ловушку для других, не привычных к ней, насекомых. Они падают в неё, прилипают, и тут на них налетают местные хищники – те же пауки, что сидят на берегу, опустив в воду пару лап и слушая вибрации плёнки. Чу, заколебалась плёнка, значит, кто-то попал в ловушку! Пора пообедать! Кто первый добегает до добычи, тот вытаскивает её из воды, чтобы она перестала волновать плёнку и созывать конкурентов. Вот сейчас и поедим…

– Неужели все обычные насекомые, попав в воду, оказываются совершенно беззащитными? – ужаснулась Галатея.

– Нет, среди них есть очень изобретательные хитрецы. Например, камфарный жук, залетев в воду, спасается от водомерок и пауков, выпуская из брюшка особое вещество, которое уменьшает притяжение между молекулами. В результате задняя часть жука проваливается в воду, задние лапки начинают работать как весла, а передняя часть тела держится на плёнке, не давая ему утонуть. Камфарный жук как катер устремляется к берегу, умело управляясь с поверхностной плёнкой, и благополучно достигает безопасной суши.

Поверхностная плёнка воды – это своеобразный Интернет, среда для передачи информации. Жуки-вертячки крутятся, посылая во все стороны вибрации и получая информацию об окружающих препятствиях и береговой линии. Водомерки трясут плёнку особым образом, сообщая, что готовы к спариванию. Целый двухмерный мир расположен на границе воды и воздуха.

– И чем-то он похож на человеческий, – мрачновато сказал Андрей.

– Наша планета удивительна по многообразию живущих на ней биологических видов. Это огромное поле деятельности для биологов. Многие животные обладают способностями, которые нам бы очень пригодились, достаточно вспомнить о таланте ящерицы, отращивающей свой потерянный хвост, или о способности многих животных к гибернации и сну по полгода. А долголетие черепах? Хорошо изучив животных и самого человека, который тоже относится к животному миру, мы сможем найти пути к продлению нашей жизни, сделаем людей более здоровыми и счастливыми.

Но главную проблему, которая стоит перед биологами и экологами, можно сформулировать так: как сохранить многообразие и богатство биосферы Земли? Ежегодно открывается большое количество новых видов животных и растений, но многие виды необратимо вымирают за это же время.

Дзинтара кивнула головой:

– При плохом варианте развития событий биологам скоро будет нечего изучать!

Сказочник улыбнулся:

– Я не биолог, я просто житель планеты Земля, который получает огромное удовольствие от соседства с другими живыми существами. Конечно, нужно соблюдать осторожность и со змеями, и с медведями, которые не знакомы с человеческой аксиомой, что человек – вершина эволюции. Но любые звери не опаснее людей, настроенных агрессивно. Мне очень хочется, чтобы эта планета сохранила свой неповторимый живой облик, и чтобы наши потомки смогли насладиться нашей прекрасной Землёй.

Рассказчик кивнул на своего внука, который нашёл пульт от телевизора и сосредоточенно его изучал, тыкая пальцем во все кнопки по очереди. Потомок Лёвушка поднял голову и очаровательно улыбнулся на все восемь имеющихся у него молодых зубов.

Статья с описанием этого впечатляющего эксперимента была опубликована в Австралийском медицинском журнале в 1984 году, но вызвала скепсис в мировом сообществе медиков. Маршалл говорил: «Все были против меня, но я знал, что прав». Только в 1994 году Национальный институт здоровья США признал, что язва желудка вызывается не нервной жизнью, а бактериальной инфекцией, для излечения которой не нужно разрезать пациента, а достаточно пару недель принимать таблетки. Статья Маршалла и Уоррена стала самой цитируемой статьёй австралийского медицинского журнала. В 2005 году Маршалл и Уоррен получили за свою работу Нобелевскую премию по медицине, а миллионы людей, страдающих от гастрита и язвы желудка, получили чудо-лекарство, которое стало вылечивать их без вмешательства хирургического ножа.

– Видишь, мама, какой прогресс в медицинском сообществе, – сказал Андрей, – Маршалл и Уоррен не умерли в сумасшедшем доме, и не сразу, но были награждены Нобелевской премией.

– Согласна, – сказала Дзинтара. – Но сколько миллионов людей не было бы разрезано, а то и зарезано на хирургических столах, если бы медицинское сообщество не держалось так крепко за ложные теории, а честно исследовало альтернативные гипотезы. Впоследствии выяснилось, что спиралевидную бактерию, которая вызывает язву желудка, находили начиная с 1875 года немецкие, итальянские, польские и российские исследователи. Ещё в XIX веке было высказано предположение, что эта спиралевидная бактерия связана с болезнями желудка, но её не удавалось развести в лабораторных условиях, поэтому эти открытия проходили бесследно для медицины, которая вдобавок не верила в желудочные бактерии.

– Язву желудка не лечили антибиотиками, потому что не знали о природе этой болезни. Но в целом после открытия пенициллина врачи успешно борются с бактериями, – сказал Андрей.

– Верно, но оказалось, что эта победа над бактериями не может быть окончательной. Популяции бактерий под воздействием антибиотиков стали изменяться, становясь всё более устойчивыми к лекарствам. Поэтому исследователи всё время ищут новые и новые антибиотики. А ведь есть ещё вирусные инфекции, которыми вызывается, например, грипп. Вирусы не поддаются антибиотикам, и от них каждый год страдает множество людей на нашей планете. Малярия вызывается мельчайшими паразитами в организме, и до сих пор не изобретено чудо-лекарства или чудо-прививки, которые бы в корне уничтожили эту болезнь, а ведь от неё страдают сотни миллионов людей в Азии и Африке, и множество детей умирает каждый год.

Так что перед медиками-исследователями простирается огромное поле деятельности по открытию чудо-лекарств.

