100 великих научных достижений России читать онлайн - Виорель Ломов

100 великих научных достижений России

Виорель Михайлович Ломов

100 великих (Вече)

Давно признаны во всем мире достижения российской науки. Химия, физика, биология, геология, география, астрономия, математика, медицина, космонавтика, механика, машиностроение… – не перечислить всех отраслей знания, где первенствуют имена российских ученых.

Что такое математический анализ Л. Эйлера? Каковы заслуги Н.И. Лобачевского в геометрии? Какова теория вероятности А.Н. Колмогорова? Как создавал синтетический каучук С.В. Лебедев? Какое почвоведение разработано В.В. Докучаевым? Какую лунную трассу создал Ю.В. Кондратюк? Над какими атомными проектами работал А.П. Александров? На эти и другие вопросы отвечает очередная книга серии «100 великих».

Виорель Ломов

100 великих научных достижений России

© Ломов В.М., 2011

© ООО «Издательский дом «Вече», 2011

* * *

Внучкам Лие и Саше Огарковым

Золотая сотня

Наука необходима народу. Страна, которая ее не развивает, неизбежно превращается в колонию.

    Ф. Жолио-Кюри

В данной книге представлена «золотая сотня» выдающихся научных достижений России. Это не список Forbes или богатейших российских бизнесменов, чьими кошельками гордиться России не к лицу. Список достижений не нуждается в ежегодном обновлении, так как истинным открытиям и изобретениям дефолт или тюрьма не грозят. Как говорил Вольтер, «памятники науки существуют вечно».

Книга чем-то похожа на таблицу Менделеева – в ней каждому великому открытию или изобретению из самых разных областей науки и техники отведено свое место. Таких разделов четырнадцать. Девять из них привязаны к наукам – «Математика», «Астрономия», «Физика» и т. д.; четыре – к отраслям промышленности – «Авиация», «Космос» и др.; раздел «Техника, вооружение» говорит сам за себя. Иногда деление условно, поскольку одно и то же достижение можно отнести к разным разделам: скажем, «Свечу Яблочкова» или «Лампу накаливания Лодыгина», помещенных в «Физику», можно перенести и в раздел «Техника».

Внутри каждого раздела статьи идут в хронологическом порядке появления открытия или изобретения на свет.

Приступив к написанию этой книги, я невольно попал в положение, подмеченное английским поэтом У.Х. Оденом: «Когда я оказываюсь в обществе ученых-естественников, я чувствую себя как бедный церковный служка, который по ошибке забрел в гостиную, полную герцогов». Надо добавить – «герцогов», но отнюдь не снобов, а людей, занятых обычными для них делами – чертежами, формулами, опытами, подсчетами. Их лица изредка озаряет вспышка прозрения либо радости случайной находки. Труд и терпение – их удел.

Памятуя об этом, я старался, не вникая особо в творческую лабораторию исследователей и не вороша их «белья», по возможности (из-за формата книги) дать краткую предысторию открытия либо изобретения, изложить их суть и указать на пользу для общества и науки, в частности.

Как правило, научное достижение «привязано» к одному или нескольким ученым, краткая творческая биография которых предваряет статью. Рассматриваются достижения только тех исследователей, которые сделали свои открытия в России и для России, даже если потом судьба занесла их на чужбину, как, например, С.В. Ковалевскую или И.И. Сикорского.

Особое место в книге занимают несколько очерков о научных достижениях, полученных большими коллективами ученых из самых разных областей науки и техники: «“Ядерный щит” Курчатова», «3 АП Александрова (Три атомных проекта А.П. Александрова)», «Гвардейский реактивный миномет. РСЗО “Катюша”». Но и там я постарался увязать текст с заслугами руководителя проекта.

Главное место отдано научным достижениям прежних лет – по многим причинам.

Во-первых, большое видится на расстоянии, а современным достижениям, как и хорошим винам, еще «придет черед». Из достижений последних десятилетий взяты только те, которые безоговорочно признаны российским и мировым научным сообществом: очерки «SZEffect и другие эффекты Сюняева», «Гетероструктуры Алфёрова», «Аппарат Илизарова» и др.

Во-вторых, современное достижение слишком часто обречено быть «мельче» достижения той поры, когда наука только зарождалась и формировалась. В нем, в современном продукте, больше мелкой сложности, ненужной математики и символики, отраслевой узости и односторонности. Научные достижения сегодняшних дней очень трудно вытащить из трясины информации и назвать «научным переворотом» или «эпохальным открытием». Да и согласитесь: колесо – значительнее, нежели робот на колесах, или таблица Менделеева – чем открытие новых элементов, вписанных в нее.

И в-третьих, о заслугах современников еще как-то говорят в СМИ, а вот о подавляющем большинстве классиков уже и не вспоминают. Право, за державу обидно!

У многих российских научных достижений есть одна общая болезненная тема – патентные войны, в которые, как правило, русские ученые и изобретатели либо не вступали, либо проигрывали не из-за отсутствия боевого духа, а по причине отсутствия «торгашеской» составляющей в душе. Воровство всегда процветало в научном обществе, даже среди именитых ученых. А уж о примазавшихся предпринимателях от науки и говорить нечего. Впрочем, об этом сказано в ряде очерков.

К прискорбию наших великих ученых и к нашему общему прискорбию, сегодняшнее российское общество весьма безразлично к «завоеваниям» прошлого, как советской поры, так и дореволюционной. Мало того что забывают о достижениях страны, но еще стараются всячески принизить их, отдать приоритет в руки иностранцам, которые даже не помышляют о нем. Примеров тому, увы, очень много: см. очерки «Электромагнитный телеграф Шиллинга», «Радио Попова», «Электронное телевидение Розинга», «Сухопутный “пароход” Черепанова», «Самолет Можайского» и т. д.

«Национальной науки нет, как нет национальной таблицы умножения», – утверждал А.П. Чехов. Писатель неправ. Да, национальной таблицы умножения нет, хотя, например, в штате Индиана (США) в соответствии с законом число p (пи) равно 3,2, а не 3,1415, но вот национальная наука все же есть, и она – предмет именно национальной гордости. И когда происходит утечка мозгов, когда лучшие ученые уезжают за границу, когда хиреют и закрываются институты и научные центры – только тогда нет национальной науки, потому что ее и на самом деле нет.

Великих и значительных открытий и изобретений в различных областях науки и техники у россиян гораздо больше сотни, однако из-за формата книги я вынужден был отобрать ограниченное число, которые, как мне показалось, наиболее значительны с первого взгляда для человека ненауки.

Выражаю горячую признательность за огромную помощь писателю Виктору Еремину, моей жене Наиле, дочери Анне и редакторам издательства «Вече» Сергею Дмитриеву и Николаю Смирнову.

Математика, механика

Математический анализ Эйлера

Гениальный математик, член Петербургской, Берлинской, Парижской АН, Лондонского королевского общества, основатель русской математической школы, оказавший плодотворное влияние на развитие математического просвещения в России в XVIII в., Леонард Эйлер (1707–1783) почитается в мире как создатель 6-томного курса математического анализа – величайшего творения в истории

математики.

Весьма символично, что первый очерк о выдающихся открытиях в области естествознания и общественных наук, сделанных русскими учеными и мыслителями, которые прославили российскую науку и Россию, посвящен Леонарду Эйлеру, «идеальному математику» всех времен и народов. Швейцарец по происхождению, Эйлер (точнее – Ойлер) четверть века жил в Берлине и 30 лет – в Петербурге. Биография Эйлера сама по себе – великое научное достижение математика, в связи с чем мы уделим ей больше места, нежели авторам других открытий и изобретений.

(Кстати, мы поступим также еще пару раз, когда речь пойдет о достижениях математиков – Н.В. Лобачевского и С.И. Ковалевской.)

Первый раз математик приехал в российскую столицу в 1727 г. по приглашению недавно организованной по замыслу Петра I Петербургской АН на должность адъюнкта по физиологии.

Л. Эйлер. Художник Э. Хандманн

15 лет ученый прожил в России, самоотверженно трудясь на ниве российской науки и просвещения. За это время правление Петра II сменилось правлением Анны Иоанновны и Анны Леопольдовны, затем после переворота на трон воссела Елизавета Петровна. Непрерывные войны, чехарда государственных переворотов, придворная грызня напугали многих иностранных ученых – членов академии, и они от греха подальше покинули нашу страну. В 1741 г. уехал в Берлин и Эйлер – уже знаменитым математиком. Вернулся ученый в Петербург по просьбе Екатерины II в 1766 г., при ней и умер в 1783 г.

Еще в первый приезд ученый выучил русский язык и свободно говорил и писал по-русски. (Леонард вообще знал множество европейских и древних языков.) Здесь математик нашел благоприятные условия для научной деятельности: он был хорошо обеспечен, свободно публиковал свои труды, в 26 лет был избран академиком, общался с выдающимися учеными той поры, имел непререкаемый почет и уважение. В 1770-х гг. вокруг Эйлера сформировалась Петербургская математическая школа, большей частью состоявшая из русских ученых.

Находясь в Берлине, Эйлер не терял связи с Петербургской АН. Был ее почетным членом, закупал для нее книги, физические и астрономические приборы, подбирал штатных сотрудников, редактировал математический отдел академических записок, вел переписку (в частности, с М.В. Ломоносовым), приютил в своем берлинском доме студентов из России – будущих академиков М. Софронова, С. Котельникова и С. Румовского. «Вместе с Петром I и Ломоносовым Эйлер стал добрым гением нашей Академии, определившим ее славу, ее крепость, ее продуктивность» (С.И. Вавилов). Российской академией еще целый век после смерти ученого руководили его потомки и ученики, среди которых были сын, зять сына и правнук Эйлера.

Людей, посвятивших свой век одной из самых созидательных страстей – науке, в мире немного. Речь идет не об ученых, даже великих, а о тех уникумах, которые положили свою жизнь на алтарь науки. Но даже среди них Эйлер единственный, кто самую плодотворную часть своей жизни (последние 16 лет) творил в полной слепоте, полагаясь только на силу ума, свою феноменальную память и редчайшую математическую интуицию. При этом надо отметить удивительную зоркость Эйлера и чутье в развитии научного стиля – он будто «подсмотрел» свои труды в грядущих веках и излагал их сегодняшним языком.

Дело в том, что от чуть ли не круглосуточных бдений ученый потерял в 1738 г. зрение в правом глазу, а к 1767 г. из-за катаракты ослеп полностью. (Только это обстоятельство помешало ему стать президентом Петербургской АН.) Однако это нисколько не смутило математика. Более того, «что ж, зато теперь меня уж точно ничто не сможет отвлекать от работы!» – заявил Эйлер и создал в «темный» период своей жизни половину своих трудов! (Всего за ученым числится 865 статей и мемуаров, а также 3000 писем «Научной переписки».) Слуги читали ему литературу, делали записи под диктовку, которые потом корректировали его ученики.

Помимо математики (практически всех ее областей) Эйлер занимался еще астрономией, гидродинамикой, теорией объективов, экспертизой технических проектов – например, одноарочного моста через Неву, предложенного И.П. Кулибиным… Ученый занимался даже воздухоплаванием – незадолго до кончины он рассчитывал полет аэростата. Эйлер вообще «переводил» на математический язык все, что окружало его, – баллистику, музыку, затмение Солнца, страховое дело, лотереи, приливы и отливы морей, остойчивость и маневрирование корабля, прочность строительных конструкций, теорию турбин, длину астрономических труб… И в любой области теоретического и прикладного знания ученый достигал выдающихся результатов, совершил множество открытий. Без натяжки можно утверждать, что само слово «открытие» лучше всего сочетается с именем Эйлера.

Его работоспособность была потрясающа. В 1735 г. академии надо было срочно осуществить трудоемкие расчеты траектории кометы. Группа ученых готова была сделать это за 3 месяца. Тогда Эйлер взялся за расчеты и провел их – за 3 дня!

О феноменальных способностях математика сохранилось много воспоминаний. Так два студента, выполняя астрономические вычисления, получили различающиеся результаты в 50-м знаке и обратились к профессору за помощью. Тот в уме вычислил и выдал им верный результат.

Но перейдем к математике, которой ученый посвятил 315 своих сочинений, и к главному открытию Эйлера.

Современная Математическая энциклопедия указывает двадцать математических объектов (уравнений, формул, методов), которые носят имя Эйлера. При этом надо учесть, что большая часть теорем и методов Эйлера идут ныне под другими именами.

Дело в том, что в математике (а заодно в механике, физике, астрономии, биологии и т. д.) Эйлер не просто развивал уже существовавшие области, а открывал новые. У него на это дело была легкая рука. Математик подарил человечеству общую теорию чисел, теорию графов (топологию), теорию функций комплексного переменного, теорию кораблестроения и кораблевождения, теорию специальных функций, теорию движения твердого тела, сопротивление материалов…

Что же касается главного открытия ученого – математического анализа, которое главным назвать можно лишь условно, как один из хребтов горной цепи, им Эйлер занимался практически всю свою жизнь. Вообще большинство работ ученого посвящено анализу. Математик пропустил через себя целые его отделы, существенно упростив их и дополнив. Бесконечно малые, интегрирование функций, теории рядов, дифференциальные уравнения…

«Следов» в матанализе Эйлер оставил столько, что их еще век «открывали» и печатали в самых элитарных научных сборниках. В современном анализе Эйлер вообще поминается чаще других математиков. Непогрешимый авторитет ученого зацементировал многие данные им обозначения (например, числа е и p), а тригонометрию и вовсе как науку сохранил в ее первозданном – созданном им в виде. В учебных заведениях этот раздел математики, изучающий тригонометрические функции и их применение к решению задач, преподают так, как ученый изложил его 250 лет назад. Кстати, как и логарифмы.

Согласно определению математический анализ – это совокупность разделов математики, посвященных исследованию функций и их обобщений методами дифференциального и интегрального исчислений. В него

также входят еще ряд других математических дисциплин.

Этот самый фундаментальный труд в истории математики состоит из шести томов.

Двухтомник «Введение в анализ бесконечных» был издан в 1748 г. в Лозанне. Этот первый учебник по аналитической геометрии написан до того увлекательно и доступно, что и по сию пору не нашлось смельчака изложить его по-своему. В 1755 г. в Берлине вышло продолжение – «Дифференциальное исчисление», а в 1768–1770 гг. в Санкт-Петербурге – «Интегральное исчисление» и «Полное введение в алгебру», посвященное теории алгебраических уравнений. В 1774 г. увидел свет последний, шестой том – «Метод нахождения кривых линий, обладающих свойствами максимума или минимума», в котором Эйлер впервые изложил вариационное исчисление.

По этим книгам учились все европейские математики до середины XIX в. В 1849 г. К.Ф. Гаусс писал, что «изучение всех работ Эйлера останется навсегда лучшей, ничем не заменимой школой в различных областях математики». Слова «короля математиков» не потеряли своей актуальности и сегодня.

А мы никогда не забудем, что у Эйлера помимо его математического анализа есть еще два главных открытия: он открыл России науку в высшем ее понимании, а саму Россию открыл не только миру науки, но и всему миру.

Геометрия Вселенной Лобачевского

Один из крупнейших математиков всех времен, прозванный в мире «Коперником геометрии», ректор Казанского университета, Николай Иванович Лобачевский (1792–1856) является творцом неэвклидовой геометрии (геометрии Лобачевского), совершившей переворот в представлении о природе пространства. Не понятое и не принятое современниками ученого, а позднее названное «геометрией Вселенной», это открытие оказало огромное влияние на развитие математического мышления и стало одним из оснований современной математики и теоретической физики, в частности специальной (частной) и общей теории относительности.

Над входом в Академию Платона было написано: «Да не войдёт сюда не знающий геометрии». Эта надпись понятна каждому образованному человеку, для которого главной наукой является философия, а ее преддверием служат математические науки: арифметика, музыка, геометрия, астрономия. Не погрешив против истины, скажем, что в начале всех наук была именно геометрия, родившаяся буквально на земле – для ее измерения. Первый учебник т. н. эвклидовой геометрии – «Начала» (285 г. до н. э.) – создал древнегреческий математик Эвклид.

За долгую историю эвклидова геометрия обогатилась новыми разделами: проективной геометрией, аффинной и т. д., но неизменными остались ее основные аксиомы (их пять). Как известно, аксиомы служат отправными точками доказательств, а сами не доказываются. Но только не математиками. Сотни ученых почитали за честь доказать V аксиому о параллельных: «Через точку, не лежащую на данной прямой, проходит только одна прямая, лежащая с данной прямой в одной плоскости и не пересекающая ее». Они считали ее недостаточно очевидной и полагали, что это – теорема, которая обязательно доказывается. Среди пытавшихся осуществить это было много выдающихся математиков – Птолемей, Хайям, Лежандр, Ламберт и др.

Н.И. Лобачевский в работе «О началах геометрии» (1829) впервые предложил свою – неэвклидову – геометрию, основанную на допущении аксиомы, противоположной V аксиоме Эвклида. (Через ту самую точку – предположил ученый – можно провести не одну, а сколько угодно прямых.) Не вдаваясь в подробности, скажем только, что она заключает в себе эвклидову как частный (предельный) случай. Автор назвал свою геометрию «воображаемой», а ученый мир – «геометрией Лобачевского».

Н.И. Лобачевский. Художник Л.Д. Крюков

За несколько лет до Лобачевского готов был заявить о неэвклидовой геометрии и знаменитый немецкий ученый, «король математиков» К.Ф. Гаусс. Однако в начале XIX в. эвклидова геометрия обладала таким несокрушимым авторитетом, что Гаусс счел невозможным выступить против мнения научного света. Ведь отрицать одну из основных аксиом эвклидовой геометрии (а пришлось сделать именно это) значило отрицать и саму геометрию. Это было бы безумием.

Когда же Гаусс спустя несколько лет познакомился с работами русского ученого, он, не высказав публично своего отношения к ним, в своих дневниках и письмах восторгался «мастерским сочинением» Лобачевского, приносящим «совершенно исключительное наслаждение».

Судьба распорядилась так, что революцию в математике произвел Лобачевский. В 1826 г. ученый представил свою «воображаемую» геометрию на заседании отделения физико-математических наук Казанского университета. Коллеги познакомились с сочинением «Сжатое изложение основ геометрии со строгим доказательством теоремы о параллельных» и только пожали плечами. Они не приняли новой теории, так как ничего не поняли в ней.

От Санкт-Петербургской АН также пришел отрицательный отзыв маститого математика М.В. Остроградского. Тем более ничего не поняли в неэвклидовой геометрии борзописцы от московской журналистики, вволю поиздевавшиеся над чудаком провинциалом и его «воображаемой» наукой.

Однако Лобачевский не пал духом и продолжил разработки своей геометрии. Его никто не поддержал в этом занятии, не одобрил, не понял. Раз только, в 1842 г., профессор механики Казанского университета П.И. Котельников прозорливо отметил, что «изумительный труд Лобачевского… рано или поздно найдет своих ценителей». Это было единственное прижизненное официальное признание неэвклидовой геометрии Лобачевского в России.

За рубежом математику повезло больше. В конце 1830-х гг. в одном из французских научных журналов была опубликована «Воображаемая геометрия», а в Берлине – «Геометрические исследования по теории параллельных линий». Именно эта брошюра привела Гаусса в восторг. Чтобы познакомиться с другими сочинениями Лобачевского, немецкий ученый даже выучил русский язык. В 1842 г. по представлению Гаусса Лобачевский был избран членом-корреспондентом Геттингенского научного общества.

Надо сказать, что неэвклидова геометрия была не единственным детищем русского математика. Ряд блестящих работ Лобачевский опубликовал по алгебре, математическому анализу, механике, физике и астрономии. Именно они и составили прижизненную славу выдающегося математика.

Жизнь Лобачевского была обычной жизнью провинциала и шла «параллельно» жизни столиц. Был женат, с некоторой выгодой, но не очень счастливо. Вырастил семерых детей (еще несколько умерли). Большую часть времени отдавал работе. По утрам обливался холодной водой, любил покурить, после рюмочки хереса посидеть за преферансом, съездить на охоту… Но это – дома, на досуге, а вне дома Николай Иванович отдавал себя целиком науке и университету.

Будущий ученый родился в Нижнем Новгороде 20 ноября (1 декабря) 1792 г., а всю жизнь провел в Казани.

Казанский императорский университет Николай окончил в 1811 г. За 10 лет он поднялся от магистра до ординарного профессора и декана физико-математического факультета. Лобачевский был всеяден: занимался наукой, снабженческой и просветительской деятельностью, преподавал математику, механику, физику, астрономию, геодезию; собирал и возглавлял университетскую библиотеку, заведовал

обсерваторией.

Но, конечно же, самый весомый вклад ученый внес в университет, который он, шесть раз избираемый на пост ректора, возглавлял 19 лет, добившись за это время подлинного расцвета учебного заведения. Казанский университет в середине XIX в. успешно конкурировал со столичными университетами как по научным изысканиям, так и в подготовке студентов.

Ректор проделал гигантскую работу по строительству и развитию университета: были возведены главный учебный корпус, Божий храм, библиотека, астрономическая обсерватория, физический кабинет, химическая лаборатория, анатомический театр, клиника, мастерские; создана единая система преподавания; открыты «Ученые записки Казанского университета»; развивалась издательская деятельность; началось изучение университетскими учеными Востока… Во время эпидемии холеры и грандиозного пожара Казани он спас университет от бедствий.

Много занимался ученый и просветительской деятельностью: первым в России он опубликовал курс высшей алгебры, курировал преподавание в гимназиях и училищах округа, писал для них учебники, читал лекции для населения…

Николай Иванович ко всему относился с любовью – к науке, к преподаванию, к учащимся, и они отвечали ему тем же. Ректор жалел строптивых студентов (он и сам был в юности такой) и строго взыскивал с нерадивых строителей. А еще – «искоренил в учебном заведении воровство, взяточничество и дутые отчеты об успехах».

В 1830-х гг. за заслуги перед государем Лобачевский получил звание действительного статского советника, ордена Святого Владимира, Святого Святослава и Святой. Анны, был занесен в дворянскую родословную книгу Казанской губернии. Николай I наградил ученого бриллиантовым перстнем.

Когда в 1846 г. исполнилось 30 лет службы Лобачевского в университете и по уставу «занимаемая им кафедра должна была с этого времени считаться свободной», университетская общественность ходатайствовала об оставлении ученого заведующим кафедрой. Несмотря на это, Лобачевского отстранили от работы на кафедре и уволили с поста ректора, предложив взамен должность помощника попечителя Казанского учебного округа с курированием только училищ и гимназий (без денежного довольствия). Предполагают, что систематические попытки ученого отстоять свою точку зрения в пропаганде своей «воображаемой» теории министерские мужи отнесли к умопомешательству.

