close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

познание продолжается

код для вставкиСкачать
ПОЗНАНИЕ АКАДЕМИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК СССР ПРОДОЛЖАЕТСЯ Для среднего школьного возраста ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1970 ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ Д. Д. БЛАГОЙ, Б. А. ВОРОНЦОВ-ВЕЛЬЯМИНОВ, П. А. ГЕНКЕЛЬ, Ф. В. ГЕРАСИН, Н. К. ГОНЧАРОВ, Б. А. ДЕХТЕРЕВ, Г. Н. ДЖИБЛАДЗЕ, А. В. ЕФИМОВ, К. А. ИВАНОВИЧ, И. А. КАИРОВ, Л. А. КАССИЛЬ, М. П. КИМ, Н. П. КУЗИН, А. Н. ЛЕОНТЬЕВ, А. Р. ЛУРИЯ, А. А. МАРКОСЯН, A. И. МАРКУШЕВИЧ (гл. редактор), B. А. МЕЗЕНЦЕВ. Н. А. МИХАЙЛОВ, C. В. МИХАЛКОВ, М. В. НЕЧКИНА, С. В. ОБРАЗЦОВ, И. В. ПЕТРЯНОВ, М. А. ПРОКОФЬЕВ, С. Д. СКАЗКИН, А. А. СМИРНОВ, A. И. СОЛОВЬЕВ, И. М. ТЕРЕХОВ, Л. И. ТИМОФЕЕВ, С. Л. ТИХВИНСКИЙ, Т. С. ХАЧАТУРОВ, B. М. ХВОСТОВ, Ю. В. ХОДАКОВ, Е. М. ЧЕХАРИН. К. И. ЧУКОВСКИЙ. В. Н. ШАЦКАЯ, Д. А. ЭгаПТЕИН. Зам.г л. редактора Б. Л. БАРАШ. Научные редакторы Л. А. КАССИЛЬ, В. А. МЕЗЕНЦЕВ, Е. Б. ЭТИНГОФ. П-47 Познание продолжается. Для среднего н старшего шкального возраста. М., «Просвещением, 1970 448 с с илл. (Акад. пед. наук СССР). 7—6 03 10 К ЧИТАТЕЛЯМ А. И. Ма р к у ше в и ч МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 13 ВСЕЛЕННАЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА И. Г. В и р к о 20 В МИРЕ ГАЛАКТИК Как изучают галактики. Галактики излучают радиоволны. Взрывы в центрах галактик. Самые далекие объекты. А. В. З а с о в 29 НОВЫЕ ОТРАСЛИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ Рентгеновская астрономия. Инфракрасная астрономия. Нейтринная астрономия. А. В. З а с о в 34 РАЗГОВОР С ПЛАНЕТАМИ ПО РАДИО Для чего нужен «разговор» с планетами? «Голос» и «слух» локатора. «Разговору» мешает Вселенная! Результаты, полученные при «разговорах» с планетами. М. М. А н д о р а л о 37 КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ —О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ Наступление на Луну. Приподнимаем чадру Венеры. Новая загадка Марса. Меркурий преподносит сюрприз. Радиосигналы с Юпитера. Несколько слов о Сатурне. В. А. Б р о н шт э н 52 РАКЕТЫ И СПУТНИКИ ПОМОГАЮТ ИЗУЧАТЬ ЗЕМЛЮ И. М. Б е л о у с о в 56 ЗАГАДКА МАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ И. М. Б е л о у с о в 57 АНТАРКТИДА В НАШИ ДНИ А. П. К а п и ц а 60 МИРАЖИ В АНТАРКТИДЕ 63 БЕЛАЯ МГЛА А. П. К а п и ц а 6 4 АРКТИКА Ю. В- Ар и с т о в, К. А. Ко р о в и н а 66 ДНО МИРОВОГО ОКЕАНА Г. Б. Уд н н ц е в 75 КАК РОЖДАЕТСЯ ЖЕМЧУГ Б. И. Ч е х о н и н 76 ЖИВЫЕ НЕДРА ЗЕМЛИ Н. В. Ш е б а л и и 81 ЧТО ЧИТАТЬ Е Л. Лу р ь е ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 83 МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ 1. КЛАССИКА. Законы Ньютона. Всемирное тяготение. Невесомость. Изъяны классики. 2. СТО. Постулаты Эйнштейна. Относительность одновременности. Свет и причинность. Относительность времени. Относительность расстояний. Относительность массы. Энергия вещества. СТО и мир. 3. ОТО. Инерция как тяготение. В ракете и в лифте. Космический диск. Искривленный мир. Подтверждение ОТО. Г. Б. А н ф и л о в 93 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Необычайные открытия. Превращения элементарных частиц. Множественное рождение частиц. Частицы и волны. Тяжелые, средние и легкие частицы. Частицы-волчки. Частицы и античастицы. •Отшельники» и «общественники». Неуловимая частица. Квантование полей и пи-мезоны. Д. А. Ф р а и к - К а м е н е ц к и й СОДЕРЖАНИЕ ПОЗНАНИЕ ПРОДОЛЖАЕТСЯ 6 98 ЖИЗНЬ АТОМНОГО ЯДРА В. И. К у з н е ц о в 1 0 3 104-й — КУРЧАТОВИИ (Рассказ ученых, открывших этот элемент.) Первый за актиноидами. Свойства ядра 104-го элемента. Как получить ядро нового элемента? В десятимиллиардной доле случаев. Арена ядерных превращений. Схема опыта. Первые опыты. Слишком много ядер 104-го. Фон, который не удалось исключить. Дальнейшие поиски. Один из опытов. Химический «анализ» элемента 104, Для чего мы изучаем элементы за ураном? Г. Н. Фл е р о в, В. И. К у з н е ц о в 1 0 9 ЕЩЕ НЕ ОТКРЫТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В, И. К у з н е ц о в 1 1 3 СТРАННЫЕ АТОМЫ Позитроний. Мезо-атомы. Гипер-фрагменты. Антиатомы. И. В. П е т р я н о в 1 1 6 ЧТО ПРОИСХОДИТ В КРИСТАЛЛЕ? И. Г. В и р к о 1 1 8 МЕЖДУ АБСОЛЮТНЫМ НУЛЕМ И МИЛЛИАРДОМ ГРАДУСОВ Самое холодное. Сверхтекучесть. Сверхпроводимость. В недрах звезд. К искусственному Солнцу. Г. Б. А н ф и л о в 1 2 5 ЧТОБЫ СДЕЛАТЬ АЛМАЗ... Д. С. Ц и к л и с 1 2 8 ЧУДЕСА ЛАЗЕРА В. И, К у з н е ц о в 1 3 4 НЕОБЫЧНАЯ ХИМИЯ И. В. П е т р я н о в 1 3 5 УДИВИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Новый строительный принцип. Катенакы. Химическая топология — новый тип изомерии. Р. Г. К о с т я н о в с к н й 1 4 1 У ПОРОГА НЕВЕДОМОГО И. В. П е т р я 1 4 4 ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА Управляющие системы. Информация и кодирование. Теория автоматов. Вычислительная техника в народном хозяйстве. Машина самосовершенствуется. Разумная машина — верный помощник человека. В. М. Г л у ш к о в 1 5 6 ЭЛЕКТРОННЫЙ ШАХМАТИСТ Р. А. Св о р е ] 1 5 7 МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ Задача об использовании сырья. Геометрический смысл неравенств первой степени. Геометрическое решение задачи об использовании сырья. Транспортная задача. Геометрическое решение транспортной задачи. Основная задача линейного программирования. Идея сим и леке-метода. ная А. Т. Ц в е т к о в 1 6 7 ТЕОРИЯ ИГР Е. С. В е н т ц е л ь 1 7 2 О МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Зачем нужна теория надежности. Математика помогает конструктору. Резервирование и надежность. Резервирование должно быть экономным. Б. В. Г н е д е н к о 1 7 6 ЧЕМ ЗАНИМАЕТСЯ ТЕОРИЯ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ 178 что ЧИТАТЬ Б. В. Г н е д е н к о Е. Л. Л у р ь е СОДЕРЖАНИЕ 7 НАУКИ О ЖИЗНИ 1 Q1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ А. Н. Б е л о з е р с к и й 1 8 5 Ч Т О ТАКОЕ БИОФИЗИКА А. П. Ду б р о в 242 ПУТИ ЭЛЕКТРОНИКИ Молекулярная электроника. Сверхпроводники. Электроника больших мощностей. Квантовые генераторы. Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в 1 9 0 БИОХИМИЯ ИЗУЧАЕТ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМАХ Б. А. Р у б и н 1 9 3 ГЕНЕТИКА — НАУКА О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Н. П. Ду б и н и н, В. С. Г у б а р е в 1 9 7 КОСМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ В. Е. Се м е н е н к о 2 0 1 КАК ВЫВОДИТСЯ СОРТ Н. В. Ц и ц и н 2 0 5 КУЛЬТУРА ЗЕМЛЕДЕЛИЯ И УРОЖАЙ Б. Д. Па н н и к о в 2 ^ 4 КАКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПРИМЕНЯЮТСЯ В ТЕХНИКЕ? Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в 2 5 5 НОВЫЕ МАШИНЫ НАШЕГО НЕБА Л. А. Юм а ше в — НОВЫЕ АВТОМОБИЛИ Ю. А. Д о л м а т о в с к и й 2 5 7 и м ОСВАИВАТЬ ГОЛУБОЙ КОНТИНЕНТ И. В. П о д к о л з и н 259 ч т о Ч И Т А Т Ь Е. Л. Лу р ь е 2Ц что ЧИТАТЬ Е. Л. Лу р ь е ТЕХНИКА. ЭКОНОМИКА 2 1 3 ТЕХНИКА ИДЕТ ВПЕРЕД Энергия необходима всюду. Автоматы, автоматы, автоматы... Наука необозримых возможностей. О рекордах техники. Карлики и гиганты. В содружестве с наукой. Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в 227 СОВРЕМЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в 2 3 0 КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ, СТАНДАРТЫ Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в 2 3 3 ч т о ТАКОЕ ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА И БИОНИКА Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в 2 3 8 ЧЕЛОВЕК И МАШИНА Е. В. Ду б р о в с к и й, В. А. Ме з е н ц е в . 2 6 1 НРАВСТВЕННЫЙ МИР ЧЕЛОВЕКА Что такое нравственность? От чего же зависят нравственные нормы? Почему так медленно изменялись нравственные нормы? Моральный кодекс строителя коммунизма. Духовное богатство. Жизнь — подвиг. Творчество. Как найти свое призвание? Образование и самообразование. Чему можно учиться всю жизнь? Что такое идейность? «Жить в обществе и быть свободным от обшестаа нельзя ». Культура поведения. Слово, нас объединяющее: товарищи... Есть ли у тебя друзья? «Имя этой теме...» Мама, папа и я... Что такое счастье? Подведем итоги... Н. Г. Д о л и н и в к 297 психология личности Что изучает психология личности. Кем рождается человек. Становле­
ние личности. Что заставляет людей действовать. Чувства. Цель жизни. А. Н. Л е о н т ь е в 3 0 7 ВОСПИТАННИК — ВОСПИТАТЕЛЬ Утомление можно «перехитрить*. Искусстве отдыха. Какая бывает память. У страха глаза велики. Сила слова. Разговор с собой. М. М. К о ч е н о в 3 1 3 ЧЕЛОВЕК В КОСМОСЕ Что делают космонавты на Земле. Космический корабль отправляется в путь. Корабль продолжает полет. Человек выходит в космос. Кого взять в спутники 7 Ф. Д. Г о р б о в, М. М. К о ч е н о в 3 2 6 СПОРТ И ВРЕМЯ Л. И. Ф и л а т о в 3 3 8 ОБМЕН ВЕЩЕСТВ Клетки — основа организмов. Непрерывное обновление. Биологические ускорители. Круговорот веществ в природе. Пища и питательные вещества. Неиссякаемый источник энергии. Слаженная работа. Р. А. М а р к о с я н 3 4 5 ВИТАМИНЫ A, D, К, В,, РР, В=, Be, BJJ, Bj 5, С Р. А. М а р к о с я н 3 4 7 БОЛЕЗНИ ОТСТУПАЮТ Невидимые друзья. Аптека внутри нас. Лекарство против боли. В борьбе с безумием. Химия против рака. Сердце можно лечить. Борьба за долголетие. И. Е. К и с и н 3 5 3 *БОЙ МЫШЕЙ» И. К К и с а н 3 5 7 35 «ЗАПАСНЫХ ЧАСТЕЙ» 3 5 8 НАСЕЛЕНИЕ ЗЕМЛИ Случайность пли закономерность? Почему люди умирают? А как {• с рождаемостью? Переселения тоже *' нужно изучать. Что же будет дальше?.. Несколько фактов о населении Земли. Заглядывая в будущее... М- Я. Б е р з и н а 3 7 0 ИСТОРИЧЕСКАЯ НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ А. М. С а х а р о в 3 7 7 НОВЫЕ МЕТОДЫ РАБОТЫ АРХЕОЛОГОВ А. Л. Мо к г а й т 3 8 1 АЭРОФОТОСЪЕМКА — АРХЕОЛОГИИ А. Л. Мо н г а й т 3 8 2 КЛАД ИЗ СТАРОЙ РЯЗАНИ. А. Л. Мо н г а й т 383 ЧТО ЧИТАТЬ Е. Л. Л у р ь е НАША СОВЕТСКАЯ РОДИНА. ЗАРУБЕЖНЫЕ СТРАНЫ ЯЗЫК. ЛИТЕРАТУРА И ИСКУССТВО 3 8 5 ПОЛВЕКА НОВОЙ ЭРЫ Страна Советов. Советский образ жизни. Советский человек. . . 3 9 6 У КАРТЫ МИРА Б. Л. К у д р я в ц е в 4 1 3 ИЗ ИСТОРИИ ПОЛИТИЧЕСКОЙ КАРТЫ МИРА Ю. М. В л а д и м и р о в 4 1 6 ЧТО ЧИТАТЬ Е. Л. Л у р ь е 4 1 9 ВАЖНЕЙШЕЕ СРЕДСТВО ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОБЩЕНИЯ Что такое язык? Язык и общество. Литературный язык. Правильно ли мы говорим? Б. С. Ш в а р ц к о п ф 424 языки НАРОДОВ МИРА А. А. Л е о н т ь е в 425 языки НАРОДОВ СССР А. А. Л е о н т ь е в 425 СЛОВАРИК юного ЯЗЫКОВЕДА В. В. Лопатин, Б. С. Шварцкопф 426 К А К УСТРОЕНЫ ГРАММАТИКИ? А. А, Л е о н т ь е в 427 ВЕЛИКИЙ, МОГУЧИЙ, ПРАВДИВЫЙ И СВОБОДНЫЙ Русские слова в других языках. Сколько слов в русском языке? Самые новые слова. Слова простые и производные. Родословная слов. Чередования. Русский язык среди славянских языков. Самые старые слова. Славянские и индоевропейские языки. Слова одинаковые — значения разные. Чужие слова. Кальки. Международные слова. В. В. Л о п а т и н 437 о т РИСУНКА к СОВРЕМЕННЫМ АЛФАВИТАМ Иероглифическое и буквенное письмо. Дешифровка древних письменностей. Биография нашего письма. А. А. Л е о н т ь е в 443 СОЦИАЛИСТИЧЕСКИЙ РЕАЛИЗМ — ТВОРЧЕСКИЙ МЕТОД СОВЕТСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Л. И. Тимофеев 448 ч т о ЧИТАТЬ Б. С. Шв а р ц к о п ф, E. Л. Лу р ь е ПРОДОЛЖАЕТСЯ 10 ЧИТАТЕЛЯМ О чем эта книга? Обо всем. Ее содержание энциклопе­
дично. Это не удивительно. Она ведь родилась из энцикло­
педии. Когда большой коллектив авторов и редакторов Детской энциклопедии (сокращенно ДЭ) закончил работу над первым, 10-томным ее изданием (1958—1963), он без промедления взялся за подготовку нового, 12-томного. Очень хотелось сделать так, чтобы новое издание было луч­
ше, интереснее, доступнее, чем первое, а главное, чтобы оно вобрало в себя все то новое, чем обогатились за последние годы наука, техника, культура. Тогда же возникла мысль создать отдельную книгу, в которую входило бы только одно новое, без повторения того, что содержалось в ранее изданных томах ДЭ. Так и родилась эта книга, которая не должна была оставить в стороне ни одного из самых разных интересов юных читателей. Такую книгу, по наше­
му убеждению, с пользой прочтет каждый — и тот, кто со­
всем незнаком с первым изданием ДЭ, и тот, у кого оно есть. Наша книга, конечно, не учебник и не учебное пособие. Того, что в ней изложено, не требуют от вас школьные про­
граммы. Но вы найдете здесь немало материала, помогаю­
щего пополнить, углубить и расширить приобретенные зна­
ния, подготовить доклад в кружке, проверить себя, прежде чем решить, какой именно факультативный курс выбрать. А самое главное — она поможет вам подружиться с наукой. Как читать эту книгу? Лучше начинать с того, что вам сразу же придется по сердцу. Попробуйте сначала перелистывать страницу за страницей, прочитывая заго­
ловки статей, иногда пробегая глазами отдельные строки, рассматривать иллюстрации и подписи к ним. После этого принимайтесь за чтение заинтересовавших вас статей, не смущаясь тем, что, возможно, придется идти от середины книги к началу, а потом уже к концу. Не станем скрывать, однако: мы рассчитываем на то, что в конце концов вы прочтете все статьи. В самом деле, будет очень обидно, если, например, любитель математики ограничится только статьями математического содержания, не заинте­
ресовавшись ни психологией личности, ни спортивными ре-
кордами. Не менее огорчительно было бы, если кто-то из вас, решив раз и навсегда, что его призвание — искусство, и только оно одно, прошел бы мимо проблем кибернетики, не стал слушать «последние известия» с галактик, столь дале­
ких от нас, что их не разглядишь даже в самые сильные телескопы, отказался от знакомства с еще не открытыми элементами или ближайшим будущим молекулярной биологии. Поверьте нам, участвовавшим в создании Детской энциклопедии, а нас много — около тысячи — это писатели, музыканты и художники, историки и лингвисты, матема­
тики и физики, химики и биологи, геологи и географы, медики и психологи, инженеры и агрономы, путешествен­
ники и спортсмены и, наконец, редакторы,— тот, кто хочет многого достичь в избранной им области человеческой дея­
тельности, должен обязательно обладать пытливым и вечно стремящимся вперед умом, которому до всего есть дело. «Познание продолжается» — вот название, которое мы дали нашей книге. Пусть оно станет и вашим девизом! К ЧИТАТЕЛЯМ 11 12 МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ. ВСЕЛЕННАЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА 13 ВСЕЛЕННАЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА О том, что Вселенная бесконечна, люди догадывались уже давно. Ученые древности приводили убедительный, как им казалось, пример. Человек шел, шел и дошел до края Вселенной. Потом он вытянул руку и ока­
зался за ее пределами. Но так как сам чело­
век принадлежит Вселенной, значит, ее гра­
ницы расширились на длину его вытянутой руки. Сделав еще шаг и достигнув новой границы, он снова может повторить эту опе­
рацию. И так сколько угодно. Значит, Все­
ленная безгранична. Конечно, строго научным это доказатель­
ство назвать нельзя. Мы привели его здесь только для того, чтобы показать, что людей всегда интересовало: а что же дальше? Что находится за вытянутой рукой, за рекой и морем, за самой дальней звездой, за самой далекой галактикой? Мы сегодня еще не знаем ответов на мно­
гие из таких вопросов. Но наука, объясняю­
щая Вселенную, — к о с мо л о г и я — уже накопила множество фактов. Они позволяют ученым строить предположения и гипотезы, ставить новые вопросы. В 1965 г. было сделано открытие, значе­
ние которого для космологии очень велико. Но прежде чем рассказать об этом откры­
тии, нужна одна оговорка. Мы будем часто употреблять слово «Вселенная». Под этим надо понимать, конечно, не всю безгранич­
ную в пространстве и времени Вселенную, а только ту ее часть, которая доступна сегод­
ня нашим методам научного исследования. Часто ее называют Метагалактикой. Конеч­
но, границы Метагалактики будут раздви­
гаться с развитием науки, и мы все больше и больше будем узнавать о необъятной Все­
ленной в целом. Так вот, в 1965 г. два американских уче­
ных исследовали радиопомехи на длине вол­
ны 7,3 см. Нужно было создать систему ра­
диосвязи с искусственными спутниками именно на такой длине волны, а для этого необходимо знать, какие могут быть помехи. Радиошумов на этой волне оказалось много. Но ученые знали, откуда многие из них берутся. Вот радиоизлучение Солнца — могли они сказать, — а это радиоизлучение такой-то звезды или галактики. Вот излуче­
ние самой Земли, ее многочисленных радио­
станций. В общем, все эти шумы молено учесть и выяснить их происхождение. Но приборы регистрировали еще один, совершенно непонятный радиошум, изба­
виться от которого оказалось невозможно. Он шел ниоткуда и отовсюду, был, как гово­
рят, изотропным, т. е. одинаковым по всем направлениям. Величина его тоже все время была постоянной. За год до этого советские ученые И. Д. Но­
виков и А. Г. Дорошкевич подсчитали, какое радиоизлучение могут дать все радиозвезды и радиогалактики. У них получилась кривая, показанная на странице 15. Левый подъем этой кривой — радиоизлучение галактик, правый подъем — радиоизлучение звезд. Со­
ветские физики заявили, что было бы очень важно исследовать радиоизлучение в той час­
ти кривой, где у них получился «провал* — минимум, т. е. в диапазоне от 0,1 см до 30 еж. Именно в этот диапазон и попал радиошум, открытый американцами. Вторая кривая по­
строена уже с учетом этого открытия. Вы видите, что величина, интенсивность этого радиоизлучения на несколько порядков боль­
ше, чем излучение звезд и галактик. Только трудностями приема на этой волне можно объяснить, что его не открыли раньше. Итак, радиошум этот, повторяем, был очень странным. Во-первых, его нельзя было «привязать» ни к одному объекту, т. е. точно указать, где источник излучения. Во-вторых, он не изменяется со временем — не слабеет и не усиливается. В-третьих, интенсивность его настолько велика, что ничем нельзя МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 14 объяснить это явление. Оставалось предполо­
жить только одно — излучение имеет внега­
лактическое происхождение. Оно не связано ни с одним видимым или невидимым объек­
том, существует самостоятельно и принадле­
жит самой Вселенной. Оно осталось нам в наследство от невообразимо далеких эпох нашей Вселенной, когда не было не только Земли, но и звезд и галактик. Открытое ра­
диоизлучение так и назвали — реликтовым (реликт — явление, сохранившееся как оста­
ток далекого прошлого). А теперь вернемся лет на пятьдесят назад. В 1917 г. гениальный создатель общей тео­
рии относительности А. Эйнштейн попытал­
ся применить свою теорию к космологии. Чтобы решить задачу, Эйнштейн сделал од­
но предположение — Вселенная не изменяет­
ся со временем, она одна и та же всегда, веч­
но. Тогда такое утверждение казалось на­
столько естественным, что никому и в голову не приходило, что может быть иначе. К это­
му добавляли еще требование, чтобы Вселен­
ная была однородной и обладала одинако­
выми свойствами по всем направлениям. Эти три принципа — постоянство во времени, однородность и изотропность — назвали да­
же «совершенным космологическим принци­
пом». Первый сокрушительный удар этой тео­
рии нанес советский математик А. А. Фрид­
ман. В 1922 г. он предсказал, что мир не мо­
жет находиться в покое. По его теории, он должен либо расширяться, либо сжиматься. А в 1929 г. гипотеза Фридмана была под­
тверждена экспериментально. Американский астроном Э. Хаббл заметил, что в спектре да­
леких галактик все линии смещены в крас­
ную сторону. Это явление хорошо объясня­
лось с помощью эффекта Доплера. Помни­
те? Если источник света движется относи­
тельно наблюдателя, то для этого наблюда­
теля длина волны (частота) изменяется. Причем если источник удаляется, свет «крас­
неет», а если приближается — «синеет». Специалисты, занимающиеся спектроско­
пией, только взглянув на фотографию спект­
ра, сразу скажут — вот линия железа, а это, скажем линия кальция. И вдруг оказывает­
ся, что в спектре далеких галактик хорошо знакомые линии не на месте. Причем это относится к любой выбранной линии. Взгляните на фотографию (стр. 15). Сле­
ва — «фотопортреты» галактик, справа — их спектрограммы. Спектр самой галактики — темная полоса в середине. Сверху и снизу впечатан спектр сравнения, полученный в лаборатории. Начало стрелки указывает на положение нормальной, лабораторной линии (здесь — это линия кальция). А конец стрел­
ки показывает, куда сместилась эта линия из-за того, что галактика движется. Все галактики, которые наблюдал Хаббл, имели красное смещение. Значит, следовал вывод, все они удаляются от нас. Именно это и утверждал Фридман! (Не нужно, конечно, думать, что Земля — центр этого расшире­
ния. Если надувать мыльный пузырь, каж­
дая точка на его поверхности будет центром расширения.) Итак, открытие красного смещения цели­
ком подтвердило гипотезу советского уче­
ного — Вселенная расширяется. Но это одно­
временно означает, что когда-то она была бо­
лее «тесной» и плотной. А еще раньше? Открытие внегалактического радиоизлу­
чения, о котором мы говорили в начале ста­
тьи, помогает ответить на этот вопрос. Была высказана гипотеза, что в момент самого начала расширения (около десяти миллиар­
дов лет назад) Вселенная представляла собой необычайно горячий и плотный сгусток. Плотность его была намного больше плотно­
сти вещества, состоящего только из атомных ядер, а температура — число с десятками нулей, Из чего же состоял этот сгусток? Вещест­
ва в обычном понимании не было — была однородная очень горячая «каша» (плазма) из элементарных частиц, пронизанная свето­
вым излучением. Ведь при такой громадной Радиотелескоп, с помощью которо­
го было открыто реликтовое радио­
излучение. ВСЕЛЕННАЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА 15 температуре любое образование из элементар­
ных частиц, скажем атомное ядро, момен­
тально развалилось бы, Начинается расширение. При расширении «растягивается», увеличивается любое рас­
стояние (вспомните пример с мыльным пузы­
рем). Увеличивается и длина волны квантов Интенсивность излучения ра­
диозвезд и радиогалактик света. А она, как известно, обратно пропор­
циональна энергии кванта (чем «короче» квант, тем он «мощнее», и наоборот). Следо­
вательно, энергия квантов при расширении уменьшается. А это значит, что температура плазмы уменьшается тоже. Вселенная осты­
вает. Ученые подсчитали, что в момент вре­
мени, равный одной секунде после начала расширения, температура была десять мил­
лиардов градусов. При такой температуре и громадной плотности существуют только кванты света (излучение) и пары легких ча­
стиц и античастиц — электронов и позитро­
нов, нейтрино и антинейтрино, т. е. в каком-
то смысле «вещество». Есть также протоны и нейтроны, но их очень мало — в тысячу миллионов раз меньше, чем квантов света. Более тяжелые частицы (а в момент начала расширения существовали все известные и неизвестные нам частицы — об этом см. ни­
же) уже исчезли. Вещество и излучение находятся в тепловом равновесии — их тем­
пературы одинаковы. Продолжающееся расширение изменяет эту картину. Уменьшается плотность, умень­
шается и температура. В период от одной до ста секунд начинают исчезать (аннигилиро­
вать) позитроны и электроны. Раньше было так «тесно» в этом сгустке, кванты и части­
цы сталкивались так часто, что сколько по­
зитронов и электронов «умирало», столько же их и «рождалось* в результате этих столкновений. А теперь стало «попростор­
нее», температура (а значит, и энергия) по­
меньше. Меньше стало и случаев «рожде­
ния» пар. Кванты остаются, их число не ме­
няется и в дальнейшем. Количество нейтри­
но и антинейтрино тоже сохраняется. Ведь они носятся со скоростью света и встречают­
ся друг с другом очень редко. Но их энергия МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ Так образовались первые химические элементы. все же уменьшается, они «остывают», так же как и кванты света. С протонами и нейтронами происходит следующее. Нейтроны соединяются с прото­
нами и образуют ядра тяжелого водорода — дейтерия. А дейтерии в свою очередь пре­
вращается в гелий. Расчеты показывают, что в результате этих реакций должно было по­
лучиться по весу 70% водорода (протонов) и 30% гелия. Все остальные, более тяжелые элементы образовывались гораздо позже, когда уже возникли звезды. Изучение рас­
пространенности химических элементов во Вселенной пока подтверждает эти выводы. Мы живем, таким образом, в водородно-ге-
лиевой Вселенной. Итак, закончился второй период разви­
тия Вселенной. Его называют периодом ядер­
ных реакций. А расширение продолжается по-прежнему. Следующие три миллиона лет после периода ядерных реакций ничего осо­
бенно не меняют. Плотность уменьшается, температура падает. И все равно квантов так много, они еще так «горячи», что плотность излучения больше, чем плотность обычного вещества. (Пусть вас не смущает выражение «плотность излучения». Во-первых, вы знаете, что свет давит. А во-вторых, вам, вероятно, знакома знаменитая формула Эйнштейна 16 Е=тс2. Согласно этой формуле теории отно­
сительности, энергии соответствует опреде­
ленная масса. Так, например, при темпера­
туре в миллиард градусов в одном кубиче­
ском сантиметре содержится 10 г излучения.) Само вещество (водород и гелий) находится в ионизированном состоянии, так как при такой температуре электроны моментально «сдираются» с атомных оболочек. Суще­
ствуют перемешанные в одной «каше», но свободно движущиеся, не связанные друг с другом электроны и атомные ядра водо­
рода (протоны) и гелия (альфа-частицы). Ни­
каких образований, похожих на звезды, не существует: излучение «расталкивает» ве­
щество, не дает ему собраться под действием сил тяготения. Вещество и излучение имеют, несмотря на продолжающееся расширение, пока одинаковую температуру, находятся в тепловом равновесии. И только по прошествии трех миллионов лет это равновесие нарушается. В это время температура падает до 3,5 тыс. градусов, и становится достаточно «прохладно», чтобы ядра атома водорода — основного элемента Вселенной — захватывали электроны и ве­
щество становилось нейтральным. Только теперь может начаться образова­
ние звезд и галактик. Но первые небесные тела, которые очень сильно отличались от нынешних, возникли, по-видимому, еще позже. Советский физик академик Я. Б. Зель­
дович назвал их празвездами. Их возник­
новение, процессы развития остаются для нас пока еще неизвестными. Как ни удивительно, но мы лучше знаем, что происходило с нашей Вселенной через несколько секунд после на­
чала расширения, чем несколько миллионов лет спустя. Вернемся к празвездам. Можно предполо­
жить, что происходит примерно следующее. При их образовании выделяется колоссаль­
ная энергия, которая снова нагревает вокруг них уже успевшее остыть до 0,4° абсолютной температуры вещество. И нагревает сильно — до ста тысяч градусов. А излучение имеет в это время температуру всего около 40° К. (На сегодняшний день температура излуче­
ния 3L К, а еще через десять миллиардов лет она упадет до 2° К.) Но при ста тысячах гра­
дусов вещество снова ионизируется, и процесс его конденсации в звезды и галактики не мо­
жет продолжаться. Возможно, часть вещества ВСЕЛЕННАЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА 17 Три варианта модели Вселенной: 1 — «открытая», 2 — «закрытая», 3 — циклическая. так и осталась до сих пор в виде горячего ионизированного межгалактического газа. Еще недавно предполагали, что плотность межгалактического газа может быть гораздо больше плотности вещества, содержащегося в звездах и галактиках (конечно, в том слу­
чае, если это вещество равномерно распреде­
лить по тому же объему, который занимает межгалактический газ). Однако недавно молодой советский астро­
физик Р. А. Сюняев показал, что, вероятнее всего, если межгалактический газ и суще­
ствует, то в нем вещества не больше, чем в галактиках. Вопрос о плотности вещества во Вселен­
ной крайне важен. Расширение Вселенной, как мы уже сказали, является фактом. Но что из этого следует? Что будет дальше и что было до начала расширения? Есть несколько вариантов. Первый — расширение когда-то началось и никогда не кончится. Это так на­
зываемая фридмановская о т к р ыт а я мо­
дель Вселенной. Второй вариант — расшире­
ние замедляется, силы тяготения не дают 2 Познание продолжается ему продолжаться вечно, оно сменится сжа­
тием. Это — з а к р ы т а я модель. И третий случай — следующие друг за другом циклы с жа т и е — р а с ши р е н и е (по подсчетам ученых, радиус таких циклов должен возра­
стать со временем). Тот факт, что сейчас происходит расши­
рение, не позволяет выбрать какой-нибудь из перечисленных вариантов, как бы он нам ни нравился. Мы сможем сделать выбор мо­
дели, если рассчитаем, какова сейчас средняя плотность вещества во Вселенной во всех его формах. Если она больше некоторой опреде­
ленной плотности (ее называют критической плотностью, и, по современным данным, она равна 2,1 • 10~гэ г/сжГ)), то осуществляется за­
крытая модель или ц и к л и ч е с к а я (пуль­
с и р у юща я, как ее еще называют). Если современная плотность меньше критической, расширение будет продолжаться вечно, осу­
ществляется открытая модель. Вот почему изучение всех форм вещества во Вселенной так важно. А работы здесь предстоит много. Ведь мы не знаем не только плотности меж-
МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ галактического газа, но и плотности ней­
трального водорода. И это несмотря на то, что мы живем в «водородной» Вселенной (вспомните — 70% водорода!). Больше того, мы не можем быть уверены, что вообще зна­
ем все формы существования вещества. Не исключено также, что нейтрино, которые уче­
ные еще не научились «взвешивать», как раз и являются главной весовой частью Вселен­
ной. А гравитационные волны? А сжавшиеся до такой плотности, что их гравитационное поле уже не выпускает свет, и, следовательно, невидимые (так называемые с к о л л а п с и -
р о в а в шие ) звезды и галактики? Но что говорить о еще не открытых фор­
мах существования материи! Ведь, как мы сказали, мы пока еще не можем определить плотность межгалактического газа. Вдруг она уже больше, чем критическая плотность? Вот почему совсем недавно открытые объек­
ты — к в а з а р ы (см. ст. *В мире галактик» и «У порога неведомого») вызвали большой интерес. Квазары находятся от нас так дале­
ко, что свет от них, который мы видим сей­
час, начал свой путь миллиарды лет назад. Поэтому квазары (как и реликтовое радиоиз­
лучение) дают нам информацию о самых ранних этапах эволюции Вселенной. Изучая поглощение света в слое нейтрального водо­
рода, расположенного между квазаром и земным наблюдателем, можно судить о плот­
ности водорода. Пока известно, что эта плот­
ность по крайней мере в миллионы раз мень­
ше критической. (Это не противоречит сделан­
ному выше заявлению, что мы не знаем плот­
ности нейтрального водорода. Мы ее действи­
тельно не знаем, а число, приводимое здесь, — это лишь верхняя граница.) Это ка­
жется странным: водорода так много — 70%, а плотность нейтрального водорода такая ма­
ленькая. Но, может быть, все дело в том, что мало именно нейтрального водорода? Может быть, он почти весь нагрет, ионизирован? Ведь его должны нагревать взрывы звезд и галактик, происходившие раньше, происхо­
дящие и сейчас. Видите, сколько вопросов — и только по поводу одного межгалактиче­
ского газа. Некоторые ученые считают, что основной вклад (до 95%) в плотность вещества во Вселенной дают неуловимые нейтрино. Про­
верить эту гипотезу в ближайшее время, ВИ­
ДИМО, не удастся. Ведь нейтрино действитель-
18 но неуловимы. Практически они не взаимо­
действуют с веществом, пролетая громадные его толщи без единого столкновения. Физики сумели — и то совсем недавно — зарегистри­
ровать несколько нейтрино, рожденных кос­
мическими лучами в атмосфере Земли. Но это стало возможным лишь потому, что их энергия достаточно велика. Что же говорить о реликтовых нейтрино, которые успели сильно остыть, т. е. уменьшить свою энер­
гию? А игра стоит свеч — ведь если мы на­
учимся ловить нейтрино, то получим ценней­
шую информацию о самых ранних этапах развития Вселенной. С помощью нейтрино мы сможем заглянуть гораздо глубже, чем с по­
мощью реликтового радиоизлучения. И вот почему. Те радиокванты, которые попали на радиотелескоп американских ученых, не являются самыми «первыми». Скорее всего, это их потомки. Дело происходило так. Когда плотность и температура плазмы были вели­
ки, квантам было очень «тесно». Они взаи­
модействовали с другими частицами плазмы, «рождались» и «умирали». Через триста мил­
лионов лет, когда плотность из-за расшире­
ния стала очень маленькой, вещество стало нейтральным и проницаемым для излучения, квантам стало свободно, им не с чем уже было сталкиваться. Именно эти кванты мы можем сейчас поймать. Так как они родились поздно, они не «знают» ранней истории Все­
ленной. А нейтрино «знают», ведь они прак­
тически с самого начала расширения ни с чем не взаимодействовали. Мы начали счет времени нашей Вселен­
ной с одной секунды после начала расшире­
ния. А что было до этого — от нуля до од­
ной секунды? «Нулем» условно назван мо­
мент начала расширения. Чем ближе мы (двигаясь назад) к нуле­
вому моменту, тем больше температура и плотность. В нашей «каше» из излучения и частиц очень много тяжелых частиц и анти­
частиц. Ученые всего мира разыскивают сей­
час частицы под названием «кварки». Кварки родились и существуют пока на бумаге тео­
ретиков, но не исключено, что они есть на самом деле. В мире элементарных частиц это великаны. Их масса в несколько раз больше массы, скажем, протона. Так вот, был мо^-
мент, когда кварков (повторяем, если они, конечно, есть) было очень заметное количе­
ство. Даже к сегодняшнему дню кварков во ВСЕЛЕННАЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА 19 Состояние Вселенной до нулевого момента з е р к а л ь н о копирует состояние после этого момента. Ан-
Вселенной должно остаться больше, чем зо­
лота или радия. Ну и, конечно, самый трудный вопрос — а что же было до нулевого момента? Что да­
ло первый толчок плотному огненному клуб­
ку? Мы еще не знаем ответа на эти вопросы, но это будет исследовано. Пока наука отве­
чает лишь предположительно. Вспомним, что мы говорили о Метагалак­
тике. Ведь наши выводы относятся именно к ней, а не ко всей Вселенной. Сам же факт толчка, «взрыва» не вызывает сейчас особых сомнений. Мы знаем, что такие взрывы про­
исходят и в настоящее время — в галактиках и их скоплениях. Это было доказано работа­
ми известного советского ученого академика В. А. Амбарцумяна. Во-вторых, ведь мы еще не знаем, какой вариант осуществляется — открытый или закрытый. В-третьих, при плотности и температуре выше некоторых значений известные нам законы современной физики уже недействительны. Найти но­
вые — задача будущего. Но гипотезы о том, что происходило в «начале», в «особой» точ­
ке, уже выдвигаются. Например, советский физик академик А. Д. Сахаров считает, что состояние Вселенной до нулевого момента з е р к а л ь н о к о п и р у е т состояние после этого момента, но с заменой всех частиц на античастицы и с заменой направления тече­
ния всех процессов на обратное. Если пред­
положить, что существуют некие сверхтяже­
лые нейтральные частицы — м а к с и м о н ы (их придумал другой советский ученый, ака­
демик М. А. Марков), то все происходит сле­
дующим образом. Античастицы, существую-
2* тичастицы, существовавшие «до», сливаются в максимоны, которые «после» распадаются на частицы с противоположным знаком. щие до нулевого момента, сливаются в мак­
симоны, которые по с л е нуля распадаются на частицы. В особой же точке максимоны как-то проходят друг через друга без всякого взаимодействия. Конечно, это пока только гипотеза. К числу гипотез относится и предположе­
ние о неодинаковости расширения Вселенной после начального момента. Все реликтовые частицы, как мы уже сказали, очень «осты­
ли». Но, может быть, еще сохранились и «го­
рячие» — их тогда легче было бы поймать. Не исключено также, что Вселенная в первое время была похожа на огурец. Расширение шло «вкривь» и «вкось» (правда, потом оно стало одинаковым). Более того, по некоторым направлениям могло происходить даже сжа­
тие. Это означает, например, что нейтрино, двигавшиеся в таких направлениях, имели бы не красное, а синее смещение, а значит, и энергию выше средней. Проверить эту гипо­
тезу пока еще также трудно. Б этой статье мы часто употребляли со­
слагательное наклонение. Это и понятно — ведь речь шла о Вселенной, познание кото­
рой никогда не закончится. 4ем больше мы узнаем о ней, тем больше возникнет новых вопросов. Их придется решать нашим потом­
кам. Несмотря на достигнутые космологией успехи, проникновение в тайну мироздания только начинается. МИР НЕБЕГНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 20 В МИРЕ ГАЛАКТИК КАК ИЗУЧАЮТ ГАЛАКТИКИ Астрономам приходится иметь дело с са­
мыми огромными, самыми массивными и са­
мыми далекими телами, существующими в природе. Поэтому они привыкли к гигант­
ским масштабам и огромным числам. Нам трудно наглядно представить себе расстояния даже до близких небесных тел. Самая близкая к нам звезда — Солнце — удалена от нас примерно на 150 млн. км. Чтобы досчитать до 150 млн., произнося каждую секунду по числу, потребовалось бы около пяти лет. Однако расстояние до Солнца ничтожно в сравнении с расстояниями меж­
ду звездами. Ближайшая к нам звезда нахо­
дится почти в 260 тысяч раз дальше Солнца. Но и эти числа со многими нулями прихо­
дится считать маленькими, когда речь идет о расстояниях между гигантскими скопления­
ми звезд — галактиками. Галактики так далеки от нас, что, за ис­
ключением немногих самых близких, их нельзя рассмотреть ни в какие телескопы. Изучают их, как правило, с помощью астро­
номической фотографии или электронных приемников. По фотографиям определяют яркость галактик, их размеры, форму, струк­
туру, положение на небе. Посмотрите, как разнообразны галактики (рис. 2—9). По Flic. 1. Центральная часть скопле­
ния галактик в созвездии Геркулеса (негатив). внешнему виду их можно грубо разделить на три типа: э л л и п т и ч е с к и е (они видны как овальные светлые пятна), с п и р а л ь н ые (в них заметны спиральные ветви) и не пр а ­
в ил ь ные, похожие на бесформенные облачка. Почему галактики так не похожи друг на друга? Исследования показали, что их фор­
ма зависит от звездного состава, от возраста, от интенсивности образования в них звезд. Стгралъные ветви галактик состоят в ос­
новном из молодых, очень ярких звезд и об­
лаков газа. Облака светятся под действием ультрафиолетовых лучей, испускаемых эти­
ми звездами. Из газовых облаков, медленно сжимающихся под действием собственных сил тяготения, образуются новые поколения звезд. Но в составе спиральных галактик не­
мало и старых, уже неярких звезд. Рис. 2. Туманность Андромеды — ближайшая к нам спиральная га­
лактика. В МИРЕ ГАЛАКТИК Рис. 3. Спиральная галактика с перемычкой. В эллиптических галактиках газа уже почти нет, звездообразование в них давно закончилось, поэтому составляют их пре­
имущественно старые звезды, которым не­
сколько миллиардов лет. Звезды с возра­
стом становятся более красными, в связи с чем эллиптические галактики краснее спи­
ральных. Неправильные галактики, наоборот, часто очень голубые, так как молодых звезд в них даже больше, чем в спиральных. Боль­
ше в них и межзвездного газа, из которого продолжается образование звезд. Существуют галактики с очень странны­
ми н причудливыми формами (так называе­
мые п е к у л я р н ые галактики), их часто трудно отнести к какому-нибудь типу. Вот, например, галактика (рис. 8), у которой эл­
липтическое тело обвито полосами светлой материи и темными прожилками пыли. Ни­
кто пока не может объяснить, как такие де­
тали образовались. Галактики бывают парными, и теспос со­
седство нередко сказывается на их внешнем виде; между галактиками образуются «пе­
ремычки» из звезд или далеко Е сторону от­
ходят светящиеся длинные «хвосты*, часто удивительно прямые (рис. 9). Не ясно, давно ли образовались эти при­
датки, какова irx природа, почему они не падают на галактику. Большую роль в их появлении играют, безусловно, магнитные по­
ля, проходящие через галактики, и окру­
жающая газовая среда. Существование столь не похожих друг на друга галактик вызвано тем, что они образо­
вывались в разных условиях. Большинство исследователей считает, что галактики скон-
21 Рис. 4. Спиральная галактика. денсировались из громадных облаков газа, преимущественно водорода, некогда запол­
нявшего все мировое пространство. Эти обла­
ка — протогалактики — отличались друг от друга массой, размерами, скоростью враще­
ния вокруг оси, силой внутреннего магнитно­
го поля. От этих физических характеристик очень сильно зависит, как быстро и в каких местах облако начнет дробиться на меньшие облачка, образуя звезды, а значит, какой вид будет иметь галактика. Астрономы научились исследовать дви­
жение галактик, хотя это далеко не простая задача. Из-за огромных расстояний мы видим все космические процессы как бы 3f. медленными киносъемкой. Даже если мы на­
блюдаем взрыв в галактике, где массы газа движутся со скоростью тысяч километров в секунду, наши далекие потомки и через ты­
сячи лет будут видеть ту же картину, что и мы, словно газ и не сдвинулся с места. О движении галактик узнают, исследуя их спектр. Спектр галактики выглядит как узкая светлая полоска, перерезанная темны­
ми линиями поглощения, принадлежащими различным химическим элементам. Б физике давно известен так называемый эффект Доплера (см. стр. 14). Измеряя длины волн спектральных линий в спектре галак­
тик, ученые узнают о том, как галактикп дви­
жутся. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 22 Рис. 5. Спиральная галактика. Тем­
ная полоса говорит о большой кон­
центрации пыли в галактике. Рис. 6. Эллиптическая галактика. Если получить спектр отдельных частей галактики, можно определить скорость вра­
щения звезд вокруг центра. Оказалось, что за свою жизнь каждая галактика успела сде­
лать несколько десятков оборотов. Зная раз­
меры галактики и скорость ее вращения, не­
трудно, опираясь на закон всемирного тяго­
тения, «взвесить» галактику, вычислить ее массу. Но сначала необходимо решить еще одну задачу: определить расстояние до галактики. Для этого применяют несколько способов. Можно сравнить видимый блеск отдельных звезд исследуемой галактики и таких же звезд, но близких к нам, входящих в нашу Галактику, расстояния до которых известны. Если же отдельные звезды неразличимы, можно оценить расстояние по видимой ярко­
сти или видимому размеру галактики в це­
лом. Но это очень грубый метод, и, применяя его, можно ошибиться в несколько раз. Есть способ, который позволяет, получив спектр далекой галактики, узнать расстоя­
ние значительно точнее. Дело в том, что мы живем в эпоху, когда происходит так назы­
ваемое расширение Вселенной (см. ст. «Все­
ленная вчера, сегодня и завтра»): галактики удаляются от нас и друг от друга. Это можно Рис. 7. Неправильная галактика — Большое Магелланово Облако. В МИРЕ ГАЛАКТИК 23 Рис. 9. Взаимодействующие галактики. доказать по сдвигу линии поглощения их спектров. Величина красного смещения тем больше, чем больше скорость удаления. И из теории (которая, между прочим, пред­
сказала удаление галактик друг от друга до того, как это показали наблюдения), и из аст­
рономических наблюдений далеких галак­
тик следует, что величина красного смеще­
ния (или скорости удаления галактик) про­
порциональна расстояниям до них. Напри­
мер, если одна галактика удаляется от нас со скоростью 2000 км/сек, а другая — 6000 км/сек, то вторая должна находиться в три раза дальше первой. Ученые установили, что для вычисления расстояния до галактики в мегапарсеках (1 мегапарсек — около 3 млн. световых лет) надо величину скорости в километрах в се­
кунду разделить приблизительно на сто. На­
пример, расстояния до галактик, о которых шла речь, равны 20 и 60 мегапарсекам. ...Многие процессы, происходящие в га­
лактиках, пока еще не объяснены, непонят­
ны. Много неясного связано с образованием галактик и звезд в них, с происхождением и устойчивостью спиральных ветвей, с внут­
ренними движениями звезд и газа, со взаи­
модействием галактик между собой и с окру­
жающей средой. Рис. 8. Пекулярная галактика необычной формы. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 24 ГАЛАКТИКИ ИЗЛУЧАЮТ РАДИОВОЛНЫ На Землю нз космоса беспрестанно прихо­
дят радиосигналы, но столь слабые, что для их обнаружения пришлось создать специальные приборы — радиотелескопы с огромными ан­
теннами и мощными усилителями. Их по­
истине фантастическая чувствительность позволяет уверенно улавливать радиоизлуче­
ние, приходящее не только из нашей, но и из других галактик. Чтобы перевернуть страни­
цу этой книги, вряд ли надо затратить боль­
ше энергии, чем энергия радиоволн, приня­
тая из межгалактического пространства все­
ми радиотелескопами мира, вместе взятыми, за всю историю существования радиоастро­
номии. Мы привыкли к тому, что радиоволны обычно рождает сложная аппаратура. Но, оказывается, любое тело — естественная ра­
диостанция. Чем выше температура тела, чем больше его размер, тем сильнее поток его ра­
диоволн. Радиоастрономы принимают тепловое ра­
диоизлучение даже от далеких и холодных планет, таких, как Уран или Нептун (см. ст. «Космические станции и радиоволны — о наших небесных соседях»). Наша Земля также излучает радиоволны, хотя при наблю­
дении ее с других планет сильнее оказался бы поток не естественных радиоволн, а при­
ходящих от радиостанций. Самый «яркий» источник радиоволн в Солнечной системе, конечно, Солнце, особенно внешняя часть его атмосферы — корона, нагретая до миллиона градусов. Другие звезды также излучают радиоволны, но расстояния до них так вели­
ки, что мы не в состоянии уловить радиоиз­
лучение даже самой близкой звезды (лишь недавно найдено несколько необычных звезд, радиоизлучение которых можно зарегистри­
ровать). В нашей Галактике есть более мощ­
ные естественные радиостанции, чем звезды. Например, облака разреженного межзвезд­
ного газа, сильно нагретые горячими звезда­
ми, — источники теплового радиоизлучения, которое мы можем принимать даже с расстоя­
ния в несколько тысяч световых лет. Как показали наблюдения, радиоволны рождаются не только в облаках газа, но н между ними. Образно говоря, в радиолучах •светится» вся Галактика, и особенно ярко— ее экваториальная область. Исследования показали, что ни в звездах, ни в межзвездном газе такое радиоизлучение образоваться не может. Своим существова­
нием оно обязано космическим лучам — движению очень быстрых заряженных ча­
стиц — электронов и протонов, неисчисли­
мые количества которых движутся в нашей Галактике во всех направлениях. Многие из них имеют такие большие скорости, какие не удается получить в мощнейших ускори­
телях элементарных частиц. Откуда они берутся? Как разгоняются до скорости, практически равной скорости све­
та? Это, пожалуй, главный вопрос совре­
менной астрофизики, и окончательного отве­
та на него не получено. Астрофизики все больше склоняются к тому.что значительная часть космических лучей выбрасывается из ядер некоторых галактик — маленьких светя­
щихся образований еще не разгаданной природы. Значительная часть космических лучей образуется при катастрофических взрывах Сверхновых звезд, происходящих в галакти­
ках в среднем раз в сто лет. Вспышка Сверх­
новой бывает такой сильной, что в момент максимума блеска звезда может соперни­
чать по яркости с миллиардами обычных звезд! Взрывы Сверхновых не проходят бесслед­
но. Тысячи лет после вспышки на месте взорвавшейся звезды можно наблюдать рас­
ширяющуюся газовую туманность. Известно около десятка таких туманностей — следов давних катастроф. С тех пор как был изобре­
тен телескоп, в нашей Галактике никто не видел взрыв Сверхновой, но наблюдения за их остатками показывают, что сотни лет они продолжают «вырабатывать» космические лучи и служить мощнейшими радиостанция­
ми в галактиках. В настоящее время зарегистрировано ра­
диоизлучение около сотни ближайших к нам галактик. Их радиоизображения не похожи друг на друга. У некоторых только централь­
ная часть испускает радиоволны, у других радиоизлучение приходит из области даже большей, чем сама галактика-
Обычно на излучение радиоволн галак­
тики тратят в десятки миллионов раз меньше энергии, чем на излучение видимо­
го света. Но ситуация меняется, когда происходят взрывы в центрах галактик. В МИРЕ ГАЛАКТИК 25 ВЗРЫВЫ В ЦЕНТРАХ ГАЛАКТИК На всем небе обнаружено много сотен то­
чек или маленьких областей, от которых при­
ходят к нам радиоволны. Чтобы узнать, ка­
кие тела их испускают, с помощью крупных телескопов фотографируют область неба, где зафиксирован тот или иной радиоисточник. Неожиданно оказалось, что на месте многих из них находятся далекие галактики. Их на­
звали радиогалактиками. Часто внешне ни­
чем не отличаясь от нормальных галактик, радиогалактики излучают в миллионы и де­
сятки миллионов раз более мощные потоки радиоволн. Как правило, радиогалактики — эллиптические и имеют очень большую мас­
су, нередко у них есть какая-нибудь особен­
ность во внешнем виде, многие из них — двойные. Из-за этого сначала считалп, что ра­
диогалактики — сталкивающиеся галактики. Но теперь известно немало одиночных радио­
галактик. Источник их энергии радиоизлуче­
ния — центральное ядро. На рисунке 10 — одна и та же радиога­
лактика, расположенная в большом скопле-
Рис. 10. Рад нога лактика Дева А. Фо­
тографии получены с различной экспозицией. Рис. 11. Радио галактика Центавр А, нии галактик в созвездии Девы. Расстояние до нее — около 30 млн. световых лет. Ниж­
няя фотография сделана с большой экспози­
цией, так что яркая центральная часть эл­
липтической галактики оказалась передер­
жанной. На верхней, полученной с меньшей экспозицией, видна лишь центральная ее часть. Хорошо заметно, что из центра выхо­
дит клочковатый выброс. На цветной фото­
графии он был бы голубым. Радиоизлучение приходит к нам из довольно обширной обла­
сти, включающей всю видимую на фотогра­
фии часть галактики, но на коротких, санти­
метровых волнах самую значительную часть радиоизлучения дает «выброс». Это излуче­
ние, как оказалось, содержит электромагнит­
ные колебания всех частот: от радиоволн до видимого света. Другой пример — радиогалактика, кото­
рую связывают с радиоисточником ЦентаЕр А. Эта эллиптическая галактика имеет одну редкую особенность: большое количество межзвездной пыли в виде широкой темной полосы (рис. 11). Интересно, что радиоизлу­
чение приходит в основном не от самой галактики, а от двух гигантских областей, симметрично расположенных относительно нее, объем которых во много десятков раз больше, чем объем галактики. Двойным оказался и радиоисточник Ле­
бедь А, один из самых «ярких» на небе. Он связан с двойной радиогалактикой, которая МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ I 26 расположена так далеко, что ее форму труд­
но определить даже по фотографии, получен­
ной с помощью пятиметрового телескопа. Расстояние до нее — около полумиллиарда световых лет. Лебедь А в радиодиапазоне излучает в несколько раз больше энергии, чем в виде обычного света. Столь мощные радиогалактики встречаются редко, и нам, можно сказать, повезло, что такой уникаль­
ный объект не расположен от нас значитель­
но дальше. Радиоизлучение подобных объектов мо­
жет улавливаться и с таких расстояний, когда радиогалактику уже нельзя сфотогра­
фировать никакими инструментами. Не уди­
вительно, что астрономам известно немало радиоисточников, которые не отожде­
ствляются ни с какими объектами. Радиогалактики типа Центавр А или Ле­
бедь А выбрасывают в окружающее прост­
ранство огромные облака быстрых частиц, хаотически двигающихся в магнитном поле и излучающих радиоволны в течение долго­
го времени. Со временем интенсивность их радиоизлучения уменьшается, и радиогалак­
тики становятся уже ничем не отличимыми от обычных галактик. Может быть, некото­
рые обычные галактики на определенной ста­
дии развития могут стать радиогалактика­
ми? Есть основания считать, что и наша Га­
лактика и туманность Андромеды в прошлом излучали радиоволны значительно интенсив­
нее, чем сейчас. В центре радиогалактик, в их ядрах, идут активные взрывные процессы, при кото» рых выделяется колоссальная энергия. Мил­
лион звезд, таких, как Солнце, вместе взя­
тых, за всю свою долгую жизнь не излучат в виде света и одного процента той энергии, которая выделяется при взрыве ядра обыч­
ной радиогалактнки. Почему происходит взрыв? Где была заключена до взрыва осво­
бодившаяся энергия? Эти вопросы остаются пока без ответа. Было предположение, что причина взрыва — близкое расположение звезд возле центра галактики. И вспышка одной Сверхновой может повлечь за собой взрыв большого количества звезд. Но оказа­
лось, что, вероятнее всего, взрывается само ядро галактики. Что выводит его из устойчивого состоя­
ния? Возможно, межзвездный и межгалак­
тический газ, оседающий на центр галакти-
ки. Не случайно радиогалактики имеют боль­
шую массу и создают вокруг себя сравни­
тельно сильное гравитационное поле. В нор­
мальных галактиках из ядер также выбра­
сываются газ и космические лучи, но в не­
больших количествах. В радиогалактиках активность ядра несравненно выше. Почему? Это будет ясно, когда мы больше узнаем о ядрах галактик. САМЫЕ ДАЛЕКИЕ ОБЪЕКТЫ Крупнейшее событие в астрономии за по­
следние годы — это, наверное, открытие совершенно неизвестного ранее класса внега­
лактических объектов — квазаров. В 1963 г. было обнаружено, что положе­
ние некоторых радиоисточников очень ма­
ленького углового размера совпадает с поло­
жением отдельных слабых звезд. Но извест­
но, что обычные звезды — слишком мало­
мощные радиоисточники, чтобы их радиоиз­
лучение можно было обнаружить. Поэтому открытые объекты сразу привлекли к себе пристальное внимание. Неожиданно оказа­
лось, что спектр этих радиозвезд содержит много ярких линий излучения (в отличие от темных линий поглощения, типичных для нормальных звезд), которые не поддаются расшифровке: было неясно, каким химичес­
ким элементам принадлежат спектральные линии. С такой ситуацией астрономы сталки­
вались. пожалуй, впервые. Наконец работаю­
щий в США голландский астроном М. Шмидт нашел ключ к разгадке странного спектра. Оказалось, что спектральные линии принадлежат хорошо знакомым химическим элементам, только эти линии сдвинуты в сто­
рону красной части спектра очень сильно, имеют большое красное смещение. Величиной красного смещения обычно называют число, показывающее, как отно­
сится изменение длины волны любой линии в спектре к первоначальной длине волны этой линии. Это число обычно бывает много меньше единицы. Для звезд нашей Галактики оно не выше 0,001, а для большинства ис­
следовавшихся галактик оно составляет 0,003—ОД. Самые далекие галактики, кото­
рые можно исследовать с помощью крупней­
ших телескопов, имеют красное смещение 0,2—0,5. Красное смещение двух самых яр-
Рис. 12. Фотографии квазаров на фоне обычных звезд (отмечены чер­
точками). ких радиозвезд оказалось близким к красно­
му смещению далеких галактик —0,16 и 0,37. Это говорит о том, что если их красное смещение, как и у галактик, вызвано расши­
рением Вселенной, то обнаруженные объекты лежат очень далеко. Они не похожи на га­
лактики. Эти объекты выглядят маленькими точками, как звезды, внешне отличаясь от большинства из них разве только голубым цветом (на рисунках их положение отме­
чено черточками). Они получили название к в а з и з в е з д н ые (т. е. похожие на звезды) р а д и о и с т о ч н и к и, или, сокращенно, ква­
з а р ы. Поскольку квазары видны с колоссаль­
ных расстояний, они должны излучать света в сотни раз больше, чем нормальные галак­
тики, а их радиоизлучение по мощности при­
мерно такое же, как у мощнейших радиога­
лактик. Самый близкий квазар (он известен под номером ЗС 273) находится на расстоянии около 1,5 млрд. световых лет от нас, и тем не менее его можно наблюдать даже в неболь­
шой телескоп, в который можно увидеть лишь несколько ближайших галактик. Рядом с этим квазаром на фотографиях заметно на­
правленное на него маленькое вытянутое об­
лачко, очень напоминающее выброс из ядра радиогалактики Дева А. Оно также является источником радиоизлучения. Сами квазары по многим характеристикам очень похожи на ядра галактик, находящиеся в возбуж­
денном состоянии, выбрасывающие газ и быстрые частицы. Таким образом, нащупывается нить, свя­
зывающая квазары с уже знакомыми нам объектами. Не исключена возможность, что квазары — это ядра галактик, которые све­
тятся слишком слабо, чтобы мы могли их видеть. Размер квазаров удивительно мал (разу­
меется, по галактическим масштабам), и до­
казательством этого служит тот факт, что некоторые из них довольно быстро и беспоря­
дочно меняют свои блеск. Например, яркость квазара ЗС 273 иногда заметно изменяется в течение нескольких недель или даже дней. Из этого следует вывод, что его размер не может превышать нескольких световых дней, иначе он целиком, как единый объект, не мог бы так быстро менять свою яркость. Это рас­
суждение может относиться не ко всему ква­
зару, а к тем его областям, которые дают ос­
новной вклад в излучение. Существование небольшого, но очень массивного газового шара, каким, по неко­
торым данным, является ядро квазара, объ­
яснить не так-то просто. Можно строго дока­
зать, что обычный газовый шар с массой даже в несколько сотен масс Солнца неотвра­
тимо начнет безудержно и быстро сжиматься под действием собственной тяжести, пока не достигнет такого размера, при котором пре­
кратится всякое излучение света; произойдет, как говорят, г р а в и т а ц и о н н ый кол ­
л а пс. Но ведь квазары существуют, и при­
чем довольно долго, наверняка более ста лет. Удалось разыскать фотографии неба, сделан­
ные еще в прошлом веке, где среди звезд оказался запечатленным квазар ЗС273; его яркость с тех пор существенно не измени­
лась. Специалисты считают, что причину МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 28 устойчивее™ квазара следует искать в его быстром вращении или в бурных хаотических движениях его вещества. Пока такие движе­
ния не затихнут (а для этого требуется не­
мало времени), квазар не начнет своего ката­
строфически быстрого сжатия. Существуют и иные предположения. Не­
которые исследователи считают, например, что квазары хотя и находятся за пределами нашей Галактики, но расстояние до них во много раз меньше, чем это следует из крас­
ного смещения. Иными словами, их красное смещение в основном вызвано не расшире­
нием Вселенной, как у галактик, а иными причинами. При этом масса и светимость ква­
заров может и не быть очень большой. На­
пример, квазары могут быть маленькими по размеру газовыми сгустками, летящими с околосветовой скоростью, выброшенными когда-то нашей или какой-либо соседней га­
лактикой. Можно предположить и другое: квазары отнюдь не имеют очень больших скоростей, а красное смещение вызвано движением света в сильном гравитационном поле. Красное смещение возникает оттого, что лучи света, вырываясь из сильного гравита­
ционного поля, создаваемого очень плотны­
ми телами, теряют часть своей энергии и, следовательно, увеличивают длину волны. Однако гипотезы, основанные на этих пред­
положениях, пока не могут объяснить всей совокупности известных данных и, пожалуй, делают природу квазаров еще более непонят­
ной. Поэтому большинство ученых продол­
жает считать квазары самыми далекими объектами. Сейчас известно более сотни квазаров. Самые далекие из них имеют такое большое красное смещение, что испускаемые кваза­
ром невидимые ультрафиолетовые лучи ста­
новятся видимыми, попадают в видимую часть спектра. Поиски квазаров привели к открытию родственных им объектов. На фотографиях они также почти не отличимы от звезд, име­
ют голубой цвет и смешенные в красную сто­
рону спектральные линии. Но, в отличие от квазаров, они почти не излучают радиоволн, что сильно затрудняет irx обнаружение. Открытые объекты получили название ква­
з и з в е з д н ых г а л а к т и к (сокращенно — к в а з а г и). Пока их нашли немного, но это вызвано лишь трудностями обнаружения: некоторые звезды нашей Галактики такие же голубые, как квазаги или квазары, и только спектральный анализ может пока­
зать, звезда это или внегалактический объ­
ект. Во Вселенной квазаги распространены даже больше, чем квазары. Вероятнее всего, квазары и квазаги — это одинаковые объек­
ты, только на разных стадиях развития. Еще не разобравшись в природе этих да­
леких объектов, ученые начали использовать их наблюдения для решения ряда проблем. Например, лучи света, испущенные квазара­
ми и квазагами, проходят огромные расстоя­
ния между галактиками сквозь очень разре­
женный газ. Анализ принятого света может помочь уточнить плотность газа в межгалак­
тическом пространстве. Но особенно привле­
кает то, что лучи, приходящие к нам от этих объектов, как бы гонцы далекого прош­
лого; ведь чем дальше объект, чем больше его красное смещение, тем раньше был испу­
щен принятый нами сегодня свет. Мы видим эти далекие тела такими, какими они были миллиарды лет назад, а к настоящему вре­
мени они, без сомнения, неузнаваемо измени­
лись. Наблюдая за далекими объектами, мы как бы заглядываем в прошлое Вселенной. Получив возможность узнать, как расширя­
лась Вселенная миллиарды лет назад, ученые изучают, какими свойствами обладает окру­
жающее нас пространство и как эти свойства меняются со временем. Наблюдения приводят к выводу, например, что миллиарды лет на­
зад квазары встречались во Вселенной во много раз чаще, чем теперь. Также сравнительно недавно стала извест­
на одна очень любопытная деталь: есть не­
сколько квазаров (они находятся в различ­
ных областях неба), у которых в спектре наряду со светлыми линиями излучения присутствуют темные линии поглощения. Красное смещение линий излучения у всех этих квазаров различное, но смещение ли­
ний поглощения практически одно и то же — оно составляет около 2,0! Да и число квазаров с таким смещением линий излуче­
ния оказалось тоже подозрительно велико. Одни считают, что такое совпадение вызва­
но некоторыми особенностями расширения Вселенной, другие видят в этом подтверж­
дение того, что красное смещение кваза­
ров — результат их внутренних свойств. НОВЫЕ ОТРАСЛИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ 29 Изучение квазаров и квазагов происхо­
дит бурными темпами. Оно помогает нам узнать, как Вселенная постепенно меняет свой облик. Было такое время, когда вообще не существовало ни звезд, ни галактик, ни квазаров и материя находилась в иных, мо­
жет быть, даже в неизвестных сейчас фор­
мах. Но природа всегда была и останется познаваемой, и исследование галактик, в ко­
торых содержится почти вся плотная мате­
рия Вселенной, и загадочных квазизвездных объектов — квазаров и квазагов — помогает нам понять, как устроена Вселенная и как она развивается. НОВЫЕ ОТРАСЛИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ Древнейшая из наук — астрономия пере­
живает вторую молодость. За последние 2—3 десятилетия объем наших знаний о Все­
ленной по крайней мере удвоился. Во мно­
гом это связано с тем, что сейчас появилась возможность исследовать, кроме видимого света, еще и невидимое электромагнитное излучение небесных тел — от самого корот­
коволнового (гамма- и рентгеновских лучей) до длинноволнового (инфракрасных лучей и радиоволн). Пройдет немного времени, и уче­
ные смогут регистрировать не только элек­
тромагнитное, но и иное излучение. РЕНТГЕНОВСКАЯ АСТРОНОМИЯ Рентгеновские лучи, идущие из космоса, не пропускаются нашей атмосферой, по­
этому их «поймали» лишь совсем недавно. Когда первые, еще очень несовершенные при­
емники-счетчики были подняты ракетами за пределы атмосферы, удалось зарегистриро­
вать рентгеновское излучение Солнца. Рентгеновские лучи, как и ультрафиоле­
товые, попадая в земную атмосферу, разру­
шают электронные оболочки атомов, превра­
щая атомы в ионы. Часть атмосферы, содер­
жащая много ионов,— ионосфера играет большую роль в распространении радиоволн между различными пунктами Земли. По­
этому изучение коротковолнового излучения Солнца представляет большой практический интерес. К тому же эти лучи несут много све­
дений о физических процессах, происходя­
щих на Солнце, Рентгеновское излучение Солнца образуется в основном на высоте не­
скольких десятков тысяч километров над его поверхностью, в солнечной атмосфере — ко­
роне, которая над активными областями, где встречаются пятна и факелы, нагрета осо­
бенно сильно — до температуры более мил­
лиона градусов. Долгое время считалось, что, кроме Солн­
ца, на небе нет доступных наблюдению ис­
точников рентгеновских лучей. Поэтому неожиданным оказалось открытие амери­
канских ученых. В 1963 г. с помощью раке­
ты, запущенной ночью, когда излучение Солнца не могло приниматься, они обнару­
жили два неизвестных источника: один сильный, в созвездии Скорпиона, другой, в несколько раз слабее, в созвездии Тельца. В этих местах неба в то время не было ни Лу­
ны, ни планет, поэтому ясно, что источники излучения находятся за пределами Солнеч­
ной системы. (Заметим, кстати, что с по­
мощью советских искусственных спутников Луны ее слабое рентгеновское излучение все же было обнаружено.) Точные координаты источников долго оставались неизвестными. Ведь лучи прини­
маются специальными счетчиками, кото­
рые способны регистрировать отдельные порции излучения — фотоны. Чтобы найти источник, счетчик обычно помещают в кон­
це металлического тубуса или системы па­
раллельных трубочек, второй конец которых остается открытым. Счетчик при этом может ловить излучение только тех областей неба, куда «нацелены» трубочки. Точность такого «наведениял, конечно, невелика. Тем не менее удалось установить, что источникэм рентге­
новских лучей в созвездии Тельца является Крабовидная туманность — остаток вспых­
нувшей более 90 лет назад Сверхновой звезды. Как рождаются рентгеновские лу ш? В центре туманности может находиться ма­
ленькая, очень горячая нейтронная звезда (подробнее об этих звездах см. ниже), пускающая рентгеновские лучи. Лучп может испускать не сплошное тело, а облака очень горячего газа. Наконец, они могут быть рож­
дены большим количеством очень быстрых, МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ так называемых релятивистских электронов, двигающихся в магнитном поле туманности. Давно известно, что Крабовидная туманность подобным образом излучает радиоволны, но для образования рентгеновских волн энергия электронов должна быть во много тысяч раз больше. Уточнить природу источника можно, определив его угловой размер, и если источ­
ник исчезающе мал, значит, это звезда, если же его размер сравним с размером туманно­
сти, значит, рентгеновские лучи испускает газовая область. Для оценки углового размера источника было использовано довольно редкое собы­
тие : затмение Крабовидной туманности Луной. Б 1964 г., когда Луна начала заго­
раживать от нас туманность, американские ученые, запустив ракету с рентгеновскими счетчиками, стали следить, как уменьшает­
ся интенсивность рентгеновского источника. Если бы источник имел маленький размер, излучение прекратилось бы мгновенно, как только край Луны закрыл источник от нас. В действительности источник «потухал» по­
степенно. Оказалось, что его размер всего лишь впятеро меньше, чем вся туманность, и находится он в ее центре. Отсюда следует, что рентгеновское излучение образуется не в звезде, а в обширной области внутри ту­
манности. Недавно, однако, точечный рент­
геновский источник в центре туманности все же был найден. Анализ излучения рент­
геновского источника приближает нас к раз­
гадке непонятных пока процессов в Крабо­
видной туманности. На месте более «яркого»- рентгеновского источника в созвездии Скорпиона никаких туманностей нет. Может быть, в этом случае источником служит какая-нибудь далекая звезда? Но даже если предположить, что ока находится от нас на таком же расстоянии, что и самая близкая к Солнцу звезда, то по­
лучится, что она испускает поток рентгенов­
ских лучей в сто миллионов раз более мощ­
ный, чем Солнце! И тем не менее на месте источника нашли именно звезду, голубую переменную звезду 13-й звездной величины, на которую раньше никто не обращал вни­
мания. Спектральный анализ показал, что по всем характеристикам она очень похожа на Новые звезды через годы после вспышки (напомним, что Новыми называются звезды, внезапно вспыхивающие так, что их яркость 30 на короткое время возрастает примерно в де­
сять тысяч раз). Но трудно сказать, действи­
тельно ли найденная звезда вспыхивала как Новая. Специально проведенные исследова­
ния показали, что некоторые звезды, о кото­
рых мы точно знаем, что они вспыхивали как Новые, заметных потоков рентгенов­
ских лучей не излучают. Так что природа рентгеновской звездочки остается пока неясной. Сейчас найдено еще несколько та­
ких объектов. Исследование рентгеновских источников (а их известно сейчас несколько десятков) может привести к открытию совершенно но­
вого класса небесных тел. Некоторые из источников, может быть, окажутся звездами, находящимися на очень поздней стадии своей жизни. Атомы, из которых они состоят, притягивают друг друга, и поэтому звезды, эти газовые шары, все время стремятся сжаться под действием собственной тяжести. Лишь большой запас внутренней энергии, быстрое беспорядочное движение атомов пре­
пятствуют этому сжатию. Но когда истощат­
ся энергетические ресурсы звезды, сжатие ее неизбежно. При этом если масса звезды не больше, чем у Солнца, то, сжавшись, она превратится в так называемый б е л ый кар­
л и к е диаметром несколько тысяч километ­
ров (размер небольшой планеты). Такие звезды давно известны. Плотность вещества в некоторых из них в сотни тысяч раз боль­
ше, чем плотность воды. Но если звезда имеет массу раза в полто­
ра-два большую, чем Солнце, сжатие ее не остановится на стадии белого карлика. Огромная звезда уменьшится до размера всего нескольких километров и перестанет сжиматься только тогда, когда плотность ве­
щества в ней будет близка к плотности атом­
ных ядер — 10м г/см3. При такой плотности электроны начнут взаимодействовать с про­
тонами ядер, образуя нейтроны. Такая звезда должна состоять в основном из нейтронов. В отличие от белых карликов, не йт рон­
ные з в е з д ы в природе пока не обнаруже­
ны: из-за крошечного размера их светимость чрезвычайно мала, поэтому увидеть их мож­
но только с очень небольшого расстояния. Расчеты показывают, что в течение несколь­
ких сотен лет после образования нейтронные звезды должны иметь температуру в миллио­