Кроме того, есть болезни, которые связаны не с инфекциями, а с генетическими проблемами организма. Например, смертельная болезнь диабет развивается, когда поджелудочная железа человека не вырабатывает особый гормон – инсулин, который помогает организму усваивать сахар и выполнять ряд других важных операций. Двое канадских врачей и физиологов, Фредерик Бантинг и его ассистент Чарльз Бест, сумели выделить инсулин из животных и доказали, что введение его людям спасает их от диабета. Сейчас миллионы людей с диабетом ведут нормальный образ жизни, делая себе инъекции чудо-лекарства инсулина. В 1923 году Бантинг получил за эту работу Нобелевскую премию. В своей нобелевской речи он подчеркнул роль Чарльза Беста и отдал ему половину премии.

Поиск лекарств, воздействующих на тот или иной процесс в организме человека или бактерии, веками вёлся бессистемно: исследователи просто брали и пробовали в качестве лекарств всё, что попадалось под руку – от плесени до ртути. Если препарат доказывал свою эффективность, то становился общепринятым лекарством. После того как биохимики и биофизики сумели расшифровать структуру многих белков и вирусов, возникла идея: а нельзя ли проектировать лекарства с помощью физических моделей квантовой механики и компьютерных расчетов? Если заранее вычислить строение молекулы лекарства, которая подходит к структуре молекулы-мишени как ключ к замку, то синтезировать такое лекарство будет гораздо проще, чем создавать его наугад. В медицине и биологии появилось целое новое направление: предсказание структуры белков и компьютерный дизайн лекарств.

Список чудо-лекарств, которыми обладает современная наука, велик, но далеко не закончен. Однако рано или поздно их наберётся столько, что возникнет вопрос: а нельзя ли с помощью лекарств избавить человека от всех болезней, в том числе от старости, которая тоже может рассматриваться как болезнь?

– Мама, ты говоришь о бессмертии? – спросила Галатея.

– В общем-то да, – кивнула Дзинтара. – Но бессмертие – это настолько увлекательная штука, что его стоит обсудить отдельно.

Примечания для любопытных

Игнац Земмельвейс (1818–1865) – венгерский врач-акушер, профессор, один из основоположников асептики.

Асептика – комплекс мероприятий, предотвращающих попадание микроорганизмов в рану и предупреждающих нагноение. Антисептика – комплекс мероприятий, направленных на уничтожение микроорганизмов в ранах, в больном органе или во всём организме.

Барри Маршалл (р. 1951) – австралийский врач, открывший бактериальную природу язвы желудка. Лауреат Нобелевский премии по медицине за 2005 год.

Робин Уоррен (р. 1937) – австралийский врач, переоткрывший хеликобактерию и установивший вместе с Барри Маршаллом природу язвы желудка. Лауреат Нобелевский премии за 2005 год.

Фредерик Бантинг (1891–1941) – канадский врач и физиолог, один из открывателей инсулина. Лауреат Нобелевский премии за 1923 год.

Чарльз Бест (1899–1978) – канадский врач и физиолог, один из открывателей инсулина.

Вирусы, которые даже не являются живыми организмами, а представляют собой достаточно сложные молекулы, оказываются умелыми механиками, которые «знают», каким способом вскрыть прочную оболочку клетки и проникнуть внутрь – для размножения. Помешать им опять-таки можно, только разобрав в деталях механизм проникновения вируса в клетку…

– После чего вставить палку в колесо этого механизма! – сказал мрачно Андрей, который только недавно переболел гриппом.

– Каждая клетка человеческого организма похожа на самостоятельный город-крепость с эффективной организацией подвода ресурсов и отвода отходов. У него есть управляющий центр и стены, дороги и полицейские. Этот город даже может самовоспроизводиться, делясь пополам и образуя две полноценные клетки. По трубчатым шоссе этих городов плывут в нужном направлении сложные молекулы и деловито катятся шарообразные автомобильчики, побуждаемые к движению не моторами, а своеобразными ногами, которые, поочерёдно отталкиваясь от поверхности трубки, толкают автомобильчик вперед.

– Автомобильчики в живой клетке? – не поверила своим ушкам Галатея.

– Да, клетка полна наномашин – механических устройств, которые состоят из отдельных молекул. Мы можем лишь мечтать о создании механизмов такого размера и такой эффективности. Для передвижения биологические наномашины могут использовать электрический мотор, который вращает жгутик у многих бактерий и превращает их в микроскопические подводные лодки. В клетке-крепости есть центральный замок – ядро, в котором хранится генетическая библиотека, есть вокзалы или сортировочные станции, где внутриклеточные транспортные средства разгружаются, а груз отправляется дальше, строго по назначению. Специальные колонны поддерживают прочные стены, позволяющие проходить в город полезным обитателям, но защищающие его от врагов. Среда внутри города отличается от внешней: она подобрана так, чтобы обитателям города было комфортно жить и трудиться. Внутри города есть несколько фабрик. На одних вырабатывается энергия, запасённая в виде специальных молекул, на других создаются необходимые для клетки сложные молекулы. Процесс создания новых молекул, которые, например, нужны для роста клеточной стенки, просто захватывает дух: различные органеллы клетки сближаются, обмениваются информацией и соединяются, чтобы произвести нужную молекулу, а потом снова расходятся по своим делам.

Отдельные клетки объединяются в органы и в организм, в котором всё устроено очень сложно, но не менее целесообразно. Человек – это супермашина, состоящая из множества клеток-городов, наполненных нано-машинами. В организме человека есть стражи, которые защищают его от внешних инфекций, ремонтники, которые залечивают полученные повреждения, а также множество полезных бактерий-симбионтов, помогающих жизнедеятельности человеческого организма.

Строки из учебников по биологии, описывающие жизнь города-клетки и всего организма, напоминают дневник человека, попавшего в город инопланетян, которые значительно превосходят нашу цивилизацию. Он старательно описывает, что происходит вокруг, практически не понимая – почему и как это происходит.

– Это очень хорошо, – сказала Галатея. – Иначе нам нечего было бы исследовать! Мы найдём интегро-дифференциальные уравнения, которые хорошо описывают не только сбор ягод, но и весь наш организм. Мы непременно решим их и найдём формулу бессмертия!

Примечания для любопытных

Жюльен Ламетри (1709–1751) – французский врач и философ эпохи Просвещения. Поразительно умный и прозорливый мыслитель, увидевший в человеке сложную, но познаваемую машину.