Лобачевский тяжело переживал отставку. Не ладились у него семейные и житейские дела. От чахотки умер старший сын. В конце жизни не на что стало жить. Лишь за 12 дней до кончины он получил давно испрашиваемое им у министра единовременное пособие на поправку здоровья – 1500 рублей.

За год до смерти Николай Иванович подарил университету свою «Пангеометрию», надиктованную ученикам – к тому времени ученый ослеп. В этой последней работе были и те труды Лобачевского, которые коллеги либо не понимали, либо не хотели понять. Больше ничто не удерживало гения на этой земле.

Умер Н.И. Лобачевский в Казани 12 (24) февраля 1856 г. Ушел непризнанным. «И человек родился, чтобы умереть», – были его последние слова.

15 лет вспоминали Лобачевского как прекрасного ректора и педагога, а затем случилось чудо. После смерти Гаусса были опубликованы дневники и письма немецкого математика, из которых все узнали об открытии русского ученого и об оценке его трудов «королем математиков». Математический мир буквально сошел с ума. Еще бы – открытий такого порядка не было два тысячелетия! Тогда-то английский ученый В. Клиффорд и назвал Лобачевского «Коперником геометрии».

Потребовалось еще полвека для того, чтобы идеи Лобачевского вошли в математическую науку и определили весь стиль математического мышления современной эпохи.

Ученые не раз отмечали, что Лобачевский своею геометрией совершил прорыв в методологии математики, указал принципиальную «возможность построения многих непротиворечивых геометрий, которые истинны с математической точки зрения». Добавим – не только геометрий, но и действительных миров. Тем самым ученый еще прочнее объединил в союз не только физику и математику, но и математику и философию.

Неэвклидову геометрию Лобачевского дополнил великий немецкий математик Г.Ф.Б. Риман. Многие ученые Казанского университета были в первых рядах популяризаторов неэвклидовой геометрии.

Большую роль в признании трудов Лобачевского сыграли исследования Э. Бельтрами (1868), Ф. Клейна (1871), А. Пуанкаре (1883) и др. А. Эйнштейн о Лобачевском не без зависти сказал: «Он бросил вызов аксиоме».

Геометрия Лобачевского нашла применение в теории функций комплексного переменного, в теории чисел, в специальной (частной) и общей теории относительности. Ныне формулы геометрии Лобачевского применяются в расчетах для ускорителей элементарных частиц. Всего и не перечесть. Ведь идеи Лобачевского весомо повлияли даже на развитие русского авангарда – творчество В. Хлебникова, К. Малевича и др.

Теория механизмов Чебышёва

Математик, механик, педагог; доктор математики и астрономии; основатель и глава Петербургской математической школы, породившей, в свою очередь, русские математические школы – в теории вероятностей, теории чисел, теории приближения функций, теории механизмов; профессор Петербургского университета, академик Петербургской АН, почетный член всех российских университетов, член 25 академий и научных обществ мира; член Ученого комитета Министерства просвещения, рецензент учебников, составитель программы и инструкций для начальных и средних школ; кавалер Командорского креста Почетного легиона, лауреат Демидовской премии Петербургской АН; действительный тайный советник, Пафнутий Львович Чебышёв (1821–1894) является автором классических работ в механике, геометрии, баллистике, теории механизмов. Бесценен вклад ученого в интегральное исчисление, теорию вероятностей, теорию чисел. Чебышёв – основоположник теории приближения функций.

Пафнутия Львовича Чебышёва виднейшие ученые мира называли «гордостью науки в России, одним из величайших геометров всех времен», «гениальным математиком и одним из величайших аналистов всех времен» (Ш. Эрмит, М.Г. Миттаг-Леффлер). Прямо говорили, что «для получения новых результатов в вопросе распределения простых чисел требуется ум настолько превосходящий ум Чебышёва, насколько ум Чебышёва превосходит ум обыкновенного человека» (Д.Д. Сильвестр). Русские ученые в один голос заявляли, что Чебышёв является «украшением нашей Академии», а все его труды «носят отпечаток гениальности».

П.Л. Чебышёв. Неизвестный художник

Что характерно, среди панегиристов были и чистые математики-аналисты, и математики-прикладники, и геометры, и техники. Практически во всех областях механики и математики Чебышёв получил фундаментальные результаты, выдвинул столько новых идей и методов и так далеко определил развитие этих ветвей науки, что они и по сей день сохранили свое значение.

Три главных направления научной деятельности Чебышёва: теория чисел, теория вероятностей и теория механизмов – равновелики – и сами по себе, и своим влиянием на развитие науки «в мировом масштабе». В каждом из них математик «изобрел новые методы для решения трудных вопросов, которые

были поставлены давно и оставались нерешенными. Вместе с тем он поставил ряд новых вопросов, над разработкой которых трудился до конца своих дней» (академики А.А. Марков, И.Я. Сонин).

Выберем посему область, что поближе к нашей повседневной практике, – теорию механизмов, но не забудем указать и самые значительные труды ученого из других сфер науки. Это – докторская диссертация Пафнутия Львовича «Теория сравнений» (1849), полвека служившая учебником для высшей школы; две статьи «Об определении числа простых чисел, не превосходящих данной величины» и «О простых числах» (1850), ставшие началом его теории чисел; работа «О средних величинах» (1867), легшая в основу теории вероятностей; трактаты «О функциях, наименее уклоняющихся от нуля» (1857), «Теория наилучшего приближения функции многочленами», явившиеся основанием теории приближений.

Сорок лет Чебышёв сотрудничал с военным артиллерийским ведомством, для которого выполнил ряд блестящих работ по усовершенствованию дальнобойности и точности артиллерийской стрельбы.

В исследовании «О черчении географических карт» (1856) Чебышёв поставил базовую задачу картографии (и начал решать ее) – найти картографическую проекцию любой страны, сохраняющую подобие в ее отдельных частях, с минимальным искажением масштаба. (Для Европейской России погрешность задавалась менее 2 % при реально достижимой тогда более 5 %.) Эта задача была решена позднее учеником Чебышёва профессором Д.А. Граве.

Всех исследований, статей и сообщений Чебышёва, в которых он самыми элементарными (с точки зрения царицы наук) средствами получил великолепные научные результаты, не перечислишь, так как, по подсчетам библиографов, этот список занимает несколько журнальных страниц. Одних только названий классических математических соотношений, связанных с именем математика, не один десяток: многочлены Чебышёва, неравенства, множество, система функций, фильтр, механизм, функции ? и ?, сеть, формула, полиномы и т. д.

Нельзя не упомянуть и о предложении Чебышёва Петербургской АН – избрать членом-корреспондентом С.В. Ковалевскую, а также о его учениках – А.М. Ляпунове, А.А. Маркове, В.А. Стеклове, Д.А. Граве, Г.Ф. Вороном, А.Н. Коркине, Е.И. Золотареве. Будущие академики и главы других математических школ завершили проработки и идеи учителя – по теории фигур равновесия вращающейся жидкости, по теории цепей и т. д.

Пафнутий Львович любые теоретические проблемы математики старался увязать с практической деятельностью людей. Не раз подчеркивая, что в любом деле надо по возможности добиваться как можно большей выгоды, Чебышёв свои математические открытия совершил при решении прикладных задач. Более того, теории механизмов и машин ученый отдал едва ли не треть своей жизни. Глубокие теоретические изыскания в этой области математик успешно сочетал с конструированием конкретных механизмов. Ряд теоретических работ Чебышёва: «Об одном механизме», «О зубчатых колесах», «О центробежном уравнителе», «О кройке платьев» и т. п. – были воплощены в конкретные машины и устройства. Помимо этих сугубо практических вопросов Чебышёв вывел несколько сложнейших соотношений: структурную формулу плоских механизмов – т. н. формулу Грюблера (немецкий ученый, «открывший» ее на 14 лет позднее Чебышёва), теорему о существовании трехшарнирных четырехзвенников, описывающих одну и ту же шатунную кривую, нашедшую широкое применение на практике, и т. д.

Многочисленные работы Чебышёв посвятил синтезу шарнирных механизмов, в частности параллелограмму Уатта, изучение которого натолкнуло математика на постановку задачи о наилучшем приближении функций. Решив эту задачу, Чебышёв создал механизмы, в которых криволинейное движение свел к недостижимому ранее – прямолинейному (в некотором приближении), что вывело конструирование шарниров на принципиально новый уровень, а сами шарниры сделало значительно долговечнее. Ученый построил также немало механизмов, одним своим названием говорящих об их неординарности: парадоксальный механизм, механизмы с остановками, «выпрямители движения» и т. д. Всего ученый создал 41 оригинальный механизм и 40 их модификаций. Многие из них применяются ныне в современном автоматои приборостроении.

На Международной промышленной выставке в Чикаго (1893) Чебышёв представил свои конструкторские разработки, произведшие на посетителей неизгладимое впечатление: «стопоходящую» машину, воспроизводящую шаги четвероногого животного, самоходное кресло, лодку с гребным механизмом, сортировку для зерна, центробежный регулятор, быструю счетную машину (арифмометр), выполнявшую четыре арифметических действия. Поговаривали даже, что академик изобрел «перпетуум мобиле» и ходящего деревянного «человека» (прообраз Буратино?)…

Все эти «чудеса» были созданы Чебышёвым не ради эффекта, а для очень конкретных и жизненно необходимых вещей. Так, например, сортировалка была сконструирована для сортировки зерна с целью отобрать лучшие – более тяжелые зерна; стопоходящая машина стала первым в мире шагающим автоматом с шарнирным механизмом, переводящим движение по окружности в прямолинейное движение (прототип советского лунохода); «велосипед» продемонстрировал идею ножного привода; наконец, арифмометр явился первой вычислительной машиной непрерывного действия…

Закончить очерк хочется теми же словами, которыми и начал его, – России есть кем и есть чем гордиться, пока в ней есть такие люди, как П.Л. Чебышёв, и созданная им русская школа математики.

Женское лицо математики

Математик, писательница, публицист, активный проповедник просвещения и равноправия женщин, доктор философии Геттингенского и ординарный профессор Стокгольмского университета, первая в мире женщина – профессор математики и первая женщина – член-корреспондент Петербургской АН на физико-математическом отделении, Софья Васильевна Ковалевская, урожденная Корвин-Круковская (1850–1891), прославилась своими работами по астрономии, функциональному анализу, теории потенциала, математической физике. Самой знаменитой работой математика стала «Задача о вращении твердого тела около неподвижной точки» (1888), нашедшая в дальнейшем широкое применение.

Ученый совет Парижской АН трудно чем-то удивить. Но однажды он был сражен, когда, присудив свою самую престижную награду в области математики – премию Бордена за работу «Задача о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки» (гироскопа), вскрыл конверт и обнаружил на записке с фамилией автора имя русской женщины – Софьи Васильевны Ковалевской. Конверт украшал девиз из рыцарских времен: «Говори, что знаешь, делай, что должен, будь, чему быть!» Едва оправившись от изумления, Парижская академия тут же увеличила размер премии с 3000 до 5000 франков, сопроводив вручение панегириком: «Между венками, которые мы даем сегодня, один из прекраснейших и труднейших для достижения возлагается на чело женщины, труд которой является не только свидетельством глубокого и широкого знания, но и признаком ума великой изобретательности». Премию увеличили, так как лауреат не просто «усовершенствовал задачу о вращении в каком-нибудь существенном пункте», как того требовала академия, а дал полное ее

решение.

Это случилось в 1888 г., и с тех пор Ковалевская числится в обойме самых именитых математиков человечества. Исследование, которое блестяще провела Софья Васильевна, по-другому называют задачей о вращении тяжелого несимметричного волчка – одной из сложнейших в аналитической механике. Надо отметить, что удивление «бессмертных» имело все же больше гендерный характер, нежели профессиональный. Ведь к тому времени Ковалевская была уже достаточно известна в мире математики. Так, еще в 1874 г. (в 24-летнем возрасте) за исследование «К теории дифференциальных уравнений в частных производных» (теорема Коши – Ковалевской, вошедшая во все курсы анализа) она была удостоена Геттингенским университетом степени доктора философии по математике и магистра изящных искусств.

«Наивысшую похвалу» этот труд заслужил за разрешение одной из сложнейших проблем в сфере чистой математики и за «приземление» ее для потребностей механики, физики и астрономии.

С.В. Ковалевская

Ряд других работ Ковалевской принадлежал также к труднейшим областям математики. В частности, Софья Васильевна доказала яйцевидную (а не эллиптическую – по Лапласу) форму колец Сатурна, «приведя ультраэллиптический интеграл, содержащий полином восьмой степени, к эллиптическому интегралу первого рода». Теоретический вывод Ковалевской в конце XIX в. был эмпирически подтвержден А.А. Белопольским, Д. Килером и А. Деландром. Этому красивейшему «космическому» доказательству поэты посвящали свои стихи. Ф. Леффлер, например, написал в память о Софье Васильевне проникновенные строки:

Прощай! Со славою твоей

Ты, навсегда расставшись с нами,

Жить будешь в памяти людей

С другими славными умами,

Покуда чудный звездный свет

С небес на землю будет литься,

И в сонме блещущих планет

Кольцо Сатурна не затмится…

Одной из малых планет между Марсом и Юпитером Международным астрономическим союзом присвоено имя Софьи Ковалевской как внесшей выдающийся вклад в развитие мировой цивилизации.

Ковалевская обладала разносторонними талантами и прославилась еще и как мастер высококачественной прозы (роман «Нигилистка», драма «Борьба за счастье», семейная хроника «Воспоминания детства» и др.). И хотя в этих произведениях душевных переживаний и нежности было куда больше, чем в математике, они отстояли не так уж и далеко от сугубо математических проблем, поскольку требовали такой же точности оценок, выражений и формулировок.

Но предпочтение Софья Васильевна все же отдавала математике, хотя однажды и забросила ее на целых 6 лет. Ковалевской не давали удовлетворения ее ученые труды. Душевная тоска и разбитые надежды на счастье были ее долгими спутниками. «Моя слава лишила меня обыкновенного женского счастья, – писала она. – Почему меня никто не может полюбить? Я могла бы больше дать любимому человеку, чем многие женщины, почему же любят самых незначительных и только меня никто не любит?» У Ковалевской были резоны сетовать на судьбу, так как личная жизнь хоть и была насыщена разными переживаниями, была все же несчастлива. Муж ее, профессор Владимир Онуфриевич Ковалевский, покончил с собою от душевного расстройства после того, как разорился. По иронии судьбы второй ее избранник оказался тоже профессором и тоже Ковалевским (однофамильцем), Максимом Максимовичем, соединить с которым свою жизнь Софьи была не судьба – от воспаления легких она умерла в 41 год. Весь мир переживал ее уход. За несколько лет до смерти Ковалевская напророчила себе, что 1891 г. будет для нее годом просветления, а за месяц до кончины была почти уверена в нем.

Ковалевская всегда стремилась к чему-нибудь трудному, во всем «дойти до сути», постоянно ставила себе сложные задачи в науке и в жизни и, решив их, тут же спешила заняться новыми. Жизнь ее сложилась драматично – увы, женщины не могут без драм. «Она никак не могла освоиться в Стокгольме, как и вообще нигде на белом свете, но нуждалась всегда в новых впечатлениях для своей умственной деятельности, постоянно требовала от жизни драматических событий».

Но осушим слезы и вернемся к черствой (хотя и такой пленительной) науке.

К тому времени, когда мир узнал ее работу о вращении волчка, Софья Васильевна состояла членом Московского математического общества и возглавляла кафедру математики в Стокгольмском университете, где печатала свои труды и читала блестящие лекции на немецком и шведском языках, за которые студенты устраивали ей овации и подносили букеты цветов. Она являлась также членом редколлегии шведского журнала «Acta mathematica», в котором напечатала одну из своих известнейших работ об Абелевских функциях.

Что же касается главного труда Ковалевской о волчке, этой проблемой занимались до нее знаменитые математики – Л. Эйлер, Ж.Л. Лагранж и др. Предшественники решили две из трех задач уравнений движения твердого тела около неподвижной точки. Ну а Ковалевской пришлось решить самую сложную и одновременно доказать, что тем самым «исчерпываются средства современного анализа».

Ковалевская подошла к этой задаче с позиций теории аналитических функций, которою она хорошо владела, и ей удалось разобрать до конца новый, открытый ею случай вращения твердого тела. Чтобы не усложнять рассказ, скажем лишь: помогла математику найти красивое решение (хотя и очень сложное по форме) теория гиперэллиптических функций. Ковалевская указала верное направление в решении этой задачи, после чего другие математики и механики (С.А. Чаплыгин, Н.Е. Жуковский, Т. Леви-Чивита) начали заниматься ею с различных точек зрения, а А.М. Ляпунов в 1894 г. придал ее результатам весьма общую форму. Н.Б. Делоне для пущей наглядности даже сконструировал прибор, воспроизводящий волчок (гироскоп) Ковалевской «^». Отец русской авиации Н.Е. Жуковский восхищался легкостью и простотой ее анализа. Он дал геометрическое истолкование решения этой задачи.

Ковалевская продолжила заниматься этой темой, и в 1889 г. за два сочинения, состоящие в связи с той же работой, получила премию короля Оскара II от Стокгольмской АН.

Российская АН, не пожелав отставать от Парижской, избрала Ковалевскую в 1889 г. своим членом-корреспондентом на физико-математическом отделении, хотя до этого всячески тормозила ее принятие, ссылаясь на отсутствие прецедента. Не иначе господа академики женщину в академии путали с женщиной на корабле.

Однако когда Софья Васильевна пожелала как член-корреспондент присутствовать на заседании академии, ей ответили, что пребывание женщин на таких заседаниях «не в обычаях академии». Более того, даже работы для нее в Петербурге не нашлось. Максимум, на что она могла рассчитывать, – стать учительницей арифметики. Стоит ли удивляться после этого, что Ковалевская отдала много сил борьбе за женскую эмансипацию!

Последними словами этой прекрасной женщины были: «Слишком много счастья».

Теория устойчивости Ляпунова

Математик, механик; профессор Харьковского, Казанского, Петербургского, Новороссийского университетов; академик Петербургской АН; иностранный член Академии dei Lincei в Риме, член-корреспондент Парижской АН, иностранный член математического кружка в Палермо, почетный член Харьковского математического общества, непременный

член Общества любителей естествознания в Москве и других научных обществ, Александр Михайлович Ляпунов (1857–1918) знаменит своими классическими трудами в математической физике (теория потенциала, задача Дирихле), теории вероятностей (метод характеристических функций, доказательство центральной предельной теоремы), гидродинамике. Классикой механики стала монография ученого «О фигурах равновесия однородной вращающейся жидкости, мало отличающихся от эллипсоидальных», изданная в 1906–1914 гг. на французском языке. Ляпунов создал современную науку об устойчивости и равновесии движущихся механических систем, определяемых конечным числом параметров.

Говоря о трудах гениальных математиков, надо всегда иметь в виду, что их научные достижения проявляются в двух сферах: математической и практической. Так и хочется сказать: в двух небесных сферах. Впрочем, эта мысль не просто цветистость речи. Что касается главного научного достижения Ляпунова – теории устойчивости, одной из важнейших проблем математической физики и механики, – без нее и впрямь в небесной механике и космологии не решить проблемы устойчивости движения. Так, в середине XX в. именно методы Ляпунова позволили полностью разрешить проблему устойчивости движения искусственных спутников Земли, в частности устойчивости движения в центральном поле тяготения и устойчивости вращательных движений спутника вокруг его центра инерции.

С точки зрения ученых, теория устойчивости Ляпунова – перл не только математики, а науки вообще. Именно таким, утверждают они, прозрачный и ясный, при всей его сложности, непогрешимой и завершенный (ее до сих пор читают в университетах и применяют в расчетах в том виде, в каком изложил автор), должен быть истинный классический научный труд. Вот уже 120 лет эта теория является основным сочинением по теории устойчивости.

Не станем углубляться в математические формулы и сложнейшие доказательства Ляпунова, поскольку они доступны весьма узкому кругу избранных. По признанию самих математиков, проблема устойчивости движения принадлежит к категории труднейших задач естествознания. Во всяком случае, докторская диссертация Александра Михайловича «Общая задача об устойчивости движения» (1892) оказалась крепким орешком даже для таких выдающихся математиков, как профессор Н.Е. Жуковский и профессор Б.К. Млодзеевский, выступивших оппонентами.

А.М. Ляпунов

При создании теории автор исходил из трех главных предпосылок: отклонения параметров движения принимались бесконечно малыми, возмущенное движение рассматривалось при отсутствии возмущающих сил и на бесконечно большом интервале времени. Что же получил математик в итоге?

Если коротко, Ляпунов представил результаты интегрирования некоторых систем линейных и нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, привел доказательства существования асимптотических и периодических решений, а также доказал «теорему о неустойчивости движения в случае, когда силовая функция сил, действующих на систему, не есть максимум, икогда это обнаруживается ее квадратичной формой в разложении вблизи положения равновесия». К слову сказать, эту теорему, как и вообще проблему устойчивости движения, тщетно пытались доказать лучшие математики мира, от Ж. Лагранжа до А. Пуанкаре, и когда ее в 1897 г. опубликовали в «Journal des mathematiques», А.М. Ляпунов стал «первоклассным геометром» и знаменитостью в научном мире.

Помимо математики и механики, теория Ляпунова используется еще и в химии, термодинамике, синергетике и многих других науках. На ней базируется вся современная техника: тяжелое, общее, а в недавнем прошлом – и среднее машиностроение, судо-, авиа-, автомобилестроение, архитектура, строительство сооружений и т. д.

Сегодня немыслимо что-либо конструировать, не определяя зависимость режима работы изделия от величины допусков на его изготовление и от воздействия незначительных возмущающих сил при эксплуатации, поскольку именно они влияют в первую очередь на динамические характеристики современных двигателей, на верность траектории космических аппаратов, на безопасность транспорта, на точность попадания снарядов и ракет.

Устойчивость самолета, то есть его способность автоматически, без вмешательства летчика, возвращаться в исходное, начальное положение во время полета, если какая-либо внешняя причина вывела его из этого положения, является одним из главных технических требований при конструировании летательного аппарата. Задача о динамической устойчивости полета самолета решается как частный случай общей задачи механики об устойчивости движения по Ляпунову.

При строительстве зданий теория устойчивости позволяет получать множество расчетных моделей в связи с появлением новых материалов, усложнением воздействий сейсмических, циклических, динамических и других нагрузок.

Теория равновесия Ляпунова положена в основу автоматического управления всеми производственными процессами и телеуправляемыми системами.

