Честная физика. Статьи и эссе.

1. История физики, изложенная курам на смех.

 

1.4. «Просвещённый» XIX век.

 

 

       Благодаря открытиям Эрстеда и Ампера лаборатория Фарадея была оборудована по последнему слову: провода-провода-проводочки, магнитики, включатели и выключатели. Гальванометры тогда были в большом дефиците, поэтому экспериментаторы нашли остроумный выход. Они наловчились проверять наличие электрического напряжения на ощупь, причем для повышения чувствительности срезали себе кожу на кончиках пальцев. В общем, жалко было на них смотреть, на издерганных. Кстати, в биографии Шерлока Холмса есть эпизодик на эту тему.

 

- Холмс, только послушайте, что писал «Санди Телегрэф» пятьдесят лет назад,- начал, как обычно, Ватсон.- Новости из Королевского института. Майкл Фарадей доказал тождественность всех видов электричества: «животного», «магнитного», гальванического, термоэлектричества, а также электричества, возникающего от трения. Как же это ему тогда удалось?

- Элементарно, Ватсон!- без усилия объяснил Холмс.- Все они дергали одинаково!

- Боже мой, Холмс,- проговорил обалдевший Ватсон,- неужели и это – с помощью дедукции?

- Да, мой друг. Кстати, о дедукции. Хотите знать, что еще сделал Фарадей? Он открыл явление, которое я бы назвал электромагнитной дедукцией, в честь моего метода. Но Майкл, конечно, поступил наоборот.

- А Вы слышали, Холмс, однажды Фарадею понадобилось несколько электрических зарядов. Как быть? Голыми руками их не возьмешь! Так он снял свой цилиндр, обклеил его изнутри фольгой и наловил их, сколько надо. Все после него так делают…

- Занятно,- пустил колечко дыма Холмс.

- А еще,- несло дальше Ватсона,- как-то раз он насыпал железные опилки прямо на силовые линии магнита, и линии натяжений в эфире стали всем очевидны!

- Знаете, Ватсон,- прищурился Холмс,- я бы не торопился с такими фундаментальными выводами!

       И они по-дружески расхохотались.

 

       Но мы немного отвлеклись, вернемся же к делу. Как и великие электрики, великие атомисты тоже время даром не теряли. Раз в таверне Авогадро, перебравши совсем капельку, имел неосторожность похвастаться дружку насчет остроты своего зрения – могу, дескать, различать отдельные молекулы. Дружок, хотя и не был физиком, сразу смекнул, какую из этого можно извлечь выгоду.

- А слабо тебе, Амедео, пересчитать молекулы в одном моле идеального газа при нормальных условиях? – закинул он удочку и, видя, что Авогадро клюнул, подзадорил его, – Спорим на десять лир, что ни за что не сосчитаешь!

- Это я-то не сосчитаю?!- загорелся Авогадро.- По рукам! Тащи сюда свой моль при нормальных условиях!

       Ну, дальше сами знаете. Авогадро был очень гордый, отступать он не привык. Короче, считать ему пришлось всю оставшуюся жизнь. Число, которое получилось в итоге, теперь носит его имя – в знак признательности за этот титанический труд.

 

       Тут-то и подошло времечко открытия фундаментального закона природы – закона сохранения и превращения энергии. Физики, понимавшие, какое огромное значение будет иметь этот закон, осторожничали и не торопились с публикациями на этот счет. Тем временем доктор медицины Майер установил этот закон на основе обыкновенных клинических наблюдений. Ничтоже сумняшеся, он сразу настрочил несколько работ, причем кое-что издал даже за свой счет. Но, разумеется, уважающие себя физики не читают всякую околофизическую чушь, которую сочиняют представители других специальностей. «Клистирная трубка – а туда же, в физику, суется»,- прикидывают они, не замечая здесь досадной двусмысленности. Поэтому, когда Майер узнал, что закон сохранения энергии открыл, оказывается, Джоуль, а затем – ба!- еще и Гельмгольц, то он сдуру расстроился и решил побороться за свой приоритет. Тут уж уважающие себя проявили надежную профессиональную солидарность и не напрягаясь затравили возмутителя спокойствия до тяжелого нервного расстройства. И правильно, а то, как говорится, пусти козла на капустные грядки…

 

       Дальше дела пошли еще веселее. Взять хотя бы случай Уатта – мощный был мужик! Как лошадь. Собственно, потому он и предложил соответствующую единицу мощности – лошадиную силу. Сразу видать, что по себе судить привык. Уязвленные коллеги, естественно, не долго медлили с ответными мерами. Сговорившись, они сконструировали единичку мощности – так себе, раз в семьсот меньшую, чем лошадиная сила, и назвали ее ради хохмы в честь Уатта! Не высовывайся-де в другой раз. Кстати, в русскоязычных научных кругах эта единичка зовется вовсе не «уатт», она зовется «ватт» – чтобы не путаться.