Вито Вольтерра (1860–1940) – итальянский математик и физик. Успешно применил методы математики для исследования биологических систем, в частности систем «хищник»-«жертва».

Альфред Лотка (1880–1949) – американский математик и демограф. Соавтор модели Лотки-Вольтерра в области динамики биологических популяций.

– Значит, ему не понравилось, что заслуги другого математика были несправедливо проигнорированы! – сказал Андрей.

Математик Громов сказал, что понимает Перельмана: «Для великих дел необходим незамутнённый разум. Ты должен думать только о математике. Всё остальное – людская слабость. Принять награду означает проявить слабость».

Отказ от миллиона долларов сделал Григория Перельмана ещё более знаменитым. Очень многие просили Перельмана получить эту премию и отдать им, потому что ему деньги не нужны, а им требуются просто позарез. Но он не ответил этим людям, потому что был занят другими, более важными делами. Возможно решением интересных ему новых математических проблем. До сих пор доказательство Григорием Перельманом теоремы Пуанкаре остаётся единственным решением задачи из списка тысячелетия.

– То есть никто пока не решил остальные шесть задач из того списка?! – воскликнула Галатея. – Отлично! Мама, а какие ещё проблемы есть в этом списке тысячелетия?

– Я не уверена, что смогу квалифицированно ответить на этот вопрос, – покачала головой Дзинтара. – Но с одной из этих нерешённых проблем я знакома. Движение вязкой жидкости, даже турбулентное, описывается системой сложных дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Сейчас известны аналитические решения этих уравнений только в простых случаях. Тот, кто докажет, что у этой системы уравнений всегда существуют гладкие аналитические решения, решит ещё одну задачу тысячелетия.

– И получит возможность отказаться от миллиона долларов! – сказал Андрей. – Если, конечно, захочет.

– Я хочу, – сказала Галатея. – В смысле, заняться этой задачей тысячелетия.

– Тогда тебе надо поторопиться, потому что ходят слухи, будто Григорий Перельман уже над ней работает. Что же, решив великую проблему, вряд ли стоит размениваться на более мелкие.

Решив задачу тысячелетия, Перельман стал математиком номер один в мире, хотя он и отказался от контактов с коллегами. Очевидно, что ему не нравилось отсутствие свободы в современном научном сообществе, где молодой учёный попадает в зависимость от пожилых авторитетов – от их рекомендаций, от их стремления пересматривать приоритет в научном открытии не в соответствии с научным вкладом тех, кто его совершил, а в зависимости от их влиятельности и авторитета. Отметим, что новые труды часто отменяют множество старых работ, что закономерно приводит к негативной реакции учёных старшего поколения на дерзкие результаты молодёжи. В девятнадцатом веке в Европе не было рабства, но служанки в богатых домах были крайне бесправны. Если они вызывали гнев хозяев, то лишались их рекомендации, без которой найти новую работу было практически невозможно. Современному учёному для устройства на работу требуется не одна, а как минимум три рекомендации, а иногда университеты требуют пять или даже семь рекомендательных писем. Поэтому молодые учёные быстро отучаются спорить и настаивать на своей точке зрения – иначе им не получить ни работы, ни грантов.

– Значит, современные учёные оказались бесправней гувернанток позапрошлого века? – удивилась Галатея. – Почему же они не соберутся и не придумают, как дать свободу молодым?

– Потому что в науке всё решают пожилые авторитеты. Дать свободу молодым означает для них потерю влияния в сообществе и сокращение финансирования собственных, нередко бесполезных исследований. Очень много выдающихся результатов в науке получено одиночками, которые не входили в структуру современной им науки. Таким был Эйнштейн, который, работая клерком в патентном бюро, создал теорию относительности, разработал теорию фотоэффекта и принцип работы лазеров. Таким стал Перельман, который пренебрёг правилами поведения в научном сообществе и достиг при этом максимальной эффективности своей работы, доказав гипотезу Пуанкаре.

Математику называют «царицей наук». Именно возможность математического подтверждения теории стала одним из важнейших критериев её научности. Конечно, математических моделей развито гораздо больше, чем открыто физических законов – и это создает значительную проблему: многие физики увлеклись созданием математических моделей, которые, как они считают, описывают реальные явления, хотя никаких экспериментальных подтверждений этого мнения не существует. Таким образом, многие нынешние физические фундаментальные теории всё ещё являются чистой математикой – красивой, но ничем не подтверждённой.

Математика постепенно проникает в самые разные области человеческого знания – даже в такие, как биология и психология. И вот однажды математика стала основой самой смелой и дерзкой попытки: заглянуть в будущее.

Тысячелетиями люди мечтали открыть способ заглянуть в грядущее, предсказать предстоящие события – и, конечно, подготовиться к ним.

На протяжении многих веков гадалки, жрецы-авгуры и астрологи пытались увидеть будущее, используя для этого картину звёздного неба, внутренности жертвенных животных, священные книги и всевозможные приметы.

– Но они же всё предсказывали неправильно, – сказала Галатея. – Почему люди верили им так долго?

– Иногда они попросту угадывали, что произойдёт. Но самое главное – получив поддержку предсказателя, люди чувствовали себя увереннее и легче достигали цели. Психологическое плацебо – лекарство, которое само по себе не действует, но помогает самовнушению.

Но можно ли заглянуть в будущее по-настоящему, с помощью научных и математических методов?

Однажды лошадь очень устала. Обычная пегая лошадь, тянувшая по рыхлому первому снегу тяжёлые сани с брёвнами. И вот сани подъехали к железнодорожному переезду. Хозяин лошади был не очень сообразительным человеком и не понимал, что по стальным рельсам полозья саней скользят плохо и сани могут остановиться на переезде. Так и оказалось: усталая лошадь вытащила сани на рельсы и, обессиленная, остановилась, не в силах двинуть застрявший воз. Это случилось как раз перед скорым поездом, в котором ехала императорская семья. Император был миролюбивым правителем, который прославился тем, что за время его правления страна не участвовала ни в одной войне. Натолкнувшись на сани с брёвнами, поезд сошёл с рельсов. Спасая семью, император на своих плечах держал крышу разваливающегося вагона, надорвал здоровье и умер, не дожив до пятидесяти лет. Его наследник был слабовольным человеком, не способным эффективно управлять огромной империей. Он постоянно ввязывался в неудачные войны, а они заканчивались революциями. Доведя страну до кризиса, новый государь отрекся от престола, чем толкнул империю в гражданскую войну. История огромной страны изменилась, что повлекло за собой перемены во всем мире. А началось всё с усталой лошади и её придурковатого хозяина.