ны градусов и излучать в основном рентге-
НОВЫЕ ОТРАСЛИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ 31 новские волны. Поэтому вполне возможно, что некоторые из известных рентгеновских источников окажутся нейтронными звез­
дами. Предполагают, что некоторые объекты, лежащие за пределами нашей Галактики, также испускают рентгеновские лучи. К чис­
лу таких объектов могут относиться ква­
зары, ядра некоторых галактик, большие массы горячего межгалактического газа. Дальнейшие наблюдения помогут проверить, так ли это. Об источниках и механизме излучения рентгеновских волн мы еще очень мало зна­
ем — их изучение началось совсем недавно. Но, возникнув буквально за последние годы, рентгеновская астрономия уже сейчас прино­
сит чрезвычайно ценную информацию о далеких, малоизученных или совсем ранее неизвестных космических телах. ИНФРАКРАСНАЯ АСТРОНОМИЯ Не каждому известно, что планеты (в том числе и Земля) излучают собственный свет, только невидимый, инфракрасный. Инфра­
красные лучи сильно поглощаются нашей атмосферой, и наблюдают их, поднимая спе­
циальные приемники на воздушных шарах, ракетах или спутниках. Но инфракрасные лучи некоторых длин волн все же доходят до поверхности Земли, правда, заметно ослаб­
ленные. Такие лучи можно наблюдать с по­
мощью обычных телескопов, применяя спе­
циальные фотопластинки, чувствительные к инфракрасному свету. Существуют и дру­
гие приемники инфракрасного излучения, например электронно-оптический преобразо­
ватель (сокращенно ЭОП). Этот прибор мо­
жет сделать невидимые инфракрасные лучи видимыми, увеличивая к тому же яркость изображения. Фокусируя свет, собранный телескопом, на приемник инфракрасного излучения, можно улавливать тепло, приходящее к нам от очень далеких тел и даже от самых хо­
лодных планет. Наблюдения инфракрасного излучения используются для измерения тем­
пературы планеты или участков ее поверх­
ности. Если же исследовать спектр этого излу­
чения, можно многое узнать об атмосфере планеты, о том, как она пропускает инфра­
красные лучи. Углекислый газ, пары воды и некоторые другие соединения поглощают инфракрасный свет определенных длин волн. Если анализ спектра обнаруживает такое поглощение, можно определить количество того или иного газа в атмосфере. Так, наблю­
дения показали, например, что Меркурий окружен очень разреженной атмосферой: в инфракрасной области спектра найдены слабые следы поглощения света углекислым газом. Представляют большой интерес наблюде­
ния инфракрасного излучения звезд. Эти на­
блюдения позволили уточнить количество энергии, излучаемой звездами различных типов, что очень важно для изучения разви­
тия звезд. Но самое интересное, пожалуй, это откры­
тие целого класса «холодных» звезд, кото­
рые испускают почти исключительно инфра­
красный свет. Их температура составляет 1—2 тысячи градусов, а для некоторых даже еще меньше. При такой температуре они на обычных фотопластинках выглядят как очень слабые звездочки, а иногда и совсем не видны. В последние годы инфракрасные звезды привлекают к себе большое внимание. Мно­
гие из них меняют свой блеск, но средняя их яркость, как и у обычных переменных звезд, остается практически постоянной. Этот на первый взгляд естественный факт озадачил ученых, из дальнейшего рассказа будет ясно почему. Теоретически можно доказать, что газо­
вый шар (звезда) с температурой менее 2000° обязательно должен быстро сжиматься. По­
скольку звезды рождаются как раз из сжи­
мающегося газа, похоже, что инфракрасные звезды — это формирующиеся обычные звез­
ды. Когда кончится сжатие, их температура возрастет в несколько раз, и инфракрасные звезды превратятся в обычные, такие, ска­
жем, как Солнце. В этом случае размеры ин­
фракрасных звезд должны быть очень вели­
ки, что действительно подтвердилось: инфра­
красные звезды в сотни раз больше Солнца. Поэтому они излучают много энергии и вид­
ны с больших расстояний, несмотря на свою низкую температуру. Но вот проблема: сжимаясь, они должны очень быстро, в течение нескольких лет, за-
МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ ЗЕМЛЯ метно менять свою яркость, а этого не наблю­
дается, К тому же в нашей Галактике дэ-
вольно много инфракрасных звезд. Если бы все они быстро превращались в молодые нор­
мальные звезды, то молодые звезды в Галак­
тике встречались бы гораздо чаще, чем на самом деле. Следовательно, инфракрасные звезды живут сравнительно долго не сжи­
маясь. А как же теория? Противоречия не будет, если предположить, что такие звезды очень быстро вращаются вокруг оси. При этом цен тробежная сила может остановить сжатие на той стадии, когда образующаяся звезда еще не успела нагреться до большой темпера­
туры. В последнее время предложено и обосно­
вано несколько иное объяснение: инфра­
красные звезды — это образующиеся или только что сформировавшиеся молодые звезды, окруженные газо-пылевой средой, из которой они произошли. Плотный слой пыли поглощает почти весь видимый свет звезды, но пропускает {или сам излучает) инфракрас­
ный свет. Со временем звезда может заста­
вить вращаться окружающую ее среду, сфе­
рическое облако при этом сплющится, пре­
вратится в тонкий диск, уплотнится и начнет разбиваться на отдельные сгустки — обра­
зуются планеты. Если подтвердится предпо­
ложение, что инфракрасные звезды — рож­
дающиеся планетные системы, это будет ве­
личайшим открытием, доказывающим зако­
номерность образования планет вокруг звезд. А если нет? Ну что же, поиски ответа на вопрос, что такое инфракрасные звезды, будут продолжаться, и, каков бы ни был этот ответ, он существенно углубит наши знания о звездах. НЕЙТРИННАЯ АСТРОНОМИЯ Помимо электромагнитного, в природе су­
ществует также нейтринное излучение, при котором энергию переносит элементарная ча­
стица — нейтрино. Она не обладает электри­
ческим зарядом и всегда находится в двнже-
нии, имея скорость, равную скорости света. Сейчас известно несколько разновидно­
стей нейтрино, но для всех характерно одно удивительное свойство — они почти не взаи­
модействуют с веществом. Для них не суще-
32 ствует никаких преград: нейтрино свободно проходит через земной шар, может проле­
теть, словно в пустоте, сквозь миллионы мас­
сивных звезд, прежде чем столкнется с ка­
кой-нибудь частицей и погибнет. Многие миллиарды миллиардов нейтрино каждую секунду пронизывают Землю, а взаимодей­
ствуют с ее атомами лишь единицы. Поэтому долгое время считали, что никогда не удастся зарегистрировать нейтрино. Это все же удалось впервые сделать в 1956 г. в Лос-аламосской научной лабора­
тории (США). Мощнейший поток нейтрино, испускаемый ядерным реактором, проходил через бак, наполненный водой. Приблизи­
тельно один нейтрино из ста миллиардов миллиардов взаимодействовал с ядром ка­
кого-либо атома, образуя нейтрон и позитрон, появление которых можно было зарегистри­
ровать. Так было доказано, что нейтрино действительно существует, и его можно «пой­
мать», если поток достаточно мощный. Чем же нейтрино привлекает астрономов? Чтобы ответить, посмотрим, откуда на Землю могут приходить эти удивительные частицы. Некоторые из них образуются при столк­
новениях быстрых протонов космических лучей с атомами земной атмосферы и, реже, с атомами межзвездного газа или пыли. Поток нейтрино, образующийся при этом, сравнительно невелик: через каждый квад­
ратный сантиметр поверхности Земли одна такая частица пролетает раз в несколько ми­
нут. Зато нейтрино, образующиеся таким пу­
тем, могут иметь очень большую энергию, и их легче обнаружить. Более мощный поток нейтрино приходит на Землю от Солнца. Как известно, звезды светят потому, что в их недрах вещество разогрето до многих миллионов градусов. При такой температуре идут ядерные реак­
ции (на Солнце и большинстве звезд — пре­
вращение водорода в гелий), в результате которых выделяется много энергии. Часть этой энергии уходит от звезды в виде света, а несколько процентов ее уносят нейтрино, которые, образовавшись в центре, пролетают сквозь звезду и уходят в бесконечность. Тео­
ретические исследования показывают, что некоторые звезды на определенной стадии развития могут излучать в виде нейтрино значительную часть своей энергии. : НОВЫЕ ОТРАСЛИ ДРЕВНЕЙ НАУКИ 33 Наконец, на Землю могут приходить ней­
трино, образовавшиеся в ту далекую эпоху, когда колоссальные объемы пространства были заполнены только плотным и горячим газом. Нейтрино может помочь нам «увидеть» процессы, недоступные наблюдениям обыч­
ными методами: ведь ни один вид электро­
магнитного излучения не проходит так сво­
бодно, не изменяясь, через любые слои ве­
щества. Свет, приходящий к нам от Солнца, испускается его поверхностью—фотосферой. Что происходит в недрах Солнца, увидеть нельзя, можно только теоретически рассчи­
тать температуру и плотность солнечного ве­
щества на любой глубине. Наблюдения сол­
нечных нейтрино дали бы нам возможность проверить расчеты, как бы заглянуть в нед­
ра Солнца. А если бы удалось зарегистрировать ней­
трино, родившееся в те далекие времена, ког­
да еще не было даже звезд, мы смогли бы определить среднюю плотность материи во Вселенной и тем самым не только больше узнать о физических условиях, существовав­
ших миллиарды лет назад, но и предсказать развитие всей Вселенной на далекое-далекое будущее (см. ст. «Вселенная вчера, сегодня и завтра»), Как же «поймать» эти частицы? Сейчас уже работает несколько установок для регистрации нейтрино. Большинство из них использует свойство нейтрино изредка взаимодействовать с ядрами атомов, образуя при этом изотопы новых химических элемен­
тов и рождая новые элементарные частицы. Эти «новорожденные» частицы получают очень большую скорость, и их нетрудно заре­
гистрировать специальными счетчиками. Чтобы счетчики реагировали только на ча­
стицы, рожденные именно нейтрино, а не космическими лучами, влетающими в нашу атмосферу, установки для обнаружения ней­
трино строят глубоко под землей, которая служит надежным экраном, пропускающим извне только нейтринное излучение. Установ­
ки, работающие по этому принципу, уже сей­
час регистрируют природные нейтрино. Боль­
шинство этих нейтрино появляются при бомбардировке атмосферы космическими лучами. Нейтрино, рожденные в недрах Солнца, пока не зарегистрированы. Их энергия не 3 Познание продолжается очень велика, а чем меньше энергия, тем реже взаимодействуют нейтрино с веществом. Однако уже сейчас физики-эксперимента­
торы ставят своей задачей обнаружить ней­
трино от Солнца. В 1968 г. опубликованы результаты эк­
сперимента, который, по мнению ученых, должен был привести к регистрации солнеч­
ных нейтрино. На большой глубине под зем­
лей американские ученые поместили резер­
вуар, содержащий несколько сотен тонн жид­
кости — тетрахлорэтилена. Атомы хлора служили как бы мишенями для нейтрино. При попадании в них быстрых частиц они превращаются в атомы радиоактивного арго­
на, которые можно выделить и зарегистриро­
вать специальными счетчиками. Предпола­
галось, что солнечные нейтрино будут пре­
вращать в аргон несколько атомов хлора в день. Однако результат многодневного эксперимента был отрицательным. Оказа­
лось, что Солнце излучает значительно мень­
ше нейтрино, чем ожидалось. Этот вывод сам по себе очень важен, поскольку уже сейчас он может помочь уточнить температуру в центре Солнца и типы ядерных реакций, которые там происходят. Ученые надеются, что если увеличить количество жидкости-ми­
шени и проводить опыт более продолжи­
тельное время, то космические нейтрино все же будут пойманы. Чтобы убедиться, что нейтрино прилетают действительно от Солнца, эксперимент необ­
ходимо продолжать много месяцев. Вслед­
ствие того что Земля вращается вокруг Солн­
ца по эллипсу и расстояние от Солнца то немного уменьшается, то увеличивается, поток нейтрино должен меняться в течение года в пределах 7 %. Но есть проекты нейтринного телескопа, который сразу смог бы указывать направле­
ние движения нейтрино. Принцип действия такого приемника заключается в том, что он регистрирует отдельные быстрые электроны, которые получают свою энергию при взаимо­
действии с нейтрино. Установка будет собра­
на в Южной Африке на глубине более 3 км. Предполагается, что за год с ее помощью можно будет зарегистрировать около 20 сол­
нечных нейтрино, Если регистрация нейтринного излуче­
ния Солнца — дело ближайших лет, то «пой­
мать» космические нейтрино с небольшой МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 34 энергией, прилетающие издалека в Солнеч­
ную систему, удастся, вероятно, еще не скоро. Пока неизвестно, как часто такие нейтрино пронизывают земной шар, не помешают ли их обнаружению те нейтрино, которые рож­
даются в атмосфере или при бета-распаде ядер некоторых атомов Земли. Есть проект поместить приемник космического нейтрино на Луне, чтобы не смешивать частицы, при­
шедшие издалека, с частицами, рожденными в атмосфере космическими лучами. Все существующие в природе планеты, звезды и галактики движутся в безбрежном океане летящих по всем направлениям все­
проникающих нейтрино. И нельзя предуга­
дать, какие неожиданные открытия будут сделаны, когда станет возможно наблюдать эти частицы. * * * Огромный поток новых сведений о Вселен­
ной привел к тому, что астрономия сейчас развивается так быстро, как никогда ранее. И все же число проблем и явлений, требую­
щих своего объяснения, не уменьшается со временем, а растет. РАЗГОВОР С ПЛАНЕТАМИ ПО РАДИО 1962 год ознаменовался важным науч­
ным событием: 29 декабря в газете «Правда» было помещено информационное сообщение: «...Советским ученым впервые в истории человечества 19 и 24 ноября 1962 года уда­
лось осуществить радиосвязь через планету Венера. Переданное с Земли телеграфным кодом 19 ноября 1962 года слово «МИР»- до­
стигло планеты Венера, отразилось от нее и, пройдя общее расстояние 81 миллион 745 тысяч километров, через 4 минуты 32,7 секунды было принято опять на Земле. 24 ноября этим же методом на планету Венера были переданы слова «ЛЕНИН», «СССР». Отразившись от поверхности пла­
неты, через 4 минуты 44,7 секунды эти сло­
ва были приняты на Земле. Общин путь, ко­
торый они прошли в космосе, равен 85 мил­
лионам 360 тысячам километров!» Запись сигналов, отраженных по­
верхностью Венеры: А — прямая запись на кинопленке; Б — изобра-
ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН «РАЗГОВОР» С ПЛАНЕТАМИ? Эпоха космических полетов выдвигает перед наукой все новые и новые задачи. Не решив их, немыслимо дальше развивать ис­
следования Солнечной системы. Космический корабль, отправляясь к ка­
кой-либо планете, должен быть обеспечен надежной радиосвязью с Землей: ведь с него нужно передавать информацию о полете, ре­
зультаты научных исследований, сведения о самочувствии экипажа корабля. Космонав­
там, высадившимся на планету, также будет необходима радиосвязь с Землей. Чтобы правильно рассчитать траекторию, по которой полетит космический корабль, надо знать точные расстояния до планет. Эти расстояния измеряются особой мерой дли­
ны — астрономической единицей (АЕ). Она равна среднему расстоянию от Солнца до Земли. Орбиты планет, выраженные в АЕ, определены очень точно, но точность самой АЕ была недостаточна, чтобы рассчитать маршрут космического корабля к планете, удаленной от Земли на многие миллионы километров. Действительно, если величина АЕ определена с ошибкой всего лишь в 0,1 %. то корабль, пройдя 100 млн. км, окажется в 100 тыс. км от намеченной цели. Кроме того, посадка на планету может быть безопасной только в том случае, если хорошо известны температура поверхности планеты, продолжительность суток на ней, РАЗГОВОР С ПЛАНЕТАМИ ПО РАДИО 35 женпе прямой записи в виде чере­
дующихся импульсов; В — та же запись азбукой Морзе. ее рельеф, состав атмосферы и многое другое. Обо всем этом можно узнать, «поговорив» с планетой, точно определив расстояние от Земли до планеты, а следовательно, и уточ­
нив величину АЕ. «Разговор» с планетой подтвердит и возможность радиосвязи на миллионы километров. Прибор, который осуществляет «разго­
вор», — это гигантское сооружение — планет­
ный локатор. *ГОЛОС» И «СЛУХ» ЛОКАТОРА Колебания высокостабильного кварце­
вого генератора с помощью системы преобра-
зования и умножения частот доводятся до частоты порядка 700 млн. гц, проходят через мощные усилители, а затем излучаются ан­
тенной. Мощность этого радиолуча чрезвы­
чайно велика: достаточно сказать, что на единицу телесного угла (на один стерадиан) приходится около 250 млн. вт. Небесные тела находятся в беспрерывном движении. Расстояние между Землей и иссле­
дуемой планетой либо сокращается, либо увеличивается; из-за эффекта Доплера ча­
стота отраженного от планеты сигнала может отличаться от частоты посланного сигнала на несколько десятков герц. Поэтому в пла­
нетном радиолокаторе есть специальное устройство, вводящее поправку на доплеров-
ское смещение частоты. Без этого устройства невозможно было бы выделить отраженный сигнал; оно действует автоматически с высо­
кой точностью по составленной программе. Отраженный от планеты сигнал улавли­
вается антенной и, усиленный, поступает в приемник. Там сигнал преобразуется до звуковой частоты, а затем записывается маг­
нитофоном. Анализ записанных сигналов проводится на специальном анализаторе, он позволяет выделить полезный сигнал из раз­
личных шумов. Приведем расчет, который поможет по­
нять, как сложно «разговаривать» с плане­
тами. Диаметр Венеры — 12106 км. Наи­
меньшее расстояние ее от Земли — 38 млн. км. В это время Венера видна с Зем­
ли в телесном угле 8-10~8 стерадиана. Если радиолокатор излучает до 250 млн. вт на сте­
радиан, то на всю видимую поверхность Ве­
неры приходится лишь около 20 вт, из них большая часть энергии поглотится поверх­
ностью планеты. Примем для нашего расче­
та, что отразится 15% энергии, т. е. около 3 вт. Но, конечно, не вся отраженная от Ве­
неры энергия дойдет до Земли. На всю по­
верхность Земли приходится лишь около 4 • 10~8 вт, а на 1 л*2 земной поверхности — 1,6 -10~22 вт. Чтобы «услышать» такой чрез­
вычайно слабый сигнал, планетный локатор должен обладать поистине фантастически чутким слухом. Высокочувствительные приемники лока­
тора позволяют регистрировать и более сла­
бые сигналы, в которых на 1 м2 приходится в сто раз меньше энергии. 2* МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 36 Даже такой простой расчет показывает, как велики должны быть успехи в технике передачи и обнаружения радиосигналов. Но трудности на этом не кончаются. «РАЗГОВОРУ* МЕШАЕТ ВСЕЛЕННАЯ! Так как сигнал, улавливаемый планет­
ным локатором, чрезвычайно слаб, его реги­
страция в сильной степени зависит от уровня шумов. У каждого приемника есть свои, так ска­
зать, внутренние шумы. Эти шумы возникают от многих причин: от теплового движения электронов в проводниках, от того, что в лам­
пах ток эмиссии катодов непостоянен, от теп­
ловых беспорядочных колебаний токов в по­
лупроводниковых приборах. Атмосферные радиошумы возникают при движении зарядов и заряженных частиц в атмосфере. Существуют и внеземные источники ра­
диопомех. Их природа различна. Так, напри­
мер, солнечные радиошумы создаются дви­
жением электрических зарядов в хромосфере и в короне Солнца. Сами планеты тоже достаточно мощные источники радиоизлучений. Даже космическое пространство создает радиошум. Он происходит потому, что меж­
звездный водород постоянно изменяет свое состояние. Чувствительные радиоприемники воспринимают этот шум как постоянный фон. Радиосигнал, уловленный приемником, состоит из отраженных планетой радиоволн и шумов; в течение нескольких сеансов он записывается на магнитную ленту. Полезный сигнал выделяется из общего спектра радио­
колебаний методом фильтрации и накопле­
ния. Сущность метода накопления в том, что через анализатор пропускают записи не­
скольких сеансов радиосвязи. Полезный сигнал присутствует в каждой такой записи, и он — один и тот же. А шумы происходят от случайных процессов: они различны, и каж­
дый из шумов присутствует не во всех сеан­
сах радиосвязи. «Прослушав» магнитную запись нескольких сеансов, анализатор уси­
ливает полезный радиосигнал, выделяя его из неусиленных шумов. Телеграфная радиосвязь через Венеру 19 н 24 ноября 1962 г. была возможна по-
тому, что отраженный сигнал превышал уро­
вень шумов в несколько раз. На рисунках видно, что прямая запись отраженного от планеты сигнала достаточно хорошо повто­
ряет сигнал, посланный к планете. РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ «РАЗГОВОРАХ» С ПЛАНЕТАМИ С помощью радиолокации планет была уточнена астрономическая единица. Лока­
цией Венеры в 1961 г. установлено, что АЕ= 149 599 300 км. Возможность ошибки не превышала ±2000 KJH. Повторная радио­
локация Венеры в 1962 г. позволила умень­
шить эту неопределенность и уточнить зна­
чение АЕ. Оно оказалось 149 598 100 ±750 KJH. Выяснилось, что до локации 1961 г. вели­
чина АЕ была известна с точностью 0,1%. Мы уже говорили, что такая точность недо­
статочна для вождения космических ко­
раблей. (О других результатах локации Ве­
неры и Меркурия вы можете прочитать в статье «Космические станции и радиовол­
ны— о наших небесных соседях».) Дальнейшее усовершенствование планет­
ного локатора позволило в сентябре—октяб­
ре 1963 г. провести локацию Юпитера — самой большой планеты Солнечной систе­
мы. Юпитер в этот период находился в 600 млн. км от Земли. Радиоволны, послан­
ные к Юпитеру, возвращались на Землю через 1 час 6 минут, пройдя 1 млрд. 200 млн. км. Эксперимент показал, что радио­
связь возможна и на расстоянии в несколько сот миллионов километров. Экспериментальная радиосвязь через Венеру впервые в мире произведена в Совет­
ском Союзе. Первое государство рабочих и крестьян послало в космос и приняло обратно самые понятные и близкие всем людям сло­
ва, с которыми человечество связывает свои надежды на прекрасное будущее: «МИР», «ЛЕНИН», «СССР». Все эти исследования имеют большое зна­
чение для освоения космического простран­
ства. Недалек день, когда космический ко­
рабль, покинув Землю, устремится по точно рассчитанному маршруту к одной из планет Солнечной системы. Космонавты будут во­
оружены всем необходимым, чтобы поддер­
живать связь с Землей. КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 37 КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 4 октября 1957 г. советские ученые запу­
стили первый в мире искусственный спутник Земли. За ним последовали второй, третий... Сейчас уже запущены сотни. Но запуск орбитальных спутников был только началом освоения космоса. Через 15 месяцев после первого спутника, в январе 1959 г., СССР осуществил успешный запуск ракеты к Луне, еще через два года — к Ве­
нере, а в конце 1962 г. — к Марсу. Исследуют космос и американские ученые. Теперь Луна, Венера, Марс находятся под непрерывным «обстрелом» ракет с Земли. Больше всего до­
стается Луне — она же самое близкое к нам небесное тело (до Луны 384 400 км), полеты к ней возможны практически в любое время и всего за несколько суток. Другое дело Ве­
нера и Марс. Ведь они движутся вокруг Солнца по своим орбитам, независимо от Земли, расстояние до них постоянно меняет­
ся. Запуская ракеты, ученые должны учиты­
вать притяжение Солнца, под действием которого ракета полетит не по прямой, а по эллипсу, как планеты или кометы. Этот эл­
липс (или, вернее, дуга эллипса) рассчиты­
вается обычно так, чтобы он касался земной орбиты и орбиты планеты назначения. Пере­
лет до Венеры по эллиптической траектории занимает около 3,5 месяца, до Марса — 7,5 месяца. НАСТУПЛЕНИЕ НА ЛУНУ С 1965 г. развернулось наступление кос­
мических станций-автоматов на Луну. Пере­
леты советских станций «Луна-2» и «Луна-3» в конце 1959 г. были своеобразной развед­
кой, которая показала, что Луна достижима. Луну можно облететь, передать с нее показа­
ния приборов, наконец, возможна съемка и передача изображений Луны из космоса. Человечество впервые увидело обратную сторону Луны. А ведь когда-то казалось, что это невозможно, потому что Луна обращена к Земле всегда одной стороной. Чем же отличается обратная сторона Луны от видимой? Прежде всего тем, что на ней гораздо меньше темных пятен — лунных Траектории и продолжительность межпланетных перелетов. (Срок пе­
релета на Меркурий — предполагае­
мый.) «морей». Сейчас можно считать доказанным, что «моря$> — темные равнины, покрытые застывшей лавой. Может быть, когда-то это и были настоящие моря, но не водяные, а лавовые. Что явилось причиной таких грандиозных излияний лавы из недр Луны на поверх­
ность— внутренние (вулканические) процес-
*сы или падения на Луну гигантских метео­
ритов, пробивавших ее еще сравнительно тон­
кую кору,— сказать пока трудно. Есть сто­
ронники и той и другой точек зрения. А мо­
жет быть, метеориты «помогали» вулканиче­
ским извержениям? Так ли это, покажут будущие исследования. В июле 1965 г. советская космическая станция «Зонд-3» передала новые снимки обратной стороны Луны, гораздо более высо­
кого качества, чем первые. В результате их изучения выявлено множество кольцевых гор — знаменитых лунных кратеров, зача­
стую образующих цепочки, тянущиеся на ты­
сячи километров. Кроме двух «морей «•, от­
крытых в 1959 г.,—Моря Москвы и Моря Мечты, было открыто еще одно небольшое «море» — Море Мирное. Общая площадь «мо­
рей» на обратной стороне Луны гораздо меньше, чем на ее видимой стороне. Почему так, объяснить еще нельзя. Кроме «морей», на обратной стороне Луны были обнаружены большие округлые МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 38 Обратная сторона Луны. Снято советской станцией *Луна-3». впадины — т а л а с с о и д ы (от греческого «таласса* — море). Их диаметр достигает 300 км. Особый интерес вызвала сравнитель­
но гладкая впадина, окруженная тремя кон­
центрическими валами с диаметрами 430, 650 и 980 км. Это так называемое Море Во­
сточное, которое ряд ученых предлагают переименовать в Море Кольцевое. Талассоиды есть и на видимой стороне Луны, но раньше на них просто не обращали достаточного внимания. Советские ученые по праву первооткры­
вателей предложили присвоить 150 кратерам имена людей, известных своими трудами в области астрономии н смежных с нею наук. Так на карте Луны появились имена Ломо­
носова, Циолковского, Жолио-Кюри, Мак­
свелла, Джордано Бруно, Менделеева, Герца, Попова, Эдисона и др. Позднее к ним при­
бавились имена астрономов Бредихина, Бело-
польского, Тихова, Штернберга, Ловелла, физиков Лебедева, Мандельштама, Папалек-
си, Доплера, Физо, Майкельсона, математика С. Ковалевской, оптика Максутова, фантаста Уэллса. Есть на Луне и кратер Жюль Берн. Многие кратеры названы в честь основопо­
ложников ракетоплавания — Цандера, Ки­
бальчича, Кондратюка, Рынина, Королева. Но как произошли лунные кратеры? Спор в науке по этому поводу начался свыше 100 лет назад и, по меткому выражению испанского астронома Палюзи-Бореля, полу­
чил название «столетней войны». «Война» идет между сторонниками вулканического происхождения лунных кратеров и учеными, отстаивающими метеоритную гипотезу их образования. О чем же говорят снимки Луны, получен­
ные с космических станций? В июле 1964 г. к Луне приближалась аме­
риканская станция «Рейнджер-7*. Перед тем как упасть на Луну, она передала на Землю с разных расстояний около 4300 фотографий лунной поверхности. Последний снимок с высоты 480 м станция передать до конца не успела — она разбилась о лунную поверх­
ность. В феврале и марте 1965 г. «Рейнд-
жер-8» и «Рейн джер-9» передали еще 13 300 снимков. Все эти снимки позволили различить на лунной поверхности детали размером в не­
сколько дециметров. По мере приближения аппарата к Луне обнаруживались все мень­
шие и меньшие кратеры. Оказалось, что кра­
теры на Луне самых разных размеров: от Часть обратной стороны Луны. Снято советской станцией «Зонд-3». КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 39 Участок панорамы Луны, передан­
ный советской станцией »Луна-9*» огромных, диаметром более 300 км, до самых маленьких, диаметром меньше метра. Несом­
ненно, что мелкие кратеры образованы при падении на Луну каких-то масс. Каких же? Метеоритов? Но ведь на поверхность Луны падают и вулканические бомбы. Разумеется, какой бы мощной ни была на Луне вулка­
ническая деятельность, сейчас она проявляет себя слабо. Две-три вспышки в кратерах Аль­
фонс и Аристарх, которые наблюдал профес­
сор Н. А. Козырев,— вот, в сущности, и все ее признаки. А метеориты бомбардируют Луну постоянно. Поэтому некоторый перевес получила метеоритная гипотеза происхожде­
ния лунных кратеров. 3 февраля 1966 г. начат новый этап в ис­
следовании Луны — на ее поверхность впер­
вые совершила мягкую посадку советская космическая станция «Луна-9». На Землю были переданы кадры первой «настоящей» лунной панорамы. Художники-фантасты не раз пытались изобразить панораму Луны. На их картинах были видны крутые горы, громоздящиеся скалы, высокие и крутые валы кратеров. Но еще за 10—15 лет до посадки «Луны-9» астро­
номы начали измерять лунный рельеф. По их данным, он был исключительно гладкий, склоны гор и кратеров не так круты, как представляли себе художники,— их накло­
ны к горизонту не превышали 12—14°. Снимки, полученные «Луной-9», пол­
ностью подтвердили этот вывод астрономов. На лунных панорамах мы видим весьма ров­
ный горизонт, а вблизи станции — даже де­
тальную структуру лунной поверхности. За 10 лет до посадки «Луны-9» англий­
ский астроном Т. Голд выдвинул гипотезу, что поверхность Луны сплошь покрыта слоем тонкой пыли глубиной в несколько сот мет­
ров. В этой пыли, по его мнению, могли утонуть космические корабли, не говоря уже о космонавтах. Судя по радиоизлучению Луны, теплопроводность ее «почвы» низкая. На этом и основывался Голд. Как же с Земли определяют теплопроводность Луны? Оказы­
вается, сейчас это не так уж сложно. Температура наружного слоя Луны под­
вержена большим изменениям: во время лун­
ного дня она составляет плюс 130", лунной ночью опускается до минус 150°. Во время лунного затмения поверхность Луны ли­
шается солнечного тепла и за один час осты-
Снимок Луны с автоматической станции «Зонд-7* 11 августа 1969 г. Расстояние до Луны 10 тыс. км. Цифрами обозначены цирки и кра­
теры: 1 — Рассел, 2 — Струве, 3 — Эддингтон, 4 — Бриге, 5 — Кардан, б — Кавальери, 7 — Гевелий, 8 — Риччиоли, 9 — Шлютер, 10 — Харт-
виг, 11 — Васко да Гама, 12 — Эйн­
штейн, 13 — Mof-ли, 14 — Бальбоа. щества — пористого, ноздреватого, напоми­
нающего губку или пемзу. Это вещество об­
разуется при ударах о поверхность Луны множества мельчайших метеорных тел, па­
дающих на нее с космической скоростью (в нашей атмосфере они тормозятся и пол­
ностью испаряются). От удара происходит миниатюрный взрыв, и масса метеорного тела и окружающего лун­
ного вещества спекается. Эта «метеорно-шла­
ковая» гипотеза советских ученых подтверж­
дена снимками «Луны-9». Никакого толстого слоя пыли на Луне нет. Станция «Луна-9» села на твердый грунт. Спустя 4 месяца на Луну сел американский космический аппарат «Сераейер-1», который сфотографировал свою собственную лапу-
опору, чтобы выяснить твердость лунного грунта. И что же — аппарат, весящий на Земле 280 кг, а на Луне 46 кг, вдавился в грунт лишь на 2,5 см, и то только потому, что лапа сползла в сторону. 24 декабря 1966 г. на Луну опустилась новая советская станция—«Луна-13». Она выбросила две длинные лапы-стрелы с грун-
томером и гамма-счетчиком и начала измере-
вает на 180°, а по окончании затмения так же быстро разогревается. Температуру Луны измеряют с помощью термоэлементов, поме­
щенных в фокусе больших телескопов. Но есть и другой путь: прием излучаемых Лу­
ной радиоволн на специальные антенны — радиотелескопы. Чем больше длина радио­
волны, тем толще слой лунного покрова она может пронизать, тем с большей глубины она приходит. Если волны миллиметрового диапазона рассказывают нам о температуре самой поверхности Луны, то дециметровые волны приходят уже с глубины в несколько метров. И вот измерения на дециметровых волнах показали, что температура там остается по­
стоянной и в течение лунных суток, и во вре­
мя лунных затмений. Лунное вещество хуже проводит тепло, чем дерево, стекло, эбонит. Что же может обладать такой низкой тепло­
проводностью? Ну конечно же тонкая пыль. Так и решил Т. Голд. Однако ленинградские ученые Н. Н. Сы­
тинская и В. В. Шаронов убедительно пока­
зали, что поверхность Луны должна состоять вовсе не из пыли, а из шлакоподобного ве-
МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 40 Часть лунной панорамы. В небе вид­
на Земля. Снято американской стан­
цией «ЛунарЮрбитер» (стр. 40—41). КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 41 ния. По физическим свойствам лунный грунт, как показали эти устройства, близок к зем­
ным грунтам средней прочности. Это под­
твердил в апреле 1967 г. и «Сервейер-3». На снимках «Луны-13» уже видны детали лун­
ного рельефа размером до миллиметра. Изучение снимков «Луны-9», «Луны-13» и «Сервейеров» открыло много интересного. Лунная поверхность имеет явные следы эро­
зии — выветривания вещества: обнажились какие-то твердые жилки, напоминающие ку­
риные лапки, а камни стоят как бы на поста­
ментах. Но ведь на Луне нет ни воды, ни вет­
ра — главных причин эрозии на Земле. Что же вызывает эрозию здесь? Оказывается, на Луне все-таки есть ве­
тер — но не атмосферный, а солнечный, бывает и дождь — но не водяной, а метеорит­
ный. Иначе говоря, эрозия на Луне происхо­
дит от ударов заряженных частиц, несущих­
ся от Солнца. Это и есть солнечный ветер. Ему помогают микрометеориты и космиче­
ские лучи — очень быстрые частицы (обычно ядра атомов водорода и гелия), несущие большую энергию, которую они получили при грандиозных космических взрывах. Изучение Луны шло и по другому на­
правлению: 3 апреля, 28 августа и 25 октяб­
ря 1966 г. на окололунные орбиты были вы­
ведены первые искусственные спутники Лу­
ны— советские станции «Луна-10», «Лу-
на-11», «Луна-12». Все они измеряли магнит­
ное поле Луны, изучали окололунное про­
странство, измеряли гамма-излучение лунной поверхности. Выяснилось, что магнитное поле Луны в 2—3 тыс. раз слабее магнитного поля Земли. Этого и следовало ожидать — ведь магнитное поле Земли создается, как полагают ученые, электрическими токами, возникающими при вращении в ее ядре. А у Луны нет ядра, и вращается она очень медленно. Еще более интересный результат дал гам­
ма-счетчик. Гамма-лучи отличаются очень малой длиной волны — меньше 1 А (Ю- 3 см). Примерно 10% лунного гамма-излучения ис­
ходит от радиоактивных изотопов урана, тория и калия, содержащихся в лунных по­
родах, остальные 90% образуются при бом­
бардировке лунной поверхности космически­
ми лучами. Лунные породы по содержанию радиоактивных элементов похожи на земные основные породы (типа базальтов) и ультра­
основные (типа дунитов), но сильно отли­
чаются от кислых пород (гранитов) и руд металлов. Таким образом, советские спутни­
ки Луны позволили установить примерный состав лунных пород. Автоматическая станция *Лу-
на-13» : 1 — лепестковые антенны; 2 — штыревые антенны; 3 — меха­
низмы выноса приборов; 4 — меха­
нический грунтомер; 5 — радиа­
ционный плотномер; 6 — телеви­
зионная камера. МНР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 42 «Луна-12», кроме того, фотографировала Луну с высоты от 100 до 1740 км. Специаль­
ная телевизионная система раскладывала каждый снимок на 1100 строк (вместо 625 строк в обычном телевидении), что по­
зволило передать много четких фотографий лунной поверхности. Спустя четыре с половиной месяца после «Луны-10», 14 августа 1966 г., на окололун­
ную орбиту вышел американский спутник Луны «Луяар Орбитер-1»; 10 ноября к нему присоединился «Лукар Орбитер-2». Эта станция передала снимки лунного ландшаф­
та с сияющей в небе Землей. Они произво­
дят необычайно сильное впечатление: Зем­
ля освещена Солнцем сверху и имеет вид широкого серпа «рожками* вниз. На лунной поверхности отчетливо вид­
на структура мелких кратеров, все они по­
крыты застывшими струями какого-то веще­
ства, напоминающими потоки лавы. Может быть, все-таки природа этих кратеров вулка­
ническая? А тем временем к Луне несутся новые и новые станции. В 1967 г. были запущены еще три станции типа «Лунар Орбитер», с тем чтобы «разведать» наиболее удобные участки для высадки астронавтов. 20 апреля на Луну села станция «Сервейер-3» недалеко от места в Океане Бурь, где за четыре месяца до этого опустилась «Луна-13». «Сервейер-3» был снабжен миниатюрным экскаватором — не больше граненого стакана. По команде с Земли микроэкскаватор начал первые «рас­
копки» на Луне. Эти исследования подтвер­
дили, что плотность и твердость лунного грунта растут с глубиной. Такие же резуль­
таты дали три следующих «Сервейера». В апреле 1968 г. в СССР был запущен но­
вый искусственный спутник Луны — станция «Луна-14». А в сентябре и ноябре того же года станции «Зонд-5» и «Зонд-6» впервые в мире облетели Луну и благополучно воз­
вратились на Землю. 21—29 декабря 1968 г. был успешно осуществлен облет Луны управляемым космическим кораблем «Апол-
лон-8», на котором находились амери­
канские космонавты Ф. Борман, Дж. Ловелл и У- Андерс. А 18—26 мая 1969 г. корабль «Аполлон-10» с космонавтами Т. Стаффор­
дом, Ю. Сернаном и Дж. Янгом совершил но­
вый облет Луны по усложненной программе. Лунные космические станции «прнблизи-
ли» к нам поверхность нашего спутника в миллион раз: мы видим Луну вблизи, мы ощущаем ее излучения, мы трогаем Луну. Все это делают «умные» приборы. Но вот настал день, когда на Луне выса­
дились люди: 21 июля 1969 г. на лунную по­
верхность впервые вышли американские кос­
монавты Н. Армстронг и Э. Олдрин (см. вклейку стр. 48—49). ПРИПОДНИМАЕМ ЧАДРУ ВЕНЕРЫ Еще совсем недавно о природе Венеры ученые почти ничего не знали. Плотная атмо­
сфера и толстый слой облаков вокруг плане­
ты верно хранили ее тайны. Наступление на Венеру началось сразу по нескольким направлениям. Запуски к ней космических станций — только одно из них. Еще в 1956 г. было установлено, что Венера испускает сантиметровые радиовол­
ны. Их интенсивность говорила о высокой температуре поверхности — около плюс 300°. А термоэлементы показывали, что темпера­
тура на уровне облаков — на высоте не-
Парниковый эффект в атмосфере Венеры. Солнечные лучи (6), частич­
но отраженные (7) облаками (2) и рассеянные атмосферой, нагревают поверхность планеты (1). Ее соб­
ственное тепловое излучение на ин­
фракрасных волнах (3) поглощается водяным паром (Н^О) и углекислым газом (ССЬ). Водяной пар частично поглощает и миллиметровые радио­
волны f4). Сантиметровые радиовол­
ны (5) проходят атмосферу беспре­
пятственно. КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 43 скольких десятков километров над поверх­
ностью — минус 40°. Почему же происходит такой перепад температур? Были выдвинуты три предположения: 1. Атмосфера Венеры подобна гигант­
скому парнику: солнечное тепло поглощает­
ся, а собственное излучение планеты наружу не выходит. Его что-то задерживает. Этим «чем-то» могут быть углекислый газ и водя­
ной пар. 2. В атмосфере Венеры дуют сильные ветры, они поднимают тучи пыли; трение этой пыли о почву и нагревает ее до столь высоких температур. 3. Атмосфера Венеры сама горячая: атомы ее, поглощая ультрафиолетовые лучи Солнца, теряют свои внешние электроны — ионизируются; образуется мощная ионосфе­
ра. Она-то и есть источник радиоволн санти­
метрового диапазона. Эти гипотезы соответственно получили названия п а р н и к о в о й, э о л о с фе р н о й (Эол — бог ветра у древних греков) и ионо­
с фе р но й. Первой была отвергнута эолосферная ги­
потеза. Большинство астрономов признали ее несостоятельность. Оставалось решить, обладает ли атмо­
сфера Венеры свойствами гигантского пар­
ника или планета имеет мощную ионосферу. В этом большая роль принадлежит исследо­
ваниям планеты методами радиоастрономии и радиолокации, а также полетам космиче­
ских станций. Большие успехи в изучении Венеры при­
несла радиолокация. Советские, а также английские и американские ученые в апреле 1961 г. впервые успешно использовали этот метод для уточнения масштабов Солнечной системы. Вскоре с помощью радиолокации стали определять скорость вращения плане­
ты. Как подсчитал английский астроном Патрик Мур, за 300 лет исследований Венеры астрономы произвели 85 попыток определить период ее вращения оптическими методами: визуальным, фотографическим, спектраль­
ным. И все 85 попыток окончились неудачей. «Визуальный наблюдатель проиграл сраже­
ние»,— сказал Патрик Мур. Наблюдатель-
радиофизик сражение с Венерой выиграл,— можем сказать теперь мы. Группа советских ученых во главе с академиком В. А. Котель-
никовым и американские ученые пришли к единому выводу: вращение Венеры обрат­
ное — с востока на запад — и период его ра­
вен 243 земным суткам. Установлено, что ось Венеры почти перпендикулярна плоскости ее орбиты (наклон 84° против 66,5° у оси Земли). Такое вращение приводит к весьма свое­
образному чередованию дня и ночи на Вене­
ре, Ведь планета совершает полный оборот вокруг Солнца за 226 суток, а вращается в обратную сторону в течение 243 суток. Соче­
тание обоих движений приводит к тому, что «солнечные суткио на Венере длятся 117 зем­
ных суток, а день и ночь — по 58,5 суток. Солнце там восходит на западе и заходит на востоке, звезды тоже. Ни Солнца, ни звезд с поверхности Венеры, конечно, не видно из-
за ее густого, без просветов, облачного слоя, но будущие космонавты смогут следить за Солнцем и некоторыми светилами — источни­
ками радиоволн с помощью радиотелескопов. Радиотелескопы уже рассказали нам мно­
гое о природе Венеры. Большое значение имела совместная работа ученых А. Д. Кузь­
мина (СССР) и Б. Кларка (США), проведенная в 1964 г. на американской радиоастрономиче­
ской обсерватории Оуэне Вэллей. Уникаль­
ный прибор — радиоинтерферометр, которым располагает эта обсерватория, состоит из двух гигантских радиотелескопов-параболоидов, каждый диаметром 27 м и весом 500 г. Эти две громады могут ездить по рельсам, что­
бы изменять расстояние между ними и ориентировку прибора. Обе гигантские параболические антенны наводятся одновременно на Венеру и рабо­
тают как один радиотелескоп. Чем больше расстояние между антеннами, тем легче опре­
делить диаметр планеты, распределение тем­
пературы по поверхности и др. Кузьмин и Кларк определили истинный диаметр Венеры — 12114 км. До этого был известен лишь диаметр ее облачного слоя — около 12 200 км. Зная диаметр планеты и ее массу (уточненную измерениями «Марпне-
ра-2»), мы можем легко подсчитать, что: ускорение силы тяжести на Венере средняя плотность планеты скорость отрыва от планеты (вторая космическая скорость) 887 см сек' (0,9 земного); 5,23 г'езг (0,95 земной); 10,36 км/ceil (на Земле 11,18 К-\1Сек). МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ Работа Кузьмина и Кларка позволила еще до полета «Венеры-4» сделать вывод, что источник высокотемпературного радиоизлу­
чения Венеры — ее поверхность, а не ионо­
сфера. И все же окончательного решения ученые ждали от космических станций. Первую трассу Земля — Венера проложи­
ла советская автоматическая межпланетная станция «Венера-1», запущенная 12 февраля 1961 г. После 97 суток полета станция про­
шла в 100 тыс. км от Венеры, но радиосвязь с ней к тому времени была потеряна. До следующего запуска нужно было ждать около 584 суток (так называемый си­
нодический период планеты), чтобы Земля и Венера вновь заняли на своих орбитах положение, благоприятное для запуска станций. 27 августа 1962 г. к Венере была запуще­
на американская автоматическая станция «Маринер-2». После 109 суток полета стан­
ция прошла в 35 тыс. км от Венеры. «Маринер-2» передал на Землю резуль­
таты измерений, показавших, что у Венеры почти совсем нет магнитного поля, а значит, нет и поясов радиации. Ведь радиационные пояса нашей планеты образуются за счет за-
Вымпел, доставленный на поверх­
ность Венеры советской станцией *Венера-3». хвата земным магнитным полем заряженных частиц «солнечного ветра». Венера не имеет заметного магнитного поля, по-видимому, по­
тому, что она очень медленно вращается вокруг осп (из-за этого не могут возникнуть электрические токи в ее ядре, которые, как полагают ученые, и создают магнитное поле). 44 Спускаемый аппарат—научная ла­
боратория «Венеры-4». С верхней частп снята теплоизоляция. Автоматическая межпланетная станция «Венера-4» готова к полету. КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШ' Приборы «Маринера-2» в нескольких точках методом радиопросвечивания изме­
рит! температуру. Она оказалась весьма высокой (плюс 200—300°), а ее изменение от центра к краю диска подтверждало скорее парниковую, чем ионосферную, гипотезу. «Маринер-2» позволил точно определить массу Венеры. Ведь обычно массы планет определяют по скорости движения их спут­
ников, а у Венеры спутников нет. Поэтому массу ее мы знали неточно. Отклонение дви­
жения станции в поле тяготения планеты по­
зволило установить, что масса Венеры состав­
ляет 0,81485 массы Земли. Следующий период, благоприятный для запуска к Венере,— апрель 1964 г. — исполь­
зован не был, но в ноябре 1965 г. к Венере стартовали сразу две советские космические станции—«Венера-2» и «Венера-3». После 107 и 105 суток полета первая из них прошла в 24 тыс. км от поверхности Венеры, а вторая 1 марта 1966 г. совершила жесткую посадку на поверхность планеты, доставив туда совет­
ский вымпел. И вот, наконец, 12 июня 1967 г. к зага­
дочной планете устремилась советская меж­
планетная станция «Венера-4». Вдогонку по­
летела американская станция «Маринер-5». 18 октября, после 128 суток полета, «Ве-
нера-4» приблизилась к планете назначения. Для научных исследований был предназна­
чен специальный спускаемый аппарат диа­
метром 1 JH и весом 383 кг, покрытый осо­
бым термоизоляционным слоем. Когда аппарат находился на расстоянии около 45 тыс. км от поверхности Венеры, на­
чался припланетный сеанс связи со станцией. После ориентации станции спускаемый ап­
парат был отделен, вошел в атмосферу Ве­
неры и начал тормозиться за счет ее аэро­
динамического сопротивления. Когда ско­
рость полета уменьшилась приблизительно с 11000 до 300 м/сек, был выпущен тор­
мозной, а затем и основной парашют. По­
лет перешел в плавный спуск. Началась передача данных об атмосфере планеты, продолжавшаяся 94 минуты. Спуск происхо­
дил на ночной стороне планеты. Прием радиосигналов «Венеры-4» произ­
водился специальными центрами дальней космической связи. Полученная информация оказалась необыкновенно ценной. Прежде всего удалось НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 45 Схема полета в атмосфере и посад­
ки спускаемого аппарата: начало припланетного сеанса (1); отделение спускаемого аппарата (2); его тор­
можение в атмосфере (3); раскрытие тормозного парашюта (4); раскры­
тие основного парашюта, начала передачи радиоинформации с борта спускаемого аппарата (5); нача.ю работы радиовысотомера (в); посад­
ка (7). МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ ЗЕМЛЯ . Центр дальней космической связи. Большая антенна, принимавшая радиосигналы с «Венеры-4», «Бене-
ры-5» и «Венеры-6». окончательно установить, что на поверхно­
сти Венеры высокая температура. По изме­
рениям станции она превышает плюс 270°, что близко к результатам радиоастрономи­
ческих измерений. Впервые было определено атмосферное давление, изучено изменение температуры и давления с изменением вы­
соты. 5 и 10 января 1969 г. в СССР были за­
пущены к Венере две новые станции: «Ве-
нера-5*- и «Венера-6». К планете они под­
летели 16 и 17 мая. Их полет позволил уточ­
нить результаты «Венеры-4». Станции «Венера-5» и «Венера-6» произ­
вели измерения на участках атмосферы, где температура изменялась приблизитель­
но от 25 до 320° С, давление от 0,5 атм до 27 атм. Последнее значение давления, по данным <<Венеры-5^, соответствовало вы­
соте 24—26 км, а по данным «Венерькб»,— высоте 10—12 км {такая разница может быть объяснена значительными неровностями рельефа Венеры). На поверхности планеты температура должна быть еще выше, а давле­
ние больше. Приборы «Венеры-5» и «Вене­
ры-6» показали, что в атмосфере Венеры кон-
центрация углекислого газа достигает 93—97%, кислорода—не более 0,4%, азота вместе с инертными газами — 2—5%, водя­
ного пара (на уровне, соответствующем дав­
лению 0,6 атм) — 4—11 мг в литре. Советские ученые во главе с академиком А. П. Виноградовым уже ищут ответ на во­
прос, почему атмосфера Венеры так сильно отличается от земной. Теперь ЙСНО, что на поверхности Венеры не может быть жидкой воды, а следователь­
но, не может быть и жизни. Но в атмосфере планеты вода есть — в виде водяного пара и облаков. По данным наблюдений со стратостата, инфракрасное излучение облаков Венеры KOCbWMFXKHE СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 47 сходно с излучением кристалликов льда. Если иметь в виду, что температура на уров­
не облаков — от минус 40° до минус 70°, воз­
можно, что по крайней мере верхняя часть облаков состоит из ледяных кристалликов (как наши перистые облака). Ниже, где тем­
пература значительно повышается, могут быть уже не льдинки, а капельки воды, как и в наших земных облаках. Советский радиоастроном Г. М. Стрелков сумел доказать, что водяной пар в сочетании с углекислым газом создают наблюдаемый парниковый эффект в атмосфере Венеры. Оба эти газа поглощают инфракрасные лучи — тепловое излучение планеты и не дают ему уходить в мировое пространство. Исследования Кузьмина и Кларка, а так­
же радиолокационные наблюдения позволили узнать кое-что даже о свойствах поверхности Венеры. По коэффициенту отражения радио­
волн, посланных локатором, и по некоторым характеристикам собственного радиоизлуче­
ния Венеры удалось определить электропро­
водящие свойства вещества ее поверхности. Они близки к свойствам плотного песка и горных пород типа гранита. Но самый на­
ружный слой почвы имеет куда более низкую проводимость, присущую разрыхленным пескам и тонкой пыли. Давление у поверх­
ности Венеры составляет многие десятки ат­
мосфер, кроме того, в различных точках планеты обнаружена большая разность тем­
ператур — все это должно вызывать мощные ветры. Они-то и разрыхляют наружный слой поверхности. Вот как много удалось узнать о природе Венеры за последнее десятилетие. Нет сомне­
ний, что следующие 10 лет принесут нам еще больше вестей, и чадра с Венеры будет сорвана. НОВАЯ ЗАГАДКА МАРСА Вот уже 90 лет как астрономы пытаются разгадать загадку сезонных изменений интен­
сивности и цвета «морей» Марса (так условно называют большие темные области на его по­
верхности) и загадку марсианских «каналов». Большинство астрономов связывали сезонные изменения на Марсе с развитием в «морях» растительности в период весеннего таяния полярных шапок. Много труда в обоснование Советская межпланетная автомати­
ческая станция «Марс-1». Р НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ этой гипотезы вложил советский астроном Г. А. Тихов. Природа «каналов» до сих пор не полу­
чила окончательного объяснения. Американ­
ский ученый П. Ловелл в начале нашего века считал их даже искусственными сооруже­
ниями разумных существ — марсиан. Дру­
гие ученые считали «каналы» руслами рек, долинами, трещинами в коре Марса. Некото­
рые полагали, что «каналы» — просто опти­
ческая иллюзия. 1 ноября 1962 г. начался первый полет к Марсу — к красной планете была запущена советская автоматическая межпланетная станция «Марс-1». Семь с половиной месяцев продолжался полет по дуге эллипса, почти касательного к орбитам Земли и Марса. Стан­
ция «Марс-1» выполнила много важных на­
учных исследований, установила новый ре­
корд дальности межпланетной связи, но ко времени сближения с Марсом (19 июня 1
1963 г.) связь с ней была потеряна. Следующее благоприятное для запуска время наступило лишь через 780 суток (сино­
дический период Марса). 27 ноября 1964 г. в США была запущена космическая станция «Маринер-4». Но еще до этого (1963—1964) две группы американских ученых и совет­
ский астроном В. И. Мороз, независимо друг от друга изучая спектры Марса, пришли к неожиданному результату: давление атмо­
сферы у поверхности Марса не 85 мб, как счи­
талось до тех пор, а самое большее — 20— 25 мб. Иными словами, марсианская атмо­
сфера не в 12, а в 40—50 раз разреженнее земной, К тому времени в атмосферах Марса и Венеры было надежно установлено наличие только углекислого газа. Спектральный ана­
лиз позволял определить количество углекис­
лого газа и его общее давление. Так и поступи­
ли В. И. Мороз и американские астрономы. Прежние оценки давления были основаны главным образом на изучении рассеяния сол­
нечных лучей в атмосфере Марса. Но рассея­
ние ведь могут создавать не только молекулы газа, а и пылинки, кристаллики льда и дру­
гие твердые частицы, взвешенные в атмосфе­
ре планеты. Поэтому прежние, менее точные методы давали завышенные оценки давления и плотности атмосферы Марса, — было труд­
но отделить свет, рассеянный газом и пылин­
ками, один от другого. Спектральный же 48 метод свободен от этого недостатка. Именно этим методом установлена крайняя разре­
женность марсианской атмосферы. В 1963 г. спектральный анализ принес еще два интересных открытия. Американ­
ские астрономы Спинрад, Мюнх и Каплан, изучая ближний инфракрасный участок спектра Марса в момент, когда планета уда­
лялась от Земли со скоростью 15 км/сек, обна­
ружили 11 слабых линий водяного пара, ко­
торые были сдвинуты в сторону больших длин волн относительно таких же линий зем­
ного происхождения. Этот сдвиг линий, свя­
занный с удалением или приближением источника света (эффект Доплера), уже не раз помогал астрономам выявлять газы в атмос­
ферах планет по линиям в их спектрах. Оказалось, что в атмосфере Марса очень мало воды: если бы весь водяной пар превра­
тить в жидкую воду, она бы покрыла Марс слоем в 5—10 мк. Если же сконденсировать водяной пар атмосферы Земли, вода покрыла бы земную поверхность слоем в 3 см. Атмосфера Марса крайне суха. Даже в наиболее сухом районе на Земле — около Верхоянска — зимой в 4—8 раз больше влаги, чем в атмосфере Марса. Второе открытие тоже касается проблемы воды на Марсе. Исследуя далекий инфра­
красный спектр полярных шапок, В. И. Мо­
роз обнаружил в нем полосы поглощения льда, что позволило установить их природу. Белые полярные шапки Марса очень тон­
кие — не толще нескольких миллиметров; и это скорее иней, чем сплошной лед. Таковы были наши знания о природе Марса к июлю 1965 г., когда американская космическая станция «Маринер-4» подлетела к загадочной планете. 15 июля она пролетела в 10 тыс. км от поверхности Марса и пере­
дала на Землю 22 ее снимка. «Маринер-4» провел и ряд других ценных исследований. Когда станция заходила за диск Марса, а за­
тем выходила из-за него, ее радиоволны про­
ходили сквозь атмосферу планеты. Удалось определить, что давление у поверхности Мар­
са всего 7—10 мб, иначе говоря, еще меньше, чем показывали спектральные наблюдения, и в 100—200 раз меньше, чем на уровне моря у нас. В земной атмосфере такое давле­
ние имеется на высоте 30—33 км. Новые данные о плотности марсианской атмосферы (она пропорциональна давлению), • Аполлон-11» отрывается от стар­
товой площадки. ЛЮДИ ЗЕМЛИ НА ЛУНЕ Произошло событие, которое в ис­
тории освоения космического про­
странства будет увековечено наряду с запуском первого искусственного спутника Земли, первым полетом Юрия Гагарина, первым выходом Алексея Леонова в открытый кос­
мос, первыми полетами автомати­
ческих стан дик к Луне, Венере, Марсу. 21 июля 1969 г. в й часов 56 минут по московскому времени командир американского космиче­
ского корабля «Аполлон-11» Нейл Армстронг впервые ступил на по­
верхность Луны. Через 19 минут к нему присоединился Эдвин Олдрии. На окололунной орбите в командном отсеке корабля нахо­
дился третий член экипажа *Апол-
лона-11» Майкл Коллинз. Американские космонавты Эдвин Олдрин, Майкл Коллинз и Нейл Армстронг (слева направо). Американские космонавты делают первые шаги по Луне, (Снимок с экрана телевизора.) Армстронг и Олдрин довольно быст­
ро освоились с особенностями пере­
движения на Луне, собрали образцы пород лунного грунта, установили научные приборы (лазерный радар­
ный рефлектор, который позво­
лит измерить с точностью до 15 см расстояние между земными пунк­
тами и поверхностью Луны; сейс­
мограф для регистрации колебаний коры Луны); провели телевизион­
ные передачи, позволившие жите­
лям разных континентов нашей планеты наблюдать за работой космонавтов на Луне. Вне кабины лунного отсека *Аполлона-11» Арм­
стронг и Олдрин находились более двух часов. 24 июля 1969 г. в 19 часов 50 минут «Аполлон-11* точно по расписанию прибыл на Землю. Председатель Президиума Верхов­
ного Совета СССР Н. В. Подгорный поздравил президента США Ричар­
да Никсона с успешным заверше­
нием выдающегося полета косми­
ческого корабля (Аполлон-11», вы­
садкой на Луне и благополучным возвращением на Землю американ­
ских космонавтов. Товарищ Н. В. Подгорный передал каши поздравления и наилучшие поже­
лания мужественным космическим пилотам Нейлу Армстронгу, Эдвину Олдрину и Майклу Коллинзу. КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ —О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ конечно, несколько ослабили позицию уче­
ных, допускающих, что на планете есть рас­
тительность, хотя эксперименты, проведен­
ные в СССР еще в 50-х годах, показали, что семена и споры многих растений прорастают и дают всходы даже и при таких низких дав­
лениях. С тем большим интересом ждали ученые фотографии поверхности Марса с близкого расстояния. Скажем сразу — снимки «Маринера-4» не разрешили ни одной из двух главных загадок Марса и даже еще более запу­
тали Вопрос о каналах. Конечно, никто и не ждал, что на фотографиях, сделанных с 12— 17 тыс. км, можно будет увидеть растения, даже если бы они находились в зоне видимо­
сти станции. По общему мнению, «Мари-
нер-4& не подтвердил, но и не опроверг гипо­
тезы о существовании растительности на Марсе. Но каналы должны были выйти на сним­
ках! И не только потому, что их ширина — десятки километров — занимала заметную долю кадра, но и потому, что многие участ­
ки, заснятые на зтих кадрах, как показывают карты Марса, пересекаются каналами. Одна­
ко самый тщательный просмотр 15 лучших снимков «Маринера-4» не обнаруживал даже признаков каналов. Лишь на одном из сним­
ков в месте, где должен проходить канал, вид­
на небольшая горная гряда. Значит ли это, что каналы Марса про­
сто оптическая иллюзия? Пожалуй, так утверждать еще рано. Ведь каналы явствен­
но видны на фотографиях, снятых с Земли. Видимо, по мере приближения наблюдателя к Марсу они принимают какой-то иной вид, например распадаются на цепочки отдель­
ных пятен. Чтобы разрешить загадку марсианских каналов, нужно фотографировать планету не только вблизи, но и с далеких и средних рас­
стояний. Ведь именно таким путем была раз­
гадана тайна светлых лучей, расходящихся от некоторых лунных кратеров (это цепочки небольших кратеров, заполненных светлым веществом). На снимках поверхности Марса, получен­
ных «Маринером-4», явственно видны самые настоящие кратеры, похожие на лунные. На четырнадцати снимках удалось обнару­
жить 600 кратеров диаметрами от 3 до 4 познание продолжается 180 км, у некоторых из них имелись цент­
ральные горки. Марсианские кратеры отличает от лунных ясно заметное действие эрозии. Но если на Луне, лишенной атмосферы, эрозия связана с ударами микро метеоритов и с солнечным ветром, то на Марсе первые в этом деле не играют никакой роли, так как атмосфера Марса надежно защищает от них поверхность планеты. Что же касается солнечного ветра, то здесь он слабее, чем на Луне, из-за боль­
шей удаленности Марса от Солнца и опять-
таки потому, что у Марса есть атмосфера. Но именно атмосфера и создает эрозию. Ветры на Марсе, как показывают наблюдения за перемещением облаков, имеют те же скоро­
сти, что и на Земле. Не раз на Марсе отмеча­
лись мощные пылевые бури. А это значит, что ветер там может переносить мельчайшие пылинки. Именно поэтому кратеры Марса более пологи, чем лунные, их контуры сгла-
Поверхность Марса. Снято амери­
канской станцией *Марынер-4» с расстояния 12 тыс. км. Наибольший кратер имеет диаметр НО км, ос­
тальные — от 5 до 40 км. жены. Отдельные кратеры носят явные сле­
ды разрушений, которые связаны, по-види­
мому, с движениями в коре планеты либо с мощными землетрясениями. Наибольшая высота горы на Марсе (по снимкам «Марпне-
ра-4») 4 к.м. Пять самых крупных марсианских крате­
ров получили названия: Марпнер, Колумб, Магеллан, Нансен, Эриксон. На снимках, сделанных в вечерние часы марсианских суток (когда Солнце стояло уже невысоко и лучи падали полого), на ва­
лах кратеров заметны светлые кольца — ско­
рее всего, это иней. Кроме кратеров, на Мар­
се обнаружены л другие виды рельефа — не­
большие горные гряды, отдельные возвышен­
ности, борозды. Но большая часть поверхно­
сти планеты ровная. Все это удалось узнать по снимкам «Марннера-4>. Что можно сказать о природе марсиан­
ских кратеров? Очевидно, они того же происхождения, что и лунные. Но какие силы породили нх: внутренние (вулканизм) или внешние (падение метеоритов)? Интересно, что число кратеров на единицу поверхности на Марсе и Луне почти одинаково (не сле­
дует, правда, забывать, что «Маринер» за­
снял только около 1% поверхности Марса). Марс, как и Луна, должен был под­
вергаться бомбардировке метеоритами п не­
большими астероидами, тем более что он ближе к поясу астероидов, чем Луна и Земля. К тому же орбита Марса довольно вытяну­
та, следовательно, он мог «вычерпывать» метеориты в астероиды, движущиеся на раз­
ных расстояниях от Солнца. Но нельзя отрицать и роли вулканиче­
ских сил, которые на Марсе — более крупном небесном теле, чем Луна, должны были про­
являть себя в больших масштабах. Теперь при решении вопроса о происхождении лун­
ных кратеров нужно учитывать, что кратеры есть и на Марсе. В феврале—марте 1969 г. американские ученые запустили к Марсу две новые стан­
ции: «Марннер-6» и «Марннер-7». 31 июля и 5 августа они достигли района планеты и передали несколько десятков снимков ее поверхности, полученных с различных рас­
стояний (от 470 000 до 3200 км). На них видно много кратеров, горные гряды, по­
лярная шапка. Изучение этих снимков про­
должается. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 50 МЕРКУРИЙ ПРЕПОДНОСИТ СЮРПРИЗ После Луны, Венеры и Марса следующей космической мишенью станет, очевидно, Меркурий — самая близкая к Солнцу и самая маленькая нз больших планет. Он может иногда подходить к Земле на 82 млн. км — это в полтора раза больше кратчайшего рас­
стояния до Марса и в два раза больше, чем до Венеры. Чтобы достичь Меркурия, ракета должна развить скорость при старте с Земли 13,5 км1сек (вместо 11,5—11,7 км/сек при полетах к Венере и Марсу). Дело в том, что при переходе с орбиты одной планеты на дру­
гую очень важна разность расстояний обеих планет от Солнца. Именно она определяет необходимую скорость, А при полете с меньшей скоростью орбита перелета не по­
лучится. Скорость 13,5 км/сек пока еще не достиг­
нута нашими ракетами, но это время неда­
леко. Перелет к Меркурию займет даже мень­
ше времени, чем перелет к Венере, — короче трасса. К Меркурию можно будет летать в 5 раз чаще: через каждые четыре месяца. Ведь синодический период этой планеты всего 116 суток. А пока... радиолокация Меркурия пре­
поднесла астрономам новый сюрприз. Еще со времен Скиапареллп (80-е годы XIX в.) счи­
талось, что Меркурий обращен к Солнцу одной стороной (как Луна к Земле). Иначе говоря, период его вращения Еокруг оси при­
нимался равным периоду обращения вокруг Солнца: 88 суток. Этот период был опреде­
лен по наблюдениям деталей поверхности планеты. После того как радиолокация принесла успех в определении периода вращения Be-
неры, астрономы применили этот метод к Меркурию. Результат получился совершен­
но неожиданный: Меркурий вращается не за 88, а за 58,6 суток. Другими словами, он не обращен к Солнцу одной стороной. Что же, наблюдения деталей поверхности, по которым определялся прежний период, были ошибочны? Вовсе нет. Все дело в том, что наблюдать Меркурий мы можем не в лю­
бое время, а лишь в периоды его наибольших элонгации (видимых удалений) от Солнца, которые повторяются через 116 суток. Но ведь это ровно два периода вращения Мер­
курия. Кроме того, как легко убедиться, три КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И РАДИОВОЛНЫ — О НАШИХ НЕБЕСНЫХ СОСЕДЯХ 51 Юпитер и его крупные спутники. периода его вращения равны двум периодам обращения вокруг Солнца (3X58,6 = 2X88 = = 176). Бот почему в свое время период вра­
щения был определен в 88 суток. Но он оказался неверным. Как же происходит смена дня и ночи на Меркурии? Солнце там восходит очень мед­
ленно, день и ночь длятся по 88 наших суток. Таким образом, солнечные сутки на Мерку­
рии ровно вдвое длиннее звездных (на Земле разница между ними составляет всего 4 ми­
нуты) и продолжаются 176 суток — почти полгода. Спектральные наблюдения В. И. Мороза показывают, что атмосфера у Меркурия по крайней мере в 300 раз разреженнее земной. По плотности такая атмосфера соответствует земной на высоте 40 км над уровнем моря, но и она может переносить тепло. Поэтому ноч­
ное полушарие Меркурия не столь холодное. Температура там около 70е ниже нуля, а не минус 200—250°, как считали раньше. Зато на дневном полушарии она достигает плюс 345° (в подсолнечной точке, на среднем рас­
стоянии Меркурия от Солнца). Когда же Мер­
курий оказывается в перигелии (ближайшей к Солнцу точке своей орбиты), дневная тем­
пература может быть еще градусов на 70 выше. Поверхность Меркурия, как показывает радиолокация, по своим свойствам напоми­
нает лунную. О рельефе планеты мы пока еще ничего не знаем. Интересно, есть ли на Меркурии кратеры, как на Луне и Марсе? Скорее всего, да. Но сколько их? Ведь Мер­
курий гораздо дальше от пояса астероидов, чем Марс и Луна. Поэтому, если кратеры ме­
теоритного происхождения, их на Меркурии должно быть гораздо меньше, чем на Марсе п Луне, если же они происходят от вулкани­
ческой деятельности, то примерно столько же, сколько на Марсе и Луне. Будущие поле­
ты космических станций к Меркурию, несом­
ненно, ответят и на эти вопросы. РАДИОСИГНАЛЫ С ЮПИТЕРА Долог путь до Юпитера — крупнейшей планеты Солнечной системы. Современные космические ракеты долетели бы до него за 2,7 года, но для этого им нужна начальная скорость 14,2 км/сек. Радиоволны с Земли 4* уже достигают Юпитера, им достаточно для этого 35 минут. Обратно приходят отражен­
ные сигналы н собственное радиоизлучение планеты. (Впервые радиолокация Юпитера осуществлена в СССР в 1963 г.) Это излучение, как показали исследова­
ния, состоит из трех видов совершенно раз-
личной природы. Юпитер, как и всякое тело, испускает тепловое излучение (в том числе и в радио диапазоне). По его величине на сан­
тиметровых волнах можно определить радио­
температуру Юпитера. Она оказалась минус 130г (почти столько же показывают другие методы измерения). На дециметровых волнах тепловое радио­
излучение быстро слабеет — при переходе от волны 1 см к волне 10 см почти в 100 раз. Но его место занимает какое-то новое радиоизлу­
чение, почти не ослабевающее с изменением длины золны. Если по нему вычислить тем­
пературу, то получается странная картина: с изменением длины волны температура быстро возрастает, достигая на волне 10 см + 400°, а на волне 70 см — 50 000°! Такое из­
лучение имеет явно нетепловую природу, а выводимые по нему температуры весьма условны (их называют яркостными темпера­
турами). Так что же это за излучение? Американ­
ские ученые установили, что Юпитер обла­
дает мощным магнитным полем и поясами радиации, похожими на те, что окружают нашу Землю. Их протяженность в 4—5 раз больше диаметра планеты (он равен 141700 км), а напряженность магнитного поля Юпитера в 10—100 раз больше, чем у Земли. Быстрые электроны радиационных поясов, тормозясь в магнитном поле, испу­
скают радиоволны дециметрового диапазона, которые мы и наблюдаем. Наконец, третий вид радиоизлучения Юпитера — отдельные отрывистые сигналы-
всплески, наблюдаемые в декаметровом диа­
пазоне (на волнах 12—20 м). Любопытно, что источники этих сигналов связаны лишь с определенными областями планеты. По ним установлен даже период вращения источни­
ков сигналов: 9 часов 55 минут 30 секунд, что близко к периоду вращения в средних широтах Юпитера (Юпитер, как и Сатурн и Солнце, вращается вокруг оси не как твердое тело — на экваторе вращение происходит быстрее, чем в высоких широтах). В чем же причина этих загадочных всплесков радиоволн? Сначала думали, что это мощные грозовые разряды в атмосфере планеты. Но теперь общепринято объяснение советского астронома В. В. Железнякова: по-
видимому, на поверхности Юпитера могут происходить какие-то мощные процессы взрывного характера. Возможно, что это вул­
канические извержения. Они порождают взрывные волны, которые проходят сквозь атмосферу планеты и возбуждают в ее верх­
них слоях резкие колебания плазмы (элек­
тронно-ионного газа). Эти-то плазменные ко­
лебания — источник декаметровых радио­
волн. Взрыв — явление кратковременное. По­
этому связанные с ним всплески радиоизлу­
чения так непродолжительны. НЕСКОЛЬКО СЛОВ О САТУРНЕ Следующая за Юпитером планета — Са­
турн имеет с ним много общего. Сатурн тоже испускает радиоволны как теплового, так и нетеплового происхождения. Однако нетеп­
ловое радиоизлучение у Сатурна гораздо сла­
бее, чем у Юпитера, а всплески на декамет­
ровых волнах пока не наблюдались. Значит, пояса радиации и магнитное поле у Сатурна слабее, чем у Юпитера, а его вулканы, если они существуют, пока молчат. Исследование природы этих двух круп­
нейших планет Солнечной системы в даль­
нейшем можно будет проводить с космиче­
ских станций, установленных на их ближай­
ших спутниках: на спутнике Юпитера Амальтее (в 181 тыс. км от поверхности пла­
неты) и на открытом 15 декабря 1966 г. фран­
цузским астрономом О. Дольфюсом но­
вом, десятом спутнике Сатурна — Янусе (в 98 тыс. км от поверхности Сатурна). Но это дело далекого будущего. А пока космические станции ведут наступление на Луну, Венеру, Марс. О природе более далеких планет нам рассказывают радиоволны и ста­
рый друг астрономов — луч света. РАКЕТЫ И СПУТНИКИ ПОМОГАЮТ ИЗУЧАТЬ ЗЕМЛЮ •По сообщениям, полученным с метео­
спутников Земли, сегодня на территории Советского Союза наблюдалась следующая погода..» Никто не удивляется сейчас1, слу­
шая обыденный голос диктора, говорящего эту далеко не обыденную фразу. Недавняя фантастика входит в нашу жизнь. Всего двенадцать лет назад, т. е. когда шестиклассники только что родились, семи­
классники отвыкали от сосок, а восьмикласс­
ники учились говорить, мы — уже взрос­
лые — всего двенадцать лет назад читали про такое лишь в книгах писателей-фантастов. Постараемся расшифровать первую фразу этой статьи и подумаем над нею по существу. Итак: 1. Вокруг Земли и Солнца летают искус­