 

       Так вот, пока ученые мужи плавили, кипятили и испаряли различные вещества, травили Майера, совершенствовали термометры и спорили, чья шкала температур лучше, между всеми этими делами как-то незаметно в семье разделов физики появилась на свет еще одна сестричка. Старшие сестры глядели-глядели на младшенькую, так ничего и не поняли, и в конце концов махнули на нее рукой. Она в самом деле была какая-то странная – имела дело с совершенно, на первый взгляд, нефизическими величинами. Ведь – откройте любой учебник – физической величиной называется то, что можно измерить. А кто, простите, изобрел энтропиметр? Или хотя бы энтальпиметр? Открою секрет – таких приборов нет. И не предвидится. Так что же, энтропия и энтальпия (список неполный) – это нефизические величины? А вот и не угадали, они – натуральным образом физические! А что не измеряются – так это как раз то исключение, которое лишь подтверждает правило. И, представляете, вот эти простые вещи пришлось растолковывать старшим сестрам, чтобы они относились ко младшенькой, как к родной! Ну, дуры просто. Да еще им, видите ли, не понравилось, как ее нарекли. Действительно, когда счастливые отцы новорожденной собрались на семейный совет по этому поводу, то приключился небольшой конфуз. Было предложено назвать ее красивым именем – Термодинамикой. «Но, господа,- робко возразил какой-то отец.- Взгляните на это дитя! В ней же нет ни одной производной по времени! Какая же она динамика?» – «Оно конечно,- был ответ,- ей бы больше подошло имечко Термостатика. Но, во-первых, это… неприлично. Не дай бог подумают, что это от слова «термостат». А во-вторых, все, кому не лень, будут потом зубоскалить, что мы, дескать, не знали диалектики. Так что, господа, предложение остается в силе.» А что, имя-то взаправду красивое!

       Короче, так или иначе, а поначалу младшенькую недолюбливали. Одна за локон ее дернет, другая – ножку подставит. «Зря вы так, сестрицы милые,- плакала Термодинамика. – Вот ужо, погодите, будет у нас еще одна сестра…- У нее случайно открылся дар, гм, научного предвидения. – Звать сестру будут Механика, но Механика не простая, а Хитромудрая… И тогда бегите от нее, ибо она суть волк в овечьей шкуре… не то будет великий плач и скрежет зубовный…» – «Типун-те на язык, дефективная»,- говаривала на это Механика Классическая, не подозревая, что за такие родственные чувства когда-нибудь аукнется. Но Термодинамика лишь тихо вздыхала в ответ и только однажды молвила так: «Истинно говорю вам: необратимы деянья ваши». Сестры от изумления разинули ротики; первой опомнилась Классическая Механика: «Необратимого не бывает! Ежели кто бросит в меня камень, который полетит по параболе, а я этого не стерплю, так и в обратную он полетит по той же параболе!» – «Конечно,- тихо сказала Термодинамика.- А вот тепло души само по себе переходит только от более нагретого тела к менее нагретому.»

       Папаши не могли нарадоваться на такую не по годам умницу, но чужие дяди их восторгов совсем не разделяли. «Послушать, что она мелет, так с ума сойти можно»,- говорили они друг другу. Выходила действительно какая-то несуразица: если теплота является движением отдельных молекул, которое подчиняется обратимым механическим законам, то почему же в совокупности это движение уже необратимо? Так все и посходили бы с ума, если б не Больцман. Он как-то неосторожно выпустил фразочку, которая впоследствии стала крылатой: «Статистика знает всё». Поэтому к нему-то и обратились – давай, мол, если такой грамотный. И, знаете, не ошиблись, этот великий комбинатор в грязь лицом не ударил! По статистике, оказывается, необратимый процесс – просто наиболее вероятный из всех возможных. То есть, чудеса, в общем-то, случаются, но – чем чуднее, тем реже. Просто, как все тривиальное! Разом вернулись к жизни все бывшие пессимисты, которые рассуждали так: если тепло переходит от горячих тел к холодным… то рано или поздно все тела станут теплыми… и всем нам будет крышка… (которую они сговорились называть «тепловой смертью Вселенной»). Ясно же, что ничего чуднее этого не бывает, значит, этого не бывает никогда.