История не любит сослагательного наклонения, но что бы было, если император не попал бы в крушение поезда и правил ещё лет двадцать? История мира могла бы сложиться иначе.

В литературе возникло даже целое направление – альтернативная история. В его произведениях рассказывается о мирах, где не случилось того, что реально произошло в нашем мире. А в некоторых научно-фантастических книгах описывается наука, способная рассчитать альтернативные варианты будущего, которое ещё не осуществилось. Следовательно, им можно управлять, например, рассчитав желательный вариант будущего развития и предсказав условия, при которых оно может реализоваться. Конечно, ни одна из математических моделей не сможет учесть усталость лошадей или невнимательность машиниста поезда, поэтому все предсказания будут вероятностными. Но есть факторы (например, рост населения, скорость использования природных ресурсов и их количество), которые слабо зависят от воли отдельного человека и могут стать важными переменными в будущей модели развития человеческой цивилизации.

Учёный и писатель Айзек Азимов написал научно-фантастический роман «Основание» о возможности математического предсказания будущего. В одной из его глав описывается суд над учёным, который предсказал крушение галактической империи Трантор и одновременно нашёл способ, как изменить будущее к лучшему:

«– Я уже говорил и вновь готов повторить, что через пятьсот лет Трантор будет лежать в руинах.

– А вам не кажется, что подобное утверждение можно расценить как нелояльное?

– Нет, сэр. Научная истина не имеет отношения к лояльности или нелояльности.

– И вы уверены, что ваше утверждение – научная истина?

– Да.

– На каком основании?

– На основании математических расчетов, сделанных мною как психоисториком.

– …Можно ли изменить будущее всего человечества?

– Да.

– С лёгкостью?

– Нет. С большим трудом… Психоистория может не только предсказать крах Империи, но и сделать соответствующие выводы относительно последующих тёмных веков. Империя, как здесь говорилось, просуществовала двенадцать тысячелетий. Грядущие тёмные века продлятся не двенадцать, а тридцать тысяч лет. За период, предшествующий возникновению второй Империи, сменится тысяча поколений страждущего человечества. Мы не должны этого допустить».

– Да я бы всё отдала за возможность увидеть будущее! – сказала восторженно Галатея. – А то ведь даже о завтрашнем дне ничегошеньки не знаешь и вечно попадешь в неприятности.

– В научно-фантастическом романе «Теория катастрофы» (второй том трилогии «Астровитянка») колоритный профессор Ван-Теллер говорит своим ученикам: «Жестокая тайна нашего мира состоит в том, что земной цивилизацией никто не управляет. Политики тупы и не заглядывают дальше срока своих выборов. Паровоз человеческого общества летит вперёд на всех парах, но у него нет машиниста. Мы мчимся в будущее, закрыв глаза, не зная дороги вперёд ни на век, ни на десять лет. Ждёт ли нас за поворотом пропасть без моста? – никто и не пытается узнать. Ясно одно: от грядущих катастроф нас не спасут молитвы и волшебники… Отбросим политические иллюзии! Мировые правительства похожи на детей в песочнице – они сидят в мокрых штанах и лупят друг друга лопатками по голове».

В этом романе описывается общество, где технология предсказания будущего становится реальной силой, за овладение которой борются центры мировой власти. Лектор рассказывает школьникам об управлении будущим: «Повернуть историю просто: достаточно понять – какое изменение в настоящем мы должны осуществить, чтобы получить нужное нам будущее… Главная трудность фьючермоделирования – проблема хаотичности, нестабильности социологических процессов. Аналогичная сложность существует в атмосферных течениях – их плохая предсказуемость хорошо известна метеорологам… Эта стохастичность выражается в неизбежном расщеплении пучка эволюционных траекторий, разбегание которых характеризуется показателем Ляпунова… Чем быстрее расходятся пути грядущего, тем короче срок возможных предсказаний. Но даже в турбулентной атмосфере есть свои инварианты и законы… Будущее – это и цель, и оружие. Знание вариантов грядущих событий может принести огромную пользу для игроков на мировой арене. Как практически управлять историей? Кто получит эту власть над будущим?.. Кто сможет целенаправленно воздействовать на будущее, тот будет править миром. История сменяет генетику на посту важнейшей из наук».

– Здорово! – сказал Андрей. – Управлять историей с помощью уравнений.

– Но не только фантасты обсуждают расчет будущего. Это становится респектабельной темой для математиков и социологов. Американский профессор Джей Форрестер опубликовал в 1971 году книгу «Мировая динамика», которая стала событием в науке. В этой книге обсуждалась «системная динамика», объектом моделирования для которой был весь мир в целом. В своей книге Форрестер удивляется, что из-за незнания социальных систем мы отказываемся математически моделировать развитие общества, но не боимся принимать новые законы и правительственные программы. Форрестер с сотрудниками построил компьютерную модель мировой цивилизации, для которой в качестве переменных выступали население мира, деньги, природные ресурсы, сельское хозяйство, уровень загрязнения. Модель Форрестера предсказывала на 2050–2060 годы мировой кризис с резким сокращением населения Земли и ростом экологического загрязнения.

– Это же совсем скоро! – ужаснулась Галатея.

– Автор отмечал: «Вполне возможно оказаться в такой ситуации, когда продолжение процесса индустриализации может привести к сокращению населения из-за загрязнения, в то время как прекращение индустриального процесса будет означать сокращение населения из-за недостаточной технической оснащённости общества».