ственные спутники. Вокруг Земли их уже не­
сколько сотен, а к моменту выхода книги... 2. На этих спутниках, облетающих Зем­
лю за 90 минут (всего полтора часа!), уста­
новлена самая разнообразная аппаратура, работающая днем и ночью (имеется в виду ночь земная: спутник проносится над ноч­
ной поверхностью Земли несколько раз). Он фотографирует все земные покровы — облач­
ный, снежный, ледяной, водяной, он изме­
ряет температуру поверхности, ухитряется подсчитать приход и расход энергии, посы­
лаемой Солнцем на Землю. И еще многое могут подглядеть и подсчитать аппараты, установленные на спутнике и направившие свои искусственные глаза на родившую их планету. 3. На спутниках есть аппаратура, которая передает все полученные сведения на Землю. На Земле же не менее умные машины «пере­
варивают» эту информацию и выдают сведе­
ния, советы, рекомендации, создают возмож­
ность произнести фразу, начинающую эту статью. Все это могло удивлять людей старшего поколения, но для тех, кто научился читать уже во времена спутников, такие вещи есте­
ственны. Спутники и ракеты-зонды открыли людям почти неизвестную (как теперь оказалось) планету — нашу Землю. МНР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 52 РАКЕТЫ II СПУТНИКИ ПОМОГАЮТ ИЗУЧАТЬ ЗЕМЛЮ Ракеты-зонды поднимали вверх контей­
нер с приборами. Все, что приборы узнавали, передавалось на Землю, или же сам контей­
нер возвращался целым и невредимым. При этом узнали много ценного: распределение плотности и температуры в атмосфере, ин­
тенсивность космических лучей, ионный и газовый состав атмосферы на разных высотах. Но ракета приносит сведения только об одной точке Земли, мы не можем запускать ракеты сразу из тысячи точек. Вместо них полетели спутники. И хотя спутники не могут летать ниже 170 км над Землей — сго­
рят от трения о довольно плотную атмо­
сферу, — наполненные приборами, они дви­
жутся вокруг планеты по любым наперед заданным орбитам и исправно сообщают нам результаты своей работы. (Появилась мысль запускать специальные свободно парящие в воздухе баллоны на высоты от 1700 до 13 500 м; баллонов должно быть около 2 ты­
сяч, а информацию с них будет собирать по радио спутник.) ...Людей давно интересовал вопрос: где кончается Земля и начинается чистый кос­
мос? Но чем больше мы узнавали, тем выше поднималась граница Земли. Еще недавно считали, что «край Земли» там, где кончает­
ся атмосфера. Но спутники неожиданно все изменили. Уже при первых запусках обнаружилось, что вокруг нашей планеты располагается мощная «шуба». Состоит она из свободных протонов и электронов и разделена на два пояса — внутренний и внешний. Эта «шу-
ба& постоянно обдувается солнечным вет­
ром и под его влиянием меняет свою толщину от 9—10 до 7 земных радиусов. Правила движения частиц в радиацион­
ных поясах строги и достаточно сложны: частицы перемещаются по спиральной траек­
тории вдоль силовых линий земного магнит­
ного поля из северного полушария в юж­
ное и обратно; кроме того, они движутся вокруг Земли, совершая полный оборот за время от нескольких минут до несколь­
ких суток. Частицы в радиационных зонах обра­
зуются в основном за счет космического из­
лучения, сравнительно ровного и постоян­
ного, и за счет заряженных частиц больших энергий, выбрасываемых Солнцем. Следова-
Обтекаемая солнечным ветром маг­
нитосфера Земли с радиационными поясами (схема). тельно, магнитное поле Земли в значительной степени защищает нас от космического излу­
чения. А как влияет космическое излучение на живые организмы? Будут ли в них нас­
ледственные изменения? Опасен ли (видимо, опасен!) космический мир обитателям Зем­
ли? Вот малая часть возникающих в связи с этим вопросов. Поэтому понятно, зачем в самых первых спутниках в незащищенное магнитным по­
лем пространство отправили представителей фауны и флоры Земли. А спутники продолжали делать откры­
тия. Они уточнили размеры, направление, состав хвоста Земли, открытого несколько раньше. Хвост оказался большим — десятки тысяч километров. Так постепенно выясняются истинные размеры Земли — в несколько десятков раз больше твердой ее части. Спутники уточнили еще кое-какие наши представления. Сначала Земля считалась шаром, потом эллипсоидом. Измерения со спутников показали, что у Земли чуть боль­
ше сплющено южное полушарие по сравне­
нию с северным. А потом последовали даль­
нейшие уточнения фигуры Земли — геоида. Он далеко не ровный — на нем есть выпук­
лости и впадины. Оказалось, что четыре рай­
она возвышаются над средним уровнем зем­
ной поверхности (это условная сфера, образо­
ванная средним уровнем мирового океана) примерно на 70 м каждый. Районы эти МИГ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 54 На страницах 54—55 помещены фотографии состояния атмосферы Земли, переданные спутником <Кос-
мос-122». находятся: в северной части Атлантиче­
ского океана, где-то у восточной границы Филиппинского моря, к югу от Мадагаскара и в Перу. А четыре области, наоборот, на 80 м ниже: в Тихом океане у берегов Антарк­
тиды, в Тихом океане юго-восточнее Гавай­
ских островов, на северо-востоке США и к югу от п-ва Индостан. Все это также помогли установить или уточнить искусственные спутники Земли. ...Бывает так. Идет корабль. Справа и сле­
ва видны берега. Дотошный штурман стре­
мится знать свое место как можно более точно. Определяется по обоим берегам и вы­
ясняет, что судно находится... одновременно в двух точках на расстоянии километра одна от другой. Один берег показывает одно, дру­
гой — другое. Так называемая привязка бере­
гов делалась по разным пунктам. Появились ошибки, а штурману остается гадать, где он. Или примириться с мыслью о том, что точ­
ного (даже относительно точного) места он определить не в состоянии. И все это проис­
ходит там, где берега удалены друг от друга всего-то на 20 KJII. А на каком расстоянии друг от друга находятся материки? Ответ получен тэлько с появлением геофизических спутников. И сейчас уже можно получить Верхняя ленточка снимков — теле­
визионное изображение погоды на севере Евразии. Внизу — после ме­
теорологической обработки получен­
ная информация условными значка­
ми нанесена на карту. очень точную карту Земли. Наступает время, когда моряк с помощью спутников и в океане может безошибочно определить свое место. Прежде, пользуясь лишь Солнцем и звезда­
ми, он определялся в лучшем случае с точ­
ностью ±2 км. При таких условиях невоз­
можно достаточно подробно изучить ни скрытое водами дно океана, ни океанские течения, а это важно для познания Земли. Синоптикам трудно. Им все время при­
ходится решать уравнения, в которых много неизвестных. Метеорологические станции дают недостаточно сведений. Радиозонды приносят быстро меняющиеся данные. С большей части Земли, покрытой океанами, информация поступает эпизодически и слу­
чайно. А надо составить цельную картину да еще определить, как она будет изменяться. Вот и ругайте после этого службу погоды за ошибку в прогнозе. Поэтому для метеороло­
гов информация со спутников необходима, как... даже не подобрать сравнения. РАКЕТЫ II СПУТНИКИ ПОМОГАЮТ ИЗУЧАТЬ ЗЕМЛЮ 3 Вихревая облачность развивающего­
ся циклона к северу от оз. Байкал, снятая 26 июля 1966 г. Спутники дают сведения о потоках в воз­
душном океане, приводящих в движение всю «машину погоды». Спутники сообщают кар­
тину погоды всей Земли; вместе с назем­
ными станциями они образовали систему «Метеор», которая за сутки дает метео­
рологическую информацию с половины пла­
неты. Орбиты спутников расположены под углом 95е. Наблюдения за погодой над каж­
дым из районов земного шара производятся с интервалом 6 часов. Эго позволяет следить за изменениями в атмосферных процессах на всей планете. Спутники передают на Землю фотографии тайфунов и циклонов — вечной угрозы многих районов Земли. Спирали обла­
ков диаметром до 1,5—2 тыс. км, меняющие­
ся, развивающиеся, затухающие, легли фото­
графиями на стол исследователя. Фотографии местоположения и движения, графики, кри­
вые, карты — все это помогает изучению закономерностей погоды. А тогда уж и точ­
ный прогноз. А затем и «погода по заказу». Спутникп и ракеты изучают метеорные потоки, встречающиеся с Землей, механизм убегания в космос газов из верхних слоев атмосферы, расположенных выше 2— 3 тыс. км над Землей. Изучают поведение магнитного поля. Через спутники организу­
ется радио- и телесвязь. А что еще... это уж опять пока фантастика. Но сколько ни продолжается процесс по­
знания, какие бы новые технические средства ни изобретались, впереди всегда лежит все расширяющийся океан неизвестного. В начале сентября 1S66 г. в районе Азорских островов вдали от ожив­
ленных морских трасс незаметно для земных наблюдателен родился грозный тропический шквал. Это зафиксировали камеры спутника. В кадре видно, как с юга (на снимке слева) в зону вихря устремляются потоки холодного воздуха, несущие облака. Заметна также струя теп­
лого воздуха, которую затягивает в себя тропический шквал (цепочка белых пятен справа над вихрем). Внизу — переданная всем службам погоды синоптическая информация о рождающемся вихре. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ ЗАГАДКА МАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ Уже несколько сот лет человек знает, что он жззвет на магните. Он научился использовать этот магнит. С помощью магнитного компаса бесстрашными моряками открыты неведомые страны. Но загадки маг­
нитного поля Земли привлекают внимание ученых. Часть этих зага­
док уже решена, часть еще ждет решения. Здесь мы расскажем об одном, чуть-чуть приоткрывающей­
ся, но пока совершенно непонятной тайне магнитного поля. Для этого придется уйти в сто­
рону. И даже не в сторону, а вниз — на дно океана. В царство морских звезд и морских огурцов, На это дно сыплется непрекращаю­
щийся дождь — скелеты погибших организмов, прилетевшие из космо­
са микрометеориты, вынесенные вет­
ром и реками с суши вещества. Среди них частицы металлов. Когда они достигают дна, большая часть металлических частиц укладывает­
ся ЕДОЛЬ силовых магнитных линий Земли, показывая направление на магнитные полюса. Так продолжает­
ся в течение тысяч медленных ты­
сячелетий. ...За борт на прочном стальном тросе с исследовательского судна опускается длинная стальная труба. Она глубоко врезается в дно, захва­
тывает многометровый столбик дон­
ных осадков и вытаскивает их на палубу. На корабле, а потом и в береговых лабораториях начинается колдовство ученых. Чего только не делают с добытой пробой — раство­
ряют, сжигают, сушат, рассматрива­
ют в микроскоп, просвечивают рент­
геновскими лучами, смешивают е различными химическими реакти­
вами — читают летопись Земли. И еще — определяют намагничива­
ние частиц, образовавших донные отложения. Выясняется странное и неожиданное: магнитные полюса время от времени меняются места­
ми! Северный становится южным, и наоборот. По предварительным дан­
ным, одна такая смена происходит примерно в течение 10 тыс. лет — по геологическим понятиям очень быстро. А между такими перемена­
ми проходит довольно много време­
ни: установлено, что последние ива раза полярность менялась примерно 3,7 млн. и 1,7 млн. лет назад. II ин­
тересное совпадение: на этих грани­
цах наблюдается резкая смена животного мира. Мертвые скелеты рассказывают о потрясениях, свя­
занных со сменой магнитных полю­
сов. Одни виды исчезают, другие появляются. Это говорит о многом. Вероятно, магнитное поле во время перемены полярности исчезает или сильно ослабевает. На Землю в от­
сутствие этого магнитного сторожа проникает космическое излучение, влияющее на флору и фауну, пере­
делывающее биологическое лицо Земли. А может быть, происходит и какой-то другой процесс. В связи с этим вот вам новая ги­
потеза, не имеющая сторонников, не проверенная. У нее одно достоин­
ство — она первый раз появляется на бумаге. Мы предполагаем, что нынешний человек своим появлени­
ем обязан именно таким перемагни-
чиваниям полюсов. Доказательств у нас пока нет. Есть интересные совпадения. Последние антропологи­
ческие изыскания показали, что первый обезьяночеловек (так назы­
ваемый «человек умелый») появил­
ся примерно за 1,7 млн. лет до нас. А 0,5—0,7 млн. лет назад появля­
ются новые, более развитые обезья­
нолюди — питекантропы. Похоже это на фантазию. Может, наше предположение фантазией и оста­
нется. А все-таки?.. АНТАРКТИДА В НАШИ ДНИ 57 АНТАРКТИДА В НАШИ ДНИ Вот уже более десяти лет ученые разных стран ведут исследования на шестом конти­
ненте — Антарктиде, ведут настойчивый поиск, по общей программе, с общей целью. Начаты эти исследования во время Между­
народного геофизического года — МГТ (1957—1959); десятки стран объединились для выполнения важной научной пробле­
мы — изучения Земли в целом. Двенадцать стран мира: Советский Союз, США, Англия, Франция, Австралия, Арген­
тина, Чили, Южно-Африканская Республика, Новая Зеландия, Норвегия, Бельгия, Япо­
ния — послали к южному материку свои эк­
спедиции. МГГ кончился, а исследования практи­
чески только начались — стало ясно, что для'изучения Антарктиды нужны не год, не пять, а десятки лет. Руководит работой и планирует ее Науч­
ный комитет по антарктическим исследова­
ниям. Чтобы между странами, изучающими Антарктиду, не возникло споров о правах на владение материком, в 1959 г. ими был заключен договор: все территориальные при­
тязания в Антарктиде «замораживались» на тридцать лет, материк объявлялся сво­
бодным для научных исследований, там за­
прещалось строить военные базы и прово­
дить маневры. Прошло первое десятилетие. Десятки экспедиций непрерывно наблюдали за пого­
дой, магнитным полем, землетрясениями, определяли высоту ледникового плато, тол­
щину льда, свойства снега. Специальные приборы и фотоаппараты на самолетах вели съемку континента с воздуха. О результатах экспедиций написаны сот­
ни, тысячи статей, брошюр, книг. Чтобы материалы исследований были доступны всем ученым мира, их хранят в международных научных центрах — в Мо­
скве и Вашингтоне. Ежегодно ученые соби­
раются на конференции и совещания для обсуждения новых данных. В 1966 г. в Советском Союзе вышел Ат­
лас Антарктики. Это гигантский труд сотен ученых. В атласе собраны разные кар­
ты; они рассказывают о высоте и контурах ледникового покрова, о климате, о законо­
мерностях распределения температур, о ско­
рости ветра и давлении воздуха. Специальные геофизические карты отображают особенно­
сти магнитного поля, ускорения силы тяже­
сти, строение ионосферы над Антарктидой. Геологические карты позволяют судить о по­
родах и истории формирования континента в древние времена. Есть карты исторические, на них Антарктида — от открытия ее Бел­
линсгаузеном и Лазаревым до географиче­
ских открытий наших дней. И совсем необычна карта подледного рельефа Антарктиды. Рельеф других конти­
нентов легко изучить, он не скрыт ледником, как у Антарктиды. Лед покрывает здесь более 95% площади. Ледниковый покров Антарктиды — это гигантский купол. Его высота в центре 4 тыс. ж над уровнем моря. Крутизна склона у берега больше, чем во внутренних районах. Профиль ледника на­
поминает математическую кривую — поло­
вину эллипса, разрезанного по длинной оси. Это связано со свойством льда — теку­
честью: лед медленно растекается от центра к краям. А так как там постоянно выпадает снег, то процесс этот непрерывен. Скорость Ледниковый покров Антарктиды имеет в разрезе форму полуэллипса. движения льда невелика — в течение года от нескольких сантиметров в центре до 200— 300 ж у краев. Горные вершины «проты­
кают» лед только по краю покрова, где высота его не больше 2—2,5 тыс. ж над уровнем моря. Почему же в центре Антарктиды горы не выходят на поверхность? Может быть, их там нет вовсе? Может быть, центральные МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ- ЗЕМЛЯ 5в К Южному полюсу! Оледенение Антарктиды можно представить как четыре огромных купола растекания; три — в запад­
ной части материка и один — в вое-
точ ной. В осточ и оантарктиче ский купол — это два как бы слившихся купола, а поднятие между их цен­
трами — ледораздел. районы — это огромная равнина, лежащая ниже уровня моря, как в Гренландии? Так возник вопрос: а материк ли Ан­
тарктида? Ответить на него можно было, только проникнув вглубь, сквозь толщу льда. К центру континента по ледниковому куполу двинулись санно-гусеничные поезда. Мощные тягачи, в кузовах-домах которых жили и работали ученые, тащили тяжелые сани с грузами. Их подстерегали опасные трещины в леднике, скрытые снежными мостами, пурга и морозы. От разреженного воздуха высокогорья, нехватки кислорода задыхались не только люди, но и двигатели машин. Ученые пересекли континент в разных направлениях. Изо дня в день они измеряли толщу льда. Для каждого такого измерения приходилось бурить скважины, расставлять приборы, производить взрывы. При этом использовался метод сейсми­
ческого зондирования: волна от взрыва бежала через лед до дна — на границу со скалой — и, отражаясь от нее, возвращалась на поверхность. Приборы измеряли время, АНТАРКТИДА Б НАШИ ДНИ 59 потраченное ею на этот пробег. Скорость рас­
пространения волны составляла 3800 м!сек. Помножив скорость на время и разделив пополам, получали толщину льда. Гравимет­
рические измерения {точное измерение уско­
рения силы тяготения) вместе с сейсмическим методом позволяли определять толщину льда. Б самое последнее время экспедиции СССР, США и Англии применили новый метод зондирования — радиолокационный: радио­
волны «просвечивают* лед и отражаются от границы, где лед соприкасается с коренным ложем. Ученые разных стран в общей сложности прошли более 50 тыс. км, определив толщину льда в 10 тыс. точек. На основании всех этих измерений и была впервые создана карта под­
ледного рельефа Антарктиды (см. цветную вклейку). Оказывается, под ледниковым покровом скрыт чрезвычайно сложный рельеф: и мощные горные хребты высотой более 3 тыс. м над уровнем моря, и обширные равнины, толщина льда над которыми дости­
гает 3—4 тыс. м. Хребты, по праву первооткрывателей, со­
ветские ученые назвали именами русских академиков Гамбурцева, Вернадского и Го­
лицына. Равнины получили названия Запад­
ной, Восточной и Шмидта. Стало ясно, что Антарктида в прошлом, до оледенения, была крупным материком с горами и долинами, реками, озерами и внутренними морями. Лед (по разным дан­
ным, ледниковый покров возник от 30 до 1 млн. лет назад) скрыл почти весь конти­
нент, за исключением высоких гор на краю. Двадцать пять миллионов кубических километров — вот объем льда, который сего­
дня покрывает Антарктиду. Если его расто­
пить, уровень Мирового океана поднимется примерно на 60 м. А если лед Антарктиды равномерно распределить по остальным материкам, он покроет их слоем в 170 ж. Исследования показали, что под огром­
ной тяжестью льда земная кора в Антарк­
тиде опустилась в среднем на 500 м, а под-
коровое вещество выдавилось по краям мате­
рика, возможно вызвав поднятие дна океана или окраинных гор. Если до исследований Антарктиды существование материка стави­
ли под сомнение, то теперь он даже измерен. Маршруты ceftc м о гр авим етр! i ческ и х исследований. Схема сейсмозондирования. Сейсми­
ческий взрыв возбуждает колеба­
ния, которые достигают коренного ложа л, отражаясь от него, возвра­
щаются на поверхность ледникового покрова. Эти колебания восприни­
маются л Б виде электрических им­
пульсов передаются на регистрирую­
щий осциллограф. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 60 Это важно для понимания движения земной коры северных материков, которые в про­
шлом также подвергались мощному оледене­
нию. Не менее важны исследования так назы­
ваемого бюджета ледникового покрова. Сколько в Антарктиде выпадает снега и тает льда? Если больше выпадает снега, чем тает льда, то Антарктида растет, а если наоборот, то ледник сокращается, и тогда возможен подъем уроЕня океана. Ведь достаточно океану подняться всего на несколько десят­
ков сантиметров, чтобы причинить людям большие неприятности: защищая берег от наступления моря, придется наращивать дамбы и причалы. Гляциологические изме­
рения показали, что бюджет более или менее равновесен. Специальные наблюдения велись в Ан­
тарктиде над температурой ледника. Пробу­
ренные скважины позволили разместить термометры на глубине до 350 м. Результа­
ты были необычны. Как правило, темпера­
тура льда или земли с глубиной повышается, а в скважине около Мирного вначале все происходило наоборот, и только на глубине более 100 м температура стала повышаться. Что это за волна холода? Расчеты говорят, что причин может быть две: одна связана с тем, что лед движется из центра, холодных районов, и не успевает приобретать температуру воздуха более теплых, краевых частей покрова, а посколь­
ку прогрев идет сверху, то в толще ледника с глубиной температура падает. Другая воз­
можная причина заключается в том, что несколько сот или тысяч лет назад климат был холоднее, и на глубине более 100 м со­
хранилась температура тех времен. Зная температуру на различной глубине, мы можем узнать многое о климате. Б тече­
ние года температура меняется: летом теплее, зимой холоднее, даже в течение одного дня она непостоянна. На глубине 15—20 м в плот­
ном снегу эти колебания затухают, и здесь сохраняется постоянная среднегодовая тем­
пература. Измерения льда на этой глубине показывают, например, что среднегодовая температура на станции Восток минус 56°; это совпадает с наблюдениями метеорологов. Станция Восток сейчас считается полюсом холода — здесь зарегистрирована (август 1958 г.) самая низкая на Земле тем-
МИРАЖИ Б АНТАРКТИДЕ Многие думают, что миражи ха­
рактерны только для пустынь. Идет караван, и уставшим, жаждущим питья и прохлады людям видятся в мареве гладь озера, раскидистые пальмы. Но мы столкнулись с ми­
ражами и в Антарктиде, в ее цен­
тральных районах. Во время одного из походов (станция Восток — Полюс Недо­
ступности — станция Молодежная), когда геодезист вел съемку местно­
сти на высоте 4 тыс. JK над уровнем моря, он увидел в объективе теодо­
лита, как тягач разделился на два: один стоял на земле, другой висел над ним кверху гусеницами, затем над ними ПОЯВИЛИСЬ еще два тягача. В этот же день состоя­
ние атмосферы позволяло с одного тягача видеть другой, расположен­
ный на расстоянии 40 км, т. е. за линией горизонта. ...А еще день спустя при темпе­
ратуре воздуха ниже 50° мороза участники экспедиции любовались озером. Казалось, что по его ров­
ной глади от порыва ветра даже пробегает рябь. (Меньше всего в этот момент людей, видевших мираж, мучила жажда, поэтому их нельзя было обвинить в стремлении при­
нять желаемое за действительное.) Миражи в Антарктиде объясня­
ются теми же причинами, что и в пустыне, а именно: разделением воздуха на слои под влиянием тем­
ператур. В этой холодной стране оптиче­
ские эффекты не редкость; в при­
брежных районах часто приходится наблюдать, как плоские айсберги на горизонте вытягиваются в стол­
бы и колонны. А бывает, что солн­
це или луна появляются в окруже­
нии колец или ложных светил. Это явление — оно называется гало — связано с тем, что в воздухе парят многочисленные кристаллики льда. АНТАРКТИДА В НАШИ ДНИ 61 пература — 88,3Г'. Но исследования гляцио­
логов показали, что самая низкая темпера­
тура на Земле должна была быть в точке с координатами 82°2' южной широты, 69е 44' восточной долготы на высоте 4000 м над уровнем моря. В пробуренной здесь скважи­
не среднегодовая температура - 60°, и когда Е ст. «Живые недра Земли». Земля в разрезе. Чтобы изобразить на одном рисунке, как устроены верхние слои Земли к как меняются с глубиной плотность ее вещества, сила тяжести, температура и давле­
ние, художнику пришлось исказить масштабы. На самом деле ядро и нижняя мантия Земли протягива­
ются по радиусу на 85% его длины, занимают 67% объема всей планеты и составляют 77% всей ее массы. Это наиболее однородные части Земли: здесь свойства вещества зависят только от глубины. Начи­
ная с 800—1000 км и далее к по­
верхности. в верхней мантии, на одной н той же глубине в разных частях Земли, под океанами и под континентами, появляются разли­
чия в плотности и температуре вещества. Очень медленные процессы в верх­
ней мантии приводят к резким различиям в строении. В наиболее активных зонах местами возникают очаги расплавленной магмы, кото­
рая мало-помалу пробивает себе путь наверх. По соседству, в зонах наибольших напряжений, возника­
ют очаги глубоких землетрясений. Еще заметнее неоднородности в са­
мом верхнем слое твердой Земли — земной коре. На континентах кора толстая, под океанами — тонкая. Землетрясения с очагами в земной коре происходят и на континен­
тах — в активных горных районах, и в океанах — там, где их средин­
ные части прорезают океанические хребты. По оси таких хребтов рас­
положены продольные рнфтовые долины — результат растягивающе­
го действия тектонических сил. В спокойной переходной зоне от океана к континенту (справа) вулка­
не Е нет, землетрясения очень редки. А в активных переходных зонах (слева) сосредоточены наиболее бур­
ные процессы, преобразующие по­
верхность кашей планеты. Здесь выделяется около 90% всей сейс­
мической энергии Земли. на станции Восток была зарегистрирована самая низкая температура, то в этом месте температура воздуха достигала 95—100° мороза. Хотя полюс холода определяют по метео­
рологическим данным, справедливее было бы считать им указанную точку, открытую гляциологами. Интересна гипотеза о донном таянии. В центральной части Антарктиды, где тол­
щина льда достигает 3500—4000 м, снизу ледник тает за счет тепла, идущего из земной коры. С края, где ледник тоньше, таяния не происходит — холод, проникая в ложе лед­
ника, примораживает его к породе. Гипотеза предполагает, что образующаяся вода или скапливается в виде подледных озер-линз, или, возможно, выдавливается к краю по долинам, таким, как, например, Долина МГГ. Эти предположения — результат сложных расчетов температурных показаний в неглу­
боких скважинах. А недавно стало известно, что американцы в районе станции Берд про­
бурили ледник на глубину 1700 м и обнару­
жили воду, хлынувшую вверх по скважине. Теперь можно будет проверить правильность гипотезы о донном таянии. Предполагалось, что открытые в Антарк­
тиде оазисы — свободные ото льда участки суши — своим происхождением также обя­
заны потокам тепла из земной коры. Однако оазисы по интенсивности тепловых пото­
ков ничем не отличаются от других районов. Летом в Антарктиде на единицу площади по­
ступает столько тепла, сколько в тропиках, потому что солнце светит почти полные сут­
ки, облачности нет, воздух прозрачен, и, хотя солнечные лучи здесь падают под меньпшм углом, чем в тропиках, они все же сильно нагревают темные скалы. Белоснежный лед­
ник отражает до 90% солнечного света. До­
статочно на снегу появиться темному пятну, камню, как сразу вокруг него и под ним на­
чинается таяние. Поэтому хотя в оазисах зимой выпадает много снега, летом он быстро стаивает, образуя озера. Кроме ледникового покрова, в Антаркти­
де существуют огромные шельфовые лед­
ники, которые находятся на плаву. Они возникают из морского льда или всплываю­
щего края материкового ледника. Выпадаю­
щий снег увеличивает толщину этих ледни­
ков сверху. Снизу они подтаивают, размывае-
МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 62 Схема бюджета массы льда Ан­
тарктиды. Осадки, выпадающие на поверхность, превращаются в лед, мые морской водой. Но иногда в шельфовых ледниках наблюдается обратное явление — они тают сверху, а снизу намерзают. В одном таком леднике, около американской станции Мак-Мердо, на поверхности вытаивают рыбы и водоросли, которые вмерзли в ледник снизу несколько сотен лет назад. За десять лет геологи обследовали н на­
несли на карту строение почти всех выходя­
щих на поверхность вершин. Хотя это всего несколько процентов площади Антарктиды, тем не менее им удалось восстановить ее гео­
логическую историю. Восточная часть Ан­
тарктиды — платформа. Она возникла в про-
которыи медленно растекается от центра к краям. У краев лед тает с поверхности и здесь же откалы­
ваются айсберги, уплывающие к еж-
веру. Под влиянием потока тепла из недр земли происходит дойное тая­
ние. Образующаяся вода выжимает­
ся к краям пли скапливается в ви­
де линз в толще ледника. терозонскую эру, как часть древнего мате; ка Гондваны. В палеозое в Западной Антар: тнде были сильные горнообразовательные процессы, несколько раз она опускалась ниже уровня моря. Есть признаки, что в мезозой-
Так образуются шельфовые ледннкл-
АНТАРКТИДА В НАШИ ДНИ скую эпоху в Антарктиде было оледенение, которое впоследствии исчезло. Когда-то мате­
рик покрывала теплолюбивая тропическая растительность, позже превратившаяся в уголь. Безусловно, Антарктида очень богата полезными ископаемыми, и даже в тон не­
большой части континента, что исследовали геологи, они обнаружили месторождения руд железа и полиметаллов, слюды и угля, флюорита и горного хрусталя. Ученые считают, что в Антарктиде должны быть и алмазы. До сих пор остается загадкой полная асейсмичность Антарктиды. За все эти годы ни одна сейсмическая станция на террито-
piui Антарктиды не зарегистрировала ни одного дал^е слабого землетрясения. Это уди­
вительно потому, что Западная Антарктида входит в тихоокеанское кольцо сейсмически активной зоны. Антарктические Анды, в от­
личие от Южноамериканских Анд, продол­
жением которых они являются, не ощущают ни одного толчка. Не испытывает колебаний даже прибрежная, шельфовая часть матери­
ка, покрытая водой. Но в Антарктиде есть действующие вулканы, следы поднятия и опускания земной коры в наше время. Эта загадка интересует ученых, потому что ответ на нее, возможно, объяснит меха­
низм и причины землетрясений и, может быть, даже откроет пути борьбы с ними. Б Антарктиде работают пять советских станций: Мирный. Молодежная, Новолазарев­
ская, Восток и Беллинсгаузен (в районе Ан­
тарктического полуострова). Основная база экспедиции переместится на станцию Моло­
дежная, ближе к малоисследованным райо­
нам Земли Королевы Мод и в более благо­
приятные условия оазиса. Здесь строят дома на высоких столбах, чтобы ветер в пургу проносил снег под домами. (В Мирном этот способ еще не применялся, и сейчас все строения погребены под многометровым слоем снега.) Полеты из Москвы в Антарктиду на тя­
желых самолетах ИЛ-18 стали обычными — ученые могут теперь работать там в летний сезон, не оставаясь на долгую зимовку. Американская экспедиция по-прежнему имеет постоянные станции Мак-Мердо, Берд, Амундсен-Скотт. Станция Эйтс (у основа­
ния Антарктического полуострова) и стан­
ция в Восточной Антарктиде на ледяном БЕЛАЯ МГЛА Когда над Антарктидой повиса­
ет плотная облачность, свет рассеи­
вается в ней и не создает теней на поверхности. Снег и облака неотде­
лимы. Идет человек по снегу, слов­
но парит в воздухе; ступает в сто­
рону, спотыкаясь о невидимые гребни застругов. Это явление на­
зывают белой мглой. Особенно труд­
но в таких условиях вести тягач. Колея — след машины — видна только совсем рядом. В одном из походов водитель, двигаясь по следу идущей впереди машины, потерял ее из виду. Пока он маневрировал в поисках, прошло несколько минут... Но что это? На­
встречу, прямо в лоб ему движется тягач. Оказывается, незаметно для себя водитель развернулся на 180" и пошел по собственному следу в обратном направлении, навстречу идущему за ним тягачу. В период белой мглы развивает­
ся так называемая снежная слепо­
та. Хотя снег в белую мглу не так ярок, как в солнечный день, нужно носить темные очки — это единст­
венное средство защиты. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 64 Станция Молодежная. Строится новый дом для полярников. плато (между полюсом Недоступности и Молодежной) организованы временно, на один-два года. Советская и американская экспедиции регулярно обмениваются учеными. Между всеми экспедициями в Антарктиде установи­
лись хорошие деловые отношения. Взаимная помощь в трудных условиях — закон, кото­
рый помогает людям побеждать природу этого сурового континента. АРКТИКА С давних времен стремилось человечество раскрыть и изучить тайны огромной ц суро­
вой области земного шара — Арктики. На лыжах и собаках, на парусных судах и па­
роходах пробивались отважные люди в вы­
сокие широты. Дежнев и Челюскин, братья Лаптевы и Беринг, Литке, Макаров, Русанов, Седов...— имена славных русских исследователей. Это они открыли и нанесли на карты по­
бережье и многие острова Северного Ледо­
витого океана, это они настойчиво пытались пройти сквозным морским путем вдоль северного побережья Евразии. Многие отдали жизнь Арктике. Даже в начале XX столетия мы мало что знали о Крайнем Севере и плохо представ­
ляли себе его ресурсы. Но вот в Арктику пришли советские люди, и для нее началась новая эра. Сравните две карты Арктики. Еще в 1917 г. часть северного побережья Азии наносилась на картах пунктиром (прибли­
женно), были неясны очертания островов Северной Земли. Глубины Северного Ледови­
того океана не имели почти никаких про­
меров, а рельеф морского дна рисовался вообще произвольно. Крохотные населенные пункты терялись в бескрайних просто­
рах тундры и лесотундры. Дорог почти не было. Совсем другую картину мы видим теперь. На картах уже нет белых пятен, точно опре­
делена береговая линия, известны все остро­
ва. Открыты крупные подводные хребты — Ломоносова и Менделеева, Чукотское подня­
тие, котловины — Северный полюс (СП), Нан­
сена, Канадская, Макарова. Ученые иссле­
дуют ледовые условия северных морей и прогнозируют их для летней морской нави­
гации. В материковой части Севера открыты и изучены десятки месторождений полезных ископаемых — золото и алмазы, железо и медь, никель и кобальт, олово и апатиты, уголь и природный газ, алюминиевое сырье и др. В Арктике построены и строятся десятки новых городов и рабочих поселков, рудники и электростанции, дороги и газопроводы, мор­
ские порты и аэродромы. Есть и свои север­
ные санатории, дома отдыха. В тундре на вечной мерзлоте возведен крупный современный заполярный город Норильск с населением более 120 тыс. че­
ловек. Огромный металлургический комби­
нат — сердце города, а рядом с ним рудники, дающие уголь, медную и никелевую руды. В 20 км от Норильска открыто богатейшее Талнахское месторождение целого комплек­
са полезных ископаемых. И здесь уже строит­
ся новый город-спутник Норильска Талнах. Развивается старый населенный пункт Дудинка — ворота Норильска, город-порт, город-склад, центр огромного Долгано-Не­
нецкого (Таймырского) национального окру­
га. Дудинка связана с Норильском железной дорогой. На реке Хантайке строится самая АРКТИКА 5 Познание продолжается МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ . северная в мире ГЭС, а рядом уже возник новый город Снежногорск. Хантайская ГЭС даст энергию Норильску, Дудинке, Игарке. Построенный в годы первых пятилеток круп­
ный порт Игарка славится лесной промыш­
ленностью. Диксон и Тикси — важнейшие арктические транспортные узлы. Билиби-
но — центр нового золотоносного района. Здесь строится атомная электростанция. Певек — город-порт; Нарьян-Мар — морские ворота обширного Печорского края, центр Ненецкого национального округа. Мурманск — крупнейший заполярный город мира с населением более 220 тыс. че­
ловек. Город-порт, город рыбаков и отважных мореплавателей. Многие отдаленные уголки Севера связа­
ны теперь с Центром и между собой авиали­
ниями, по которым круглый год перевозят пассажиров, грузы, почту. Наиболее богатое рыбой Баренцево море не только эксплуатируется, но и обогащает­
ся : не так давно у берегов Кольского полуострова выпущены и успешно прижи­
лись мальки ценной рыбы кеты, перевезен­
ные сюда самолетами с Дальнего Востока. Коренное население Севера — ненцы, ханты, манси, долганы, селькупы, чукчи, коряки и др., объединившись в колхозы, успешно развивают оленеводство и охоту. Кое-где уже созданы звероводческие совхо­
зы и фермы. В Арктике ведется большая научно-ис­
следовательская работа, которая началась еще при жизни и по указанию В. И. Ленина. Кроме прибрежных и внутрнматернковых метеорологических станций, работает много дрейфующих автоматических радиометео­
станций, регулярно передающих сведения о погоде. Очень ответственную, трудную, по­
рой крайне опасную работу проводят уче­
ные на дрейфующих полярных станциях (СП) в центре Арктики. Наши достижения в Арктике — это ре­
зультат многолетнего, упорного, героического труда десятков тысяч людей, вносивших по крупинкам свой вклад в освоение этого суро­
вого края. Мы не должны забывать заслуг Ушакова и Урванцева, Шмидта и Самойло-
вича, Чухновского и Бабушкина, Черевич-
ного и Козлова, Папанина и Кренкеля, Треш-
ннкова, Толстпкова и других советских иссле­
дователей наших полярных владений. В сложных природных условиях, при жестоких морозах и сильных ветрах, в дол­
гую суровую полярную ночь советские люди ведут большую научную работу: наблюдают за погодой, изучают глубины, течения и со­
леность вод Северного Ледовитого океана, фауну и флору, ежегодно пополняют список месторождений полезных ископаемых. Огромные природные богатства Крайне­
го Севера уже поставлены на службу нашему социалистическому обществу. ДНО МИРОВОГО ОКЕАНА Когда мы говорим «земля», то под этим словом подразумеваем обычно сушу, а не безбрежные воды океанов, хотя они зани­
мают 71% поверхности нашей планеты. В древности люди представляли себе Землю как большой остров среди бесконечного, без­
брежного океана, поддерживаемый тремя китами. Давно уже известно, что Земля — шаро­
образное космическое тело, которое обра­
щается вокруг Солнца по эллиптической орбите и вращается вокруг своей оси; океаны — гигантские водные бассейны, за­
полняющие огромные впадины Земли, а суша — материки (крупнейшие поднятия земной поверхности), как бы острова среди океанов. Земная суша нам хорошо известна. Белых пятен на карте уже почти нет, оста­
лись лишь малоисследованные области: Антарктида, Гренландия, ледяные просторы Арктики, песчаные пустыни Африки и Азии, дремучие, непроходимые леса Южной Америки. А вот подводные пространства Земли, скрытые поверхностью океана, хра­
нят в себе еще много тайн. Геологическое строение дна океанов очень сложно и во многом отличается от материковой суши. Если не знать геологи­
ческого строения дна Мирового океана, нельзя представить себе и строение Земли в целом, нельзя понять законы ее геологиче­
ского развития. А нужно ли это людям? Издавна людей интересовало, как устрое­
но дно океана. Прежде всего мореплавате­
лям нужно было знать, что ждет корабль СХЕМА РЕЛЬЕФА ДНА МИРОВОГО ОКЕАНА Ц н ф Х р е б т ы Д-А Африкански—Антарктический _Ц-М Центрально-Индийский НИ Книповича А Менделеева Б Ломоносова В Мальдивский г Восточно-Индийский Д Западно—Австралийский Е Северо-Западный Подводные г о р ы I Кеп ьвн н («со .ч 2 ВаниПонй 743л S Дисковери i l l » * Метеор 560 л '5 Бардина 1$27м € Афанасия Никитина 1ЯЭ л 7 Щербакова чЗВм 8 Обь.»?л 9 Лена г н л Ю Папаиина шас,м U Богорова игвл р а м и и б 12 Сысоева З&Вм 13 Шулейкнна 3850л И Исакова 1МЗн 15 Мака рока 1342 м 16 Милуокн л л 17 Гильберт (435л IB Сириус 19 Скрнппс 20 Зубова ийч л 21 Витязя М( я 22 Миклуло— Маклая 23 Титова ювз* 24 Гагарина usao.i 25 Жермен 26 Хелен К о т л о в и н ы 1 Канадская П Амундсена 10 Нансена IV Западно-Европейская V Северо-Амернканская VI Канарская у к VII VII! IX X XI XII X11I XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX XXI XXII XXIII XXIV XXV XXVI XXVII ши в а м и о б Бразильская Ангольская Аргентинская Капская Южно-Антильская о з Аф ри канс ко-Анта рктнческа я Агупьяс Аравийская Сомалийская Центральная К розе За п а дко~ А вст р ал и йская Южно—Австрал н иска я Австрало—Антарктическая Северо-3 а падна и Северо- Восточ н ая Центральная Тасманова Южная Перуанская Чилийская Беллинсгаузена Примечания 1. 1527 х -
2.8385 м -
3,гл,Внмэ-
н а а ч в и М Же л о б а Пуэрто—Рнко (8385 м. гл. Вина) б Ромаиш (7756 м) в г а е ж 3 и к Л и к 0 п р с т У Южно-Сандвнчен (8426 м. гл. Вина) Гепленскнй (S12I и гл. Ак. С. Вавилов) Амирантский (5349 м) Чагос (540S к, гл. Внтязя) Зондский (Яванский) (7450м) Восточно—ИндНЙСКНЙ{6335 м. гл. Альбатрос) Обн (5655 м. гл. Битная) Днамаитина (6857 м) Алеутский (7822 м. гл. Чепан) Курнпо-Камчатскнй (9717 м. гл. Витязя) Японский (6412 м) МариакскнЯ (11022 м. гл. Витязя) Заг:адис-Мег:ане31;нский(й840м п:. Витязя) Восточно—Меланезнйскнй{6150м гл.Витязя! Тоига (10682 м. гл. Витязв) Кермалек (10047 м . гл. Витязя) Центрально—Американский (6662м) ф Перуанский (6601м гя.Гориэоит) X ЧИЛИЙСКИЙ (6050н . гл. Спенсер Ф.Берд) • Наименьшая нанесенная глубина над вершиной горы Наибольшая глубина желоба • Глубина, 1 «меренная судном .Вима* 5* МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 68 в открытом море — огромные глубины или опасные скалистые мели. Такой вопрос зада­
вал себе каждый, кто отправлялся в плава­
ние. Правда, еще две-три сотни лет назад моряки и географы считали, что в открытом океане глубины так велики, что нечего и пытаться измерять их. Иное дело вблизи берегов: там моряков подстерегают много­
численные мели и рифы, там, чтобы не раз­
бить корабль, нужно зорко следить за глу­
биной. По мере развития техники мореплавания интерес к глубинам океана возрастал. Моря­
ки научились измерять океанские глубины и по характеру их изменения даже стали грубо определять местонахождение корабля. Так, если глубины начинали резко умень­
шаться, капитаны судов догадывались, что близко берег. Появление подводных лодок усилило интерес к строению морского дна на значительно больших глубинах. Строе­
нием дна стали интересоваться и рыбаки: обычно треска, палтус, камбала и другая промысловая рыба собирается стадами у краев отмели, вершин возвышенностей и не­
которых частей склонов; там ее ловят тра­
лами. Вместе с тем рыбакам важно знать и характер грунта, чтобы не задеть за скалы — так можно порвать, а то и совсем оборвать трал или забить траловую сеть илом. Но даже если рыбаки ловят и не донную рыбу, а пла­
вающую вблизи поверхности или в толще воды — сельдь, сайру, тунца, то им также небезынтересно строение дна океана: рыбы часто держатся над байками (отмелями) и вершинами подводных гор. Это связано с тем, что восходящие движения глубинных вод океана над склонами таких форм релье­
фа выносят наверх соли, способствующие развитию планктона, которым питаются рыбы. Интерес моряков и рыбаков к глубинам океана можно считать традиционным. А вот геологи, еще совсем недавно равнодушные к морскому дну, теперь нашли там свой ин­
терес — полезные ископаемые: россыпи руд марганца, меди и фосфоритов в Тихом океа­
не — все это обнаружено в таких количе­
ствах, которые не идут в сравнение с мине­
ральными богатствами суши многих стран. И еще одна причина заставляет геологов ин­
тересоваться дном океанов. Минеральные богатства суши с каждым днем убывают — мы расходуем их весьма интенсивно. Поиски полезных ископаемых в глубинах материко­
вой суши будут намного легче, если знать за­
коны геологического развития земной коры. Огромные пространства суши в прошлом были заняты морями и океанами, а они раз­
вивались по тем же законам, которые управляют развитием дна современных мо­
рей и океанов. Изучая дно, мы найдем ключ к пониманию геологического прошлого ма­
териков, их глубинного строения и, следова­
тельно, ключ к подземным кладовым полез­
ных ископаемых. Вот и выходит, что географию и геоло­
гию подводного мира важно знать, чтобы лучше использовать на благо человека при­
родные богатства Мирового океана и Земли в целом. Поэтому воды океанов теперь бороз­
дят не только грузовые и пассажирские, ры­
боловные и военные корабли, но десятки и даже сотни исследовательских судов, изме­
ряющих глубины и изучающих геологическое строение дна океана. Геологические исследования дна морей и океанов начались сравнительно недавно. В конце прошлого и в начале нашего столе­
тия они ограничивались измерениями глу­
бин и сбором проб донных грунтов. Делали это весьма примитивно: с корабля на дно моря опускался груз на веревке или тросе, и по его длине определялась глубина, а при­
липшая к грузу или захваченная прикреп­
ленными к нему ковшами или трубкой проба позволяла судить о характере донного грун­
та. Уже в 20-х годах нашего столетия, а осо­
бенно после второй мировой войны, в практи­
ку морских геологических работ начали внедряться геофизические методы исследо­
ваний. Глубины океана и рельеф его дна ста­
ли изучать с помощью эхолотов, основанных на принципе измерения времени, затрачен­
ного на прохождение звукового сигнала с ко­
рабля до дна и обратно. Особенно мощные сигналы позволяют изучать даже внутреннее строение толщи покрывающих дно рыхлых осадков. Звук отражается частично поверхно­
стью дна, частично — плотными породами земной коры, лежащими под рыхлыми поро­
дами. Мощные звуковые сигналы, возбуж­
денные взрывами, позволяют зондировать и более глубокие слои земной коры — твердые магматические породы, и даже подстилаю­
щие кору породы — верхнюю мантию Земли. ДНО МИРОВОГО ОКЕАНА 69 С помощью магнитометров, буксируемых за кораблями, измеряют напряженность маг­
нитного поля Земли и выявляют аномалии, которые вызываются неоднородностями структуры земной коры. Эти неоднородности изучают с помощью судовых гравиметров, измеряющих величину силы тяжести, кото­
рая зависит от плотности пород земной коры. Такие измерения не требуют остановки судов, они делаются обычно по пути, что позволяет изучать большие пространства за сравни­
тельно короткие сроки. Однако геофизические методы дают возможность получать лишь физическую характеристику горных пород и рыхлых осадков дна океана, а не их пробы. Эти методы не позволяют наблюдать и про­
цессы, изменяющие дно океана. Б прибреж­
ной зоне, на небольших глубинах, такие на­
блюдения можно делать с помощью водолаз­
ных аппаратов, особенно удобен акваланг. А как быть на глубинах более 300 л? Водо­
лазы ведь еще пока туда не спускаются. Правда, уже появились батисферы и батиска­
фы, с помощью которых человек смог опус­
титься даже на самые большие глубины океана — на дно Марианского желоба, но каждый такой спуск — сложная и опасная операция, да и стоит она очень дорого. К тому же батискафы маломаневренны. На смену им приходят исследовательские подводные лодки, которые позволяют людям выполнять широкий круг наблюдений на глубинах до 2—3 км. И все же для повседневных геологических исследований больших океанских глубин наиболее широко применяются сейчас авто­
матические приборы. Это как бы механиче­
ские и электронные глаза и руки человека в темных пучинах океана. Микрорельеф дна и осадки или выходы коренных пород успешно изучают с помо­
щью подводных фотокамер и телевизоров. Грунтовые трубки и дночерпатели, вонзаясь в толщу донных осадков на 10—20 тг дохо­
дят до древних слоев, отложенных за десят­
ки и сотни тысяч лет да наших дней, прино­
сят их пробы, а тралы и драги соскребают с поверхности дна обломки твердых пород. Еще глубже проникают в толщу дна буровые скважины. Уже удалось получить образцы слоев, залегающих на 200 м ниже поверхно­
сти дна океана. Число скважин, пробуренных в океане, пока еще невелико, но с каждым годом оно будет расти, потому что это самый верный путь к изучению недр океанского дна. Исследованиями геологического строения дна океанов занимаются многие советские и зарубежные ученые и особенно Институт океанологии Академии наук СССР и Научно-
исследовательский институт морской геоло­
гии Министерства геологии и охраны недр СССР. Пользуются известностью работы экс­
педиций на судах «Витязь», «Михаил Ломо­
носов», «Обь», «Академик Курчатов», «Кни-
пович», «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев». Эти корабли бывают во всех частях Мирово­
го океана. Однако Мировой океан так велик (вы, конечно, помните, что это 2/з нашей пла­
неты!), что ни одной стране не под силу в одиночку изучить его целиком. Поэтому большое значение имеют международные исследования океана, организованные по согласованным программам. Такие исследо­
вания, например, проводились в период по­
следнего Международного геофизического года (1957—1959), во время Международной Индоокеанской экспедиции (1960—1965) и ведутся теперь по программе Международ­
ного проекта исследований верхней мантии Земли (1963—1970). В последние годы известность получили зарубежные экспедиции на исследователь­
ских судах «Альбатрос» (Швеция), «Гала-
тея» (Дания), «Челленджер» и «Дисковери» (Англия), «Вима», «Атлантис» и «Арго» (США), «Риофу мару» (Япония). Современная океанология уже располага­
ет хорошими картами рельефа дна морей и океанов, а также картами, отражающими ха­
рактер донных осадков и глубинное строение земной коры. Наиболее подробные карты составлены по материалам Международ­
ного геофизического года советскими учены­
ми. Эти карты океанов получили широкое признание во всех странах. Представим себе, что воды океанов вдруг исчезли и нашему взору открылось дно океа­
на. Мы увидели бы там странный и необы­
чайный мир, во многом не похожий на все то, что окружает нас на суше. Острова-материки высоко поднимаются над ложем океанов. Характерные для боль­
шинства материков равнины полого спус­
каются за береговую линию морей и океанов и протягиваются там еще на несколько десят­
ков, а во многих местах (например, в Аркти-
МНР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 70 ке) — на несколько сотен километров в виде так называемой ма т е р и к о в о й от ме ли, Ученые полагают, что равнины эти имеют то же самое происхождение, что и равнины ма­
териковой суши. Они образовались при вы­
равнивании сложного рельефа суши реками, а также за счет выветривания, но потом ока­
зались затопленными водами океана. Мате­
риковые ледники — эти огромные запасники воды — сильно подтаяли, и воды океана «вы­
шли из берегов», затопив прибрежные равни­
ны древней суши. Следы былого рельефа суши еще и сейчас можно видеть на матери­
ковой отмели в виде характерных холмов ледникового происхождения, остатков реч­
ных долин, древних береговых обрывов. На глубине от 80 до 250 м {в разных мес­
тах Земли эти глубины различны) материко­
вая отмель резко обрывается и сменяется круто падающим вниз ма т е р и к о в ым с к л о н о м. Высота материковых склонов достигает 4—5 км, они очень круты и по наклону мало чем отличаются от высоких горных хребтов суши. Местами они переходят в почти отвес­
ные уступы. Поверхность склона весьма сложная: она раздроблена на ряд ступеней и уступов, расчленена множеством подводных каньонов. На материковых склонах доволь­
но часто встречаются продолжения горных хребтов и долин суши. Наряду с этим можно отметить и замкнутые котловины, которые от открытого океана отделяются подводными или выступающими над водой горными хреб­
тами. Вершины таких хребтов часто образу­
ют гирлянды островов — о с т р о в ные ду-
г и, очень характерные для Тихого океана. Ширина материковых склонов из-за кру­
того падения их поверхности обычно невели­
ка — около 50—100 км, однако, когда склон раздроблен на ряд ступеней, котловин и ост­
ровные дуги, он образует широкую (до 1000 км) переходную зону. У подножия ма­
териковых склонов во многих местах тянут­
ся глубокие и узкие о к е а н и ч е с к и е же­
лоба. В них-то и находятся величайшие глу­
бины океана — свыше 10 км. В самых уда­
ленных от берега центральных частях океана глубины обычно не превышают 6,5 км. В области материковых склонов отмеча­
ются землетрясения. Это значит, что края материков в этих районах поднимаются или Профиль океанического дна (услов­
но; вертикальный масштаб преуве­
личен). опускаются, трескаются, выгибаются. Осо­
бенно много землетрясений связано с остров­
ными дугами и глубоководными желобами, в которых располагается множество вулканов. По побережью Тихого океана вулканы обра­
зуют знаменитое тихоокеанское «огненное кольцо». В этом районе часты разрушитель­
ные землетрясения. Берега Тихого океана таят в себе много опасностей для населения, и ученые прилагают большие усилия, чтобы научиться предсказывать эти грозные явле­
ния природы. Толчки океанского дна вызы­
вают гигантские волны — цу на ми, обруши­
вающиеся на берега и уничтожающие города и селения. Сейчас уже создается система предупреждения населения береговых райо­
нов о приближении цунами. От подножия материковых склонов и за глубокими рвами океанических желобов на­
чинаются просторы океанского ложа. Оно имеет сложно устроенную поверхность, ме­
стами холмистую, местами более или менее выровненную и даже идеально плоскую, ме­
стами разделенную возвышенностями на ряд отдельных котловин. На ложе океана множество подводных вулканических гор, да и бесчисленные холмы, видимо, также вул­
канического происхождения. Во многих ме­
стах равнины океанского ложа прорезаются узкими трещинами — тектоническими жело­
бами-разломами. Вблизи подножия матери­
ковых склонов поверхность ложа океана из-за толщи накапливающихся там осадков часто бывает приподнята, так что она посте­
пенно сливается с нижней частью склона. Если у подножия материкового склона лежит глубоководный желоб, то вдоль него по краю ложа океана тянется, как правило, широкий к р а е в о й вал. Из числа поднятий, разделяющих ложе океана на отдельные котловины, наиболее значительны с р е д и н н о-о к е а н и ч е с к и е х ре бт ы. Впервые их обнаружили в Атлан­
тическом и Индийском океанах, а затем ока­
залось, что они соединяются в одну общую ДНО МИРОВОГО ОКЕАНА 71 Характерные профили дна океанов. I. Атлантический океан. 1 — Нор­
фолк (Северная Америка); 2 — Се­
вером Американская котловина; 3 — Бермудские острова; 4 — Срединно-
Атлантическнй хребет; 5— Канар­
ская котловина; 6—Вилья-Сисне-
рос (Африка). II. Индийский океан, 1 — Сейшель­
ские острова; 2— Сомалийская кот­
ловина ; 3 — Аравийско-Индийекий хребет; 4— Аравийская котловина; 5 — Бомбей. Ш. Тихий океан. 1 — Сангарский пролив (Японская островная дуга); 2 — Японский глубоководный океа­
нический желоб; 3 — Японский краевой вал; 4 — Северо-Западная котловина; 5 — подводная гора Ма­
карова ^горизонтальный масштаб мельче вертикального в 50 раз). Обратите внимание на положение средннно-океанического хребта в Ат­
лантическом и Индийском океанах. Здесь у подножия материковых склонов нет глубоководных океани­
ческих желобов, как в Тихом океа­
не (край ложа океана вдоль жело­
бов приподнят, и образуется краевой вал). планетарную систему и протягиваются из Се­
верного Ледовитого океана через Атлантиче­
ский и Индийский в Тихий. Эта горная система, опоясывающая весь земной шар, достигает в длину 60 тыс. км, Ничего подобного срединно-океаническим хребтам на суше нет — ведь все горные систе­
мы материков, как бы велики они ни были, все же разобщены между собой впадинами океанов. Срединно-океанические хребты — величе­
ственные горные сооружения шириной в не­
сколько сотен километров и высотой около 2—3 км. Они состоят из нескольких парал­
лельных горных гряд. Их склоны опускают­
ся к ложу океана широкими ступенями. В самой высокой центральной части, вдоль гребней, тело хребта прорезают глубокие так называемые р и фт о в ые у ще л ь я. По их названию всю осевую зону срединно-океани-
ческих хребтов называют рифтовой. Рифто­
вые ущелья и рифтовые зоны в геологическом отношении необычайно интересны: здесь исключительно высока сейсмическая актив­
ность, каждый день до 100 землетрясений. Из недр Земли выходит сильный поток теп­
ла, широко развита вулканическая деятель­
ность. В стенках рифтового ущелья и на греб­
нях прилегающих к нему рифтовых гряд обнажаются глубинные породы Земли, под­
нятые к поверхности из недр мантии. Пред­
полагают, что срединно-океанические хребты образовались там, где глубинные породы ман­
тии поднимаются вверх под влиянием радио­
активного разогрева. Они выжимаются на­
верх сквозь трещины земной коры, раздвигая ее в стороны, — отсюда возможно горизон­
тальное смещение окружающих материков и вздымание горных гряд Б рифтовой копе. От­
дельные вершины гряд, поднимаясь над во­
дой, образуют острова (например, остров Св. Елены в Атлантическом океане). На океанском ложе встречаются горные хребты и другого типа: узкие, вытянутые, с крутыми склонами и ровными вер­
шинными плато. Они имеют глыбовую струк­
туру — это поднятые вверх участки земной коры. Они почти не подвержены землетрясе-
МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 72 ниям. К ним относятся: хребет Ломоносо­
ва в Северном Ледовитом океане, хребет Нас-
ка в Тихом, Западно-Австралийский хре­
бет в Индийском океане. Есть еще одна раз­
новидность подводных хребтов — вулкани­
ческие, Они образованы цепочками подвод­
ных вулканов, сидящих на общем цоколе и сомкнувшихся своими склонами. Таков, на­
пример, Гавайский подводный хребет. Он тянется на несколько тысяч километров из центральной части Тихого океана почти до Командорских островов. Вершины южной части Гавайского хребта выступают над во­
дой в виде Гавайских островов. На ложе океана встречаются также так называемые в а л ы — широкие массивные поднятия с сильно пологими склонами. Очень часто на поверхности валов располагаются конусообразные подводные горы. Как прави­
ло, это действующие или потухшие вулканы. Обычно они увенчаны огромными коралло­
выми постройками, выступающими над по­
верхностью океана в виде коралловых остро­
вов — а т о л л о в. Даже если потухший вул­
кан, прогибая своим весом земную кору, будет опускаться, непрерывно растущие ко­
раллы поддержат существование острова. Разве что резкое похолодание вод убьет ко­
раллы или опускание вулкана окажется столь быстрым, что кораллы не «угонятся* за ним. В просторах океанов (особенно в Ти­
хом) разбросано множество атоллов. Это острова Туамоту, Тубуаи, Каролинские, Мар-
шалловы, Эллис, Гилберта, Феникс и множе­
ство одиночных атоллов. Большая часть этих островов вытянута цепочками — значит, их вулканические основания располагаются вдоль подводных валов. Система валов делит ложе Тихого океана на несколько крупных котловин: Северо-Западную, Северо-Восточ­
ную, Марианскую, Центральную, Южную, Беллинсгаузена, Чилийскую, Перуанскую, Панамскую. Есть еще одна замечательная особенность строения океанского ложа — так называе­
мые з о ны р а з л о мо в. Это узкие и необы­
чайно длинные полосы сложно раздроблен­
ного дна: то крутые сбросовые уступы, то гребни и желоба, то просто сложно расчле­
ненный рельеф. Они протягиваются на сотни и тысячи километров. Зоны разлома говорят о том, что когда-то отдельные глыбы или плиты смещались относительно друг друга, в результате в земной коре образовались «швы*. Смещения могли быть как в горизон­
тальном направлении, местами на сотни ки­
лометров, так и в вертикальном — на сотни и даже на тысячи метров. Сейчас считают, что главной причиной образования зон разломов послужило неравномерное раздвижение зем­
ной коры в сторону от рнфтовых зон средии-
но-океанических хребтов. Все крупные формы рельефа подвод­
ного мира, о которых мы говорили, созданы силами внутреннего развития Земли: текто­
ническими движениями и вулканизмом. Их поверхность интенсивно перерабатывается, меняется под воздействием водной толщи океана и происходящих в ней процессов. Морские волны срезают у берегов даже твер­
дые скалы, засыпают песком и илом впади­
ны и долины. Однако основная часть осадков, которая создается при разрушении берегов и выносится в море реками, не удерживается вблизи берега и откладывается за пределами материковой отмели. Особенно большое ко­
личество осадков сбрасывается в виде стре­
мительных мутных потоков (их называют суспензионными) через подводные каньоны материкового склона. На материковом скло­
не осадки тоже большей частью не задержи­
ваются и либо сползают в виде оползней, либо выносятся течениями в открытый оке­
ан. Там они осаждаются, образуя огромные толщи близ подножия материкового склона, а частично выносятся течениями далеко в центральные части океана. За пределами берегов и отмели, там, где волны уже перестают действовать на дно, выравниванию подводного рельефа способст­
вует выпадение различных осадков. Осадки накапливаются здесь очень медленно и не­
равномерно: за тысячу лет от 0,3—0,4 мм до десятков сантиметров. Поэтому-то в одних районах сложный тектонический и вулкани­
ческий рельеф долго сохраняется, а в дру­
гих — быстро выравнивается. Различают четыре основных типа донных осадков: т е р р и г е н н ые — сносимые с су­
ши, б и о г е нны е — образованные остатка­
ми живых организмов, х е мо г е н н ые — выпадающие из растворов химическим п1 тем, и в у л к а н о г е н н ые — результат п вержения вулканов. Скорость накопления различных осадков зависит от расстояния до суши, географической широты, от глубин* i МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 74 океана и характера подводного рельефа, от течений. Например, терригенные осадки, как правило, быстрее накапливаются вблизи бе­
регов, образуя вокруг материков характер­
ный пояс мощных осадочных толщ. Биоген­
ные осадки накапливаются быстро там, где условия благоприятствуют бурному разви­
тию жизни. Например, в антарктических во­
дах хорошо развиваются мелкие диатомовые водоросли с кремнистым панцирем. Отмирая, они образуют диатомовый ил, окружающий Антарктиду. В тропических водах главным образом оседают известковые илы, состоящие из мелких раковинок простейших организ­
мов — фораминифер и птеропод, а также обломков кораллов. Биогенные осадки в от­
крытых частях океанов накапливаются примерно в 10 раз быстрее, чем выносимые туда течениями терригенные осадки. Хемогенные осадки в открытом океане накапливаются очень медленно, но в некото­
рых обособленных частях морей и океанов, где вода быстро испаряется, они могут осаж­
даться быстро. Так, в Каспийском море, в заливе Кара-Богаз-Гол, за сто лет осаждает­
ся несколько сантиметров соли. В открытом океане хемогенные осадки встречаются в ви­
де фосфоритных и железо-марганцевых кон­
креций — шарообразных скоплений. Это цен­
ное сырье для добычи фосфатных удобрений, железа, марганца, меди, молибдена, никеля и кобальта. Ну и, наконец, вулканогенные осадки на­
капливаются, естественно, большей частью вблизи вулканов, но они также разносятся течениями далеко по океану — насыщенное пузырьками газов вулканическое стекло {пемза) обладает хорошей плавучестью. Боль­
шое количество пепла при сильных взрывах вулканов выбрасывается в воздух и разно­
сится ветром на далекие расстояния над океаном. Океанские течения перемещают взвешен­
ную в воде муть на большие расстояния, и по их пути откладываются мощные полосы осадков. Это особенно ярко выражено вдоль таких сильных течений, как Куро-Сио, Гольф­
стрим и Экваториальное. Суспензионные по­
токи, о которых мы уже говорили, движутся по дну океанов и, вынося с мелководий огромное количество взвешенного материала, быстро заполняют им понижения дна, и по­
этому их роль в выравнивании подводного рельефа особенно велика. Благодаря им на дне глубоких океанских котловин часто мож­
но встретить идеально плоские равнины. Осадки, выпадающие из толщи воды, обычно покрывают неровности дна более или менее равномерно, если только глубинные течения и приливные волны, которые тоже проникают на всю глубину океана, не помешают им осесть на вершинах и склонах гор и холмов. В удаленных частях океанов, куда тече­
ния не заносят терригенный материал и где количество живых организмов в воде не столь велико, образуются характерные осадки — к р а с н ые г л у б о к о в о д н ые г л и н ы. В них смешиваются осадки всех типов, и за­
метную роль начинают играть такие компо­
ненты, как космические (метеоритные) же­
лезные шарики, зубы акул, клювы кальмаров и слуховые косточки китов. Красная окраска глин связана с химическим выпадением оки­
слов железа и марганца. Образуются эти гли­
ны крайне медленно. Так, шаг за шагом, проникаем мы в тай­
ны подводного мира. Нам открываются сок­
ровища океанских просторов, и все чаще и чаще обсуждают ученые возможности освое­
ния кладов, лежащих в пучинах океана. Немало проектов рождается в связи с этим. Многие из них уже начинают осуществлять­
ся. Уже идет добыча соли из отложений мор­
ских заливов. Строятся электростанции, ко­
торые будут использовать энергию прилив­
ных волн. Сотни скважин бурят на материко­
вой отмели, и они уже поставляют нефть и газ. Издавна славятся нефтяными богат­
ствами подводные равнины Каспийского моря, Мексиканского залива и прибрежной отмели Калифорнии, по вот совсем недавно найдены нефть и газ на дне Северного моря, и Англия уже получает для промышленных и бытовых нужд природный газ со дна моря. Специалисты подсчитывают экономическую выгоду добычи со дна Тихого океана железо-
марганцевой руды. Интенсивно разрабаты­
ваются рудные пески на пляжах некоторых побережий — в Японии, в Индонезии, в на­
шей стране. Пройдет 10—20 лет, и подвод­
ный мир нашей планеты станет служить человеку так же, как служит суша. Но для этого исследователям океанов нужно еще много сделать. ДНО ШТРОВОГО ОКЕАНА 75 КАК РОЖДАЕТСЯ ЖЕМЧУГ Кто не знает, как прекрасно со­
кровище морского дна — жемчуг! Люди издавна ценят его красоту. В конце XIX в. японский иска­
тель жемчуга Микимото сделал уди­
вительное открытие: жемчужины возникают в раковине потревожен­
ного моллюска, когда за ее створки попадает песчинка. Стремясь обез­
вредить непрошенного «гостя», мол­
люск обволакивает его слоем опало­
вого вещества. Из года в год слой нарастает, пока не превратится в добрую горошину. Знал Микимото и другое: такие горошины — боль­
шая редкость. Самому искусному ловцу случается достать со дна мо­
ря за год... одну жемчужину. Как же добыть не одну, а сотни, тысячи жемчужин? Целых 15 лет потребо­
валось Микимото, чтобы проникнуть в сокровенные тайны природы и вы­
растить жемчуг искусственным пу­
тем. Полуграмотному исследователю предстояло решить десятки самых сложных вопросов. Что нужно вкла­
дывать в раковины: песчинки, ку­
сочки роговицы, металла, стекла? Какова техника операций? Как уха­
живать за оперированными ракови­
нами? Впервые успех пришел в 1905 г. Прошло еще 12 лет, и Микимото ор­
ганизовал промышленную планта­
цию жемчуга. С тех пор жемчуж­
ные плантации оккупировали зали­
вы и бухточки южного побережья Японии. Современная жемчужная план­
тация — это цепи стеклянных буй­
ков в заливе, плоты, изгороди из шестов и катера у маленькой при­
стани. Одни рабочие обрабатывают раковины, стоя за длинными дере­
вянными столами на плотах, другие вытаскивают из моря проволочные корзинки, где разместились ракови­
ны, обросшие морскими водоросля­
ми. Раковины живут не только в корзинках, часть из них свободно передвигается в морской воде на нейлоновых поводках, пропущенных через створки. Совсем как козы где-
нибудь у нас на лужайке. Второй, «свободный» метод содержания ра­
ковин все больше распространяет­
ся: японцы экспериментируют. Создание жемчужины начинает­
ся с добычи молодой раковины. До-
Жемчужные плантации. бывают их ама — нырялыцицы. Всего 100 дней в году нырялыци-
цам гарантирован заработок, 100 дней — с утра до вечера непо­
сильная работа, работа до темноты в глазах, до полного изнеможения. Ведь за ато время они должны обеспечить себя на год. Ама за работой. С рассветом ама на берегу. Здесь их много: молодые и старые, в белых рубашках-балахонах (ама верят, белый цвет отпугивает акул) и в черных резиновых костюмах. Ко­
стюмы стоят дорого, но они окупают себя, сохраняют тепло, помогая ны­
рял ьщицам дольше пробыть в воде. Словно по команде, ама входят в воду и плывут вперед вместе с тя­
желыми деревянными бадьями. В море летит якорь — теперь бадья никуда не денется. Пора нырять. Свистящий вдох через рот, и ама исчезает под толщей воды в 18 м. Проходит 30 секунд... минута, и на поверхность выныривает голова в белой косынке и маске. В бадью ле­
тит первая порция молодых жем­
чужниц. Снова шумный вдох, в воз­
духе мелькают голые ступни. По­
единок с морем продолжается два часа. Короткий отдых на берегу — и все повторяется сначала. У неко­
торых ама есть лодка и напарник. Преимущества «аристократок» оче­
видны. Лодка быстро доставляет в недоступные для одиночек места. Мужчина вытаскивает ама с помо­
щью лебедки — экономия сил. И наконец, для отдыха не нужно плыть к далекому берегу. Ама закладывают лишь первый камень в фундамент будущего «уро­
жая». Пойманные молодые рако­
вины, которым едва исполнилось 2—2,5 месяца, тщательно осматри­
ваются, сортируются и помещаются на новые квартиры — в сетки-кор­
зинки. Здесь им предстоит пробыть, пока не вырастут. Здесь — не зна­
чит на одном месте. Зимой садки вместе с плотами перевезут на юг, в более теплые края. Раковины ка­
призны, при 7—10° они погибают. Летом тоже много забот-, они не выносят температуры свыше 30°. И кроме того, каждую приходится по нескольку раз в год извлекать из сетки, осматривать, очищать — сло­
вом, ухаживать как за малым ре­
бенком. Через два года раковина созре­
вает для операции. Наступает от­
ветственный период подготовки к хирургическому вмешательству. От того, как его проведут, зависит и будущий «урожай». Жемчужниц заставляют голо­
дать, их стараются не пугать и не возбуждать. Кто бы мог подумать; волнение может вызвать шок и убить моллюска — существо, кото­
рое привыкли считать чуть ли не самым примитивным. МИР НЕБЕСНЫХ TEJL ЗЕМЛЯ В ясный солнечный день рако­
вины укладывают рядами на бере­
гу. Через 30—40 минут устрицы раскрывают створки. Работницы бы­
стрым движением вставляют в щель деревянные палочки и тут же от­
правляют жемчужниц на операци­
онный стол. Там с помощью пинце­
тов и ножниц специалисты делают небольшой надрез, куда кладется кусочек эпителия другой устрицы и стеклянное ядро зародыша жемчу­
жины. (Такова, по крайней мере, официальная версия...) После опера­
ции раковины помещают в спе­
циальное темное место, где их дер­
жат около трех недель, пока не ис­
чезнут следы хирургического вме­
шательства. Тщательный уход за «Урожай». оперированными раковинами про­
должается и потом. И все же толь­
ко 5% раковин приносят товарный жемчуг. Спустя 3—4 года жемчужину из­
влекают из раковины. Моллюск идет в пищу, створки — для произ­
водства пуговиц, а жемчуг отправ­
ляется в путь — на международные рынки Токио, Нью-Йорка, Парижа и Лондона. От настоящего, выращенного в естественных условиях, этот жем­
чуг можно отличить только с по­
мощью рентгеновских лучей. ЖИВЫЕ НЕДРА ЗЕМЛИ Что творится в земных глубинах? Загля­
нем туда, насколько это возможно. В глубо­
кой пещере темно, прохладно и сыро. Но, спускаясь дальше, мы заметим, что посте­
пенно становится теплее. Еще глубже — жа­
ра, и шахтеры в глубочайших шахтах едва выдерживают четырехчасовую смену. Продолжим наш путь в жаркой тьме мысленно. На глубине 10—15 км сырости нет и в помине — перегретая, сжатая давле­
нием в тысячи атмосфер вода здесь активно вступает в химические соединения. А еще глубже? Глубже кончается тьма. Недра на глубине в десятки километров светятся, сна­