 

       Но это, так сказать, теория. На практике же переход тепла от горячих тел к холодным очень досаждал, особенно Дьюару. Наступил момент, когда Дьюар плюнул, отправился в лавочку к старьевщику и разорился там на пару термосов. Проблема была решена! С тех пор благодарные физики и называют термос «сосудом Дьюара». Еще бы – ведь впоследствии он оказался настоящей находкой для физики низких температур! Ну, что без этого сосуда делал бы Каммерлинг-Оннес? Разве мог бы он позволить себе искать ответ на вполне конкретный вопрос: что выйдет, если хорошенько заморозить ртуть? А вышло вот что. Пока атомы ртути еще дрожат от холода, они худо-бедно мешают двигаться электронам, проводящим электрический ток (в этом и заключается причина омического сопротивления). Но если мороз еще покрепчает, то, се ля ви, последняя дрожь атомов замирает, а электроны-живчики шастают, не испытывая никакого сопротивления! Это явление назвали сверхпроводимостью (позже, во избежание путаницы, к этому названию добавили слово «низкотемпературная», потому что высокотемпературной сверхпроводимостью стала заниматься, соответственно, физика высоких температур).

 

       Да-да, Допплер вон поначалу тоже совсем не путался. Счастливчик, он находил гармонию не только в вальсах и опереттах, но и в паровозных гудках, которые изменяли тон, когда поезд пролетал мимо. Эта музыкальная идиллия оборвалась, когда Допплер случайно узнал, что для машиниста тон этих же гудков постоянен. Тут-то и замаячил проклятый вопрос: на самом ли деле изменяется тон, или это только кажется? Проще говоря, физический ли это эффект, или – лечиться надо? Лечиться, понятное дело, не хотелось: хлопотно это, да и накладно. Пришлось сбацать теорию, по которой выходило, что эффект – вполне физический. Только было несолидно выдвигать уши на роль измерительного прибора, поэтому явление Допплера, известное каждому привокзальному мальчишке, было экспериментально подтверждено лишь несколько лет спустя. Но это еще не все; давайте-ка забежим немного вперед! У Допплера все основано на том, что скорость звука фиксирована только относительно среды, в которой он звучит. Физо, решив, что свет в этом отношении ничем не хуже звука, лихо распространил принцип Допплера и на него. А чего, спрашивается, не распространить – ведь тогда считалось, что есть и светоносная среда, эфир так называемый, который от хорошей жизни выдумали сторонники волновой теории света. Знай Физо, что вскоре от эфира останется шиш с вакуумом, он был бы осмотрительнее. Ведь, нет среды – нету принципа Допплера! И сейчас в оптике явление Допплера носит это имя исключительно по старой памяти.

 

       Вот как к этому пришли. Эстафету от Фарадея подхватил Максвелл. Он поставил себе благородную по тем временам цель – построить механическую модель эфира. Понимаете, Эйнштейн тогда еще не появился на свет, поэтому Максвелл по простоте своей считал, что электромагнитные волны – это механические упругие волны в эфире. Причем эфир, несмотря на завет мудрого Демокрита, считался сплошной средой, ибо если был бы он дискретным, то не потянул бы он роль посредника. Тут, понимаете, дело принципа: либо заряды взаимодействуют через пустоту, либо – через посредника. И если уж выбираешь посредника, так будь добр, чтобы насчет пустот – ни-ни! Вот Максвелл и старался. Обладая богатой фантазией, он придумывал разные там колесики, звездочки, шестереночки. Почти все было как в сказке: дерни, деточка, за один зарядик – он крутанет ближайшие колесики, которые в свою очередь заденут за шестереночки – соседний зарядик и сдвинется. Но – на тебе! – между колесиками и шестереночками всегда оставались, будь они неладны, промежуточки. И так – несколько раз! Когда Максвелл дошел до остервенения, его посетила гениальная мысль. «Все эти колесики,- подумал он,- нужны лишь для того, чтобы записать уравнения движения эфира. Получи я уравнения для его механических натяжений – потом на эти колесики с промежуточками начхать я хотел, эфир будет как бы сплошным!»