Конечно, таким достаточно простым моделям доверять трудно, но впечатляет сам факт того, что математические уравнения в принципе могут предсказать будущее цивилизации на сотню лет вперед. Вероятно, область математического моделирования будущего отдельных стран и всей планеты в целом станет одной из самых актуальных тем для научных исследований в XXI веке. Форрестер писал о перспективах этой темы: «Я считаю, что за следующим горизонтом человечества лежит более глубокое понимание природы наших социальных систем».

В России эту тему активно развивал Сергей Петрович Капица, который в сотрудничестве с С. П. Курдюмовым и Г. Г. Малинецким опубликовал книгу «Синергетика и прогнозы будущего». В ней авторы обсуждают математическое моделирование истории и стратегическое планирование будущего человечества. Они предлагают создать новую науку: теоретическую историю, которая предсказывала бы развитие общества на 10-1000 лет вперед. Например, они рассматривают модели, которые делают сильный прогноз о стабилизации населения планеты на уровне 14 миллиардов.

– Что такое сильный прогноз? – спросил Андрей.

– Сильный прогноз говорит о том, что случится, а слабый прогноз – о том, чего наверняка не произойдёт в данной системе. Эту прогностическую науку другие специалисты называют «клиометрией»…

– Клио была музой истории! – не удержалась, чтобы не похвастаться своими знаниями античной мифологии, Галатея.

– …или «количественной историей», или «исторической механикой». Она ставит перед собой задачу научного прогнозирования будущего. Авторы пишут: «Чтобы описывать развитие огромной страны с помощью 4–5 переменных (или даже 100), нужна большая интеллектуальная смелость и глубокое понимание существа дела». Трудностей в новой науке не счесть. Например, авторы отмечают «парадокс планировщика»: «То, что прекрасно на временах 5–7 лет, может оказаться далеко не лучшим решением на временах порядка 10–20 лет и гибельным на временах 40–60 лет». Ещё одной проблемой моделирования человеческого общества является «эффект джокера» – появление в системе случайного или непредсказуемого фактора, который скачком меняет развитие системы.

– Как сани на рельсах! – мрачно сказал Андрей.

– Верно. Система такой сложности, как общество, будет хаотична и нестабильна по очень многим параметрам. Поэтому авторы обсуждают проблему «управления хаосом», а также затрагивают книгу «Философия нестабильности», которую написал Илья Пригожин, один из создателей современной теории самоорганизации различных систем. Критическими моментами в развитии любой системы являются точки, в которых эволюционные пути расходятся. Все знают бесчисленные истории о том, как сказочный герой стоит в раздумье на перекрёстке трёх дорог и раздумывает, какую из них выбрать и стоит ли пугаться написанным на камне предостережениям. Страны и мир тоже бывают на перепутье. Авторы книги «Синергетика и прогнозы будущего» отмечают роль личности в критических точках: «Именно в точке бифуркации есть место для великих. Для тех, кто начинает, закладывает основы, выбирает новые пути, а не для тех, кто развивает, совершенствует, продолжает».

– Что такое бифуркации? – спросила Галатея.

– Это когда путь эволюции системы раздваивается. Так рыцарь, колеблясь, стоит на развилке дороги. Куда он повернёт – налево или направо? Выбор пути – это выбор судьбы. И когда судьба в нерешительности останавливается перед точкой бифуркации, на выбор пути может повлиять любая мелочь. В точках бифуркации система становится очень чувствительной к внешнему воздействию.

Математической основой для попыток предсказания будущего является теория катастроф, которая изучает поведение системы в точках бифуркаций. Термин «теория катастрофы» ввели математики Рене Том и Кристофер Зиман. Он означает резкую перестройку системы при изменении какого-то параметра. В развитие теории катастроф внесли свой вклад многие выдающиеся математики, включая Владимира Арнольда. Чтобы проиллюстрировать поведение системы при таких перестройках, Зиман изобрел «машину катастроф Зимана» из кружочка на оси и пары карандашей с резиновыми нитями.

– Хочу такую машину! – заявила Галатея.

– Сделаем, – успокоил её брат, указывая пальцем на картинку, где была изображена простая конструкция, генерирующая катастрофы.

– Математики выделили семь основных катастроф, которые они назвали: катастрофы складки и сборки; катастрофы ласточкиного хвоста и бабочки; эллиптическая, гиперболическая и параболическая омбилики.

– Назову-ка я своего котенка Омбиликой, – решила Галатея. – Все соседские кошки умрут от зависти.

– Теория катастроф нашла многочисленные применения в различных областях прикладной математики, физики, а также в экономике. С её помощью исследуют устойчивость судов и упругость конструкций, фазовые переходы и закипание перегретой жидкости, эмбриологию и дифференцировку клеток, а также бистабильность восприятия, когда один и тот же рисунок может восприниматься по-разному.

– Я знаю такие рисунки, – сказала Галатея. – Там непонятно – нарисована ваза или два профиля носами друг к другу?

– Впадение системы в хаос описывают как последовательность многочисленных бифуркаций, которые делают поведение системы практически непредсказуемым. Оптика, например рассеяние света в горлышке бутылки или в бокале, дает массу иллюстративного материала к теории катастроф. Эта теория даже попробовала описать тюремные бунты – на примере беспорядков в тюрьме Гартри в 1972 году. Учёные описали волнения заключённых как функцию двух переменных: напряжённости и разобщённости. После первых бунтов учёные стали замерять эти параметры и сверять с теорией. Теория предсказала линию, пересечение которой грозит беспорядками, – и действительно, при таком пересечении в тюрьме реально произошёл новый бунт.

Математика быстро прорастает в различные области химии и биологии, экономики и психологии, социологии и истории. Безусловно, нас ждёт расцвет математических моделей, компьютерных прогнозов и теоретической истории. Потому что тот, кто сможет рассчитывать будущее, будет править миром.

Примечания для любопытных

Александр Михайлович Ляпунов (1857–1918) – российский математик и механик, создавший теорию устойчивости решений дифференциальных уравнений. Академик Петербургской академии наук. В честь математика был назван астероид 5324, открытый крымским астрономом Людмилой Карачкиной.

Эварист Галуа (1811–1832) – французский математик, основатель современной высшей алгебры. В его честь назван кратер на обратной стороне Луны.