Казалось бы, зачем к строительным и инженерным работам притягивать такую непростую науку, оперирующую абстрактными символами и дающую подчас ненужную на практике точность? Дело в том, что другие, более грубые подходы не удовлетворяют современным требованиям к объектам в вопросах устойчивости их движения, да их, по сути, и нет. Физику и технику вполне устраивает детище Ляпунова.

Свое учение математик создавал в течение 7 лет, с 1885 по 1892 г. Возглавляя кафедру механики Харьковского университета, приват-доцент тащил на себе все преподавание механики, составление образцовых курсов и руководств, практические занятия со студентами, а затем до 5 утра еженощно корпел над вопросами общей теории устойчивости.

Отказываясь на протяжении 4 лет от предложений получить докторскую степень даже за малую часть того, что сделал, довольствуясь скромным приват-доцентским содержанием в 1200 рублей в год, Александр Михайлович выпустил свой фундаментальный 261-страничный труд лишь после тщательнейшей его отделки в издательстве Харьковского математического общества.

Теория устойчивости равновесия дала несравненно более точные решения, чем существовавшие до нее. До работ Ляпунова вопросы об устойчивости решались по первому приближению: все нелинейные члены уравнений отбрасывались, хотя такой способ линеаризации уравнений движения не всегда был законным.

Диссертация и последующие работы Ляпунова в области устойчивости содержат целый ряд фундаментальных результатов в теории обыкновенных дифференциальных уравнений – как линейных, так и нелинейных.

Несколько слов о семействе Ляпуновых, бывшем некогда одним из самых знаменитых в России. Ляпуновы происходили от галицкого князя Константина Ярославича, младшего брата Александра Невского. Михаил Васильевич, отец математика, был астрономом, получившим известность своими исследованиями туманности Ориона, директором Демидовского лицея в Ярославле. Старший брат Александра Михайловича Сергей был известным русским композитором, пианистом и дирижером. Младший брат Борис – филологом, профессором Одесского университета.

Теория корабля Крылова

Математик, кораблестроитель, педагог,

заслуженный деятель науки и техники, академик, кавалер ордена Святого Станислава 1-й степени и трех орденов Ленина, лауреат Сталинской премии, Герой Социалистического Труда, Алексей Николаевич Крылов (1863–1945) написал более 300 работ по математике и механике, физике и астрономии, по теории магнитных и гироскопических компасов, баллистике и теории стрельбы, гидродинамике и геодезии и т. д. Главным трудом ученого, признанным во всем мире, стала его теория (мореходные качества) корабля.

Кораблестроители и математики спорят до сих пор, кто Крылов – корабел или математик. Всех поражают простота и ясность его доказательств и решений, их академическая строгость, все рады называть ученого «своим». Труды Крылова много лет обеспечивали отечественной кораблестроительной науке приоритет в мире.

Сам Алексей Николаевич никогда не считал себя «чистым» математиком и всегда ратовал за приложение этой науки к различным вопросам морского дела. Чутко ощущая запросы времени, Крылов предпочтение отдавал не теории, а практике. К примеру, написав много работ по теории артиллерийской стрельбы, ученый разработал для тренировки наводчиков и т. н. «прибор Крылова». Он изобрел машину для решения дифференциальных уравнений, как эксперт участвовал при постройке моста Петра Великого и как инженер в строительстве Володарского моста в Петербурге (Ленинграде) и т. д. При этом математик не держался за «место» или за направление исследований. Скажем, в 1916–1921 гг. он вовсе занимался не морским, даже не земным, а небесным делом – возглавлял Главную физическую обсерваторию и Главное военно-метеорологическое управление.

А.Н. Крылов

Математик свои замыслы любил и мог воплощать. Когда на этом пути встречались препятствия, Крылов преодолевал их с завидной настойчивостью. Немало пришлось бороться ученому, отстаивая свои предложения, с чиновничеством. Он никогда не был рабом субординации. И если видел в генеральском мундире воплощенную косность, боролся с нею всеми средствами, даже когда сам был в чине лейтенанта или подполковника. Рутинеру «отписаться, отмолчаться, отказать» Крылову было непросто. Принципиальность нередко обходилась правдоискателю выговорами в приказах по флоту с формулировкой – «за употребление в служебном докладе выражений и тона, противных дисциплине и правилам воинского чинопочитания», но это не останавливало его.

В начале XX в. Крылов тесно сотрудничал с адмиралом С.О. Макаровым по вопросам плавучести корабля. Идеи Макарова по борьбе с креном или дифферентом поврежденного корабля затоплением неповрежденных отсеков пришлось отстаивать Крылову. Много лет он доказывал, что «спасать корабль, когда он получает пробоины, надо не откачкой воды, а, наоборот, надо спрямлять корабль, затопляя другие отделения, кроме поврежденных, чтобы корабль не опрокидывался». Понадобились гибель броненосца «Петропавловск», трагедия Цусимы, прежде чем теория Крылова о непотопляемости стала применяться в практике кораблестроения.

Крылова во всем мире называют создателем современной теории корабля. 150 лет назад, когда Алеша ходил еще под стол пешком, проблему качки корабля и его непотопляемости тщетно пытались одолеть многие выдающиеся математики. Законодатель корабельных мод, – Англия вообще решила, что эта проблема не разрешима.

Однако уже к 1890-м гг. выдающимся флотоводцем С.О. Макаровым были заложены основы учения о непотопляемости и живучести корабля, и молодой ученый Крылов их блестяще развил. Начал математик с того, что создал теорию качки корабля на волнении и с нею вышел на просторы мировой науки. Этим капитальным трудом Крылов занимался еще 45 лет, опубликовав в 1938 г. свою знаменитую «Качку корабля». Работа по обеспечению плавучести и остойчивости корабля и ныне востребована, поскольку представленные в ней таблицы непотопляемости стали морской таблицей умножения для флотоводцев и корабелов всего мира. Помимо указанной, математик написал еще много работ, посвященных этому вопросу: «Теория корабля» (1907, доп. 1933), «О расчете балок, лежащих на упругом основании» (1930), «Вибрация судов» (1936) и др.

А тогда, в 1890-х, никому неведомый капитан Крылов изложил свою теорию в Британском обществе кораблестроительных инженеров и поверг снобов с Альбиона в шок. Они вынуждены были впервые присудить золотую медаль общества ученому-иностранцу, да еще русскому!

Математик не был известен в Англии, но в научных кругах России его в ту пору уже хорошо знали как автора десятков работ по теории магнетизма (девиации магнитного компаса) и теории гироскопических компасов. За эти классические труды академик спустя полвека получил Сталинскую премию I степени. Принципы, разработанные Крыловым, применяются сейчас в авиационных и корабельных навигационных приборах.

В конце 1880-х гг. Крылов работал на франко-русском судостроительном заводе в Петербурге, а затем учился в Морской академии, где написал свою первую серьезную работу по усовершенствованию орудийной башни строящегося броненосца «Император Николай I». Тогда же он заинтересовался и расчетами килевой качки корабля. А через какое-то время Гидрографический департамент поручил ему «изучить вопрос о килевой качке корабля и установить, какой нужно учесть запас глубины под килем, чтобы обеспечить безопасность прохода в любую погоду» яхте «Полярная звезда» с Николаем II на борту.

Крылов блестяще справился со сложнейшей задачей, после чего и был послан в Лондон – чтоб знали наших! Тогда же он написал «Теорию качки корабля», ставшую бестселлером мореходов. Со временем теория была дополнена новыми исследованиями. Например, при изучении влияния качаний корабля на меткость стрельбы Крылов создал теорию усмирения бортовой и килевой качки и первым предложил гироскопическое демпфирование, ставшее самым распространенным способом усмирения бортовой качки. Основы своего учения Алексей Николаевич излагал в лекциях слушателям Морской академии начиная с 1892 г. В своих лекциях он впервые систематизировал практические методы производства приближенных вычислений, встречающихся в технических вопросах кораблестроения и судовождения.

Кораблестроению и математике ученый отдал 60 лет жизни. При этом он всячески содействовал утверждению и воплощению замыслов своих коллег. В начале XX в., когда Алексей Николаевич занимал генеральский пост главного инспектора кораблестроения и председателя Морского технического комитета, под его руководством был осуществлен проект корабельного инженера, профессора Морской академии И.Г. Бубнова по строительству линейного корабля типа «Севастополь». Этот линкор, эскадренные миноносцы типа «Новик», разработанные Крыловым, а также теплоходы долгое время оставались лучшими кораблями своего класса в мире.

Неоценим вклад ученого в строительстве советского Военно-Морского Флота. (Академику после Октябрьской революции 1917 г. предлагали переехать в Америку, но он отказался.) В 1920–1927 гг. правительство поручило Крылову строить и закупать за границей пароходы. Ученый справился и с этой задачей.

С 1928 г. Крылов возглавлял Физико-математический институт АН СССР в Ленинграде, принимал участие в создании новых кораблей, гироскопических

приборов, в строительстве мостов, доков. Даже в весьма почтенном возрасте Алексей Николаевич не прекращал своих теоретических изысканий и консультаций по вопросам кораблестроения и работы судостроительных предприятий. Многие, казалось бы, неразрешимые проблемы разрешались легко и просто, когда за них брался прославленный академик.

50 лет Крылов преподавал в стенах Военно-морской академии, а также в Петербургском (Ленинградском) политехническом институте и других вузах. В 1919–1921 гг. ученый читал лекции на курсах комиссаров флота, заразив всех, часто малограмотных, слушателей любовью к математике и науке вообще.

Научные достижения математика и корабела достойно умножают его переводческие труды. В 1915–1916 гг. ученый издал «Математические начала натуральной философии» И. Ньютона, переводу которых с латинского языка он посвятил два года упорного труда. Переводчик снабдил текст еще 207 примечаниями и пояснениями для слушателей Морской академии.

СО АН – очередной «взрыв» Лаврентьева

Математик, механик, педагог, общественный деятель, воспитатель молодежи, депутат Верховного Совета СССР пяти созывов; профессор, академик, вице-президент АН СССР, член ряда иностранных академий и научных обществ, вице-президент Международного математического союза; лауреат Ленинской, дважды Сталинской премии, кавалер пяти орденов Ленина и других высших отечественных и зарубежных наград, Герой Социалистического Труда, Михаил Алексеевич Лаврентьев (1900–1980) знаменит своими работами по теории множеств, теории функций, дифференциальным уравнениям, вариационному исчислению, математическим методам в механике. Грандиозным вкладом в развитие советской науки стала организация Лаврентьевым Сибирского отделения АН СССР (СО АН) и Новосибирского Аакадемгородка. Несмотря на множество других научных достижений, именно создание СО АН стало главным делом жизни ученого, так как вобрало в себя и его исследования, а также теории, открытия и изобретения сотен других советских ученых.

Создание крупных научных центров, позволивших в течение десятилетий тысячам блистательных ученых из разных областей науки беспрепятственно, в оптимально благоприятных условиях мыслить, творить и созидать на благо человечества и собственного народа – подобное достижение ученого-организатора науки, быть может, ценнее любых личных выдающихся заслуг. Таковых бескорыстных созидателей мировая история знает единицы. Далеко не последнее место в их ряду занимает организатор и первый председатель знаменитого СО АН М.А. Лаврентьев.

М.А. Лаврентьев

Творчество ученого всегда отличала органическая связь его математических теорий с нуждами практики. Совместно с М.В. Келдышем он, например, написал работу «О движении крыла под поверхностью тяжелой жидкости», позволившую создавать суда на подводных крыльях. Другие его труды послужили развитию самолетостроения, расчету плотин и строительству сложных гидротехнических сооружений на Волге, Днепре и других реках страны.

Обнаружив явление сваривания металлов при взрывах, Лаврентьев вместе с учениками и институтом Е.О. Патона провел эксперименты по сварке взрывом. Этот метод положен сегодня в основу многих современных технологий. Скажем, не будь этого метода, не было бы и современных электричек, на которых мы ездим каждый день. Именно сварка взрывом помогла решить проблему соединения токоведущих элементов.

В годы Великой Отечественной войны математик построил классическую теорию кумуляции при взрыве, положенную в основу создания эффективных противотанковых стальных кумулятивных снарядов, полуторакилограммовых бомб-«малюток» и мин. «Малютки», прожигавшие броню немецких танков насквозь, склонили чашу весов в нашу пользу во время битвы на Орловско-Курской дуге. Теория кумуляции стала одним из величайших достижений военной науки, которое свело танковое оружие – главное и самое страшное оружие Второй мировой войны – в разряд второстепенных. После него изменилась даже тактика и стратегия ведения войны.

В мирное время подобные кумулятивные снаряды, только удлиненные, оказались весьма эффективными при ремонте магистральных нефтепроводов.

Ученый всю жизнь занимался «теорией взрыва», находя ей все новые и новые практические применения. Многие «взрывные» труды Лаврентьева стали основой мирной деятельности человека – направленный взрыв, та же сварка взрывом, гидроимпульсная техника. Благодаря Лаврентьеву взрыв вообще широко вошел в народное хозяйство – при автоматическом отключении тока, рыхлении мерзлого грунта, штамповке деталей и т. д. Направленный взрыв, предложенный ученым, многократно применялся для переброса грунта при строительстве ГЭС, противоселевых плотин и других искусственных заграждений.

Своими работами по приближенным и численным методам и математическому программированию ученый заложил основы машинной математики. Первые образцы отечественных малых ЭВМ (МЭСМ) были созданы также им – еще при решении атомной проблемы. «Лаврентьев… пришел к выводу, что необходимые кадры в данной области не живут в Москве. Их надо было поселить в столице, против чего резко возражала московская городская администрация. Тогда Лаврентьев обратился лично к Сталину. Сталин приказал увольнять с работы тех, кто отказывал Лаврентьеву» (М.А. Елфимов, А.И. Арустамян).

Сам же Лаврентьев любил решать «бросовые» проблемы – которые другие ведущие ученые отчаялись решить или вообще не брались за них. Так, например, и по сию пору математики изумляются тому, как изящно справился математик с целым рядом вопросов мирового класса. В качестве примера его коллеги любили приводить работу Лаврентьева «К теории длинных волн», а также его исследования динамической потери устойчивости стержня.

К середине 1950-х гг. Лаврентьев зарекомендовал себя выдающимся ученым и блестящим организатором науки. Он был создателем и руководителем отдела теории функций Математического института им. Стеклова, главой советской школы теории функций, основоположником и директором Института точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева АН СССР, одним из основателей Московского физико-технического института.

Начавшееся в это время интенсивное освоение Сибири, разведка ее недр, развитие промышленности и сельского хозяйства потребовали научного осмысления множества возникших проблем. Поэтому когда М.А. Лаврентьев вместе с академиками С.Л. Соболевым и С.А. Христиановичем выдвинул идею создания нового научного центра под Новосибирском, она тут же нашла отклик в научной среде и была поддержана правительством. Прообразом такого образования послужили научный центр Геттингенского университета (Германия) и Кавендишская лаборатория (Великобритания).

18 мая 1957 г. Совмин принял постановление об организации СО АН СССР, Лаврентьев стал председателем отделения, вице-президентом АН СССР, директором созданного им Института гидродинамики.

В основание СО АН были положены три принципа – «треугольник Лаврентьева»: комплексное решение больших проблем современной науки, тесная оперативная связь с народным хозяйством и подготовка научных кадров.

Сибирское отделение стало первым в стране

крупным комплексным центром, объединившим организационно и территориально разнопрофильные институты.

Помимо самого отделения, состоявшего из 17 академических институтов, был выстроен Академгородок для 50 000 жителей, в котором по тем временам были созданы самые благоприятные условия для жизни и работы. Помимо институтов были образованы Новосибирский государственный университет, Физико-математическая школа, стали проводиться всесибирские физико-математические олимпиады школьников.

Создание Академгородка позволило с блеском решить актуальнейшую проблему науки – омолаживание кадров. На стыке разных специальностей, разных научных школ было совершено множество открытий и решено много научных проблем. При этом благодаря заботам Лаврентьева математика буквально прошивала все научное поле отделения, неизбежно повышая общий уровень решенных задач.

Исключительно плодотворной была также идея комплексного подхода ученых разных институтов к решению определенной научной проблемы – это касалось и создания ускорителей, и сверхзвукового пассажирского самолета, и дезинфекции от паразитов семенного фонда пшеницы…

Академгородок стал в мире образцом удачного решения организации науки. По его примеру были построены научные центры в ряде стран: в Японии (центр Цукуба близ Токио), во Франции (Научно-исследовательский сектор Гренобльского университета) и др.

Созданные Лаврентьевым школы в математике и механике до сих пор успешно развивают его идеи. «Из рук» академика под его любимую поговорку – «Нет ученых без учеников» – вышла целая плеяда всемирно известных ученых – М.В. Келдыш, Л.И. Седов, А.И. Ишлинский, А.И. Маркушевич, А.В. Бицадзе и др.

Ныне СО РАН состоит из Новосибирского и еще 8 научных центров (НЦ). Помимо уникальной Государственной публичной научно-технической библиотеки и Центрального Сибирского ботанического сада, СО РАН насчитывает 102 института. Половина из них сосредоточена в Новосибирском НЦ.

Гордостью отечественной науки стали сибирские научные школы академиков С.Л. Соболева, А.И. Мальцева, Л.В. Канторовича, А.Д. Александрова, А.Г. Аганбегяна, И.Н. Векуа, Л.В. Овсянникова, А.А. Ляпунова, П.Я. Кочиной, Г.И. Марчука, Б.В. Войцеховского, Р.И. Солоухина, А.А. Дерибаса и десятков других выдающихся ученых.

Теория вероятностей Колмогорова

Математик, философ, педагог; основатель огромной научной школы; реформатор школьного математического образования; профессор МГУ; академик, академик-секретарь отделения физико-математических наук АН СССР, почетный член нескольких десятков европейских академий и научных сообществ; заведующий кафедрами математики, теории вероятностей, математической логики, математической статистики в МГУ и других вузах, ректор Института математики и механики при МГУ; основатель и руководитель лаборатории атмосферной турбулентности Института теоретической геофизики АН СССР, межфакультетской лаборатории вероятностных и статистических методов; президент Московского математического общества; главный редактор журналов «Успехи математических наук», «Теория вероятностей и ее применения», редакции математики и механики в Издательстве иностранной литературы и т. д.; лауреат Ленинской и Сталинской премий, лауреат Международных премий – Бальцано (аналога Нобелевской по математике), Лобачевского, Вольфа, Премии им. Чебышёва АН СССР; кавалер 7 орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени, других отечественных и зарубежных орденов и медалей, почетный член нескольких десятков европейских академий и научных сообществ; Герой Социалистического Труда, Андрей Николаевич Колмогоров (1903–1987) является автором фундаментальных трудов по теории функций, математической логике, топологии, дифференциальным уравнениям, функциональному анализу, теории вероятностей и теории информации.

Из двух десятков областей математики, где успешно работал Колмогоров, возьмем одну – теорию вероятностей. Ученый считал ее своей главной специальностью, хотя иногда и называл «теорией неприятностей». Эта «наука о случае» взрастила в нем великого математика и сама приобрела благодаря его научным трудам завершенный вид и стала по математическим понятиям истинной красавицей.

А.Н. Колмогоров

Возникнув в Средневековье как попытка анализа азартных игр, теория вероятностей в XVII в. обрела в трудах Б. Паскаля, П. Ферма, Х. Гюйгенса тот вид, с которым в дальнейшем имели дело уже не предсказатели, а математики. За 100 лет теория вероятностей превратилась в чисто академическую дисциплину, на практике интересовавшуюся разве что теми же азартными играми. Игра в кости, в свою очередь, стимулировала ее развитие. В XIX–XX вв. теория вероятностей, проникнув в астрономию, физику и биологию, начала использоваться в сельском хозяйстве, промышленности, медицине, а с изобретением телевидения и компьютеров стала неотъемлемой частью жизни как основа средств получения и передачи информации. В астрономии нашел применение один из методов этой теории – метод наименьших квадратов, в физике – статистическая механика, в сельском хозяйстве – теория планирования экспериментов и дисперсионный анализ; в промышленности – методы статистического контроля (контрольные карты Шухарта); в социальных науках – теория игр и т. д.

В 1933 г. Колмогоров опубликовал на немецком языке одну из главных своих работ – «Основные понятия теории вероятностей» (на русском – в 1936 г.). По мнению профессора В.М. Тихомирова, это, «наверное, самое известное произведение Андрея Николаевича, оказавшее столь же огромное влияние на все дальнейшее развитие этой науки, как труды Я. Бернулли и Лапласа».

К тому времени ученого знал весь математический мир. Ведь в него Андрей вступил очень рано даже по меркам математики. Любимцем математики он оставался всю свою жизнь. Да и не только одной царицы наук – скажем, за классические работы по турбулентности математик выдвигался на Нобелевскую премию по физике. Среди ученых ходит афоризм И.М. Гельфанда: «Математика – это марафон». Колмогоров, по мнению коллег, был не только «марафонцем», но и «спринтером», в считаные дни с потрясающей скоростью даже в 80 лет решавший проблемы, с которыми другие ученые бились годами.

Первую работу, снискавшую мировую известность, о «ряде Фурье, расходящемся почти всюду», Колмогоров создал в 19 лет, а к 22 годам был уже автором полутора десятков печатных трудов по теории функции действительного переменного.

Еще на четвертом курсе МГУ математик занялся теорией вероятностей – разделом математики, изучающим закономерности случайных явлений: случайные события, случайные величины, их свойства и операции над ними. Начал Андрей с закона больших чисел, представляющего собою «общий принцип, в силу которого совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых весьма общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая». Над законом в свое время бились лучшие математики мира – Г. Больцман, Р. Мизес, А. Ломницкий и др. Все их попытки получить наиболее общие условия применимости этого закона к последовательности случайных величин оказались тщетными. Пальму первенства они и их последователи отдали аспиранту МГУ

Колмогорову, который очень удачно использовал хорошо развитые (в том числе и им самим) методы теории функций действительного переменного. Это случилось в 1926 г. В 1930 г. увидело свет еще одно центральное исследование математика – «Об аналитических методах теории вероятностей».

В книге «Основные понятия теории вероятностей» Андрей Николаевич сформулировал в законченном виде аксиоматику (схему логического обоснования) теории: концепцию вероятности, всевозможные ее интерпретации, сферы применимости и т. д. Прекрасное знание многих областей математики – теории множеств, теории интеграла, теории функций и др. – позволило ученому сформулировать простую систему аксиом, давшую этой науке строгий вид нового раздела математики. Аксиоматику Колмогорова, применимую в самых разнообразных областях естественных, технических и гуманитарных наук, называют еще «моделью Колмогорова».