       Так он, кстати, и сделал: получил и начхал. То-то поначалу было радости у коллег! Один из них, помнится, воскликнул: «Не боги ли начертали эти уравнения, до чего красиво!» Он не догадывался, что из этой красоты получится дальше. А получилась из нее, сами понимаете, значение скорости электромагнитной волны в эфире. Но раз уж имеет место скорость волны, то логично предположить, что имеет место и сама волна, не так ли? Кстати, следует принимать во внимание, что, говоря об электромагнитных волнах, Максвелл и его современники имели в виду волны, мягко говоря, радиодиапазона, а отнюдь не видимый свет. Свет и радиоволны неспроста считались тогда двумя принципиально различными феноменами – ведь о свете не имели представления разве только слепцы, а что касается радиоволн, так их еще даже не открыли. Можете вообразить, как екнули сердечки физиков, когда с легкой руки Максвелла скорость этих еще не открытых радиоволн с какой-то стати практически совпала со скоростью света, которую тогда уже измерили и Физо, и Фуко, и все остальные, кому не лень. В принципе, конечно, оставалась возможность одного из двух: либо перемудрил Максвелл, либо недомудрили Физо, Фуко, и все остальные, кому не лень. А если нет? Вдруг это совпадение – неспроста? Короче, срочно потребовалось, открыв радиоволны, измерить их скорость, да поточнее. И так как свято место долго пусто не бывает, то Герц-молодец тут и отличился. Подумать только – оказалось, что эти волны шастают табунами, особенно во время гроз: стоило молнии шваркнуть, детекторы этими волнами буквально захлестывало!

 

       Когда Попов увидел это своими глазами, причем с помощью детектора, склепанного своими руками, то до мысли о долгожданном открытии радио он дошел своим умом. Он понял главный секрет – приемная аппаратура должна быть сделана добротно. То есть она должна обладать хорошей этой самой, как бы это сказать… Долго мучился Попов, подбирая название для этого свойства. Сейчас-то каждый радиолюбитель знает, что добротная аппаратура должна обладать хорошей добротностью, чем же еще! А Попов-то хотел изобрести термин, не используя готовеньких словечек откуда ни попадя, чтобы был виден, так сказать, полет фантазии!

       Эх, знал бы он, как будут обстоять дела с этим полетом фантазии лет через шестьдесят, он бы, наверное, не испытывал таких мук творчества. Вот, полюбуйтесь. Начнем с лучей. Они, как известно, бывают мягкие и жесткие. А шумы? Тоже ничего – например, белый да розовый. Далее на очереди стоят частоты. Пожалуйста: затянутые, захваченные и привязанные. А как насчет спектров? Тут можно особо отметить полосатых и зарезанных. Что касается элементарных частиц, то среди них встречаются странные и очарованные, обладающие цветом, ароматом и, само собой, красотой. А возьмите атомные ядра. Они бывают материнскими и дочерними (но почему-то не бывают отцовскими и сыновними). А еще среди них попадаются меченые, обстрелянные и ободранные. Атомы, сидя в яме, могут еще радоваться своей степени свободы. А могут резво мигрировать, очевидно, в поисках каких-никаких вакансий; но со временем приходит усталость, идет старение и, наконец, наступает предел выносливости, когда люминофоры деградируют, а уровни энергии вырождаются. И все-таки больше всего, по-видимому, повезло электронам. Их, оказывается, можно связать, а можно, так и быть, освободить. Тогда порой они могут вальсировать, а когда не очень жарко – даже спариваться. Тут уж и фотонам приходится краснеть.

       Это все к тому, что бывают отверстия, а бывают, между прочим, и дырки! А то вон одна машинистка, печатая дипломный проект бедолаге-электронщику, в порядке творческой инициативы везде заменила ненаучное слово «дырка» на научное – «отверстие». Вот до чего доводит скудоумие при наречении нового термина!

 

       Ну, а что касается скорости радиоволн в сравнении со скоростью света, то все оно чудненько сошлось, так что Физо и Фуко, действительно, старались не зря. На радостях электромагнитную природу света окончательно разоблачили, в результате чего шкала частот электромагнитных волн развернулась во всю свою дурную ширь – от нуля до самой бесконечности. Пустячок, как говорится, а интегрировать приятно.

       Эйфория по поводу всех этих свершений длилась до тех пор, пока какой-то шутник не спросил: «Господа теоретики! Дак ежели скорость света фиксирована в ефире, и ежели мы, к примеру, в ентом ефире движемся, дак для нас-то скорость света будет уже другая, ась?» – «Соображаешь, – ответили ему теоретики.- Кстати, пускай экспериментаторы этим займутся, а то давно уже дурака валяют.»