Пьер Ферма (1601–1665) – французский математик-самоучка, один из создателей аналитической геометрии и теории чисел. В 1637 году сформулировал Великую теорему Ферма – самую знаменитую математическую загадку всех времён. В его честь назван кратер на видимой стороне Луны.

Эндрю Уайльс (р. 1953) – английский и американский математик, доказавший Великую теорему Ферма в 1994 году. Рыцарь-командор Ордена Британской империи (2000). Награждён премией Вольфа (1996), премией Шао (2010) и премией Абеля (2016).

Григорий Яковлевич Перельман (р. 1966) – знаменитый математик, доказавший гипотезу Пуанкаре – одну из семи «проблем тысячелетия». Отказался от Филдсовской премии, членства в Академии наук России и других наград. В честь него назван астероид (50033) Перельман.

Ричард Гамильтон (р. 1943) – американский математик, профессор Колумбийского университета. Впервые ввел в рассмотрение «потоки Риччи», которые стали основой для доказательства гипотезы Пуанкаре. Лауреат премии Шао (2011).

Джей Форрестер (1799–1847) – американский профессор, создатель первой математической модели земной цивилизации, которая предсказала глобальный кризис в середине XXI века.

Рене Том (1923–2002) – французский математик, создатель теории катастроф. Лауреат Филдсовской премии, высшей награды математиков.

Кристофер Зиман (1925–2016) – британский математик, известный работами в области топологии и теории катастроф. Лауреат медали Фарадея.

Владимир Игоревич Арнольд (1937–2010) – один из крупнейших математиков XX века, внёсший огромный вклад в целый ряд областей математики и механики.

Академик РАН.

Сергей Петрович Капица (1928–2012) – советский и российский физик, сын выдающегося советского учёного Петра Капицы. Видный популяризатор науки. В его честь назван астероид (5094) Серёжа, открытый астрономом Людмилой Карачкиной.

Сергей Павлович Курдюмов (1928–2004) – советский и российский физик, член-корреспондент РАН. Специалист в области математической физики и синергетики.

Георгий Геннадьевич Малинецкий (р. 1956) – советский и российский математик. Активно развивает математическое моделирование истории.

Какова будет психология искусственного интеллекта? Психология человека базируется на его биологических реакциях. Гнев, страх, любовь – это то, что делает человека человеком, что управляет его жизнью и смертью. Но что будет управлять кибернетическим – и более того, – виртуальным, разумом? Человек не может выбраться за пределы своего тела, не может преодолеть ограничений, которые присущи биологическому организму, а у кибернетических и виртуальных разумов ограничений будет гораздо меньше. Но не сделает ли это их опасными для человека, который стал прародителем этих новых разумов? Не захочет ли раса искусственных разумных существ уничтожить расу людей, родственников обезьян? Многие мыслители и общественные деятели уже высказывают такие опасения. Пусть расы будут существовать мирно, но понятно, что не будет равноправия между могучим искусственным разумом и разумом организма, ограниченного своими биологическими возможностями. Будет ли перспектива в таком неравноправном союзе?

– Конечно, – сказала Галатея, – если кто-нибудь сильно умничает, это очень раздражает.

– Чем будут заняты будущие разумные существа, если к тому времени основные научные проблемы окажутся решены? Не погрязнут ли они в скуке и примитивных удовольствиях, скатившись вниз по эволюционной лестнице? Или уступив эволюционную лестницу другим, более быстро развивающимся или более стабильным психологически существам?

Здесь столько вопросов, на которые ещё нет ответов, и которые ждут своих исследователей и пророков…

Примечания для любопытных

Тейяр де Шарден (1881–1955) – французский философ и антрополог, развивавший учение о ноосфере. Автор знаменитой книги «Феномен человека» (1948).

Эдуард Леруа (1870–1954) – французский философ и математик, друг Тейяра де Шардена. Предложил понятие «ноосфера».

Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) – российский и советский учёный и общественный деятель. Академик.

Создатель науки биогеохимии. Развил учение о ноосфере – планетарной сфере разума.

Аурелио Печчеи (1908–1984) – итальянский учёный и общественный деятель. Основатель «Римского клуба» – Международной общественной организации, исследующей глобальные модели развития человечества.

– Редкая фантастическая книга обходится без космических лайнеров, которые движутся между звёзд мгновенно или со скоростью гораздо больше скорости света. Обычно принцип перемещения таких кораблей книжные герои объясняют друг другу с помощью сложенной вдвое косынки или листа бумаги, который протыкается насквозь. Хотя физика каждого последующего столетия часто отменяет запреты физики предыдущих веков, я сильно сомневаюсь, что такие корабли вообще возможны. Но даже создание обычного досветового межзвёздного корабля, вполне разрешённого специальной теорией относительности, наталкивается на колоссальные трудности. Главная проблема – в источнике энергии для движения. Нынешние химические ракеты похожи на огромные бочки с горючим, к которым приделаны двигатели-горелки и крохотная кабина с космонавтами. Мы только мечтаем о кораблях на атомной или термоядерной энергии. Создание таких кораблей – задача, которая будет стоять перед учёными и инженерами в ближайшие десятки лет.

Более того, для освоения Солнечной системы нам не нужны очень быстрые корабли, нам нужны космические транспорты, которые двигались бы с ускорением, сопоставимым с ускорением земного притяжения – в одно g («Же»). Стандартное значение «Же» приблизительно равно десяти метрам в секунду в квадрате. Это позволит сократить время путешествий по Солнечной системе с многих месяцев и даже лет до нескольких недель, что не только удобно, но и безопасно, потому что длительное пребывание человека в космическом пространстве угрожает его здоровью из-за радиации, которая резко усиливается при солнечных вспышках.

– А мы почему не боимся этой радиации? – спросила Галатея.

– Нас защищает магнитное поле Земли и земная атмосфера. Поселения людей на Луне или Марсе тоже можно сделать хорошо защищёнными, например с помощью толстого слоя лунного песка или марсианского грунта, но в межпланетном пространстве в небольшом корабле такого уровня защиты достичь трудно.