«Значение монографии А.Н. Колмогорова определяется не только предложенной в ней схемой (ставшей универсально принятой) логического обоснования математической теории вероятностей. Ее роль также и в том, что содержащиеся в ней новые концепции, понятия и результаты (такие как условное математическое ожидание, теорема о существовании случайного процесса с заданной системой конечномерных распределений, закон нуля или единицы и др.) открыли новую эру и в развитии самой теории вероятностей, и в расширении сферы ее влияния и областей применения» (Ю.В. Прохоров, А.Н. Ширяев).

В дальнейшем автор, используя свое открытие, заложил основы теории марковских случайных процессов с непрерывным временем, развил теорию стационарных случайных процессов.

Со студенческих лет Колмогоров старался направить свои научные разработки в практическое русло, чем оказал сильнейшее влияние на ряд прикладных разделов математики: историю этой науки и методы ее преподавания, а также на кибернетику, информатику, небесную механику, гидромеханику, метеорологию, кристаллографию, биологию, теорию стрельбы, теорию лингвистики и даже теорию стиха.

В годы Великой Отечественной войны, например, по заданию Главного артиллерийского управления армии ученый на базе своих исследований по теории вероятностей вычислял траектории рассеивания снарядов при стрельбе. После войны разработал статистические методы контроля массовой продукции, тут же востребованные всеми отраслями народного хозяйства СССР. Но тогда же он творил и «чистую» науку, разрешая фундаментальные проблемы математики – по малым знаменателям в задачах классической механики, внедрению понятия энтропии в различные области математики, представлению функций в виде суперпозиций. Отдал он дань и теории вероятностей – ее экстремальным задачам, равномерным предельным теоремам с точки зрения распределений в функциональных пространствах и др. Особым вкладом Колмогорова в развитие советской математики стало создание им научной школы в области теории вероятностей и теории функций. Академик воспитал не один десяток замечательных математиков – А.И. Мальцева, М.Д. Миллионщикова, С.М. Никольского, Ю.В. Прохорова, А.М. Обухова, А.М. Яглома, В.М. Тихомирова, И.М. Гельфанда и др.

Андрей Николаевич прославился не только созданием своей математической школы, но и грандиозной реформой школьного математического образования в 1960-е гг. Проведенная по инициативе и под руководством Колмогорова, реформа сделала советское математическое образование населения лучшим в мире. Нынешние старшее и среднее поколения россиян обучались по учебникам, созданным под руководством и рецензированием Колмогорова (сам он написал учебник геометрии для 6—8-х классов, алгебры и начал анализа для 9—10-х классов), – лучшим учебным пособиям по математике в мировой практике и по сей день. В 1990-х гг. прекрасно зарекомендовавшая себя система школьного математического образования «по Колмогорову» стала «дереформироваться», а нынешние реформы «по Фурсенко», похоже, и вовсе сведут ее на нет. И хотя колмогоровские учебники в школе еще действуют, их одних для решения задачи инновационного развития России будет явно недостаточно.

Ученый мир уже давно поставил имя Колмогорова «рядом с именами Пуанкаре, Гильберта, Ломоносова, Менделеева». Выдающийся математик XX в. Н. Винер, отец кибернетики, признался как-то: «Вот уже в течение тридцати лет, когда я читаю труды академика Колмогорова, я чувствую, что это и мои мысли. Это всякий раз то, что я и сам хотел сказать».

Топология Понтрягина

Математик, педагог, общественный деятель, публицист, заведующий отделом Математического института им. В.А. Стеклова АН СССР, профессор МГУ, академик АН СССР, вице-президент Исполнительного комитета Международного математического союза, почетный доктор наук Салфордского университета (Великобритания), почетный член Лондонского математического общества, Международной академии «Астронавтика», Венгерской АН, лауреат Сталинской, Государственной и Ленинской премий, лауреат Международной премии им. Н.И. Лобачевского, кавалер четырех орденов Ленина, орденов Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, «Знак Почета», Герой Социалистического Труда, Лев Семенович Понтрягин (1908–1988) прославился на весь мир своими трудами по теории дифференциальных игр и теории размерности, теории непрерывных групп и теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории колебаний и регулирования, теории оптимального управления техническими и производственными процессами. Главным научным достижением математика стали его работы по топологии и топологической алгебре.

Начиная с Л. Эйлера, историю развития отечественной (а значит, и мировой) математики можно разбить на эпохи, привязанные к имени ученого, внесшего в нее самый значительный вклад. Это не означает, что у эпохи будет только одно имя. К примеру, конец XIX – начало XX в. можно назвать и эпохой Крылова, и эпохой Стеклова, и эпохой Чаплыгина…

Бюст Л.С. Понтрягина на стене дома на Ленинском проспекте в Москве, где он жил с 1938 по 1988 г. Скульптор В.М. Клыков

На этом основании второй трети прошлого века можно дать имя эпохи Понтрягина. В то время ученый активно занимался одним из новейших разделов математики – топологией и топологической алгеброй (совокупностью вопросов, пограничных между алгеброй и топологией), развитием которых стали «дальнейшее триумфальное развитие теории когомологических операций и появление таких достижений топологии, как спектральная теория гомологий расслоенных пространств, созданная французскими математиками, и теория систем М.М. Постникова». По словам академика П.С. Александрова, 33 года возглавлявшего Московское математическое общество, Понтрягин, создавший свое собственное направление в математике, был «самым крупным (в международном масштабе) представителем… топологической алгебры».

По определению, топология – это «раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые сохраняются при непрерывных деформациях, таких, например, как растяжение, сжатие или изгибание. Непрерывная деформация – это деформация фигуры, при которой не происходит разрывов (то есть нарушения целостности фигуры) или склеиваний (то есть

отождествления ее точек)».

Соотнесение Понтрягина с Л. Эйлером не случайно. Они оба были математиками от Бога, оба изучали топологию, оба были незрячие. Свыше 150 теоретических работ, насыщенных сложнейшими исследованиями, громоздкими формулами и выражениями, Понтрягин создал «в уме», не прибегая к бумаге.

Из-за несчастного случая (взорвался примус) Лев в 14 лет потерял зрение. И только благодаря своей матушке, Татьяне Андреевне, подросток не отчаялся и стал тем, кем стал. Много лет Татьяна Андреевна была личным секретарем сына – «читала ему вслух научную литературу, вставляла формулы в его научные рукописи, правила корректуру его работ и т. п. Для этого ей пришлось, в частности, научиться читать на иностранных языках».

Как Эйлер, Лев Семенович занимался не только теоретическими, но и прикладными исследованиями. Достаточно упомянуть, что его работы содействовали успешному конструированию ракет дальнего действия и развитию космонавтики, за что автор был избран в 1966 г. почетным членом Международной академии астронавтики. Открытый математиком т. н. «принцип максимума» стал универсальным математическим средством поиска оптимальных режимов всевозможных процессов: расходования топлива при запуске ракеты, экономичной работы ядерного реактора, наилучшей схемы электропривода и т. д. А в самой математике этот «принцип» лег в основу новой ее области – теории оптимального управления. Монографии «Теория оптимальных процессов. I. Принцип максимума»(1961) была присуждена Ленинская премия. Многие работы математика легли в основание вариационного исчисления.

Топологическими проблемами Понтрягин увлекся на семинаре П.С. Александрова. В топологии ученый открыл общий закон двойственности и построил теорию характеров непрерывных групп. В 1938 г. вышла монография ученого «Теория топологических коммутативных групп» («Непрерывные группы»). Книгу тут же перевели на английский и другие языки и затем неоднократно издали за рубежом. В 1941 г. за эту работу автору была присуждена Сталинская премия. Коммутативные группы назвали «группами Понтрягина».

Эта теория стала «первым выдающимся достижением в новом математическом направлении – топологической алгебре и одним из фундаментальных продвижений всей математики XX столетия». За 15 лет, с 1935 по 1950 г., Понтрягин создал методы, вызвавшие бурный расцвет алгебраической топологии, не потерявшие своего значения и сегодня. Математиком был предложен метод оснащенных многообразий, открыты классифицирующие пространства, создана теория когомологических операций.

Открытые математиком т. н. «характеристические классы Понтрягина» являются ныне одним из важнейших инструментов алгебраической топологии. Активно развивали работы своего учителя ученики академика – М.М. Постников, В.Г. Гамкрелидзе, Е.Ф. Мищенко и др. Достижения Понтрягина в топологии сегодня востребованы повсюду – во многих разделах математики, в математической физике, химии, в интегральных микросхемах, локальных сетях соединений компьютеров и т. д.

В прошлом веке имя Понтрягина знал весь математический мир – не только за блестящие работы. Ученый неоднократно выступал с докладами на международных конференциях в Болгарии, Великобритании, Италии, Канаде, США, Финляндии, Франции, ФРГ, Швейцарии, Швеции. В ряде зарубежных стран Лев Семенович читал лекции, пользовавшиеся неизменным успехом.

Понтрягин был боец.

Для него ничего не значил «авторитет», если за ним не стояло личности. Уже на склоне лет Лев Семенович нашел в себе силы бороться против пресловутого проекта «поворота рек», дошел до ЦК КПСС, и во многом отказ от этой безумной затеи был осуществлен благодаря нему.

В 1970-х гг. Понтрягин принял деятельное участие в обсуждении проблемы преподавания математики в средней школе. Он резко протестовал против заимствованного на Западе нового стиля преподавания математики, против вновь созданных, в корне отличающихся от прежних учебников. (Ситуация удивительно напоминает сегодняшние времена!) И здесь ученый тоже победил! Благодаря Понтрягину Россия в последней четверти XX в. получила много достойных математиков, воспитанных не только в математической школе самого Понтрягина, но и в средних школах страны.

Научную деятельность Лев Семенович совмещал с активной преподавательской деятельностью. Ученый курировал издание математической литературы, занимался вопросами школьного образования, создал замечательный учебник по дифференциальным уравнениям, многократно издававшийся в СССР и за рубежом, удостоенный Государственной премии, написал для школьников несколько книг из серии «Знакомство с высшей математикой» – «Анализ бесконечно малых» и «Алгебра».

В конце этого небольшого очерка хотелось бы еще раз сказать о главном несчастье Понтрягина – его слепоте. Вот каким увидел ученого хорошо знавший его В.В. Кожинов: «Позволю себе высказать мнение (хотя его, возможно, будут оспаривать), что утрата зрения не только не мешала достижениям Льва Семеновича, но, напротив, как-то способствовала им, ибо вообще люди высшего уровня – чему есть немало примеров – способны превращать свои утраты и невзгоды в обретения и торжества. Правда, для этого потребны, конечно, поистине исключительные духовые силы…

Вообще можно с полным правом сказать, что Лев Семенович Понтрягин был едва ли не самым зрячим из своих коллег».

Математический космос Келдыша

Математик, механик, государственный деятель, организатор науки, профессор МГУ, директор Института прикладной математики АН СССР; академик и президент АН СССР, член 17 иностранных академий и научных обществ, почетный доктор 6 зарубежных университетов, председатель Комитета по Ленинским и Государственным премиям при Совете Министров СССР, депутат Верховного Совета СССР трех созывов; лауреат премии им. Гуггенгейма Международной академии астронавтики, Ленинской и двух Сталинских премий, кавалер 7 орденов Ленина, трех орденов Трудового Красного Знамени, Золотой медали им. К.Э. Циолковского АН СССР, Большой золотой медали им. М.В. Ломоносова АН СССР, высших орденов и медалей других стран, трижды Герой Социалистического Труда, Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978) является автором многих открытий, послуживших основой для современной аэродинамики, вычислительной математики, ядерной и вычислительной техники. Главным научным достижением ученого стали его труды по развертыванию и проведению космических исследований, а также работы по ракетно-космической технике.

Математики – особый народ. Их труды вершатся в заоблачных высях теорий, которые часто оказываются основаниями сугубо практических дел – ракетно-ядерного оружия, например. Или крылатых и космических ракет и кораблей – именно им обязан Келдыш своим взлетом как математика, а они, в свою очередь, обязаны ему своим полетом.

Мстислав Всеволодович Келдыш – уникум, в 25 лет решивший ряд задач по предотвращению разрушения самолетов, которые не могли разрешить самые маститые ученые Европы и Америки, в 27 лет ставший доктором наук и в 35 лет – академиком АН СССР.

У Келдыша множество классических работ. Не будем утомлять их перечислением, скажем лишь, что труды ученого, посвященные теории функций

действительного и комплексного переменного, уравнениям с частными производными, функциональному анализу и т. д. были востребованы сразу тремя направлениями науки и техники. На протяжении 40 лет авиационные конструкторы, физики-ядерщики и конструкторы космических объектов никак не могли поделить математика между собою. Может, поэтому он в каждом из них оставил свой след.

В авиации ученый победил флаттер (внезапную тряску самолета, за 1–2 секунды разрушающую корпус или отдельные его части) и шимми (колебания в системе «колесо-стойка» – «танец переднего колеса»). Эти проблемы, связанные с увеличением скорости полета, были камнем преткновения для ученых, занятых самолетостроением, пока Келдыш не решил их теоретически и не предложил инженерные варианты.

М.В. Келдыш

Ракетной техникой Келдыш занялся во второй половине 1940-х гг., когда работал в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) и одновременно возглавлял в курчатовской Лаборатории № 2 (ЛИПАН) математическое расчетное бюро. Параллельно ученый занимался еще разработкой методов работы на быстродействующих вычислительных машинах, а также руководил организацией вычислительного центра ПГУ. Мстиславу Всеволодовичу отводилась решающая роль в работах ядерщиков. По словам академика Н.Н. Семенова, «именно Келдыш должен был обеспечить наиболее ответственное из заданий Лаборатории № 2, связанное с решением ряда задач, необходимых для конструирования основного объекта (атомной бомбы. – В.Л.)». В середине 1950-х гг. Мстислав Всеволодович был председателем комиссии по приемке законченных проектов ракетного оружия. Спустя много лет, когда с ядерных работ была снята завеса секретности, в печати стали открыто писать, что «именно академику Келдышу принадлежит решающая роль в расчетах как атомной, так и водородной бомбы».

Что же касается трудов математика, связанных с расчетами полетов искусственных спутников Земли (ИСЗ), автоматических межпланетных станций и космических кораблей, практически все они были воплощены в конкретные дела и стали событиями мирового уровня.

Вывод первого в мире ИСЗ на околоземную орбиту 4 октября 1957 г. Полет в сторону Луны первой ракеты «Луна-1» (1959).

Облет и фотографирование обратной стороны Луны ракетой «Луна-3» (1959).

Полет корабля «Восток», пилотировавшийся первым в мире летчиком-космонавтом Ю.А. Гагариным 12 апреля 1961 г.

Первый выход в открытый космос космонавта А.А. Леонова (1965).

1950–1960-е гг. называют ныне годами освоения космического пространства. Они достойно продолжили эпоху создания ядерного щита страны и совпали с временем мирного использования атомной энергии – «это был золотой век отечественной науки» (президент РАН Ю.С. Осипов).

Освоение космоса привело, в частности, к появлению целого ряда наук и технических устройств – космической физики, например, спутников-ретрансляторов и спутников связи, существенно улучшивших радио- и телевизионные передачи на всем земном шаре.

Каждый новый полет в космос был на слуху, о нем знал весь мир, хотя до поры до времени никто не ведал, что главными виновниками торжества советской космонавтики были два человека – главный конструктор С.П. Королев и «Теоретик космонавтики» – М.В. Келдыш. Многие ученые той поры были своего рода айсбергами науки.

Помимо открыто признаваемых заслуг у них были не меньшие – скрытые от общества. Так и Келдыш, являясь научным руководителем опытно-конструкторских работ, внес неоценимый вклад в расчет и конструирование беспилотных баллистических и крылатых ракет, в том числе межконтинентальных. Принципиально новые для того времени задачи баллистики, астронавигации и длительной теплозащиты сверхзвуковых крылатых аппаратов были решены им. Участвуя совместно с С.П. Королевым в создании межконтинентальной составной баллистической ракеты, Келдыш определил ее оптимальные схемы, характеристики и оптимальную программу управления.

По данным академика Т.М. Энеева, в кратчайшие сроки коллектив, руководимый Келдышем, получил главные результаты для успешного развития ракетно-космической техники.

«В 1953 г. был впервые предложен баллистический спуск космического аппарата с его орбиты на Землю…

В 1954 г. был предложен первый конкретный вариант системы гравитационной (пассивной) стабилизации и ориентации ИСЗ и построена теория такой стабилизации.

На базе ранее проведенных работ… была разработана методика расчета оптимальной программы выведения ИСЗ на его орбиту.

Была исследована динамика движения ИСЗ в поле тяготения Земли и разработана методика определения времени его пребывания на… орбите.

Наконец, были проведены первые в тот период работы по проблеме достижения Луны и окололунного пространства…

После запуска первого ИСЗ… в механике космического полета практически не было более или менее серьезных вопросов, которые в той или иной мере не были затронуты М.В. Келдышем и его сотрудниками».

Перечислим некоторые из них:

– обеспечение слежения за полетами ИСЗ и других космических аппаратов;

– определение орбиты ИСЗ;

– создание баллистического вычислительного центра, разработавшего многомашинные высокопроизводительные информационно-вычислительные комплексы;

– комплексное баллистическое проектирование полетов космических аппаратов к Луне, Марсу и Венере;

– баллистико-навигационное обеспечение полетов космических аппаратов, предназначенных для исследования межпланетного космического пространства, Луны, планет и малых тел солнечной системы;

– развитие вычислительных методов и программных комплексов для определения программы полета…

«К сожалению, в нынешних школьных учебниках я не нашел даже упоминания о М.В. Келдыше… Впрочем, гении не нуждаются в почитании, память о них нужна нам, живущим, и тем, кто придет нам на смену. Когда рвется ниточка памяти, протянутая из прошлого в будущее, нация деградирует и погибает. Помним ли мы об этом?!» (В.С. Губарев).

Математическая физика Фаддеева

Математик, профессор СПбГУ, академик-секретарь Отделения математических наук РАН, иностранный член девяти европейских и американских академий, почетный профессор ряда зарубежных университетов, член редколлегий многих научных журналов, организатор и директор Международного математического института им. Л. Эйлера РАН, глава Национального комитета математиков России, лауреат четырех Государственных премий СССР, РСФСР, РФ и еще десятка самых престижных международных наград в области математики, почетный гражданин Санкт-Петербурга, Людвиг Дмитриевич Фаддеев (род. 1934) является основоположником собственной научной школы и одним из создателей современной математической физики, которой он посвятил более 200 своих научных трудов и 5 монографий.

Ленинградская (Санкт-Петербургская) научная школа математиков уже в 1980-х гг. была знаменита во всем мире. Увы, два поколения фаддеевских учеников ныне успешно трудятся на Западе, перебирается туда и третье. Наша страна растеряла их с необычайной легкостью, как неродных. Людвиг Дмитриевич верен России, и, несмотря на заманчивые предложения – возглавить кафедру в Принстоне, Институт им. Эйнштейна в Нью-Йорке и т. п., никуда из нее уезжать не

собирается.

«Я родился в России, – говорит академик Фаддеев. – Хочу жить и работать в моей стране. Я люблю людей, которые живут здесь. Особенно простых людей. Среди тех, кто называет себя интеллигенцией, много предателей» (С. Лесков).

В прессе чаще всего упоминают «бессмертие» Фаддеева – его членство в Национальной АН Франции (2002), куда попадают избранные из избранных, и «Азиатскую нобелевскую премию» Шао Ифу, полученную математиком вместе с коллегой В.И. Арнольдом в 2008 г. – за «обширный и важный вклад в математическую физику».

И хотя эти два события – всего лишь малая часть званий и наград ученого, они хорошо иллюстрируют вклад Фаддеева в развитие науки. Именно математической физике посвящены важнейшие работы математика, вошедшие в современные учебники и на которые ссылаются все ученые мира. Так, например, в монографиях по ядерной физике обязательно есть глава, посвященная интегральным уравнениям Фаддеева, а в теории взаимодействий элементарных частиц – метод континуального интегрирования, получивший название «духов Фаддеева – Попова». (Об этом далее.)

Л.Д. Фаддеев

Все коллеги Фаддеева отмечают его удивительную математическую интуицию, которую и сам Людвиг Дмитриевич ставит на одно из первых мест обязательных свойств математика. Она-то и помогла ученому еще в молодости выбрать главное направление своих исследований – квантовую теорию поля и решить проблемы, встававшие на его пути. Но ученый никогда не замыкался только на этой теории, и своих учеников он наставлял не «раскапывать жилы», а постоянно менять тему изысканий. Главным же критерием в математической физике Фаддеев считал всегда «красоту математической структуры». Чтобы полнее представить облик ученого, не только исследователя, но и организатора, упомянем о созданном и возглавляемом Фаддеевым в Северной столице Международном математическом институте им. Л. Эйлера. После многих обещаний городские власти выделили в конце 1980-х гг. Фаддееву полуразрушенный особняк в историческом центре на Петроградской стороне, который восстановили к 1992 г. После торжественного открытия института начался страшный прессинг на директора, с личными угрозами – особняк пришелся по вкусу различным структурам, в том числе и криминальным. Но Фаддеев институт отстоял, несмотря на то что власти «умыли руки». Отстоял – потому что ему все по плечу. Недаром о нем говорят, что Фаддеев – первый силач среди математиков и первый математик среди силачей.

Остановимся на ряде исследований ученого, проведенных им в третьей четверти XX в. Многие из них стали позднее исследовательской базой его математической школы.

1959 г. – кандидатская диссертация на тему «Свойства S-матрицы для рассеяния на локальном потенциале» создала Фаддееву имя в науке.

1963 г. – докторская (физико-математических наук) диссертация по результатам исследований в области квантовой теории рассеяния для системы трех частиц вывела математика на мировой уровень. Основой подхода стали интегральные уравнения, которые теперь называются уравнениями Фаддеева. Эта работа привела к созданию нового раздела теоретической физики.

1966 г. – решение трехмерной обратной задачи квантовой теории рассеяния в многомерном случае легло в основу создания одного из типов томографов в США.

1967 г. – построение квантования полей с бесконечномерными группами инвариантности (поля Янга – Миллса, поле тяготения Эйнштейна) при помощи континуального интегрирования привело к открытию новых микрочастиц – кварков и лептонов. Совместно со своим учеником В.Н. Поповым Фаддеев «обнаружил» неизвестные дотоле в теории поля объекты, названные «духами Фаддеева – Попова». Теперь этих «духов» можно встретить во всех современных учебниках теоретической физики. Математики под ними понимают феномен, когда «реально осязаемые частицы могут быть порождены мыслью ученого». Свои идеи Фаддеев изложил в двухстраничной работе «Правила Фейнмана для квантования калибровочных теорий» и опубликовал в европейском журнале «Physics Letters».