чала темно-вишневым, затем оранжевым, желтым, все более ярким светом. Даже горным породам такая жара не стерпима — вот-вот они расплавятся, еще бы немного поднялась температура! И темпера­
тура повышается, но еще более мощно давле­
ние тех слоев, что лежат выше. Две силы бо­
рются, и где-то на глубине около ста кило­
метров кажется, что побеждает температура. Весь слой от 100 до 200—250 км глубиной размягчен, местами даже выплавляются ка­
пельки магмы. Но нет! В конечном счете верх берет давление, рост температуры не поспе­
вает за точкой плавления, которая в связи с увеличением давления растет быстрее. По­
роды поэтому остаются твердыми, и дальше идут сотни километров добела раскаленного, сжатого до миллиона атмосфер сплошного камня. Это — ма н т и я Земли. На первый взгляд вещество мантии непо­
движно. Но если бы мы могли в жаронепро-
ницаемых камерах забраться в эту глубину, мы обнаружили бы еле заметное, но непре­
станное движение. Не более нескольких сан­
тиметров в год — такова его скорость. Инер­
ция тяжелых горных масс и, главное, огром­
ная их вязкость не позволяют веществу мантии двигаться быстрее. Даже на образование больших завихрений в атмосфере — циклонов уходят долгие часы и сутки. Инерция и вязкость воздушных масс не позволяют состоянию атмосфе­
ры — тому, что мы называем погодой, — ме­
няться очень быстро. Что же тогда говорить о тяжких каменных слоях! Не удивительно ЖИВЫЕ НЕДРА ЗЕМЛИ поэтому, что подземная «погода» устанавли­
вается за многие миллионы, десятки миллио­
нов лет. Видимый нами рельеф земной поверхно­
сти — это как бы мгновенная фотография погоды недр: горные районы — это участки ураганов и бурь, спокойные пространства континентальных равнин и океанического дна — это места, где царит тектонический штиль. В чудовищно долгом масштабе геологиче­
ского времени наука о развитии земных недр — тектоника только начинает делать «повторные снимки*. У нас нет длинного ря­
да предыдущих «снимков». Поэтому нам так трудно судить, в какую сторону идет разви­
тие Земли. Чем отличается «штиль» конти­
нентальной равнины от «штиля* океаниче­
ского дна? Где затишье перед бурей, а где уже успокоение? Споры об этом не утихают. Ведь от знания того, как развивается наруж­
ный слой Земли, зависит решение многих на­
сущных проблем, среди которых и прогноз землетрясений, и разведка глубинных место­
рождений полезных ископаемых, и использо­
вание подземного тепла, и многое другое. Сейчас в науке о твердой Земле настало время больших надежд. Еще совсем недавно Земля представлялась ученым в виде шарика в пространстве, достаточно точно измерен­
ного и взвешенного, довольно хорошо была известна его форма. Наблюдения за особен­
ностями его вращения и волны от землетря­
сений позволили мысленно проникнуть в его недра и нарисовать его разрез, украшающий многие популярные издания. Казалось, оста­
валось немногое — уточнить распределение температуры и плотности вещества внутри шара, понять природу ядра... И не всегда приходила в голову мысль, что в нашей очень большой, очень сложной и удивительной планете идут глубокие, скрытые от прямого наблюдения процессы, в результате которых климат Хибин может оказаться зависимым от изменения глубины морского дна у Фарерских островов, шторм в Атлантике может вызвать микроколебания почвы в Москве, а нарушения в кольцевых электрических токах в земном ядре, может быть, как раз и привели (десятки миллионов лет назад) к вымиранию динозавров. Лишь геологи-тектонисты да немногие геофизики пытались вот так взглянуть на Землю, создать единую теорию, связываю­
щую общие закономерности строения и раз­
вития Земли и конкретные, живые и замет­
ные процессы в разных частях вблизи ее по­
верхности. Недостаток был и в другом: не хватало фактов — однородных, сопостави­
мых, собранных в одно время и по со­
гласованной методике. В таких фактах нуж­
далась вся геофизика, однако представите­
лям наук, изучающих атмосферу, магнито­
сферу, океаны и ледники, было легче: согла­
совав свои действия, они получили возмож­
ность изучать «свои» оболочки в движении, в развитии. И поэтому 900-дневное сотрудни­
чество ученых, известное как Международ­
ный геофизический год (МГГ—1957—1959), принесло успех прежде всего этим наукам. Но мощь соединенных усилий так вели­
ка, что даже недра Земли не в силах проти­
востоять ей. Успех МГГ окрылил представи­
телей науки о твердой Земле, и уже в 1960 г. по предложению советских ученых начался новый международный научный проект, по­
лучивший название «Верхняя мантия и ее влияние на развитие земной коры». В проек­
те верхней мантии сочетаются усилия уче­
ных многих стран, совместно применяются разнообразные методы исследования — геоло­
гические, геофизические, геохимические и геодезические. Техника второй половины XX в. — искусственные спутники Земли и бурение сверхглубоких скважин — вносит свой вклад в изучение пока еще недоступных глубоких недр Земли. Прошло несколько лет. Па первый взгляд может показаться, что никаких сенсаций не было. В Земле не открыты новые слои, не обнаружены новые источники энер­
гии... И все же сейчас мы смотрим на недра Земли совсем не так, как десять лет назад-
Что же произошло за эти годы? Земную кору на материках и в океанах прорезали десятки тысяч километров профи­
лей глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). Оказалось, что кора устроена очень сложно. Тридцатикилометровый слой ее спо­
койно залегает лишь на равнинах континен­
тов. Здесь кора, как правило, состоит из трех слоев: под слоем осадочных пород (песок, суглинки, галечники, песчаники, мергели) толщиной от нескольких метров до несколь­
ких километров залегают породы типа гра­
нитов. Толщина этого слоя в среднем 12— МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 78 15 км. Ниже лежит слой немного большей мощности, условно называемый базальто­
вым. Состав его точно пока не известен. Под горными хребтами земная кора ста­
новится толще: глубоко в мантию вдаются «корни гор». В районах больших горных мас­
сивов толщина коры может достигать 50— 60 км, однако ее строение в основных чертах не меняется. Все это — кора к о нт ине н­
т а л ь но г о типа. На больших пространствах океанов кора совсем другая. Под слоем воды залегает тон­
кий слой осадков, а глубже сразу идет ба­
зальтовый слой (здесь он состоит уже из «настоящего» базальта) толщиной 5—10 км. Это — кора о к е а н и ч е с к о г о типа. У берегов Атлантического океана океани­
ческая кора сменяет континентальную спо­
койно и незаметно; сходит на нет, выклини­
вается гранитный слой, утончается и не­
много видоизменяется «базальтовый». Про­
должая наше сравнение с погодой, можно сказать, что толстый слой туч перешел в поч­
ти безоблачное небо тихо и спокойно. Совсем не то у берегов Тихого океана. Здесь океаническую кору отделяет от конти­
нентальной «грозовой фронт» тектонических процессов. В узкой полосе, окаймляющей океан, все протекает бурно и сложно. Свер­
кают огненные извержения вулканов. На других участках гранитной зоны содро­
гаются многокилометровые пласты пород и, сдвинувшись по разломам, порождают на поверхности Земли сильнейшие землетря­
сения. На окраинах Тихого океана выделяет­
ся 90% всей суммарной энергии землетрясе­
ний. И тип строения земной коры здесь тоже особый — переходный, с большими перепа­
дами глубин, пронизанный разломами, почти без гранитного слоя, но с глубокими корнями «базальта». Если в Тихом океане наиболее подвижная зона огибает океан точно по его краям, то в Атлантическом наоборот: там почти точно по оси океана тянется срединный хребет — может быть, самое интересное тектоническое образование на Земле. Земная кора здесь то­
же переходного типа. Но если на окраинах Тихого океана действуют перпендикулярные к его краям горизонтальные силы сжатия, то здесь земная кора находится в состоянии растяжения. Вдоль всей оси хребта тянутся вертикальные разломы, а просевшие между ними участки образовали узкую и длинную долину — рифт. Рифтовые зоны протянулись на десятки тысяч километров по срединным хребтам Атлантического, Индийского и час­
тично Тихого океана. Местами они выходят Причина землетрясений везде од­
на — почти мгновенный сдвиг гор­
ных пород по обе стороны возник­
шей трещины, разлома. Но силы, образующие разломы, различны в разных областях Земли: на окраи­
нах Тихого океана господствуют почти горизонтальные силы сжатия, землетрясения в Срединно-Атланти­
ческом хребте вызываются сила растяжения. на сушу. Цепь Великих африканских озер и лежащие между ними долины — это тоже рифтовая зона. Красное море и Байкал — это тоже участки континентальных рифто-
вых зон. * * * Теперь уже несомненно, что земная кора не может развиваться сама по себе. Если бы подстилающая ее мантия была спокойна, инертна, то запаса энергии в коре хватило бы не больше чем на десяток тысяч лет. Но процессы горообразования длятся десятки миллионов лет. Поэтому мы делаем вывод, что источник их энергии может находиться только в мантии. И еще: почему горные системы, островные дуги, рифтовые зоны та­
кие длинные? Очевидно, существует какая-то общая причина, заставляющая далекие (сот­
ни, даже тысячи километров!) части одной системы развиваться одновременно и одина-
ЖИВЫЕ НЕДРА ЗЕМЛИ 79 ково. И конечно, эта причина может нахо­
диться только в мантии. Не будь ее, рельеф земной поверхности был бы дробно-пятни­
стым, а карты горных хребтов напоминали бы шкуру леопарда. А как исследовать мантию на глубинах, куда не проникают волны ГСЗ? Испытанное орудие — волны землетрясений. Но точность здесь невелика — ведь мы заранее не знаем ни точного места, ни точного времени воз­
никновения землетрясений. Прямые наблю­
дения времени прихода сейсмических волн в разные точки земной поверхности годятся лишь для грубых заключений. Но можно использовать, например, вызванные земле­
трясением колебания земной поверхности — поверхностные волны. Чем больше длина этих волн, тем более глубокие слои участвуют в процессе их распространения вдоль поверх­
ности Земли. А если с глубиной скорость распространения волн растет, то это сказы­
вается и на поверхностных волнах: более длинные волны распространяются быстрее, и это явление — оно называется дисперсией поверхностных волн — легко заметить на сейсмограммах, Успехи научного приборостроения дали нам возможность регистрировать поверхност­
ные волны с периодами в сотни секунд. При скорости около 4 км/сек соответствующая длина волны равна тысяче с лишним кило­
метров. Примерно до таких глубин земные слои участвуют в движении этих волн — и, значит, до глубины в тысячу километров свойства недр сказываются на движении сверхдлинных поверхностных волн. Обычные поверхностные волны с перио­
дами в 20—30 сек отражают строение слоев глубиной в десятки километров — не удиви­
тельно, что свойстьа волы, распространяю­
щихся по океанам и по континентам, различ­
ны. Но оказывается, что и сверхдлинные по­
верхностные волны, распространяющиеся через океан и через континенты, неодинако­
вы по своим характеристикам. Различия между «океаническими* и «континентальны­
ми* волнами сохраняются на периодах в 100 и больше секунд. Это может означать одно — под океанами и континентами на глубине в сотни километров мантия не одинакова! Подтверждение этому пришло из космо­
са: все более точные измерения орбит спут­
ников показали, что на разных траекториях сила земного притяжения немного изменяет­
ся. Существует интересная закономерность: чем выше летит спутник, тем более глубокие слои планеты оказывают влияние на его дви­
жение. Вот так и установили, что верхняя мантия неоднородна — в ней на одной и той же глубине чередуются области с меньшей и большей плотностью. Если в мантии есть неоднородности, сле­
довательно, там действуют какие-то силы и существует движение вещества. И доказа­
тельство тому — сильнейшие землетрясения, которые возникают на глубинах до 750 км. Правда, они случаются в немногих местах — все под той же окраиной Тихого океана, да еще в нескольких зонах Евразии: под Гин-
дукушем, под Карпатами, под Сицилией (их существование здесь еще не объяснено), и уже совсем загадочное одиночное землетрясение на глубине 640 км в марте 1954 г. зафиксиро­
вано под Гибралтарским проливом. Спор идет сейчас о том, каков характер движения вещества мантии. Одни считают, что основной вид движения — это вертикаль­
ные перемещения, когда в результате хими­
ко-физических реакций первичное вещество разделяется на более плотные и менее плот­
ные сгустки. Первые медленно тонут, вторые столь же медленно всплывают. Эти переме­
щения длятся десятки миллионов лет и отражаются в земной коре сложными про­
цессами горообразования. Другие ученые разрабатывают идею о том, что вся мантия захвачена медленными вихрями мощных те­
чений. Там, где подымающееся из недр течение расползается под корой в стороны, существует растяжение, «растаскивание* участков коры. В других местах, где сталки­
вающиеся медленные валы раскаленного, одновременно и твердого и пластичного ве­
щества уходят вглубь, они создают в коре зо­
ны сжатия. А что мы знаем о ядре? Долго велись споры: твердое оно или жидкое? железное или каменное? Ныне вопрос решен. Оно жид­
кое, хотя это очень вязкая, очень сильно сжатая и нагретая жидкость. Одно из решающих доказательств жидко­
го состояния ядра было получено неожидан­
но. Изучая записи сильнейших землетрясе­
ний последних лет — Чилийского 1960 г., Аляскинского 1964 г. и других, сейсмологи заметили на записях приборов колебания МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ необычайно длинного периода — в десятки минут. Эти колебания уже не могли быть поверхностными волнами. Оказалось, что толчок недр был так силен, что вся Земля вздрогнула и заколебалась как единое целое. Она деформировалась, как колокол, она даже закручивалась полушариями в разные сторо­
ны! Зная упругие свойства Земли, можно При очень сильном землетрясении отмечены собственные колебания Земли. От удара сдвинувшихся недр половинки земного шара за­
кручиваются навстречу друг другу. Если бы Земли имела твердое ядро, период колебаний был бы около 32 минут. На самом деле он равен 44 минутам, что соответствует жид­
кому ядру. Наблюдаются и другие виды собственных колебаний Зем­
ли — попеременное поперечное сплющивание и раздувание. Отно­
сительное смещение частиц при та­
ких колебаниях не больше 1 мм, рассчитать период этих колебаний. Периоды, рассчитанные для целиком твердой Земли, не подошли, а для Земли с жидким ядром дали совпадения с наблюдениями. О составе ядра мы пока ничего не знаем. Общепринятая двадцать лет назад гипотеза железного ядра пошатнулась было, когда В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположи­
ли, что ядро сложено тем же веществом, что и мантия, но только у атомов вещества дав­
лением в полтора миллиона атмосфер раздав­
лены внешние электронные оболочки, элек­
троны сорваны со своих мест и в связи с этим вещество как бы металлизировано. Это была эффектная гипотеза, и она начала завоевывать сторонников. За нее говорило и изучение термической истории Земли: Земля никогда не была полностью расплавленной. И железо не могло собраться в ядре. Оставалось проверить это опытом. Как создать, хотя бы на секунду, давление в 2 млн. стм? Пока это невозможно. Но что невозможно на секунду, можно... на тысяч­
ную долю секунды. Взрывная волна на нич­
тожный миг сжала вещество с небывалой силой, а приборы успели записать электро­
проводность. Увы! Металлизация не насту­
пила. Но, может быть, для этого нулшо время? Ждут решения и многие другие загадки земных недр. До сих пор Земля была уни­
кальным, единственным во Вселенной объек­
том всестороннего исследования. Теперь уже не то. Возьмем к примеру вопрос о магнит­
ном поле Земли. Это поле вызывается систе­
мой кольцевых токов в электропроводящем ядре. Значит, если у планеты есть ядро, дол­
жно быть и магнитное поле? Посмотрим: З е м л я Ма р с Лу н а Венера Жидкое ядро Егть Нет Нет Есть Магнитное поле Есть Нет Нет Нет! Выходит, мы что-то недоучли. Может быть, кольцевые токи связаны с вращением планеты? З е м л я Ма р с Лу н а Ве не ра Жидкое ядро Есть Нет Нет Есть Скорость враще­
ния вокруг оси Большая Большая Очень Очень малая малая Магнитное поле Есть Нет Нет Нет Что можно сказать теперь? Сделав вывод, вы, читатель, сделаете первый свой шаг в но­
вой, создающейся на наших глазах науке — сравнительной планетофизике. МИР НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗЕМЛЯ 81 ЧТО ЧИТАТЬ Земля и Вселенная. М., «Знание», 1966. 287 стр. с плл. Советские и иностранные ученые рассказывают о достижениях науки в области астрономии, астрофнанки, геофизики, освоения космоса, пред­
лагают различные гипотезы и дают место научной фантастике. Кукаркин Б. В. и Астахова В. Г. Жизнь звезд и галактик. М., «Зна­
ние», 1966. 46 стр. с илл. (Новое в жизни, науке, технике. 12 серия. Естествознание и религия. 7). Шкловский И. С. Вселенная. Жизнь. Рааум. Изд. 2-е, переработ, и доп. М., «Наука», 1965. 284 стр. с илл. (АН СССР). «Астрономия сейчас переживает подлинную революцию, связанную с широким внедрением новых мето­
дов исследования», — говорит автор втой книги. Он излагает современ­
ные представления о строении и развитии Вселенной, и особенно о жизни в ней, допускает возмож­
ность разумной жизни на других планетах и обсуждает характер связи между отдельными цивилиза­
циями. Говорит также о возможно­
сти переустройства человечеством Солнечной системы. Сазонов Б. И. Космос у наших две­
рей. М., Гидрометеоиздат, 1966. 200 стр. с илл. Что такое космос? Как связана с ним наша планета и как он влияет на повседневную жизнь и деятель^ «ость людей? Маленькие рассказы о большом кос­
мосе. Изд. 3-е. М., «Молодая гвар­
дия», 1968. 300 стр. с илл. (Эврика). Ученые и журналисты в юмористи­
ческой форме написали о больших научных проблемах и великих под­
вигах двенадцати советских космо­
навтов. Зигель Ф. Ю. Радиоволны из кос' моса. М., Детгпз, 1963. 142 стр. с илл. и карт.; 9 л. илл. (Школьная б-ка. Для восьмилетней школы). Совсем молодая наука — радиоаст­
рономия помогает познать строение нашей Галактики, увидеть многие небесные «тайны». 6 Познание продолжается Волчек О. Тайны, похищенные у не­
ба. Перевод с польск. Л., Гидроме­
теоиздат, 1965. 169 стр. с нлл„ карт.; 4 л. илл. О том, что прибавили к нашим зна­
ниям о Земле и земной атмосфере искусственные спутники Земли а полеты космонавтов. Игумнов В. И. К далеким мирам. М., Воениздат, 1965. 142 стр. с плл. Что ждет человека на пути к звез­
дам? Автор рассказывает о строе­
нии Вселенной, налагает достиже­
ния науки в познании мироздания. Болдуин Р. Что мы знаем о Луне? Перевод с англ. Послесл. А. А. Гур-
штейна. М., «Мир», 1967. 173 стр. с илл. Книгу написал американский уче­
ный, один из крупнейших специа­
листов в современной науке о Луне. Куликов К. А. Первые космонавты на Луне. Описание Луны и астроно­
мических явлений, наблюдаемых с ее поверхности. М., «Наука», 1965. 189 стр. с илл., карт.; 3 л. илл. (АН СССР. Науч.-попул. серия). Опираясь на строго научные дан­
ные, автор описывает поверхность Луны и многие любопытные явле­
ния, которые увидят там прилунив­
шиеся космонавты. Книга очень ин­
тересно иллюстрирована. Воробьев Г. Г. Что вы знаете о тек-
титах? М., «.Наука», 1966. 111 стр. с илл. (АН СССР. Науч.-попул. се­
рия). Тектиты — необычные стекла, кото­
рые находят в разных районах зем­
ного шара. Происхождение их пока не выяснено. Автор хочет своей книгой привлечь к изучению и по­
искам тектитов как можно больше добровольцев. На территории нашей страны их еще не находили. Воронцов-Вельяминов Б. А. Успехи советской астрономии (1917—1967). М., «Знание», 1967. 32 стр. (Новое в жизни, науке, технике. 9 серия. Физика, астрономия. 1). Почтаре в В. И. Магнетизм Земли и космического пространства. М., «Наука», 19R6. 144 стр. с илл.; 1 л. карт. (АН СССР. Науч.-попул. се­
рил). Что дал в этой области Меж­
дународный геофизический год в Год спокойного Солнца, какова роль искусственных спутников Земли и как практически используется аем-
ной магнетизм в геологии, навига­
ции, связи? Бойткевнч Г. В. Возраст Земли и геологическое летосчисление. М., «Наука», 1965. 55 стр. с илл. (АН СССР. Науч.-попул. серия). Рассказ о том, как зарождались и развивались методы определения возраста Земли, как помогают это­
му данные радиоактивности, и о перспективах геологического лето­
счисления. Степанов В. Н. Океан и будущее Землп. М„ «Знание», 1967. 78 стр. с илл. и карт. (Новое в жизни, нау­
ке, технике. 13 серия. Наука о Зем­
ле. 2—3). Богатства океана будут поставлены на службу человеку: морская вода, донные отложения, энергия прили­
вов н ветровых волн. К^рр>тнгт«(н Р. Биография моря. История мирового океана, его насе­
ление и его влияние на историю человечества. Перевод с англ. Л., Гидрометеонздат, 1966. 239 стр. с плл. и карт.; 14 л. илл. Адабашев И. II. Покорение «голу­
бого континента». М., «Знание», 1966. 48 стр. (Новое в жизни, науке, технике. 12 серия. Естествознание и религия. 6). О том, как современная наука и тех­
ника помогают человеку овладеть богатствами морей и океанов, Песков В. М. Белые сны. (Обложка, оформление и фотографии автора), М., «Молодая гвардия», 1965. 333 стр. с илл., карт. Рубан И. П. В глубь Антарктиды. Текст и илл. автора. М., «Советский художник», 1966. 159 стр. с илл. Книги В. Пескова и И. Рубана по­
священы героическим будням поко­
рителей Антарктиды. В. Песков сделал замечательные фотографии, а И. Рубак — первый художник, по­
бывавший в Антарктиде, — пре­
красные зарисовки с натуры. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ 83 МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ 1. КЛАССИКА ЗАКОНЫ НЬЮТОНА В глубинах космоса napi'iT ракета. Вокруг пустота, звезды и планеты далеко. Если дви­
гатели выключены и ракета не испытывает действия никаких других тел, она либо летит прямо и с постоянной скоростью, либо по­
коится. Такое поведение ей предписано пер­
вым законом ньютоновской динамики, кото­
рый гласит: всякое тело, не подверженное действию других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Способность тела сохранять покой или равномерное прямолинейное движение называют и н е р ц и е й. Поэтому первый за­
кон именуют иногда законом инерции. Д в н-
же н и е по и н е р ц и и — эт о д в и ж е н и е т е ла, не и с п ыт ыв а юще г о дей­
с т в и я д р у г их тел. Но вот ракета попадает в густое облако космической пыли. О нее стали ударяться мириады пылинок, возникла сила сопротив­
ления среды, и ракета замедлила свое дви­
жение. Другой случай: космонавты вклю­
чили двигатели, и тотчас ракета рванулась вперед. Влекомая силой тяги, она получила ускорение. Чем массивнее ракета, тем боль­
шая сила нужна, чтобы ее ускорить или за­
медлить. Об этом говорится во втором законе динамики: ускорение тела прямо пропорцио­
нально действующей силе и обратно пропор­
ционально массе тела. Масса, которую мы привыкли считать мерой количества веще­
ства, здесь — мера инерции тела. Сил а — р е з у л ь т а т в з а и м о д е й с т в и я тел. Есть еще третий закон динамики: всякое действие сопровождается равным и противо­
положно направленным противодействием. В согласии с третьим законом работают дви­
гатели ракеты. Сжигается топливо, ракета как бы отталкивает струю раскаленных га­
зов. Но и струя отталкивает ракету. Это про­
тиводействие создает силу тяги, которая движет ракету вперед. Три динамических закона Ньютона при­
менимы к великому множеству явлений. Ка­
тится автомобиль, сталкиваются бильярдные шары, сжимаются пружины, тянут железо магниты — всюду проявляется инерция, ее преодолевает сила, и действие обязательно равно противодействию. Но в этой статье речь 6* пойдет о механике небесных тел, где замет­
нее всего сказывается тяготение — г р а в ит а ­
ция. Поэтому о тяготении, о движении тел в г р а в и т а ц и о н н о м поле мы поговорим подробнее. ВСЕМИРНОЕ ТЯГОТЕНИЕ Действие гравитации Ньютон описал своим законом всемирного тяготения: тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами тяжести. С этой точки зрения вес камня, лежащего на земной поверхности, есть сила взаимного притяжения камня и Земли на расстоянии, равном радиусу земного шара. Если же ка­
мень не имеет опоры, он падает—ускоренно движется к Земле под действием силы тяже­
сти. В свою очередь Земля падает на камень (во исполнение третьего закона), но это прак­
тически незаметно. Разумеется, свободное падение может складываться с другим движением. Скажем, подброшенный камень тоже падает, хотя и летит вертикально вверх,— благодаря паде­
нию он постоянно замедляет свой подъем. А камень, брошенный вбок, к горизонту, бла­
годаря падению искривляет свой путь. Гравитационное взаимодействие тел обла­
дает чрезвычайно важной особенностью: т е л а р а з н ых ма с с в о д но й и т о й же т о ч к е п о л я т я же с т и п о л у ч а ют о д и н а к о в ые у с к о р е н и я. Проведите простой опыт — сбросьте со стола сразу два предмета: тяжелый дверной ключ и легонькую спичку. Что быстрее до-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 84 стигнет пола? Оказывается, ключ и спичка коснутся пола вместе. В безвоздушном про­
странстве (где нет сопротивления среды) оди­
наково быстро падают на Землю с одной вы­
соты пушечное ядро и тополиная пушинка. Это удивительно: ведь вес ядра больше, чем пушинки, значит, если верить закону всемир­
ного тяготения, к ядру и в падении прило­
жена большая сила, чем к пушинке. Но тогда по второму закону динамики ядро, казалось бы, должно получить большее ускорение. А опыт показал, что это не так. В классической физике описанный стран­
ный факт объясняется следующим образом. Действительно, к ядру приложена боль­
шая сила тяжести. Но как только начинается падение, в дело вступает инерция ядра, ме­
шающая разгону. Масса ядра сразу и уско­
ряется под действием силы, и замедляет свой разгон. Ускоряется, «подчиняясь» закону все­
мирного тяготения, а тормозится, «исполняя» второй закон динамики. Причем с оот ноше ­
ние этих противоположных свойств в любых телах — и в спичке, ц в ключе, и в ядре, и в пушинке—одинаково. Поэтому все они падают с одинаковым ускорением. Ради удобства рассуждений последовате­
ли Ньютона согласились считать, что в лю­
бом теле присутствуют как бы две массы. Та, что ускоряется в гравитационном поле, называется г р а в и т а ц и о н н о й или т яже ­
лой, а та, что замедляет ускоряющее воз­
действие силы, — и н е р ц и о н н о й или ине р т но й. При надлежащем подборе еди­
ниц обе массы считаются строго одинаковы­
ми. Всегда, везде в любых телах тяжелой мас­
сы столько же, сколько инертной. Таково в классике условие постоянства земного ускорения для тел разных масс. НЕВЕСОМОСТЬ Пусть падают весы, на чашке которых лежит гиря. И весы и гнря движутся с рав­
ным ускорением — просто летят рядом. По­
этому гиря не давит на чашку весов, не имеет веса. Люб ые т е л а в с о с т о я н и и сво­
б о д н о г о па д е н и я не в е с о мы. Невесомы не только тела, падающие вер­
тикально вниз, но и брошенные вверх, вбок и т. д. Ведь если весы с гирей брошены вверх или в сторону, их сложное движение склады-
вается из двух простых: во-первых, они летят в каком-то направлении прямолинейно с по­
стоянной скоростью (сопротивлением воздуха пренебрегаем) и, во-вторых, падают отвесно вниз. В обоих этих движениях гиря летит рядом с весами, не давит на чашку весов. Как видите, устроить для себя состояние невесомости совсем не трудно — надо лишь подпрыгнуть. Как только ноги оторвутся от пола, наступит свободное падение (даже при движении вверх или вбок) и, следовательно, невесомость. Такова природа невесомости и в орби­
тальных космических полетах. Спутник, разогнанный ракетой-носителем, летит в сто­
рону, вместе с тем свободно падает и, «не успевая» упасть, огибает планету по орбите. Так обращается и Луна вокруг Земли, и Зем­
ля вокруг Солнца. Так совершаются все ас­
трономические движения, вплоть до обраще­
ния звезд и звездных систем — галактик. Теперь вам известно главное в содержа­
нии классических воззрений на природу не­
бесных движений. Формулы ньютоновской механики дают возможность подробнейшим образом вычислять перемещения светил, со­
ставлять на много лет вперед расписания затмений и т. д. Физика Ньютона сумела рас­
считать массу Земли, Луны, Солнца, пред­
сказать открытие новых планет. В наши дни она стала надежным теоретическим фунда­
ментом бурно развивающейся космонавтики. Ор б ит ы и в ыв о д на них к о с ми ч е ­
с к и х кора бле й, в с е в о з мо жн ые пе­
р е м е щ е н и я в п р о с т р а н с т в е мож­
но р а с с ч и т ыв а т ь л и шь на о с но в е н ь ю т о н о в с к и х з а к о н о в. МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ ИЗЪЯНЫ КЛАССИКИ И все же в классической механике на­
шлись изъяны. Самым слабым ее местом было деление массы на тяжелую и инертную и гипотеза об абсолютно точном равенстве той и другой. Почему имеет место этот факт, другими сло­
вами — почему ключ и спичка одинаково быстро падают на пол, никто понять до конца не мог. Говорили о «случайном совпаде­
нии», и казалось невероятным, что строгий порядок земных и небесных движений дер­
жится на случайности. Пришлось также признать силу тяготе­
ния «далънодействующей», таинственным образом проникающей через пустоту. Строить гипотезы о природе этого явления Ньютон отказался: «гипотез не измышляю*. Не было в мире Ньютона и физической н е о б х о д и мо с т и движения. Вещество представлялось инертным, лишенным энер­
гии. Чтобы «пустить мир в ход», сообщив ему энергию, потребовался, по мнению Нью­
тона, «первичный толчок», некогда совершен­
ный самим богом (великий физик был рели­
гиозным человеком). Наконец, пространство и время, по мысли Ньютона, оторваны от вещества, это как бы нематериальное математическое вместилище движения, не более. Ньютон считал их «абсо­
лютными», т. е. вечно неизменными, едины­
ми для всего мира, не подверженными влия­
нию материальных процессов. Постепенно накапливались и некоторые астрономические явления, не получившие объяснения в классической механике, напри­
мер тонкие особенности орбиты ближайшей к Солнцу планеты Меркурия (об этом пойдет речь в конце статьи). 2. СТО ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА Новый взгляд на природу движения раз­
работал в первой четверти нашего века вели­
кий физик Альберт Эйнштейн. Это была тео­
рия относительности. Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть называется специаль­
ной (или частной) теорией (сокращенно — 85 СТО). Она исследует быстрые равномерные прямолинейные движения вне гравитацион­
ных полей. Вторая часть — общая теория от­
носительности (сокращенно — ОТО) охваты­
вает неравномерные движения и гравитацион­
ные поля. Начнем со специальной теории. Поста­
раемся вкратце проследить логику ее построе­
ния и выводов. Главное своеобразие физики Эйнштейна заключается в том, что движение вещества она сопоставляет с поведением света. Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие основные свойства движения вещества и света. Первый постулат: равномерные прямоли­
нейные движения невозможно отличить от покоя. То и другое физически равноценно, Второй постулат: скорость света не зави­
сит от движения светового источника. По отдельности постулаты ничуть не странны. В закрытой каюте невозможно узнать, движется корабль (плавно, без толч­
ков и тряски) или стоит возле пристани. Вме­
сте с тем легко поверить, что световые волны распространяются одинаково быстро от дви­
жущегося и неподвижного фонаря. Ведь именно так ведут себя звуковые волны, вол­
ны на воде и т. д. Как видите, каждый постулат сам по себе понятен и логичен. Однако соединенные вместе, они выглядят несовместимыми. Вторым, казалось бы, опро­
вергается первый. В самом деле: резонно ду­
мать, что равномерное прямолинейное дви­
жение возможно обнаружить относительно световых волн и, значит, отличить его от покоя, что противоречит первому постулату. Когда пилот быстроходного самолета перестает слышать рев собственных двигате-
лей, он знает, что обогнал звук и мчится бы­
стрее звуковых волн. Со светом подобное невозможно (в 1881 г. американский физик Маикельсон доказал это экспериментом). Как бы быстро ни мчалась ракета, свет ее прожектора всегда бьет вперед с неизменной скоростью — 300 000 км/сек* Изменить свою скорость относительно свето­
вых волн невозможно. Поэтому, воспользо­
вавшись светом, невозможно отличить равно­
мерное прямолинейное движение ракеты от покоя, несмотря на то что скорость света не зависит от движения источника. Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ОДНОВРЕМЕННОСТИ Два удаленных друг от друга стрелка стреляют из пистолетов. Каждый выстрел на­
зовем событием. Согласимся считать эти со­
бытия одновременными, если световые вспышки выстрелов вместе приходят в сере­
дину расстояния между ними. Таково эйн­
штейновское определение одновременности. Запомните его. Пусть стрелки находятся на корме и носу длинного парохода, который очень быстро (почти со скоростью света), но равномерно и прямолинейно движется по реке. И есть двое судей, оценивающих последовательность вспышек: точно посередине парохода — ка­
питан, а на берегу реки — бакенщик. Допустим далее, что к капитану вспышки пришли вместе. II что в тот же миг капитан оказался точно напротив бакенщика, кото­
рый поэтому тоже видит сразу обе вспышки. Стоя посередине между стрелками, капитан утверждает, что выстрелы одновременны. Но бакенщик не может признать этого, так как в момент прихода к нему вспышек он нахо­
дился не посередине с в ое г о ( б е р е г о в о ­
го) расстояния между выстрелами: пока свет вспышек шел к капитану и бакенщику, паро­
ход успел сместиться вперед относительно берега. Поэтому кормовая вспышка прошла до бакенщика больший путь, и, чтобы дойти к нему вместе с носовой, она должна была произойти раньше. (Этот абзац стоит внима­
тельно перечитать и осмыслить.) Может показаться, что такое противоре­
чие вызвано движением капитана. Но, вспом-
Капитан и бакенщик сразу увидели свет обоих выстрелов, кормового и носового. Но расстояния От бакен­
щика до кормового и носового выст­
релов неодинаковы, а от капитана одинаковы. Поэтому капитан при­
знает выстрелы одновременными, а бакенщик — неодновременными. или первый постулат, допустим, что капитан вместе с пароходом неподвижны, а бакенщик вместе с берегом, Землей и всей Вселенной движутся в обратную сторону с той же ско­
ростью. Поскольку скорость световых волн не зависит от скорости их источников (второй постулат), то оценка последовательности вы­
стрелов останется прежней. Капитан при­
знает выстрелы одновременными, бакен­
щик — неодновременными. Так всеобщая абсолютная одновремен­
ность, возможность которой подразумевалась в классической физике, пропадает. Вместо нее выходит на сцену о т н о с и т е л ь н а я о д н о в р е ме н н о с т ь событий, существую­
щая лишь для какого-то конкретного, оп­
ределенным образом движущегося наблю­
дателя. Разные наблюдатели могут устанавливать даже неодинаковую очередность одних и тех же событий. Например, если, по отсчету ба­
кенщика, первым был выстрел кормового стрелка, то летчик сверхбыстрого самолета, обгоняющего наш пароход, зарегистрирует первенство носового выстрела. Все эти эффекты чрезвычайно тонки. Он отмечаются лишь при движении с гигантски' ми относительными скоростями, сравнимыми со скоростью света. Важно, чтобы наблюда­
тели успевали заметно сместиться за то кро-
: г-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 86 хотное время, пока световые вспышки пробе­
гают расстояние между событиями. Вообще промежуток времени между со­
бытиями, которые могут быть одновременны­
ми пли неодновременными для наблюдате­
лей, движущихся по-разному, не может пре­
вышать длительности распространения света от одного события к другому (для привычных нам земных расстояний — миллионные и миллиардные доли секунды). Именно поэто­
му относительность одновременности совер­
шенно несущественна в классической меха­
нике, а в физике быстрых движений она играет ключевую роль. СВЕТ И ПРИЧИННОСТЬ Пусть наши стрелки — дуэлянты. Собы­
тия — выстрел одного и смерть другого. Тут разнобой мнений об очередности собы­
тий недопустим. Не может быть, чтобы, по отсчету какого-то наблюдателя, сначала упал сраженный дуэлянт и только потом произо­
шел выстрел. Причина должна предшество­
вать следствию — таков универсальный п р и н ц и п п р и ч и н н о с т и. Чтобы подобных нелепостей не случи­
лось и принцип причинности неукоснительно соблюдался, пуля стрелка относительно лю­
бого наблюдателя ни в коем случае не долж­
на лететь быстрее света. Только при этом условии любой наблюдатель сначала сможет зарегистрировать выстрел. Тогда в середину расстояния между дуэлянтами для всех на­
блюдателей сначала придет световая вспыш­
ка от выстрела, потом там же пролетит пуля и еще позже туда (с другой стороны) придет световой образ сраженного дуэлянта. Прин­
цип причинности не нарушится. Запрет на сверхсветовые скорости касает­
ся перемещения любых сигналов и дей­
ствий — всего того, что может связывать при­
чины со следствием. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ВРЕМЕНИ Для капитана выстрелы одновременны —• значит, промежуток времени между ними ра­
вен нулю. Для бакенщика выстрелы неодно­
временны — значит, эти события разделены во времени. Мгновение капитана (даже нуле-
МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ 8 > J вое) у бакенщика растягивается в какую-то длительность. Подобно этому очень малая, по мнению капитана, длительность (<.ггочти мгновение*), по отсчету бакенщика, тоже растянется, ста­
нет больше. Значит, для бакенщика время капитана оказывается замедленным. И наоборот, если стрелки стоят на берегу и бакенщик зафиксирует одновременность выстрелов, они будут неодновременны для капитана. По его отсчету — замедляется темп времени бакенщика. Вот вам кажущийся парадокс: по часам капитана бакенщик стареет медленнее, чем сам капитан, а по часам бакенщика медлен­
нее стареет капитан. На самом деле никакого парадокса нет. В мире сверхбыстрых движе­
ний это удивительное явление существует, доказано опытом. Сюда относится и знаменитый па ра ­
д о к с б л и з не ц о в. Космонавт, летевший какое-то время с вы­
сокой скоростью вне Земли, возвратившись, окажется моложе своего брата-близнеца, оставшегося дома. Тут нет взаимности замед­
ления времени. Медленнее стареет именно космонавт, ибо законным является отсчет его брата-домоседа, который не испытывал уско­
рений. А космонавт испытывал ускорения, повороты, замедления (иначе он не улетел бы с Земли и не вернулся), поэтому его отсчеты выпадают из поля зрения СТО, так как эта теория не рассматривает поведения тел в ускоренных системах отсчета. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ РАССТОЯНИЙ Теперь наш сверхбыстрый пароход дви­
жется мимо ленты, которую разложил на берегу бакенщик. По измерениям бакенщика, длина ленты, допустим, 100 ж. Но капитан с этим не согла­
сен. Для капитана лента короче. Чтобы измерить длину ленты с мчаще­
гося корабля, капитан о д н о в р е ме н н о ( для себя!) засекает на палубе точки, сов­
падающие с ее концами, и потом спокойно отмеряет расстояние между засечками. Но для бакенщика засечки сделаны неодновре­
менно. Сперва, по его мнению, засечено на­
чало ленты (где-то против кормы пронося­
щегося парохода), потом — конец. Между мо-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 88 ментами засечек корабль успел сместиться вперед — вот и вышло, что на пароходе за­
сечки ближе друг к другу, чем следовало бы по отсчетам бакенщика. Однако ошибки в измерении капитана не было. Его отсчет исполнен точно. Разница же итогов измерений — результат относительно­
сти одновременности. В свою очередь бакенщик, измеряя таким же способом длину парохода, найдет его бо­
лее коротким, чем капитан. По отсчетам любых наблюдателей, длины предметов, проносящихся мимо, сокра­
щаются. Для каждого путешественника со­
кращается длина всего проходимого им рас­
стояния. И тем заметнее, чем ближе его скорость к скорости света. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МАССЫ Капитан бежит по палубе (от кормы к носу), пароход мчится по реке. Ставится задача: узнать скорость капитана относи­
тельно берега. Пока скорости невелики, их можно просто сложить. Но вообразите (вопреки правдопо­
добию), что не только пароход мчится по ре­
ке почти со скоростью света, но и капитан несется столь же быстро относительно палу­
бы. Простое сложение дало бы запрещенную сверхсветовую скорость капитана относитель­
но берега. На самом деле в отсчетах бакенщика (берегового наблюдателя) скажется замед­
ление времени и сокращение расстояний ко­
рабля относительно берега. Поэтому скорости сложатся иначе и суммарная будет меньше световой. Так сохраняется ограничение, наложен­
ное принципом причинности: перегнать свет невозможно. Ни ч т о в е ще с т в е н н о е не м о ж е т д а ж е д о г н а т ь свет. Если капитан бросит вперед камень и, с йочки зрения капитана, этот камень приобре­
тет значительное ускорение, то, с точки зре­
ния бакенщика, оно будет гораздо мень­
ше, ведь невозможно разогнать камень быст­
рее света. Разницу в ускорении мы вправе истолко­
вать как разницу в инерции камня. Можно считать, что для капитана инерция камня меньше, чем для бакенщика. Другими сло­
вами, масса (которой измеряется инерция) оказывается относительной. Масса тела за­
висит от скорости наблюдателя, от скорости системы отсчета. В с в е р х б ыс т р о м мире ма с с а р а с т е т с у в е'л и ч е н и е м ско­
р о с т и. ЭНЕРГИЯ ВЕЩЕСТВА С возрастанием скорости растет и энергия тела, его способность совершить работу. Зна­
чит, масса и энергия растут вместе. Вблизи скорости света то и другое стремительно уве­
личивается. Инерция становится непреодоли­
мо огромной, энергия — сколь угодно боль­
шой. Отсюда делается вывод об э к в и в а л е н т-
но с т и ма с с ы и э не р г ии. Масса и энергия — две эквивалентные ха­
рактеристики движущегося тела. Правда, когда тело останавливается в ка­
кой-либо системе отсчета, масса его не про­
падает — сохраняется ма с с а покоя. А энергия, казалось бы, исчезает. Но на са­
мом деле это не так. Энергия остается и в теле, остановленном относительно наблю­
дателя. Камень, лежащий на вашей ладони, лишь внешне спокоен. Он неподвижен лишь как целое тело. Внутри, в микромире своем, он насыщен незаметными для глаза движе­
ниями. Колеблются, дрейфуют атомы, кру­
жат электроны и т. д. Это внутреннее дви­
жение обусловливает существование внут­
ренней энергии камня, которая тоже подчи­
нена закономерностям СТО. Значит, и внут­
ренняя энергия эквивалентна некоторой мас­
се. Это и есть масса покоя. Зная массу покоя тела (которая изме­
ряется простым взвешиванием), легко вычис­
лить запас его внутренней энергии. Подсчет делается по знаменитой формуле Эйнштейна: £=шс2 (£ — энергия в эргах, т — масса ч граммах, с — скорость света в сантиметрах в секунду). Граммы массы дважды множатся на ско­
рость света — так они переводятся в единицы энергии — эрги. В грамме любого вещества сосредоточено 9 • 10ад эргов, или 25 млн. кет • ч энергии. МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ 89 СТО И МИР СТО резко меняет привычные представле­
ния об устройстве мира. Во Вселенной нет сверхсветовых скоростей для всего, что спо­
собно служить сигналом или действием. Во­
преки предположению Ньютона, нет в мире и всеобщего независимого от материи време­
ни. Длительности, сроки, темп хода часов тесно связаны с движением систем отсчета. Отсутствует ньютоновское «абсолютное» про­
странство, эта незыблемая пустота, сковав­
шая в себе костяк расстояний. В действитель­
ности расстояния податливы, зависят от ско­
рости путника. Например, для нас от Земли до Сириуса 10й км, а для фантастически быстрого космонавта, мчащегося к Сириусу со скоростью 260 000 км1сек, — вполовину меньше. При 0,9999 скорости света тот же путь будет в 70 раз меньше. Казалось бы, поразительный эффект со­
кращения расстояний в сочетании с парадок­
сом близнецов открывает надежду на сверх­
дальние звездные путешествия, совершаемые за годы, месяцы, даже дни собственного ра­
кетного времени. Однако относительность массы эту на­
дежду отвергает: при околосветовых скоро­
стях слишком возрастает инерция ракеты и для ее ускорения понадобилась бы небыва­
лая энергия. Сделан подсчет: чтобы облететь нашу Галактику за десятилетия собственного времени, на разгон и торможение весьма скромной ракеты ушло бы, самое малое, столько энергии, сколько излучает Солнце за сто миллионов лет. По-видимому, галактические полеты на ракетах — фантазия неосуществимая. Зато та же относительность массы в сово­
купности с законом эквивалентности массы и энергии подарила нам огромное богат­
ство — указала на гигантские энергетические склады в любом веществе или теле. Даже при ядерных реакциях освобождается лишь очень малая доля этой внутренней энергии — около процента. Во всем мире физики ищут пути более полного ее освоения. И уже известны процессы (например, аннигиля­
ция), при которых вещество целиком пре­
вращается в излучение, освобождая всю свою энергию. Наконец, СТО решила задачу об источ­
нике движения мировой материи. Если в ме­
ханике Ньютона вещество Вселенной при­
знавалось неспособным к самодвижению и, чтобы «пустить мир в ход», сообщить веще­
ству энергию, потребовалась гипотеза «боже­
ственного толчка», то физика Эйнштейна утвердила принципиальную неразделимость движения и материи. Уже в постулатах Эйнштейна вещество лишилось абсолютного покоя, свет — даже относительного. А закон эквивалентности массы и энергии указал на неуничтожимость движения вплоть до сокро­
венных глубин микромира. 3. ОТО ИНЕРЦИЯ КАК ТЯГОТЕНИЕ Прямолинейное и равномерное движение систем отсчета вне полей тяготения (предмет СТО) лишь частный случай. Обычно миро­
вые движения происходят в гравитационных полях и ускоренных системах отсчета. Классическая физика считала тяготение рядовой силой среди множества природных сил (электрических, магнитных и т. д.). Тяго­
тению было приписано «дальнодействие» (проникновение «сквозь пустоту») и удиви­
тельная способность придавать равное уско­
рение телам разных масс. Оба эти свойства, как говорилось выше, выглядели в классике очень искусственными. По мнению Эйнштейна, гравитационное поле — не силовое. На самом деле тяжесть — следствие особенностей мирового простран­
ства-времени. И гравитационное поле пра­
вильнее называть ме т р и ч е с к и м. Логика, приводящая к этому непривычному выводу, такова. Вначале обсуждается равенство ускоре­
ний свободного падения для тел разных масс (то, что массивный ключ и легонькая спичка одинаково быстро падают со стола на пол). Как подметил Эйнштейн, это уникальное свойство делает тяжесть очень похожей на инерцию. В самом деле, ключ и спичка ведут себя так, как если бы они двигались в неве­
сомости по инерции (или были «неподвиж­
ны»), а пол комнаты (или, допустим, кабины ракеты) с ускорением придвигался к ним. Достигнув ключа и спички, пол испытал бы их удар, а затем давление, так как инерция ключа и спички сказалась бы при дальней-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 90 шем ускорении пола. Это давление (космо­
навты говорят— «перегрузка») называется с и л о й ине р ции. Подобная сила всегда приложена к телам в ускоренных системах отсчета. Если ракета летит с ускорением, равным ускорению свободного падения на земной по­
верхности (9,81 м/ сек2), то сила инерции будет играть роль веса ключа и спички. Их «искусственная» тяжесть будет точно такой же, как естественная на поверхности Земли. Значит, ускорение системы отсчета — это явление, вполне подобное гравитации. Наоборот, в свободно падающем лифте естественная тяжесть устраняется ускорен­
ным движением системы отсчета кабины «вдогонку» за ключом и спичкой. Разумеется, классическая физика не ви­
дит в этих примерах истинного возникнове­
ния и исчезновения тяжести. Тяготение лишь имитируется или компенсируется ускоре­
нием. Но в ОТО сходство инерции и тяжести признается гораздо более глубоким. Эйнштейн выдвинул л о к а л ь н ый п р и н ц и п э к в и в а л е н т н о с т и ине р ­
ц и и и т я г о т е н и я, заявив, что в доста­
точно малых масштабах расстояний и дли­
тельностей одно явление невозможно отли­
чить от другого никаким экспериментом. Право на такое утверждение дали Эйнштей­
ну итоги СТО. В РАКЕТЕ И В ЛИФТЕ Вообразите следующее. В закрытой ка­
бине ускоряющейся ракеты наблюдатель послал от одной стенки к другой луч света, параллельный полу. Благодаря ускорению ракеты луч упрется в противоположную стенку чуточку «ниже», чем при отсутствии ускорения. Казалось бы, этот факт как раз и засвидетельствует ускорение ракеты «вверх», отвергнув предположение о том, что она покоится в поле тяжести. Тот же опыт в па­
дающем лифте покажет смещение луча «вверх» (относительно пола кабины) и, каза­
лось бы, докажет ускорение лифта вниз, т. е. его свободное движение в гравитационном поле. С позиций классической физики, подоб­
ные опыты должны отметить отличие «искус­
ственной» тяжести от естественной (в ракете) и компенсацию тяжести, а не ее устранение (в лифте). Физика Эйнштейна эту надежду отверга­
ет. Ведь если луч света имеет энергию, он имеет, согласно СТО, и массу. А любая масса в настоящем гравитационном поле падает, причем с неизменным ускорением, независи­
мо от своей величины. Так что отклонение луча к полу ускоряющейся «вверх» ракеты можно объяснить падением луча в настоя­
щем поле тяжести — как если бы ракета стояла неподвижно на земной поверхности. Что касается падающего лифта, то там луч вообще не сместится вверх, так как свет, обладая массой, будет падать вниз с тем же ускорением, что и кабина. Итак, воспользовавшись услугами света, ни в ракете, ни в лифте мы, вопреки надеж­
дам классической физики, не сумеем отли­
чить тяжесть от инерции. Тут не помогут и никакие другие опыты. В ма с шт а б а х ра­
к е т ы и л и фт а г р а в и т а ц и я н е о т л и ­
ч и м а о т ине р ции. Правда, в более крупных масштабах от­
личие возможно, благодаря тому что настоя­
щее поле тяжести обязательно це нт р а л ь ­
но — име е т це нт р ма с с, точечный ис­
точник. Поэтому на Земле достаточно уда­
ленные отвесные линии непараллельны — МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ 91 сходятся к центру планеты (в ускоряющейся ракете они обязательно параллельны). А два невесомых груза, парящих рядом в кабине лифта, который падает в шахте, пронизываю­
щей насквозь всю Землю, по мере приближе­
ния к земному центру будут сближаться. В самом центре они стукнутся друг о друга. Вдали от Земли, в «истинной» невесомости, такого не произойдет. Значит, настоящее земное тяготение нельзя сразу все и надолго заменить инерцией ПЛИ устранить падением. Понимая это, Эйнштейн и заявил о локаль­
ности своего принципа эквивалентности инерции и тяжести, т. е. его ограниченности в масштабах времени и расстояний, С такой оговоркой принцип эквивалентно­
сти был признан совершенно справедливым. И это повело к важным заключениям о сущ­
ности пространства, времени, тяготения. КОСМИЧЕСКИЙ ДИСК Исполним еще один мысленный экспери­
мент. Пусть где-то в космосе вращается диск. Наблюдатели в центре и на краю диска нахо­
дятся в разных условиях. Ось свободна от действия каких бы то ни было сил и пребы­
вает в «покое» (либо, что то же самое, в равномерном прямолинейном движении). А наблюдатель на краю диска движется от­
носительно оси, и, так как движение его не­
прямолинейно, он испытывает действие цен­
т р о б е жн о й с ил ы и не р ц и и, которая направлена от центра к периферии диска. Теперь вспомним СТО. По отсчету наблю­
дателя, сидящего на оси, время на краю вра­
щающегося диска замедлено по сравнению с временем на оси, а расстояния сокращены. С другой стороны, признаком вращения дис­
ка служит наличие центробежной силы инер­
ции. Поэтому резонно сказать: в поле центро­
бежной силы инерции время замедляется, а расстояния сокращаются, Подобные рассуждения можно провести и для любых других сил инерции. Но тогда, вспомнив эквивалентность инер­
ции и тяжести, мы обязаны заключить, что и в гравитационном поле время должно замед­
ляться, а расстояния — сокращаться. Раз уж инерция тождественна с тяжестью, то тонкая особенность пространства и времени, харак­
терная для поля инерционных сил, должна присутствовать и в поле тяготения. Сказанное справедливо локально — в до­
статочно малых масштабах длин и длитель­
ностей. Но если в малых частях земного тяготения деформируются пространство и время, то и в целом, «большом» поле земного тяготения пространство и время обязаны из­
меняться (ибо целое складывается из частей). Любая планета, звезда, галактика обла­
дает этой парадоксальной способностью — изменять вокруг себя пространство и время. Как именно это происходит, можно рассчи­
тать. Такое исследование содержит, правда, большие математические трудности и до сих пор не выполнено в общем виде. Но частные решения получены. ИСКРИВЛЕННЫЙ МИР Между Землей и падающим на нее кам­
нем нет никакого «дальнодействия», таинст­
венного влияния планеты «через пустоту». Падающий камень летит по и н е р ц и и. Тем не менее он движется с ускорением, потому что пространство и время изменены гигант­
ской земной массой. Пространство и время изменяются совме­
стно, в тесной связи друг с другом. Поэтому физики соединяют оба эти понятия в одно: п р о с т р а н с т в о - в р е мя (иногда говорят просто м и р). Причем изменение пространст­
ва-времени (мира) крупными массами при­
нято называть и с к р и в л е н и е м. Не следует думать, что искривление про­
странства-времени массой Земли сколько-
нибудь значительно. Увидеть его глазами, измерить линейкой, засечь обыкновенными часами невозможно. Но современный сверх­
точный эксперимент выявил различие. На­
пример, зарегистрирована разница в темпе хода времени у подножия и под крышей две­
надцатиметровой башни. Разница составляет миллионную долю от миллиардной доли (10~15). На такую часть секунда внизу дольше, чем секунда вверху, где земное поле тяготе­
ния чуточку слабее. Столь же ничтожно сокращаются и рас­
стояния. И этого мизерного преобразования про­
странства-времени достаточно, чтобы рез­
ко изменить характер движения тел по инер-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Н 49 ции: движение становится хорошо знакомым нам падением. Вот откуда-то из далекого космоса летят рядом камень и пушинка. На их пути Земля. Пространство-время искривляется. Укоро­
ченные сантиметры проходятся камнем и пу­
шинкой за удлиненные секунды. Начинается ускорение. Оба тела падают, причем вместе, не отставая друг от друга. Потому что про­
странство-время искривляется совершенно одинаково для камня и для пушинки. В искривленном мире обращаются Земля вокруг Солнца, Луна вокруг Земли и т. д. Они тоже летят по инерции, но благодаря ис­
кривлению пространства-времени их пути согнуты, их скорости непостоянны. Такое объяснение, сводя тяготение к инерции, обходится не только без таинствен­
ного «дальнодействия», но и без предположе­
ния о делении массы на тяжелую и инерт­
ную. По Эйнштейну, тяжелой массы не су­
ществует. Есть только инертная. Вес тел ОТО истолковывает как силу инерции, т. е. в данном случае силу, с кото­
рой тело давит на опору, мешающую ему дви­
гаться по инерции. С такой силой космонавт давит на кресло в разгоняющейся ракете («перегрузки»). И яблоко тянет вниз ветку яблони потому, что эта ветка мешает яблоку по инерции упасть на землю. Не будь ветки, яблоко тотчас оказалось бы свободным в ис­
кривленном пространстве-времени, где дви­
жение по инерции обязательно происходит с ускорением. И упало бы. Так признание искривления пространст­
ва-времени крупными массами позволило перейти от локального принципа эквивалент­
ности инерции и тяжести к общему. И свести к инерции любое тяготение. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ОТО ОТО еще глубже изменила научные пред­
ставления о мире. Потерял универсальность первый закон ньютоновской динамики — оказалось, что движение по инерции может быть криволинейным и ускоренным. Отпала надобность в понятии тяжелой массы. Из­
менилась геометрия Вселенной: вместо пря­
мого евклидовского пространства и равномер­
ного времени появилось искривленное прост­
ранство-время, искривленный мир. Столь резкой перестройки воззрений на физические первоосновы мироздания не зна­
ла история науки. Тем не менее классическая механика по­
ныне широко и плодотворно служит физике, технике, астрономии и никогда не потеряет своего огромного значения. Объясняется это сравнительной простотой, удобством класси­
ческих моделей и формул, их чрезвычайно высокой точностью, близостью к реальной природе. Только там, где приходится иметь дело с очень большими относительными скоростями тел {например, в современных ускорителях), либо с очень высокими концентрациями энергии и массы (ядерные процессы), либо с гигантскими гравитационными полями (яв­
ления, разворачивающиеся в непосредствен­
ной близости от звезд или в масштабах всей Метагалактики), выходят на сцену эффекты СТО и ОТО. Тут уж расчеты должны вестись на основе эйнштейновской физики. Есть астрономические события, объяснить которые удается только с позиций ОТО. Эти-
то явления и доказали справедливость новой теории тяготения. Один из примеров — луч света, проходя­
щий около Солнца. И ньютоновская механи­
ка, и ОТО признают, что он должен откло­
ниться к Солнцу (падать). Однако ОТО пред­
сказывает вдвое большее смещение луча. Наблюдения во время солнечных затмений доказали правоту предсказания Эйнштейна. Другой пример. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий обращается вокруг свети­
ла не по точному эллипсу, как предписано ньютоновской небесной механикой. Этот эл­
липс сам вращается — очень медленно, на 43 угловые секунды за столетие. Именно та­
кую орбиту дает вычисление по формулам ОТО. Замедлением времени в сильном гравита­
ционном поле объясняют уменьшение часто­
ты световых колебаний в излучении белых карликов — звезд очень большой плотности. А в последние годы этот эффект удалось за­
регистрировать и в лабораторных условиях. Наконец, очень велика роль ОТО в совре­
менной космологии — науке о строении и истории всей Вселенной (см. ст. «Вселенная вчера, сегодня и завтра»). В этой области зна­
ния также найдено много доказательств эйн­
штейновской теории тяготения. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 93 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ НЕОБЫЧАЙНЫЕ ОТКРЫТИЯ Развитие физики, как и каждой науки, полно неожиданностей. Как раз в то время, когда ученые окончательно убедились, что мир «построен» нз протонов, нейтронов и электронов, физики начали обнаруживать поразительное изобилие новых, дотоле неиз­
вестных частиц. Все эти частицы (так же как протон, нейтрон и электрон) современная наука относит к элементарным, т. е. простей­
шим. Но хотя они простейшие, некоторые из них обладают настолько удивительными свойствами, что даже физики, которые уже привыкли ничему не удивляться, назвали их странными частицами. Сейчас известно множество видов элемен­
тарных частиц. Из них только три, о кото­
рых мы уже говорили, внутриатомные, т. е. участвуют в создании атомов, а следователь­
но, и всех обычных тел. Остальные частицы совсем не похожи на частицы вещества в на­
шем обычном представлении. В большинстве своем они так неустойчивы, что за ничтож­
ные доли секунды претерпевают самые не­
ожиданные превращения. Такие частицы можно обнаружить лишь там, где они непре­
рывно образуются. Чтобы открыть их, потре­
бовалось величайшее искусство физиков. Вначале новые частицы обнаружили в космических лучах. Из космоса к нам, в зем­
ную атмосферу, приходят потоки частиц с большими энергиями. Сталкиваясь с частица­
ми воздуха, они испытывают различные пре­
вращения. Физики изучили условия этих превращений и теперь сами умеют ускорять заряженные частицы до больших энергий в специальных приборах — ускорителях. Уда­
ряя потоком быстрых частиц в мишень из любого вещества, получают новые элемен­
тарные частицы в гораздо большем количе­
стве, чем в космических лучах. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Самое важное свойство элементарных ча­
стиц — это способность к превращениям. Раньше думали, что на это способны только сложные частицы, состоящие из более про­
стых. Но опыт показал, что таковы свойства большинства элементарных частиц. Когда мы наблюдаем радиоактивный бе­
та-распад, мы видим, что нейтрон распадает­
ся на протон и электрон, а протон — на ней­
трон и позитрон. Какая же из этих частиц простая (элементарная) и какая сложная?.. Чем больше сведений получали физики о природе и свойствах частиц, тем яснее стано­
вилось, что нужно дать такой ответ. Как протон, так и нейтрон — элементар­
ные, т. е. простейшие, частицы. Ни тот ни другой не построены из еще более простых частиц. Но каждый из них в определенных условиях способен к превращениям, при ко­
торых возникают новые частицы. МНОЖЕСТВЕННОЕ РОЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ Особенно наглядно это свойство прояв­
ляется при столкновениях частиц, из кото­
рых одна обладает очень большой энергией. Бета-распад. Взаимопревращение ядерных протонов и нейтронов. На­
верху: протон, превращаясь в ней­
трон, испускает позитрон и нейтри­
но. Внизу: нейтрон, превращаясь з протон, испускает электрон и анти­
нейтрино. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 94 Когда такая частица из потока космиче­
ских лучей сталкивается в атмосфере с атом­
ным ядром кислорода, азота или другого газа, происходит множественное рождение но­
вых частиц. Рождающиеся частицы, в свою очередь, сталкиваясь с ядрами других ато­
мов, размножаются в большом количестве. Получается широкий ливень быстрых заря­
женных частиц, и все они — «потомки» од­
ной, первичной частицы, передавшей им свою энергию. Подсчитав мощность ливня, можно определить энергию первичной части­
цы. Ученым удавалось наблюдать ливни, у которых энергия первичной частицы должна быль быть в миллиарды раз больше, чем у частиц, получаемых в самых мощных уско­
рителях. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ Ученые долго спорили о природе света. Ньютон считал, что свет — поток быстрых частиц, а его современник Гюйгенс — что это распространение волн. Более двух столетий большинство ученых считало, что Ньютон ошибся. Была создана электромагнитная теория света, и она блестяще подтвердилась опытами. По этой теории, свет — колебатель­
ные изменения силы электрических и маг­
нитных полей, распространяющиеся в про­
странстве подобно волне. Такая же природа и у радиоволн, они отличаются от света лишь тем, что их колебания происходят в миллиар­
ды раз медленнее. Но когда стали внимательно изучать взаимодействие света с веществом, оказалось, что световая энергия может испускаться или поглощаться только определенными порция­
ми — квантами. Так родилась новая, кванто­
вая физика. Создатель теории относительно­
сти Эйнштейн установил, что свет — сложное явление, что он представляет собой одновре­
менно и электромагнитные волны, и поток частиц (световых квантов, или, как их назва­
ли, фотонов). Можно, не делая никакой ошибки, рассматривать свет просто как по­
ток фотонов, но следует помнить, что эти световые частицы обладают волновыми свой­
ствами. В дальнейшем квантовая фпзика устано­
вила, что не только фотоны, но и остальные частицы также обладают волновыми свой-
ствами. Замечательные опыты с дифракцией электронов убедительно доказали, что поток электронов в определенных условиях ведет себя как волна. Из квантовой механики — основы современной теоретической физики — следует, что всякая частица обладает волно­
выми свойствами. Фотон в этом смысле вовсе не исключение. Итак, к списку известных нам элементар­
ных частиц мы должны добавить световую частицу — фотон. ТЯЖЕЛЫЕ, СРЕДНИЕ И ЛЕГКИЕ ЧАСТИЦЫ Мы не будем перечислять все известные науке частицы, а сосредоточим внимание на их общих свойствах. По массе все частицы разделяют на три группы: барионы, мезоны и лептоны. Названия эти происходят от гре­
ческих слов «тяжелый», «средний» и «лег­
кий». К барионам относятся нуклоны — протон и нейтрон, а также частицы более тяжелые, чем нуклоны, — их называют гиперонами. К лептонам принадлежат электрон, а также позитрон и нейтрино, о которых речь будет идти ниже. Мезоны — частицы со средней массой: они легче нуклонов, но тяжелее электронов. Все они неустойчивы и за малые доли секун­
ды распадаются. По массе, времени «жизни» и другим свойствам их разделяют на не­
сколько групп: мю-мезоны (мюоны), пи-
мезоны (пионы), К-мезоны (каоны) и т. д. Особняком стоит фотон, или световой квант. Не только фотоны, но все другие элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Дифракция пучка электронов происходит точно так же, как и дифракция светового пучка. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 95 Если учитывать не только массу, но и другие свойства частиц, то можно объеди­
нить гипероны и К-мезоны в одну группу «странных частиц», а мю-мезоны отнести к лептонам. В группе мезонов при этом остают­
ся только пи-мезоны. У большинства элементарных частиц есть спин. ЧАСТИЦЫ-ВОЛЧКИ Мы знаем, что существуют постоянные магниты и электромагниты. В электромагни­
те течет круговой ток; он и возбуждает маг­
нитное поле. В постоянном магните обычных токов нет. В нем магнитное поле возбуждают атомы и даже отдельные электроны, которые ведут себя как маленькие магнитики. Обыч­
но эти магнитики направлены беспорядочно. При намагничивании они выстраиваются в одном направлении. То, что электрон ведет себя как магнит, проще всего объяснить тем, что он вращается, как волчок, вокруг своей оси. Ведь вращающийся заряд — все равно что круговой ток. Любое заряженное тело при вращении становится магнитом. Кстати, и многие другие свойства электрона объясни­
мы тем, что он вращается вокруг своей осп. Но электрон нельзя считать телом с опре­
деленными размерами и определенной фор­
мой. Вращение электрона вокруг своей осп совсем не то же самое, что вращение тела с определенными размерами и формой. Для этого свойства электрона придумали специальное название — с пин. Спином обла­
дают также протоны, нейтроны и многие другие из элементарных частиц. Такую ча­
стицу следует представлять себе как волчок. Но есть частицы и не обладающие спином, например пи-мезоны. ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ Мы уже говорили о позитроне. Эта части­
ца очень похожа на электрон, но только «вы­
вернутый наизнанку». Если то или иное свой­
ство частицы можно выразить числом, то величины таких чисел у электрона и позитро­
на всегда точно одинаковы. Но если у этого числа есть знак (положительный или отрица­
тельный), то для электрона и позитрона эти знаки обязательно противоположны. Масса электрона ничем не отличается от массы по­
зитрона — масса ведь не может быть отрица­
тельной. Электрический заряд у электрона отрицательный, у позитрона — положитель­
ный, но величины зарядов равны. Позитрон можно было бы назвать «противоэлектро-
ном» или «антиэлектроном». Теоретическая физика предсказала и су­
ществование позитрона, и то, что у других частиц тоже должны быть античастицы, у которых такие же свойства, только с обрат­
ным знаком. Это предвидение блестяще под­
твердилось, когда были открыты антинукло­
ны, т. е. антипротоны и антинейтроны. Толь­
ко у фотона нет античастицы, точнее, он сов­
падает с нею. Поэтому, если есть где-нибудь антимир, то свет от него ничем не отличает­
ся : он состоит из антифотонов, одинаковых с фотонами, Теория предсказала и еще более порази­
тельный факт. Оказывается, сами частицы и античастицы ведут себя подобно положи-
тельным и отрицательным числам в алгебре: прибавить античастицу — это то же самое,. что отнять частицу. В алгебре сложение поло­
жительного и отрицательного чисел равной величины дает в результате нуль. Подобно этому частица с античастицей при столкнове­
нии как бы уничтожаются, или, как говорят, аннигилируют (от латинского слова nihil — ничто). Слово «уничтожаются» надо понимать в том смысле, что после столкновения не остается частиц того же вида. Но ни масса, ни энергия частицы и античастицы не исче­
зают. В результате аннигиляции образуются более легкие частицы, уносящие с собой всю энергию первоначальных частиц. Энергия, выделяющаяся при аннигиляции, громадна. Это самый мощный источник энергии, извест­
ный науке. Если бы удалось поставить его на службу человеку, он был бы в тысячи раз ЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 96 мощнее ядерных источников при одинаковом весе вещества, дающего энергию. Отдельные античастицы образуются при столкновении частиц, обладающих очень вы­
сокой энергией. Чем тяжелее античастица, тем более высокая энергия нужна, чтобы ее получить. Прежде всего ученые обнаружили легкую античастицу — позитрон. Ее обнару­
жили в космических лучах. Теперь физики научились получать различные античасти­
цы, вплоть до самых тяжелых — антигипе­
ронов. Для этого в мощном ускорителе уда­
ряют потоком частиц по какой-либо мишени. При этом античастицы рождаются всегда попарно с частицами и быстро аннигилируют с окружающим веществом, но физики успе­
вают их заметить по следам, которые те оставляют на фотографической пластинке. К сожалению, современная техника еще очень далека от возможности получить прак­
тически измеримое количество антивещества. Тем более неясно, как можно отделить анти­
частицы от рождающихся вместе с ними ча­
стиц. Если бы у нас в руках было антиве­
щество, возникла бы еще одна интересная и нелегкая задача — сохранить его от анниги­
ляции с обычным веществом. Но для реше­
ния этой задачи можно уже теперь указать разумные пути. «ОТШЕЛЬНИКИ» И «ОБЩЕСТВЕННИКИ*. Вы познакомились с некоторыми подраз­
делениями в мире элементарных частиц: ча­
стицы и античастицы, барионы, мезоны и лептоны. Физики разделяют частицы еще на две важные группы. Частицы первой группы называются ф ё р-
ми - ч а с т и ц а ми или фе р ми о н а ми (по имени итальянского ученого Энрико Ферми, который объяснил их свойства). Это частицы-
«отшельники» : в группе таких частиц в опре­
деленном состоянии может находиться только одна частица. К ферми-частицам от­
носятся все внутриатомные частицы: элек­
троны и нуклоны (протоны и нейтроны). Это частицы-волчки. Они вращаются вокруг своей оси, т. е. обладают спином. Два элек­
трона в атоме не могут вращаться по одной и той же орбите и с одинаковым направлением спина (этот закон называется принципом Паули). А раз каждый электрон обязательно имеет свою индивидуальную характеристику, значит, нее они относятся к ферми-частицам (то же самое можно выразить так: электро­