– Можно ли создать корабли, которые не таскают с собой топливо, а как-то добывают или получают его во время полёта? – заинтересовался Андрей.

– Американский физик Роберт Баззард предложил проект космического корабля на термоядерной тяге, собирающего по пути необходимое топливо из межзвёздного водорода с помощью магнитной ловушки. Другие проекты рассматривают ускорение космических кораблей с помощью мощных лазеров, установленных на Земле или Луне, которые давлением светового луча гонят очень лёгкие корабли в космическую даль.

– Очень лёгкие? – переспросила Галатея.

– Да, похожие на лист бумаги. Космонавта в такой конверт не засунешь, подобная технология применима разве что для межзвёздных автоматических зондов.

– А есть ли какие-то другие физические принципы для передвижения между звёздами? Пространственно-временные червоточины или какие-нибудь фантастические корабли, которые летят, цепляясь за вакуум? – настаивал Андрей.

– Я не знаю, – вздохнула Никки. – Но надеюсь, что вы, повзрослев, решите эту сверхсложную проблему. Ею уже всерьёз занимаются государственные организации и частные фонды. НАСА выделило Фонду Тау Зиро полмиллиона долларов на анализ возможности межзвёздных путешествий.

– Предположим, что мы научимся… – тут Галатея многозначительно посмотрела на брата, – …строить межзвёздные корабли. А куда нам на них отправиться в первую очередь?

– Тут выбор очень велик, – сказала Никки. – Но уже поздно, давайте обсудим наши космические планы завтра.

Примечания для любопытных

Артём Иванович Микоян (1905–1970) – советский авиаконструктор, соруководитель конструкторского бюро «Микоян и Гуревич». Самолёты «МиГ-1» и «МиГ-3» участвовали во Второй мировой войне. После войны в КБ было создано более десяти удачных типов боевых самолётов, включая первый сверхзвуковой советский самолёт «МиГ-19» (1952–1960, выпущен в количестве 6,5 тысяч экземпляров).

Михаил Иосифович Гуревич (1892/1893-1976) – советский авиаконструктор, соруководитель конструкторского бюро «Микоян и Гуревич».

Анатолий Григорьевич Брунов (1905–1972) – советский авиаконструктор, создатель двух выдающихся самолётов: реактивного «МиГ-15», который был выпущен в количестве 15 560 штук с 1947 по 1959 год (без учёта выпуска китайских вариантов самолёта) и стал самым массовым реактивным боевым самолётом в истории авиации, а также сверхзвукового «Миг-21», который был выпущен в количестве 11 496 штук (без учёта китайского производства) и стал самым распространённым сверхзвуковым самолётом в истории.

Роберт Баззард (1928–2007) – американский физик, предложивший проект межзвёздного корабля, собирающего в качестве топлива водород, рассеянный в космическом пространстве между звёздами.

– А скоро учёные смогут получать фотографии поверхностей планет? Хотя бы очертания материков и океанов? Или, может быть, светящихся инопланетных городов? – спросил Андрей.

– Да, именно об этом думают учёные, готовя к запуску в космос оснащённый золотыми зеркалами крупнейший телескоп имени Джеймса Вебба и мечтая о ещё более крупных инструментах. Именно космические телескопы вызвали революционные изменения в области обнаружения далёких планет. Специализированный спутник «Кеплер», созданный для поиска планет возле других звёзд, привел к настоящему буму открытия экзопланет. С 2009 по 2013 год он, изучая лишь небольшой участок неба между Денебом и Вегой, открыл три с половиной тысячи кандидатов в экзопланеты. К первому января 2018 года было надёжно зарегистрировано 3726 планет возле 2792 звёзд. Из них 662 звезды имели более чем одну планету. Несколько сот планет из этого списка похожи по своим физическим параметрам на Землю. Ещё несколько тысяч планет находятся в очереди на регистрацию, дожидаясь дополнительных наблюдений.

– А почему «Кеплер» изучал только одну часть неба? – спросил Андрей.

– Потому что его поле зрения было слишком маленьким, чтобы успеть осмотреть всё небо. Но в 2013 году российской ракетой был запущен европейский астрометрический спутник «Гайя», который должен проанализировать положения миллиарда звёзд на всём небе. Матрица, которая установлена в современных фотоаппаратах, имеет размер в несколько квадратных миллиметров и содержит несколько миллионов пикселей. Матрица, которая работает на космическом аппарате «Гайя», имеет размер в половину квадратного метра и состоит из 938 миллионов пикселей – в десять раз больше, чем у матрицы «Кеплера». «Гайя» должна за пять лет сфотографировать всё небо семьдесят раз. По оценкам специалистов, «Гайя» не только даст самый подробный в истории каталог положений и движений звёзд, но и откроет около десяти тысяч экзопланет. Кроме того, этот телескоп детальнейшим образом измерит искривление света звёзд в гравитационном поле Солнца – эффект, предсказанный Эйнштейном и обнаруженный Эддингтоном в 1919 году в момент полного солнечного затмения, когда возле чёрного Солнца звёзды стали видны даже днём. Этот эффект позволяет непосредственно наблюдать структуру пространства-времени.

Сколько цивилизаций возникло на этом множестве экзопланет? Американским астрономом Фрэнком Дрейком в 1960 году была предложена формула Дрейка. Она оценивает число цивилизаций в нашей Галактике, готовых вступить в контакт. Это число получается из перемножения общего числа звёзд в Галактике на долю звёзд, которые обладают подходящими для жизни планетами, и на вероятность возникновения на таких планетах разумной жизни, заинтересованной и способной на контакт. Безусловно, последняя вероятность очень трудно оценивается. И есть ещё один множитель в формуле Дрейка, который резко уменьшает вероятность контакта с инопланетянами: это отношение продолжительности жизни цивилизации к общему времени существования Галактики. Возможно, что высокоразвитые цивилизации существуют настолько короткое время, что просто не успевают вступить в межзвёздную переписку.

– Но почему? – спросила Галатея.