Теория поначалу не привлекла особого внимания ученых, поскольку даже самые маститые ничего в ней не поняли. Л.Д. Ландау, например, отозвался о ней, что она мертва. Фаддееву в утверждении квантовой теории поля пришлось преодолеть немалый скептицизм коллег, пока эта работа, став основой теории стандартного взаимодействия элементарных частиц, не заняла в математике XX в. одно из главных мест. Теорию признала даже школа Ландау. Математические проблемы теории Янга – Миллса в дальнейшем легли в основу теории суперструн. И только из-за презрения (иначе не скажешь) Нобелевского комитета к российской науке и к российским ученым в 1999 г. Фаддееву не была вручена Нобелевская премия по физике за уравнения Янга – Миллса, которую, тем не менее, вручили двум американцам, развившим идеи Фаддеева. Еще до этого теорию выдвинули на Государственную премию СССР, но один из членов комиссии задал вопрос: а кто видел эти поля? Оказалось, никто. Не увидели премии и авторы.

1975 г. – Фаддеевым сформулировано квантование частицеподобных решений (солитонов) уравнений теории поля. «Солитоны – это волновые возбуждения в нелинейной среде, которые ведут себя подобно частицам: при взаимодействии друг с другом или другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной». Построенная Фаддеевым и его учениками квантовая теория солитонов открыла новый подход к квантовой теории поля и привела к возникновению новых математических структур – квантовых групп.

Математику трудно притянуть «за уши» к практике. Но все же кое-какие не чисто математические проблемы может решить только она одна. Во всяком случае, говоря о работах Фаддеева, непременно упоминают о том, что его «теория турбулентности» важна для проектирования подводных лодок и торпед; «задача многих тел» – первостепенна при решении проблемы одновременного движения в пространстве нескольких тел по разным траекториям; «теория удержания тел в магнитных полях» позволяет проектировать новые источники энергии типа «токамаков» и т. д.

Все упомянутые методы Фаддеева применяются ныне в разных областях математики, в квантовой механике, в теории конденсированного состояния и теории элементарных частиц. Самого ученого «физики считают… одним из крупнейших физиков-теоретиков мирового уровня, а математики – математиком мировой величины».

В настоящее время Фаддеев, относясь с крайним скептицизмом к реформе высшего образования и реформе РАН, занимается математическим решением одной из семи главных задач тысячелетия – объяснением появления массы у полей Янга – Миллса.

Не меньшее недоумение вызывает у него и проект «Сколково».

«Если к нам приезжает Шварценеггер, чтобы рассказать, как будет работать наша «Силиконовая долина», то что уж получится?.. К своему счастью, я с проектом не связан. Мне никто не предлагал. Они же понимают, что я буду смеяться, как только они придут» (Е. Данилевич).

Астрономия, космология

Кометы и метеоры Бредихина

Астроном, астрофизик, популяризатор науки, общественный деятель; профессор, декан физико-математического факультета Московского университета; академик

Петербургской АН, член ряда отечественных и европейских академий и научных обществ, почетный доктор многих университетов России и Европы; организатор и глава первой русской астрофизической школы; президент Московского общества испытателей природы, член-учредитель Московского математического общества, первый президент Русского астрономического общества; директор Московской астрономической университетской обсерватории и Николаевской Главной астрономической обсерватории в Пулкове, Федор Александрович Бредихин (1831–1904) является автором более 150 научных трудов, создателем теории кометных форм и теории происхождения метеорных потоков из комет.

Прежде чем говорить о научном вкладе Ф.А. Бредихина, несколько слов о предмете астрономии. Воспользуемся энциклопедией.

Астрономия – наука о движении, строении и развитии небесных тел и их систем, от черных дыр до Солнца, от межзвездного вещества до Вселенной. Этой наукой занимались тысячи лет назад, о чем свидетельствуют египетские пирамиды, Стоунхендж, древнейшие манускрипты. Именно астрономия позволяла жрецам, земледельцам и мореплавателям предсказывать затмения Солнца, заниматься сельхозработами, не теряться в морях. А еще – вдохновлять философов и поэтов.

До 1609 г. ночным небосводом не только любовались, но и наблюдали его, а с изобретением телескопа стали устремлять свой взор и вовсе в неоглядные космические дали.

Из четырех основных задач астрономии (поиск закономерностей и причин видимых движений небесных тел; создание моделей строения небесных тел; выявление происхождения и развития небесных тел; построение теорий Метагалактики) во второй половине XIX в. решались главным образом две первые задачи, и то – в самом первом приближении.

Позднее, в XX в., астрономия разделилась на две взаимосвязанные ветви – наблюдательную и теоретическую. Наблюдательная наблюдает небесные тела, теоретическая объясняет результаты наблюдений, после чего наблюдательная наблюдает еще «глубже», дабы подтвердить выводы и гипотезы теоретической. И т. д. Ну а до этого астрофизика успешно совмещала в себе обе ипостаси, в первую очередь в самом ярком представителе этой науки – Ф.А. Бредихине.

Исследования ученого, охватывавшие все основные разделы современной ему астрономии (наблюдения на меридианном круге, определение положений малых планет, изучение поверхности Солнца и планет, спектров комет и туманностей, составление рисунков диска Юпитера и «красного» пятна на нем и пр.), имели для самого ученого два центра притяжения: кометы и метеорные потоки. Именно в изучении этих небесных тел Федор Александрович добился самых выдающихся результатов, которые стали базой всех дальнейших изысканий в мире.

Кометами, издавна привлекавшими и пугавшими людей, называют небольшие небесные тела, имеющие туманный вид.

Ф.А. Бредихин. Неизвестный художник

Эти тела разной яркости обращаются вокруг Солнца, как правило, по вытянутым орбитам. К Солнцу комета подлетает в виде шарообразного облака из пыли и газа поперечником до 80 000 км вокруг ледяного ядра диаметром в несколько километров. Часто у комет появляется шлейф – хвост протяженностью до 1,5 млн км и более.

Первым изучать механическую природу комет начал Ф.В. Бессель в начале XIX в. Бредихин, поставив перед собой задачу – разъяснить процесс образования кометных хвостов, установить причины, обусловливающие разнообразие их форм, продолжил исследования немецкого коллеги и занялся познанием особенностей физического строения этих небесных тел и их химической природы, что привело его к созданию механической теории кометных форм, теории хвостов и к классификации хвостов, используемой в астрономии и поныне. Решение этой задачи стало возможным в связи с появлением спектрального анализа и фотографии, которые Бредихин буквально насадил во все российские обсерватории.

Начиная с первой печатной работы «Несколько слов о хвостах комет» (1861), магистерской – «О хвостах комет» (1862) и докторской диссертации – «О возмущениях комет, не зависящих от планетных притяжений» (1864) ученый базировался на предположении И. Кеплера, что главной силой, действующей при образовании кометных хвостов, является отталкивательная сила Солнца. Разное поведение комет с разными хвостами Бредихин объяснил различным химическим и физическим составом частиц, из которых состоят кометы, и наличием двух противоположно направленных сил – силы тяготения к Солнцу и светового давления от Солнца. Для определения величины отталкивательной силы электрического происхождения и скорости излияния материи из ядра ученый вывел соответствующие формулы гиперболического движения, которые помогли ему установить зависимость между этой силой и скоростью, а также характеристики хвостов комет. Эти соотношения объясняли также необъяснимые никакими другими соображениями волнистые очертания хвоста, поперечные полосы в хвосте и движение в хвосте облачных масс.

Согласно Бредихину, хвосты комет подразделяются на три типа: I тип – прямые и узкие, направленные прямо от Солнца, с самой большой отталкивательной силой; II тип – широкие и немного искривленные в виде рога, уклоняющиеся от Солнца, с отталкивательной силой средней величины; III тип – короткие, слабые, сильно уклоненные от центрального светила, с чрезвычайно низкой отталкивательной силой.

Полагая, что все хвосты газовые, астроном высказал догадку, что отталкивательные силы обратно пропорциональны молекулярному весу, то есть хвосты разных типов отличаются друг от друга по химическому составу. Позднее ученый своими спектральными наблюдениями определил некоторые химические элементы хвостов, а окончательно состав был установлен уже в XX в. Тогда же было найдено, что чаще всего встречаются хвосты I типа, а хвосты III типа – крайне редки.

Таких же впечатляющих результатов Бредихин достиг и в развитии теории образования метеорных потоков в результате распада ядра кометы. Высказав гипотезу об образовании некоторых комет путем отделения частей от кометы-родоначальницы, движущейся по параболической орбите (1889), Бредихин истолковал существование семейств комет – групп комет с идентичными орбитами. Ученый обратил внимание на небольшие аномальные хвосты, направленные не от Солнца, а к Солнцу. Получалось, что на частицы в этих хвостах отталкивательные силы не действовали – что было возможно только для крупных частиц, а не пыли или газа. На этом посыле астроном обосновал свою знаменитую теорию происхождения падающих звезд (метеоров) – одну из самых изящных теорий астрономии.

В зависимости от начальной скорости частиц, излетевших из ядра, одни из них покидают Солнечную систему по гиперболическим орбитам, а другие остаются пленниками системы и, вращаясь по эллиптическим орбитам, рано или поздно проливаются на Землю звездным дождем.

Как выяснилось со временем (и выясняется до сих пор) вся научная и организаторская деятельность Бредихина обладала удивительным эффектом дальнодействия.

Созданная Бредихиным школа астрофизиков – В.К. Цераский, А.А. Белопольский, С.К. Костинский, П.К. Штернберг и др. – содействовала быстрому развитию основных направлений астрофизики в нашей стране,

причем стараниями не только учеников Федора Александровича, но и учениками его учеников, одной из любимых тем исследований которых остаются кометы.

Технически оснащенная Бредихиным по последнему слову науки и техники и реорганизованная по кадровому составу Пулковская обсерватория дала миру немало выдающихся научных открытий. Этой реорганизации многие русские астрономы обязаны своим профессиональным ростом, а отечественная наука поистине астрономическими достижениями.

Собственные разработки и идеи Бредихина неувядаемы и по сей день. Революционный подход астронома к решению самых трудных проблем вдохновляет его потомков на такие же славные дела.

Расширяющаяся вселенная Фридмана

Математик, механик, физик, геофизик, астроном, космолог, инженер, метеоролог, популяризатор теории относительности; профессор Пермского и Петроградского университетов; сотрудник Аэрологической обсерватории в Павловске под Петербургом; участник Первой мировой войны, летчик-наблюдатель, один из организаторов аэронавигационной и аэрологической службы на Северном и других фронтах; создатель и первый директор завода «Авиаприбор» в Москве; директор Главной геофизической обсерватории; главный редактор «Журнала геофизики и метеорологии»; лауреат Премии им. В.И. Ленина (посмертно), Александр Александрович Фридман (1888–1925) знаменит в мире как создатель теории нестационарной Вселенной, ставшей основным теоретическим развитием общей теории относительности А. Эйнштейна.

Один из важных разделов современной астрономии – космология – изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. Занимаются этой наукой математики, физики, астрономы, философы, богословы, а ее возникновение связано с жаждой человечества иметь полное описание Вселенной, в которой оно обитает. По словам знаменитого астронома Э. Хаббла, «стремление к знаниям древнее истории. Оно не удовлетворено, его нельзя остановить». Из русских ученых наибольший вклад в развитие космологии внес А.А. Фридман. Собственно, с него и начался современный этап развития этой науки. Более того, научное сообщество считает открытие Фридманом расширяющейся Вселенной одним из великих интеллектуальных переворотов XX в.

Несколько слов об авторе этой теории.

Несмотря на то что Фридман прожил всего 37 лет (он скончался от брюшного тифа в 1925 г.), Александр Александрович успел раскрыть в полную силу свой талант в нескольких науках. Собраны еще не все публикации математика, разбросанные в редких изданиях и малодоступных журналах, тем не менее главные сочинения Фридмана можно сгруппировать по трем областям знания.

Во-первых, это фундаментальные труды ученого по физике атмосферы и по динамической метеорологии (геофизической гидродинамике). Разработав теорию атмосферных вихрей и порывистости ветра, теорию разрывов непрерывности в атмосфере, теорию атмосферной турбулентности, исследовав вертикальные течения и изменения температуры с высотой, выведя общее уравнение для определения вихря скорости, Фридман заложил основы теории изучения погоды и ее прогнозирования. Многие теоретические выводы математика нашли практическое применение в аэронавигации.

В другом важном направлении научной деятельности – гидромеханике и гидродинамике ученый исследовал кинематические свойства движения и вихри в сжимаемой жидкости, определил условия возможных движений этой жидкости при воздействии на нее определенных сил, построил основы статистической теории турбулентности и стал одним из создателей новой теории, изложенной в работе «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости» (1922).

Практическая метеорология и гидротехника из абстрактных уравнений в частных производных Фридмана по сию пору черпает нужные ей сведения.

И наконец, релятивистская космология. Устойчивый интерес к астрономии, проявленный Александром еще в школе, привел Фридмана к созданию космологической теории. Совмещая в начале 1920-х гг. работу в Главной физической обсерватории с преподаванием в ряде петроградских вузов, математик увлекся общей теорией относительности (ОТО), обнародованной А. Эйнштейном в 1915–1916 гг., – одной из многочисленных теорий гравитации.

А.А. Фридман

Эйнштейн, базируясь на работах своих предшественников, начиная с неэвклидовой геометрии Н.И. Лобачевского, рассмотрел гравитацию как проявление искривления пространства-времени, то есть как некий геометрический эффект, и отождествил гравитационное поле (поле тяготения) с тензорным метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени. Свои уравнения физик распространил и на описание Вселенной.

Несмотря на ряд революционных идей, Эйнштейн был верен традиционному представлению о стационарности Вселенной. Для этого ученый специально внес в уравнения т. н. космологическую постоянную – «антигравитационную» силу, которой он наделил структуру пространства-времени. По мысли Эйнштейна, такой подход примирял непрерывное расширение пространства-времени (уравновешиваемое притяжением всей остальной материи) с вечностью и неизменностью Вселенной в пространстве и во времени. Однако получить стационарное решение уравнений ОТО Эйнштейну не удалось.

Фридман, став одним из первых апологетов и популяризаторов ОТО в нашей стране, тем не менее критически отнесся к идее стационарности Вселенной. Предположив, что Вселенная изотропна, то есть одинакова в любом из наблюдаемых направлений, даже в случае наблюдений «со стороны», ученый предложил нестационарное решение уравнений ОТО, согласно которому Вселенная расширяется. Основополагающий вывод новой концепции сводился к «началу времен» – к тому моменту, когда Вселенная имела ничтожно малый объем с бесконечной плотностью вещества. Тем самым Фридман доказал несостоятельность воззрений «отца» ОТО и использования им космологической постоянной. Поначалу Эйнштейн резко возражал против теории русского ученого, пытался найти в ней противоречия, но, в конце концов, вынужден был признать ее справедливость.

Интерпретаторы теории расширяющейся Вселенной любят уподоблять модель Фридмана с разбегающимися друг от друга галактиками с надуваемым шариком, на котором нанесены точки. При надувании отрезки между любыми двумя точками увеличиваются, хотя ни одна из точек и не является центром расширения. Чем больше расстояние между точками, тем быстрее они разбегаются.

Этот теоретический вывод был подтвержден в 1929 г. открытием американского ученого Э. Хаббла т. н. красного смещения света от отдаленных галактик, свидетельствующего об их удалении от нашей галактики со скоростью, которая пропорциональна их расстоянию от нас.

Астрофизик католический священник Ж. Леметр, не зная о работах Фридмана, объединил ОТО с данными Хаббла и также пришел к выводу, что Вселенная расширяется во времени из состояния «первичного атома», из состояния т. н. Большого взрыва. Нестационарная Вселенная до 1960-х гг. называлась именем бельгийского аббата, а после того, как из забвения было вызвано имя основоположника релятивистской космологии Фридмана, получила имя модели Фридмана – Леметра.

В 1946–1956 гг. ученик Фридмана советский и американский физик-теоретик Г.А. Гамов уточнил

концепцию «Большого взрыва и расширяющейся Вселенной»: предложил модель «горячей Вселенной» и разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата – нуклеосинтеза. В рамках этой теории было предсказано существование фонового микроволнового (реликтового) излучения, открытого в 1965 г.

Космогония Шмидта

Математик, геофизик, географ, астроном, путешественник, альпинист, исследователь Арктики и Памира, лектор, просветитель, организатор науки, реформатор школьной и вузовской системы, общественный и государственный деятель; профессор, заведующий кафедрой алгебры Московского университета; основатель и руководитель Геофизического отделения в МГУ; создатель и глава Московской научной школы по теории групп; руководитель секции естественных и точных наук в Коммунистической академии; академик, вице-президент, председатель географической группы АН СССР; директор Арктического института, создатель и директор Института теоретической геофизики АН СССР; начальник и организатор полярных экспедиций (Земля Франца-Иосифа, Северная Земля, Северный морской путь, пароход «Челюскин» – челюскинская эпопея, дрейфующая станция «Северный полюс-1» «СП-1»); начальник Главного управления Северного морского пути; заведующий Государственным издательством, главный редактор Большой советской энциклопедии и журнала «Природа»; член ЦИК СССР, коллегий наркоматов продовольствия, финансов, просвещения; депутат Верховного Совета СССР 1-го созыва; кавалер трех орденов Ленина, других орденов и медалей, Герой Советского Союза, Отто Юльевич Шмидт (1891–1956) является автором трудов по высшей алгебре (теории групп), геофизике Курской магнитной аномалии. Мировую славу Шмидту принесла его космогоническая концепция образования Солнечной системы в результате конденсации околосолнечного газово-пылевого облака.

В 14 лет Отто составил «план своей дальнейшей жизни. В нем было подробно описано, какие книги он должен прочесть, какими науками овладеть, какие проблемы решить, как развиваться физически. Но когда он подсчитал, сколько лет ему потребуется для выполнения программы, обнаружил – ему необходимо было 900 лет! Он «ужал» программу до 150 лет. Ученый к концу жизни выполнил ее, перекрыв норму почти в три раза» (М.Ф. Гильмуллин). Собственно, Шмидт и прожил не одну, а три жизни – ученого, путешественника и гражданина (в некрасовском смысле). В Шмидте-ученом нас интересует прежде всего его космогоническая концепция, которой Отто Юльевич посвятил последние 14 лет жизни.

О.Ю. Шмидт делает доклад о разделении двойных звезд

Начало интереса к процессу возникновения Земли и других планет у Шмидта относится к 1923 г., когда геофизик принимал участие в обработке данных инструментальных измерений Особой комиссии по изучению Курской магнитной аномалии. Тогда же ученый начал заниматься математической разработкой задачи трех гравитирующих тел, которая пригодилась ему через 20 лет в построении космогонической теории.

С 1943 г. Шмидт стал разрабатывать «метеоритную» теорию аккумуляции Земли из небольших тел, увязав ее с последними достижениями геофизики и геохимии. Образовав в руководимом им Институте теоретической геофизики АН СССР «Отдел эволюции Земли», Отто Юльевич привлек к решению этой проблемы его сотрудников.

Отказавшись от преобладавшей тогда в астрономии гипотезы гигантских газовых протопланет и положив в основу рассуждений идею первоначально холодной Земли, «слепившейся» из небольших твердых тел, а также догадку захвата Солнцем допланетного роя, ученый математически доказал принципиальную возможность этого захвата в системе трех тел и тем самым объяснил механизм образовании планеты. Эта гипотеза сняла математическое противоречие, которое до Шмидта не могла объяснить ни одна астрономическая теория, между скоплением основной массы Солнечной системы в ее центре и моментом количества движения, сосредоточенном в основном на ее периферии.

Концепции были посвящены «Четыре лекции о происхождении Земли», прочитанные автором в Геофизическом институте в 1948 г. и опубликованные в 1949 г., а затем переведенные на английский язык. Опередив своей работой западных исследователей как минимум на 10–15 лет, русский ученый дал в руки всем астрономам фактически завершенную и совершенную планетную космогонию, которую ныне признали во всем мире. После смерти Отто Юльевича теорию происхождения Земли и планет развивали коллеги и ученики Шмидта – Б.Ю. Левин, Г.Ф. Хильми, В.С. Сафронов и др.

Как признают сегодня ученые, в 1940-х гг. Шмидт нашел единственно возможный путь решения проблемы происхождения Земли и планет как комплексную астрономо-геолого-геофизическую проблему. (До этого времени проблема происхождения планет считалась чисто астрономической.)

Разбив задачу на три части (происхождение допланетного облака, вращавшегося вокруг Солнца; образование в этом облаке планетной системы; эволюция Земли и планет) и придав второй части статус центральной задачи, ученый постарался найти на них ответы в том объеме, который позволяла ему сделать тогдашняя астрофизика. Как отмечали специалисты, такое «решение О.Ю. Шмидта в значительной мере определялось его богатой интуицией».

Проанализировав все геофизические и геохимические данные, Шмидт заключил, что Земля (и другие планеты) не проходила через расплавленное «огненно-жидкое» состояние, а сформировалась из мелких тел, точнее, из пылевых сгущений (пылевого субдиска), которые, объединяясь в тысячекилометровые тела, падали на главный зародыш Земли, разогревая ее недра и образуя мантию и ядро.

Дав объяснение основных физико-механических закономерностей планетной системы, Шмидт вывел формулу для скорости роста планеты, вычерпывающей вещество, находящееся в ее зоне. Эта формула в дальнейшем стала одним из важнейших соотношений количественной теории роста планет.

Выдвинув идею создания моделей внутреннего строения планет для сравнительного анализа с Землей, Шмидт заложил основу созданной позднее сравнительной планетологии. В конце XX в. в Институте им. О.Ю. Шмидта была разработана модель образования Луны и спутников планет как процесс, сопровождающий аккумуляцию планет.

Дал Шмидт и объяснение происхождению астероидов и комет, предположив, что пояс астероидов представлял собой несформировавшуюся планету – это было подтверждено и соответствующими расчетами. Было показано, что основными источниками астероидов и облаков комет стали все планеты-гиганты Солнечной системы.

Ныне исследователи пришли к решению первой части шмидтовской концепции – выяснению происхождения допланетного облака. При этом рабочим инструментом в интерпретации космических наблюдений служит т. н. модель Шмидта – Сафронова.

Разносторонней деятельности Шмидта можно только удивляться. Он первым в отечественной науке исследовал закономерности эмиссионного процесса в финансовой сфере, первым из русских альпинистов покорил шеститысячник, организовал первые полярные экспедиции 1930-х гг., сам участвовал в них…

Когда в 1934 г. пароход «Челюскин» был затерт льдами и затонул, а экспедиция под командованием Шмидта в составе 104 человек (в их

числе 10 женщин и двое маленьких детей) высадилась на лед, Отто Юльевич сплотил челюскинцев, организовал их быт, наладил научно-исследовательскую работу, не давал падать духом, пока всех их не вывезли на самолетах на Большую землю.