ны подчиняются статистике Ферми — Ди­
рака). Иногда приходится иметь дело с большим количеством ферми-частиц, свободно движу­
щихся в пространстве. Они образуют своего рода газ, который называется ферми-газом. Частицы в таком газе не могут двигаться с равными скоростями, т. е. иметь одинако­
вую энергию. Тогда бы они находились в одинаковом состоянии, что для ферми-частиц «запрещено». Частицы ферми-газа продолжа­
ют двигаться до абсолютного нуля, т. е. у его частиц сохраняется кинетическая энер­
гия, и притом тем большая, чем больше плотность газа. При сжатии ферми-газа его частицы как бы выжимаются на более высокие уровни энергии. Это явление происходит, в частно­
сти, с электронами в металлах. В атоме ме­
талла внешние, валентные электроны так слабо связаны, что некоторые из них уже не могут удержаться на своих орбитах. Они от­
рываются от атомов и образуют в металле свободный электронный газ, обладающий свойствами ферми-газа. Именно эти электро­
ны и переносят электрический ток. Но есть среди элементарных частиц и та­
кие, которые обладают прямо противополож­
ными свойствами: они стремятся находиться вместе в одном и том же состоянии. Такие частицы-йобщественники» называются б о-
з е - ч а с т и ц а ми или б о з о н а ми (иногда о них говорят, что они «подчиняются статисти­
ке Бозе — Эйнштейна») — по имени индий­
ского физика Шатьендраната Бозе, который теоретически объяснил их поведение. К бозе-
частицам относятся прежде всего световые кванты, или фотоны, а из неустойчивых ча­
стиц — пи-мезоны. НЕУЛОВИМАЯ ЧАСТИЦА Когда физики изучали радиоактивный бе­
та-распад, при котором нейтрон может пре­
вратиться в протон и электрон, а протон — в нейтрон и позитрон, они, как строгие бух­
галтеры, старались свести баланс энергии в этом процессе. Но баланс никак не сходился: часть энергии «исчезала» неведомо куда. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Неуловимая частица — нейтрино — свободно проникает сквозь толщу земного шара. Пришлось предположить, что какой-то «вор» уносит энергию, что в процессе распада ис­
пускается еще одна частица, почти неулови­
мая. Оказалось, она совершенно беспрепятст­
венно пролетает через такую толщу вещест­
ва, как вся наша Земля, как Солнце или любое известное небесное тело! Такое воз­
можно потому, что эта частица почти не взаимодействует с веществом. Отсюда заклю­
чили, что у нее нет, в частности, электриче­
ского заряда, и ее назвали нейтрино. Это итальянское слово можно перевести как «нейтралочка», т. е. маленькая нейтральная частица. Лет двадцать новая частица оставалась неуловимой. В конце концов физикам все же удалось ее поймать. Для этого пришлось за­
тратить немало труда. Сейчас уже довольно много известно о свойствах нейтрино. Это ферми-частица, и у нее есть спин. Но, по современным представ­
лениям, нейтрино правильнее сравнить не с волчком, а с винтом. Насколько нам извест­
но, частица нейтрино подобна фотону в том отношении, что ее нельзя остановить: она всегда движется со скоростью света, при этом как бы ввинчиваясь в пространство. Когда физикам удалось поймать нейтри­
но, было сделано важное открытие: оказа­
лось, что, кроме нейтрино, существует еще и антинейтрино, только эти частицы труд-
7 Познание продолжается но отличить друг от друга. Нейтрино ис­
пускается во всех процессах, где рождается позитрон или поглощается электрон, анти­
нейтрино — при испускании электрона или поглощении позитрона. Следовательно, анти­
нейтрино испускается при распаде нейтрона. Чем же нейтрино и антинейтрино отлича­
ются друг от друга? Ведь античастица долж­
на быть зеркальным отражением частицы, а у нейтрино как будто нечему и «отражать­
ся». Ответ был найден, когда установили, что эти частицы винтообразны: одна из них У нейтрино и антинейтрино раз­
личный спин: они вращаются в противоположим? стороны. ввинчивается в пространство как правый, другая как левый винт. Одна из интереснейших, но и труднейших задач для физиков и астрономов — поймать нейтрино неземного происхождения. Прежде всего нужно измерить поток нейтрино от Солнца. Это поможет определить, какие ядерные реакции происходят в Солнце и звездах. Интересно, что солнечные нейтрино лучше ловить ночью: ведь Еемля для них не препятствие, а другие солнечные излучения, мешающие измерениям, ска задержит. Если удастся изучить нейтрино, приходящие к нам на Землю из глубин космического простран­
ства, мы узнаем много НСЕОГО О Вселенной в целом. КВАНТОВАНИЕ ПОЛЕЙ И ПИ-МЕЗОНЫ Свет, как мы уже знаем, — это распро­
страняющаяся электромагнитная волна, т. е. колебательный процесс в электромагнитное поле. Свойства волны должны быть связаны ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА II ФИГУРЫ 8 с общими свойствами электромагнитного по­
ля. Отсюда физики-теоретики пришли к вы­
воду, что всякое электрическое и магнитное взаимодействие осуществляется с помощью фотонов. Притяжение или отталкивание двух заряженных тел происходит оттого, что они обмениваются фотонами. Раньше мы называ­
ли фотоны световыми квантами, но правиль­
нее их называть квантами электромагнитно­
го поля. Вероятно, и любые другие взаимодейст­
вия (как говорят физики, поля) переносятся частицами. На таком предположении по­
строена теория квантовых полей, в которой частицы, переносящие взаимодействие, на­
зываются квантами поля. Ядра атомов состоят из нуклонов, кото­
рые крепко связаны ядерными силами. Физики-теоретики попытались квантовать ядерные силы, т. е. объяснить их как обмен нуклонов какими-то частицами. Расчеты по­
казали, что масса таких частиц должна ле­
жать посередине между массами нуклона и электрона; предполагаемые частицы и наз­
вали мезонами (что значит «средние»). Затем частицы средних масс нашли в космических лучах, а позднее получили их искусственно с помощью ускорителей. Первые найденные мезоны слабо взаимо­
действовали с ядрами. Эти частицы сейчас называют мю-мезонами. Они похожи на электроны, только примерно в 200 раз тяже­
лее. Истинными квантами ядерного взаимо­
действия оказались другие частицы, которые назвали пи-мезонами. Они бывают положи­
тельными, отрицательными и нейтральными. Нейтральный пи-мезон, как п фотон, неотли­
чим от своей античастицы. Какие же частицы заслуживают назва­
ния элементарных? Это один из самых глав­
ных вопросов, над которыми трудятся фи­
зики. Он пока еще окончательно не решен. Слишком много оказалось частиц, которые, видимо, имеют право называться элементар­
ными. Кроме того, физики установили неко­
торые общие закономерности среди тяжелых элементарных частиц (барпонов), частиц, которые мы можем создавать и изучать с помощью мощных ускорителей. Эти законо­
мерности убедительно доказывают, что у ча­
стиц высоких энергий должны существовать какая-то общая структура, какие-то более глубокие скрытые общие свойства, которые физики надеются обнаружить. Возникла мысль, не построены ли сегодняшние элемен­
тарные частицы из небольшого числа дей­
ствительно элементарных частиц. Но об этом надо говорить отдельно (см. ст. «У порога неведомого»). ЖИЗНЬ АТОМНОГО ЯДРА В начале нашего столетия ученые еще ни­
чего не знали о строении атомного ядра, о ядерных превращениях. Считалось непре­
ложной истиной, что атомные ядра сущест­
вовали всегда и что они, следовательно, неиз­
менны. По современным же представлениям, все многообразие ядер элементов Солнечной системы образовалось из простейших ядер во­
дорода — протонов несколько миллиардов лет назад. Более того, опытом и теоретически установлено: большинство атомных ядер са­
ми по себе постоянно превращаются в другие ядра, или, как принято говорить, испытыва­
ют радиоактивный распад. А в наши дни физики научились искусственно получать из одного ядра другое. ...В подмосковный город Дубну, в лабора­
торию, где получают новые атомные ядра и исследуют их свойства, приехали физики из Копенгагена. На стене своей комнаты они повесили плакат, на котором было нарисова­
но генеалогическое древо датских королей, а рядом будто случайно оказалась схема го­
раздо более древней родословной; основа­
тель ее — уран-238 появился на Земле на пять миллиардов лет раньше самого первого датского короля, И если истории известен 51 датский король, от Горма Старого и Га­
рольда Синего Зуба до Фредерика IX. ны­
нешнего датского короля, то потомки урана превосходят число королей. Попробуем разобраться в сложной родо­
словной урана (рис. 1). Для этого нужно вспомнить, что все ядра состоят из протонов п нейтронов. Число протонов равно атомному номеру элемента. Так, в ядре урана 92 про­
тона, и поэтому он находится в 92-й клетке таблицы периодической системы Д. И. Мен-
ЖИЗНЬ АТОМНОГО ЯДРА 99 Рис. I. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 100 делеева. Сумму протонов и нейтронов, входя­
щих в ядро, называют массовым числом. В ядрах урана, который геологи находят в горных породах, может быть 146 или 143 нейтрона. Поэтому массовое число при­
родного урана может быть 238 или 235. Ядра с одним и тем же числом протонов, но с раз­
ным числом нейтронов называются изото­
па ми. Поместим рядом со счетчиком радиоак­
тивных излучений грамм урана-238. Счетчик буквально захлебнется от поступающих на него частиц. Ведь за одну секунду из грамма урана вылетает 12 тыс. альфа-частиц — ядер гелия со скоростью 14 тыс. км/сек. В ядре ге­
лия два протона и два нейтрона, поэтому у каждого ядра, испустившего альфа-частицу, порядковый номер уменьшается на две, а массовое число — на четыре единицы, так что из урана получается радиоактивное ядро тория с массовым числом 234 — goTh23^. Из ядра тория вылетают ядерные электроны — бета-частицы. При этом один из нейтронов ядра становится протоном и, значит, заряд увеличивается на единицу, а масса ядра практически не изменяется. После двух по­
следовательных распадов торий-234 перехо­
дит в уран, но уже с массой 234. Уран-234 также нестабилен... Последний в этой цени — свинец-206. Так вследствие испускания ядер гелия и электронов из урана-238 образуется 15 раз­
личных ядер! Сколько бы мы нп ждали у счетчика, ок­
руженного чистым свинцом-206, нам не уда­
стся зарегистрировать его распад. Поэтому свинец-206 считают нераспадающимся само­
произвольно — с т а б и л ь н ым из от опом, и если взять кусок урановой руды, она обяза­
тельно будет содержать свинец, образовав­
шийся в результате распада урана. Доля ядер свинца в руде как раз будет равна доле ура­
на, который распался за время существова­
ния породы, содержащей урановую руду. В самых старых горных породах — ровесни­
цах Земли — ядер свинца и урана поровну. Значит, уран распался в шгх наполовину. Период полураспада урана известен, отсюда можно определить п возраст нашей планеты. Он оказывается примерно равным 5 млрд. лет. Если в породе на каждые 100 ядер ура­
на приходится только 10 ядер свинца, то воз­
раст породы 770 млн. лет. Такой метод опре-
деления возраста пород и самой Земли счи­
тается одним из самых точных. Счетчик, регистрирующий распад урана, преобразует энергию альфа-частиц в электри­
ческие сигналы-импульсы (рис. 2). Чем боль­
ше энергия альфа-частицы, тем больше им­
пульс, который она вызывает. В процессе распада одного грамма урана-238 изредка появляются гигантские импульсы, в 50 раз больше обычных. Откуда они берутся? Ока­
зывается, ядра урана порой самопроизволь-
Рис. 2* А — импульсы альфа-частиц; В — импульс осколка деления ядра урана. но делятся примерно на две равные части — ядра-осколки. Массовое число каждого из них — около половины массового числа ура­
на, а энергия в 50 раз больше энергии аль­
фа-частицы. (Это явление настолько редко и удивительно, что, когда оно впервые было об­
наружено советскими физиками Г. Н. Флеро­
вым и К, А. Петржаком в 1940 г., некоторые ученые не поверили в уже сделанное откры­
тие.) В таком процессе образуются сотни разных ядер. Сравнительно недавно среди я Де Р — осколков самопроизвольного деления обнаружено необыкновенное ядро гелия, в котором в 3 раза больше нейтронов, чем в обычном ядре аНе'3. Это сверхтяжелый ге-
лий-8. Но на этом не кончаются изменения ядер урана. Каждый час в каждом грамме его об­
разуется 12 ядер нептуния и плутония — элементов с атомными номерами 93 и 94. Вот как это происходит. Среди частиц, летящих из космоса на Землю, есть нейтроны. Рождаются нейтроны также п при самопроизвольном делении ура­
на. Ядра урана поглощают нейтроны, п по­
лучается уран с массовым числом 239. Такое ЖИЗНЬ АТОМНОГО ЯДРА 101 Рис. 3, ядро и превращается в плутоний и нептуний (рис. 3). Почему распадаются ядра? Оказывается, если ядро с массовым числом А и зарядом Z тяжелее суммы: [альфа-частица + (ядро с массовым числом А—4 и зарядом Z—2)], то такое ядро в принципе должно испытывать альфа-распад. Здесь надо иметь в виду, что массовое число — это округленное значение веса ядра. Так, массовое число урана-238 равно 238, а точное значение его мас­
сы — 238,12493 массовой единицы (массо­
вая единица — м. е. — 1/16 доля веса атома изотопа кислорода еО1 6 — равна приблизи­
тельно 1,66-10 г4 г), масса тория-234 равна 234,11650, ядро же гелия — альфа-частица весит 4,00387 м. е. Сумма масс тория-234 и ядра гелия-4 меньше массы урана-238 на 0,00456 м. е. Поэтому и возможен распад урана-238 и тем более урана-239. Избыток массы в 0,00456 м. е. переходит в кинетиче­
скую энергию ядра гелия. Другой пример. Последний член ураново­
го ряда — свинец-206. Если вычесть из мас­
сы этого изотопа массу ртути-202 и гелия-4, получим 0,0018 м. е. По формуле Эйнштейна Е = тс2 можно вычислить энергию, с кото­
рой должна вылетать альфа-частица из ядра свинца. Эта энергия равна 1,6 Мае. (1 Мэе — миллион электрон-вольт — единица, ь кото­
рой принято измерять энергию в ядерной фи­
зике.) Но наблюдать распад ядер свинца никог­
да не удавалось. Дело в том, что скорость распада очень сильно зависит от энергии вылетающей альфа-частицы. Так, хотя энер­
гия альфа-частицы распадающегося ура­
на-238 всего в 2,5 раза больше энергии аль­
фа-частицы, которая вылетает из свинца-206, скорость распада свинца меньше в 1025 раз, а среднее время жизни его ядра 10м лет!! За все время существования Земли из килограм-
ма свинца-206 вылетела только одна альфа-
частица! Претерпевая изменения, ядра рассказы­
вают ученым о себе. Возвратимся опять к рисунку 1. Среди потомков урана-238 есть и уран с массовым числом 234, по традиции этот уран называют ураном-П. На рисунке 1 показано, что уран-Н переходит в торий-230, испуская при этом альфа-частицы. Когда у физиков не было приборов, регистрирующих энергию частиц с высокой точностью, счита­
лось, что все альфа-частицы урана-Н облада­
ют одинаковой скоростью. С повышением точности измерений выяс­
нилось, что эти скорости различны. На каж­
дую тысячу ядер гелия, испускаемых ура-
ном-234, три вылетают со скоростью 14 790 км/сек, 277 — со скоростью 14 990 кмIсек, а скорость остальных 720 ядер равна 15 060 км/сек. Рис. 4. Цифры у стрелок — число ядер урана-234, перешедших на уровни торня-230 (на каждую тыся­
чу распадов), Если скорость альфа-частицы, покидаю­
щей ядро урана-П, меньше максимальной, то в образующемся ядре тория-230 остается из­
быток энергии, и он тем больше, чем мень­
ше скорость вылетающей частицы. Этот из-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 102 быток ядро тория излучает в виде гамма-лу­
чей. Обычно строят так называемую схему распада (рис. 4). Горизонтальные линии ука­
зывают избыток энергии в ядре- Их назы­
вают энергетическими уровнями. По распо­
ложению этих уровней физики могут рас­
считать форму ядра, его момент количества движения и другие характеристики. Так, из приведенной схемы уровней тория-230 физик сразу определит, что его ядра вытянуты вдоль оси Z. Но чтобы разбираться в таких схемах, необходимо знать квантовую механику. Природные изотопы свинца считают­
ся стабильными ядрами, — времена жизни их настолько велики, что наблюдать их рас­
пад невозможно. Но по-настоящему стабиль­
ные ядра существуют только в области мас­
совых чисел, меньших 130. Начиная с этого массового числа альфа-распад невозможен. А если все же среди таких ядер изредка по-
Рпс. 5. Следы космических частиц на фотопластинках. Чем шире след «пришельца*, тем выше его атом­
ный номер (2). Легко отличить же­
лезо (Ее) от неодима (Md), а неодим от тория (Th). Обнаружен значи­
тельно более широкий след элемен­
та, порядковый номер которого должен быть больше 110. Может быть, 114 или 126? падаются нестабильные (например, половина i9K40 переходит в «оСа40 за 1,3 млрд. лет), то их превращения происходят путем излучения бета-частиц — ядерных электронов. Но есть ядра, распад которых не только нельзя наблюдать опытным путем, но и по теоретическим оценкам они не должны сами по себе превращаться в другие ядра. Так, яд­
ра гелия-4 или простейшее ядро-протон само­
произвольно не распадаются. Если же они находятся в верхних слоях Земли, на них непрерывно обрушивается поток космиче­
ских лучей, в который входят нейтроны, протоны, мезоны и даже такие тяжелые ядра, как ядра железа или урана. Эти части­
цы, попадая в любое ядро, меняют его струк­
туру. ведь они летят с огромной скоростью (рис. 5)1 Ядра из космоса не проникают глубоко в Землю. Они тормозятся ее веществом на небольшой глубине. Так может быть, в нед­
рах Земли ядра неизменны? Однако есть частица в космосе, которая свободно прохо­
дит сквозь Землю. Это нейтрино. Частица, почти не взаимодействующая с веществом. Поэтому нейтрино проникает на любую глу­
бину, и ни одно ядро не защищено от потока этих частиц. Посмотрим же, что происходит под дей ствием нейтрино с ядрами, например с про­
тоном. Оказывается возможной такая реак­
ция : протон -I- нейтрино = нейтрон. Если про­
тон не вступает в реакции с ядрами, потому что они отталкивают его (протон и ядра эле­
ментов имеют положительный электриче­
ский заряд, а одинаковые заряды отталки­
ваются), то свободный нейтрон очень акти­
вен. В среднем за 0,01 сек после рождения образовавшийся нейтрон уже вступит в ядерную реакцию, и еще одно ядро испытает ядерное превращение. Нейтрино, как уже говорилось, слабо поглощается веществом, и за год во всей Земле только несколько грам­
мов протонов превратятся в нейтроны. Это совсем немного, но... за такой период, как 10ч лет — время жизни свинца-206, каждое ядро вещества Земли 10 миллионов раз под­
верглось бы воздействию неуловимых ча­
стиц, конечно, при условии, что поток нейтрино, падающих на Землю, оставался бы неизменным. Возможно ли выполнение этого условия? Нет и еще раз нет. За 10й лет прои­
зойдут процессы, которые перестроят нашу Галактику. Эти процессы связаны с ядерны­
ми превращениями, а значит, возникнут но­
вые условия для изменении атомных ядер, новые источники космических частиц, пото­
ков нейтрино. А пока и в наши дни всюду — в горных породах, лежащих на огромной глубине под Землей, в раскаленном центре нашей плане­
ты — атомные ядра непрерывно претерпева­
ют изменения, живут своей особой жизнью, 10 ]-it — КУРЧАТОВПИ 103 104-й — КУРЧАТОВИЙ (Рассказ ученых, открывших этот элемент) ПЕРВЫЙ ЗА АКТИНОИДАМИ В эпоху географических открытий люден пытливых и смелых манили к себе белые пятна на картах. Там скрывались неведомыа страны. Какими же картами и лоциями руковод­
ствовались мы, физики, намечая трассу к но­
вым, еще неизвестным элементам — к белым пятнам таблицы периодической системы Менделеева? Это прежде всего сама система элементов. Гафний: «Сто четвертый! Мы с то­
бой очень похожи — у нас по от­
дельной квартире, не то что у лан­
таноидов и актиноидов*. На рисунке изображена часть таблицы Менделеева. После 88-й клетки идет клетка 89—103. В ней расположена семья трансура­
новых элементов — от 93-го до 103-го. Все ее члены мало отличаются друг от друга хими­
ческими свойствами и поэтому находятся в одной клетке. Они входят в ряд актиноидов, и все созданы человеком. А какой элемент займет соседнюю клетку, расположенную под гафнием? Теория предсказывала, что 104-й должен резко отличаться от своих предшествен­
ников — актиноидов. Его поведение в хими­
ческих реакциях должно напоминать гаф­
ний. Экагафний — такое имя дал бы ему Д. И. Менделеев. СВОЙСТВА ЯДРА 104-го ЭЛЕМЕНТА Напомним, что номер элемента в перио­
дической системе равен числу протонов, вхо­
дящих в его ядро. Число нейтронов в ядре того же самого элемента может меняться, а значит, могут существовать атомы элемента с разным количеством нейтронов. Такие ато­
мы называются и з о т о п а м и. Сумма про­
тонов и нейтронов ядра называется ма с с о ­
в ы м ч и с л о м. Это число примерно равно массе ядра изотопа, выраженной в массовых единицах. Массовая единица — одна шест­
надцатая массы атома кислорода. Оценивая возможность синтеза изотопов 104-го, мы пришли к выводу, что с нашими экспериментальными средствами проще все­
го получить и обнаружить ядро нового эле­
мента 104 с массовым числом 259—260. Какие же свойства этого ядра мы могли предвидеть? Все трансурановые элементы нестабильны. Они непрерывно распадаются. Один из способов — а л ь ф а-р а с п а д. На­
пример, ядро 1042Г>0 может делиться на два ядра: ядро гелия с зарядом 2 и массой 4 и ядро 102-го элемента с зарядом 102 и мас­
сой 256: Ю4г е т —»1022 S 6 + a He4. Другой способ — с п о н т а н н о е д е л е ­
н и е: ядро самопроизвольно (спонтанно) де­
лится на два примерно равных по массе яд­
ра, которые называются о с к о л к а м и. Хотя мы не располагали надежной тео­
рией, объясняющей свойства трансурановых элементов, способ распада ядра 104-го уда­
лось предсказать. Наши оценки показывали, что новый элемент с массой 259—260 в ос­
новном будет делиться спонтанно. КАК ПОЛУЧИТЬ ЯДРО НОВОГО ЭЛЕМЕНТА? Если заряд первоначального ядра увели­
чить, например, на две единицы, то на столь­
ко же единиц возрастет порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Но как это сделать? Обстреляем нейтронами плуто-
ний-242. Ядро gjPu242, захватив нейтрон, за­
ряд которого нуль, а масса — единица, пре­
вратится в изотоп того же самого элемента плутония с массой в 243 единицы: .JPLI3 4 3. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 104 Ядро изотопа g 4 Pu2 4 3 само повышает свой заряд на одну единицу, испуская ^-части­
цу — электрон, а следовательно, переходит в ядро с зарядом 95 — в ядро элемента аме­
риция :,sAm243. В ядерных реакторах с интенсивными по­
токами нейтронов так могут быть получены все элементы, вплоть до 100-го — фермия. Может быть, так удастся получить 101-й — менделевий. Но к высшим элементам (102, 103, а тем более к 104-му) такой путь за­
крыт. Дело в том, что изотопы элементов, атом­
ный номер которых больше чем 101, живут в лучшем случае десятки секунд, а захват нейтронов даже в новейших реакторах с очень большой интенсивностью потока ней­
тронов требует длительного времени. Это — десятки дней, а то и месяцы. Ядра изотопов высшего элемента гибнут, не успев родиться. Есть другой путь: увеличить атомный номер ядра скачком, слив два сложных ядра. Если, например, с ядром урана (заряд 92) слить воедино ядро неона (заряд 10), то обра­
зуется составное ядро с зарядом 92 + 10 = = 102, т. е. ядро 102-го элемента. Простая арифметика, но на деле явление оказывается весьма сложным. Сложность его прежде всего в том, что слияние таких ядер может произойти лишь в том случае, если они сближаются с большой скоростью. Как известно, между ядрами действуют силы двух типов — отталкивание (так как они одноименно заряжены) и ядерное притя­
жение. Ядерные силы притяжения вступают в действие лишь на очень малом расстоянии между центрами ядер, когда ядра уже сопри­
касаются поверхностями. Электрические же силы отталкивания действуют на значитель­
но большем расстоянии. Поэтому в обычных условиях ядра не могут слиться. Для этого они должны обладать достаточно большой скоростью. Например, чтобы ядро неона сли­
лось с ядром урана, его скорость должна быть не менее 90 млн. км/час — в 30 000 раз Магнитное поле циклотрона застав­
ляет двигаться заряженный атом — ион неона — по спирали. При каж­
дом обороте пон получает втолчок» от электрического поля. Набрав достаточную скорость, ядро неона попадает в плутониевую мишень. Образуется составное ядро. Разде­
лившись на осколки, составное ядро переходит в сравнительно лег­
кие ядра, а испарив четыре нейтро­
на —-в 104-й элемент. 10-J-fi — КУРЧАТОВПП 105 больше скорости самого современного реак­
тивного истребителя! Рассмотрим процесс слияния ядер изото­
пов неона-22 и плутония-242: В результате этого процесса в новом ядре будет 104 протона (сумма зарядов неона и плутония), а его масса равна 242 + 22 = = 264 атомным единицам. Вновь образовав­
шееся ядро называется промежуточным, это ядро неустойчиво. Таким его делает энергия возбуждения, внесенная тяжелым снаря­
дом — неоном. Составное ядро деформирует­
ся, начинает совершать колебания и делится практически мгновенно на ядра-осколки. Новый элемент не получился. Но... В ДЕСЯТИМИЛЛИАРДНОЙ ДОЛЕ СЛУЧАЕВ ...К счастью, не всегда составное ядро мгновенно делится. В одном из десяти мил­
лиардов случаев образовавшееся составное ядро 104гь'1 не разделится, а «испарит» один за другим четыре или пять нейтронов, отдаст с ними излишнюю энергию и останется жить. «Испарение» нейтронов не влияет на заряд ядра. Только масса за счет потери нейтронов уменьшится на четыре или пять единиц. А где взять ядра неона, движущиеся со скоростью 30 000 км/сек? Нужен специаль­
ный ускоритель ядерных частиц. В нашей лаборатории (Лаборатория ядерных реакций в Дубне) установлен циклотрон тяжелых ионов — самый мощный в мире. В нем разго­
няют ионы — заряженные атомы тяжелее ге­
лия: кислород, неон, аргон. Магнит циклотрона, в котором ускоряют­
ся такие «тяжелые» ионы, должен быть большим; диаметр его полюсных наконечни­
ков 310 см, а вес 2500 т. Остальные узлы и детали циклотрона под стать размерам маг­
нита. Зал циклотрона — огромное помеще-
ние высотой 18 м и площадью 1500 лг2. Почти зал Большого театра! Но при всей мощности техники коэффи­
циент полезного действия такого «снаряда», как неон, очень мал. Из-за этого обнаружить ядра 104-го элемента среди неимоверно ov ромного количества осколков деления и остатков других побочных явлений во много раз труднее, чем, например, ядра 101-го эле­
мента, выход которых в ядерных реакциях в тысячу раз больше. АРЕНА ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ Если ядра плутония и ускоренные ядра неона — главные «действующие лица» в соз­
дании нового, 104-го элемента, то плутоние­
вая мишень—«арена», где происходит это ядерное превращение. Плутониевая мишень устроена так. На 2 см2 алюминиевой фольги толщиной в 6—10 мк нанесен слой плутония. Фольга с плутонием зажата между медными решет­
ками, которые отводят от нее тепло, выде­
ляющееся, когда ядра неона бомбардируют мишень. Не всякий плутоний годится для получе­
ния 104-го элемента. У плутония известно 15 изотопов с самыми различными свойст­
вами. Например, время жизни плуто-
ния-232 — 50 минут, а плутоння-244 — око­
ло 100 млн. лет. Для синтеза 104-го нужен изотоп 94Ри2,12, и на нашу мишень нужно всего 0,002 г этого изотопа. СХЕМА ОПЫТА Устройство, с помощью которого мишень вводится внутрь циклотрона в пучок уско­
ренных ионов, называется п р о б н и к о м. В пробнике помещена и вся основная аппа­
ратура, необходимая для регистрации ядер­
ных процессов. Рисунок (стр. 106) изобра­
жает схему получения 104-го элемента. На мишень 1 падает пучок ядер неона. Пройдя алюминиевую фольгу-подложку 2, неон попа­
дает в плутониевый слой. Сначала ядра нео­
на и плутония сливаются в составное ядро. Камерой Б зарегистрировано вдвое мень­
ше импульсов, чем камерой А, следовательно, число ядер 104-го элемента, прошедших мимо камеры Б, также вдвое меньше. За время пе­
реноса на расстояние / спонтанно разделилась половина всех ядер. Значит, /с — это время, за которое число ядер 104-го уменьшается вдвое, иными словами, *о — период полурас­
пада 104-го элемента. Расстояние / и скорость v мы выбираем сами. Зная эти величины, можно вычислить ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 106 Схема опыта получения 104-го элемента. «дчг; Ю4-п ЭЛЕМЕНТА „ОСМОЛМИ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР Ю4- Л ЭЛЕМЕНТА одну из самых важных характеристик ядра 104-го элемента — период его полураспада. Скорость ленты и расстояние между счетчи­
ками можно изменять. Так, если / = 0,3 м, a v — 1 м1сек, то период полураспада ядер близок к 0,3 сек; если v = 10 м/сек, а рас­
стояние то же, то период полураспада ядер 0,03 сек. ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ. СЛИШКОМ МНОГО ЯДЕР 104-го Б первом опыте скорость V была выбрана так, чтобы изучить ядра с временем жизни около 0,01сек. И сразу же удача. Зарегистри­
рованы спонтанно делящиеся ядра с перио­
дом полураспада 0,014 сек. Казалось, не нужно и сомневаться, что эти ядра принадле­
жат 104-му элементу: у ядер всех элементов с меньшим атомным номером период полу­
распада гораздо больше. Как мы знаем, только одно из десяти мил­
лиардов составных ядер испускает четыре или пять нейтронов и становится ядром 104-го элемента. За счет импульса, внесен­
ного ядром неона, ядро 104-го элемента выле­
тает из мишени п попадает на движущуюся ленту-конвейер 3. Теперь ядра нового элемента движутся вместе с лентой. Их нужно обнаружить. Мы знаем, что ядро 104-го должно разделиться, но не мгновенно, а через какое-то время пос­
ле его рождения. За это время никелевая лента успеет перенести ядра 104-го элемента к регистраторам осколков деления. Такими регистраторами могут быть, например, иони­
зационные камеры А и Б. Ядра нового элемента нестабильны и все время самопроизвольно делятся на ленте-
конвейере на осколки. Поэтому мимо иони­
зационной камеры Б лента всегда пронесет меньшее число новых ядер, чем мимо каме­
ры А, и число ядер, разделившихся у камеры А, будет больше, чем у камеры Б. Если ядро спонтанно разделилось, допу­
стим, около ионизационной камеры А, то один из осколков деления вызовет в ней им­
пульс электрического напряжения. Этот импульс поступает по кабелю на электрон­
ный усилитель 4, усиленный импульс уже можно передать на счетное устройство , рас­
положенное далеко от пробника, на пульте управления циклотроном. Импульс напряже­
ния, попадая на счетное устройство, застав­
ляет стрелку механического счетчика пере­
прыгнуть на одно деление. Когда опыт закон­
чен, физики записывают число импульсов, поступивших из ионизационных камер на счетные устройства. Допустим, на одном счетчике зарегистри­
ровано 40, а на другом — 20 импульсов. Сле­
довательно, около камеры А разделилось 40, а около камеры Б — 20 ядер 104-го. Если скорость ленты v, а расстояние между иони­
зационными камерами /, то от камеры А до камеры Б ядра нового элемента транспорти­
руются за время Но, может быть, это ложные импульсы, обусловленные нечеткой работой аппарату­
ры? Камеры каждый час регистрировали около 20 осколков. Нас смущал слишком большой выход 104-го. По расчетам, должно было образовываться не более одного ядра за час работы циклотрона. Подготовили новый опыт, чтобы убе­
диться, что мы действительно открыли 104-й элемент. Вместо плутониевой мишени в пробник была поставлена мишень из урана. Если эту мишень облучать неоном 92U23e + 1 0 Ne2 2 -+ 102*™, максимальный заряд ядра будет 102. 104-й в этой реакции не образуется. Для чего нужно было облучать уран? Что дает этот опыт? В реакции gjPu242 + ioNe-3, 04-й — КУРЧАТОВ]!!* 107 кроме ядер 104-го, получается значительно большее количество других элементов. Ядра плутония и неона сравнительно редко сли­
ваются полностью. Чаще ядро неона пере­
дает ядру плутония только несколько нукло­
нов. В результате на ленту пробника попа­
дают не только осколки деления, но и более тяжелые ядра, испускающие все виды радио­
активных излучений. В таких условиях мо­
гут возникнуть ложные, или, как мы их назы­
ваем, фоновые, импульсы. Новый опыт был поставлен для того, чтобы убедиться, присут­
ствуют эти же ложные импульсы в другом варианте облучения или нет (в варианте, когда 104-й не может появиться). ФОН, КОТОРЫЙ НЕ УДАЛОСЬ ИСКЛЮЧИТЬ В лабораторном журнале после первого облучения урана-238 неоном-22 появилась запись: «Облучение урана неоном. Получены фоновые импульсы, имитирующие период полураспада спонтанно делящихся ядер по­
рядка 0,014 сек*. Откуда же взялись такие спонтанно деля­
щиеся ядра?.. Их ведь не должно быть! Тео­
рия и эксперимент указывали: все ядра с по­
рядковым номером меньше 104 имеют гораз­
до больший период полураспада и спонтанно делятся на осколки. Проще всего это можно было объяснить тем, что аппаратура, кото­
рую готовили свыше года, непригодна: в ней создаются ложные импульсы. Попробовали применить более легкие бомбардирующие ядра: азот, бор. Если в ап­
паратуре есть какая-либо погрешность, то при бомбардировке мишеней легкими ядра­
ми число ложных импульсов не должно ме­
няться. Неожиданно выход ядер с периодом 0,014 сек резко возрос. Тогда стало очевид­
ным: открыт вариант деления ядер, не пред­
сказанный теорией. В дальнейшем было выяснено, что с пе­
риодом 0,014 сек делится ядро америция-242, образующееся в возбужденном состоянии в процессе ядерной реакции. Это явление наукой еще до конца не понято. Во всем мире ученые начали исследовать «странные» ядра америция. Но нас продолжал интересовать именно 104-й элемент. ДАЛЬНЕЙШИЕ ПОИСКИ Возникла новая опасность: может быть, у 104-го и у америция-242 в возбужденном состоянии периоды полураспада одинаковы? Тогда осколки спонтанного деления нового излучателя замаскируют осколки 104-го. Как же искать 104-й элемент? Оставалась надежда, что время жизни 104-го лежит в другом временном интервале. Перед нами встала задача — изучить спон­
танно делящиеся ядра со временем жизни от 0,0001 сек до 1 сек. Придумали новый способ регистрации ядер 104-го элемента. В принципе он не отли­
чается от прежнего, только вдоль ленты вме­
сто счетчиков установили на гораздо боль­
шем расстоянии несколько стеклянных пла­
стинок — детекторов, на которых остаются следы осколков. Это позволило сразу в одном опыте регистрировать осколки спонтанного деления в широком интервале времени жизни ядер. Если скорость ленты 1 ж/сек, первый детектор поставлен в 3 ел от мишени, а по­
следний — в 8 л от нее, то будут зарегистри­
рованы осколки спонтанного деления ядер с периодом полураспада от 0,03 сек до 4 сек. И опять эксперименты. Ищем 104-й в «щелях» времени между фоновыми треками. Решили установить скорость ленты в 1 м/сек. Эта скорость позволяла изучить периоды по­
лураспада спонтанно делящихся ядер во временном интервале от 0,1 до 1 сек, свобод­
ном от изомеров. ОДИН ИЗ ОПЫТОВ Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок ча­
сов лента несет ядра отдачи к стеклянным пластинкам. Наконец закончено облучение. Извлечены стеклянные пластинки и переда­
ны в лабораторию на обработку. С нетерпе­
нием ждем результатов. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков (следов ядер). Вычислен период полураспада по полояе-
нию треков и скорости ленты. Величина пе­
риода оказалась равной 0,3 ±0,2 сек, т. е. от 0,1 сек до 0,5 сек. Новые опыты — ив каж­
дом четко проявлялись следы ядер, спонтан­
но делящихся с периодом 0,3 сек. Мы устано-
ЦЕСТБО II ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 108 вили, что больше всего новых ядер обра­
зуется, когда скорость ионов неона 31 500 км/сек. При такой скорости за 5 часов образуется два новых ядра. Если же скорость неона увеличится до 32 000 км/сек, то за это Так выглядят треки — следы оскол­
ков деления ядер — на стекле после его обработки плавиковой кислотой при увеличении в 100 раз. же время образуется только одно ядро 104-го. Такое отношение выхода нового ядра к ско­
рости бомбардирующих ионов неона могло быть, только если синтезировался именно 104-й. У изученных раньше делящихся спон­
танно ядер-изомеров с ростом энергии выход убывал менее резко. Было поставлено еще несколько контроль-
х опытов. Все они подтвердили: новый, 4-й элемент открыт! Так был сделан первый шаг, на который затратили 4 года. А чтобы сделать второй — исследовать химические свойства нового эле­
мента, понадобилось еще 2 года работы: лишь в марте 1966 г. интернациональная группа ученых Объединенного института ядерных исследований решила эту задачу. ХИМИЧЕСКИЙ .АНАЛИЗ » ЭЛЕМЕНТА 104 Нужно было разработать совершенно но­
вый скоростной метод химического исследо­
вания 104-го элемента. Обычная, как мы го­
ворим, «мокрая» химия не подходила — слишком медленно идут реакции в водной среде, чтобы успеть исследовать химические свойства 104-го до того, как он распадется. Элемент 103 стал «замыкающим» в ряду актиноидов. Было известно, что соединения этих элементов с хлором — так называемые хлориды актиноидов — могут быть легко осаждены на фильтре. Элемент же 104, со­
гласно периодическому закону, как уже бы­
ло сказано, должен обладать свойствами, сходными со свойствами гафния, образую­
щего с хлором летучие соединения, не осаж­
дающиеся на фильтре. Эта аналогия и была положена в основу метода химического ис­
следования элемента 104. Во время проведения этих исследований позади мишени из плутония-242 располага­
лась камера-пробник, в начало которой по­
давался поток азота, затормаживающий ядра, вылетающие из мишени. Этот поток подхватывал выбитые из мишени ядра эле­
мента 104 и побочных продуктов и достав­
лял их в зону хлорирования. Сюда по другому патрубку поступал поток тетрахло-
рида циркония, в результате взаимодействия Схема эксперимента по изучению химических свойств 104-го эле­
мента: 1 — область, где образуются ядра 104-го элемента; 2 — хлориро­
вание и перенос атомов 104-го; 3 — отделение актиноидов; 4 — область, где слюдяные детекторы регистри­
руют осколки спонтанного деления 104-го. с которым образовывался тетрахлорид э/ мента 104 и хлориды актиноидов. Увле­
каемые тетрахлорндом циркония, одновре­
менно играющим роль носителя, эти соедине­
ния попадали в фильтр, где хлориды акти­
ноидов осаждались, а тетрахлорид 104-го элемента продолжал свой путь. После фильт-
ЕЩЕ НЕ ОТКРЫТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 109 ра он попадал в камеру, где самопроизвольно распадался на осколки, которые регистриро­
вались слюдяными детекторами. Так как фильтр закрывал проход ядрам актиноидов, получаемые на детекторах следы могли быть следами только элемента 104. Это указывало, что химические свойства 104-го аналогичны свойствам гафния и что он не принадлежит к ряду актиноидов. Химические исследования подтвердили работы 1964 г. по синтезу 104-го элемента. В честь выдающегося советского физика ака­
демика И. В. Курчатова элемент 104 был назван курчатовием (Кп). ДЛЯ ЧЕГО МЫ ИЗУЧАЕМ ЭЛЕМЕНТЫ ЗА УРАНОМ? Трансурановые элементы уже применяют­
ся для технических и научных целей, Плуто-
ний-239 — лучшее ядерное горючее, так как этот изотоп делится нейтронами с малой энергией — «тепловыми нейтронами*. Колос­
сальные запасы урана-238, который прежде мы не умели использовать, могут быть пере­
ведены в плутоний с помощью специальных реакторов на быстрых нейтронах. Запасов энергии, которую можно получать этим спо­
собом, человечеству хватит на десятки тысяч лет. Ясны перспективы использования и мно­
гих других трансурановых элементов. В момент открытия нового физического явления иногда сами исследователи не знают, где и как будет применяться их открытие. В 30-х годах нашего века, или, как говорят люди старшего поколения, «до войны», всю ядерную физику большинство ученых счита­
ли отраслью, не имеющей практического зна­
чения. Полагали, что не менее сотни лет по­
требуется человечеству, чтобы освоить энер­
гию ядра. Но уже через несколько лет рабо­
тал первый ядерный реактор (1942), затем вошла в строй атомная электростанция (1954). В земной коре, кроме ничтожных ко­
личеств нептуния и плутония, трансурановых элементов нет. А вот в некоторых звездах трансурановые элементы образуются непре­
рывно в результате ядерных процессов. Из­
учение свойств высших, трансурановых эле­
ментов поможет человеку понять многие явления, происходящие в звездной материи, проникнуть в тайны Вселенной. ЕЩЕ НЕ ОТКРЫТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Не правда ли удивительно: элементы еще не открыты, а мы уже пытаемся о них рас­
сказать? Но такова наука. Прежде чем на­
чать путешествие в страну неизвестного, ученый намечает путь, используя сущест­
вующие теоретические представления. Вот о таком еще не пройденном пути в область далеких трансурановых элементов — «сверх элементов» — будет идти наш рассказ. Ока­
жется ли этот путь прямым и путешествие пройдет без приключений, или встретятся не­
предвиденные препятствия, покажут будущие эксперименты, в которых, быть может, при­
мут участие и сегодняшние школьники — чи­
татели этой статьи. Открытие и изучение химических свойств курчатовия (элемент 104) позволяет предсказать химические свойства и даже ориентировочно время жизни элементов 105, 106, 107... Но каковы детальные ядерные свойства (характеристики) этих элементов или элементов с порядковым номером 114— 126? У ученых есть и на этот счет рассужде­
ния и теории. Все известные трансурановые элементы, кроме 104-го — курчатовия, входят в ряд актиноидов. У этих элементов химические свойства сходны со свойствами лантанои­
дов — элементов редкоземельного ряда. Уже удалось изучить химию 102-го и 103-го элементов. Опыты, выполненные в Дубне, с несомненностью показали, что курчато-
вий — аналог гафния. Основываясь на этих опытах, можно с большей уверенностью пред­
сказывать химические свойства еще не от­
крытых далеких элементов. Теперь, если взглянуть на рисунок 1, станет ясно, что эле­
мент 105 должен быть химическим анало­
гом тантала, 106 — вольфрама, 107 — рения, и так до 118-го, который должен быть сверх­
тяжелым благородным газом. (Попробуйте вычислить плотность этого газа при нормаль­
ных условиях. Атомный вес 118-го элемента можно считать равным 300.) Элементы 119, 120 и 121 помещены в клетках под фран­
цием, радием и актинием и сходны с ними по химическим свойствам. После 121-го на­
чинается третий ряд, элементы которого ана­
логичны в химическом отношении элементам ЕЩЕСТБО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА II ФИГУРЫ Рис. 1. лантаноидного н актиноидного рядов. Эти выводы мы делаем, основываясь на периоди­
ческом законе Д. И. Менделеева. Ядерные свойства еще не открытых эле­
ментов предвидеть значительно сложнее. А ведь именно ядерными свойствами опре­
деляется время жизни элемента, а значит, во многом и возможность его изучения. Давайте вспомним, что это такое «время жизни*. (Зде-сь речь идет о среднем времени жизни. Но для краткости всюду мы будем писать просто «время жизни».) Все транс­
урановые элементы нестабильны. Их изотопы распадаются, испуская альфа-частицы (ядра гелия), или делятся на два примерно одина­
ковых по массе ядра путем самопроизволь­
ного (спонтанного) деления, причем ядра одного и того же изотопа могут и делиться спонтанно, и испускать альфа-частицы. Так, у калифорнпя-252 из 30 распавшихся ядер в среднем 29 распадаются путем альфа-рас­
пада, а одно делится спонтанно. Время жизни изотопа элемента ~ определяется величиной JV —-, где п — число ядер, распадающихся за единицу времени всеми способами распада, а Л'о — общее количество ядер распадающе­
гося изотопа в момент времени, когда изме­
ряется величина /;. Если время жизни изото­
па -, то период его полураспада 0,693 ". Время жизни 105, 106, 107-го и других элементов, недалеко отстоящих от кур-
чатовня, можно оценить, основываясь на уже известном значении периода полураспа­
да изотопа курчатовпй-260, равного 0,3 сек. Так. время жизни изотопов 105-го элемента порядка 0,01 сек, а 106-го и 107-го — поряд­
ка 0,001 сек. Изучить изотопы элементов за такое короткое время очень сложно. Но ос­
новные трудности связаны с тем, что во время опыта получается очень мало таких ядер — значительно меньше, чем ядер 104-го элемента. Может оказаться, что трудности, которые мы встретим на этом пути, окажут­
ся совершенно непреодолимыми, начиная уже со 107-го — 108~го элементов. Означает ЕЩЕ НЕ ОТКРЫТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 111 ли это, что проблема исследования трансура­
новых элементов зайдет в тупик?.. Посмотрим внимательно на таблицу периодического закона (рис. 1). За 83-м эле­
ментом — висмутом идут полоний, астатин, радон и другие элементы с очень коротким временем жизни их изотопов. Но изотопы более тяжелых элементов — тория, урана, плутония оказываются значительно устойчи­
вее и время их жизни значительно длитель­
нее. Вот как идет кривая времени жизни тяжелых элементов (рис. 2): после резкого спада за висмутом время жизни тяжелых элементов возрастает (торий, уран, плуто­
ний), а затем вновь убывает (америций, кюрий,..., 102-й, 103-й, курчатовий). Будет ли новый подъем? Существуют ли долгоживу-
щие элементы с атомным номером, большим 104-го? Еще на заре ядерной физики — в начале 30-х годов — была замечена странная зако-
номерность: атомные ядра, в которых число протонов или нейтронов равнялось 2,8, 20, 28, 50, 82 или 126, отличались высокой стабиль­
ностью (устойчивостью). Эта закономерность подтверждалась не только физическими экс­
периментами, но и анализом распространен­
ности разных элементов в природе (по рас­
пространенности можно судить о том, на­
сколько стабилен тот или иной элемент). Оказалось, что природные запасы таких элементов, как олово с 50 протонами в ядре, барий с 82 нейтронами и свинец, в ядре кото­
рого 82 протона, значительно больше, чем запасы их «соседей» по периодической си­
стеме. В то время эти факты не нашли объяснения, и такие числа протонов и ней­
тронов физики стали в шутку называть маги­
ческими. Это название осталось и до нашего времени. Тогда же было отмечено, что если и число протонов, и число нейтронов равны магическим числам, то ядро отличается осо­
бо высокой устойчивостью. Примером такого пог-ядкивь1Й ;-:,ОМЕ:Р ЭЛЕМЕНТА ВЕЩЕСТВО IT ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ Ц2 дважды магического ядра может служить ядро изотопа свинец-208, которое содержит 126 нейтронов и 82 протона. Современной теории удалось объяснить закономерности образования магических чи­
сел. Оказывается, как и атомные электроны, нуклоны в атомных ядрах образуют ней­
тронные и протонные оболочки. Строение ядерных оболочек совсем иное, чем элект­
ронных, но наиболее устойчивы ядра тех Рис. 3. изотопов, у которых нейтронные и протон­
ные оболочки заполнены. «Сверхэлемен­
том», у которого может существовать дважды магическое ядро, будет 126-й элемент. Ядро дважды магического изотопа этого элемента должно содержать 184 нейтрона. Это маги­
ческое число было вычислено теоретически. В области атомного номера 126 поэтому мож­
но ожидать появления изотопов со временем жизни, достаточным для изучения их свойств. Но как долго будут жить такие изо­
топы — дни, месяцы, годы, пока предсказать невозможно. Ожидается еще одна область стабильных изотопов около атомного номе­
ра 114. Перед учеными встают большие труд­
ности, когда требуется определить свойства таких далеких элементов, как 114 или 126. Еще нет абсолютной уверенности, что вооб­
ще должны существовать области стабиль­
ности. Но тем интереснее поиск. Ведь в слу­
чае, если области стабильности не будут обнаружены, придется во многом пересмот­
реть современные представления о структуре ядра. Если же предсказание о существовании новых областей стабильности элементов оправдается, то это не только откроет новые перспективы для исследований свойств трансурановых элементов, но и внесет боль­
шой вклад в ядерную физику, подтвердив существующие представления о строении ядра. Посмотрим, что нужно сделать, чтобы проверить эти теоретические предсказания. Попробуем попасть в область 114-го элемента. Для этого необходимо слить два сложных ядра и «перешагнуть» сразу через многие клетки таблицы периодического закона. Самый тяжелый элемент, облучая ядра ко­
торого можно получить 114-й элемент,— кюрий. Более далекие элементы трудно ис­
пользовать из-за их высокой активности. Заряд ядра кюрия — 96. 96 + 18 = 114. Значит, если слить с ядром кюрия ядро аргона (заряд 18), получится 114-й элемент, а чтобы получить ядро 126-го элемента, облу­
чая торий, нужны ускоренные ядра крип­
тона. Вот ядерная реакция, в которой можно получить ядро 126-го элемента: Улемент 114 — химический аналог свин­
ца, а 126-й входит в третий, редкоземельный ряд. Этот элемент — аналог плутония (рис. 1). Чтобы шел процесс слияния ядер тория и криптона, скорость ядра криптона должна быть порядка 20 000 KMJсек — в 2500 раз больше скорости искусственного спутника Земли. Самый мощный циклотрон в мире, установленный в Лаборатории ядерных реак­
ций в Дубне, не ускоряет ионы криптона до таких скоростей. Чтобы совершить прыжок через пропасть нестабильности, необходимо построить еще более мощные ускорители. Нужно сделать и многое другое. Так, очень трудной и важной задачей будет созданпе источника ионов криптона, которые необхо­
димо вводить в циклотрон для ускорения. Эти работы ведутся в Советском Союзе, Франции, США. СТРАННЫЕ АТОМЫ 113 Есть ii другой путь получения элементов, лежащих в предполагаемых областях ста­
бильности. Это облучение урана ядрами ура­
на, ускоренными до энергии, позволяющих ядрам урана слиться между собой в проме­
жуточное ядро. Заряд такого промежуточ­
ного ядра будет равен 184, а массовое чис­
ло— 476. Мы уже знаем (см. ст. «104-й — курчатовпй»), что даже более легкие состав­
ные ядра, полученные, например, при бом­
бардировке урана неоном, как правило, делятся. А такой тяжелый снаряд, как ядро урана, вносит в составное ядро настолько большую энергию возбуждения, что все без исключения составные ядра будут делиться. И среди осколков этого гигантского состав­
ного ядра могут оказаться ядра далеких трансурановых элементов, в частности и 114-й и 126-й элементы. Вот пример такой возможной реакции: Чтобы осуществить такую реакцию, необ­
ходимо получить пучки ускоренных ядер урана большой интенсивности. Для этого потребуется циклотрон с диаметром полюс­
ных наконечников не менее 10 ж и весом в десятки тысяч тонн. Построить такой уско­
ритель—довольно трудная задача, но она под силу инженерам и ученым, и думается, в недалеком будущем ускорители урана бу­
дут созданы. Удастся ли синтезировать и изучить химические свойства 114-го или 126-го элемента в ближайшие годы? Это на­
столько сложная задача, что сам по себе напрашивается отрицательный ответ. Но ведь совсем недавно не менее фантастиче­
ской казалась задача исследования химиче­
ских свойств курчатовия. СТРАННЫЕ АТОМЫ Великий закон природы — периодический закон Менделеева — привел науку к раскры­
тию многих тайн, к разгадке многих загадок строения вещества. Мы теперь знаем, что все элементы, где бы они ни существовали — на Земле, на да­
леких планетах или на недосягаемых звез-
8 Познание продолжается дах, — все они «построены» по единому пла­
ну: вокруг тяжелого положительно заряжен­
ного ядра, состоящего из протонов н нейтро­
нов, вращаются легкие электроны. Число за­
рядов ядра, равное числу электронов, опреде­
ляет химическую природу элемента. В начале периодической таблицы на пер­
вом месте стоит водород. Его атом наиболее прост — один протон и один электрон. А могут ли быть атомы легче водорода? Во всех ли атомах вокруг ядра вращаются электроны? Существуют ли атомы без элек­
тронов? Возможны ли атомы без положи­
тельно заряженного ядра? Совсем недавно подобные вопросы звучали бы просто нелепо. Но в последние годы физики обнаружили, что существуют весьма странные «атомы». Правда, их жизнь очень коротка. Они рож­
даются в созданных человеком ускоритель­
ных установках, возникают при распаде ис­
кусственных радиоактивных изотопов. Мно­
го еще загадочного в этих таинственных ча­
стицах, и много надежд связывает наука с полной разгадкой их тайны. ПОЗИТРОНИЙ Самый удивительный из странных ато­
мов, конечно, атом п о з и т р о н и я, вещества, которому нет и не может быть места в мен­
делеевской таблице. Однако это вещество теперь хорошо известно ученым. И не только физикам. Химики уже научились применять атомы позитрония в своей повседневно1!'! ра­
боте — когда они изучают строение сложных органических соединений. Позитроний очень своеобразный атом — атом без атомного ядра. Он почти в тысячу раз легче самого легкого атома — атома во­
дорода. Образуется он при встрече позитро­
на, возникающего при распаде ядер многих изотопов, с обычным отрицательным элект­
роном. Атом позитрония состоит из д в у х а н т и ч а с т и ц. В атоме позитрония нет тяжелого ядра, как в атоме водорода, где масса протона почти в две тысячи раз больше массы вра­
щающегося вокруг него электрона. Массы позитрона и электрона, образующих пози­
троний, очень малы и равны между собой. Обе элементарные частицы в нем вращаются вокруг их общего центра тяжести. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 114 «Танец» двух античастиц очень сложен. Ученые установили, что он может происхо­
дить по-разному. Вращаясь на общей орбите друг за другом, оба микропарткера в то же время вращаются каждый вокруг своей собственной оси, а это вращение может быть различным: либо в одну и ту же сторону, либо в разные. Поэтому возможно существование двух изомеров позитрония, т. е. он может сущест­
вовать в двух формах. В первом случае воз­
никает атом орто-познтрония, а во втором — атом пара-позитрония. По существу эти изомеры больше ничем друг от друга не отличаются, как не отличаются один от дру­
гого волчки, запущенные в разные стороны. Но один из великих законов сохранения, управляющих миром, — закон сохранения момента количества движения — вносит большие и важные различия в дальнейшую судьбу обоих атомов. Орто-позитроний с точки зрения атомных масштабов времени живет долго. Каждый атом его существует в среднем почти полто­
ры десятимиллионных доли секунды. За это время электрон и позитрон успевают в нем совершить не один миллион оборотов. Но по нашим привычным земным часам его суще­
ствование неимоверно кратко, он исче­
зает, аннигилирует практически мгновенно. А жизнь пара-позитрония еще в тысячи раз короче. Но это еще не самое удивительное в судь-
В орто-лозитронпн обе античастицы вращаются в одну и ту же сторону. Распадаясь, этот атом превращается в три гамма-кванта. В пара-позитронии каждая из анти­
частиц вращается вокруг своей оси в разные стороны. При аннигиля­
ции пара-позитрон и я рождаются только два гамма-кванта. бе изомеров позитрония. Всем известно — античастицы сосуществовать не могут. Их взаимодействие с неумолимой неизбежно­
стью приводит к взрыву, в микромире про­
исходит катастрофа, и обе античастицы исчезают. Вспышка коротковолнового излу­
чения — и они превращаются в гамма-кван­
ты, рождаются фотоны. Орто- и пара-позитроний гибнут по-раз­
ному. Непреложный закон сохранения импульса заставляет каждый атом орто-по­
зитрония превращаться в три кванта, при исчезновении же атома пара-позитрония могут возникнуть только два кванта, разле­
тающиеся в прямо противоположные сто­
роны. Но, пожалуй, самое удивительное то, что позитроний, этот загадочный, почти невесо­
мый, живущий лишь малое мгновение атом, способен вступать в химические реакции подобно атому водорода. Особенно энергично позитроний реагирует с теми химическими соединениями, у которых присутствуют сво­
бодные валентности. Наиболее чувствителен позитроний к свободным радикалам, к ато­
мам и электронам. Это замечательное свойство позитрония химики сумели использовать для решения сложных, чисто химических проблем, возни­
кающих при изучении природы химической связи; оказалось, что при реакции орто-по­
зитрония с веществом, в молекулах которого есть неспаренные электроны, он при распаде превращается не в три, а в два кванта. Это легко обнаружить и измерить гамма-счетчи­
ками. Еще недавно казавшийся невозможным атом-призрак, построенный из двух не­
совместимых античастиц, стал у физико-
химиков замечательным средством исследо­
вания тончайших детален и различий в ха­
рактере химических связей и строения мо­
лекул. Позитроний скоро станет совсем обычным в лаборатории ученого и поможет ему раскрыть немало нового в природе. МЕЗОАТОМЫ Пожалуй, еще более странны мезо-атомы, Они обладают таким же положительно за­
ряженным ядром, как и обычные атомы, но отличаются от них строением наружной СТРАННЫЕ АТОМЫ электронной оболочки. В мезо-атомах один из электронов замещен на мезон — тяжелую частицу с массой в 210 раз больше электро­
на. Мезо-атомы настолько необычны, что ставят под сомнение многое из того, в чем физики, изучив размеры и строение атома, были до сих пор твердо уверены. Чем больше заряд атома, чем больше его порядковый номер в таблице Менделеева, тем сильнее, конечно, его ядро притягивает электроны и, следовательно, тем меньше размеры атома — диаметр электронных ор­
бит в его внешней электронной оболочке. Известно также, что диаметр орбиты зави­
сит и от массы вращающейся частицы. Чем тяжелее она, тем ближе к ядру орбита ее вращения. Таким образом, легко рассчитать, на каком расстоянии от ядра должна нахо­
диться орбита мезона в мезо-атоме. Физики научились получать в своих уско­
рителях мощные потоки мезонов и точно ре­
гулировать скорость мезонов. Оказалось, что медленные мезоны, обладая тепловой скоро­
стью и блуждая между атомами, захватыва­
ются ими и замещают в орбите электроны. При захвате мезонов тяжелыми атомами бы­
ли обнаружены загадочные, поистине удиви­
тельные явления. Точно установлено, напри­
мер, что ближайшая к ядру орбита, на кото­
рой положено вращаться мезону в мезо-атоме свинца (занимающего 82-е место в таблице Менделеева), должна быть в 82Х'2Ю раз меньше орбиты водородного атома. Диаметр мезонной орбиты в мезо-свинце должен быть равен: Но размеры ядра в атоме свинца физи­
кам хорошо известны. Его диаметр гораздо больше, чем орбита мезона: он равен 17,0-10~13 см. Следовательно, массивный ме­
зон в мезо-свинце вращается на орбите, це­
л и к о м р а с п о л о же н н о й в н у т р и а т о м н о г о я д р а (!). Этот немыслимый результат точно под­
твердился измерениями длины волн излуче­
ния, испускаемого мезо-атомами. В течение громадного (по атомным масштабам) перио­
да времени — за одну миллионную долю секунды — мезон совершает миллионы мил­
лионов оборотов внутри ядра. А ведь плот­
ность ядерного вещества так чудовищно S* 115 велика, что только 1 смъ его весил бы в зем­
ных условиях не менее миллиарда тонн! Как же должно быть построено атомное ядро? Судьба мезо-атомов завершается ката­
строфой: мезон, который свободно двигался внутри ядра, поглощается им, и оно взры­
вается — разлетается на множество оскол­
ков. Выделяющаяся при этом энергия анни­
гиляции отрицательного мезона и положи­
тельного ядерного вещества очень велика. Еще не вполне известно, в какой форме она выделяется. Большую часть ее уносят обра­
зующиеся при взрыве частицы. Так реагируют с атомными ядрами мю-
мезоны. Но известны два типа отрицатель­
ных мезонов. Судьба пи-мезонов не менее любопытна. Ядра тяжелых атомов погло­
щают их мгновенно и при этом мгновенно взрываются. Реакция между мезонами и атомными ядрами не требует высокой температуры. Для нее не нужны сотни миллионов граду­
сов, как для термоядерных реакций. Она с успехом протекает при обычных условиях. Быть может, ядерные реакции на мезонах откроют в будущем новый путь к овладению внутриядерной энергией. Но пока на это еще мало надежды. Ученые еще не знают, как за­
ставить мезонные реакции протекать по цеп­
ному механизму и поддерживать самих себя. А в фантастических романах эти реакции да­
ют энергию мезонным ракетам. В самом простом из всех мезо-атомов — в мезо-водороде вокруг центрального ядра вращается мезон. Это атом без электронов. Удивительные загадки и трудные задачи связаны с таинственными мезо-атомами. На вашу долю, юные физики, достается очень важная и сложная работа: разгадать тайну строения атомных ядер; наверное, этому по­
может и изучение мезонов. ГИПЕР-ФРАГМЕНТЫ Высоко, на границе стратосферы, ученые нашли странные атомные ядра. Быть может, это «гостив из неведомых глубин космоса. Построены они весьма необычно. Атомные ядра всех элементов состоят из нейтронов и протонов, а в этих ядрах один из нейтронов замещен необычной частицей, одной из тех ВЕЩЕСТВО П ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 116 частиц, которые физики, от удивления перед их странными свойствами, назвали «стран­
ными »•. Более точное название этой части­
цы — ламбда-нуль-гиперон. Найдено уже немало легких ядер гипер-изотопов: гипер­
водорода, гипер-гелня, гипер-лития, гипер­
бериллия, даже гипер-углерода. По-видимо­
му, они рождаются в космических лучах. Живут они всего Ю- 1 0 — Ю-" секунды и странным образом исчезают: каждое гипер­
ядро может распадаться двумя различными способами. Это — особенность только стран­
ных частиц. (Напомним, что нейтрон распа­
дается только одним способом, выделяя про­
тон и электрон.) АНТИАТОМЫ Физики установили: каждой из элемен­
тарных частиц (кроме фотона) соответствует парная ей античастица с равной массой и противоположным зарядом. Античастица для отрицательного электрона — положи­
тельный позитрон. У протона есть свой отри­
цательный антипротон. Нейтральному ней­
трону соответствует тоже нейтральный анти­
нейтрон, они различаются магнитными свойствами. V атомов нашего мира ядра сложены из протонов и нейтронов, их внеш­
ние оболочки — из электронов. А может ли быть все наоборот? Как в старой англий­
ской детской сказке о девочке, попавшей в мир Зазеркалья. Возможны ли атомы, у ко­
торых будут антиядра из антипротонов и антинейтронов, а вместо электронов вокруг антиядер будут вращаться античастицы — позитроны? Возможен ли физически анти­
мир, состоящий из таких антиатомов? Физи­
ки считают — возможен. ? Еще 10—15 лет назад на этот вопрос мож­
но было бы дать довольно простой ответ. Ка­
залось бы, что сложного в кристалле? Взять, к примеру, металл: жестко закрепленная пе­
риодическая пространственная решетка, в ее узлах — тяжелые атомы или ионы, а вокруг невообразимое количество электронов, хаоти­
чески движущихся по кристаллу. Все свойст­
ва твердого тела (а почти все твердые тела — кристаллы) легко объяснялись этой простой картиной. Например, электрическое сопро­
тивление металла вызвано столкновениями электронов с ионами кристаллической ре­
шетки. Нагреем металл. Ионы решетки нач­
нут сильнее колебаться вокруг своих положе­
ний равновесия, столкновения будут происхо­
дить чаще, следовательно, сопротивление должно повыситься. Так оно и есть на самом деле. Таким же образом можно объяснв теплопроводность и многие другие мак скопические свойства твердых тел. Однако свойства, открытые сравнительно недавно, такие, как сверхпроводимость, полупроводниковые свойства и др., застави­
ли физиков по-новому взглянуть на картпну процессов, происходящих в твердых телах. Эти новые свойства уже нельзя объяснить, основываясь на законах классической меха­
ники. Пришлось обратиться к механике кван­
товой, которая до этого применялась в основ­
ном к изучению атомных и ядерных яв­
лений. Что же нового внесла квантовая механи­
ка в объяснение свойств твердого тела? Что же происходит в кристалле? Раньше движение в твердом теле связы­
валось с движением отдельных частиц. Это могли быть электроны, ионы, атомы, даже молекулы (бывают так называемые ионные и молекулярные кристаллы). Классическая механика «разрешала» нам следить за дви­
жением капдой такой частицы. Применяя законы Ньютона, мы могли сказать, где находится выбранная нами частица в дан­
ный момент и где она будет в следующий. Короче говоря, мы могли узнать траекторию любой частицы. Правда, число частиц в кри­
сталле настолько громадно, что задача про­
следить за тем, что происходит с каждой частицей, явно невыполнима. Но это не важно, главное — в принципе такая опера­
ция возможна. Законы квантовой механики опрокиды­
вают привычные представления. Основное утверждение квантовой механики заключа­
ется в том, что у частицы нет траектории, ее принципиально нельзя указать. Частица мо-
? 117 жет с некоторой вероятностью находиться в любой точке интересующей нас области. А значит, бессмысленно говорить об отдель­
ной частице. Ведь если каждая из них может оказаться «где угодно», их легко перепутать. А если мы не можем «разметить» частицы и следить за каждой из них, значит, они для нас все одинаковы, тождественны. Вот эта-то неразличимость частиц в кри­
сталле и стала той новой характеристикой твердых тел, которая привела к открытию многих удивительных свойств кристаллов. И ответ на вопрос статьи оказывается дале­
ко не таким простым, Попробуем все же, хотя бы в самой про­
стой форме, нарисовать картину происходя­
щих в кристалле процессов. Возьмем для примера снова металл. Итак, все ионы в решетке занимают совершенно одинаковое положение и имеют одинаковое окружение (рой электронов). Поэтому условия их взаи­
модействия со своими соседями также совершенно одинаковы. На каждую частицу действуют все остальные, и она действует на всех остальных. Словом, по принципу — один за всех и все за одного. Такое вза­
имодействие частиц называется коллек­
тивным. Если вы знакомы с радиотехникой, то, наверное, знаете, что такое колебательный контур. Знаете также, что каждый контур настроен на определенную частоту в зависи­
мости от его сопротивления, емкости, индук­
тивности. Вам должно быть также известно, что, если контуры настроены на одну часто­
ту, они могут резонировать. Настраивая свой радиоприемник на передачу радиостанции «Юность*, вы, собственно, и ищете резонанс контура вашего приемника с контуром пере­
дающей радиостанции. Так вот, частицы в нашем кристалле можно сравнить с такими колебательными контурами. Причем, как мы уже выяснили, все они имеют одинаковую «частоту», т. е. могут резонировать друг с другом. Поэтому любое возбуждение одной частицы (позыв­
ные радиостанции «Юность») вызывает такое же возбуждение во всех остальных частицах (весь кристалл «слушает» одну и ту же передачу). Следовательно, если такое возбуждение возникло в каком-то месте кристалла, оно тут же побежит по всему кристаллу в виде волны. Происхождение этих волн может быть самым различным. Они могут быть упругими (колебания от­
дельных атомов кристаллической решетки), электрическими, магнитными и т. д. Но ведь каждое волновое движение в микромире, по законам все той же квантовой механики, связано с соответствующей ему «частицей» (помните? — свет это и волна и частица одновременно). Квантовая механика утверждает, что движение наших волн не может быть непрерывным, оно прерывно, дискретно, или, как говорят физики, кванто­
вано. Такие «порции» волнового движе­
ния — кванты движения — во многих отно­
шениях похожи на обычные частицы. Они «почти» частицы, их так и называют квази­
частицы (кнази — по-латыни «якобы», «мни­
мый»). Если квазичастицы рождены упру­
гими колебаниями — это фононы, кванты звука (вспомните кванты света — фотоны). Квазичастицы, связанные с волной электри­
ческого заряда, называют электронами про­
водимости, и они часто совсем не похожи на обычные электроны в металле, которые в этом случае называют свободными электро­
нами. Магнитная волна «рождает» магнокы. Существуют также экситоны, поляроны и т. д. Свойства квазичастиц очень интересны и своеобразны. Оказывается, например, что они могут иметь массу, и она (но не грави­
тационная, конечно, а та, которая определяет их движение под действием внешних сил) может быть не только положительной, но и отрицательной, бесконечно большой и даже менять знак в различных процессах. Квазичастицы совсем не «чувствуют» окружающей их кристаллической среды, которая их породила. Они движутся по кристаллу совершенно свободно и незави­
симо. Длина их свободного пробега, т. е. сред­
ний путь, который они проходят без столкно­
вений, достигает колоссальных величин (конечно, в масштабе кристалла). Квазича­
стицы редко сталкиваются друг с другом или с неправильностями, дефектами кристалли­
ческой решетки, саму же решетку они, как мы уже сказали, не «чувствуют». Такое движение квазичастиц во многом определяет свойства твердых тел. Например, направленный поток квазичастнц может пе­
реносить тепловую энергию в кристалле. Тогда их редкие столкновения — «тренпе» — ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА Н ФПГУРЫ 118 будут определять теплопроводность кристал­
ла. «Трение» квазичастиц, переносящих элек­
трический заряд, определяет электрическое сопротивление кристалла. При некоторых условиях может оказаться, что движения квазичастиц в кристалле становятся согла­
сованными. Тогда кристалл усиливает те процессы, которые отвечают за существова­
ние этих квазичастиц. На таком принципе работают, например, кристаллические кван­
товые генераторы — лазеры. Все, что мы выше рассказали о квазича­
стицах, связано с тем или иным возбужде­
нием кристалла. А что будет происходить в кристалле при абсолютном нуле темпера­
туры? По законам классической механики, должно прекратиться всякое движение ча­
стиц. Такое состояние называется самым низким энергетическим состоянием. Действи­
тельно, раз отсутствует движение, значит, нет и энергии, связанной с ним. Квантовая механика вводит свои поправки и и это со­
стояние. Она запрещает состояние полного покоя частиц. Ведь если частица покоится, значит, мы знаем ее координату, «отметили» ее, чего в квантовой механике быть не мо­
жет. Таким образом, в самом низком энерге­
тическом состоян1ш движение все же есть. Это особое состояние движения, физики его называют нулевым движением. При нулевом движении квазичастнц нет, они как бы от­
сутствуют. Характер нулевого движения во многом определяет свойства твердых тел. Например, возможно, оказывается, нулевое движение, при котором сам по себе перено­
сится электрический заряд. Но поскольку квазичастицы в таком состоянии отсутству­
ют, значит, нет и их «трения», определяюще­
го, как мы уя:е говорили, электрическое со­
противление тела. И мы приходим к явлению сверхпроводимости. Итак, свойства различных квазичастиц, существующих и движущихся в твердом теле, и характер нулевого движения (часто говорят — основного состояния) в кристал­
ле — важнейшие характеристики кристалла. Их совокупность называется спектром твер­
дого тела. Изучение этого спектра сейчас са­
мый важный вопрос в физике твердого тела, которая становится в последнее время одной из значительных и интересных физических наук. МЕЖДУ АБСОЛЮТНЫМ НУЛЕМ И МИЛЛИАРДОМ ГРАДУСОВ САМОЕ ХОЛОДНОЕ Когда в сводке погоды предсказывают температуру около нуля, на каток идти не стоит: лед будет таять. Температура таяния льда принята за нуль градусов по шкале Цельсия — самой распространенной темпе­
ратурной шкале. Нам отлично знакомы отрицательные градусы шкалы Цельсия — градусы «ниже нуля», градусы холода. Наиболее низкая температура на Земле была зарегистрирова­
на в Антарктиде: — 88,3°Ц. Вне Земли воз­