       Дело в том, что к тому времени уже имелись кой-какие данные на этот счет: вроде получалось, что движение в эфире на скорость света не влияет. «Что же вы хотите,- комментировали это теоретики,- точность у этих опытов, извиняемся, плохонькая («до первого порядка», как они выражались), маловато будет. Так что, цели ясны, задачи определены – за работу, господа.»

 

       Здесь мы на минуточку прервемся. Дело в том, что в городке Ульме, в семье скромного предпринимателя Германа Эйнштейна – большая радость: родился мальчик! Довольный акушер, укладывая чемоданчик, – ой! – нечаянно разбил какую-то склянку, и резкий запах распространился по комнате. «Ах, извините,- засуетился акушер,- я эфир раскокал…» -«Что-о?! – вдруг отчетливо заговорил младенец.- О чем там лопочет этот самозванец? Эфир раскокаю я, понял?» Домочадцы остолбенели, но дальнейшее развитие Альберта Германовича протекало нормально.

       Так вот, затаив обиду за «валяние дурака», экспериментаторы принялись за дело так круто, что эфир, бедняга, аж заскрипел. В один из чудных берлинских вечерочков, когда теоретики ни о чем таком не подозревали, Майкельсон то и дело сбивался со счета полос в своем интерферометре. Прибор был очень чувствительным, поэтому главной помехой были вибрации – то бургомистр в своем пижонском экипаже спешил к шлюхам, то какие-нибудь унтера в обнимку возвращались из кабака, горланя что-нибудь патриотическое. «У, кретины! – скрежетал зубами Майкельсон.- Не понимают, какое значение будет иметь отрицательный результат моего эксперимента!» Впрочем, зря он так кипятился – на скрежет зубов прибор тоже реагировал. «Ну что, получили?- с чувством сказал, наконец, Майкельсон, завершив эксперимент – как будто теоретики могли его слышать.- Посмотрим, что вы теперь запоете.»

       Но эти бравые ребята не стушевались. Они запели примерно следующее: «Господин Майкельсон, Вы, конечно, блестящий экспериментатор, руки у Вас золотые, и все такое. Мы Вас уважаем, и все такое. Но, знаете, пусть кто-нибудь еще повторит опыт, а то вдруг – что-нибудь такое? Да нам, собственно, и не к спеху, а?» – «Как скажете, так и будет»,- ответствовали экспериментаторы и взялись за дело так, что из эфира дым пошел…

 

       А пока настало золотое времечко для всяких там околофизиков. Это те, кто только и ждут момента, когда общепринятые ученые попадут в затруднительное положение, чтобы поспекулировать на этих временных трудностях. Самыми изощренными спекулянтами той поры считались Мах и Оствальд. Эта парочка, постепенно наглея, стала заявлять, что поиски эфира – это мартышкин труд.

- Я эфира не знаю,- говорил Мах.- Движение тела можно проследить только относительно других тел.

- И вообще,- вторил ему Оствальд,- эфир – это произвольная, надуманная гипотеза; она рано или поздно рухнет, и будет считаться, что свет распространяется через «абсолютную пустоту».

- Кстати,- продолжал Мах,- возможно, что будущая физика будет измерять длины именно длиной световой волны в пустоте, а времена - продолжительностью ее колебания, и что эти две основные меры превзойдут все другие.

- И в конце концов,- добавлял Оствальд,- любое свойство материи, в том числе и ее масса, проявляется лишь через посредство какой-либо энергии.

       Всю эту чушь Маха и Оствальда впоследствии должным образом заклеймили: мировоззрение первого обозвали махизмом, а второго – энергетизмом.

 

       В другую крайность касательно эфира вдарился Г.А.Лорентц. Его теория называлась «Эфир, один только эфир, и ничего, кроме эфира». Лорентц был вообще большой оригинал. Он пришел к выводу (впоследствии особенно полюбившемуся Эйнштейном), что у теоретика, движущегося в эфире, линейки и часы должны быть не такими, как у покоящегося, если этот движущийся хочет записать такие же уравнения Максвелла, как и покоящийся. Но это – еще цветочки. Самые серьезные подозрения вызывало то, что теория Лорентца объясняла ну все известные тогда явления в электричестве, магнетизме, оптике и теплоте! Представляете? Единственное, в чем Лорентц прокололся, можно видеть из его реакции на результат опыта Майкельсона-Морли. Лорентц тогда вполсилы (т.е. сила Лорентца в два раза больше) хлопнул себя по лбу и сказал: «Господи, это же прямое следствие моей теории! Где я раньше был!» Из-за этой своей недоработочки он и угодил в соавторы гипотезы Фицджеральда о сокращении длины движущегося стержня.