Эта эпопея прославила Шмидта и челюскинцев на весь мир. Б. Шоу, например, искренне изумился: «Что вы за страна!.. Полярную трагедию вы превратили в национальное торжество… На роль главного героя ледовой драмы нашли настоящего Деда Мороза с большой бородой… Уверяю вас, что борода Шмидта завоевала вам тысячи новых друзей!»

Для полярника не прошли бесследно арктические приключения; переболев и пневмонией, и туберкулезом, Отто Юльевич умер 7 сентября 1956 г. в возрасте 64 лет.

SZeffect и другие эффекты Сюняева

Физик, астрофизик; профессор МФТИ и почетный профессор 20 ведущих университетов и институтов мира, член 20 зарубежных академий и научных обществ, академик АН СССР (РАН); главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, директор астрофизического отделения Института Макса Планка в Гархинге (Германия); руководитель нескольких международных космических проектов; главный редактор журналов «Письма в Астрономический журнал» и «Astrophysics and Space Physics Reviews»; лауреат 17 отечественных и международных наград, в том числе Государственной премии РФ и премии Крафурда по астрономии Королевской АН Швеции (аналог Нобелевской) – Рашид Алиевич Сюняев (род. 1943) написал 1400 персональных и коллективных работ (данные SAO/NASA ADS) по теоретической астрофизике, космологии, астрофизике высоких энергий, рентгеновской астрономии, космическим исследованиям, взаимодействию вещества и излучения в астрофизических условиях. Несколько фундаментальных открытий ученого: эффект Сюняева – Зельдовича (SZeffect), теория дисковой аккреции (совместно с Н.И. Шакурой) и др. – принадлежат к числу самых цитируемых трудов в области астрофизики.

Р.А. Сюняев не раз возглавлял отечественные и международные коллективы ученых, занимавшиеся астрофизическими исследованиями Вселенной: рентгеновскими, гамма- и прочими наблюдениями с модуля «Квант» комплекса орбитальной станции «Мир», с орбитальной обсерватории ГРАНАТ, с гамма-обсерватории ИНТЕГРАЛ, в рамках международного астрофизического проекта «Спектр-Рентген-Гамма»…

Уже свыше 30 лет Сюняев является непререкаемым авторитетом в одном из важнейших разделов астрономии, космологии – физическом учении «о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной как части целого» (БСЭ). Эта наука основывается на системе знаний эпохи, прежде всего – на законах физики и на результатах исследования однородности, изотропности и расширения части Вселенной, доступной для астрономических наблюдений.

В фундаменте космологии заложены общая теория относительности, теория поля, внегалактическая астрономия и другие науки. Общепринятой стала модель горячей Вселенной, в которой на ранней стадии развития вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение привело к их постепенному охлаждению и образованию атомов, галактик, звезд и других космических тел. Наблюдаемое реликтовое излучение с температурой около 3 °К – это «остывшее» излучение, сохранившееся с ранних стадий развития Вселенной, со времен Большого взрыва. Снижение температуры микроволнового фонового излучения, происходящее при его взаимодействии с массивными объектами получило название эффекта Сюняева – Зельдовича. (Я.Б. Зельдович – академик АН СССР, выдающийся физико-химик.) В терминах астрофизики SZeffect интерпретируют как «изменение интенсивности радиоизлучения реликтового фона из-за обратного эффекта Комптона на горячих электронах межзвездного и межгалактического газа».

Р.А. Сюняев

Приводя еще и формулу изменения радиоизлучения (даже с расшифровкой всех латинских букв), мы вряд ли проясним сущность этого открытия непосвященным:

В этом выражении главным символом является y. Суть же эффекта такова: «Кванты редкого излучения при пролете через галактику, могут получать дополнительный “толчок” от движущихся с высокими скоростями электронов» (А. Тимошенко.) То есть при прохождении фотонов через горячий газ часть их рассеивается на электронах, получая при этом некоторую энергию. Отклонение спектра фотонов от спектра абсолютно черного тела и есть y.

Статья Сюняева и Зельдовича «The observations of relic radiation as a test of the nature of X-ray radiation from the clusters of galaxies», содержащая это открытие, была опубликована в 1972 г.

О «практическом» применении эффекта Сюняева – Зельдовича можно найти сообщения в астрофизических журналах, в пресс-релизах астрофизических центров, на официальных сайтах РОСКОСМОСА и НАСА, в СМИ. То и дело появляются новые сообщения о том, как с использованием этого эффекта астрономы обнаружили 10 новых скоплений галактик; идентифицировали 20 из 169 подобных скоплений; открыли самое большое из известных скоплений галактик – объект SPT-CL J0546–5345 массой в 800 триллионов Солнц и т. д. Одна из последних публикаций сообщает о необъяснимом природном явлении – движении со скоростью в миллионы км/час под действием неизвестных сил галактик, удаленных от Земли на расстояние 300—2500 млн световых лет. Попутно говорится и об аномальном замедлении системы зондов «Пионер» (автоматических межпланетных станций), летящих за рамки Солнечной системы…

Эффект Сюняева – Зельдовича позволяет определять расстояние до скоплений галактик с горячим межгалактическим газом, постоянную Хаббла, характеризующую темп расширения и возраст Вселенной, измерять скорость движения скопления галактик относительно микроволнового фонового (реликтового) излучения.

Более полная информация о десятках тысяч далеких скоплений галактик по эффекту Сюняева – Зельдовича позволит ученым судить о параметрах нашей Вселенной, даст возможность «уточнить природу “темной энергии” и наблюдать эволюцию темпа расширения Вселенной и постоянной Хаббла».

За это открытие Международный астрономический союз присудил Р.А. Сюняеву важнейшую в мире награду в области космологии – премию Грубера и Золотую медаль (2003), а в 2008 г. ученый был удостоен премии Крафурда Королевской АН Швеции – аналога Нобелевской премии.

Нобелевскую премию теоретикам (особенно советско-российским) присуждать не любят, а вот зарубежные экспериментаторы за подтверждение этого открытия две премии получили.

Не менее важным открытием Сюняева в астрофизике стала «стандартная теория» аккреции (процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства) на релятивистские звезды, созданная им совместно с астрофизиком Н.И. Шакурой (1972–1973). Это учение является сегодня основой при описании процессов в окрестностях черных дыр и нейтронных звезд.

В 1970 г. у Сюняева и Зельдовича вышла статья «Small-scale fluctuations of relic radiation», в которой ученые «предсказали существование акустических пиков в угловом распределении реликтового излучения». В 1983 г. это явление было обнаружено при наблюдениях, а через 17 лет с его помощью впервые была измерена скорость галактик. Сегодня изучением перемещений галактик занимаются специализированные спутники, обычное радио-, оптические и

инфракрасные телескопы. Мировое значение имеют работы астрофизика, связанные с наблюдением рентгеновских лучей от Сверхновой в Большом Магеллановом облаке 1987А; открытием восьми черных дыр в нашей Галактике и подтверждением описанного Сюняевым механизма засасывания вещества черными дырами (1987–1992); получением формулы Сюняева – Титарчука, описывающей формирование спектров излучения в горячей астрофизической плазме. В 2000 г. Сюняев получил Государственную премию России за результаты наблюдений черных дыр и нейтронных звезд приборами орбитальной обсерватории ГРАНАТ.

Сегодня коллективные работы – залог успеха большинства исследований. У Сюняева много таких трудов: с Я.Б. Зельдовичем и В.Г. Куртом они рассчитали кинетику рекомбинации водорода во Вселенной; с Ю.Н. Гнединым предсказали существование циклотронных линий в спектре излучения рентгеновских пульсаров – нейтронных звезд с сильными магнитными полями; с В.М. Лютым и А.М. Черепащуком предложили оптические методы поиска двойных рентгеновских систем и т. д.

Физика

Вольтова дуга Петрова

Электротехник, самоучка физик-экспериментатор, лектор; преподаватель курса физики и математики в Академии художеств и во 2-м Кадетском корпусе, заслуженный профессор и заведующий кафедрой физики Императорской медико-хирургической академии, академик Петербургской АН и Медико-хирургической академии, почетный член Эрлангенского физико-математического общества и ряда других ученых обществ; создатель и руководитель физического кабинета; действительный статский советник, Василий Владимирович Петров (1761–1834) является одним из первых русских исследователей в области электротехники и практического применения электричества. Первым в мире наблюдал дуговой разряд и открыл электросварку.

В XVIII–XIX вв. Россия напоминала прихожую, сквозь которую научные открытия проходили в горницу Европы не задерживаясь. Стоило русским ученым вдруг заявить о своем приоритете, Европа каждый раз недоумевала так, точно эти открытия не к ней зашли через переднюю, а от нее вышли в свет. Открытие В.В. Петровым электросварки прекрасно иллюстрирует сей казус. «Трагедия изоляции от мировой науки работ Ломоносова, Петрова и других наших ученых-одиночек и состояла только в том, что они не могли включиться в коллективную работу ученых за границей, так как они не имели возможности путешествовать за границу. Это и есть ответ на вопрос – о причине отсутствия влияния их работ на мировую науку… Работы ученого, происходящие вне коллектива, обычно остаются незамеченными» (П.Л. Капица).

Время, а еще больше старания министра просвещения С.С. Уварова, питавшего к Василию Владимировичу за его независимость суждений личную неприязнь, убрали из памяти потомков имя и дела Петрова (не сохранился даже портрет ученого, и была заброшена его могила). Во всяком случае, русские физики, а тем более европейские во второй половине XIX в. не имели никакого представления о великих трудах электротехника. В 1886 г. на глаза одному студенту случайно попалась работа Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (180), о которой тот поведал научной общественности. Русскому ученому был возвращен приоритет открытия электросварки, принадлежавший английскому физику Г. Дэви, который, кстати, вовсе и не претендовал на первенство. Англичанин, хорошо наслышанный об экспериментах Петрова, в 1808 г. лишь повторил их.

Что же это были за опыты? Если коротко, уникальные и преждевременные. Наука и экспериментальная база еще не были готовы к ним.

Посему исследователь действовал больше по наитию, но ведомый своим гением. «Отец русской электротехники», как любят называть сейчас Петрова историки науки, прекрасный педагог, в стенах Медико-хирургической академии, где он заведовал кафедрой, оборудовал лучший в России (да и, быть может, в мире) физический кабинет, оснастил его приобретенными у графа Д.П. Бутурлина, а также в Лондоне физическими приборами, и по 14 часов в день с упоением занимался физическими и химическими опытами.

В.В. Петров. Гравюра XIX в.

Эксперименты давали физику ответ на многие вопросы теории, почерпнутые им в том числе и из книг и журнальных статей европейских ученых, после чего он демонстрировал их студентам на занятиях. Собственно, это «хобби» и привело ученого к его открытиям. Одним из постоянных увлечений Петрова было электричество. Заинтересовавшись открытиями Л. Гальвани и А. Вольта, особенно вольтовым столбом – гальванической батареей, сооруженной Вольта в 1800 г., представлявшей собой прибор из нескольких десятков чашек, заполненных соленой водой и объединенных металлическими дугами из меди и цинка, Петров решил сконструировать такую же. Что и сделал, но воистину в российских масштабах – увеличил число элементов батареи сразу на два порядка!

Соединив последовательно 2100 пар медных и цинковых кружков, которые изолировались друг от друга бумажными кружками, смоченными электролитом – водным раствором нашатыря, физик собрал огромную гальваническую батарею, электродвижущая сила которой достигала 1700 вольт, и получил на ней мощный источник электрического тока.

Если эти тысячи элементов выстроить в столб, как их собирал Вольта, они достигли бы длины 12 метров, и с ними вряд ли можно было бы проводить какие-либо опыты. Однако ученый сумел уложить все эти «кружочки» в достаточно компактный трехметровый ящик, явивший собою воистину инженерное чудо. (Через 150 лет в Московском  энергетическом институте была воссоздана

/

часть гальванической батареи, на которой повторили эксперимент, давший точные характеристики аппарата Петрова. – Я.А. Шнейберг.)

Проводя на батарее разнообразные эксперименты, Петров прикрепил к ее полюсам две проволоки с прикрученными кусочками древесного угля, соединил электроды, потом развел их – и получил ослепительную вспышку белого пламени. Это и была электрическая дуга, названная позднее «вольтовой».

Многократно повторив опыты, ученый издал в 1803 г. великолепную во всех смыслах книгу «Известие о гальвани-вольтовских опытах», не нашедшую, к сожалению, должного сочувствия к ней в Министерстве просвещения и в научных кругах. В этом труде, написанном «наипаче для пользы тех читателей, которые… живут в отдаленных от обеих столиц местах и которые не имели случая приобрести нужные понятия в сих предметах», ученый описал свою уникальную батарею и обстоятельно изложил исследования свойств электрической дуги. Петров убедительно показал, что действие дуги основано на химических процессах, происходящих между металлами и электролитом, а также предложил использовать электрическую дугу для освещения, плавления и варки металлов, восстановления металлов из их окислов.

На этой и других установках академик изучал электропроводность и физико-химические свойства разных веществ – древесного угля, льда, фосфора, серы; исследовал электрические явления в различных газовых средах; впервые произвел опыты электролиза (разложения посредством электрического тока) жидкостей – воды, алкоголя, растительных масел, окислов металлов (ртути, свинца, олова); вел изучение

«действия Гальвани-Вольтовской жидкости на тела живых, особливо животных», а также свечение фосфоров животного и минерального царства (люминесценцию); впервые применил изоляцию сургучом проволочного проводника и параллельное соединение электрических цепей; первым в мире исследовал электрические явления с наэлектризованными телами в разреженном пространстве (электрический разряд в вакууме, статическое электричество, электризация тел); за 25 лет до Г.С. Ома установил зависимость силы постоянного тока от площади поперечного сечения проводника, чем «предвосхитил закон Ома»; ввел в электротехнику термин «сопротивление»…

Надо сказать, что многие труды Петрова стали не только фактом истории, но и по сию пору представляют научный интерес. Академик С.И. Вавилов, например, относил работы Петрова по люминесценции чуть ли не к последнему слову науки. Президент АН вообще отвел Василию Владимировичу не оспариваемое никем место: «В истории русской физики до половины XIX в. В.В. Петров не только хронологически, но и по своему значению непосредственно следует за М.В. Ломоносовым».

Законы Ленца

Физик, геофизик, геодезист, электротехник, географ, путешественник, педагог; профессор Морского кадетского корпуса, Михайловской артиллерийской академии, Главного педагогического института, Михайловского артиллерийского училища; профессор, заведующий кафедрой физики и физической географии, декан физико-математического факультета, ректор Санкт-Петербургского университета; академик императорской Санкт-Петербургской АН, член ряда зарубежных АН и научных обществ Европы; основатель научной школы физиков; один из учредителей Русского географического общества; создатель учебников физики для средних школ; тайный советник, Эмилий Христианович Ленц, настоящее имя Генрих Фридрих Эмиль Ленц (1804–1865), является автором фундаментальных законов электродинамики. Ленц установил факт обратимости магнитоэлектрической машины и электродвигателя, совместно с академиком Б.С. Якоби разработал методы расчета электромагнитов.

Помимо главного закона сохранения и превращения в каждом разделе физики есть еще несколько основных законов. Скажем, в механике это закон Архимеда, закон всемирного тяготения, законы Ньютона и т. д. В электричестве и магнетизме – законы Ома, Кулона и др. Среди них два принадлежат Э.Х. Ленцу: закон его имени (его часто называют правилом) и закон Джоуля – Ленца, открытый в начале 1840-х гг. экспериментальным путем независимо друг от друга обоими учеными. Ленц получил и интерпретировал результаты раньше Дж. Джоуля, и благодаря более совершенному методу они у него были точнее, но английский физик опередил русского с публикацией. Тут уж ничего не поделаешь – такова планида у русских ученых! Есть у Ленца и два «довесочка»: в законе электромагнитной индукции Фарадея по закону Ленца определяется знак электродвижущей силы (ЭДС); а еще Эмилий Христианович первым обратил внимание на закон Ома и всячески содействовал его признанию.

После открытия датским ученым Х.К. Эрстедом в 1820 г. электромагнетизма (электродинамики), ученые разных стран – А. Ампер, М. Фарадей, Д.К. Максвелл, Г. Герц и др. – добились в новой области науки впечатляющих достижений. Однако из-за отсутствия точных приборов, а также методов измерения электрических и магнитных величин в формулах и теориях зачастую не было и однозначных трактовок.

Э.Х. Ленц

В частности, отсутствовала количественная характеристика электромагнитной индукции (явления возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него), не было правила (исключая несколько мнемонических), определяющего направление индуктированных токов, и др. Большую часть этих сложных физических проблем разрешил один из лучших экспериментаторов своего времени Э.Х. Ленц.

В 1833 г. ученый представил Петербургской АН доклад «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», в котором указал на различное толкование Фарадеем индуцируемых токов в случае вольта-электрической и в случае магнитоэлектрической индукции и объявил, что в обоих случаях действует один и тот же индукционный процесс, подчиняющийся общему правилу: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Теоретические выкладки подкреплялись блестящими экспериментами, показывающими, что индукционный ток всегда противодействует изменению, порождающему его. С тех пор правило Ленца, предписывая направление движения индукционного тока, действует в электромагнитной индукции, как правила уличного движения на городских улицах.

Выводя свое правило, Ленц впервые обосновал и справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. Перемещая магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника, ученый показал, что механическая энергия этого перемещения превращается в электромагнитную энергию тока индукции. «Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике», – заметил физик. Закон сохранения и превращения энергии в его современном виде был открыт лишь через восемь лет после доклада Ленца немецким физиком Р. Майером.

Работы Ленца в этом направлении позволили ему впервые сформулировать в 1833 г. фундаментальный принцип обратимости электрических машин. Экспериментально доказав обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин, физик совершил настоящий переворот в развитии электротехники.

Не менее значительны исследования Ленцем теплового действия электрического тока. В 1832 г. ученый впервые обратил внимание на изменение проводимости нагреваемых металлических проводников. Сконструировав прибор для измерения количества тепла, выделяемого при прохождении тока в платиновой проволоке, ученый провел большую серию опытов, позволивших ему сформулировать в 1843 г. новый закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Как уже было сказано, Джоуль, проводя аналогичные эксперименты, выполнил гораздо меньше измерений и пользовался менее точным прибором. Научное сообщество не стало мелочиться и отдало приоритет в открытии закона обоим ученым.

Закон Джоуля – Ленца определяет количество тепла Q, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока: Q пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I в цепи и времени прохождения тока t:

Q = aI

Rt,

где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранных единиц измерения.

Сфера применения закона обширна. На нем основан расчет всех электрических цепей и электронных схем,

электроосветительных установок, нагревательных и отопительных электроприборов.

Согласно закону, для уменьшения тепловых потерь в линиях электропередач повышают передаваемое напряжение, что снижает силу тока, а значит, и нагрев провода. Чтобы проводник чрезмерно не разогревался и не стал источником пожара, ввели нормы расчета сечений проводов.

На принципе разогрева проводника при увеличении его электрического сопротивления устроены все электронагревательные приборы, нагревательные элементы которых изготавливают из специальных тугоплавких сплавов с высоким удельным сопротивлением (нихром, константан) и по возможности большой длины и малого сечения провода.

Для защиты электрических цепей от протекания токов высокой силы используют электрические (плавкие) одноразовые предохранители относительно малого сечения из легкоплавкого сплава. При перегрузке в сети и при коротком замыкании тока эти проводники расплавляются и размыкают цепь, предохраняя ее от перегрева и возгорания.

Поток Энергии Умова

Физик, философ, педагог, лектор, пропагандист, популяризатор науки, общественный деятель; профессор Новороссийского и Московского университетов, Московского технического училища; почетный доктор Глазговского университета; основатель (совместно с П.Н. Лебедевым) Физического института при Московском университете; президент Московского общества испытателей природы, председатель Московского педагогического общества, товарищ председателя Общества содействия успехам опытных наук и практических применений им. Х.С. Леденцова; издатель и главный редактор журнала «Научное слово», Николай Алексеевич Умов (1846–1915) является автором учения о движении энергии в телах, базового понятия в новейшей физике – потока энергии, т. н. вектора Умова. Умов – первооткрыватель классической формулы общего уравнения движения энергии.

Н.А. Умов

Человечество с каждым годом все больше нуждается в энергии – механической, тепловой, химической, электрической, ядерной. Все эти формы энергии, трансформируясь друг в друга, дают совокупность энергетических процессов, без которых не обойтись ни обывателям, ни ученым. Последних всегда интересовал вопрос – каким образом происходит эта трансформация и как повысить ее КПД?

Схематично это выглядит так. В замкнутый объем через поверхность поступает первичная энергия, а затем выходит преобразованная (разумеется, в рамках закона сохранения энергии). Плотность потока энергии (S

) при этом ограничена физическими свойствами среды, через которую она течет. Этот термин – плотность потока энергии – ввел в начале 1870-х гг. русский физик Н.А. Умов, опубликовавший несколько работ о движении энергии, в которых развил представления о плотности энергии в данной точке среды, скорости и направлении движения энергии, о локализации потока энергии в пространстве.

Ученый составил дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидких телах, интегрируя которые и применяя к распространению волн в упругой среде, пришел к заключению, что энергия целиком переносится волной от одной точки к другой. «Количество энергии, проходящей через элемент поверхности тела в единицу времени, равно силе давления или натяжения, действующей на этот элемент, умноженной на скорость движения элемента» – этот вывод называется теоремой Умова.

Уравнение непрерывности в свободном пространстве для движущихся упругих сред и вязких жидкостей имеет вид:

где S

= wv; w – плотность энергии; v – скорость движения среды.

После защиты ученым в 1874 г. докторской диссертации «Уравнения движения энергии в телах» S

принято называть в нашей стране p вектором Умова.

В 1884 г. английский физик Д. Пойнтинг, независимо от Умова и ничего не зная о трудах русского ученого, получил подобное выражение для частного случая – электромагнитного поля (поперечных электромагнитных волн). На Западе без особых рефлексий вектор Умова переименовали в вектор Пойнтинга (S

):

S

= [E ? H]; E и H – напряженности электрического и магнитного полей.

Сам Умов, кстати, отмечал, что его выводы применимы и в электромагнитных полях.

Необходимо различать принципиальную разницу между этими u понятиями – S

и S

. Вектор Пойнтинга можно рассматривать только применительно к электромагнитным полям, тогда как вектор Умова применим ко всем силовым полям без исключения, поскольку сами уравнения движения энергии получены Умовым для движения любого вида энергии, происходящего в любой среде, то есть носят самый общий характер.