можны и еще более низкие температуры: на поверхности Луны в лунную полночь бывает до — 160СЦ. Но нигде не могут существовать сколь угодно низкие температуры. Предельно низ­
кая температура — а б с о л ют н ый ну л ь — по шкале Цельсия соответствует — 273,16°. От абсолютного нуля берет начало абсо­
л ют н а я т е м п е р а т у р н а я шк а л а, шкала Кельвина. Лед тает при 273,16° Кель­
вина, а вода кипит при 373,16° К. Таким об­
разом, градус К равен градусу Ц. Но по шкале Кельвина все температуры положи­
тельны. Почему же 0°К — предел холода? Тепло — хаотическое движение атомов и молекул вещества. Когда вещество охлаж­
дают, у него отнимают тепловую энергию, и при этом беспорядочное движение частиц ослабевает. В конце концов, при сильном охлаждении, тепловая «пляска* частиц почти полностью прекращается. Совсем за­
мерли бы атомы и молекулы при темпера­
туре, которая и принята за абсолютный нуль. Согласно принципам квантовой механики, при абсолютном нуле прекратилось бы имен­
но т е пл о в о е движение частиц, но сами частицы не замерли бы, так как они не мо­
гут находиться в полном покое. Таким обра­
зом, при абсолютном нуле частицы все же должны сохранять какое-то движение, кото­
рое называют нулевым. Однако охладить вещество до темпе­
ратуры ниже абсолютного нуля — замысел столь же бессмысленный, как, скажем, наме­
рение «идти медленнее, чем стоять на месте». МЕЖДУ АБСОЛЮТНЫМ НУЛЕМ И МИЛЛИАРДОМ ГРАДУСОВ 119 ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРПШ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 120 Схема аппарата для сжижения гели' Более того, даже достичь точного абсо­
лютного нуля практически тоже невозмож­
но. К нему можно лишь приблизиться. Пото-
му что никакими способами нельзя отнята у вещества абсолютно всю его тепловую энергию. Некоторая доля тепловой энергии остается при самом глубоком охлаждении. Как же достигают сверхнизких темпера­
тур? Заморозить вещество сложнее, чем нагреть. Это видно хотя бы из сравнения устройства печки и холодильника. В большинстве бытовых и промышлен­
ных холодильников тепло отнимается благо­
даря испарению особой жидкости — фреона, который циркулирует по металлическим трубкам. Секрет в том, что фреон может пре­
бывать в жидком состоянии лишь при доста­
точно низкой температуре. В холодильной камере за счет тепла камеры он нагревается и кипит, превращаясь в пар. Но пар сжимает­
ся компрессором, сжижается и поступает в испаритель, восполняя убыль испаряющегося фреона. Энергия расходуется на работу ком­
прессора. В аппаратах глубокого охлаждения носи­
телем холода служит сверххолодная жид­
кость — жидкий гелий. Бесцветный, легкий (в 8 раз легче воды), он кипит под атмосфер­
ным давлением при 4,2°К, а в вакууме — при 0,7СК. Еще более низкую температуру дает легкий изотоп гелия; 0,3СК. Устроить постоянно действующий гелие­
вый холодильник довольно сложно. Исследо­
вания ведутся просто в ваннах с жидким гелием. А чтобы сжижить этот газ, физики пользуются разными приемами. Например, расширяют предварительно охлажденный и сжатый гелий, выпуская его через тонкое отверстие в вакуумную камеру. При этом температура еще снижается и некоторая часть газа обращается в жидкость. Более эффективно не только расширять охлажден­
ный газ, но и заставить его выполнять ра­
боту — двигать поршень. Полученный жидкий гелий хранят в специальных термосах — сосудах Дьюара. Стоимость этой самой холодной жидкости (единственной не замерзающей у абсолютно­
го нуля) получается довольно высокой. Тем не менее ЖИДКИЙ гелий в наши дни исполь­
зуется все шире, не только в науке, но и в различных технических устройствах, Самых низких температур удалось до­
биться иным способом. Оказывается, моле­
кулы некоторых солей, например хромока-
МЕЖДУ АБСОЛЮТНЫМ НУЛЕМ И МИЛЛИАРДОМ ГРАДУСОВ 121 Опыт Капицы для обнаружения сверхтекучести гелия. Сверхтекучий гелий за несколько секунд вытекает лиевых квасцов, могут поворачиваться вдоль силовых магнитных линии. Такую соль пред­
варительно охлаждают жидким гелием до 1°К и помещают в сильное магнитное поле. При этом молекулы поворачиваются вдоль силовых линий, а выделившееся тепло отби­
рается жидким гелием. Затем магнитное по­
ле резко снимают, молекулы вновь повора­
чиваются в разные стороны, а затраченная Сосуд Дьюара для хранения гелия, на это работа ведет к дальнейшему охлажде­
нию соли. Так получили температуру 0,001° К. Подобным же в принципе методом, применяя другие вещества, можно получить еще более низкую температуру. Наинизшая температура, полученная по­
ка на Земле, равна 0,00001° К. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ Вещество, замороженное до сверхнизких температур в ваннах с жидким гелием, за­
метно изменяется. Резина становится хруп-
из внутренней трубки через узкую щель (0,5 мк) между плотно сжаты­
ми шлифованными стеклянными пластинами. Внешний сосуд, также заполненный гелием, обеспечивал одинаковую температуру гелия сна­
ружи и внутри трубки. Жидкий сверхтекучий гелий обра­
зует на поверхности стекла пленку толщиной в несколько миллионных долей сантиметра. Эта пленка пред­
ставляет собой подобие сифона, по которому жидкость вытекает из резервуара. кой, свинец — твердым, как сталь, и упругим, многие сплавы увеличивают прочность. Своеобразно ведет себя сам жидкий гелий. При температуре ниже 2,2° К он приобретает небывалое для обычных жидкостей свойст­
во — с в е р х т е к у ч е с т ь: некоторая его часть полностью теряет вязкость и без вся­
кого трения протекает сквозь самые узкие щели. Явление это, открытое в 1937 г. советским физиком академиком П. Л. Капицей, было затем объяснено академиком Л. Д. Ландау. Оказывается, при сверхнизких темпера­
турах начинают заметно сказываться кван­
товые законы поведения вещества. Как тре­
бует один из таких законов, от тела к телу энергия может передаваться лишь вполне ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ определенными порциями—квантами. В жид­
ком гелии так мало квантов тепла, что на все атомы их не хватает. Часть жидкости, ли­
шенная квантов тепла, пребывает как бы при абсолютном нуле температуры, ее атомы совершенно не участвуют в беспорядочном тепловом движении и никак не взаимодейст­
вуют со стенками сосуда. Эта часть {ее на­
звали гелием-И) и обладает сверхтекучестью. С понижением температуры гелия-П стано­
вится все больше, и при абсолютном нуле весь гелий превратился бы в гелий-П. Сверхтекучесть сейчас изучена очень подробно и даже нашла полезное практи­
ческое применение: с ее помощью удается разделять изотопы гелия. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ Возле абсолютного нуля чрезвычайно любопытные изменения происходят с элект­
рическими свойствами некоторых материа­
лов. В 1911 г. голландский физик Камерлинг-
Оннес сделал неожиданное открытие: оказа­
лось, что при температуре 4,12° К в ртути полностью исчезает электрическое сопротив­
ление. Ртуть становится с в е р х п р о в о д ­
н и к о м. Электрический ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, не затухает и мо­
жет течь практически вечно. Над таким кольцом сверхпроводящий ша­
рик будет парить в воздухе и не падать, будто сказочный *гроб Магомета», потому что его тяжесть компенсируется магнитным отталкиванием между кольцом и шариком. Ведь незатухающий ток в кольце создаст магнитное поле, а оно, в свою очередь, наве­
дет в шарике электрический ток и вместе с ним противоположно направленное магнит­
ное поле. Кроме ртути, сверхпроводимостью возле абсолютного нуля обладают олово, свинец, цинк, алюминий. Это свойство обнаружено у 23 элементов и более ста различных сплавов и других химических соединений. Температуры появления сверхпроводимо­
сти ( к р и т и ч е с к и е т е м п е р а т у р ы ) со­
ставляют довольно широкий интервал — от 0,35^ К (гафний) до 18° К (сплав ниобий-
олово). Явление сверхпроводимости, как и сверх-
122 текучести, подробно изучено. Найдены зави­
симости критических температур от внутрен­
ней структуры материалов и внешнего маг­
нитного поля. Разработана глубокая теория сверхпроводимости (важный вклад внесен советским ученым академиком Н. Н. Бого­
любовым). Сущность этого парадоксального явле­
ния опять-таки сугубо квантовая. При сверхнизких температурах электроны в * Плавающий» сверхпроводящий ша­
рик над сверхпроводящим кольцом с незатухающим током. сверхпроводнике образуют систему попарно связанных частиц, которые не могут отда­
вать энергию кристаллической решетке, тратить кванты энергии на ее нагревание. Пары электронов движутся, как бы «тан­
цуя», между «прутьями решетки» — ионами и обходят их без столкновешш и передачи энергии. Сверхпроводимость все шире использует­
ся в технике. Входят в практику, например, сверхпро­
водящие соленоиды — катушки из сверхпро­
водника, погруженные в жидкий гелий. В них сколь угодно долго может храниться однажды наведенный ток и, следовательно, магнитное поле. Оно может достигать гигант­
ской величины — свыше 100 000 эрстед. В будущем, несомненно, появятся мощные МЕЖДУ АБСОЛЮТНЫМ НУЛЕМ II МИЛЛИАРДОМ ГРАДУСОВ 123 промышленные сверхпроводящие устройст­
ва — электродвигатели, электромагниты и т.д. Б радиоэлектронике немалую роль начи­
нают играть сверхчувствительные усилители и генераторы электромагнитных волн, кото­
рые особенно хорошо действуют в ваннах с жидким гелием, — там полностью исче­
зают внутренние «шумы» аппаратуры. В электронно-вычислительной технике бле­
стящую будущность сулят маломощным сверхпроводящим переключателям — крио-
тронам (см. ст. «Пути электроники»). Нетрудно представить себе, сколь заман­
чиво было бы продвинуть действие подобных приборов в область более высоких, более до­
ступных температур. В последнее время открывается надежда создания полимерных пленочных сверхпроводников. Своеобразный характер электропроводности в таких мате­
риалах сулит блистательную возможность сохранить сверхпроводимость даже при ком­
натных температурах. Ученые настойчиво ищут пути осуществления этой надежды. В НЕДРАХ ЗВЕЗД А теперь заглянем в царство самого го­
рячего, что есть на свете, — в недра звезд. Туда, где температуры достигают миллионов градусов. Беспорядочное тепловое движение в звез­
дах настолько интенсивно, что целые атомы там существовать не могут: они разрушают­
ся в бесчисленных столкновениях. Столь сильно раскаленное вещество поэто­
му не может быть ни твердым, ни жидким, ни газообразным. Оно пребывает в состоянии п л а з м ы, т. е. смеси электрически заряжен­
ных «осколков» атомов — атомных ядер и электронов. Плазма — своеобразное состояние веще­
ства. Поскольку ее частицы электрически заряжены, они чутко повинуются электри­
ческим и магнитным силам. Поэтому близ­
кое соседство двух атомных ядер (они несут положительный заряд) — явление редкое. Лишь при высоких плотностях и огромных температурах налетающие друг на друга атомные ядра способны сблизиться вплот­
ную. Тогда совершаются т е р м о я д е р н ы е р е а к ц и и — источник энергии звезд. Ближайшая к нам звезда — Солнце со­
стоит главным образом из водородной плаз­
мы, которая раскалена в недрах светила до 10 млн. градусов. При таких условиях тес­
ные сближения быстрых водородных ядер — протонов хоть и редко, но случаются. Иногда сблизившиеся протоны вступают во взаимо­
действие: преодолев электрическое отталки­
вание, они попадают во власть гигантских ядерных сил притяжения, стремительно «падают* друг на друга и сливаются. Тут происходит мгновенная перестройка: вместо двух протонов возникают дейтрон (ядро тяжелого изотопа водорода), позитрон и ней­
трино. Освобождается энергия 0,46 млн. электрон-вольт (Мае). Каждый отдельно взятый солнечный про­
тон может вступить в такую реакцию в сред­
нем один раз за 14 млрд. лет. Но протонов в недрах светила так много, что то тут, то там совершается это маловероятное собы­
тие, — и горит наша звезда своим ровным, ослепительным пламенем. Синтез дейтронов лишь первый шаг солнечных термоядерных превращений. Но­
ворожденный дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) соединяется еще с одним про­
тоном. Возникает ядро легкого гелия и гам­
ма-квант электромагнитного излучения. Ос­
вобождается 5,48 Мае энергии. Наконец, в среднем раз в миллион лет могут сойтись и соедшшться два ядра легко­
го гелия. Тогда образуется ядро обычного гелия (альфа-частица) и отщепляются два протона. Выделяется 12,85 Мэв энергии. Этот трехступенчатый «конвейер» термо­
ядерных реакций не единственный. Суще­
ствует и другая цепочка ядерных превраще­
ний, более быстрых. В ней участвуют (не расходуясь) атомные ядра углерода и азота. Но в обоих вариантах из водородных ядер синтезируются альфа-частицы. Фигурально выражаясь, водородная плазма Солнца «сго­
рает», превращаясь в «золу»—плазму ге­
лия. И в процессе синтеза каждого грамма гелиевой плазмы выделяется 175 тыс. кет • ч энергии. Огромное количество. Ежесекундно Солнце излучает 4 • 103 3 эр­
гов энергии, теряя в весе 4- Ю1 2 г (4 млн. г) вещества. Но полная масса Солнца 2-Ю2 7 г. Значит, за миллион лет благодаря лучеис­
пусканию Солнце «худеет» всего лишь на од­
ну десятимиллионную часть своей массы. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 124 Эти цифры красноречиво иллюстрируют эф­
фективность термоядерных реакций и ги­
гантскую калорийность солнечного «горюче­
го» — водорода. Термоядерный синтез, по-видимому, глав­
ный источник энергии всех звезд. При разных температурах и плотностях звездных недр осуществляются разные типы реакций. В частности, солнечная «зола» — ядра ге­
лия — при 100 млн. градусов сама становит­
ся термоядерным «горючим*. Тогда из альфа-частиц могут синтезироваться еще бо­
лее тяжелые атомные ядра — углерода и да­
же кислорода. Как считают многие ученые, вся наша Метагалактика в целом тоже плод термо­
ядерного синтеза, который проходил при температуре в миллиард градусов (см. ст. «Вселенная вчера, сегодня и завтра»), К ИСКУССТВЕННОМУ СОЛНЦУ Необычайная калорийность термоядер­
ного «горючего» побудила ученых добивать­
ся искусственного осуществления реакций ядерного синтеза. «Горючего» — изотопов водорода на на­
шей планете немало. Например, сверхтяже­
лый водород т р и т и й можно получить из металла лития в ядерных реакторах. А тяже­
лый водород — д е й т е р и й входит в состав т я ж е л о й в о д ы, которую можно добыть из обычной воды. Тяжелый водород, извлеченный из двух стаканов обычной воды, дал бы в термо­
ядерном реакторе столько энергии, сколько сейчас дает сжигание бочки первосортного бензина. Трудность заключается в том, чтобы предварительно нагреть «горючее* до темпе­
ратур, при которых оно способно воспламе­
ниться могучим термоядерным огнем. Впервые эта задача была решена в водо­
родной бомбе. Изотопы водорода там поджи­
гаются взрывом атомной бомбы, что сопро­
вождается нагревом вещества до многих десятков миллионов градусов. В одном из вариантов водородной бомбы термоядерным горючим служит химическое соединение тяжелого водорода с легким литием — дей-
т е р и д л е г к о г о л и т и я. Этот белый поро­
шок, похожий на столовую соль, «воспламе­
няясь» от «спички», которой служит атом­
ная бомба, мгновенно взрывается и создает температуру в сотни миллионов градусов. Чтобы возбудить мирную термоядерную реакцию, надо прежде всего научиться без услуг атомной бомбы разогревать малые дозы достаточно плотной плазмы изотопов водорода до температур в сотни миллионов градусов. Эта проблема — одна из трудней­
ших в современной прикладной физике. Над ней уже много лет работают ученые всего мира. Мы уже говорили, что именно хаотиче­
ское движение частиц создает нагретость тел, причем средняя энергия их беспорядочного движения и соответствует температуре. На­
греть холодное тело — значит любым спосо­
бом создать этот беспорядок. Вообразите, что две группы бегунов стре­
мительно несутся навстречу друг другу. Вот они столкнулись, перемешались, началась толчея, неразбериха. Отличный беспорядок! Примерно так же физики на первых по­
рах пытались получить высокую температу­
ру — путем сталкивания газовых струй вы­
сокого давления. Газ нагревался до 10 тыс. градусов. В свое время это был рекорд: тем­
пература выше, чем на поверхности Солнца. Но при этом способе дальнейший, доста­
точно медленный, не взрывной нагрев газа невозможен, так как тепловой беспорядок мгновенно распространяется во все стороны, согревая стенки экспериментальной камеры и окружающую среду. Полученное тепло быстро покидает систему, и изолировать ее невозможно. Если струи газа заменить потоками плаз­
мы, проблема теплоизоляции остается очень трудной, но открывается и надежда на ее решение. Правда, и плазму нельзя оградить от по­
терь тепла сосудами, изготовленными из вещества» пусть даже самого тугоплавкого. Соприкасаясь с твердыми стенками, горячая плазма немедленно остывает. Зато можно попытаться удержать и разогреть плазму, создав ее скопление в вакууме так, чтобы она не касалась стенок камеры, а висела в пустоте, нп до чего не дотрагиваясь. Тут следует воспользоваться тем, что частицы плазмы не нейтральные, как атомы газа, а электрически заряженные. Поэтому в движе­
нии они подвергаются действию магнптн! ЧТОБЫ СДЕЛАТЬ АЛМАЗ... 125 сил. Возникает задача: устроить магнитное поле особой конфигурации, в котором горячая плазма висела бы как в мешке с невидимы­
ми стенками. Простейший вид такого поля создается автоматически, когда через плазму пропу­
скают сильные импульсы электрического тока. Вокруг плазменного шнура при этом наводятся магнитные силы, которые стремят­
ся сжать шнур. Плазма отделяется от стенок разрядной трубки, и у оси шнура в толчее ча­
стиц температура поднимается до 2 млн. гра­
дусов. У нас в стране такие эксперименты были исполнены еще в 1950 г. под руковод­
ством академиков Л. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича. Другое направление опытов — использо­
вание ма г н и т н о й б у т ыл к и, предложен­
ной в 1952 г. советским физиком Г. И. Буд-
кером, ныне академиком. Магнитная бутыл­
ка устраивается в п р о б к о т р о н е — ци­
линдрической вакуумной камере, снабжен­
ной наружной обмоткой, которая сгущается у концов камеры. Ток, протекающий по об­
мотке, создает в камере магнитное поле. Его силовые линии в средней части распола­
гаются параллельно образующим цилиндра, а у концов сжимаются и образуют ма г нит ­
ные проб ки. Частицы плазмы, впрысну­
той в магнитную бутылку, вьются вокруг си­
ловых линий, отражаются от пробок. В ре­
зультате плазма некоторое время удержива­
ется внутри бутылки. Если энергия введенных в бутылку плазменных частиц достаточно велика и их достаточно много, они вступают в сложные силовые взаимодей­
ствия, их поначалу упорядоченное движение запутывается, становится беспорядочным — температура водородных ядер поднимается до десятков миллионов градусов. Дополнительный нагрев достигается электромагнитными «ударами» по плазме, сжатием магнитного поля и т. д. Сейчас плазму ядер тяжелого водорода раскаляют до сотен миллионов градусов. Правда, это удается сделать либо на короткое время, ли­
бо при малой плотности плазмы. Чтобы возбудить самоподдерживающуюся реакцию, предстоит дальше поднять темпе­
ратуру и плотность плазмы. Добиться этого трудно. Однако проблема, как убеждены ученые, бесспорно разрешима. ЧТОБЫ СДЕЛАТЬ АЛМАЗ... Кто незнаком с алмазом — этим чемпио­
ном в мире кристаллов? Нас восхищает фее­
рическая игра света на гранях отшлифован­
ного алмаза (бриллианта), поражает его не­
превзойденная твердость. Размер кристаллов обычно невелик (2—5 мм), но попадаются и крупные образцы. Самый большой из всех добытых алмазов весил 605 г, пли более 3000 карат (карат — 0,2 г). Можно добавить, что за все времена по 1947 г. было найдено 80 т алмазов (подсчитано, что в месторожде-
Рис, 1. Кристаллические решетки алмаза и графита (схемы). ниях находят 0,2—0,3 карата алмазов на 1 м3 породы). Итак, алмаз — это драгоценный камень. В 1797 г. С. Теннант определил его хими­
ческий состав. Оказалось, что он, так же как и графит, состоит из чистого углерода. Мы знаем, что некоторые химические элементы могут существовать в виде двух и более простых веществ. Так, атомы кисло­
рода способны соединяться по два (газ кис­
лород) и по три (газ озон), фосфор дает двух-
и четырехатомные молекулы. Это происхо­
дит потому, что атомы образуют молекулы разными способами (аллотропия). В графите атомы углерода соед1шены в шестиугольни­
ки, которые слоями лежат друг на друге, причем расстояние между слоями равно 3,4 А. В алмазе те же атомы углерода распо­
ложены в углах тетраэдра, длина ребра кото­
рого равна 1,54 А (рис. 1). ВЕЩЕСТВО П ЭНЕРГИЯ, ЧИСЛА И ФИГУРЫ 26 Какие же условия необходимы, чтобы атомы углерода изменили свое расположе­
ние ы графит превратился в алмаз? Алмазы образуются в толще Земли при высоких давлениях и температурах. Там они кристаллизуются, а затем в результате из­
вержений порода, в которой они находятся, выбрасывается к поверхности Земли. Можно ли этот процесс повторить искусственно? Ученые установили, что если нагреть ал­
маз в среде инертного газа до высокой тем­
пературы, он превратится в графит. Темпера­
тура этого перехода зависит от давления. Чем выше давление, тем при большей темпе­
ратуре устойчив алмаз. Оказалось, что алмаз устойчив только при высоких давлениях, начиная от 10 000 атм при комнатной температуре п до сотен тысяч атмосфер при тысячах градусов. Много лет изобретатели, ученые и просто охотники до наживы проводили сотни экспе­
риментов, пытаясь превратить графит в ал­
маз, но безуспешно. Теперь нам ясно, в чем дело. Оказалось, что при низких температурах скорость пере­
хода графита в алмаз так мала, что нужны миллионы лет, чтобы получить хоть крупи­
цу алмаза. По-видимому, успеха можно бы­
ло ждать только при высоких температурах. Но при этом нужны были и очень высокие давления. Теперь, прежде чем продолжить рассказ об алмазе, вспомним, что такое давление. Давление — это сила, приложенная к еди­
нице площади. Бес человека, распределен­
ный на площадь его подошв, — это давление. Сила, с которой нажимает наперсток, прило­
женная к площади кончика иглы,— это дав­
ление. Вычислим его. Предположим, что диаметр кончика иглы равен 0,01 мм, пли 10~3 см (а это еще тупая пгла). Тогда пло­
щадь кончика равна 0,785 * 10"' см2. Если на­
персток нажимает на иглу с силой всего в 1 г, то давление под кончиком будет 1275 кг!см2, или 1275 технических атмосфер. Жало комара еще тоньше, чем игла, и по­
нятно, почему оно легко прокалывает кожу. А что представляет собой атмосферное давление? Это вес воздуха, приходящийся на единицу площади. На уровне моря на 1 см2 поверхности давит сила около 1 кгс. Отсюда и пошло обозначение: техническая атмо­
сфера — это 1 KZCJCM2. Под водой давление возрастает на каждые 10 м глубины прибли­
зительно на одну атмосферу. В толще Земли давление растет еще быстрее. На глубине 150—200 м оно уже достигает десятков ты­
сяч атмосфер, а в центре Земли — несколь­
ких миллионов. А вообще каков предел величины давле­
ния? Нижний предел — это абсолютный вакз'ум. В пространстве, где нет ни одной частицы вещества, давление равно нулю. А верхний предел? Попробуем представить себе ящик, стенки которого могут выдержать любое давление. Начнем нагнетать в него газ. Молекулам в ящике станет теснее. При некоторой плот­
ности газ превратится в жидкость. Если про­
должать накачивание, количество молекул в ящике станет еще больше, расстояние меж­
ду ними будет сокращаться. Молекулам будет все труднее двигаться в ящике, возра­
стет вязкость газа, и при давлении около двадцати тысяч атмосфер он затвердеет. Про­
должим сжатие. При давлениях в десятки тысяч атмосфер молекулы подойдут так близко друг к другу, что это начнет мешать электронам двигаться вокруг ядер. Появятся изменения в электронных оболочках. Более половины химических элементов устроено так, что на их внутренних электрон­
ных орбитах есть свободные места. При дальнейшем сжатии (до сотен тысяч атмо­
сфер) электроны в таких атомах начнут сдвигаться на свободные места поближе к ядру. При этом обычные химические свойст­
ва элементов настолько изменяются, что мо­
жно даже будет построить новую периодиче­
скую систему элементов. При давлениях в миллионы и более атмо­
сфер может оказаться, что электронам удоб­
нее двигаться не вокруг отдельных ядер, а в виде электронного газа возле всех ядер: ве­
щества переходят к металлическое состояние. В настоящее время улсе умеют сжимать до очень высоких давлений и газы, и жид-
кости, и твердые тела. Самые высокие давле­
ния достигнуты при сжатии твердых тел в аппаратах, построенных по принципу молота и наковальни (ведь обычные молот и нако­
вальня остаются при ковке целыми, а кусок железа меняет свою форму). Из очень твер­
дого сплава изготовляют две наковальни и помещают их между плитами мощного гид­
равлического пресса (рис. 2). Между нако-
ЧТОБЫ СДБЛАГЬ АЛМАЗ... 127 Рис. 2. Гидравлический пресс с «наковальнями». М.1СЛО Цилиндр гмдравл пресса /гидравлического -Поршень Исследуемое —вещество Плита вальнямн находится тонкий слой исследуе­
мого вещества. При сжатии плит в веществе развивается огромное давление. Если диа­
метр наковальни равен 1,6 см, то, сжав пли­
ты с силон 1000 г, можно достичь давления в 0,5 млн. атм (вспомним наперсток и иголку). Используя такой принцип и создалт! ап­
параты, в которых были впервые получены алмазы (рис. 3). Он состоит из многослойного кольцевого сосуда. Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава. На этот слой надеты пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором циркулирует охлаждающая вода. Такое чередование ма­
териалов уменьшает опасность разлета осколков, если аппарат разрушится. Сверху и снизу аппарат закрыт многослойными крышками. Внутренние части крышек — это штампы из сверхтвердого сплава. На конус­
ные части штампов надевают прокладки из пирофиллита (минерал — алюмосиликат же­
леза). Он обладает свойством становиться эластичным при высоких температурах и давлениях. Внутрь кольцевого сосуда встав­
ляют контейнер из пирофиллита, в котором находится графитовый стержень и катализа­
тор. При нагревании катализатор плавится, графит растворяется в расплаве и его пере­
стройка в алмаз происходит легче. Рис. 3. Схема бандажного аппарата для получения алмазов: 1 — медь; 2 — мягкая сталь; 3 — сталь;] 4—твердая сталь; 5 — са-| мая твердая сталь; 6 — ! карбид вольфрама. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 328 Все три части аппарата собирают, встав­
ляют в гидравлический пресс и начинают увеличивать давление. Пирофиллит заполня­
ет все неплотности между штампами и коль­
цевым сосудом и предотвращает падение дав­
ления. Чтобы нагреть содержимое контейнера, через штампы пропускают ток большой мощ­
ности. Штампы изолированы от пресса и соединены металлическими прокладками с графитовым стержнем в контейнере. Ток, проходящий через эту электрическую цепь, может нагреть графит до 3000°. Проходят десятки минут... Процесс за­
кончен. Внутри контейнера уже не графит, а кристаллики алмаза. Аппарат охлаждают, снижают давление и из контейнера выни­
мают массу, в которой находится алмаз. Почему же алмаз, вынутый из аппарата, не превращается опять в графит? Ведь он в обычных условиях неустойчив? Дело снова в скорости процесса: он так замедлен, что мы не можем его заметить. Итак, алмаз получен. Это мелкие кри­
сталлы, которые выросли в течение минут, а не веков, понадобившихся для роста круп­
ных кристаллов природного алмаза. Их нельзя использовать для изготовления укра­
шений. Но они очень нужны. Алмаз — самое твердое вещество. По­
этому из него изготовляют резцы, сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые ко­
ронки, фильеры для волочения проволоки и т. д. Алмазные инструменты обрабаты­
вают самые твердые сплавы с необычайной скоростью и чистотой. Техника и промыш­
ленность очень нуждаются в алмазах, И сей­
час налажено производство искусственных алмазов для технических целей. С помощью высоких давлений удалось создать боразон — кристаллический нитрид бора, по твердости сравнимый с алмазом и применяющийся для обработки сверхтвер­
дых веществ и сплавов. Искусственный кварц, который также получают под давле­
нием, нашел применение в радиотехнике. Что же касается ювелирных алмазов, то придет и их время. Для этого нужно создать аппараты, в которых можно будет поддер­
живать высокие давления и температуры неограниченно долго, чтобы создать условия для медленного роста крупных кристаллов. Но это дело будущего. ЧУДЕСА ЛАЗЕРА ...Павел Седов посмотрел на часы: пор; спешить в студию телевстреч. Уральский скульптор Николай Петров обещал показать свою последнюю работу. Проходим в слегка затемненную комнату. Раздается треск газо­
разрядных ламп — в комнату входит Пет­
ров. Появляется стол. На нем малахитовая ваза. Николай дает пояснения, а мы, встав полукругом, с разных сторон рассматриваем каменное великолепие. Но вот встреча окон­
чилась. Прощание, щелчок тумблера, и мы снова одни... Может быть, не так в деталях, но очень похоже, через несколько десятков лет будут происходить встречи людей, разделенных тысячами километров друг от друга, — объ-
емное цветное изображение человека или любого другого предмета мгновенно будет передаваться на любые расстояния. Изобра­
жение ничем не отличается от действитель­
ного объекта! Не выходя из студии, можно осмотреть Эрмитаж или Лувр, побывать на озере Байкал, проникнуть в глубины океана. Но какие есть основания считать, что все это осуществится в недалеком будущем? Оказывается, есть. Ученые уже получают объемное изображение. Не такое, как на обычных стереоснимках, когда хотя и со­
здается иллюзия объемности, но ничего но­
вого не увидишь, рассматривая снимок под разными углами зрения, а такое, когда, двигаясь вдоль экрана, зритель видит то, что прежде загораживали другие предметы. Правда, пока это изображение не цветное и не движущееся, да еще нужно научиться передавать его на большие расстояния. Впрочем, сделать изображение движущимся п цветным сравнительно просто. Передать же его — задача не из простых: потребуется очень емкий канал связи. Ведь канал столь привычного сейчас телевидения, рассчитан­
ного на передачу одной программы, годится для передачи нескольких сотен обычных ра­
диовещательных программ. А как же пере­
дать объемное изображение, требующее гораздо более емкого канала связи? Оказывается, и создать объемное изобра­
жение, и перенести его на далекие расстоя­
ния сможет лазер. Если полностью исполь­
зовать его возможности, то одним лазерным ЧУДЕСА ЛАЗЕРА 129 Рис. 2. лучом можно одновременно передавать десять миллионов телепрограмм. По одной программе на каждые 300 человек земного населения! Вот как велики возможности ла­
зерного луча. Что же создает эти возможности? Моно­
х р о ма т и ч н о с т ь и к о г е р е н т н о с т ь лазерного луча. Вот что это такое. Свет — электромагнитные колебания. Ко­
лебания от привычных нам источников све­
та: ламп накаливания, Солнца, газоразряд­
ных ламп — носят хаотический характер {рис. 1, а). В лазерном же луче интенсивность электромагнитной волны меняется по «чис­
той синусоиде» без наложений и сбоев (рис. 1,6). Это и означает к о г е р е н т н о с т ь луча. Рис. 1. а — некогерентное излуче­
ние; колебания носят хаотический характер; б — когерентное излуче­
ние (синусоидальное, гармониче­
ское колебание); по такому закону колеблются электрическое и маг­
нитное поля в лазерном луче. Из школьного учебника вы знаете, что называется периодом и частотой колебаний. У лазерного луча частота не меняется в про­
цессе его излучения, такой луч называется м о н о х р о м а т и ч е с к и м. Именно эти свойства луча позволяют передавать телепрограммы, создавать объем­
ные изображения, концентрировать огром­
ные мощности. Попробуем понять, в чем особенность ла­
зера как передатчика. Для этого рассмотрим линию связи (рис, 2). По желобу непрерывно катятся одинаковые шарики. Число шари­
ков, приходящих с одного берега на другой Я Позиание гцюдолжается в единицу времени — частота их появления, постоянно. Чтобы передать с помощью тако­
го устройства какие-либо данные, нужно пометить шарики, например буквами алфави­
та, и отправлять и принимать их в опреде­
ленном порядке. Тогда количество информа­
ции (в нашем случае число букв), переда­
ваемое за определенное время, будет пропор­
ционально частоте появления шариков из желоба. Неискаженная синусоида подобна чис­
тым шарикам. Зарегистрировав синусоидаль­
ное излучение каким-либо приемником, мы узнаем, что включен передатчик, можем установить направление его излучения. Чтобы передать более существенные данные, на синусоиде, как и на шариках, необходимо сделать метки. Эффективно можно «поме­
тить» только когерентный монохроматиче-
ский луч — такой луч служит как бы чистым листом бумаги, на котором записывается информация. Нанести «метки» можно, меняя амплитуду или частоту колебаний (рис 3). Тогда передаваемые данные будут заключены в «узорах*, нанесенных на синусоиду. Чем меньше нужно времени для передачи «узо­
ра», тем мощнее канал связи. А это время, как видно из рисунка 3, обратно пропорцио­
нально частоте излучения. Так что, чем вы­
ше частота, тем большее количество инфор­
мации можно передать за одно и то же время. Частота электромагнитных колебаний рубинового лазера — 6-Ю1 4 гц — в 10 мил­
лионов раз превосходит частоту, на которой ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 130 Рнс. 3. В^з передаваемые лучом данные заключены в огибающей (пунктир). Если основная частота увеличится вдвое, то время t, за ко­
торое будет передана информация, уменьшится вдвое. ведутся в наши дни телепередачи. Поэтому один лазерный луч и может, в принципе, транслировать миллионы телевизионных программ и миллиарды радиовещательных передач. Дело в том, что если скорость передачи по каналу СЕЯЗИ велика, то можно передать одновременно много разнородной информа­
ции. Возвратимся опять к «шариковому» теле­
графу. Пусть скорость поступления шариков ровно вдвое превосходит скорость самого быстрого чтения. Тогда чтец на приемном конце телеграфа не будет успевать прини­
мать информацию. Хорошо бы поставить еще одного чтеца, но не ясно, как им работать: оттого что их двое, скорость чтения не повы­
сится. Однако есть выход: можно передавать сразу два разных сообщения, а чтобы их не путать, сообщение J\fe 1 писать на шариках Рис. 4. диаметром, например, 80 мм, а сообщение № 2 — на шариках диаметром 100 мм. Если все шарики будут на приемном конце жело­
ба проходить над отверстием, скажем, диа­
метром 82 лив, то малые шары провалятся и попадут к чтецу № 1, а большие пройдут его и попадут к чтецу № 2 (рис. 4). По такому телеграфу можно было бы передавать одновременно и десять разных сообщений, только потребовались бы шары десяти раз­
ных диаметров и сепаратор шаров (который можно назвать и фильтром) был бы слож­
нее: вместо одного — девять отверстий. А как быть с лазерным лучом? Здесь мы можем передавать сообщения на разных частотах: например, сообщение № 1 на часто­
те /i (шарик диаметром 80 мм), а сообщение № 2 на частоте /г (шарик диаметром 100 мм). Сигналы на этих частотах поступают на спе­
циальный фильтр, который их и разделяет. А так как частота колебаний лазера очень велика (в секунду передается 6-Ю'4 «ша­
ров»), то по лазерному лучу можно передать параллельно большое число программ. Но ведь частота луча лазера неизменна, его луч монохроматический?! Как же пере­
дать сообщение на двух разных частотах f\ и /?? Эти частоты нужно «нанести* (такой процесс называется модуляцией) на основ­
ную несущую частоту колебаний лазера (рнс. 5). На рисунках а а б эти частоты на­
ложены на основную частоту лазера раз­
дельно, а на рисунке в на несущую наложена с у мма частот. Принятый луч должен по­
ступить на детектор. Детектор снимает с несущей «узор», содержащий частоты /\ и fc-
После детектора фильтр разделяет эти часто­
ты. На колебания с частотами ft и f2 также можно нанести «узоры*, содержащие разные сообщения. Вряд ли именно по такой схеме будет вестись передача многих программ по лазер­
ному лучу, — еще не существует способов эффективной «записи* передаваемой инфор­
мации ка лазерном луче. Ученые еще не научились полностью использовать колеба­
ния столь высокой частоты, как лазерные, для «записи» на них передаваемых данных. Проводя аналогию с нашим «шариковым телеграфом», можно сказать, что поток ла­
зерных «шариков» настолько быстр, что из нескольких тысяч удается пометить лишь один. ЧУДЕСА ЛАЗЕРА 131 Над задачей полного использования ла­
зерного луча для передачи информации п работает большая часть ученых, занимаю­
щихся практическими применениями лазе­
ров. Когда решение задачи будет найдено, реальностью станет широкое внедрение видеотелефона с объемным изображением и многого другого, о чем мы еще не смеем меч­
тать. Ведь информация — элемент, без кото­
рого невозможен ни один процесс управления в технике, человеческом обществе, живом ор­
ганизме. Коротко об объемном изображении. Здесь главную роль играет когерентность лазерно­
го луча. На обычной фотопластинке отра­
женные световые волны создают светлые и темные места только в зависимости от их интенсивности, при этом фаза, в которой колебания отражаются от предмета, не играет никакой роли. С помощью же когерентного луча можно получить голограмму — пла­
стинку, на которой записано с помощью совокупности светлых и темных полос «за-
шнфрованное»- объемное изображение пред­
мета. На такой пластинке записана не только интенсивность света, отраженного каждой точкой предмета, но и фаза, в кото­
рой свет отразился. Эта дополнительная «ко­
ордината» и позволяет воссоздать объемное изображение, когда голограмма освещается лучом газового лазера. На рисунках 6 и 7 {стр. 132) показано, как готовят голограмму и как по голограмме восстанавливают закодированное в ней в ви­
де интерференционных полос изображение. На предмет падает луч лазера. Каждая освещенная точка предмета отражает свет на фотопластинку. На эту же фотопластин­
ку от зеркала попадает свет того же лазера. Путь света от разных точек предмета до фотопластинки разный, и, кроме того, каж­
дая точка предмета отражает свет по-разно­
му — светлое место больше, а темное меньше. От зеркала до фотопластинки лучи проходят одинаковый путь, и каждая точка зеркала отражает свет одинаково. Этот луч эталон­
ный. Его колебания складываются на фото­
пластинке с колебаниями света, отраженного от предмета Как показывают вычисления, эта сумма колебаний создает на фотопла­
стинке видимую картину распределения све­
товых волн, отраженных от предмета. Чтобы воспроизвести по голограмме изображение, она освещается пучком света, исходящим из лазера. Световые волны лазера, проходя сквозь голограмму, образуют два световых потока — две точные копии волн, отражен­
ных ранее от предмета, и формируют два объемных изображения предмета — действи­
тельное и мнимое. Если заснять кинофильм, где каждый кадр — голограмма, то получится стерео­
фильм необыкновенно высокого качества. Теперь нужно передать фильм на расстоя­
ние — и вариант объемного телевидения го­
тов. Но не только этой цели послужит голо­
графия. С ее помощью можно хранить огром­
ный объем сведений. На одну пленку голо­
граммы можно записать 150 страниц текста книги. Оказывается, голограммы можно записывать и на кристаллах. И по оценкам ученых, в одном кубическом сантиметре Рис. G- Схема модуляции. ЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ Рис. 6. Схема получения голограммы. кристалла удастся поместить сведения, для хранения которых потребовалась бы книга в 1 млрд. страниц — толщиной более 50 км. И все эти чудеса уже в недалеком будущем станут привычными, как и редкое в наши дни слово — голография. ...Атомная лодка вышла в рейс, чтобы, не всплывая на поверхность, подо льдом пе­
ресечь Северный Ледовитый океан. На под­
готовку затрачены годы огромного труда. И вот в самом начале поход пришлось отме­
нить. Отказали приборы, ориентирующие корабль, — гирокомпасы. Гирокомпас — сложный и капризный прибор, да и во мно­
гие устройства, движущиеся с большими ускорениями, его нельзя устанавливать. Поэтому, как только были созданы лазеры непрерывного излучения (газовые), сразу же возникла мысль использовать вместо компа­
са световой луч! Принцип, на котором осно­
ван световой компас, предложен еще в нача­
ле нашего века Майкельсоном, американ-
Рис. 7. Схема воспроизведения изображения по голограмме. 132 ским ученым, опыты которого по измерению скорости света легли в основу теории отно­
сительности, созданной Эйнштейном. Если два когерентных луча обегают не­
подвижный замкнутый контур в противопо­
ложных направлениях, а затем падают на линзу (рис. 8), то в фокальной плоскости линзы можно наблюдать систему светлых и темных полос — интерференционную карти­
ну. Когда вся установка вращается, напри­
мер против часовой стрелки, луч 1—2—3—4 обойдет контур за меньшее время, чем луч 4—3—2—1. В результате этого интерферен­
ционная картина сдвинется. По этому сдвигу можно вычислить время АГ и угловую ско­
рость вращения светового контура. Но чтобы можно было заметить смещение интерферен­
ционных полос, вызванное вращением Земли, необходим контур, охватывающий площадь 60 мЧ Тогда за счет вращения Земли интер­
ференционная картина сдвинется примерно на 0,36 полосы, если длина волны источника света 0,60 мк. Этот эффект наблюдал Май-
кельсон в 1921 г. Но световой компас таких размеров не установишь даже на корабле, не говоря о ракетах и самолетах. Поэтому идея Майкельсона не находила практическо­
го применения до изобретения лазера. Дело в том, что для измерения сдвига лучей по фазе нужен очень большой контур. Приме­
няя лазер, можно измерение сдвига фазы заменить измерением изменения частоты света, а именно измерить разность частот колебаний лазерных лучей — идущего по вращению контура вместе с Землей и против вращения. Измерения частот колебаний отличаются большой точностью. Поэтому малый контур, обегаемый лучом лазера, позволяет опреде­
лить угловую скорость вращения Земли с высокой точностью. Если создать замкнутый контур из лазе­
ров, то, как и раньше, свет, движущийся по вращению контура, будет его обходить за большее время, чем свет, идущий в противо­
положном направлении. Теперь контур мож­
но рассматривать как два вложенных один в другой лазера, чуть-чуть отличающихся по своим размерам. Из теории лазера изве­
стно, что его размеры, правда в небольших пределах, влияют на частоту излучения. При этом частота колебаний луча, идущего по вращению, уменьшится, а частота колебаний ЧУДЕСА ЛАЗЕРА J 33 Рпс. 8, Схема лазерного компаса-
01 ЛОШАДЬ КОнТ УРА-
ОУв^ГьНаАЕМСГО Л^ЧОЬЛ ) луча, распространяющегося в противополож­
ном направлении, увеличится на такую же величину Д W. И на фотоэлемент будет посту­
пать свет, интенсивность которого изменяет­
ся с частотой 2-iVi/. Фотоэлемент преобразу­
ет световые колебания в электрические той же частоты. Частота электрических колеба­
ний легко может быть измерена с очень вы­
сокой точностью. Существует зависимость между частотой 2AW и частотой вращения плоскости, в которой находится световой ги­
роскоп. Так что скорость вращения Земли может быть определена по частоте биений света. По этим же измерениям можно ориен­
тировать корабль. Как это сделать, подска­
жет рисунок 9. Инженеры рассчитали, что та­
кой световой компас должен быть гораздо точнее и надежнее, чем механический гиро­
компас — важнейший элемент системы уп­
равления кораблем, ракетой, самолетом. Мы рассказали о трех проблемах, над которыми еще работают ученые, — неболь­
шой доле неисчислимых возможностей, от­
крываемых нам лазерным лучом. Стоит вспомнить о получении с помощью лазера концентрированных потоков энергии, кото­
рые позволяют резать и сваривать металлы, делать хирургические операции на сетчатке глаза, направлять в нужную сторону хими­
ческие реакции, получать высокотемпера­
турную плазму. Уже существуют лазеры, на которых будут создаваться быстродействую­
щие вычислительные машины. Пока великое изобретение делает только первые шаги в нашу жизнь, но недалеко то время, когда лазер станет таким же привыч­
ным, как радио, телевидение, рентгеновская трубка. (О некоторых других возможностях лазера см. ст. «Пути электроники».) Рис. 9. В зависимости от положения плоскости лазерного контура изм& ряемая частота колебаний фототока 2ДИ7 будет меняться. Если пло­
скость светового гироскопа перпен­
дикулярна плоскости экватора, то частота 2-1W = 0, потому что в этом случае вращение Земли никак не сказывается на времени прохож­
дения лучей по контуру. Когда эта плоскость параллельна плоскости экватора М, частота 2-1W дости­
гает наибольшей величины. В этом случае перпендикуляры к плоско­
сти светового гирокомпаса (1—1 в точках А к В) будут направлены параллельно земной оси {например, на север), что и даст возможность определить страны света. НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ЗЁ МЛ И ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 134 НЕОБЫЧНАЯ ХИМИЯ Ни из периодическ.01 э закона, ни из тео­
рии строения атома не следует, что элементы нулевой группы — благородные газы, эти химические «ленивцы», — вообще не способ­
ны вступать в реакцию химического взаимо­
действия с другими элементами. Теория только указывает на исключительную проч­
ность внешних электронных оболочек «без­
различных ко всему на свете» элементов: гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и ра­
дона. А из этого вытекает лишь их высокая химическая инертность. Действительно, в обычных условиях они ни с чем не соединя­
ются. В природе они находятся в свободном состоянии. Они даже не способны образовать свою собственную молекулу. Все они — од­
н о а т о мн ые г а з ы. Их нормальное состоя­
ние — нулевая валентность. В 1900 г. Д. И. Менделеев и У. Рамзай совместно пришли к убеждению, что к пе­
риодической системе нужно для этих бездея­
тельных элементов добавить еще одну, «нуле­
вую» группу. Такое положение в менделеев­
ской таблице для этих элементов до сих пор было общепринято. Оно хорошо характери­
зует их свойства. Однако химики никогда не теряли надеж­
ды преодолеть химическую «лень» благород­
ных газов и заставить их вступать в химиче­
ские соединения. Задача оказалась чрезвы­
чайно трудной. Решение ее потребовало бо­
лее 60 лет напряженной самоотверженной работы. Попытки получить химические соедине­
ния инертных газов были предприняты сразу после открытия аргона. Уже в 1896 г., всего через два года после открытия аргона, было получено при очень высоком давлении пер­
вое соединение аргона с водой: Аг-МоО. Но чтобы получить такие же соединения для криптона и ксенона, химикам пришлось ра­
ботать еще почти 30 лет (до 1923 г.). Всего более 40 лет затратили химики на неудачные попытки заставить благородные газы всту­
пить в реакцию еще с каким-либо веществом, помимо воды. Первые успешные результаты в преодоле­
нии их бездеятельности получил советский химик Б. Никитин. Ему удалось заставить благородные газы вступать в реакцию с не­
которыми органическими соединениями. И все же полученные им соединения нельзя было считать истинно химическими. Как было обнаружено позднее, это были соедине­
ния без химической связи. В них атом инерт­
ного газа находился внутри органической молекулы, как в клетке, и не мог ее поки­
нуть. Такие соединения называются теперь клатратными соединениями (см. ст. «Удиви­
тельные соединениям). Непрерывные неудачи создали общепри­
нятое мнение о том, что благородные газы вообще не способны участвовать в химиче­
ских реакциях. И даже школьники во всем мире так это и учат по своим учебникам. Но упорная борьба продолжалась. Развивая тео­
рию химической связи, ученые-теоретики смогли с уверенностью предсказать возмож­
ность взаимодействия некоторых инертных газов с фтором. И, наконец, совсем недавно, в 1961 г., был достигнут замечательный успех. Канад­
скому химику Бартлетту удалось получить первое настоящее соединение ксенона с пла­
тиной и фтором XePt Ч- F6. Вскоре были полу­
чены соединения XeF6, XeF,j и XeF2. Это — твердые кристаллические устойчивые веще­
ства белого цвета. Были получены и соединения криптона п фтора, но они стойки только при температуре жидкого азота. Наконец удалось получить соединения ксенона с кислородом. Оно оказа­
лось сильно взрывчатым. Теперь можно считать, что химики прео­
долели химическую ииерткость элементов ну­
левой группы таблицы Менделеева и поло­
жили начало новому интересному разделу химии. Сейчас нам еще трудно представить себе, какое применение найдут соединения благо­
родных газов. Но мы можем быть уверенны­
ми, что с их помощью будут созданы новые, очень важные и нужные человеку технологи­
ческие процессы. Даже эти «ленивые* элементы начнут прилежно работать для человека. И уже на­
чали, правда, пока очень ограниченно: фто­
риды ксенона применяются там, где нужно мягкое фторирование, где все разоушаюпиш свободный фтор нельзя применить. Пока же химикам пришлось перестроить Периодическую таблицу элементов. В СЕЯЗП с тем, что получены такие соединения «ннерт-
УДИВИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 135 них» газов, в которых они проявляют валент­
ность, равную восьми, в соответствии с пра­
вилом Менделеева пришлось в современной Периодической таблице поместить их в вось­
мой группе (по Менделееву номер группы ра­
вен максимальной валентности элемента) и больше не выделять их в особую, «нулевую» группу. УДИВИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ НОВЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПРИНЦИП Органическая химия построила новый мир веществ рядом с прежним. Химики заду­
мали, создали и всесторонне исследуют сое­
динения, не встречающиеся в природе. Они утвердились во всех сферах человеческой дея­
тельности, в промышленности идет их мног,-
тоннажный синтез. В этом действителы с великая творческая способность и могущест­
во органической химии. Но, как это ни странно, три с лишним миллиона известных нам органических ве­
ществ — природных и синтетических, несмот­
ря на чрезвычайное разнообразие свойств, посторены принципиально одинаково: ато­
мы в их мо л е к у л а х с о е д и н е н ы ме жд у с обой х и м и ч е с к и м и с в я з я ­
ми. Т а к о й с пос об с о е д и н е н и я ато­
мов и их г р у п п и р о в о к — фу нд а ­
м е н т а л ь н ы й с т р о и т е л ь н ый пр ин­
ц и п о р г а н и ч е с к о й х и ми и. Однако уже довольно давно в тайниках химии начали накапливаться странные фак­
ты. 160 лет назад Дэви обнаруживает гидрат хлора, в котором на одну молекулу хлора приходится шесть молекул воды. Темпера­
тура разложения этого соединения -+- 9°Ц, в то время как хлор кипит при —34,6°Ц. С открытием удивительных гидратов инертных газов (аргона, криптона, ксенона) и углеводородов (метана, этана, этилена, про­
пана, циклопропана и др.) окончательно ис­
чезла и без того слабая надежда на то, что эти соединения построены по общему, обыч­
ному принципу образования химической связи. Далее. 120 лет назад Вёлер получает странное соединение гидрохинона с сероводо­
родом, а 37 лет спустя Милиус выделяет такое же необычное соединение гидрохинона с муравьиной кислотой. Причем он уже прямо пишет, что имеет дело с принципиаль­
но новым типом связи, когда молекулы од­
ного компонента полностью включают в себя молекулы другого. 30 лет назад обнаруживается очередное загадочное явление. Немецкий ученый Бен-
ген, определяя с помощью мочевины содер­
жание жира в пастеризованном молоке, для лучшего разделения эмульсии добавил не­
много октилового спирта. Через несколько дней на поверхности жирового слоя образо­
вались кристаллы. Анализ показал, что они содержат и мочевину и октиловый спирт. Но всем известно, что эти вещества не вступают в химическое взаимодействие! События развивались стремительно. Не-
разветвленные парафины и практически все нх производные образовывали с мочевиной кристаллические продукты, В этих случаях молекула-"гость» была включена в каналы кристаллической решетки молекул-«хозя­
ев*- — мочевины (диаметр канала 5 А ). В соединениях тио мочевины диаметр каналь­
ной полости несколько больше. А поэтому он включает уже разветвленные углеводороды и даже такие крупные молекулы, как ССЦ, декалин и др. Оказалось, что гидраты инертных газов построены по тому лее принципу — мол-зкулы газов включены в к р и с т а л л и ч е с к у ю р е ше т к у воды и образуют к л е т о ч н ы е с о е д и н е н и я в к л ю ч е н и я. С гидрохи­
ноном также получаются соединения клеточ­
ного типа. В грогмадном семействе соединений включения — к л а т р а т о в (от греческого слова — «замок*, соответствует латинскэму clat(h)ratus — «загороженный*) — молекулы соединены между собой без химической свя­
зи. Соединения существуют только потому, что молекула-«гость* не может покинуть по­
лость в кристаллической решетке молекул-
«хозяев». Новые вещества быстро нашли прак­
тическое применение. Высокая устойчивость углеводородных газовых гидратов леж* в основе великолепного способа опреснение морской води. Пропан при 1,7° под давле­
нием 4 атм смешивают с морской водой. ВЕЩЕСТВО Н ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 136 Часть воды, свободной от солей, вступает в соединение, образуя кристаллический гид­
рат, разложением которого при 7,2° и давле­
нии 5 атм получают питьевую воду. Физиологически активные вещества спо­
собны образовывать гидраты клатратного типа. Такой способностью обладают соедине­
ния, вызывающие общий наркоз — эфир, хлороформ, ксенон, циклопропан и др. В 1961 г. известный американский ученый Полинг предложил молекулярную теорию, объясняющую их действие. Согласно этой теории они образуют микрокристаллы гидра­
тов в клетках мозга, препятствуя передаче нервных импульсов. Гидрохиноновые гидраты газов — совер­
шенно устойчивые на воздухе кристаллы, в которых газ находится под высоким давле­
нием: в кристаллах клатрата З-ПОСЙГЦОН-
•Аг давление аргона 91 атм\ Этот поразитель­
ный факт открывает интересные возможно­
сти для использования клатратов инертных газов. Способность мочевины включать только линейные, неразветвленные молекулы ле­
жит в основе метода «экстрактивной кристал­
лизации» — разделения смесей линейных и разветвленных углеводородов, что важно для некоторых производственных процессов. Непредельные жирные кислоты легко окис­
ляются на воздухе, но включенные в каналы мочевины, они защищены от окисления, и в таком состоянии их легко хранить. К клатратообразовачию способны и неко­
торые неорганические соединения. Широкое распространение получили макромолекуляр-
ные неорганические соединения — «молеку­
лярные сита», или ц е о л и т ы. Их кристал­
лические структуры имеют систему свооод-
ных полостей, соединяющихся широкими щелями. Например, у минералов шабазита и анальцима диаметр полостей 7,ЗА, а ще­
лей — 3,2 А; они могут включать молекулы воды, аммиака и коротких неразветвленных углеводородов. Разработаны методы получения цеоли­
тов с заданными размерами полостей и кана­
лов; они широко применяются в промыш­
ленности для сушки газов, разделения сме­
сей и как ионообменники. Новый смысл обрела одна из древнейших известных человеку реакций — синее окра­
шивание крахмала йодом. Молекулы йода располагаются в центральном канале спи­
ральной молекулы амилозы крахмала. Такие соединения, в которых молекула-«гость» внедряется в полость е д и н с т в е н н о й мо­
лекулы, называются м о л е к у л я р н ы м и с о е д и н е н и я ми в к л юч е н и я. Вещество сс-декстрин, подобно амилозе, дает с йодом синее соединение включения. В соответствии с размерами полости в него внедряются молекулы бензола и некоторых его производных, но молекулу бромбензола с-декстрин вместить уже не может, fi-дек-
стрин вмещает в себя бромбензол и даже наф­
талин, но не способен вместить антрацен, ко­
торый легко входит в более просторную по­
лость 1"ДекстР11Я[а- Таким образом, наблю­
дается строгий ряд полостей {рис. 1). Эти ссе-
Рис. 1. Молекулярные модели сое­
динений включения <* -деке три на с бензолом (А); Р-декстрина с нафталином (Б) и 7 -декстрина с антраценом (В). УДИВИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 137 динения хорошо демонстрируют возможно­
сти создания объемных молекулярных кон­
струкций методом в к л и н и в а н и я. Но та­
кие конструкции слишком шатки: даже са­
мые удачные из них легко распадаются в рас­
творах. Упрочнить молекулярные соединения включения можно созданием систем «ган­
тель в цикле» (рис. 2) или «цикл в цикле» (рис. 3). Такие соединения называются кате-
нанами, от латинского слова catena — цепь. Рис. 2. Рис. 3. Первая система напоминает слона в удаве из сказки А. Сент-Экзюпери «Маленький принц ь. Допустим, что удав проглотил сло­
ненка, но только очень маленького. Слоненок вырастает и уже не может выбраться обратно (рис. 4). Теперь либо удав переварит слона, либо слон разорвет удава. Точно так же, что­
бы разобщить систему «гантель в цикле», надо разорвать связь либо в цикле, либо в стержне, соединяющем шары. Рис. 4. Циклы катенана также нельзя разобщить, не разорвав химическую связь хотя бы в од­
ном из них. Энергия связи циклов опреде­
ляется энергией обычной химической связи. Вот почему катенаны могут служить проч­
ным строительным агрегатом в молекуляр­
ной архитектуре. Существование этих систем подтвержде­
но опытом, поэтому можно с полным правом утверждать, что о б ы ч н ы й с пос об со­
е д и н е н и я а т о мо в х и м и ч е с к и м и с в я з я м и о к а з ыв а е т с я н е е д и н с т ­
в е н н ы м м е т о д о м п о с т р о е н и я х и ­
м и ч е с к и х с о е д ине ний. КАТЕНАНЫ В 1956 —1958 гг. две группы ученых, ру­
ководимые Люттрингхаузом и Крамером, провели чрезвычайно интересные по замыслу исследования. Зная, что производные бензола могут да­
вать соединения включения с а-декстрнном, авторы «загоняли» в его полость дитиол и сводили синтез катенана к внутримолеку­
лярному окислению соединения включения (рис. 5). Несмотря на привлекательность замысла, катенан получить не удалось: дитиол, вклю­
ченный в полость а-декстрина, не окислялся. Оказалось, что характерные для соеди­
нения реакции затрудняются при его вклю­
чении, что объясняет и неудачную попытку Крамера получить систему «гантель в цик­
ле», исходя из линейного диальдегида, вклю­
ченного в «-декстрин (рис. 6). Расчет был на то, что остатки нафталина, присоединенные по концам, будут играть роль шаров ганте­
ли. Но характерная для и з о л и р о в а н н о ­
го диальдегида реакция для в к л юч е н ­
ной мо л е к у л ы не шла. Первый катенан удалось получить амери­
канскому ученому Вассерману в 1962 г_ ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 138 Рпс. 6. Анализ молекулярных моделей и расчеты показали, что для свободного сплетения нуж­
но иметь не менее чем двадцатичленные циклы, т. е. катенан 20.20 — минимально возможный. Увеличение размеров цикла облегчает сплетение и повышает вероятность образования катенана. Но с другой стороны, чем больше молекулы, тем труднее их созда­
вать и сложнее с ними работать, так как растворимость вещества с ростом его моле­
кул резко падает. Вассерман поставил задачу получения катенана 34,34 в расчете на его с л у ч а й н о е образование при циклизации линейной мо­
лекулы в присутствии готового цикла (рис. 7). Рис. 7. Тридцатичетырехчленный цикл строился в присутствии готового трпдцатичетырех-
звенного углеводородного цикла (рис. 8). Рис. 8. После многократной очистки Вассерман по­
лучил 5,66 мг катенана 34,34 (рис, 9). Но выход катенана в этом с т а т и с т и ч е с к о м методе крайне мал—только одна из мил-
лкона линейных молекул сплетается с гото­
вым циклом. Рис. 9. Молекулярная модель катенапа 34,34. Люттрннгхаузу и Изеле удалось недавно значительно повысить вероятность сплете­
ния циклов. В их п о л у с т а т и с т и ч е с к о м синтезе линейная молекула прикреплена к готовому циклу (рис. 10). Рис. Ю. При ее циклизации уже 60000 из мил­
лиона молекул сплетаются и после разрыва связи, скрепляющей циклы (волнистая ли-
ВИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 139 ния), дают катенан. Остальные молекулы после разрыва этой связи дают разобщенные циклы. Этим методом получено 60 мг кате-
нана 28,36. Принципиально темп же методами Хар-
рисон в 1967 г. получил систему «гантель в цикле» (рис. 11). Рис. 11-
Тридцатпчленный ацилсиновый цикл прикреплялся вспомогательной связью к поверхности особой смолы, которая жестко ориентировала цикл, способствуя продева­
нию в него, как нитки в игольное ушко, линейной двенадцатиквенной молекулы де-
кандиола. К его концевым спиртовым груп­
пам присоединяли объемные трнфенилме-
тильные заместители, которые и служили шарами гантели. После разрыва вспомога­
тельной связи получалось устойчивое соеди-
Рис. 12. нение, построенное, как «гантель в цикле», без химической связи гантели и цикла (рис. 12). Как и в полустатистическом синте­
зе катенана, 60 000 из миллиона молекул го­
тового цикла оказались продетыми ган­
телью. Статистический метод синтеза катеканов в расчете на случайное сплетение циклов Рис. 13. дает крайне малый выход желаемого про­
дукта. Кроме того, для доказательства пере­
плетения циклов приходится прибегать к сложным приемам, которые не всегда дают бесспорные результаты. Поэтому окончатель­
ным решением проблемы катенанов можно считать направленный синтез катенана 26, 28, о котором сообщили Люттрингхауз и Шилл в апреле 1964 г. Им удалось найти та­
кую опорную систему, на основе которой уже сам синтез доказывал образование катенана (рис. 13). В этой системе бензольное ядро входит в макроцпкл (лежит в плоскости Л), а перпен­
дикулярно ему на распорках (в плоскости В) крепится линейная молекула. ДЕа ее «хво­
ста», располагаясь над и под циклом, под­
ходят к аминогруппе {NH2) с разных сторон. Размеры «хвостов» выбраны так, чтобы каж­
дый доставал до аминогруппы только со своей стороны — сверху либо снизу. Таким образом, был найден способ совершенно одно­
значней циклизации внутрь готового цикла. После циклизации остается только удалить вспомогательные связи (волнистые линии на рисунке), и катенан готов. До сих пор так ке думал никто, несмотря на то что все необходимые частные методы синтеза хорошо известны. Авторы опирались не только на остроумный замысел, они тща­
тельно характеризовали промежуточные про­
дукты и подробно д о к а з а л и строение по­
лученных катенанов (рис. 14). Выше было сказано, что приемы дока­
зательства переплетения циклов сложны и не всегда дают бесспорные результаты. Но в 1965 г. автор этой статьи обратил внимание на те возможности для химии катенанов, которые таит в себе масс-спектрометрня. Сущность этого бурно развивающегося мето­
да состоит в том, что при бомбардировке ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 140 Рис. 14. ® ® ® электронами молекула раскалывается по всем возможным направлениям, причем со­
вершенно точно регистрируется масса и отно­
сительная концентрация положительно за­
ряженных осколков. Была предсказана об­
щая для всех катенанов картина масс-спек­
тров. Два года спустя это прекрасно подтверди­
лось. Действительно, в масс-спектре катенана 3 (рис. 14) наблюдалась группа пиков, отве­
чающих молекулярному иону и в основном отщеплению ацетильных групп. Затем следо­
вал просвет до появления пика, совпадающе­
го с массой большего цикла. Именно благода­
ря этому просвету масс-спектр стал харак­
терным «отпечатком пальца» катенана, по которому его всегда можно безошибочно опо­
знать. ХИМИЧЕСКАЯ ТОПОЛОГИЯ — НОВЫЙ ТИП ИЗОМЕРИИ Для разобщения циклов катенана необ­
ходимо Еременко разорвать химическую связь хотя бы в одном из них. Связь между циклами катенана — чисто механическая. Вассерман предложил для нее термин «топо­
логическая», поэтому два катенановых коль­
ца можно назвать топологическими изоме­
рами отдельных циклов. Топология может подсказать интересный подход к катенанам. «Топология включает в себя изучение таких объектов, как, например, известный односторонний лист Мёбиуса, который мож­
но получить, вырезав полоску бумаги и склеив концы после поворота одного из них на 180е. С помощью такой ленты можно по­
казать эффектный фокус, предложив кому-
нибудь из непосвященных сказать, что прои­
зойдет, если в середине такой ленты проко­
лоть отверстие и начать разрезать ленту по­
полам вдоль Есей длины до тех пор, пока разрез не вернется к исходному отверстию... Как это ни невероятно... лента вовсе не рас­
падается на два куска, а превращается в вдвое более длинное, но зато вдвое более уз­
кое кольцо, закрученное на 360°, вместо ис­
ходных 180°в-. (Н. Винер, «Я — математик».) Если повторить этот широко известный опыт, но разрезать ленту не посередине, а по трети ширины, то получается два кольца, связанные, как звенья цепи (!), причем одно — в два раза больше другого. Синтез катенана можно представить себе именно этим путем (рис. 15). Рис. 15. У ПОРОГА НЕВЕДОМОГО 141 Кроме двух сцепленных колец, теорети­
чески возможны и другие формы катенанов (рис. 16). Для образования дважды закрученного цикла в цикле (А) требуется не менее 33 ато­
мов в каждой молекуле; для трехзвенного начала в создании лекарства. Это новый тип полимеров с необыкновенными свойствами упругой деформации и скрытой текучести. Это, наконец, совершенно неизведанная ХИ­
МИЯ взаимодействий групп в сплетенных циклах. Рис. 16. катенана (Б) — 20 в крайних циклах и 26 в среднем, а для переплетения трех колец (Б) — не менее 30 атомов в каждом. Другой тип топологической изомерии — простой цикл и цикл с узлом. Простой узел уме­
щается в цикле, состоящем не менее чем из 50 атомов. Легко представить себе, сколь сложна проблема создания таких катенанов. Если химический смысл катенанов уже начал проясняться (эти соединения, по край­
ней мере, получены), то об их физическом и биологическом смысле пока только догады­
ваются. Можно лишь гадать и о грандиозных потенциальных возможностях природы для построения связанных циклов. Достаточно назвать лишь природные циклопептиды, строение которых подтверждено полным синтезом: грамицидин содержит цикл из 30, инсулин — из 81 атома. А каков смысл гран­
диозных циклических молекул вирусной ДНК, построенных из 22 000 атомов?!. До сих пор в живой природе не встречал­
ся строительный принцип цепи. Но судя по некоторым электронномикроскопическим снимкам циклических хромосом, они содер­
жат сплетенные циклы. Быть может, в меха­
ническом соединении циклических молекул кроется какая-то биологическая тайна. Самые неожиданные свойства скрывают­
ся и в синтетических соединениях, постро­
енных по принципу сплетения. Это новый принцип подвески физиологически активного У ПОРОГА НЕВЕДОМОГО Периодический закон химических эле­
ментов, открытый Менделеевым, управляет поведением вещества во всей Вселенной. Ему подчиняется вся химия. Не только та, кото­
рая царствует в колбах и ретортах ученых и в реакторах химических заводов, но и та химия, которая создает все минералы и все горные породы на планете Земля. Этот закон управляет химией и на дале­
ких планетах. Все соединения, открытые на них, построены по правилам, диктуемым таблицей Менделеева. Энергия Солнца и бес­
численных звезд рождается в них за счет ядерно-химических процессов, протекающих в строгом соответствии с периодическим за­
коном. Эти процессы одинаковы и в звездах нашего Млечного Пути, и в других далеких галактиках. Означает ли это, что мы уже познали са­
мое главное, самое основное, что можно узнать о веществе? Означает ли это, что нет других форм его существования, кроме ато­
мов и атомных ядер, которые, наряду с фо­
тонами и нейтрино, обеспечивают все бес­
конечное многообразие форм существо­
вания материи во всех мирах Большой Все­
ленной? Когда развитие науки дает повод утвер­
ждать, что все основное в мире уже откры­
то, что выяснены его общие законы, то это верный признак, что нужно ждать больших открытий, которые потребуют пересмотра всего, что в науке стало считаться незыбле­
мым. И быть может, этот период, период большого революционного пересмотра наших представлений об окружающем мире, сейчас уже наступил. Физика наших дней сумела проникнуть в тайну строения атомного ядра. Магические ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 142 числа, выражающие периодическую зави­
симость в изменении свойств атомного ядра от изменения числа нуклонов, указывают на очень сложное строение его. Ыо чтобы разга­
дать, как построено ядерное вещество, нужно выяснить, из чего оно построено, что пред­
ставляют собой элементарные частицы. Наука стоит перед большим затрудне­
нием: слишком много оказалось в микро­
мире элементарных частиц. Число их так велико, соотношения между ними так слож­
ны и запутанны, так многообразны их взаимные превращения, что уже давно стало совершенно неоправданным даже само их название. Но проблема первичных частиц, из кото­
рых построено все существующее в мире, остается. Много работают над ней физики — и экспериментаторы и теоретики. Как она будет решена, еще никто не знает. Уже не­
мало предположений — одно необычайнее другого — высказано самыми неистовыми фантазерами в мире — учеными-теорети­
ками. Например, серьезно обсуждается гипотеза к в а р к о в. Теоретики показали, что можно объяснить всю сложность и многообразие найденных в микромире элементарных час­
тиц, если допустить, что все они построены только из трех различных типов, быть может, действительно элементарных частиц — квар­
ков. Это название заимствовано из старого романа, в котором так названы загадочные фантастические существа, живущие только в грезах. И действительно, свойства новых гипотетических частиц с точки зрения физи­
ки наших дней должны быть так необычны и фантастичны, что такое название для них вполне оправданно. Достаточно только ска­
зать, что кварки дслжны иметь дробные электрические заряды(!). Верна или нет эта гипотеза, пока еще никто не знает. Но она стала нужной науке, она уже существует и, как и всякая научная гипотеза, должна быть доказана либо опровергнута. Одно из предполагаемых свойств квар­
ков — масса, значительно большая, чем мас­
са любой из известных нам элементарных частиц. Такое предположение сделано на основе закономерности, которая называется д е фе к т ма с с ы. Дело в том, что, когда, например, протон и нейтрон соединяются в ядро, его масса ока­
зывается несколько меньшей суммы масс этих частиц (разница теоретической массы и фактической называется дефектом массы). Недостающая масса превратилась в энергию, затраченную на соединение частиц. Так же обстоит дело и с кварками. Для их соединения в элементарную частицу нужна очень большая энергия, на получение кото­
рой затрачивается значительная часть их массы. Именно поэтому у физиков пока еще нет средств разбить на кварки элементарные ча­
стицы атомных ядер: в наших ускорителях еще не получены частицы-снаряды с такой большой энергией. Но в природе, в космиче­
ских лучах такие снаряды есть. И быть мо­