– Потому что все разумные расы должны сталкиваться с нехваткой ресурсов, с перенаселённостью, с экологическими проблемами, с опасностями глобальных войн и эпидемий. Как долго может развиваться разумная жизнь, которая в технологической фазе быстро распространяется по своей планете? Может, только космические цивилизации могут существовать долго, но сколько таких цивилизаций в настоящее время в Галактике? Десять, сто, тысяча?

Всего в нашей Галактике – Млечном Пути – насчитывается двести миллиардов звёзд. Примерно каждая пятая обладает планетой, похожей на Землю и расположенной в температурной зоне, благоприятной для существования жидкой воды. Таким образом, десятки миллиардов планет в нашей Галактике обладают шансами на возникновение биосферы и даже разумной жизни на них. А всего во Вселенной свыше ста миллиардов галактик…

– Десятки миллиардов планет! – взволновалась Галатея. – Многие из них похожи на Землю! Но как, как узнать – есть ли там жизнь?! Там должны жить совершенно удивительные растения и животные. Может, там живут люди и даже маленькие девочки!

– С которыми ты была бы не прочь вступить в переписку! – пошутил Андрей.

– Да! – с вызовом ответила Галатея. – Только тамошний язык надо выучить.

– До переписки с инопланетянами пока дело не дошло, хотя проекты по межзвёздной связи уже осуществляются. В 1959 году был предложен проект SETI – программа поиска внеземных цивилизаций. Одно время он поддерживался НАСА и другими государственными учреждениями, которые профинансировали программу «Озма» и послание Аресибо.

– Что это за программа и послание? – заинтересовалась Галатея.

– Проект «Озма» – один из первых проектов поиска радиосигналов инопланетян. Был проведён Фрэнком Дрейком в 1960 году на 26-метровом радиотелескопе в Западной Вирджинии. Он исследовал излучение двух звёзд – Тау Киты и Эпсилон Эридана. В 1973–1976 годах в той же обсерватории был проведён проект «Озма-2», в ходе которого исследовалось излучение шестисот пятидесяти звёзд. Сигналов от инопланетян не обнаружилось.

Послание Аресибо – радиосигнал на длине волны 12,6 см, который был послан 16 ноября 1974 года из обсерватории Аресибо в направлении шарового звёздного скопления М13, расположенного в созвездии Геркулеса на расстоянии двадцати пяти тысяч световых лет от Земли. Сообщение длилось 169 секунд и содержало 1679 цифр. Сообщение было составлено Фрэнком Дрейком и Карлом Саганом. Число 1679 – полупростое, то есть является произведением простых чисел 23 и 73. Следовательно, этот сигнал легко превратить в прямоугольную матрицу такого же размера, на которой, как на экране, появится картинка с информацией о числах; о важнейших для людей химических элементах – водороде, углероде, азоте, кислороде и фосфоре; о человеческом геноме; о самом человеке и о Солнечной системе.

– Мама, постой! – воскликнула Галатея. – Значит, я могу нарисовать картинку, разделить её на клеточки 73 на 23 и отправить в космос в виде радиосигнала?

– Да, можешь, – подтвердила Дзинтара.

– Ура! – сказала Галатея и победно посмотрела на брата. – Мне даже язык учить незачем! Я всё, что надо, нарисую!

И она стала быстро набрасывать в блокноте что-то понятное любым инопланетным девочкам – не важно, растут ли зелёные щупальца на их головах, или вместо рук у них приспособлены красные клешни.

Дзинтара продолжила:

– С 1995 года SETI существуют на частные пожертвования с бюджетом в пять миллионов долларов в год. Радиотелескопы, которые используются в проекте, могут засечь излучение аэродромного радара на расстоянии двухсот световых лет. Изучено более тысячи звёзд, но надёжно зарегистрировать сигнал, посланный внеземной цивилизацией, не удалось. Хотя какие-то загадочные сигналы были получены, но у них не было повторяемости, то есть они не могут считаться сообщением инопланетян. В настоящее время существует целая серия проектов по поиску внеземных цивилизаций и даже по посылке межзвёздных зондов. Любой землянин может принять участие в одном из проектов SETI и в поиске инопланетных посланий, подключив свой персональный компьютер в общую сеть, которая анализирует сигналы из космоса. Сотни тысяч землян участвуют в этом проекте. Поэтому можно надеяться, что в обозримом будущем мы найдём братьев по разуму или даже установим с ними связь.

– Зачем мы так страстно хотим контакта с инопланетянами? – спросил задумчиво Андрей.

– Потому что мы очень одиноки как разумная раса. Мы хотим посмотреться в зеркало, хотим увидеть себя чужими глазами. Поэтому люди будут строить всё более совершенные телескопы, которые смогут сфотографировать поверхности далёких планет и, может быть, найти там светящиеся города инопланетных жителей. Поэтому они будут продолжать вслушиваться в радиокосмос в надежде поймать послание чужого разума – чужого, но не злобного. Потому что мы верим, что по-настоящему разумное существо должно быть добрым.

Примечания для любопытных

Иммануил Кант (1724–1804) – философ и астроном из Кёнигсберга (ныне Калининград), выдвинувший современную теорию происхождения планетных систем.

Джеймс Джинс (1877–1946) – английский физик, астроном и математик. Автор космогонической теории происхождения Солнечной системы из клочка солнечной материи, вырванной приливным воздействием близко пролетевшей звезды.

Александр Вольщан (р. 1946) – польский астроном, открывший в 1990 году пульсар, возле которого он вместе с Дейлом Фрейлом и другими соавторами обнаружил три планеты. Они стали первыми планетами, достоверно открытыми вне Солнечной системы.

Телескоп имени Джеймса Вебба – крупнейший телескоп, который готовится к запуску в 2019 году. Размер зеркала – 8,2 метра.

Фрэнк Дрейк (р. 1930) – американский учёный, составивший формулу Дрейка для определения числа инопланетных цивилизаций, с которыми возможен контакт. Пионер межзвёздной связи.

Карл Саган (1934–1996) – американский учёный и популяризатор науки. Один из инициаторов программы SETI по поиску признаков внеземных цивилизаций. Автор научно-фантастического романа «Контакт», на основе которого в 1997 году был снят одноимённый фильм.