Не прибегая к выкладкам, заметим еще, что вектор Умова S

описывает конвективный перенос энергии из одной точки пространства в другую, в частности полем движущегося заряда; а вектор Пойнтинга связан лишь с переносом энергии электромагнитными волнами.

Труды Умова своей математической сложностью представляли «крепкий орешек» для российских и зарубежных коллег Николая Алексеевича. Утверждали даже, что они «лишены какого бы то ни было научного смысла и представляют собой… простой набор математических формул». Раскусили их не сразу, но, раскусив, буквально растащили на цитаты, при этом не всегда озвучивая автора.

Так было и в других случаях. Когда Умов показал свою блестящую работу «О стационарном движении электричества на проводящих поверхностях произвольного вида» немецкому физику Г. Кирхгофу, тот тут же умыкнул главные положения этого исследования и опубликовал их под своим именем (не забыв, правда, упомянуть и русского ученого). Фактически то же самое произошло и со знаменитой формулой E = mc

, которую русский физик получил лет за тридцать до А. Эйнштейна – опять же как общий случай для волновых процессов в упругих средах. (Умов вывел соотношение между энергией волновых полей и их инерцией: dE = c

dm).

Но вернемся к вектору и к области его применения. Надо сказать, что область эта – широчайшая, как в науке, как и в технике. Без вектора Умова не обойтись при освоении нового вида энергии (скажем, термоядерной), при разработке сложного и дорогостоящего технического устройства (ТОКОМАК).

35 лет назад, в преддверии глобального мирового энергетического кризиса из-за исчерпания природных энергетических ресурсов, П.Л. Капица в одном из своих докладов, посвященных энергетической проблеме, обосновывая свои положения в выборе того или иного вида энергии, оперировал только вектором Умова. Рассматривая альтернативные способы получения энергии, академик подчеркивал удобство вектора Умова для изучения процессов преобразования энергии. При этом Капица привел примеры, как с помощью этого вектора определяют предельную мощность мотора или турбины; мощность трансмиссии ременной передачи; предельную мощность, передаваемую лентой в генераторе типа Ванде-Граафа; предельную мощность в газовых, химических элементах, в солнечных батареях, геотермальных источниках; как находят предельную высоту, на которой может летать турбореактивный самолет, и т. д.

К сказанному Капицей можно добавить, что вектор Умова применяют для проектирования электромагнитных излучателей и направляющих систем в радиоэлектронной аппаратуре, для расчета энергетических

характеристик антенн, в частности, сопротивления излучения выпускных самолетных антенн. Вектор необходим при определении оптимальной аэродинамической конструкции летательного аппарата в поле скоростей. В процессах и аппаратах химических технологий его используют для составления детерминированных и идеальных математических моделей. В электротехнике с его помощью определяют внутреннее активное и реактивное сопротивление проводника и т. д. и т. п.

«Представления Умова о движении и распределении энергии в средах, о ее потоке, скорости и направлении являются общепризнанными в современной физике. Они прочно завоевали себе место в таких ее разделах, как теория поля, электродинамика, оптика, акустика, гидродинамика… Именно Умов изложил очень ценную идею об универсальности всех силовых взаимодействий в природе» (профессор А.Л. Шаляпин).

Писатель Андрей Белый оставил яркие воспоминания о своем преподавателе – Н.А. Умове, в котором адекватно своему учителю употребил много редких, но метких слов: «Огромная область физика была им высечена перед нами, как художественное произведение, единообразное по стилю… Он вводил нас в суть вопроса, как жрец, сперва протомив подготовкою; взвивал занавесь, и мы видели не историю становления вопроса, а некую драму-мистерию; так, пленив нас вопросом, он углублялся уже в детализацию и раскрытие чисто математических формул».

«Свеча Яблочкова»

Электротехник, военный инженер, конструктор, изобретатель, предприниматель; действительный член Французского физического общества, заместитель председателя Электротехнического отдела императорского Русского технического общества (РТО); начальник службы телеграфа Московско-Курской железной дороги, директор мастерской физических приборов (Москва), руководитель технического отдела французской «Генеральной компании электричества с патентами Яблочкова» (Париж), глава акционерного товарищества «Яблочков-изобретатель и К°»; кавалер именной медали РТО и французского ордена Почетного легиона, Павел Николаевич Яблочков (1847–1894) известен многими научными работами и изобретениями в области электротехники – электромагнитов, сепараторов для разделения катодного и анодного пространства, первого генератора и первого трансформатора переменного тока, системы «дробления» электрического света, химических источников тока. Всемирную славу получил Яблочков за свою дуговую лампу – «свечу Яблочкова».

Как освещались полтора века назад улицы наших городов? Хотя бы Москвы. О деревнях не будем. Накануне нашествия «двунадесяти языков» улицы Белокаменной с сентября по май освещали 7000 масляных фонарей на деревянных столбах. Фонари были в версте друг от друга, конопляное масло (а были времена, и спирт) воровали, так что слово «освещали» мало отражало суть этого физического явления.

В 1862 г. масло сменил керосин. Десятилинейные девятисвечевые керосиновые фонари освещали центр древней столицы, а пятилинейные – бросали жидкий свет на окраинах. Через 3 года появились 3000 газовых английских фонарей. Для «большой деревни» этого было явно недостаточно, поэтому вопрос об освещении улиц во второй половине XIX в. стоял довольно остро. Кстати, не только в Москве, но и во всем мире, прежде всего в европейских столицах, где фонарей было больше, но тех же – английских.

Ипподром в Париже, освещённый «свечами Яблочкова». Гравюра XIX в.

В 1872 г. русский электротехник А.Н. Лодыгин подал заявку на изобретение электрической лампы накаливания, в которой нитью накала служил угольный стержень, помещенный в вакуумированный сосуд, а в 1874 г. получил патент за номером 1619. Тогда же состоялись демонстрации по освещению улиц и помещений в ряде мест Петербурга. Вызвав общественный резонанс, лампы накаливания тем не менее не нашли спроса из-за несовершенства конструкции. Но они подготовили почву для изобретения П.Н. Яблочковым (в мастерских которого Лодыгин какое-то время работал) электрической свечи, а позднее и для работ американца Т.А. Эдисона (патент 1880 г.), с благодарностью позаимствовавшего принцип действия изобретения предшественника и добавившего к нему свою придумку – угольную нить из бамбука, существенно увеличившую срок службы лампы.

12 декабря 1876 г. впервые вспыхнул свет «свечи Яблочкова» (французский патент № 112024, 1876). К этому дню ученый шел несколько лет.

Будучи членом кружка электриков-изобретателей и любителей электротехники при Московском политехническом музее, Яблочков узнал об опытах Лодыгина по освещению улиц и помещений лампами накаливания и загорелся идеей найти дуговой лампе Фуко с ручным регулированием длины дуги новую область практического применения. Дуговые лампы от электрических отличаются тем, что в них под действием электрического разряда светится газ между электродами, а в лампах накаливания свет излучает нагретая нить.

Установив впервые в истории железнодорожного транспорта на паровозе прожектор с такой дуговой лампой, Яблочков был разочарован хотя и эффектным освещением пути следования, но чрезвычайно неэффективным ручным регулированием и решил усовершенствовать лампу Фуко, имевшую горизонтальное расположение угольных электродов.

Как-то занимаясь опытами по электролизу растворов поваренной соли, Яблочков обратил внимание на вспышку между двумя случайно коснувшимися друг друга угольными пластинками-электродами, после чего остановился на варианте дуговой лампы без регулятора межэлектродного расстояния.

Поставив электроды вертикально, изобретатель разделил их слоем изолятора – фарфоровой вставкой, а зажигание производил сведением электродов до соприкосновения (с последующим разведением). Во время работы лампы электроды сгорали и испарялись, но нужное расстояние между ними поддерживалось автоматически.

Это простейшее (но и гениальное) устройство, в котором ученый добился главного – саморегулирования свечения, тут же получило название «свеча Яблочкова». Местом первой демонстрации нового источника света стал Лондон. В столицах Европы, Америки, Азии «русский свет» осветил универсальные магазины и театры, площади и улицы, а во дворцах персидского шаха и короля Камбоджи не могли нарадоваться яркости голубого и оранжевого (в зависимости от состава вещества в прокладке между углями) «северного света». В России впервые электрическое освещение по системе Яблочкова было проведено в 1878 г. в казармах Кронштадта и в Большом театре Петербурга.

Пресса изливала восторг и вещала о новой эре в развитии электротехники. Во Французской академии и в других крупнейших научных обществах Европы изобретению русского ученого был посвящен ряд докладов. На электротехнической выставке 1881 г. в Париже изобретения Яблочкова, признанные вне конкурса, получили высшую награду. Словом, мир получил свет, а Яблочков – мировое признание.

Надо отметить, что Яблочков не только изобрел свечу, но и обеспечил ей скорейшее внедрение. Оснастил осветительные установки генераторами переменного тока; рассчитал и предложил цепи из произвольного числа свечей; добился увеличения их долговечности (из-за быстрого сгорания электродов первых свеч хватало на 1,5 часа); разработал системы распределения тока

при посредстве индукционных приборов – предшественников современных трансформаторов.

Товарищество «Яблочков-изобретатель и К°» какое-то время процветало, но поскольку Павлу Николаевичу за непрестанными расчетами и опытами некогда было самому заниматься делами фирмы, ими занимались проходимцы, которые оставили изобретателя ни с чем.

Через несколько лет яркие, но неэкономичные дуговые лампы заменились лампами накаливания, но не ушли, а заняли свою достойную нишу среди прочих источников света.

Позднее вольтову дугу стали заключать в лишенную кислорода атмосферу, чем повысили непрерывность горения до 200 часов. Сейчас вместо вакуума применяют инертные газы. Широкое применение нашли источники особо яркого (белого) света – ртутные и ксеноновые дуговые газоразрядные лампы. Для получения желтого и оранжевого цветов применяют натриевые лампы соответственно низкого и высокого давления, пользующиеся славой самых эффективных источников света.

Собственно же дуговая угольная лампа Яблочкова в ее первозданном виде получила широчайшее распространение в XX в. в прожекторостроении, кинопроекционной аппаратуре, в мощных облучательных установках, находящих большое применение. Так, например, в оптических печах исследуют физико-химические свойства материалов при высоких температурах, изучают влияние интенсивных лучистых потоков на материалы и организмы, осуществляют плавку в особо чистых условиях, сварку и пайку тугоплавких материалов, выращивают монокристаллы, занимаются рафинированием цветных металлов и т. д.

Свеча Яблочкова повлияла на многие работы в области электрического освещения, в частности инициировала возникновение научной фотометрии.

«Свеча Яблочкова дала электротехнике такой же сильный толчок на пути разнообразнейших практических применений электричества, какой паровая машина Уатта дала применениям пара в промышленности» (академик Н.П. Петров).

Помимо своего главного изобретения Павел Николаевич предложил еще электрическую лампочку другого типа – каолиновую, свечение которой происходило от огнеупорных тел, накаляемых электрическим током. Этот принцип спустя четверть века был использован в лампе Нернста.

Ученый создал еще несколько электрических машин и химических источников тока, принесших славу России в области электротехники; получил ряд патентов на магнитоэлектрическую машину переменного тока без вращательного движения; на магнитодинамоэлектрическую машину, на машину переменного тока с вращающимся индуктором, полюсы которого были расположены на винтовой линии; на электродвигатель-генератор, могущий работать на переменном и на постоянном токе, и т. д. В Санкт-Петербурге Яблочков основал электромеханический завод, учредил первый русский электротехнический журнал «Электричество» (1880).

Т.А. Эдисон прожил свою жизнь в богатстве, в свете славы и «ламп Эдисона», а П.Н. Яблочков умер в бедности, редко вспоминаемый кем, 31 марта 1894 г. в Саратове, улицы которого освещали тогда в лучшем случае газовыми английскими фонарями, хотя в концертном зале на Немецкой улице и в гостинице «Россия» уже горели электрические фонари по 550 свечей каждый.

Лампа накаливания Лодыгина

Физик, электротехник, инженер, конструктор, изобретатель; народник; заводской слесарь, молотобоец, сотрудник строительного управления Петербургской железной дороги, заведующий подстанциями городского трамвая в Петербурге, преподаватель Петербургского электротехнического института; основатель первых ламповых производств во Франции и заводов по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана в США; создатель компании «Русское товарищество электрического освещения Лодыгин и К°»; действительный член Русского технического общества; участник многих международных выставок; лауреат Ломоносовской премии Петербургской АН; кавалер ордена Станислава 3-й степени; почетный инженер-электрик Электротехнического института императора Александра III (ЭТИ), Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923) изобрел лампу накаливания. Лодыгин известен также как основатель промышленной электротермии, разработчик электрических печей сопротивления и индукционных для плавки металлов, меленита, стекла, закалки и отжига стальных изделий, получения фосфора, кремния.

А.Н. Лодыгин для России – то же самое, что Т. Эдисон для Америки. Речь идет не о количестве патентов, а о значении инженерного и научного вклада в престиж страны.

Лампа накаливания Лодыгина – изобретение ранга теплового двигателя Ползунова или самолета Можайского, названия которых остались навеки связанными с именами создателей. Увы, всякое великое научно-техническое достижение – искус для других изобретателей. Эдисон, позаимствовавший принцип лампы накаливания у Лодыгина, даже предъявил иск автору этой идеи, но суд отклонил заявление американца, сославшись на первенство русского изобретателя. Приоритет изобретения лампы накаливания оспаривался многими лицами, но ни один «патентный процесс» ими выигран не был, так как главные составляющие лампы накаливания – стеклянная колба с откачанным воздухом и угольная, а позднее вольфрамовая нить, на поиск которой Александр Николаевич потратил 27 лет жизни, были запатентованными изобретениями Лодыгина.

И все же Эдисону надо отдать должное – благодаря вложенной им в модернизацию лампы огромной сумме денег, многочисленным экспериментам, нескольким новшествам, налаживанию по всему миру ее промышленного производства, рекламной кампании лампу Лодыгина стали называть лампочкой Эдисона. Это, правда, не изменило сути дела. Ведь ее в свое время называли «лампой Козлова», «лампой Конна» (владельцы акций «Товарищества электрического освещения А.Н. Лодыгин и К°») – именами дельцов, но отнюдь не изобретателей, а в советское и вовсе «лампочкой Ильича».

Будем считать все это научно-техническим казусом, тем более что все-таки Лодыгин первым изобрел лампу накаливания, первым запатентовал ее в России и за рубежом и первым осветил учреждения и городские улицы – за 6 лет до аналогичных работ Эдисона.

Кстати, историки науки обратили внимание на тот факт, что природа будто нарочно произвела на свет трех человек в один год: в 1847-м – Яблочкова, Лодыгина и Эдисона – с тем, чтобы они могли на равных посоревноваться друг с другом.

В молодости Лодыгина бросало в разные, причем самые новые, мало изученные области техники. В конце 1860-х гг. Александр одновременно занялся созданием летательного аппарата вертикального взлета – электролета (геликоптера, вертолета) и водолазного аппарата. Летательный аппарат, отвергнутый российским военным министерством, настолько заинтересовал французов, воевавших тогда с Пруссией, что они вызвали Лодыгина к себе. Увы, пруссаки победили, а мир, быть может, лишился великого изобретения. 40 лет спустя инженер вернулся к идее электролета, но и тогда она оказалась преждевременной и была использована много позднее.

А.Н. Лодыгин

Проект автономного водолазного скафандра с применением газовой смеси, состоящей из водорода и кислорода, вырабатываемого из воды путем электролиза, предложенный изобретателем в 1871 г., фактически явился прообразом акваланга.

Но

именно работы по электрооборудованию электролета для ночного освещения привели Лодыгина к созданию его главного детища. Начав свои опыты с исследования электрической дуги, инженер обратил внимание на то, что раскаленные концы угольных стержней светят ярче дуги, и тут же стал подыскивать материалы, которые при пропускании тока светились бы не только ярко, но и как можно дольше не перегорали. Остановился изобретатель на двух тонких стержнях из ретортного угля, помещаемых в стеклянный баллон, из которого насосом был откачан воздух. Первые лампочки светились желтоватым светом полчаса, новые модификации – один час, полтора, потом все дольше и дольше…

Впервые лампочку накаливания Лодыгин продемонстрировал для военных на полигоне Волково Поле в Петербурге в 1870 г.

В 1871–1872 гг. изобретатель провел несколько публичных показов электрического освещения лампами накаливания, запитанными от батарей либо от магнитоэлектрических машин переменного тока – в Технологическом институте и Адмиралтействе, в Галерной гавани и на Одесской улице Северной столицы. Этими акциями инженер показал не только самые широкие возможности использования нового освещения, но и возможность «дробить свет», то есть включать большое число источников света в цепь одного генератора электрического тока – эта задача считалась едва ли не самой трудновыполнимой в то время.

Еще два лодыгинских изобретения остались в лампе накаливания – это закрученная в форме спирали нить накаливания и наполнение лампочек инертным газом.

Тогда же Лодыгин подал заявку в Департамент торговли и мануфактур на «Способ и аппараты дешевого электрического освещения», которая болталась по канцеляриям министерства больше двух лет.

В 1874 г. Александр Николаевич получил патент на свою лампу (привилегия № 1619 от 11 июля 1874 г.), после чего запатентовал изобретение в Австро-Венгрии, Испании, Португалии, Италии, Бельгии, Франции, Великобритании, Швеции, Саксонии, Индии и Австралии. В том же году Петербургская АН присвоила Лодыгину ежегодную Ломоносовскую премию.

До ума изобретатель довел свою лампочку после того, как перепробовал в качестве угольных стержней множество материалов. В 1893–1894 гг. Лодыгин получил американские патенты на лампы накаливания с нитью из вольфрама, молибдена и тантала и продемонстрировал новые источники света на Парижской выставке.

Относительная дешевизна ламп, простота их включения, компактность, отсутствие инерционности, малая зависимость параметров от температуры окружающей среды, достаточно высокая надежность и устойчивость к внешним механическим воздействиям и пр. обеспечили им зеленую улицу. И хотя сегодня изобретены другие, более совершенные и долговечные излучатели, лампы накаливания по-прежнему производят в громадных количествах, и они остаются одними из основных источников света.

А.Н. Лодыгина называли «русским Прометеем», «отцом электротермии», «кающимся дворянином». «Последнее определение говорит о глубокой внутренней порядочности и совестливости… Это же подтверждает и участие Лодыгина в народническом движении. Принято считать, что одним из двигателей его научных изысканий было стремление заменить лучины и керосиновые светильники на электрическое освещение в каждом русском доме и избе».

Фотоэффект Столетова

Физик, историк и популяризатор науки, философ, лектор, общественный деятель; профессор Московского университета; участник международных научных конгрессов; организатор первой в России учебно-исследовательской физической лаборатории при Московском университете; основатель и глава первой научной школы физиков; председатель физического отделения Общества любителей естествознания, кавалер золотой медали общества; директор физического отдела при Политехническом музее; член 8 русских и иностранных ученых обществ, почетный член Императорского университета Святого Владимира, Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) является одним из основоположников русской физики. Наиболее важные работы были выполнены Столетовым в области фотоэффекта.

А.Г. Столетов заложил основы русской физики своими трудами и научной школой, воспитавшей десятки выдающихся ученых: П.Н. Лебедева, Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, А.П. Соколова, Б.В. Станкевича. Н.Н. Шиллера, В.С. Щегляева, П.A. Зилова и др.

Из фундаментальных исследований Столетова в области оптики, электромагнетизма и молекулярной физики выделим фотоэффект, работами по которому ученый вписал славную страницу в развитие отечественной физики. Изучению этого явления Столетов посвятил два года жизни (1888–1890). Эти исследования называли тогда актиноэлектрическими.

Памятник А.Г. Столетову у физфака МГУ. Скульптор С.И. Селиханов

К этому времени русский физик был известен своими экспериментальными работами по электростатике и электромагнетизму. Изучая магнитные свойства железа, Столетов нашел зависимость магнитной восприимчивости железа от величины намагничивающего поля (докторская диссертация «Исследования функции намагничивания мягкого железа»). Определяя свойства ферромагнетиков, ученый получил кривую магнитной проницаемости, названную его именем. Исследователь предложил два классических метода магнитных измерений веществ – метод тороида с замкнутой магнитной цепью и баллистическое измерение намагниченности. О своих исследованиях по определению коэффициентов пропорциональности между электростатическими и электромагнитными единицами Столетов доложил на I Всемирном конгрессе электриков в Париже (1881), чем способствовал утверждению электромагнитной теории света. На этом конгрессе по предложению русского ученого была утверждена единица электрического сопротивления – Ом, а также эталон сопротивления, то есть был сделан первый шаг к созданию системы единиц электрических измерений. Предложенные Столетовым теория намагничивания и методы испытаний магнитных свойств железа стали импульсом для развития электротехники в мире.

Внешний фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием света открыл немецкий физик Г. Герц в 1887 г. Облучая один из двух металлических шаров разрядника для излучения электромагнитных волн ультрафиолетовыми лучами, Герц зафиксировал усиление электрического разряда между шарами.

В это же самое время изучением данного явления занимались независимо друг от друга сразу несколько ученых. Немецкий физик В. Гальвакс наблюдал, как заряжается положительно облученная ультрафиолетовым светом металлическая пластинка, итальянский исследователь А. Риги установил возможность фотоэффекта в металлах и в диэлектриках. Русский ученый А.Г. Столетов впервые провел всесторонние экспериментальные исследования и определил природу и основные закономерности этого явления, предложил количественные методы исследования фотоэффекта и фотоэлектрического контроля интенсивности света.

В своих опытах Столетов хотел выяснить, какое количество фотоэлектронов (он называл их зарядами) вырывается с поверхности вещества, от чего зависит их число и чему равна их кинетическая энергия. Ученый помещал в вакуумированный стеклянный баллон сетчатый конденсатор (металлическую сетку – анод и

плоский цинковый диск – катод). Катод, подсоединенный к отрицательному полюсу батареи, облучался ультрафиолетовым излучением от вольтовой дуги через специальное кварцевое окошко. На электроды подавалось напряжение, изменяемое потенциометром.

Под действием света катод испускал отрицательно заряженные частицы (ими оказались электроны), вследствие чего в электрической цепи возникал электрический ток, измеряемый гальванометром. В результате тщательных экспериментов Столетов установил, что при малых напряжениях до анода долетает лишь часть вырванных светом отрицательных частиц, а при увеличении напряжения (и при неизменной интенсивности излучения) сила тока растет. Физик определил также, что при определенной разности потенциалов фототок достигает своего максимума и дальше не растет – выходит на насыщение. Затем ученый установил фактическую безынерционность фотоэффекта, то есть одновременность освещения металла и выхода из него электронов с незначительным запаздыванием фототока в 10—9 с. Изготовив первый фотоэлемент, Столетов обнаружил понижение его чувствительности со временем – т. н. фотоэлектрическое утомление; установил, что фототок возрастал при зачистке поверхности катода и повышении его температуры.