жет, под их воздействием «на наших глазах* атомные ядра постоянно разбиваются на кварки; и здесь, вокруг нас, буквально на поверхности Земли существуют эти загадоч­
ные, придуманные физиками частицы. Да, это может быть. Уже многое из того, что бы­
ло «придумано» в науке, было затем открыто в природе. Почему же кварки до сих пор не обнару­
жены? А как их обнаружить, увидеть? Ведь мы можем видеть только то, что обладает электронной оболочкой и электронами, что может испускать свет или же способно излу­
чать гамма-кванты. Кварки не могут быть видимы. Быть может, их надо собрать и взве­
сить? Но чтобы их собрать, надо хорошо знать их свойства. А каковы свойства частиц с дробными зарядами? Неизвестно! Какова их химия? Неизвестно! Очень много таинственного встает перед наукой в мире микрокосмоса. Каждый эле­
ментарный акт звездных ядерных реакций, как и ядерных реакций в наших атомных реакторах, сопровождается появлением са­
мой загадочной из элементарных частиц — нейтрино. Как призрак, пронизывает она со скоростью света толщу гигантской звезды л бесследно пропадает в глубинах космоса. Каждую секунду на нашей планете через каждый ее квадратный сантиметр только от одного Солнца проносится более 1010 нейтри­
но. Но пока мы не можем ни обнаружить этот невероятный поток, ни узнать, куда исчезают нейтрино. А они уносят с собой около 5% всей энергии, выделяющейся в мире. Куда они с нею исчезают, что происходит с нею в космосе, мы не знаем. У ПОРОГА НЕВЕДОМОГО Но, быть может, еще больше тайн откры­
вается перед наукой на другом, противопо­
ложном пределе неизвестности — в макрокос­
мосе. Астрофизики открыли в мироздании небесные тела, совершенно ке похожие на все, что до сих пор известно нам во Вселенной. Они не поддаются никакому объяснению, и к ним непрпложимы теории, хорошо до сих пор объяснявшие мир. Светимость одного такого тела больше, чем у всех ста миллиар­
дов звезд Млечного Пути. Оно, как предпола­
гают ученые, обладает массой большей, чем у миллиарда звезд, таких, как наше Солнце. Ни один из известных нам процессов не мо­
жет объяснить, как рождается излучаемая такими небесными телами энергия, которая дает нам возможность наблюдать их с рас­
стояния до 12 млрд. световых лет. Но в недрах мироздания обнаружены ке только эти «сверхзвезды*. Ученые подозре­
вают, что, кроме них, во Вселенной могут существовать еще более немыслимые небес­
ные тела. Это действительно сверхудивитель­
ные звезды — «погасшие» звезды, которые никогда не гасли. Они совершенно не похо­
жи на остывшие холодные планеты. Эти сэерхгигантские, бурно сжимающиеся тела обладают огромной температурой, но тяготе­
ние их колоссальной массы так велико, что не выпускает «наружу» ни излучение, ни свет, ни нейтрино. Сколько таких «сверхтел» в мире, — еще никто не знает. Какую они играют роль в эволюции Вселенной — тоже неизвестно. Но они должны действовать си­
лой тяготения на другие небесные тела, и по­
этому их можно обнаружить. Мы можем считать, что приблизились к разгадке природы звезд, хотя в них и таит­
ся еще много, очень много непознанного. Но в космосе есть тайны, о которых наука еще ничего не знает. Вестники великой неизвестности — косми­
ческие лучи — прилетают к нам на Землю из 143 неведомых глубин космоса. Тысячи ученых во всех странах следят за ними: измеряют их энергию, регистрируют частоту появления, стараются разгадать, где и как они рождают­
ся. Иногда в космических лучах появляются частицы с немыслимо чудовищной энергией. В 1961 г. была зарегистрирована космиче­
ская частица, которая одна обладала энер­
гией в 10го электрон-вольт. Откуда же эта космическая частица к нам пришла? Как она могла накопить энергию? Ведь такая энергия по крайней мере в сотню миллиардов раз превышает ее массу в покоящемся состоянии. Что же с ней должно произойти при останов­
ке? Что станет с ее энергией? Многие ученые считают, что в момент столкновения, при остановке, такая сверх­
быстрая частица за счет своей кинетической энергии должна образовать множество, быть может даже сотни миллиардов, новых час­
тиц (!). И опыт не противоречит этому. Мало того, расчет показывает, что у таких частиц внегалактическое происхождение. Они долж­
ны рождаться в других мирах, в других га­
лактиках. Согласно расчету, среди них могут быть частицы с еще большей энергией, вплоть до 10s 0 электрон-вольт (!). Этой энергии хва­
тит, чтобы при остановке «сверхчастицы& могла возникнуть не только звезда, но даже галактика. Никакая изощренная фантазия, никакая сказка никогда не осмелилась бы создать что-либо столь же немыслимое. А наука на­
ших дней уже ищет, уже пытается нащупать в реальном физическом мире те немыслимые не только для здравого смысла, но и для фан­
тастики реальные рубежи, где соприкасаются как равные бесконечно большое с бесконечно малым. Возможно ли это? Неизвестно. Но поста­
новка такого вопроса в физике уже возмож­
на. И до чего же интересно все-таки узнать^ так ли это! ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 144 ТО ТАКОЕ ИБЕРНЕТИКА УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ Одно из важных понятий современной науки — понятие у п р а в л я юще й систе­
мы. С разнообразными управляющими систе­
мами мы встречаемся в технике, в раститель­
ном и животном мире, в человеческом обще­
стве. Пример технической управляющей систе­
мы — примитивный поплавочный регулятор уровня воды, изображенный на рисунке. За­
дача его — поддерживать постоянный уро­
вень жидкости в сосуде. Регуляторы подобно­
го типа употребляются, например, в простей­
ших паровых котлах. Поплавочный: регулятор уровня жидкости. Б этом примере управляющая система со-
•стоит из поплавка, рычага и пробки. Эта си­
стема заключает в себе все основные черты гораздо более сложных управляющих систем. Действительно, любая из них должна иметь прежде всего ч у в с т в и т е л ь н ый эле­
мент, или в в о д но е у с т р о йс т в о (в дан­
ном случае — поплавок), с помощью которо­
го она воспринимает сведения, или, как обычно принято говорить, и н фо р ма ц и ю, о состоянии о б ъ е к т а у п р а в л е н и я (в данном случае — сосуда с жидкостью). Далее, управляющая система должпа со­
держать устройство, преобразующее инфор­
мацию, полученную от объекта управления с помощью чувствительного элемента. По­
добным п р е о б р а з о в а т е л е м и н фо р ма ­
ц и и может считаться рычаг. Наконец, управляющая система должка иметь возможность воздействовать на объект управления с помощью того или иного ис­
п о л н и т е л ь н о г о м е х а н и з м а ( вывод­
н о г о у с т р о й с т в а ). В нашем примере таким механизмом служит пробка, закры­
вающая конец трубы. В современной технике мы встречаемся с автоматическими системами несравненно более сложными, чем описанная. Еще более сложны биологические управляющие систе­
мы, и первое место среди них занимает нерв­
ная система человека, его головкой мозг. По­
добно техническим управляющим системам, нервная система человека также обладает чувствительными элементами (окончания нервов в органах чувств), исполнительным механизмом (окончания нервов, управляю­
щих мышцами) и преобразователем инфор­
мации (собственно нервная система). А как устроены управляющие системы в человс чес кс м о бще ст ве ? Возьме м, напр] шер, управление экономикой. Чувствительный элемент системы — аппарат первичного уче­
та, собирающий различные сведения о состоя­
нии народного хозяйства. Преобразование собранной информации и выработка соответ­
ствующих решений осуществляются в Гос­
плане, министерствах и т. п. Имеется также и специальный исполнительный аппарат на предприятиях, проводящий в жизнь приня­
тые решения. Все приведенные примеры показывают, что, несмотря на принципиальные различия, существующие в разных управляющих систе­
мах, все они имеют нечто общее. Изучение общих законов, на основе которых действуют управляющие системы, составляет предмет специальной науки — к и б е р н е т и к и. Термин «кибернетика*- происходит от дреЕ негреческого слова «кнбернетес» (руле­
вой) и напоминает, что кибернетика — наука об управлении, или, более точно, н а у к а об о б щих з а к о н а х п р е о б р а з о в а н и я и н фо р ма ц и и в у п р а в л я ю щ и х си­
с т е ма х. Этот термин впервые употребил в 1834 г. французский физик А. Ампер, назвав кибер­
нетикой не существовавшую еще в то время науку об управлении обществом. В 1948 г. словом «кибернетика? была названа общая наука об управлении, выделившаяся впослед­
ствии в самостоятельную научную диецпп-
ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА 145 лину. Возникновение кибернетики — резуль­
тат предшествующего развития науки и тех­
ники. Фундамент кибернетики — современ­
ная математика, такие ее бурно развиваю­
щиеся области, как алгебра, теория информа­
ции, теория алгоритмов, теория оптималь­
ных решений, теория массового обслужива­
ния, исследования операций и т. д. В настоящее время кибернетика — теоре­
тическая основа автоматизации, и главным образом автоматизации многих видов ум­
ственной деятельности человека. Конечно, между техническими и биоло­
гическими системами, и тем более между ними обеими и управляющими системами в человеческом обществе, имеются глубокие качественные различия. Поэтому наряду с кибернетикой существуют отрасли науки, изучающие особенности различных типов управляющих систем. К ним относятся тех­
ническая автоматика, физиология высшей нервной деятельности и большая группа со­
циальных (общественных) наук. Прикладной характер кибернетики вы­
ражается в применении ее к самым разнооб­
разным объектам исследований реального мира. Так, перед экономической кибернети­
кой стоит задача приложения общих законов управляющих систем к экономике; биоки­
бернетика исследует живые организмы, мыш­
ление человека, занимается созданием моде­
ли интеллекта, или разума; техническая кибернетика изучает вопросы проектирова­
ния сложных систем, таких, как вычисли­
тельные машины, информационные системы их, д. Такое применение кибернетики, в свою очередь, вызывает к жизни новые теоретиче­
ские вопросы, исследование которых состав­
ляет суть теоретической кибернетики. ИНФОРМАЦИЯ И КОДИРОВАНИЕ Важная составная часть кибернетики — так называемая т е о р и я и н фо р ма ц и и. Она изучает различные формы представле­
ния и передачи информации как в отвлечен­
ном (абстрактном) виде, так и применительно к конкретным управляющим системам. Ин­
формация может представляться в двух фор­
мах — н е п р е р ыв н о й и д и с к р е т н о й, прерывистой, 10 Познание продолжается' В первом случае информация представ­
ляется в виде плавно, непрерывно меняю­
щихся величин. Например, при передаче речи по радио или по телефону звуки пред­
ставляются в виде плавно изменяющихся электрических величин — напряжения или силы тока. При передаче той же речи по те­
леграфу, с помощью азбуки Морзе, или при записи ее на бумаге характер представления меняется, информация разбивается на от­
дельные порции: точки и тире, буквы алфа­
вита ; переходы от одной порции к другой со­
вершаются скачками. Это уже дискретная форма представления информации. На современном уровне развития кибер­
нетики особо важное значение приобрела дискретная форма представления информа­
ции. Оказывается, что информация, заданная в непрерывной форме, может быть с любой необходимой точностью представлена в ди­
скретной форме. Более того, в качестве от­
дельных порций информации может быть выбрано любое нужное количество каких-
либо значков (обобщенных букв), называе­
мое обычно а б с т р а к т н ым а л ф а в и ­
т ом. Важно лишь, чтобы этот алфавит со­
держал более одной обобщенной буквы. Процесс представления информации в виде последовательно расположенных букв аб­
страктного алфавита называется к о д и р о ­
в а ние м. Изображение для кодирования в абстрактном алфавите. Для примера рассмотрим процесс кодиро­
вания информации, содержащейся в рисунке (абстрактный алфавит состоит из двух обоб­
щенных букв — О и 1). Разобьем рисунок на прямоугольнички, размеры которых зависят ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 146 от точности, с какой мы хотим представить информацию. Условимся обозначать каждый прямо­
угольничек нулем, если более половины его площади не зачернено, и единицей в противо­
положном случае. Тогда, пробегая все прямо­
угольнички по строкам слева направо, а стро­
ки сверху вниз, мы получим для на­
шего рисунка следующий дискретный код: 00000000011001100000. Разумеется, такое представление описывает рисунок с малой точностью. Однако, разбивая изображение на достаточно большое число прямоугольнич­
ков, мы можем добиться высокой точности описания. Обратный процесс воссоздания по дан­
ному коду первоначального рисунка, т. е. восстановление исходного вида информации по ее дискретному коду, называется деко­
д и р о в а н и е м. В теории информации разработаны не только способы кодирования различных со­
общений, но и способы количественной оцен­
ки содержащейся в них информации. ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ Вопросы кодирования и декодирования, а также другие проблемы возникают в пер­
вую очередь при разработке вводных и вы­
водных устройств управляющих систем. Тео­
ретическую основу устройств для преобразо­
вания информации составляет раздел совре­
менной кибернетики — т е о р ия а вт ома ­
тов. Основной объект исследований этой тео­
рии — автомат, его свойства, структура, про­
ектирование, а также способы преобразова­
ния информации с помощью автоматов. Теория автоматов тесно связана с теорией алгоритмов, а само понятие — автомат осно­
вывается на математическом понятии алго­
ритма. Алгоритмом называется конечная система правил, по которым совершается преобразование дискретной информации. С понятием алгоритма вы, сами того не ве­
дая, знакомились еще в школе. Из курса алгебры, например, хорошо известны алго­
ритмы (правила) решения квадратных урав­
нении, систем линейных уравнений, раскры­
тия скобок и приведения подобных членов в буквенных выражениях и т. п. Но алгорит­
мы широко распространены и за пределами математики. Если сформулировать все пра­
вила, которые употребляет опытный перевод­
чик для переводов, скажем, с английского языка на русский, мы получим не что иное, как алгоритм англо-русского перевода. Если элементарные правила шахматной игры дополнить системой стратегических правил, позволяющих в каждой позиции на­
ходить единственный, наилучший (с точки зрения данной системы правил) ход, полу­
чится алгоритм игры в шахматы. Теоретически чуть ли не всякий вид умственной деятельности человека может быть сведен к выполнению того или иного алгоритма. Но практически найти правила, составляющие эти алгоритмы, — сложная и трудоемкая задача. Алгоритмическая система включает в себя: способ задания информации, набор элементарных операций (приемов), правила построения алгоритмов из элементарных ал­
горитмов. Для кибернетики особенно важны два ре­
зультата, полученные в теории алгоритмов. Первый — у н и в е р с а л ь н о с т ь алг о­
р и т м и ч е с к и х с ис т е м — состоит в том, что в данной алгоритмической системе мож­
но записать любой алгоритм, т. е. предста­
вить его в виде к о н е ч н о й последователь­
ности элементарных операций (приемов). Подобно тому как из атомов складываются молекулы различных веществ или как из одних и тех же букв складываются слова со­
вершенно различного содержания, так и вся­
кий алгоритм можно составить, комбинируя элементарные алгоритмические операции. Второй важный результат заключается в том, что существуют так называемые а л г о р и т м и ч е с к и н е р а з р е ши м ы е пр о б л е мы, т. е. такие задачи, которые для своего решения требуют б е с к о не ч но г о числа различных приемов. А всякий алго­
ритм обязательно включает в себя лишь ко­
не ч но е число приемов, хотя, может быть, и очень большое. Так, например, можно построить алго­
ритм для доказательства любой теоремы из элементарной геометрии (не использующей понятие предела). В то же время доказано, что^ для теории чисел (устанавливающей свойства целых чисел) подобного алгоритма построить нельзя, его не существует. ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА 147 Основная задача теории автоматов — раз­
работка методов создания преобразователей информации для осуществления тех или иных алгоритмов, например машин для кон­
троля и управления производственными процессами в различных отраслях промыш­
ленности, для автоматического перевода, для игры в шахматы и т. п. Если существуют универсальные алго­
ритмические системы, то в принципе воз­
можно построить у н и в е р с а л ь н ые пре­
о б р а з о в а т е л и и н ф о р м а ц и и, спо­
собные реализовать любые алгоритмы. По­
добные универсальные преобразователи уже построены и успешно работают. Это так на­
зываемые у н и в е р с а л ь н ые э л е к т р о н ­
н ые ц и ф р о в ы е в ы ч и с л и т е л ь н ы е м а ш и н ы (ЭЦВМ). Цифровыми или вы­
числительными эти машины называются по­
тому, что первым их назначением была реа­
лизация в ыч и с л и т е л ь н ых а л г о р и т ­
мо в. Информация, с которой они имели дело, была цифр о в о й, т. е. набором чи­
сел. Такие машины снабжаются з а поми­
н а ющи м и у с т р о й с т в а м и (памятью), позволяющими им «запоминать» как пере­
рабатываемую информацию, так и про­
г р а мму работы машины, т. е. записанный в условных кодах, называемых приказами, алгоритм, который должна реализовать ма­
шина. Чтобы изменить программу, не нужно переделывать машину, достаточно пропус­
тить через вводное устройство набор бумаж­
ных карточек с пробитыми в соответствую­
щих местах отверстиями — п е р фо к а р т ы или ленту с отверстиями — пе р фо л е нт у. Так вводится в машину новая программа, настраивающая ее на новый вид работы. Благодаря этому открываются широкие возможности для автоматизации умствен­
ной деятельности человека,— достаточно найти алгоритм, описывающий тот или иной вид подобной деятельности, перевести его в программу, или, как говорят, запрограмми­
ровать, и ввести в машину. На универсальной машине можно про­
граммировать любой алгоритм, и поскольку машина работает гораздо быстрее и точнее человека, она, как правило, выполняет за­
данный алгоритм гораздо лучше него. Отсюда понятно, какое большое практиче­
ское значение имеет кибернетика в автомати­
зации таких видов умственной деятельности, где человек уже сейчас не в силах спра­
виться с переработкой информации за разум­
ное время, например в научных и инженер­
ных расчетах. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ Во многих разделах современной науки и техники, таких, как атомная физика или ра­
кетная техника, решаются задачи, требую­
щие вычислений, состоящих из многих мил­
лиардов арифметических операций. Даже при помощи клавишных вычислительных приборов человек успевает в среднем выпол­
нять за минуту лишь две арифметические операции над многозначными числами. А для выполнения одного миллиарда опера­
ций потребовалась бы тысяча лет непрерыв­
ной работы без сна и отдыха! В то же время современная электронная цифровая маши­
на, например БЭСМ-6, выполняющая 1 млн. арифметических операций в секунду, спра­
вится с этой работой меньше чем за четверть часа! При таком росте производительности ВЭСМ-6 to* ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 148 труда становится возможным решение задач, которые ранее были недоступны человеку. Автоматизация расчетов нужна не толь­
ко в новейших областях науки и техники. Так, в метеорологии только благодаря авто­
матизации удается вовремя выполнить слож­
ные расчеты, необходимые для составления прогнозов погоды. В техническом проектиро­
вании внедрение автоматизации позволяет перейти от выбора лучших проектов из отно­
сительно небольшого числа вариантов к вы­
бору наилучшего из всех возможных вариан­
тов (так называемого оптимального проекта). Рассмотрим, например, задачу выбора наилучшего варианта проекта железной до­
роги по заданному маршруту (трассе). Произ­
водя мысленный вертикальный разрез мест­
ности вдоль трассы, получим некоторую кри­
вую, изображающую неровности рельефа. Проложить дорогу непосредственно по этому рельефу, как правило, нельзя: подъемы и спуски получаются слишком крутыми, и преодолеть их при эксплуатации уже по­
строенной дороги либо окажется вовсе невоз­
можно, либо потребуются большие затраты (снижение скорости и веса составов, исполь­
зование нескольких локомотивов и т. д.). Необходимо поэтому выровнять рельеф. Такое выравнивание проводят по несколь­
ким выбранным отметкам. В нашем примере таких точек всего 5 (точки А, В, С, D, Е). Схема выбора наилучшего варианта проекта железной дороги. Каждая точка, за исключением крайних —• А и Е, находящихся на определенном уровне, может занимать 100 различных положений по высоте. У нас будет 1003 = 1000 000 раз­
личных вариантов выравнивания рельефа. Если просматривать их со скоростью два варианта в минуту, потребуется целый год. Если же число точек увеличивается до 100, то количество вариантов выражается едини­
цей со 196 нулями, а количество лет, необхо­
димое для их просмотра,— единицей со 190 нулями. В этом случае просмотреть все варианты практически невозможно не только для человека, но и для электронных вычис­
лительных машин. Необходимо поэтому разработать методы, позволяющие резко уменьшить количество просматриваемых вариантов, отбросить це­
лые группы заведомо плохих. Разработкой такого рода методов занимается специальный раздел кибернетики — теория опт има ль ­
ных р е ше ний. В настоящее время разработан ряд мето­
дов для решения задач оптимального проек­
тирования, планирования и управления. Для решения задач оптимального проектирования дорог, линий электропередач и др. удобен ме т о д п о с л е д о в а т е л ь н о г о а на л и­
за в а р и а н т о в. С помощью этого метода оптимальный вариант выравнивания релье­
фа для прокладки железной дороги в не­
сколько сотен километров находится вычис­
лительной машиной среднего быстродействия (10—12 тыс. операций в секунду) за 2—3 часа. В ряде областей техники разрабатываются системы алгоритмов, позволяющие осуще­
ствить полную автоматизацию проектирова­
ния многих сложных объектов. Не менее важно также оптимальное пла­
нирование и управление народным хозяй­
ством. Эти вопросы выделяют обычно в спе­
циальный раздел кибернетики — экономи­
ч е с к у ю к и б е р н е т и к у. Масштабы про­
изводства и темпы роста народного хозяйства в СССР так велики, что обычные неавтомати­
зированные методы планирования уже не могут нас удовлетворить. Практика показы­
вает, что выбор оптимальных (наилучших) вариантов планов уже сейчас практически недоступен никакому человеческому коллек­
тиву, не пользующемуся электронными циф­
ровыми машинами. Электронные цифровые машины исполь­
зуются пока лишь для частных планово-эко­
номических задач. Особенно успешно реша­
ются с помощью ме т о д о в л ине йно г о п р о г р а м м и р о в а н и я (см. ст. «Математи­
ка помогает планированию») так называе­
мые транспортные задачи (нахождение пла­
нов перевозок с минимальными транспорт­
ными расходами), а также задачи о наилуч­
шей загрузке станков и др. Экономия от та­
кой автоматизации исчисляется обычно 10— 15%, а в отдельных случаях доходит до 50— 60%. ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА 149 Варианты рациональных перевозок, рассчитанные ЭЦВМ. Т1а рисунке дана схема перевозок грузов с заводов А, Б, В. Г на склады 1, 2, 3, 4. Ми­
нимальная стоимость перевозок зависит от объема продукции каждого завода (цифры возле заводов, в тысячах тонн), от вместимо­
сти складов (цифры, проставленные на скла­
дах, в тысячах тонн), от стоимости перевозки единицы товаров с каждого завода на склад (цифры возле машин, в рублях). Жирные ли­
нии показывают оптимальные маршруты пе­
ревозок. Для решения этой задачи обычным спо­
собом нужно много времени. А если будет большее количество поставщиков и потреби­
телей? С помощью же электронно-вычисли­
тельной машины решение можно найти за несколько минут. На повестке дня сейчас полная автомати­
зация не только самих процессов планирова­
ния и управления экономикой, но и процес­
сов сбора и систематизации необходимой первичной информации, учета и справочио-
статистической работы. С этой целью созда­
ются специальные вычислительные центры, имеющие иерархическую структуру, снабжен­
ные мощными электронными цифровыми ма­
шинами и соединенные между собой, а также с производством современными каналами связи для быстрой передачи необходимой ин­
формации. Информация, поступающая от низовых ЭЦВМ по каналам связи в вычислительную машину высшего уровня, будет обрабаты­
ваться и выдаваться за несколько десятков минут, на что сейчас требуются годы. Обра­
ботанные результаты передадут в головную организацию (Госпланы республик, оттуда — в Госплан СССР). Если в дальнейшем возник­
нет необходимость вернуться к данным ма­
териалам для решения какой-либо новой экономической задачи, вся информация, хранящаяся в ЭЦВМ на местах, может быть вызвана через систему связи и систему ма­
шин, которые ее обрабатывали. К задаче оптимального управления эконо­
микой тесно примыкает задача оптимального управления производственными процессами. Сейчас еще во многих случаях диспетчер или группа диспетчеров управляет тем пли иным сложным процессом далеко не лучшим образом. Дело в том, что человеческий мозг не успевает своевременно перерабатывать огромный объем необходимой информации. Специализированная элевтромоде­
лирующая установка «Асор* для автоматизации расчетов сетевых графиков. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 150 ЭЦВМ «МИНСК-22». Помочь здесь могут только автоматизирован­
ные управляющие системы, основу которых составляют специально приспособленные для управления универсальные электронные цифровые машины. Они называются обычно у нив е р с а л ь ­
ными у п р а в л я ющи м и м а ши н а м и. Эти машины снабжены особыми вводными и выводными устройствами, позволяющими автоматически собирать и выдавать инфор­
мацию, необходимую для управления произ­
водством, Примером может послужить систе­
ма управления на Львовском телевизионном заводе, разработанная научными сотрудника­
ми Института кибернетики АН УССР совмест­
но со специалистами завода. На заводе уста­
новлена ЭЦВМ «МИНСК-22», доукомплекто­
ванная различными устройствами. Машина составляет наилучшую програм­
му работы для всех участков производства, следит за соблюдением технологии, выполне­
нием графиков и при необходимости вклю­
чает определенные механические комплексы. В любой момент можно получить всесторон­
нюю объективную информацию о положении дел в цехах завода. Внедрение автоматизированной системы управления производством на Львовском те­
левизионном заводе улучшает технико-эконо­
мические показатели его работы на 10—15%. Универсальная управляющая машина «ДНЕПР» предназначена для контроля и уп­
равления производственными процессами в различных отраслях промышленности. Ма­
шина успешно управляет выплавкой стали, газорезательными станками, производством химических и нефтепродуктов, движением поездов на железнодорожном транспорте, производством целлюлозы и бумаги и дру­
гими процессами. Машина используется и для автоматизации научных и инженерных исследований, для сбора и обработки данных о результатах научных и инженерных экспе­
риментов. Так, на научно-исследовательском судне «Михаил Ломоносов» при помощи машины «ДНЕПР» результаты гидрофизических ис­
следований обрабатываются во время рейса. Раньше на это затрачивались месяцы и даже годы работы по окончании экспедиции. Для управления производственными про­
цессами на значительных расстояниях мож-
ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА 151 но использовать электронные цифровые ма­
шины, установленные в вычислительных центрах в другом городе. Такие опыты успешно проводились в СССР, а также Е США. Но создание управляющих машин лишь наполовину решает проблему автоматизиро­
ванного управления производственными про­
цессами. Не менее важно решить задачу ал­
горитмизации, т. е. найти эффективные алго­
ритмы для управления производственными процессами. Построением общей теории уп­
равления техническими (производственны­
ми) объектами занимается т е х н и ч е с к а я к и б е р н е т и к а. МАШИНА САМОСОВЕРШЕНСТВУЕТСЯ Алгоритмизация производственных про­
цессов обычно чрезвычайно трудоемка, а из-
за непрерывного совершенствования техноло­
гии необходимо часто изменять и совершен­
ствовать алгоритмы управления. Поэтому стараются использовать все чаще такие систе­
мы, которые могут с а мо с о в е р ше нс т в о ­
в а т ь с я. Обычно самосовершенствование осущест­
вляется следующим образом. Помимо соб­
ственно управляющего алгоритма, так назы­
ваемого р а б о ч е г о алгоритма или алго­
р и т ма п е р в о й с т у п е н и, вводится еще один — а л г о р и т м в т о р о й с т у п е н и. Он контролирует результаты работы первого алгоритма и изменяет некоторые его части с целью улучшения результатовЛ Применение универсальных электронных цифровых машин с самосовершенствующей­
ся системой алгоритмов обеспечивает, как правило, более высокое качество управления. В настоящее время обычно применяют двух­
ступенчатые самосовершенствующиеся систе­
мы, о которых мы говорили. Однако возмож­
но построить и более сложные, многоступен­
чатые системы. РАЗУМНАЯ МАШИНА — ВЕРНЫЙ ПОМОЩНИК ЧЕЛОВЕКА Особенно велико значение самосовершен­
ствующихся систем при решении одной из самых увлекательных задач кибернетики — задачи моделирования процессов, протекаю­
щих в мозгу человека. Дело в том, что чело­
веческий мозг — очень сложная и во многих отношениях замечательно устроенная само­
совершенствующаяся система. Возможности мозга наглядно иллюстрируются таким при­
мером. Если показать человеку, ранее не имев­
шему представления об этажности домов, рисунки с одноэтажными и пятиэтажными домами, впоследствии он может правильно классифицировать и изображения, которые ему не были еще показаны, например двух­
этажных, трехэталсных и т. д. домов. Значит, у человека выработалось достаточно пра­
вильное представление о домах в несколько этажей. Иными словами, человек внешне от­
носительно просто приспособляется к распоз-
ЗЦВМ «ДНЕПР-. ВЕЩЕСТВО П ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ наванию какого-либо класса изображения (в нашем случае — рисунков домов). Для моделирования такой способности мозга в кибернетике было построено много различных алгоритмов и проведены экспери­
менты. Они послужили в ряде случаев осно­
вой для решения практических задач авто­
матизации процессов распознавания зритель­
ных образов, а также человеческой речи. Впрочем, в направлении автоматического распознавания речи сделаны пока лишь пер­
вые шаги: машина распознает всего несколь­
ко десятков слов, произносимых разными го­
лосами в различных условиях. Обучение машин распознаванию зритель­
ных и других образов лишь самая первая, относительно несложная задача в моделиро­
вании мыслительных процессов. Более слож­
но моделировать логическое мышление, про­
цесс обучения языку, моделировать процессы творчества. В области логического мышления в пер­
вую очередь моделируются различные систе­
мы, позволяющие осуществлять автоматиче­
ское доказательство теорем в некоторых обла­
стях математики. При этом речь идет об автоматическом доказательстве не только тео­
рем, вошедших в учебники, но и новых, еще не известных человеку. Значение такой авто­
матизации огромно: используя скорость и безошибочность работы даже современных, относительно еще мало совершенных, уни­
версальных электронных цифровых машин, вероятно, можно будет уже в ближайшем бу­
дущем доказывать сложные теоремы, ко­
торые невооруженному человеческому уму недоступны. Здесь уже возникает вопрос об использо­
вании автоматизация для развития самой науки. В будущем кибернетические машины будут незаменимыми помощниками человека не только в доказательстве новых теорем, но и в сообщении результатов наблюдений, в построении новых физических и других тео­
рий и т. д. Уже сейчас, помимо помощи в сложных вычислениях и обработке экспери­
ментальных данных, машины начинают при­
меняться для автоматизации справочно-пп-
формацнонной и библиографической работы, отнимающей много времени у ученых. В принципе возможно накапливать научную информацию не только з библиотеках, но и в электронной памяти кибернетических машин 152 в специальных информационных центрах. Из этих центров можно будет быстро полу­
чать необходимую справку, краткое или пол­
ное содержание какой-либо научной статьи и т. д. Важное место Е научном творчестве зай­
мут также автоматический перевод с одного языка на другой, автоматическое рефериро­
вание и конспектирование статей и т. п. Для этих целей в машину должна быть вложена та или иная система знаний о человеческих языках. На первых порах в эту систему вклю­
чаются обычно лишь необходимый словар­
ный запас и грамматические правила. Однако в принципе ничто не препятствует тому, что­
бы обучать машину распознаванию смысла вводимых в нее фраз. Опыты такого рода были проделаны в Академии наук УССР. Универсальная элек­
тронная цифровая машина, работая в так называемом режиме обучения, обучалась отличать осмысленные фразы, составленные из выбранных наугад 100 слов, от бессмыс­
ленных. Важно подчеркнуть, что машина не просто «зазубривала* вводимые в нее «учи­
телем» фразы, а создавала новые понятия, задавала учителю вопросы и в режиме экза­
мена различала смысл не только тех фраз, которые ей были сообщены «учителем», но и абсолютно новых для нее. Возникает актуальный и острый вопрос: возможна ли автоматизация самих процессов творчества? О научном творчестве уже гово­
рилось выше. Необходимо лишь определить, не потребуется ли программисту затратить больше усилий на составление программы, чем на непосредственное решение вопроса, заключенного в программе? Рассмотрим простой пример. Предполо­
жим, программист не знает, как решаются квадратные уравнения, но может проверить, является ли то или иное число корнем задан­
ного квадратного уравнения. В таком случае он без особых затруднений может составить программу, по которой машина будет пы­
таться решать квадратные уравнения по раз­
личным формулам, последовательно переби­
рая все такие формулы — от более простых к более сложным. При этом каждая такая попытка будет проверяться с помощью под­
становки определяемых по испытуемой фор­
муле корней в заданное уравнение (пли в не­
сколько заданных уравнений). В случае не-
ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА удачи машина должна автоматически строить следующую формулу и испытывать ее — и так до тех пор, пока очередная попыт­
ка не приведет к успеху. Благодаря огромной скорости работы машина довольно быстро найдет требуемую формулу. При решении более сложных проблем применение метода простого перебора может не привести к успеху. Однако, как правило, благодаря огромной быстроте действий маши­
на может решать соответствующие проблемы с помощью более простых методов, чем те, ко­
торые потребовались бы для этой цели чело­
веку. Поэтому составление программы для решения даже единичной проблемы творче­
ского характера может оказаться более про­
стым делом, чем непосредственное решение самой проблемы. Б действительности же поло­
жение еще облегчается и тем, что составлен­
ная программа используется для решения всех проблем одного типа. Возможности автоматизации творческих процессов не ограничиваются раыками одних лишь точных наук. Уже сейчас, когда кибер­
нетика делает здесь первые робкие шаги, проведены успешные опыты по автоматиза­
ции музыкального творчества; машины сочи­
няют стихи {правда, пока еще плохие), играют в шахматы и т. д. С каждым днем перед автоматизацией процессов творчества открываются все новые и новые горизонты. Однако, разумеется, далеко не во всех обла­
стях подобная автоматизация так нужна, как в процессах научного творчества. Хотя сегодня уже начинают применять математические методы исследования худо­
жественных произведений, вряд ли можно го­
ворить о потребности автоматизировать лите­
ратурное или музыкальное творчество. К тому же стихи электронных поэтов не смо­
гут превзойти истинные поэтические ше­
девры. Особый интерес представляют взаимосвя­
зи между кибернетикой и биологией и меди­
циной. Кибернетика дает в руки биологам новые методы исследований. Универсальные электронные цифровые машины позволяют моделировать процессы эволюции и естест­
венного отбора, автоматизировать процесс определения болезней по их признакам, мо­
делировать механизм возникновения услов­
ных рефлексов и других видов деятельности мозга животных и даже мозга человека. 153 В медицине врач-исследователь или леча­
щий врач сможет получить информацию о со­
стоянии больного, выборочные данные из истории болезни, справку об эффек-^втестп лечебного комплекса применительно к боль­
шой группе подобных больных из информа­
ционного медицинского центра, оснащенного ЭЦВМ. Такие центры будут созданы во мно­
гих городах нашей страны. Биология в свою очередь снабжает кибер­
нетику новыми идеями, касающимися созда­
ния мяи ян, которые в значительно большей степей! приблизятся к свойствам мозга, чем ныне существующие машины. Кибернетика непрерывно совершенствует свою техническую базу. На смену громозд­
ким и малонадежным ламповым машинам пришли машины, использующие полупровод­
ники и магнитные элементы. Успехи совре­
менной физики позволят сделать следующий шаг: перейти к чрезвычайно миниатюрным элементам, использующим тонкие пленки, твердые схемы и др. Машины станут чрезвы­
чайно надежными, малогабаритными, отно­
сительно дешевыми и простыми в эксплуата­
ции (см. ст. «Пути электроники*). Эволюция в технической основе ЭЦВМ привела к ко­
ренным изменениям в ее логической органи­
зации. Машина принимает и обрабатывает могучий поток информации, что позволяет сэкономить тысячи лет человеческого труда, При работе с машиной практикуется мульти­
программирование — одновременное решение большого количества задач, поставленных перед ЭЦВМ, а это, в свою очередь, ведет к более полной загрузке оборудования. Про­
исходит также непрерывное совершенствова­
ние логической структуры машин, увеличе­
ние быстроты их действия и объема памяти. Наряду с этим разрабатываются методы по­
строения новых машин, копирующих не только функции, но и некоторые детали внут­
реннего строения человеческого мозга. Успешно решается проблема общения че­
ловека с машиной. Разработано большое ко­
личество универсальных и специализирован­
ных языков для работы с машиной, позво­
ляющих человеку гораздо проще писать для нее исходные задания. С машиной должен работать не только математик-программист, но и инженер. Так, например, на машине «ПРОМИНЬ» любой инженер может легко , программировать простые задачи. Для реше-
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 15 Формула, которую ЭЦВМ «ПРОМИНЬ*. ння широкого круга инженерных задач удоб­
на малогабаритная полупроводниковая ма­
шина «МИР». Перед учеными стоит сложная проблема — разработать такой язык, кото­
рый был бы понятен машине и приближался к человеческому языку. Путь к этой цели уже намечен. Результаты решенпя формулы на машине vПРОМИНЫ. о, о, о, о, о, о, 1, 1. 1, 1, 9 9 8 11 9 9 4 17 9 8 8 7 0 9 8 4 3 4 9 8 4 7 0 9 9 3 2 9 0 1 4 7 0 6 4 1 1 2 6 1 2 4 13 базе новых и новейших кибернетиче­
ских устройств и систем быстрыми темпами развивается автоматизация различных видов умственной деятельности человека. Автома­
тизация эта захватывает все новые и новые области, возможности ее безграничны. У ряда буржуазных философов и писателен успехи подобной автоматизации вызывают опасения за будущность человечества: не вытеснят ли автоматы человека? Однако подобные опасе­
ния лишь результат непонимания закономер­
ностей исторического развития. В социали­
стическом и коммунистическом обществе, ко­
торое с исторической неизбежностью прихо­
дит на смену капитализму, машины, какими бы совершенными они ни были, всегда оста­
нутся верными помощниками человека, способствуя неизмеримому расцвету мате­
риальных и духовных сил человеческого общества. ЭЦВМ «УРАЛ-2» в роли диагноста (Институт им. А. В. Вишневского. Москва). Симптомы болезни излага­
ются иа перфорированной кино­
пленке, которая закладывается в приемную часть машины (фото вни­
зу). Получив задание, машина мол­
ниеносно выдает ответ, называя одну или несколько болезней, имею­
щих тождественные симптомы. ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА J 55 ЭЦВМ «МИР». Человек играет в шахмат t: с машиной. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 156 ЭЛЕКТРОННЫЙ ШАХМАТИСТ В 1967 г. закончился первый в мире международный, шахматный матч между электронными вычи­
слительными машинами. Участни­
цы этого удивительного соревнова­
ния — вычислительные машины од­
ного из московских институтов (СССР) и Стенфордского уни вереи -
тега (США) — разыграли четыре партии и на протяжении года обме­
нивались ходами по телеграфу. Матч закончился со счетом 3 : L в пользу советского электронного «гроссмейстера». Две партии он вы­
играл, а две другие свел вничью. Может быть, для кого-нибудь это будет разочарованием, но в шахма­
ты играют не какие-нибудь специ­
альные машины, не роботы с желез­
ными руками и мигающими лампа­
ми вместо глаз. Да и сама игра внешне совсем не похожа на сра­
жение гроссмейстеров — нет самой доски и никто не двигает никаких фигур. В шахматы играют универсаль­
ные электронные вычислительные машины, те самые, которые в бан­
ке начисляют проценты с оборота, ведут расчет плотины в конструк­
торском бюро или «перемалывают» миллионы цифр, чтобы сделать про­
гноз погоды на завтра. Игра в шахматы, игра, которая может доставить человеку много радост­
ных минут и острых пережива­
ний, для электронной вычисли­
тельной машины сводится к ряду операций с цифрами. Поясним (разумеется, в самых общих чертах), как это происходит. Вся игра между машинами про­
исходит «в уме». Вставив в машину карточку с пробитыми отверстиями, ей сообщают очередной ход против­
ника, и через некоторое время она печатает на машинке ответ. Воз­
можно соединить машины и таким образом, чтобы они сами сообщали друг другу о своих ходах. В этом случае человек может даже и не знать, как идет игра, и лишь ждать, когда одна из машин зажжет сиг­
нал ^победа!». В матче между советской и аме­
риканской машинами электронные «шахматисты» сообщали друг дру­
гу о своих ходах через «секундан­
тов* — ученых, общавшихся с ма­
шинами, и телеграфистов на меж­
континентальной линии Москва — Стенфорд. Попутно ответим на ус­
мешку скептиков: ученые не могли оказывать никакого влияния на ход игры и, уж, конечно, не могли под­
сказывать машине, как играть или на что обратить внимание. Это было невозможно не только потому, что нарушило бы представления об элементарной честности, но и пото­
му, что программы, написанные для машин, были известны каждой из сторон, и любая подсказка была бы немедленно обнаружена. Машина получает программу действий, по которой сама может вычислить для каждой фигуры места «единиц» в ячейке возмож­
ностей, т. е. определить клетку, куда можно пойти. Учат машину оценивать положение на доске, свои и чужие силы. И здесь, разумеется, все переводят на язык цифр. Ферзь • стоит» 10 пешек, ладья—5, слон— 3. Точную цену имеют и позицион­
ные факторы: контроль центра, проходная пешка, развитие фигур. Теперь уже, по-видимому, ясно, что, прежде чем сделать очередной ход. машина должна попробовать «в уме» разные варианты и выбрать тот, который даст наибольшую «стоимость». Но для заглядывання в глубь шахматной партии нужно перепро­
бовать большое число разных вари­
антов. Ведь на каждый ход может быть множество разных ответов, а на каждый ответ — множество дру­
гих ответов. Если бы самой быстро­
действующей машине пришлось про­
считать все варианты партии на 20—25 ходов вперед, то машина «думала» бы миллиарды лет. Здесь мы и подошли к самому главному, к искусству математиков-
программистов, которые по сути де­
ла определили возможности играв­
ших в матче машин, а значит и исход этого соревнования. В таком соревновании, как шахматная пар­
тия, все определяют не технические данные машины, а ее «интеллекту­
альные» качества, точнее, програм­
ма, которая рекомендует машине приемы «обдумывания* ходов. Воз­
можности этой программы в свою очередь определяются достижения­
ми некоторых тонких областей ма­
тематики. Вот несколько штрихов совет­
ской программы, достоинства кото­
рой отмечены столь объективной оценкой, как счет матча. Програм­
ма позволяет машине заглянуть на 16 полуходов (на 8 ходов) вперед. При этом полный перебор ведется на полтора хода (три полухода), а дальше просматриваются только форсированные варианты, связан­
ные с взятием фигур или шахом. Но н это еще не все: программа «умудрилась» рассматривать фор­
сированные варианты в такой после­
довательности, чтобы на наиболее слабые из них вообще не тратить времени. Не забудьте — рассматри­
вая партию, машина должна ду­
мать и за противника, причем най­
ти и для него самый сильный ход. Как же можно оценить партии, которые играли машины? Советский гроссмейстер, многократный чемпи­
он СССР и мира Михаил Ботвинник, считая матч большим достижением математиков, квалифицирует маши­
ну как среднего шахматиста. Нуж­
но сказать, что это достаточно вы­
сокая оценка, особенно если учесть, кем она сделана. Ботвинник счита­
ет, что в будущем машины будут играть намного лучше. Но почему в будущем? Почему уже сегодня нельзя поднять квали­
фикацию машин, передав им при­
емы мышления шахматистов высо­
кого класса? Ответ на эти вопросы прост: мы пока сами не знаем этих приемоз. Да, мы не знаем секретов творче­
ского мышления, как, по сути дела, не знаем секретов мышления. Исследованием подобных проб­
лем занимается новое направление кибернетики — эвристика, пытаю­
щаяся раскрыть тайны творческого мышления. Раскрыв эти тайны и передав их электронным машинам, мы сумеем привлечь их к решению сложнейших «человеческих» задач в науке и экономике. Спору нет — машины и сейчас играют исключительно важную роль в жизни общества. Но роль эта не­
измеримо возрастет, когда машины будут не только быстрыми, неуто­
мимыми, точными, но еще и умны­
ми и даже талантливыми помощни­
ками человека. МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ ЗАДАЧА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СЫРЬЯ Запасы сырья в столярной мастерской, расход его на изготовление одного шкафа или стола, а также доход от продажи гото­
вого изделия — все это указано в следующей таблице: Виды сырья Доски толстые Доски тонкие Фанера толстая Фанера тонкая Доход в руб. Запасы сырья 360 330 315 300 Необходимо для изготовления шкафа 3 1 3 10 стола 1 2 2 6 Требуется составить такой план производ­
ства, чтобы доход от реализации шкафов и столов был наибольшим. З а ме ч а н и е. На изготовление столов и шкафов идут и другие материалы: клей, лак, шурупы, замки, ручки и др. Для упрощения будем считать, что этих материалов достаточ­
но для любого варианта плана. Предположим, что мастерская сделает х шкафов и у столов, для этого потребуется Зх + у толстых досок. А так как в наличии имеется 360 таких досок, то должно выпол­
няться неравенство Зх + у *£ 360. Ведь ма­
стерская может получить наибольший доход и тогда, когда доски не будут израсходованы полностью. Рассуждая аналогично, получим следую­
щие неравенства: х + 2у^ 330 (тонкие доски), 3A=S 315 (толстая фанера), 2у^ 300 (тонкая фанера). При этих условиях доход F, который полу­
чит мастерская, составит: F = 10х + 6у (руб.). Таким образом, задачу можно сформулиро­
вать так. Дана система четырех неравенств первой степени ( л ине йных не р а в е нс т в ): 157 3* + у ^ 360 х + 2у =s= 3301 m 3.v ^315 * ' 2у ^ зоо; и функция F = 10* + 6у, (2) которую называют л и н е й н о й формой, Требуется среди неотрицательных (из смысла х и у ясно, что А\>0, у^0) решений систе­
мы (1) выбрать такое, при котором форма (2) принимает наибольшее значение. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СМЫСЛ НЕРАВЕНСТВ ПЕРВОЙ СТЕПЕНИ Существует несколько способов решения поставленной задачи. Самый простой из них — геометрический. Но прежде чем при­
ступить к ее решению, выясним, какая гео­
метрическая картина соответствует системе неравенств. Начнем с простейших примеров. Пусть дано неравенство у > 2. Выберем прямоуголь­
ную систему координат хОу; очевидно, что этому неравенству будут удовлетворять все точки плоскости, расположенные выше пря­
мой у = 2 (рис. 1). На рисунке 2 заштрихова­
на часть плоскости, точки которой удовлет­
воряют неравенству х < 3, а на рисунке 3 — с ис т е ме неравенств: У>\ x<3J Рис. 1. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 158 Примеры показывают, что простейшему неравенству первой степени удовлетворяют точки одной полуплоскости. Чтобы получить прямую, которая делит плоскость на полупло­
скости, нужно заменить знак неравенства на знак равенства. На рисунке 1 это прямая, уравнение которой у = 2, или у — 2 = 0. Очевидно, что вообще неравенству первой степени Ах 4- By + С > 0 будут соответство­
вать точки одной из полуплоскостей, на кото­
рые плоскость делится прямой Ах 4- By + + С = 0. Рис. 2. Рнс 3. Решить вопрос о том, принадлежат ли две какие-либо точки одной полуплоскости или разным полуплоскостям, можно даже не вы­
черчивая прямой. Для этого подставим в уравнение прямой поочередно координаты этих точек. Если при этом в каждом случае мы получим числа одного знака, значит, точ­
ки лежат в одной полуплоскости, если же получим числа, противоположные по знаку, точки находятся в разных полуплоскостях. На рисунке 4 построена прямая: 2х + Зу — 6 = О. Знаками «+» отмечена полуплоскость, где числа, получаемые после подстановки в урав­
нение координат любой точки полуплоскости, положительны, т. е. 2х + Зу—6>0, а знака­
ми « — » отмечена полуплоскость, где 2х + Зу — 6 < 0. Теперь пусть дано неравенство: AY+ Вг/ + С> 0, (3) Два числа а и & называются решением нера­
венства, если после подстановки их в (3) вме­
сто хну знак неравенства не нарушается. Но каждой паре чисел соответствует на пло­
скости единственная точка с координатами (а, Ь), и точек, удовлетворяющих неравенст­
ву (3), очевидно, будет много. Совокупность точек плоскости, координа­
ты которых удовлетворяют некоторому нера­
венству, называется о б л а с т ь ю р е ше ний д а н н о г о н е р а в е н с т в а. Из сказанного выше вытекает, что область решений неравенства (3) — одна из полупло­
скостей, на которые плоскость разбивается прямой Ах + By + С = 0, а другая полуплоскость будет областью реше­
ний неравенства Ах + By 4- С s£0. Итак, в с я к о му у р а в н е н и ю пе р в о й с т е пе ни, с в я з ыв а юще м у не более дву х п е р е ме нных, на п л о с к о с т и со­
о т в е т с т в у е т п р я ма я, а в с я к о му не­
р а в е н с т в у пе р в о й с т е п е ни соот ве т ­
с т в у е т п о л у п л о с к о с т ь. Если дана система неравенств, то обла­
стью ее решений называется совокупность (или множество) точек плоскости, координа­
ты которых удовлетворяют каждому из не­
равенств системы. В качестве примера найдем область реше­
ний системы неравенств: Зх + 4у— 12 >0, (I) 2х—5у + Ю>0, (II) 2.V— у— 6*=0. (III) МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ 159 Рпс. 4. Заменяя знаки неравенств на знаки точных равенств, получим уравнения трех прямых: Зх + 4(/—12- 0, (Ii) 2х — Ьу + 10 = О, (ПО 2х — у — 6 = 0. (IIIi) Строим прямую (Ii) {рис. 5). Затем опреде­
ляем, какая из полуплоскостей является об­
ластью решений неравенства (I). После под­
становки координат точки (0; 0} в (I) получим •—12 > 0. Это противоречит неравенству. Сле­
довательно, точка (0; 0) лежит в полуплоско­
сти, точки которой не удовлетворяют нера­
венству (I), и областью решений неравенст­
ва (I) будет полуплоскость, которая не содер­
жит начала координат. Эту область отметим стрелками. Рпс. 5 Аналогично построим области решений неравенств (II) и (III). Область решений систе­
мы неравенств в данном примере будет тре­
угольником. Пусть теперь дана система неравенств: Зх + 4у— 1 2 ^ 0, (I) 2х — 5y + 10s£0, (II) 2х— у— 6 >0. (III) Попытаемся найти область решений этой системы. Строим соответствующие прямые и стрелками указываем область решений каж­
дого из неравенств (рис. 6). Глядя на рисунок, убеждаемся, что не существует ни одной Рис. 6. точки, общей для всех полуплоскостей. Это означает, что данная система неравенств не совместна. Вообще область решений системы нера­
венств первой степени (а такая область суще­
ствует, если система совместна) — некоторый многоугольник, и можно показать, что этот многоугольник всегда будет выпуклым (по­
луплоскость — также выпуклая фигура). Зная геометрический смысл линейных уравнений и неравенств, мы сможем решить поставленную в начале нашего рассказа за­
дачу об использовании сырья. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СЫРЬЯ Вспомним, что математически эта задача нами была сформулирована так. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 1 60 Рпс. 7. Дана система четырех линейных нера­
венств: Зх + у - 360 *£ 0 л-+ 2r/-330=s=0 . Зх- 315 *£ О * } lij — 300 ^ О и линейная форма F = 10x + Gy. (2) Требуется среди неотрицательных реше­
ний системы (1) выбрать такое, при котором F принимает наибольшее значение. Так как нас интересуют только неотрица­
тельные решения системы (1), то к этой си­
стеме нужно добавить еще два неравенства, а именно: i
x 0, у > 0. Мы уже знаем, что в прямоугольной си­
стеме координат областью решений системы неравенств является выпуклый многоуголь­
ник. Этот многоугольник называют мног о­
у г о л ь н и к о м р е ше н и й данной системы неравенств. Теперь в прямоугольной системе коорди­
нат на плоскости построим прямые: х = 0, (I) У = 0, (П) ЗА + у — 360 = 0, (Ш) х+2у — 330 = 0, (IV) ЗА — 315 = О, (V) 2у — 300 = 0. (VI) Стрелками укажем, какие полуплоскости в пересечении дают многоугольник решений (рис. 7). Всякая точка, принадлежащая мно­
гоугольнику решений, будет удовлетворять системе неравенств, т. е. ее координаты будут решением системы. Всякое неотрицательное решение систе­
мы (1) называют д о п у с т и мым ре ше ни-
е м или пл а но м. (В рассматриваемой зада­
че решения должны быть целыми — ведь нельзя, например, сделать 0,1 шкафа; в дру­
гих задачах этого требования может не быть.) Но нас интересует не любое решение си­
стемы, а такое, при котором линейная фор­
ма (2) достигает наибольшего значения. Допустимое решение системы, при кото­
ром линейная форма (2) достигает наиболь­
шего значения (в других задачах может ста­
виться требование, чтобы она достигла наи­
меньшего значения), называют опт има ль ­
ным р е ше н и е м или о п т и ма л ь н ым п л а н о м. Возьмем затем в многоугольнике реше­
ний любую точку, например PQ (30; 30). Этой точке будет соответствовать план X = 30, у = 30, т. е. предположение, что решено сде­
лать 30 шкафов и 30 столов. При этих усло­
виях форма F = Юл; + 6у будет иметь значение F = 10 • 30 + 6 • 30 = 480, т. е. мастерская по­
лучит доход 480 руб. Теперь в равенство (2) вместо F подста­
вим ее значение: lQx + Qy = 480, или: Юх + 6^—480 - О, получим уравнение прямой. Очевидно, что если в многоугольнике решений вместо точки Рс взять любую другую точку этой прямой, то для нее значение формы F останется рав­
ным 480. Поэтому каждую прямую вида 10.V + 6у — С называют л и н и е й у ров ня фо р мы F. Но этот план не является опти­
мальным. Например, в точке Pt (60; 30) мы получим большее значение F = 780; соответ­
ствующей линией уровня будет прямая ЮЛ- +6у — 780 = 0, параллельная первой линии уровня. Беря другие допустимые решения системы нера­
венств, мы все время будем получать линии уровня (прямые), параллельные между собой МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ 161 (рис. 8). Можно показать, что если прямая Ах + By + С — 0 перемещается параллельно самой себе, удаляясь от начала координат, причем коэффициенты Л и В не меняются, то коэффициент С общего уравнения прямой возрастает по абсолютной величине. Значит, в нашей задаче с ростом абсолютной вели­
чины С будет возрастать и линейная фор­
ма F. Теперь понятно, как следует искать оптимальный план. Для этого через любую точку многогранника решений неравенств проводим линию уровня (прямую) и переме­
щаем ее параллельно самой себе в сторону возрастания линейной формы. Мы остано­
вимся, когда все точки области решений неравенств окажутся по одну сторону от этой прямой. Из рисунка 7 ясно, что оптимально­
му плану будет соответствовать точка пере­
сечения прямых (III) и (IV) — вершина мно­
гоугольника решений. Чтобы найти коорди­
наты этой вершины, решим совместно урав­
нения прямых (III) и (IV); Вх+ у — 360 - 0, JC + 2у — 330 = 0; получим: х — 78, у = 126. Таким образом, если мастерская изгото­
вит 78 шкафов и 126 столов, то она полу­
чит наибольший доход, который составит Fwdx = 1536 руб. При этом плане полностью будут израсходованы толстые и тонкие доски, а от фанеры останется 81 лист толстой и 48 листов тонкой. При всяком другом плане доход мастерской будет меньше. Рис. 8. ТРАНСПОРТНАЯ ЗАДАЧА Стоимость перевозки одной тонны груза в рублях из каждого пункта отправления А\ и Ао в каждый пункт назначения В\, В%, #з за­
дана следующей таблицей: \. Пункты на-
^--^ значения Пункты ^ ^ ^ ^ отправления ^-v. Ai Аг Потребность в грузе 8, 8 р. 8 Р. 200 т В2 18 р. 16 р. 600 г в3 6 р. 2 р. 200 т Запасы груза 400 г 600 т 1000 г Требуется составить такой план перевозок, при котором общая их стоимость была бы наименьшей. Обозначим через Х\, Хо, хг количества гру­
за, которые нужно перевезти из пункта А\ соответственно в пункты Ви В*, В3, и через t/i, *te, Уз количества груза, которые нужно пере­
везти из пункта Аг в пункты Blr B2, J3j. Запи­
шем это в виде таблицы: *^~ Пункты назна-
^\^ чення Пункты ^ ^\^ ^ отправления ^\ А! М Потребности Si *L У\ 200 82 *2 Уз. 600 в, * 3 Уз 200 Запасы груза 400 600 Так как потребность в грузе в пункте В\ равна 200 г, то Xi+yv = 200. Аналогичные рассуждения приводят к равен­
ствам : х2 +У2 = 600, *з + Уз = 200. С другой стороны, общее количество гру­
за, отправленного со станции At, выражается 11 Пвднание продолжается I ЕЕ1ЦЕСТЕ0 И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ суммой л'; + х* -Ь Jf?, которое должно совпа­
дать с его запасами, т. е. л ] -f X* + л'3 = 400. Подобно этому 01 + №> + Уз = 600. Из условий задачи вытекает, что общая стоимость всех перевозок равна: F = 8-V, + 18А-2 + 6*з + 8#| + 1602 + 203. Таким образом, математическая форму­
лировка транспортной задачи (по критерию стоимости перевозок) такова: дэна система xi +0i -200J *а + У 2 = 600 хэ + 0з - 200 (4) хх + х2 + АЗ = 400 01 + 02 + Уз = 600 пяти алгебраических уравнений первой степе­
ни (линейных уравнений) с шестью неизвест­
ными и линейная форма: F = 8*1 + 18*2 + бл'з + 80, + 1б02 4- 20з. (5) Требуется среди всех неотрицательных ре­
шений системы (4) выбрать такое, при кото­
ром линейная форма F достигает наименьше­
го значения. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ТРАНСПОРТНОЙ ЗАДАЧИ Рассмотрим систему (4). Если сложим по­
членно первые три уравнения и вычтем чет­
вертое, то получим пятое уравнение. Значит, в системе (4) пятое уравнение лишнее. О та­
ком уравнении говорят, что оно—следствие первых четырех уравнений, а о всей системе говорят, что она л и н е й н о з а в и с и м а. Поэтому из рассмотрения можно исключить пятое уравнение (впрочем, в этом примере можно было бы исключить из системы любое из данных пяти уравнений). Оставшиеся четыре уравнения уже будут линейно неза­
висимы. Таким образом, мы имеем четыре линей­
но независимых уравнения первой степени с шестью неизвестными. Из этих уравнений четыре неизвестных можно выразить через два остальных. В этом случае говорят, что такая система имеет четыре зависимых неиз­
вестных и два свободных неизвестных. Выбрав в качестве свободных неизвестных Х\ и х%, получим: 0, = 200 - jfi 02 = 600 - Xi л*э = 400 - хл - л-2 t*w 0з = - 200 + .*, + л-2 Подставим найденные значения уи 02. *з* 0з в значение линейной формы (5): F = 8-Yi + 18л'2 + 6(400 — Л', — х->) + + 8(200 — л,) + 16(600 — xz) + 2(Xi + х2 — — 200) = 13 200 — 4*1 — 2х2. ВСПОМНИМ, ЧТО велИЧИНЫ Хи Х2, А'з, У\, 02. 03 не могут принимать отрицательных значе­
ний, а это значит, что должны выполняться неравенства: 2 0 0 - * i > 0 | (I) 600 - хя > 0 (II) 4 0 0 - J C I - J C S > п | (III) ,,,. - 200 + Хх + Х2 > 0 ' (IV) { ' Xi > О (V) х2 > 0) (VI) Следовательно, транспортной задаче мож­
но дать и такую формулировку. Дана система линейных неравенств (4') и линейная форма: F = 13 200 — 4*, — 2*2. Среди решений системы (4') выбрать такое, при котором линейная форма F принимает наименьшее значение. А как решать такую задачу, мы уже знаем. Для этого возьмем на плоскости пря­
моугольную систему координат Ох^х2 (т. е. од­
ну из осей назовем осью Охи а другую — 0x2', введение новых обозначений для осей коор­
динат, вместо обычных х и у, никак не влияет на решение задач). Строим многоугольник решений системы неравенства (4') (рис. 9). Вычертим одну из линий уровня, например проходящую через точку Р0 (100; 150). В этой точке F = 12 500, поэтому уравнение линии уровня будет: 12 500 = 13 200 — 4-V, — 2х2, или: 2Х] 4- ха — 350 = 0. 162 МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ 163 Очевидно, что значение формы будет уменьшаться с увеличением абсолютной ве­
личины свободного члена в уравнениях линий уровня. Перемещая линию уровня параллель­
но самой себе и удаляя при этом ее от начала координат, видим, что наименьшее значение форма F примет в точке пересечения прямых Рис. 9. (I) и (III) (опять вершина многоугольника решений). Решая совместно уравнения этих прямых: л-, = 200, получим оптимальное решение: А'2 = 200; при этом F = 12 000. Из равенств (4|) находим: л*3 = 0, у\ = 0, у2 = 400, уъ = 200. Таким образом, оптималь­
ным планом перевозки груза будет следую­
щий: перевезти из пункта А( 200 г в В\ и 200 г в В?, а из пункта А2 400 г в В2 и 200 г в Z?3- Стоимость перевозки при этом наимень­
шая, она будет равна 12 тыс. руб. 1 1 е ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ Еще раз прочитаем математические фор­
мулировки задачи об использовании сырья и транспортной задачи. Мы замечаем, что они весьма схожи. Различие заключается только в том, что в одной задаче была дана система линейных неравенств, а в другой — система линейных уравнений. Но в ходе решения вто­
рой задачи мы смогли перейти от системы уравнений к системе неравенств. В дальнейшем мы покажем, что при на­
добности сможем так же легко преобразо­
вать неравенства в уравнения. Следовательно, можно сделать так, что математические фор­
мулировки этих задач будут совершенно оди­
наковыми (конечно, они будут отличаться количеством неизвестных и коэффициентами при неизвестных). Оказывается, такую математическую фор­
мулировку можно придать многим задачам из области экономики. Общая формулировка этих задач будет такой: дана система т алгебраических уравне­
ний с п неизвестными: (6) (7) относительно этих же неизвестных. Требуется среди всех неотрицательных решений заданной системы (6) выбрать такое, при котором форма F принимает наибольшее (или наименьшее) значение. Эта задача носит название о с н о в н о й з а д а ч и л и н е й н о г о п р о г р а м м и р о ­
в а ния, а раздел математики, в котором она рассматривается, называется лине й­
ным п р о г р а м м и р о в а н и е м (линей­
ное — потому что рассматриваются линей­
ные уравнения и линейные формы, а про­
граммирование — потому что эти задачи свя­
заны с составлением плана, или, по-иному, программы действий). Основоположник этого раздела математики — советский академик Л. В. Канторович, который в 1939 г. разрабо­
тал методы решения подобных задач. и линейная форма: Система (6) называется с и с т е мо й ог­
р а н и ч е н и й данной задачи. Ограничения могут быть заданы также в виде неравенств. В рассмотренных нами задачах требова­
лось определить небольшое число неизвест­
ных (в первом два, во втором шесть), и в каж­
дой из этих задач было по два свободных неизвестных. При решении многих практи­
ческих задач приходится иметь дело с гораз­
до большим числом неизвестных. Например, если рассмотреть транспортную задачу о пе­
ревозке однородного груза из 5 пунктов отправления в 20 пунктов назначения, то число неизвестных станет равным 100, а сво­
бодных неизвестных будет 76 (в таблице будет 5 строк и 20 столбцов, система ограни­
чений будет состоять из 25 уравнений, одно из которых будет следствием остальных). Оказывается, сложность решения задачи линейного программирования зависит от ко­
личества свободных неизвестных. Чем их меньше, тем легче решить задачу. Проще всего задача решается, когда имеется два свободных неизвестных. Именно такими были рассмотренные нами задачи. Напомним, что для решения каждой из них мы построили соответствующий мно­
гоугольник решений и через любую точку этого многоугольника провели линию уровня линейной формы. Затем, перемещая линию уровня параллельно самой себе в сторону воз­
растания (или убывания) линейной формы, нашли оптимальное решение. Оно располо­
жено на одной из вершин многоугольника решений. В случае трех свободных неизвестных мы уже будем иметь дело с трехмерным про­
странством, и системе неравенств будет соот­
ветствовать выпуклое многогранное тело, или м н о г о г р а н н и к р е ше ний, а каждому конкретному значению линейной формы — плоскость, которую называют пов е рх но­
ст ью у р о в ня. И задачу в принципе можно было бы решать так же, как п при двух свободных неизвестных: построить много­
гранник решений, через любую его точку провести поверхность уровня и, перемещая параллельно самой себе в сторону возраста­
ния (убывания) линейной формы, найти опти­
мальное решение. Соответствующая точка совпадет с одной из вершин многогранника решений. Но сделать все эти построения на чертеже хотя и возможно, но очень сложно. А в случае четырех и более свободных неиз­
вестных от чертежа трудно ждать помощи. Поэтому для решения основной задачи ли­
нейного программирования при трех п более свободных неизвестных необходимо искать другие методы. Вспомним, что оптимальное решение по­
лучалось у нас на вершине многоугольника решений; в случае, когда свободных неизве­
стных больше двух, оптимальное решение всегда будет достигаться на вершине много­
гранника решений. Правда, таких вершин может оказаться и две (это случай, когда линия параллельна одной из сторон много­
угольника решений), тогда условию опти­
мальности удовлетворяет каждая точка отрезка, соединяющего эти вершины; в трех­
мерном случае таких вершин может оказать­
ся даже три и т. д. Но и в этих случаях мож­
но сказать, что если оптимальное решение существует, то оно достигается на некоторой вершине многогранника решений. Значит, чтобы найти оптимальное реше­
ние некоторой задачи линейного программи­
рования, достаточно сравнить значения ли­
нейной формы во всех вершинах многогран­
ника решений и выбрать нужное. Кажется, все просто! Но простота здесь только кажу­
щаяся. В самом деле, пусть в качестве многогран­
ника решений будет одно из самых простей­
ших тел — многомерный куб, число его вер­
шин можно подсчитать по формуле: 5 = 2", где В — число вершин, а п — размерность пространства. При п = 2 (квадрат) Б = 4; при п — 3 (обычный трехмерный куб) В = 8; а, например, при п = 10 (десятимерный куб) В — 1024; при л = 76 (как в случае транс­
портной задачи о перевозке груза из 5 пунк­
тов отправления в 20 пунктов назначения) В выражается числом из 23 цифр. Отсюда видно, что если решать задачу таким методом, то в некоторых случаях с ней не справится даже электронная счетная ма­
шина. Чтобы упростить решение задач линейно­
го программирования, чаще всего стремят­
ся сделать так, чтобы оптимальное решение совпало с началом координат, где все свобод­
ные неизвестные равны нулю. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 164 МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ ПЛАНИРОВАНИЮ 165 системы (li). Очевидно, что система (li) име­
ет бесчисленное множество решений. В дальнейшем нас будут интересовать только так называемые б а з и с н ые реше-
н и я, то есть т а к и е р е ше н и я с и с т е мы, д л я к о т о р ых з н а ч е н и я с в о б о д н ы х .н е и з в е с т н ы х р а в н ы нулю. Базис­
ным решением системы (li) будет: х = 0, у = 0, г = 360, и = 330, 0 - 3 1 5,ш= 300- (*) Теперь обратимся к линейной форме (2): F = Юл + 6у. Если в (2) вместо х и у подставить нулевые значения, то F станет равной нулю. Это будет одно из допустимых решений. При таком плане мастерская не должна ничего делать, и доход ее будет равен нулю; но нас такое решение не интересует. Рассмотрим, как бу­
дет изменяться значение линейной формы (2) с изменением у, при х = 0. С возрастанием у значение формы будет увеличиваться. Одна­
ко изменение у вызывает изменение несво­
бодных неизвестных, которые могут сделать­
ся отрицательными, т. е. мы придем к недо­
пустимым решениям. Действительно, из по­
следнего уравнения (li) следует , что если у станет больше 150, то w станет отрицатель­
ным. В то же время из первого и второго уравнений видим, что при у = 150 значения неизвестных z и и остаются положительны­
ми. Если теперь положим х = 0, у — 150, то мы получим новое допустимое решение: х = 0, у = 150, г - 210, и = 30, и = 315, w = 0. (**) Значение линейной формы при этом решении возрастет и станет равным 900 (F = 900). Сравним решения (*) и (**). Мы видим, что в каждом из них по два неизвестных имеют значения, равные нулю: в решении (**) — А" и а?, а в (*) — выбранные нами ранее сво­
бодные неизвестные х я у. Поэтому естествен­
но посмотреть, как будет выглядеть линейная форма, если в качестве свободных неизвест­
ных выбрать не А- И у, a x и ш, т. е. именно те неизвестные, которые в новом решении име­
ют нулевые значения. С этой целью выразим из последнего уравнения системы (1[) у че­
рез W. Получим: у - 1 5 0 — Va«s. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 166 Подставим найденное решение в осталь­
ные уравнения системы (1|) и в выражение для линейной формы (2), найдем: («J (2J) С уменьшением v: при постоянном .Y = 0 значение формы F возрастет, наибольшее значение она примет при а? = 0. Теперь по­
ложим ы1 — 0; с возрастанием -V значение формы будет увеличиваться. Но, так же как и в случае с неизвестным у, ее возрастание не может быть неограниченным. Уже при .V > 30 значения и станут отрицательными. При А' = 30 значение и — 0, а остальные не­
свободные неизвестные положительны. Пола­
гая х = 30, и =0, найдем новое допустимое решение: х - 30, у = 150, г = 120, и = 0, о = 225, и' = 0. (***) Значение линейной формы возрастет и станет раЕным 1200. Теперь выберем в качестве сво­
бодных неизвестных и и а1, тогда реше­
ние (***) станет базисным. Получим: (J,) (23) * Линейная форма (2з) будет возрастать, если оставлять постоянным а1 и уменьшать и. Наибольшее значение ее в этих условиях бу­
дет при и = 0. Если же принять и равным нулю и увеличивать w, то линейная форма также будет возрастать. Но w может возра­
стать только до значения а1 = 48 {при av > 48 становится отрицательным). Полагая в системе (1з) и = 0, w — 48, по­
лучим новое допустимое решение: Значение линейной формы при этом будет равно 1536. Два неизвестных в этом решении равны нулю. Сделаем его базисным, в качестве сво­
бодных неизвестных выберем tin г; выражая из третьего уравнения системы (1з) ti> через z и и, получим: Подставим найденное значение w в систе­
му (13) и в линейную форму (2$): (i j (24) Теперь уже с возрастанием как неизвестно­
го г, так и неизвестного и значение линейной формы будет увеличиваться. Наибольшее зна­
чение она будет иметь при z — 0 и и = 0. Ре­
шение (****) будет базисным и одновремен­
но — оптимальным. Теперь решим симплекс-методом транс­
портную задачу. При решении ее геометрическим методом мы в качестве свободных неизвестных выбра­
ли Л| и х>. После разрешения системы урав­
нений (3) относительно Х\ и х2 мы получим: (4.) /****\ (5,) Среди неотрицательных решений системы (4|) требуется найти такое, при котором ли­
нейная форма принимает наименьшее значе­
ние. Для начала решения задачи симплекс-
методом нам нужно иметь допустимое базис­
ное решение системы (4i). При выбранных нами свободных неизве­
стных Л| и х? базисное решение не будет допу­
стимым, так как при Xi =0 и лг = 0 Уз = — 200 < 0. Поэтому мы должны s каче-
, (*) свободных неизвестных выбрать другую неизвестных. Испытаем пару Xi и Хз. Полагая xi = 0 и х3 = О, получим решение си­
стемы : В этом решении два неизвестных равны нулю, а остальные положительны. Значит, оно допустимо. Чтобы сделать его базисным, выберем в качестве свободных неизвестных .Vi и А'З, выразим через них все остальные неиз­
вестные и линейную форму. Получим: (4а) (5s) Теперь, полагая в форме (5?) Х\ равным нулю, заметим, что ее значение будет уменьшаться при уменьшении х3. При А'3 = 0 форма будет принимать наименьшее значение. Теперь положим А'з = 0 и проследим, как будет изменяться значение формы с изменени­
ем л*1. Значение формы будет уменьшаться при возрастании Х\. Но возрастание Х\ не мо­
жет быть неограниченным. Уже при х\ > 200 станет отрицательным у\. Найдем решение системы (33) при Х\ = 200, л*3 = 0: Значение линейной формы при этом решении уменьшится и станет равным 12 000. В решении (**) два неизвестных x3 И у\ имеют нулевые значения. Сделаем это реше­
ние базисным, для этого через А'З И у\ выразим все остальные неизвестные. Найдем: (48) (5з) Теперь значение линейной формы F будет уменьшаться при уменьшении как А*З, так и у\, и она достигнет наименьшего значения, когда оба свободных неизвестных станут равными нулю. Следовательно, базисное решение ** системы (43) будет оптимальным. Обращаем внимание на то обстоятельство, что в случае оптимального базисного реше­
ния системы коэффициенты при неизвестных в линейной форме будут одного знака. Все они будут отрицательными, когда линейная форма достигнет наибольшего значения, и по­
ложительными, когда линейная форма до­
стигнет наименьшего значения. В заключение отметим, что если основная задача линейного программирования имеет оптимальное решение, то существует опти­
мальное базисное решение, которое может быть получено симплекс-методом из любого базисного решения. Сравнивая геометрический метод и симп­
лекс-метод решения основной задачи линей­
ного программирования, видим, что первый быстрее приводит к цели, но, как мы уже го­
ворили, им можно воспользоваться лишь в случае двух свободных неизвестных, а в слу­
чае трех и более свободных неизвестных при­
ходится пользоваться симплекс-методом. Во многих случаях составление научно обоснованного плана связано с решением за­
дач, приводящихся к основной задаче линей­
ного программирования. При этом приходит ся решать задачи, содержащие сотни и тыся­
чи неизвестных. Для решения таких задач широко испольууются ЭВМ. ТЕОРИЯ ИГР Так называется математическая теория конфликтов. А что такое конфликт? Это — такая ситуация (положение, стечение обстоя­
тельств), в которой сталкиваются интересы сторон, происходит борьба интересов. Приме­
ры конфликтов есть в самых разных обла­
стях: в военном деле, в экономике, в спортив ных состязаниях. 167 ТЕОРИЯ ИГР гг tUCilLhUTBO II ЭНЕРГИЯ. 41ТСЛЛ II ФИГУРЫ Самые простые примеры конфликтов — игры (шашки, шахматы, различные спортив­
ные игры). Они отличаются тем, что ведутся по п р а в и л а м, обусловливающим образ действий игроков и исход игры в зависимо­
сти от их действий. Теория игр ставит и решает следующий вопрос: как должен вести себя (какую стра­
тегию применять) разумный игрок в кон­
фликте с разумным противником, чтобы обес­
печить себе в среднем наибольший возмож­
ный выигрыш? Интересы участников конфликта противо­
речивы, каждый из них принимает все меры к тому, чтобы обеспечить лучшее положение себе и худшее — своему противнику. В итоге борьбы интересов, если оба противника оди­
наково разумны, по-видимому, должно быть найдено некоторое р а в н о в е с н о е поло­
же н и е, при котором каждый игрок полу­
чит то, что ему причитается,— не больше и не меньше. Ре ши т ь иг ру — это и значит най­
ти такое равновесное положение, т. е. пару разумных (оптимальных) стратегий, дальней­
шее улучшение которых уже невозможно, и указать, какой при этнх стратегиях выиг­
рыш (или проигрыш) должен достаться каж­
дому игроку. Если результат зависит не только от стра­
тегий, но и от случайности (как, например, бывает при сдаче карт), нужно говорить не о результате каждой отдельной партии, а о с р е д не м р е з у л ь т а т е, приходящемся на одну партию при многократном повторе­
нии игры. Чтобы представить себе своеобразие игро­
вых задач, рассмотрим простенький пример. Игра «Поиск». Б игре участвуют двое: игрок К («красныео) и игрок С («синие»). К должен найти С, а С, наоборот, прячется от К. У С есть два убежища — 1 и 2, он мо­
жет выбрать любое из них по своему усмот­
рению. Ку в свою очередь, может искать С в 168 любом из этих убежищ. Если К искал С в убе­
жище 1 и нашел его, С платит К штраф 1 очко, если же искал и не нашел — наоборот, Л пла­
тит С штраф в 1 очко. Для убежища 2 усло­
вия аналогичные, но размер штрафа — 2 очка. Требуется решить задачу, т. е. найти оптимальные стратегии участников и соот­
ветствующий этим стратегиям выигрыш (проигрыш) каждого игрока. Давайте порассуждаем за наших игроков. Так как каждый из них выигрывает то, что ТЕОРИЯ ИГР 169 Игра «Поиск». проигрывает другой, то выигрыши их равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому нет смысла рассматривать выигры­
ши обоих — достаточно заняться выигрышем одного из игроков (пусть это будет К), Запи­
шем правила игры в виде таблицы (матрицы), где будут указаны возможные стратегии иг­
роков и соответствующий каждой паре стра­
тегий выигрыш игрока К (он же — про­
игрыш С). У «красных» две стратегии: К\—искать в убежище 1, К% — искать в убежище 2. У «синих» тоже две стратегии: С\—прятаться в убежище 1, Сг — прятаться в убежище 2. Условия игры записаны в матрице (см, ниже), где для каждой пары стратегий «крас­
ных» и «синих» приведен результат — выиг­
рыш «красных»: Стратегия «красных» Kt К2 Стратегии •»СИНИХ» Су 1 —2 С2 —1 2 Эта матрица полностью исчерпывает ус­
ловия игры. Нам надо дать рекомендации каждому из игроков: как себя вести в данной игре. Давай­
те сначала подумаем за К. Если он примет стратегию Е\ (т. е. будет искать С только в убежище 1), его разумный противник С через несколько партий игры догадается об этом и станет всегда прятаться в убежище 2. Выиг­
рыш К при этом равен — 1, т. е. он будет систематически проигрывать одно очко. Плохо! Давайте попробуем вторую стратегию — К2. Опять плохо! Если К захочет все время искать в убежище 2, умный С догадается об этом и начнет прятаться в убежище 1. При этом К будет систематически проигрывать 2 очка. Из огня да в полымя! Нашему К обидно все время проиг­
рывать. «А если, — думает он, — менять свою стратегию: один раз искать в убежище 1, а другой — в убежище 2?» Но ведь умный С и об этой попеременной стратегии тоже мо­
жет догадаться после первых же партий, и снова К придется плохо... Он будет проигры­
вать: одну иг ру—очко, другую — два очка. «Нет уж, — думает К, — если проигрывать» то лучше поменьше. Дай-ка выберу я страте­
гию ff|! Пользуясь ею, я уж во всяком случае больше одного очка не проиграю...» Тот осторожный принцип, который сей­
час положил К в основу своего выбора, в тео­
рии игр называется п р и н ц и п о м ми н и -
м а к с а. Смысл его следующий: в игре с разумным противником старайся, чтобы твой выигрыш даже при наихудшем для тебя его поведении был наибольшим. Зная, что про­
тивник разумен, надо при обсуждении каж­
дой стратегии рассчитывать на минималь­
ный в данной строке выигрыш и выбрать ту стратегию, при которой этот минимальный выигрыш — максимален. Для этого сбоку от матрицы выписывается дополнительный столбец, в котором ставятся минимумы строк: ВЕЩЕСТВО II ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 170 к, к-
с, 1 С; —1 —2 2 Минимумы строк — 1 * —2 Максимальным из этих минимумов (мак-
симин) отмечается звездочкой (в нашем при­
мере он равен —1). Стратегия Я"ь соответст­
вующая макснмину, и является наиболее осторожной (максиминной) стратегией «крас­
ных». Конечно, К недоволен — ему не хочет­
ся каждую игру проигрывать очко, но что поделаешь... Другого выхода пока не видно! Однако не будем торопиться. Попробуем теперь стать на точку зрения С. Не забудьте, что он хочег отдать поменьше, поэтому, просматривая свои стратегии, он должен в каждом столбце ориентироваться на самый неприятный для него максимальный выиг­
рыш К (рассуждая в той же последовательно­
сти, как выше рассуждал К). Запишем внизу матрицы дополнительную строку, где будут приведены максимумы столбцов. Отметим звездочкой минимальный нз них (минимакс). В данном случае он равен 1, и ему соответст­
вует стратегия С\ (минимаксная стратегия «синих»). | с « 1 Ка Максимумы столбцов 1 —2 1* С, —1 2 2 Минимумы строк — 1 * —2 Что же у нас получилось? Исходя из осто­
рожного принципа минимакса, мы вынужде­
ны рекомендовать «синим» стратегию С\: прятаться в убежище 1! Но ведь «синие» при этом неизбежно будут проигрывать! Как же так? Ведь мы только что убедились, что неиз­
бежно проигрывать должны «красные»?! Удивительно! Оказывается, для «синих» игра тоже невыгодна... Давайте, впрочем, подумаем: образуют ли две найденные нами стратегии К\ и С\ ре­
шение игры? Предположим, что обе стороны придерживаются этих стратегий. При этом К выигрывает 1 очко. Как вы думаете, является ли это положение равновесным? Очевидно, нет, потому что игрок С, узнав, что К поль­
зуется стратегией К\, немедленно перейдет на Cs и будет выигрывать 2 очка. В свою очередь, узнав об этом, хитрых"! К перейдет на страте­
гию К2 и будет выигрывать 2 очка, и так далее... Уж какое тут равновесие! Обоим все время приходится менять стратегии, и совер­
шенно неизвестно, чем все это кончится... Значит, мы с вами не нашли реше­
ния игры. Может быть, его вообще не сущест­
вует? Нет, решение существует, но, как говорят в теории игр, не в чистых стратегиях, а в смешанных. Сме ша н н о й называется та­
кая стратегия, при которой игрок применяет не одну, а две или больше стратегий, чередуя их случайным образом. Почему нужно чередовать стратегии именно случайным (а не закономерным) об­
разом? А потому, что любое закономерное чередование стратегий может быть разгадано умным противником, а случайное — нет! Поди догадайся, какую стратегию применит противник в очередной партии игры, если он и сам этого не знает! С помощью теории игр можно найти ре­
шение игры «Поиск»-. Оно состоит в следую­
щем: игрок К должен применять свою стра­
тегию К\ с частотой 2/3 (т. е. в среднем в 2/з всех случаев искать противника в убежтце 1, а в '/з всех случаев искать в убежище 2). Что касается игрока С, то он должен одинаково часто прятаться как в первом, так п во вто­
ром убежищах... Прп этом равновесный выиг­
рыш К будет равен нулю, т. е. игра будет одинаково выгодна или невыгодна для обеих сторон. Не очень-то приятно, но все же лучше, чем на каждую игру терять очко, верно? В разобранном примере решение оказа­
лось в смешанных стратегиях. Всегда ли это будет так? Нет, не всегда. Рассмотрим другой пример. Игра «Два числа». Два игрока К и С одно­
временно, не видя друг друга, записывают на бумаге каждый одно из трех чисел: 1, 2 или 3. Если оба запишут одинаковые нечет­
ные числа, К выигрывает 5 очков, если оди­
наковые четные—одно очко. Если К и С напишут разные нечетные числа, К проигры­
вает 3 очка; если К напишет четное число, ТЕОРИЯ ИГР 171 Игра *Два числа*. а С — нечетное, то К выигрывает 3 очка; если наоборот, С напишет четное, а К нечетное, то К проигрывает одно очко. Условия игры за­
писаны в матрице: Kt(l) КЛ2) КЛЗ) Максимумы столбцов С,(1) 5 3 —3 5 <У2) —1 ** —1 1* 0,(3) —3 3 5 5 Минимумы строк —3 1* - 3 макспмин отмечены звездочками. Оказывает­
ся, в данном примере минимакс равен макси-
мину! Случай особый... Действительно, рассмотрим пару мини­
максных стратегий Я2 и Сз- Эти стратегии образуют равновесную пару и, значит, дают решение игры. Пока оба игрока держатся таких стратегий, выигрыш К будет равен 1 очку. Посмотрим, может ли С улучшить свое положение, отступая от стратегии ее? Очевидно, нет! Что бы он ни делал, его про­
игрыш может только увеличиться. И на­
оборот, если С держится своей стратегии Са, то К никакими усилиями не может увеличить свой выигрыш. Значит, мы нашли решение игры — пару чистых стратегий К* и Сч и равновесный выигрыш К — 1 очко, отражаю­
щий объективное преимущество К над С в данной игре. Почему так получилось? Потому что в матрице имеется особый элемент 1, который является одновременно максимином и мини-
Сбоку и снизу выписаны минимумы строк и максимумы столбцов. Минимакс и ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ максом: он минимален в своей строке и одновременно максимален в своем столбце. Такой элемент называется с е д л о в о й точ­
к о й. Если матрица игры имеет седловую точку, игра имеет решение в чистых стра­
тегиях. Класс игр, имеющих седловую точку, за­
нимает важное место в теории игр. К этому классу принадлежат, в частности, так назы­
ваемые иг р ы с по л но й информа ­
цией, в которых каждый игрок перед любым ходом полностью знает все предыдущие ходы, как свои, так и противника, и их ре­
зультаты. Оказывается, каждая игра с полной информацией имеет седловую точку и, зна­
чит, решение в чистых стратегиях. И как только такое решение будет найдено, игра теряет смысл, потому что ее исход предрешен! А как же,— спросите вы,— шашки, шах­
маты? Это ведь тоже игры с полной инфор­
мацией? Совершенно верно! Теоретически доказа­
но, что каждая из них имеет решение в чи­
стых стратегиях, т. е. существует определен­
ный образ действий для каждой стороны, пользуясь которым (в борьбе с разумным противником), можно всегда свести игру к определенному концу. Будет ли это всегда выигрыш белых, или всегда — черных, или всегда — ничья, мы пока еще не знаем, пото­
му что число стратегий в шахматной игре слишком велико, чтобы можно было постро­
ить матрицу и найтп в ней седловую точку... Наверное, любители шахмат заинтересо­
ваны в том, чтобы шахматная игра была решена еще не скоро! 172 О МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ ЗАЧЕМ НУЖНА ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ Для развития современной техники и экономики, а также многих областей науки характерна не только автоматизация отдель­
ных операций и целых производственных процессов, но и автоматизация самих про­
цессов управления. Аппаратура, которая используется для этой цели, усложняется с каждым годом, в связи с тем что на нее возлагается решение все более и более ответ­
ственных задач. Нужно признать, что без такого усложнения были бы невозможны многие поразительные достижения последних лет. Так, без сложных систем дистанцион­
ного управления было бы немыслимо нала­
дить эксплуатацию атомных электростанций или осуществить такие небывалые операции, как фотографирование обратной стороны Луны. А какие колоссальные и сложные вы­
числения производят быстродействующие электронные машины! Но здесь возникает проблема: чем сложнее такие управляющие устройства, тем выше предъявляемые к их надежности требования, т. е. к их способно­
сти в течение длительного времени безотказ­
но выполнять свои функции. Действительно, нетрудно представить себе, что произойдет, если откажет система управления на атомной электростанции или в автоблокировке на железной дороге, на крупной энергосистеме или на химическом заводе. МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 173 Но не только для производства или запу­
ска космических кораблей нужна высокая надежность аппаратуры. Самолеты должны летать без аварий и послушно выполнять волю пилота, автомобили — безотказно пере­
возить грузы и пассажиров, станки—обра­
батывать изделия с заданной точностью, ис­
кусственное сердце или искусственные поч­
ки — безупречно выполнять свои функции во время сложнейших операций... Особенно высоки требования к надежно­
сти той аппаратуры, которую трудно или не­
возможно исправить. А такой аппаратуры теперь в распоряжении человечества уже много и будет все больше. Чтобы представить себе сложность совре­
менной аппаратуры, обратимся к примеру, не вдаваясь в технические детали. Совре­
менная электронная машина, производящая огромные вычислительные работы, решаю­
щая лопгческие задачи (например, перевод с одного языка на другой), управляющая производственными процессами, собрана из многих тысяч диодов, триодов, конденсато­
ров, сопротивлений, элементов памяти (фер-
ритовых колечек), подводящих проводов и пр. Каждый из составляющих элементов не абсолютно надежен, т. е. имеется вероят­
ность выхода его из строя в любой промежу­
ток времени. Чтобы такое сложное оборудо­
вание действовало, необходимо каждый эле­
мент поддерживать в рабочем состоянии. Вот почему так важно заранее, еще до начала работы механизма, научиться рассчи­
тывать его надежность, а также выбирать из различных вариантов конструкции ту, кото­
рая будет обладать наибольшей надежностью при сохранении прочих необходимых ка­
честв. В этих расчетах обойтись без матема­
тических методов невозможно, и поэтому в теории надежности математика занимает значительное место. МАТЕМАТИКА ПОМОГАЕТ КОНСТРУКТОРУ Первая задача, которую приходится ре­
шать в теорип надежности, состоит в сле­
дующем: аппаратура, как правило, выходит из строя из-за порчи какого-либо составляю­
щего ее элемента. Сколько времени проходит от начала его работы до его порчи? На этот вопрос не может быть однозначного ответа. Многочисленные наблюдения и специальные испытания показали, что даже у изделий, из­
готовленных одновременно, время службы далеко не одинаково. Взятый наудачу из продукции, изготовленной одним рабочим за смену, полупроводниковый диод или конден­
сатор может проработать и несколько десят­
ков тысяч часов, и только какую-нибудь сотню часов. Речь может идти не о точном предсказании числа часов, которое прорабо­
тает деталь, а лишь о вероятности F (t) того, что она проработает не меньше t единиц времени. Хотя для различных деталей эта вероятность различна, все же есть и некие общие черты их поведения. Прежде всего, в начале работы (так называемый период приработки) вероятность выхода из рабочего состояния повышенна; далее наступает более или менее длительный период стабильности, когда вероятность отказа за единицу времени остается неизменной; наконец, наступает пе­
риод старения, когда вероятность порчи быстро возрастает. Важно отметить, что если для отдельных деталей закономерности распределения отка­
зов весьма сложны, то для сложных систем, состоящих из большого числа элементов и деталей, удается вывести общие и простые закономерности. Предположим, что каждый испортивший­
ся элемент немедленно заменяется новым. Пусть интересующий нас аппарат состоит из очень большого числа элементов, каждый из которых редко выходит из рабочего состоя­
ния по сравнению с отказами хотя бы одного из остальных элементов, и отказы элементов независимы друг от друга. В этих предполо­
жениях доказывается следующая важная теорема: вероятность того, что за промежу­
ток времени t произойдет п отказов, прибли­
женно равна: i >„ ( * ) =<i ^.e - » ( n - 0, 1.2...), е ^ 2,7182..., а X означает положительное число, не зависящее от L Физический смысл числа I прост — это среднее число отказов системы в единицу времени. Чтобы иметь возможность заранее рас­
считать надежность изделия, нужно знать надежность тех элементов, из которых оно будет изготовлено. С этой целью на заводах устраивают испытания и по их результатам делают заключение о качестве элементов. Выбор тех величин, которые должны быть оценены на основании испытаний, условия, в которых их следует производить, а также точность, которую нужно получить, не могут быть назначены произвольно; они должны определяться физическими и техническими соображениями. В каких условиях придется работать изделию, как долго оно будет нахо­
диться в тех или иных условиях? Все это должно быть задано либо конструктором, либо эксплуатационником. Задача матема­
тика состоит в выработке плана: сколько изделий нужно испытывать, в течение какого срока, следует лн отказавшие изделия заме­
нять на новые ИЛИ нет? Далее, математик должен на основании испытаний выявить наличие связей между величинами, которые интересуют практика. Математик должен указать и тот метод, которым следует пользо­
ваться для обработки результатов наблюде­
ний, а также сделать выводы из этой обра­
ботки. Пусть, для примера, нам известно, что функция F it), введенная в начале этого раз­
дела, задается формулой: F (t) = е~Х1, где X — неотрицательная постоянная. Требуется оценить неизвестную величину У- на основа­
нии испытаний. С этой задачей приходится часто встречаться в реальной обстановке, по­
скольку к этой функции неизбежно приводит тот общий результат, который был сформу­
лирован в теореме об отказах сложной аппа­
ратуры. Среди многих планов испытаний на на­
дежность, предложенных к настоящему вре­
мени, мы укажем лишь один: на испытание ставится N одинаковых изделий, отказавшее изделие немедленно заменяется новым, ис­
пытания производятся до получения г отка­
зов (например, г — 5 или 8). Какие величины необходимо замерять для возможно лучшей оценки неизвестного /- ? Математическая статистика учит, что для этой цели доста­
точно измерить лишь момент наступления r-го отказа. Если он произошел в момент то лучшей оценкой для /. будет число Если же мы отметим дополнительно момент первого, второго и последующих по порядку отказов (/] <h< ... < О-то это дополнитель­
ное знание не улучшит оценки величины *. Понятно, что испытания нужно произво­
дить и для того, чтобы наблюдать за ходом производства и за сохранением устойчивости параметров (величин), определяющих каче­
ство изделий. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ И НАДЕЖНОСТЬ В природе нет абсолютно надежных эле­
ментов и изделий. Каждый элемент, как бы совершенен он ни был, со временем теряет свои свойства. Получение элементов сверхвы­
сокой надежности часто либо вообще недо­
ступно существующему уровню техники, либо требует таких больших расходов, что они уже не могут быть оправданы. Приходится для повышения надежности изделий идти дру­
гими путями. Один нз самых распространен­
ных путей повышения надежности — п у т ь р е з е р в и р о в а н и я. Сущность резервирова­
ния состоит в том, что в систему вводятся избыточные элементы, узлы и даже целые агрегаты, которые включаются в работу по мере выхода из рабочего состояния основ­
ных элементов (узлов, агрегатов), Так, на железнодорожных станциях стоят резервные тепловозы, готовые в любой момент сменить неисправный рейсовый теп­
ловоз: на крупных аэродромах есть резерв­
ные самолеты; на крупных электростан­
циях—резервные генераторы: они не дают тока в сеть, но в любой момент могут заме­
нить выбывший из строя генератор. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 174 О МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 175 Одна из элементарных задач, которую мы сможем немедленно решить, состоит в следующем. В системе имеются элементы определенного типа; в работе должно по­
стоянно находится п элементов. Как изме­
нится надежность устройства, если, помимо п основных элементов, в нагруженном резер­
ве (т. е. в таком же состоянии, в каком нахо­
дятся работающие элементы) находится еще т элементов? Бели через р обозначить вероятность того, что данный элемент не выйдет из рабо­
чего состояния в течение необходимого нам времени, то вероятность того, что ни один из п элементов за этот срок не выйдет из строя, по теореме умножения вероятностей равна р". Это вероятность безотказной работы си­
стемы элементов, если отсутствуют резерв­
ные элементы. Пусть теперь в системе имеет­
ся т резервных элементов. Б силу теоремы сложения вероятностей вероятность того, что в течение времени t в системе будет сохра­
няться не менее п исправных элементов, равна: Это выражение — краткая запись суммы т + 1 слагаемых. Каждое из них записано под знаком £; вместо i нужно последова­
тельно подставлять числа натурального ряда от 0 до т включительно. Рассмотрим простой схематический чис­
ловой пример. Пусть л = 4, ш = 1, р = 0,9. Не­
трудно подсчитать, что вероятность безотказ­
ной работы системы без резерва равна 0,6561, а при одном резервном элементе ста­
новится равной 0,9185. Если бы наша систе­
ма имела не один, а два резервных элемен­
та, то вероятность ее безотказной работы поднялась бы до 0,9841. Мы видим, что даже небольшое число резервных элементов резко увеличивает надежность системы. Вот по­
чему только один резервный генератор ка электростанции почти полностью исключает возможность резкого уменьшения выработки электроэнергии. Задача о резервировании становится бо­
лее сложной и интересной, когда учитывает­
ся дополнительное обстоятельство — восста­
новление вышедших из строя элементов. В действительности во многих случаях, как только элемент выходит из рабочего состоя­
ния, его тотчас начинают ремонтировать. Среди множества вопросов, связанных с резервированием, отметим сейчас только один: сколько элементов необходимо иметь в резерве, чтобы добиться заданной надеж­
ности системы? Этот вопрос возникает по­
стоянно в самых разнообразных областях техники. Действительно, для уверенной эксплуатации системы управления нужно знать, какие ее узлы необходимо зарезерви­
ровать и сколько каждого из них должно быть в резерве. Подобные же задачи возни­
кают и при расчете резерва генераторов на электростанции, и при оснащении космиче­
ских кораблей, несущих в космос исследова­
телей и приборы. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ДОЛЖНО БЫТЬ ЭКОНОМНЫМ Как мы говорили, резервирование тре­
бует введения в систему избыточных эле­
ментов, а значит, увеличивает ее объем, стоимость и утяжеляет ее. Все эти моменты весьма существенны, особенно для аппара­
туры самолетов, космических кораблей, для приборов, которые предназначены для вжив­
ления в организм (например, стимуляторы сердечной деятельности), для аппаратов, ис­
пользуемых в послеоперационный период, слуховых аппаратов и пр. В такого рода ап­
паратуре необходимо экономить буквально каждый грамм веса и каждый сантиметр объема. В связи с этим возникает новая ин­
тересная задача: найти такое резервирова­
ние, при котором система оказывается мак снмально надежной, и при этом вес аппара­
туры, ее объем и стоимость не должны пре­
вышать заданных размеров. Так, для при­
мера, если стоимость блока t-ro типа равна С;, общее число блоков равно т и nt — чис­
ло блоков /-го типа в резерве, то стоимость т резерва равна ^ щ С{. Если Со означает 2 = 1 ту максимальную сумму, которую можно тпустить на резервирование, то условие, которое накладывается на искомое решение, состоит в следующем: га Математическая особенность поставлен­
ной задачи в том, что мы ищем решение среди целых положительных чисел л При конструировании новых изделий и при расчете возможных улучшений преж­
них исключительно важно знать, какое влия­
ние на общую надежность системы оказы­
вает тот или иной элемент, тот или иной блок. Это знание позволяет уверенно направ­
лять исследования на поиски новых, более надежных элементов. Но какие элементы не­
обходимо в первую очередь улучшать? Оче­
видно, те, которые максимально улучшают надежность системы. Здесь, как это ни ка­
жется парадоксальным, может случиться, что сравнительно ненадежные элементы будут оказывать относительно малое влия­
ние на надежность системы в целом, и нуж­
но улучшать в первую очередь уже весьма надежные элементы. Как это может быть? Очень просто: может случиться, что надеж­
ных элементов в системе много, а менее на­
дежных — лишь единицы. Для пояснения этого утверждения прнве дем числовой пример. Пусть в интересую­
щей нас системе имеется шесть элементов первого типа и один элемент второго. На­
дежность элемента первого типа равна 0,9» а второго — 0,8. Надежность всей системы, в силу теоремы умножения вероятностей, равна 0,9й-0,8. Легко подсчитать, что увели­
чение надежности элемента второго типа на 10 % увеличит надежность системы только на 10%. Увеличение же надежности элемен­
та первого типа только на 6% увеличит на­
дежность системы почти на 40%. Этот небольшой подсчет очень поучите­
лен и показывает, как важно инженеру, фи­
зику и конструктору уметь пользоваться математическим аппаратом. Такой подсчет может направить мысль исследователя в вер­
ном направлении, может показать, где таят­
ся неполадки конструкции. Мы затронули лишь некоторые вопросы новой науки — т е о р и и на д е жно с т и. Возможно, некоторым из наших читателей придется в будущем вплотную заняться за­
дачами теории надежности и развивать ее в разных направлениях, изобретать новые, более надежные элементы, создавать надеж­
ные схемы, разрабатывать методы исследо­
вания и доказывать новые общие теоремы этой теории. ЧЕМ ЗАНИМАЕТСЯ ТЕОРИЯ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ В последнее время выяснилось, что боль­
шое число практически важных проблем физики, техники, организации транспорта, экономики, производства и линий связи при­
водится к решению сходных задач. Это по­
требовало от математиков разработки осо­
бых методов, которые составляют теперь самостоятельную ветвь теории вероятностей. В нашей стране ее называют т е орие й ма с с о в о г о о б с л у жи в а н и я, в странах английского языка — теорией очередей, а в странах французского языка — теорией ли­
ний ожидания. В самом общем виде нашу задачу можно сформулировать так. Известно, что в ряде случаев приходится иметь дело со следую­
щей ситуацией: имеется некоторое число устройств для обслуживания требований, ко­
торые поступают в эту систему. Мовтенты по­
ступления этих требований и длительность их обслуживания случайны. Нужно найти число устройств, при котором очередь на обслужи­
вание, как правило, будет небольшой, а сред­
няя длительность ожидания в очереди не пре­
высит заданную величину. К предприятиям, где необходимо решение таких задач, отно­
сятся, например, морские грузовые порты, й которых под устройствами следует считать причалы, где разгружаются суда. Другим ЕМ НАНИМАЕТСЯ ТЕОРИЯ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ 177 примером может служить телефонная стан­
ция — вызовы абонентов поступают в случай­
ные моменты времени и длительность разго­
воров указать заранее нет возможности. Пункты скорой медицинской помощи также представляют собой типичную систему мас­
сового обслуживания: вызовы на эту стан­
цию поступают в случайные моменты време­
ни, длительность удовлетворения вызова зависит от характера заболевания, от места, откуда пришел вызов, и многих других при­
чин. Задача состоит в том, чтобы рассчитать число врачебных бригад и автомобилен на станции, которое позволяло бы вовремя об­
служить пациентов. На узловых железнодо­
рожных станциях происходит переформиро­
вание приходящих составов. Для этой цели служит так называемая горка. Если горка занята, поезда занимают станционные пути и простаивают. В аэропортах обслуживаю­
щие устройства — посадочные полосы. Коли­
чество примеров можно увеличивать. Рассмотрим одну задачу, с которой при­
ходится в таких случаях сталкиваться. Для обслуживания требований имеется и уст­
ройств — наладчиков машин, причалов и т. п. Требование, направленное в систему и застав­
шее хотя бы один свободный обслуживаю­
щий прибор, немедленно поступает в работу. Если же все приборы уже заняты, вновь при­
бывающие требования становятся в очередь и обслуживаются по мере освобождения при­
боров. Спрашивается, как часто возникает очередь того или иного размера и как долго 1- Познание продолжается (в среднем) требованию приходится ожидать начала обслуживания? Математика дает точный ответ на такпе вопросы. Эти ответы-формулы довольно слож­
ны, и мы не будем их приводить здесь. Нэ в них есть одна важная величина, которую называют загрузкой системы обслуживания и обозначают буквой р: /, 1 ч Смысл /> очень прост — это среднее число требований, попадающих в систему в едини­
цу времени. Величина v равна среднему числу требований, которые успевает обслу­
жить один прибор при непрерывной работе за единицу времени. Если р > //, это означает, что в единицу времени в систему поступает требований в среднем больше, чем успевают при непре­
рывной работе обслужить имеющиеся устрой­
ства. Возрастание очереди при этом очевидно. В тех случаях, когда требования поступают неравномерно, возрастание очереди будет происходить и при р = п, т. е. когда произво­
дительность системы в точности равна сред­
ней величине предлагаемой работы. Последний сделанный нами вывод имеет принципиальное практическое значение, по­
скольку нередко при расчете количества не­
обходимых средств обслуживания — посадоч­
ных площадок в аэропорту, коек в больнице, пунктов выдачи инструмента на предприя­
тии, касс в магазине, пропускной способности шлюзов или мостов к т. д. — исходят из лож­
ной предпосылки, что производительность системы должна быть равна средней вели­
чине предполагаемой работы. Как мы виде­
ли, такое решенпе неудачно, поскольку оно как бы планирует образование очередей и потерю времени людьми или механизмами. Для примера, если мы хотим сэкономить на числе пунктов раздачи инструмента, мы должны сравнить расходы на зарплату раз­
датчику с потерями от простоя квалифициро­
ванных рабочих в очереди и от простоя стан­
ков, на которых они трудятся. Конечно, теория массового обслуживания позволяет выяснить не только вред, который наносится обществу от перегрузки систем обслуживания, но и вред от их недогрузки. А поле приложения этой теории непрерывно включает все новые и новые области челове­
ческой деятельности. ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ 178 ЧТО ЧИТАТЬ ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ Радунская П. Л. «Безумные» идеи. (ГТослесл. акад. А. И. Берга). М., * Молодая гвардия*, 1967. 416 стр. (Эврика). О величайших открытиях физики XX века. Анфнлов Г. Б. Бегство от удивле­
ний. Книга для юных любителей физики с философским складом ума. Почему падает камень? Поче­
му светят звезды? Почему ночью темно? М., «Детская литература», 19^7. 288 стр. с илл. Что такое движение, механика, тя­
готение, причинность, относитель­
ность, пространство, время, вселен­
ная, поясняет эта книга. Гардпер М. Теория относительности для миллионов. Перевод с англ. Под ред., с предисл. и послесл. А. И. Ба-
зя. М., Атомиздат, 1967. 190 стр. с илл. Книга написана легко и доступно, прекрасно иллюстрирована худож­
ником А, Равнелли. Шварц Д. Как это произошло? Ил­
люстрированный рассказ о том, как теория относительности устанавли­
вает связи причин и следствий. Пе­
ревод с англ. М., «Мир», 1965. 157 стр. с илл. Васильев М. В. От нейтрино до Все­
ленной. Материя м человек. М., *Со-
ветская Россия», 1966. 327, [6] стр. с илл. Гладков К. А. Атом от А до Я. М., Атомиздат, 1967. 170 стр. с илл. (Науч.-попул. 6-ка). Маленькая энциклопедия по атом­
ной энергии. Малашко И. Ф. Излучение н веще­
ство. М., «Знание*, 1966. 96 стр. (Нар. ун-т. Естеетв.-науч. фак-т. 6). О внутренней органической связи между веществом и светом. Рыл ник В. Н. Охотники за частица­
ми. М., «Детская литература», 1965. 271 стр. с илл. История открытия элементарных чеетнц от электрона до омега-ми-
ну с-гиперона. Владимиров С. и Карев М. Кварки И элементарные частицы. М-, «Зна­
ние», 1965. 32 стр. (Новое в жизни, науке, технике. Серия 9. Физика. Математика. Астрономия. 24). Что такое кварк и что знает о нем ядерная физика? Понтекорво Б. М. Нейтрино. М., «Знание», 1966. 32 стр. со схем. (Новое в жизни, науке, технике. Се­
рия 9. Физика. Математика. Астро­
номия. 16). Автор — один из крупнейших физи­
ков нашего времени, академик — рассказывает о том, как был открыт маленький нейтрон, что о нем уже известно науке и какие задачи стоят на очереди для его дальней­
шего пзучения. Кроме того, в книге рассказано о великом итальянском физике Энрико Фе р м и, учителе Б, Понтекорво. Аринмосич Л. А. Элементарная фи­
зика плазмы. Изд. 2-е, переработ, и доп. М-, Атомиздат, 1966. 200 стр. с илл, Академик Арцимович излагает тео­
рию плазмы и перспективы приме­
нения плазмы для получения термо­
ядерной энергии, использования ее в науке и технике. Григорьянц В. В. и Золин В. Ф. Ла­
зеры сегодня п завтра. М., «Знание», 1966. 47 стр. {Новое в жизни, нау­
ке, технике. 14 серия. Радиоэлек­
троника и связь. 10). Что такое лазер? Может ли свет, из­
лучаемый мощным лазером, быть сильнее света Солнца? Из этой бро­
шюры вы узнаете об истории созда­
ния лазеров и возможности нх при­
менения в будущем. Сиборг Г. Т. м Вэлэнс Э. Г. Элемен­
ты Вселенной. Перевод с англ. Под ред. акад. А. П. Виноградова. Изд. 2-е, пепр. М., «Наука», 1966. 264 стр. с плл. Американские ученые написали эту книгу для своих детей. Один из них, Г. Снборг, участвовал в открытии 10 новых элементов. Данин Д. С. Р е з е р ф о р д. Изд. 2-е. М., «Молодая гвардия», 1967. 621 стр.; 15 л. илл. (Жизнь замеча­
тельных людей. Серия биографий. Основана в 1933 г. М. Горьким. Вып. 16 (431). Это не только биография одного из величайших ученых XX века, от­
крывшего строение атомного ядра, но и повесть о рождении современ­
ной физики. Об реи мо в И. В. Молекулы и кри­
сталлы. М., «Знание», 1964. 80 стр. с илл. (Новое в жизни, науке, тех­
нике. 11 серия. Химия. 10—11). Васильев Р. Ф. Химическое свече­
ние. М., «Знание», 1967. 48 стр. с черт. (Новое в жизни, науке, тех­
нике. 11 серия. Химия. 1). Хемцлюминесценция — что это та­
кое? Почему светится ночное море, гнилушки в лесу, горелка на газо­
вой плите, некоторые рыбы? Как ученые исследуют эти процессы? Бердоносов С. С. Инертные газы вчера и сегодня. Пособие для уча­
щихся. М., «Просвещение», 1966. 111 стр. с илл. Современная наука опровергает тео­
рию об абсолютной химической без­
деятельности пнертных газов. В 1961 г. было сделано интереснейшее открытие, вызвавшее революцию в химии и открывшее путь развитию теории химической связи. К ост яп о век ни Р. Г. Катенаны и клатраты. М., «Знание», 1966. 32 стр. с илл. (Новое в жизни, нау­
ке, технике. 11 серия. Химия. 12). Ученым удалось связать молекулы друг с другом по принципу обыч­
ной цепи, без химической связи. А в одном химическом соединении, оказывается, может быть молекула-
хозяин и молекула-гость. Власов Л. Г. и Трифонов Д. Н. За нимательно о химии. Изд. 2-е, пе­
реработ. и доп. М., «Молодая гвар­
дия», 1968. 254 стр. с илл.; 1 л. илл. (Эврика). О том, как астрономы оказали хи­
микам медвежью услугу, о Солнце в роли химика, о причине смерти Наполеона I, о запахе земляники и о многом другом, необычайно интересном. Ляпунов Б. В. Химия завтра. М.. «Детская литература». 1967. 19] стр. с илл. О чудесах ХИМИИ, способной изо­
брести материал для замены вы­
шедшего из строя органа человече­
ского тела, создать синтетический белок, продлить жизнь человека. ВЕЩЕСТВО II ЭНЕРГИЯ. ЧИСЛА И ФИГУРЫ Больпер И. Н. Юным химикам. М., «Молодая гвардия», 1965. 111 стр, с плл. (В помощь пионеру-инструк­
тору). Как организовать кружок юных химиков. О многих чудесных пре­
вращениях вокруг нас. ЧИСЛА И ФИГУРЫ Кондратов А. М. Алло, робот! М., «Детская литература», 1965. 158 стр. с илл. Рассказ о проблеме «разговора» че­
ловека с машиной. Оказывается, для создания «языка машин» пришлось изучать не только чело­
веческий язык, но и язык живот­
ных, а для межзвездной радиосвязи с внеземными цивилизациями уче­
ные пытаются создать специальный язык. Жуков Д. А. Переводчик, историк, поэт? Слово тебе, машина! М., «Со­
ветская Россия», 1965. 207 стр. с илл. Как помогает электронная машина гуманитарным наукам? Может ли электронный мозг сочинить поэму пли роман? Кобр пне и ни А. Е. Кто — кого? М., • Молодая гвардия», 1967. 302 стр. с плл. (Эврика). Автор — ученый, одпн из создате­
лей известной биоруки — рассказы­
вает о том, чем отличается киберне­
тическая машина от человека, что у них общего, и о том, что будет происходить в мире, когда автома­
тов будет больше, чем людей. Ефремов Г. О. Язык математиче­
ских машин. Системы счисления, М„ «Знание», 1967. 32 стр. (Новое в жизни, науке, технике. 19 серия. Математика. Кибернетика. 2). Захарченко В. Д. Разговор с элект­
рическим мозгом. Необычайная бе­
седа автора этих записок с умной машиной по имени Кибер, которая умеет слушать, говорить, смеяться и даже немного мечтать. М., «Дет­
ская литература», 1965. 256 стр. с илл. 12* 179 180 НАУКИ О ЖИЗНИ МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ Эта новая отрасль биологии изучает структуру и функции (поведение) сложных высокомолекулярных соединений, составля­
ющих клетку,— так называемые биолог и­
ч е с к и е п о л и ме р ы. Их роль в жизнедея­
тельности клетки и всего организма огромна, особенно роль белков и нуклеиновых кислот, потому что именно они составляют мате­
риальную основу всего живого. В состав клетки входят и другие сложные биополиме­
ры, например комплексы «белок — нуклеино­
вая кислота — жироподобные вещества*. Об этих соединениях мы пока еще знаем мало, но в дальнейшем, несомненно, и они станут предметом исследования ученых. Молекулярная биология, в отличие от биохимии и других смежных наук, изучает поведение полимерных молекул. Это позво­
ляет понять ряд сложных и тонких моментов в таких жизненных явлениях, как размноже­
ние, рост, развитие, наследственность и из­
менчивость. Молекулярная биология зародилась лишь с появлением новых, очень точных физиче­
ских и химических методов исследования, таких, как метод меченых атомов, скорост­
ное центрифугирование, различные типы и виды хроматографических исследований, раз­
нообразные оптические методы, рентгено-
структурный анализ, электронная микроско­
пия и др. С их помощью, опираясь на содру­
жество трех наук — биологии, физики и хи­
мии, удалось проникнуть в самые глубокие недра клетки и сделать новые открытия в изучении жизненных явлений. В последнее время ученые расшифровали первичную структуру ряда белков — изучи­
ли последовательность расположения амино­
кислот в белковой цепи друг относительно друга. Наука раскрыла трехмерную простран­
ственную структуру некоторых белковых молекул, выявила взаимосвязи между хими­
ческой структурой и биологической активно­
стью ферментов. Положено начало искусственным хими­
ческим синтезам простейших белков, причем с и н т е з и р о в а н н ые б е л к и о б л а д а ют т ой же б и о л о г и ч е с к о й а к т и в н о ­
с т ь ю, чт о и п р и р о д н ые. Но, пожалуй, самым интересным и особенно важным было раскрытие механизмов б и о с и н т е з а б е л ка. Кропотливыми исследованиями ученые установили, как создается белок в живом организме. Теперь известно, что молекулы самых разнообразных белков состоят при­
мерно из 20 различных аминокислот. Это как бы «кирпичи», из которых строятся раз­
ные, порой причудливые по сЕоей архитек­
туре «здания* — белки, все их многообразие. Ведь белки различны даже в пределах одно­
го организма: полагают, что отдельная бак­
териальная клетка содержит в среднем около 2000 различных белков. Но если все белки состоят из одних и тех же аминокислот, то чем же объяснить их такие совсем различные биологические свойства? Исследования последних лет показали, что биологическая особенность тех или иных белков зависит в первую очередь от последо­
вательности и взаиморасположения амино­
кислот в цепи их молекул. Для биологиче­
ских функций белка существенно и так назы­
ваемое его макромолекулярное строение, иначе говоря, то, каким образом изгибается и складывается молекула в пространстве. Это доказано на белках-гормонах. Достаточно иногда переменить местами только две сосед­
ние аминокислоты в цепи молекулы, чтобы гормон исказил или даже полностью утратил свою биологическую функцию. Отсюда ясно, что одна из важнейших проблем не только молекулярной биологии, но и биологии в це­
лом — биосинтез белка. Необходимо выяс­
нить, каким образом живой организм, живая клетка могут воспроизводить молекулы белка с необычайно точным распределением амино­
кислот вдоль цепи. Белок лежит в основе явлений жизни. И потому биосинтез белка имеет не только познавательное, но и колоссальное практи­
ческое значение, в частности для медицины и сельского хозяйства. Ведь ряд болезненных состояний организма связан как раз с нару­
шением процессов биосинтеза белка. II это не только изменение количества белка, но порой и искажение его молекулярной струк­
туры. Так, при наследственной болезни — сер­
повидной анемии — синтезируется ненор­
мальный белок-гемоглобин. Такой гемо­
глобин отличается от нормального только тем, что в его молекуле из 300 аминокислот изменена одна-единственная. 181 НАУКИ О ЖИЗНИ Совсем недавно появился даже термин «молекулярная болезнь». Многие ученые считают, что злокачественный рост клеток в живом организме (например, рак) связан с нарушением биосинтеза белка. Как только наука полностью познает этот важнейший жизненный процесс и сумеет управлять им, медицина получит новые способы лечения многих тяжелых болезней. В науке проблема синтеза белка была впервые поставлена в конце 80-х годов про­
шлого столетия русским биохимиком А. Я. Данилевским. Однако широкое экспе­
риментирование началось только в шестиде­
сятых годах нашего века. Исследования по­
казали, что в этом синтезе существенную роль играют нуклеиновые кислоты. В любой живой клетке имеются нуклеи­
новые кислоты двух типов: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Они отличаются друг от друга по составу и хими­
ческой структуре, а также по положению в клетке. Главная масса ДНК находится в клеточном ядре. Правда, в самое последнее время установлено, что в небольших количе­
ствах ДНК содержится и в других клеточных структурах (органоидах), например в пласти­
дах, митохондриях. Что касается РНК, то она в том или ином виде встречается в любой части клетки. В биосинтезе белка участвуют все типы нуклеиновых кислот. В клетке не одна, а по крайней мере три разновидности РНК, и у каждой в синтезе белка свои функции. Одна­
ко «командует» всем этим процессом ДНК, так как именно на ней «по образу и подо­
бию» определенных структурных участков ее молекулы образуется особого типа РНК — так называемая информационная, или мат­
ричная. Эта РНК переходит затем на мель­
чайшие клеточные частицы — рибосомы, и здесь в соответствии с ее структурой про­
исходит синтез белка: аминокислоты в осо­
бом порядке распределяются вдоль цепи ее молекулы. Другими словами, сначала струк­
тура ДНК как бы отпечатывается в структу­
ре информационной РНК, а затем этот отпе­
чаток передается на структуру синтезируе­
мого белка. В итоге образуется белок, который в своем строении отражает все осо­
бенности строения ДНК. Опыты показали, что всякие изменения в структуре ДНК сей­
час же сказываются на структуре информа­
ционной РНК и, значит, на последовательно­
сти расположения аминокислот в белковой цепи, в итоге — на качестве синтезируемого белка. С изменением качества белка возни­
кают новые типы процессов обмена веществ и, следовательно, появляются новые свойства клетки — в результате изменяются свойства всего организма. Отсюда закономерен вывод: н а с л е д с т в е н н о с т ь в ы я в л я е т с я в пр о ц е с ­
с е б и о с и н т е з а б е л к а. Особый порядок аминокислот в белках, как говорят, «закодирован» химической структурой ДНК, последовательностью рас­
положения ее составных частей — нуклеоти-
дов. Если аминокислоты — «кирпичи», из которых строятся белки, то нуклеотиды — это «кирпичики» для постройки молекул нуклеиновых кислот. «Кирпичиков» этих че­
тыре сорта (ученые обозначают их буквами А, Т, Г, Ц). В молекуле ДНК несколько десят­
ков, а может быть даже сотен, тысяч нуклео-
тидов. Та или иная перестановка их вдоль цепи молекулы изменяет ее биологические свойства. ДНК у разнообразных видов орга­
низмов как раз и различается расстановкой нуклеотидов друг относительно друга. В раз­
ного типа РНК насчитывается от 60 до 6 тыс. нуклеотидов. Имеются все основания считать, что аминокислотная последовательность коди­
руется в белках с помощью трех каких-то соседних нуклеотидов, содержащихся в цепи ДНК. Или, как говорят ученые, код, опреде­
ляющий природу каждой аминокислоты в молекуле белка,— триплетный. Сейчас уже определен состав кодирующих триплетов — кодонов — для всех двадцати аминокислот. Таким образом, в зависимости от расположе­
ния кодирующих триплетов вдоль цепи моле­
кулы ДНК на ней синтезируется молекула информационной, или матричной, РНК. Ее структура — точный отпечаток структуры ДНК. По этой канве (информационной РНК) располагаются аминокислоты в синтезирую­
щейся молекуле белка. Расшифровка основных этапов синтеза белка — большое достижение молекулярной биологии: теперь уже ясна генетическая роль нуклеиновых кислот, сущность генети­
ческого кода, основанного на молекулярной структуре ДНК, а значит, и природа наслед­
ственных изменений (мутаций) — основа 182 МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ 18:* Схема биосинтеза белка. Информационная РНК (нРНК) об­
разуется непосредственно на моле­
куле ДНК и является как бы ее от­
печатком. Образование иРНК происходит по той нее схеме, что и ДНК (см. след. рисунок), с той только разницей, что к одной цепи ДНК присоединя­
ются «кирпичики», из которых строится РНК. Синтез белка начи­
нается только тогда, когда иРНК присоединится к рибосоме. Транс­
портная РНК (тРНК) переносит ами­
нокислоты и соединяет их в белко­
вую цепь, которая формируется на молекуле иРНК. эволюции и изменчивости живого мира. Ведь мутации организма как раз п связаны с из­
менением молекулярной структуры ДНК, происходящим под воздействием разнообраз­
ных факторов, например различного рода из­
лучений, под влиянием химических веществ и др. (см. ст. «Генетика — наука о наследст­
венности»). В 1953 г. Уотсон и Крик (США) установи­
ли макромолекулярную структуру ДНК. Это исключительное достижение способствовало не только разрешению ряда принципиальных вопросов, связанных с синтезом белка, но и пониманию явления удвоения (репликации) ДНК. Предложенная ими структурная мо­
дель ДНК наглядно объяснила, каким обра­
зом при делении клетки из одной материн­
ской молекулы (ДНК) происходит образова­
ние двух совершенно тождественных дочер­
них молекул. Это все больше и больше под­
тверждается экспериментальными данными, Открытие ученых выявило материальные основы генетической преемственности поко­
лений. Более того, исходя из теоретических представлений удалось в пробирке, вне орга­
низма, произвести синтез ДНК. Теперь уже можн© получить ДНК любого сорта, любой специфичности, в зависимости от того, како­
го сорта «затравку» ДНК дать в смесь для опыта. Ведущая роль ДНК в передаче наследст­
венных свойств вытекает из самых разнооб­
разных экспериментов. Показательны в этом отношении так называемые бактериальные трансформации, когда под влиянием ДНК, выделенной из одной разновидности бакте­
рий (штамма), у другого штамма бактерий появляются новые признаки, передающиеся по наследству в последующих поколениях. Наследственные свойства организма, связан­
ные с молекулярной структурой ДНК, реа­
лизуются, конечно, только на основе жизне­
деятельности клетки в целом. Все это проли­
вает свет на природу явлений, происходя­
щих в хромосомах при делении клеточного ядра. Молекулярная биология, которая теперь стремительно и плодотворно развивается, пока еще мало дает для практики. На осно­
вании ее данных можно объяснить лишь некоторые факты бактериальных и вирус­
ных мутаций, понять сущность отдельных вирусных инфекций, а также ряд наследст-
НАУКИ О ЖК?НИ 184 Схема удвоения молекулы ДНК. Спираль из двух цепей ДНК рас­
кручивается <1) и цепи разъединя­
ются <2); две дополняющие одна другую цепи ДНК (2) начинают при­
соединить к себе свободные нуклео-
тиды (3). После соединения между гобой соответствующих частей об­
разуются две новые цепи-спирали (4). При удвоении молекулы ДНК всегда «кирпичик + А соединяется с «кирпичиком* Т, а Г—с Ц. Это свойство способствует точному вос­
произведению молекул. (Буквы оз­
начают различные составные части ДНК.) венных заболеваний человека. Во всех стра­
нах мира, в том числе и в Советском Союзе, молекулярной биологии уделяется исключи­
тельно большое внимание. Размах исследо­
ваний в этой области растет с каждым днем. И это понятно. Ведь как раз здесь открыва­
ются большие перспективы не только к по­
знанию, но и к управлению важнейшими био­
логическими явлениями. Несомненно, что именно молекулярная биология разработа­
ет в будущем новые эффективные методы переделки природы организмов, а это приве­
дет к созданию новых и высокопродуктивных форм животных, растений и микробов. На этой основе становятся реальными мечты человека о направленном изменении форм организмов, когда для получения новых сор­
тов или пород потребуется не целая жизнь или десятилетия, а лишь несколько лет. Человек сможет управлять развитием расте­
ний н животных, что, конечно, будет способ­
ствовать развитию растениеводства, живот­
новодства и тех отраслей народного хозяйст­
ва, которые используют микроорганизмы для производства пищевых и лекарственных про­
дуктов. О значении молекулярной биологии для медицины уже упоминалось ранее. Многие ученые считают, что достижения в этой обла­
сти будут весьма существенны и для техники. Так, например, познание тонких механизмов мышечного сокращения и применение этого принципа в технике резко повысит коэффи­
циент полезного действия многих машин. Использование структурной основы фермен­
тов реорганизует всю химическую промыш­
ленность, так как они обладают более мощ­
ным каталитическим действием, чем неорга­
нические катализаторы, и, что особенно важно, их действие специфично. Вскрытие молекулярных механизмов человеческой па­
мяти, а также принципов биологического кодирования должно произвести переворот в автоматике. Молекулярная биология скажет свое ре­
шающее слово в разрешении таких важных проблем, как фотосинтез и биологическая фиксация атмосферного азота. Наконец, нельзя не сказать, что молеку­
лярная биология вторглась, казалось бы, в совсем отдаленную от нее область — в систе­
матику организмов. Данные молекулярной биологии в настоящее время как бы взорвали ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА 185 существующую систематику микробов, и, ве­
роятно, в ближайшие годы будет создана но­
вая систематика на основе действительно генетического принципа. Молекулярная био­
логия наверняка впоследствии поможет ре­
шить ряд спорных вопросов по систематике и высших форм. Все это вселяет надежду, что не за горами то время, когда, наконец, биологи подойдут к познанию путей и механизмов эволюцион­
ного процесса. Таков краткий перечень вероятных пер­
спектив, связанных с достижениями молеку­
лярной биологии. Несомненно, что все уси­
лия ученых окупятся сторицей. Но не только молекулярная биология помогает нам глубоко изучать живой мир. В равной мере важны исследования и на уровне клетки, и на уровне организма, и на уровне биологического вида. Однако совер­
шенно очевидно, что без молекулярной био­
логии не могут быть поняты такие основные жизненные явления, как размножение, раз­
витие, рост, наследственность и измен­
чивость. ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА Человек стремится познать мир. В этих дерзаниях человек опирается на науку и тех­
нику. Громадные радиотелескопы услыша­
ли «голос» далеких галактик, прочные бати­
скафы помогли открыть на дне океана новый мир с невиданными животными, мощные ра­
кеты вышли из сферы земного притяжения и открыли дорогу в космос... Есть в окружающей нас природе еще одна «крепость*. Это сама жизнь. Да, жизнь, жи­
вой организм, живая клетка — невидимый глазом комочек протоплазмы (пли цитоплаз­
мы) с ядром, заключенный в оболочку,— одно нз самых загадочных явлений в мире. И эта «крепость» должна сдаться, мощное оружие — ум человека срывает покровы с микроскопических миров живых клеток, проникая в самую сущность жизни. Познание человеком природы идет сейчас так стремительно и приводит к таким неожи­
данным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки старых наук. Напри­
мер, фи з и к а — одна из наиболее важных наук о природных явлениях — развилась так широко, что возникла потребность выделить новые, самостоятельные области — кванто­
вую физику, ядерную, физику твердого тела, астрономическую, радиофизику и др. Про­
цесс расширения и углубления человеческих знаний о природе привел к появлению и та­
ких разделов наук, которые изучают процес­
сы и явления, относящиеся одновременно к различным областям знания. Такой пограничной наукой, возникшей на стыке биологии, физики и химии, является б и о фи з и к а, играющая особую роль в изу­
чении свойств живой материи. Б и о фи з и к а — эт о н а у к а о физ и­
ч е с к и х и фи з и к о - х и м и ч е с к и х про­
ц е с с а х и их р е г у л и р о в а н и и в жи­
вом о р г а н и з ме. От биофизики в свою очередь отпочковы­
ваются новые науки, расширяющие горизон­
ты человеческих знаний. Так выделилась р а д и о б и о л о г и я — наука о действии раз­
личных видов радиации на живые организ­
мы; к о с м и ч е с к а я б и о л о г и я — науке, изучающая особенности жизни в космосе: ме х а н о х и ми я, исследующая взаимное превращение химической и механической энергии, происходящее в мышечных волок­
нах; совсем недавно возникла б и о ни к а, изучающая живые организмы с целью ис­
пользовать принципы их работы для созда­
ния новых, совершенных по конструкции приборов и аппаратов. Рассказ об этих научных дисциплинах, входящих в биофизику, занял бы слишком много места, поэтому мы расскажем лишь о трех главных направлениях, развиваемых сегодня в биофизике, о трех ее отделах — НАУКИ О ЖИЗНИ 186 молекулярной биофизике, клеточной и био­
физике процессов управления. Каждая наука, и биофизика в том числе, состоит из двух частей — теоретической и экспериментальной, тесно связанных друг с другом, взаимно дополняющих друг друга. Но между ними есть и различия. Теоретиче­
ская биофизика изучает первичные явления и процессы, происходящие в биологических молекулах, на модельных, как говорят уче­
ные, веществах, т. е. на выделенных из живо­
го организма или искусственно созданных системах. Вот на таких модельных системах изучают основные процессы фотосинтеза, при­
роду биопотенциалов, биолюминесценцию и другие явления. Экспериментальная же (прикладная) био­
физика изучает работу организма в целом и его отдельных органов, используя методы и подходы теоретической биофизики (биофизи­
ка движения, зрения, регулирования физио­
логических функций). Один из больших отделов биофизики, как уже было сказано, называется мо л е к у ­
л я р н о й б и о ф и з и к о й. Этот отдел изуча­
ет свойства биологических молекул, физико-
химические процессы, происходящие в чув­
ствительных клетках, их взаимосвязь с клеточными структурами. Особое внимание уделяется при этом изучению свойств фер­
ментов — белков, обладающих свойством ускорять (катализировать) биохимические реакции в живых организмах. Благодаря успехам молекулярной биофи­
зики люди узнали много нового о том, как хранится и передается информация в живых клетках, как происходит передвижение моле­
кул и ионов, как идет синтез белков, как запасается энергия в живых клетках. Моле­
кулярная биофизика помогает в изучении ф о т о с и н т е з а. Все видели зеленые листья растений. Но, наверное, не все знают, какие удивительные процессы происходят в обыкновенном листе березы или черемухи, яблони или пшеницы. Солнце посылает на Землю колоссальное ко­
личество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые листья, улавли­
вающие ее, создающие с ее помощью органи­
ческое вещество и тем самым дающие жизнь всему живому на Земле. Этот весьма важный процесс протекает в зеленых частицах, находящихся в клетках листа, — х л о р о п л а с т а х, содержащих ра­
стительные пигменты — х л о р о ф и л л и к а р о т и н о и д ы. Порции световой энергии поглощаются пигментами и производят фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а затем и протон используется для восстановления углекислого газа до уг­
леводов. (Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода; этот атом по ча­
стям отнимается у молекулы воды. Вода окисляется и присоединяется к углекислому газу, и получаются углеводы.) Остаток же воды (его называют гидроксилом) разлагает­
ся особыми ферментами, образуя кислород, которым дышит все живое. Мы рассказали очень сжато о фотосинте­
зе. На самом деле превращение световой энергии, поглощенной хлорофиллом, в хими­
ческую энергию веществ, синтезированных в зеленом листе, представляет собой бесконеч­
ную цепь молекулярных изменений. Во время этого процесса электроны переходят с одних молекул на другие, образуются и распадают­
ся молекулы соединений, обладающие боль­
шой энергией, происходят сотни тысяч ре­
акций. Над разгадкой этого процесса также много трудились биофизики, и выяснению его деталей мы обязаны молекулярной био­
физике. Можно задать вопрос: а для чего так долго и упорно бьются ученые над тайной зеленого листа? Дело в том, что зеленый лист — это как бы миниатюрный «завод», вырабатывающий вещества, составляющие основу питания человека. Подсчитано, что в качестве сырья зеленые растения потребля­
ют в год громадные количества углекислого газа — 150 000000 000 т\ Если ученые разга­
дают до конца великую тайну зеленого листа, человечество получит самый быстрый и са­
мый экономичный способ получения питания и других важных продуктов, одним словом, все то, что сегодня дают человеку зеленые растения. Молекулярная биофизика занимается также и процессами, которые протекают в животных организмах, например в их орга­
нах чувств. Одна из таких удивительных и необычай­
ных страниц молекулярной биофизики — изучение запаха. ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА 187 Химики создали около 1 млн. органиче­
ских соединений, и почти все они имеют свой характерный запах. Человек может разли­
чать несколько тысяч запахов, причем для некоторых веществ достаточно исключитель­
но малых количеств, чтобы их ощутить, — всего миллионные и миллиардные доли мил­
лиграмма на литр воды (например, таких веществ, как скатол, трпннтробутнлтолуол, достаточною7 —10 ы мг/л). Животные оказываются чувствительнее человека. Собаки, например, различают око­
ло полумиллиона различных запахов! Они способны (особенно собаки-ищейки) чувство­
вать нужный запах, даже если он ничтожно слаб. Стоит человеку только чуть-чуть при­
коснуться к предмету — и собака уже может определить, кто это сделал. Известны слу­
чаи, когда натренированные собаки-ищейки помогали геологам находить руду, лежащую под землей на глубине 2—3 м. Но, пожалуй, всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы ощущают па­
хучее вещество при его неизмеримо малом содержании—10 м жг/л. Это все равно, что растворить одну каплю вещества в 100 млрд. мъ воды! Бабочки находят друг друга по запаху на расстоянии нескольких километров. Расчеты показывают, что в та­
ком случае бабочки обнаруживают чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, прихо­
дящуюся на 1 ж3 воздуха. Как это происхо­
дит, остается пока загадкой. Некоторые уче­
ные предполагают, что пахучие вещества распространяют электромагнитные волны, энергия которых воспринимается чувстви­
тельными клетками насекомых и помогает им находить друг друга на таких больших расстояниях. Недавно внимание биофизиков привлек­
ла необычная способность некоторых видов мух. Оказывается, муха, коснувшись лапка­
ми какого-либо вещества, мгновенно произ­
водит точный химический анализ. Механизм этого явления неизвестен, но установлено, что особые чувствительные клетки на лапках определяют «вкус» вещества электромагнит­
ным путем! Молекулярная биофизика помогает выяс­
нить не только различия в чувствительности и строении органов обоняния у различных групп животных, рыб и насекомых, но и сам процесс определения запаха. Сейчас установ-
лено, что имеется несколько основных (6—7) запахов, сочетаниями которых объясняется все их многообразие. Этим основным запахам соответствуют определенные типы обонятель­
ных клеток, воспринимающих запах. В клет­
ках есть молекулярные по размерам углуб­
ления строго определенной формы и размера, соответствующие форме молекул пахучих ве­
ществ (молекула камфары имеет подобие шара, молекула мускуса— диска и т. д.). По­
падая в «свое» углубление, молекула раздра­
жает нервные окончания и создает ощущение запаха. Даже из краткого рассказа видно, что су­
ществует тесная связь между изучением кле­
ток и молекулярных процессов, происходя­
щих в них, т. е. между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает молекулярные изменения, свойства биологи­
ческих молекул, а также те системы, которые образуют молекулы в клетках (как говорят, субмолекулярные образования), их свойства и изменения, а другая исследует свойства и функционирование клеток — выделительных, сократительных, обонятельных и др. Развитию б и о фи з и к и к л е т к и, о ко­
торой мы сейчас расскажем, во многом спо­
собствовало изобретение электронного микро­
скопа. Применение электронного микроскопа с увеличением в сотни тысяч, миллионы раз намного расширило наши знания о живых организмах, населяющих планету, о их внут­
реннем строении. При исследовании клетки электронным микроскопом сразу открылся новый мир ультрамнкроскопических (самых мельчайших) клеточных структур. Электрон­
ные микроскопы позволили увидеть различ­
ной толщины мембраны, мельчайшие трубоч­
ки, в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, крохотные пузырьки, полости, ка­
нальцы. Исследования показали, что даже самые мелкие клеточные структуры — мито­
хондрии, хлоропласты — тоже имеют доволь­
но сложное строение. Стало ясно, что лю­
бая клетка, кажущаяся простым комочком протоплазмы с ядром, представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших клеточных частиц (как говорят, структурных элементов), действующих в строгом порядке и связанных между собой сложно, точно и согласованно. Особенно поразило исследователей много­
образие структурных элементов. Например, НАУКИ О ЖИЗНИ 188 в нервной клетке находится до 70 тыс, ча­
стиц — митохондрий, благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей деятельности. Кроме того, в клетке находится до сотнн тысяч самых мелких частиц — ри­
босом. создающих белковые молекулы. Самое удивительное то, что в любой ма­
ленькой клеточке живого организма проис­
ходят точные согласованные процессы: идет поглощение необходимых веществ и выделе­
ние ненужных, происходит дыхание, деление. Наряду с этим клетки выполняют специаль­
ные функции: клетки сетчатки глаза опреде­
ляют силу н качество света, клетки слизи­
стой оболочки носа определяют запах ве­
ществ, клетки различных желез выделяют особые вещества — ферменты, способствую­
щие пищеварению, и гормоны, помогающие росту п развитию организма. О всей своей большой работе — увиден­
ном, услышанном, опознанном — клетки сообщают нервными электрическими импуль­
сами в головной мозг — главный координи­
рующий центр. Как клетки получают необ­
ходимые сведения из окружающего про­
странства, как эти сведения зашифрованы в электрических сигналах-импульсах, как об­
разуются биологические потенциалы в клет­
ках, какова связь с головным мозгом — все эти и многие другие вопросы изучает био­
физика клетки. Недавно в области биофизики клетки сделано важное открытие. Давно известно, что многие живые организмы обладают спо­
собностью к свечению — л юмине с це н­
цие й. Сильно свечение многих обитате­
лей морей — рыб, губок, звезд и т. д. Но ока­
зывается, клетки любых организмов обла­
дают люминесценцией — так называемым сверхслабым свечением. Этот свет столь ни­
чтожен, что обнаружить его могут лишь осо­
бые приборы — фотоэлектронные умножите­
ли, способные в миллионы раз усиливать ладаюшин световой поток. Сверхслабое све­
чение наблюдается в корешках и листьях растений, в клетках различных органов жи­
вотных. Сверхслабое свечение присуще всем клеткам живых организмов и происходит в результате биохимических реакций, проте­
кающих в клетках. Ученые выяснили, что сверхслабое свече­
ние имеет свои особенности у различных групп животных, насекомых и растении. По интенсивности сверхслабого свечения биофи­
зики уже сейчас могут определить засухо- и морозоустойчивость сельскохозяйственных растений (ячмень, пшеница) и тем самым помочь селекционерам и физиологам расте­
нии в выведении нужных сортов. Мы уже рассказывали, что все клетки взаимосвязаны, что идущие в них реакции, несмотря на их сложность, протекают с уди­
вительной правильностью и постоянством, говорили мы и о тесной связи всех клеток с головным мозгом. Эти особенности клеток, органов и целого организма изучает возник­
ший совсем недавно отдел науки — биофи­
з и к а п р о ц е с с о в у п р а в л е н и я и ре­
г у л я ц и и. Расскажем о работе этого отдела на сле­
дующем примере. Каждый орган человека состоит из бесчисленного количества клеток, часто выполняющих специфическую работу. Например, большую роль в обонянии играет слизистая оболочка носа — так назы­
ваемый обонятельный эпителий. Слизистая оболочка занимает площадь не более 4 см2, но содержит чуть ли не 500 млн. обонятель­
ных клеток-рецепторов. Сведения о их работе передаются в обонятельный нерв по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн., и далее в мозг. Отделы мозга — полушария головного