После серии тщательных экспериментов Столетов вывел первый закон фотоэффекта, заключающийся в пропорциональности силы фототока (в том числе фототока насыщения) из металла от интенсивности освещения. Физиком были сформулированы еще два закона фотоэффекта: об уменьшении максимальной скорости электронов с ростом длины волны света и о «красной границе фотоэффекта» – критической длине волны, индивидуальной для каждого металла, с превышением которой фотоэффект прекращается.

Полученные Столетовым зависимости нельзя было объяснить с классических позиций. Позднее английским физиком Дж. Томпсоном и немецким Ф. Ленардом было доказано, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны (1899), а двумя другими немецкими физиками была объяснена квантовая (фотонная) природа света (М. Планк, 1900) и создана теория фотоэффекта (А. Эйнштейн, 1905).

Закономерности, открытые Столетовым, легли в основу современной теории электрического разряда в газах, разработанную Дж. Таунсендом. Английский физик ввел в мировую научную литературу термин «эффект Столетова».

Фотоэффект нашел широчайшее применение в технике. Вакуумная установка русского ученого стала прототипом электронной лампы. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов, используемых для механизации и автоматизации технологических и контрольных процессов; для освещения улиц; в робототехнике; в рентгеновских аппаратах; в фотометрии для измерения силы света, яркости и освещенности; в кино и телевидении для воспроизведения звука (фонограмм); в фототелеграфах и фототелефонах. Фотоэлементы применяют в турникетах метро, в источниках тока в часах и микрокалькуляторах, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях, в динамомашинах, в ЭВМ.

«В своих публичных выступлениях Столетов непременно рассказывал о достижениях науки, об использовании ее в практических целях. “Было время, когда физика только что складывалась… С тех пор наука росла быстро и стала творить чудеса: не ограничиваясь расширением умственного горизонта, она подарила человеку на первых же порах и паровоз, и телеграф, и гальванопластику, и фотографию». Добавим к этому: фотоэффект и фотоэлементы.

Давление света П.Н. Лебедева

Основатель первой русской научной школы физиков, член-корреспондент Российской АН, почетный член Британского Королевского института, профессор Московского университета, Петр Николаевич Лебедев (1866–1912) в историю естествознания вошел как непревзойденный экспериментатор, решивший ряд труднейших проблем современной физики. Главным трудом ученого, количественно подтвердившим электромагнитную теорию света Дж. К. Максвелла и заложившим фундамент успешного решения многих физических проблем XX в., стало открытое и измеренное им давление света на твердые тела (1900) и газы (1908).

Небезызвестный в кругу физиков Остап Бендер в житейской суете постоянно ощущал на себе давление атмосферного столба. А вот давления света этот тонкий лирик не замечал, хотя оно в ту пору было хорошо известно не только в научных, но и в литературных кругах. Впрочем, ничего странного в том не было, так как по сравнению с атмосферным световое давление солнечных лучей на земной поверхности в миллиарды раз меньше. Первым же это давление обнаружил русский физик Петр Николаевич Лебедев на своих сверхминиатюрных установках, которым позавидовал бы сам левша.

П.Н. Лебедев. Гравюра XIX в.

К своему открытию Лебедев пришел в молодые годы в Страсбурге, где он занимался двумя научными проблемами. Одна из них стала диссертацией – «Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотти-Клаузиуса», за которую ученый получил степень доктора философии (1891), а вторая – разработка теории кометных хвостов – оказалась непосредственно связанной с делом всей его жизни – измерением давления света.

Отклонения от Солнца кометных хвостов интересовали еще Кеплера и Ньютона. Позднее ученые объясняли это явление тепловыми и другими процессами, но о давлении света не шло речи до середины XIX в., пока английский физик Дж. К. Максвелл в своей электромагнитной теории света не указал на его величину, столь микроскопическую, что подтвердить ее в опыте не было никакой технической возможности. Разнообразные эксперименты физиков на протяжении десятилетий заканчивались ничем, и только в 1888 г. немецкий ученый Г. Герц доказал, что электромагнитные колебания материальны и распространяются в пространстве без каких-либо проводов со скоростью света.

Принадлежа к числу сторонников теории электромагнетизма, Лебедев в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел» (1891) причину отклонения кометных хвостов объяснил тем, что «отталкивательная сила светового давления» превосходит ньютоновское притяжение. Мало кто из естествоиспытателей предполагал тогда, что эта работа станет этапной не только для автора статьи, но и для астрофизики и физики в целом. Лебедев же, убежденный, что он сделал «очень важное открытие в теории движения светил», поставил себе задачу – определить величину давления света на тела.

Приняв после защиты диссертации приглашение профессора А.Г. Столетова, Лебедев поступил лаборантом на кафедру физики Московского университета и за 10 лет сделал удивительную научную карьеру.

С большим трудом устроив собственную лабораторию, ученый провел сложнейшие эксперименты, которые историки науки любят сравнивать со «световой вертушкой Крукса». Под стеклянный колпак английский физик помещал крохотный пропеллер, и когда рядом включали лампу, пропеллер под воздействием света начинал безостановочно вращаться – якобы из-за теплового воздействия световых лучей на его лопасти. Этой «забавой» занимались многие физики, предварительно откачивая воздух из-под колпака, но каждый раз его остаточное давление значительно превышало силу светового давления.

Лебедев для экспериментов сам конструировал установки и приборы. Надо сказать, что Петр Николаевич был кудесником по части их миниатюризации. Так, например, взяв для исследования преломления электромагнитных волн за образец 600-килограммовую призму Герца, Лебедев изготовил эбонитовую призму весом всего 2 г!

В чем же состояли трудности экспериментов? Для определения светового давления на тело Лебедев создал крутильные весы – систему платиновых сверхтонких и сверхлегких дисков на закручивающемся подвесе. Точности измерений препятствовали помехи. Не объясняя физики процессов, укажем лишь, что надо было избавиться от конвекционных потоков газа под колпаком и от неодинакового нагрева двух сторон дисков при падении на них света, вследствие чего возникал дополнительный крутящий момент. Петр Николаевич с этими препятствиями справился блестяще. В качестве примера взять хотя бы его остроумное решение по созданию в стеклянном баллоне, где размещались крутильные весы, нужного разрежения воздуха. В баллоне Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и остаточное давление достигало величин на два порядка меньших, чем в установках других экспериментаторов.

На рубеже XIX–XX вв. развитие физики требовало нового взгляда на ее основы. В преддверии мировых потрясений естествознанию нужен был мощный рывок. И многие ученые надеялись получить его, развивая электромагнитную теорию Максвелла. Интерес к этой проблеме был настолько велик, что когда Лебедев сделал доклад о своих экспериментах на Первом Международном конгрессе физиков в Париже (1900) и опубликовал в немецком журнале «Анналы физики» (1901) работу «Опытное исследование светового давления», как стал тут же знаменит – даже в салонах, где его открытие со знанием дела обсуждали дамы света.

Господа же ученые считали полученный Лебедевым результат «одним из важнейших достижений физики за последние годы», а самого физика – самым «искусным экспериментатором» того времени. Законодатель науки У. Томсон (лорд Кельвин) – ярый противник Максвелла – «вынужден был сдаться перед опытами» Лебедева и признать электромагнитную теорию света. Из открытия русского физика следовало, что электромагнитные волны обладают массой (m) и механическим импульсом (p), а электромагнитное поле наравне с формой вещества является формой материи и его энергия (Е) выражается формулой:

E = pv = mv·v,

где v – скорость света.

Лебедеву без защиты магистерской диссертации (редчайший случай в университетской практике!) присудили степень доктора наук, премию АН и избрали членом-корреспондентом АН. В 1901 г. новоиспеченному профессору дали кафедру в Московском университете.

Продолжив свои изыскания по световому давлению на газы, которое было во много раз меньше, чем на твердые тела (в связи с чем и сложность эксперимента возросла на порядок), Лебедев успешно разрешил трудности теоретического и экспериментального характера и о полученных результатах впервые сообщил в «Анналах физики» в 1910 г.

Новые опыты Лебедева были встречены мировой физической общественностью с восторгом. Британский Королевский институт избрал Лебедева своим почетным членом. В 1912 г. Лебедев был назван кандидатом на Нобелевскую премию, но, увы, повторилась история с Д.И. Менделеевым. Петр Николаевич скоропостижно скончался в возрасте 46 лет – во многом из-за серьезной драмы в его карьере ученого.

В 1911 г. Лебедев вместе с ректором и рядом других профессоров оставил Московский университет в знак протеста против действий министра просвещения Л.А. Кассо, направленных на ограничение автономии университета. На частные пожертвования в наемном помещении была организована физическая лаборатория, куда и перешел Лебедев со своими 30 учениками, многие из которых – П.П. Лазарев, С.И. Вавилов, В.К. Аркадьев, Т.П. Кравец и др. – стали всемирно известными учеными, а сама лаборатория – прообразом коллективной научной работы XX в.

Продолжать свои уникальные эксперименты на новом месте Лебедеву было очень сложно. Институт Нобеля в Стокгольме дважды приглашал физика на должность директора лаборатории, но он остался верен своим ученикам.

Все это привело к трагическому концу. Всей России стали известны слова физиолога И.П. Павлова: «Когда же Россия научится беречь своих выдающихся сынов – истинную опору Отечества?»

Опыты Лебедева открыли столбовую дорогу физикам, давшим миру квантовую и гравитационную теории, физику элементарных частиц и Вселенной. Главное уравнение теории относительности воспроизводило формулу русского ученого с той лишь разницей, что скорость света была обозначена не буквой v, а c: E = mc

.

В середине XX в. были созданы атомная и водородная бомбы, в которых использовано именно давление света, но уже чудовищной величины. Пришла новая эпоха, поставившая перед физикой не только задачи созидания, а больше – разрушения.

У Лебедева не много работ, посвященных другим аспектам физики, но все они вошли в историю науки. Так, в 1895 г. он создал тончайшую установку для генерирования и приема электромагнитного излучения с длиной волны 6 и 4 мм, исследовал на ней отражение, преломление, поляризацию, интерференцию этих волн и другие явления. Ученый глубоко интересовался проблемами астрофизики, активно работал в Международном союзе по исследованию Солнца, написал ряд статей о кажущейся дисперсии межзвездной среды. В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. Исследовал физик также роль вращения Земли в возникновении земного магнетизма. Принцип термоэлемента в вакууме, выдвинутый Лебедевым, ныне нашел широкое применение в военной технике.

Низкие температуры Капицы

Физик, пропагандист и организатор науки, общественный деятель; почетный доктор 11 ведущих университетов мира; профессор-исследователь Лондонского Королевского общества, профессор МГУ; один из организаторов МФТИ, профессор и завкафедрой физики и техники низких температур МФТИ; академик, член Президиума АН СССР, член совета Тринити-колледжа, Лондонского Королевского и 30 других зарубежных академий наук и научных обществ; заместитель директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям, руководитель лаборатории им. Монда Королевского общества, директор Институт физических проблем в Москве; главный редактор «Журнала экспериментальной и теоретической физики»; член Советского комитета Пагуошского движения за мир и разоружение; лауреат Премии им. Дж. Максвелла, двух Сталинских премий, Нобелевской премии по физике; кавалер 6 орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени, Большой золотой медали им. М.В. Ломоносова, золотых медалей М. Фарадея, Б. Франклина, Н. Бора, Э. Резерфорда, Х. Камерлинг-Оннеса и др. наград; дважды Герой Социалистического Труда, Петр Леонидович Капица (1894–1984) является крупнейшим физиком-экспериментатором, внесшим значительный вклад в развитие физики магнитных явлений, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы. Имя Капицы неразрывно связано с развитием физики и техники низких температур и открытием сверхтекучести гелия.

Главным

отличительным свойством Капицы, «собравшего» за жизнь много больше других советских ученых всевозможных международных наград и почетных званий, было завидное сочетание в нем ученого и инженера. Он стал одним из первых деятелей науки, усиленно внедрявшим все свои достижения в народное хозяйство. В данном случае слово «внедрявшего» не совсем верно отражает суть – все открытия и изобретения ученого сами ложились в русло научно-технического прогресса, ставшего основой мощи СССР.

П.Л. Капица и Н.Н. Семенов. Художник Б.М. Кустодиев

Исследования Капицы условно можно разделить на две большие, равные по их научному вкладу области: физику низких температур, которой ученый занимался в 1920–1945 гг., и физику высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, ставших предметом его изучения в послевоенный период. Ограничимся рассказом о научных достижениях Капицы в физике низких температур.

В 1921 г. ученый был командирован в Англию, где он работал в Кембриджском университете у Э. Резерфорда, а заодно занимался приобретением оборудования для научных учреждений России. В Кембридже Капица занялся экспериментальными исследованиями в области физики низких температур, создал метод получения сверхсильных магнитных полей, в 6–7 раз превосходивших все прежние, соответствующую технику. Благодаря короткому импульсу разряда (0,01 с) оборудование не перегревалось и не разрушалось.

Для достижения необходимого диапазона низких температур требовалось большое количество сжиженных газов. С этой целью ученый разработал несколько принципиально новых холодильных машин (например, в 1932 г. ожижитель водорода), самой знаменитой из которых стала установка для адиабатического охлаждения гелия при температуре около 4,3 °К, с небывало высокой производительностью – 2 л жидкого гелия в час (1934). Капице удалось решить сложнейшие технические задачи, связанные не только с производительностью, но и с заменой предварительного охлаждения гелия жидким водородом на охлаждение его в специальном расширительном детандере, с проблемой замерзания смазки движущихся частей при низких температурах – для этого физик использовал сам жидкий гелий. Все изготовляемые ныне ожижители гелия создаются по модели Капицы.

В СССР Капица продолжил свои исследования с жидким гелием, для чего советское правительство закупило у Резерфорда все необходимое оборудование. Спроектировав несколько установок для сжижения еще и других газов, ученый в 1938 г. создал эффективную турбину, на которой обнаружил необычайное уменьшение вязкости и одновременное увеличение теплопроводности жидкого гелия (гелия-2) при охлаждении до температуры ниже критической – 2,17 °К.

Результаты своих исследований Капица опубликовал в британском журнале «Нейче»; новое явление назвал сверхтекучестью. «При переходе тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникает скачок температуры, получивший название скачка Капицы; величина этого скачка очень резко растет с понижением температуры». Это фундаментальное открытие положило начало развитию нового направления в физике – квантовой физике конденсированного состояния, для чего пришлось ввести новые квантовые представления – т. н. элементарные возбуждения, или квазичастицы.

В 1939 г. ученый построил установку низкого давления для промышленного получения кислорода из воздуха. В ней Капица использовал принципиально новый метод сжижения воздуха с помощью цикла низкого давления, осуществляемого в высокоэффективном радиальном турбодетандере с КПД 80–85 % (сегодня 86–92 %).

С начала 1940-х гг. во всем мире крупные установки разделения воздуха для получения кислорода, азота и инертных газов использовали предложенный русским физиком цикл низкого давления. Надо ли говорить что-либо еще о вкладе ученого в развитие нашей (да и не только нашей) промышленности, если половину получаемого кислорода (а это не менее 100 млрд кубометров в год!) используется в черной и цветной металлургии, не говоря о химической, пищевой промышленности, в медицине, ракетной технике и т. д.

Во время Великой Отечественной войны Капица внедрял в промышленное производство разработанные им кислородные установки. В 1943 г. ученый запустил в Институте физических проблем опытный завод. Тогда же он был назначен начальником Главного управления кислородной промышленности при СНК СССР (Главкислород).

За эту работу и за открытие сверхтекучести гелия физику были присуждены две Сталинские премии I степени. В 1978 г. Капица стал лауреатом Нобелевской премии по физике за «фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур» (совместно с А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном).

«Петр Леонидович принадлежит к числу самых ярких людей, оказавших влияние на глубинное развитие советской физики. Это влияние нашло отражение не только в полученных научных результатах, но и в создании духа объективного познания истины. Жаль, что такие люди появляются редко» (Академик Ю.А. Осипьян).

Излучение Вавилова – Черенкова

Физики, доктора физико-математических наук, профессора, академики АН СССР, руководители научных коллективов, лауреаты Сталинских (Государственных) премий, кавалеры высших наград страны, в том числе орденов Ленина и Трудового Красного Знамени, Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) и Павел Алексеевич Черенков (1904–1990) являются авторами открытия эффекта Вавилова – Черенкова (1934), а Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) и Илья Михайлович Франк (1908–1990) – авторами теории, описавшей данный эффект (1937). За открытие и объяснение этого явления все четверо ученых были удостоены в 1946 г. Сталинской премии I степени, а в 1958 г. П.А. Черенков, И.Е. Тамм и И.М. Франк получили Нобелевскую премию по физике.

Эффект Вавилова – Черенкова был обнаружен случайно, хотя открытие оказалось закономерным развитием работ академика С.И. Вавилова по исследованию свечения и природы света, в частности люминесценции, ставшей темой кандидатской диссертации аспиранта Вавилова – П.А. Черенкова.

Занимаясь исследованиями люминесценции растворов ураниловых солей при облучении их гамма-квантами от радиоактивного радиевого источника, аспирант обратил внимание на голубоватое свечение стеклянного стаканчика с серной кислотой. Заменив кислоту другими прозрачными жидкостями, ученый столкнулся с необъяснимым эффектом – самые разные жидкости светились с равной интенсивностью, что указывало на что угодно, только не на люминесценцию. Это непрошеное свечение весьма отвлекало аспиранта от главного предмета его исследований. Черенков удалял примеси – скрытые источники флуоресценции, уменьшал яркость флуоресценции нагреванием и добавлением йодистого калия, нитрата серебра, но голубое свечение оставалось неизменным. К тому же физик обнаружил, что свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей, как должно было быть при флуоресценции.

П.А. Черенков

Аспирант продемонстрировал обнаруженный им эффект своему руководителю. Вавилов – крупнейший в мире специалист по люминесценции заинтересовался этим явлением. Было известно, что оно уже отмечалось другими физиками, в частности Марией и Пьером

Кюри, посчитавшими свечение проявлением люминесценции.

Убедившись, что яркость свечения действительно практически не зависит от химического состава жидкости (двойного дистиллята или раствора), и что по измеренным Черенковым характеристикам оно не имеет никакого отношения к люминесценции, Вавилов предположил, что свет излучают быстрые электроны, образующиеся в растворе под действием гамма-лучей. При этом излучение возникает практически мгновенно с началом движения и исчезает сразу же после прохождения электрона. Дав первое теоретическое объяснение открытого его учеником эффекта, академик инициировал продолжение работ в этом направлении.

Надо сказать, что в то время (начало 1930-х гг.) самым надежным оптическим прибором, фиксировавшим все нюансы свечения, был человеческий глаз. Да и вообще все физические опыты за неимением адекватной приборной базы были предельно просты. «В большей части экспериментов применялся разработанный Вавиловым с учениками метод использования человеческого глаза для количественных измерений световых потоков по порогу зрения» (Б.Б. Говорков).

По воспоминаниям Е.П. Черенковой, дочери Павла Алексеевича, отец часами сидел в подвале, привыкая к темноте и приучая свои глаза к отлову фотонов, после чего приступал к экспериментам. Говорят, Черенков умудрялся замечать даже одну частицу света!

Результаты наблюдений Черенков изложил в статье, опубликованной в 1934 г. в «Докладах Академии наук», – «Видимое свечение чистых жидкостей под действием ?-радиации», там же была помещена и теоретическая работа С.И. Вавилова – «О возможных причинах синего ?-свечения жидкостей». Через некоторое время черенковскую статью поместили в журнале «The Physical Review» (США).

Как директор ФИАНа (Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР), Вавилов предложил своим сотрудникам И.М. Франку и И.Е. Тамму заняться теоретическими аспектами «таинственного излучения» и порекомендовал им соответствующую литературу.

За несколько лет экспериментов Черенков накопил достаточно результатов, чтобы их можно было заключить в русло некоей теории. Франк и Тамм на основе классической электродинамики создали теорию излучения, главным пунктом которой было предположение, что быстрые электроны летят равномерно и прямолинейно со скоростью, превышающей скорость света в данной среде, и при этом испускают электромагнитные волны. (Как известно, в воде или в стекле скорость света существенно уменьшается из-за столкновения фотонов с атомами вещества.) Теория базировалась на т. н. эффекте Комптона, когда при гамма-облучении из атомов среды вылетают электроны, поглотившие гамма-кванты.

Все установленные Черенковым свойства излучения: его универсальность, спектр, поляризация, устремленность в узком конусе с осью в направлении траектории гамма-лучей – описывались соответствующими формулами и определениями, учитывающими дисперсию, то есть зависимость показателя преломления среды от частоты испускаемого света. Теория была количественно подтверждена экспериментами Черенкова (продолжавшимися до 1944 г.) и ряда зарубежных ученых. Эффект свечения был обнаружен и при взаимодействии с веществом других заряженных частиц: мезонов, протонов и др. Статья Тамма и Франка в «Докладах Академии наук» «Когерентное излучение быстрого электрона в среде» (1937) поставила точку в объяснении эффекта Вавилова – Черенкова. Интерпретаторы этого эффекта, свойственного не только жидкостям, но и твердым телам, любят сравнивать его с «оптическим эквивалентом ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолет, преодолевая звуковой барьер», либо с волной, возникающей при движении лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде.

Воспринятое маститыми коллегами физиков поначалу с недоверием и даже с издевками (у Черенкова, например, интересовались, а не пробовал ли он изучать свечение в шляпе, и вообще подозревали в спиритизме), открытие в конце концов обрело мировое признание, причем абсолютное, если считать присуждение Нобелевской премии (1958) таковым.

Кстати, за 6 лет до этого, в 1952 г., кандидатуру Черенкова на присуждение ему Нобелевской премии предлагал профессор Л. Розенфельд (Англия), который не смог тогда представить тексты работ советского физика.

Дальнейшее развитие теория излучения Вавилова – Черенкова получила в работах Тамма и Франка, В.Л. Гинзбурга (разработка квантовой теории этого излучения), Б.М. Болотовского, В.П. Зрелова, Г.А. Аскарьяна и других отечественных, а также зарубежных ученых.

«Выяснилась… связь между этим явлением и другими проблемами, как, например, связь с физикой плазмы, астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн и проблемой ускорения частиц». (Черенков П.А., Тамм И.Е., Франк И.М. Нобелевские лекции. М., 1960.)

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (http://www.litres.ru/viorel-lomov/100-velikih-nauchnyh-dostizheniy-rossii-3/?lfrom=931425718) на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.