Страница:
Во всем мире шли ожесточенные споры по поводу громоотводов. В Англии на конец металлического шеста предлагали надевать шар, чтобы сделать притянутую молнию безвредной. В Германии кое-кто полагал, что громоотвод вызывает засуху, а в Америке с церковных амвонов раздавались уверения в том, что землетрясения, сотрясающие земли Нового Света, имеют своими причинами неблагочестие прихожан, выражавшееся также в установке громоотводов на крышах своих домов.
Наблюдения показывают, что облака состоят из мириад крошечных капелек воды. Частицы воды в облаке непрерывно движутся, сталкиваются. Одни сливаются в капли, другие, наоборот, разбрызгиваются сильными порывами ветра. Поднимаясь наверх, они замерзают и превращаются в кристаллики льда, которые еще разламываются, сталкиваясь друг с другом.
В исследовательских лабораториях не раз ставили опыты, показывавшие, что при отрыве от капли воды мелких частичек или при ее замерзании капля приобретает электрический заряд. Не исключено, что именно такой процесс ведет к накапливанию электричества в облаке. В верхней его части — положительного, в нижней — отрицательного. Однако существуют и другие предположения ученых о механизме электризации.
Так или иначе, но наша «облачная машина» накопила заряды. И разность потенциалов между облаком и землей или между отдельными частями облака достигла критической величины…
Видели ли вы, как весной из большой лужи талой воды рождается ручеек? Извиваясь среди бугорков нерастаявшего снега и нагромождений льдин, он прокладывает себе дорогу по извилистому пути наименьшего сопротивления. Примерно так же начинается и «пробой» — движение лавины электронов в воздухе, когда напряженность электрического поля переваливает за критическую величину. Только процесс этот, разумеется, идет значительно быстрее. Электроны разгоняются полем, приобретают большие скорости. Сталкиваясь с атомами воздуха, они разбивают их, ионизируют. Воздух в узком канале из обычного состояния изолятора превращается в плазму — в отличный проводник. Всего сотую долю секунды нужно, чтобы первый импульс — лидер молнии скачками добрался бы от облака до поверхности земли. И вот тут-то и начинается бурное соединение отрицательных зарядов, скопившихся в канале, который проложил лидер, с положительными зарядами, наведенными на земле, на кроне дерева или на высоких строениях. Теперь уже от земли вверх по проложенному пути бьет гигантское пламя основного разряда, достигая в своем движении скоростей в десятки тысяч километров в секунду.
За первым импульсом в принципе может следовать второй, третий… Бывает, что их насчитывается по нескольку десятков. Но чаще — два, три, не больше. При этом продолжительность каждого импульса — сотые доли секунды, глазу не заметить. Столь же кратковременны и промежутки между ними. Поэтому молния, несмотря на свою прерывистость, представляется наблюдателю единым длинным разрядом.
А почему молнии сопровождаются громом? Процесс этот довольно любопытен. Двигаясь в канале молнии, лавины заряженных частиц в считанные доли секунды сильно разогревают воздух, превращая его в плазму, и он рывком расширяется. Это расширение подобно удару, который порождает звуковые волны. Их-то мы и слышим. Естественно, чем больше электричества пройдет через разрядный канал, чем резче будет этот удар, тем громче звучит голос молнии.
Бывают ли «тихие молнии»? Оказывается, бывают, хотя мне и не довелось встречать. Но о том писал уже Лукреций в шестой книге своей замечательной поэмы «О природе вещей», о бесшумных молниях рассказывал французский физик XVIII-XIX веков Доминик Франсуа Араго, много занимавшийся исследованием электрических явлений.
Сегодня существует предположение, что без грома развиваются те молнии, которые начинаются и спадают постепенно. Представьте себе раскаленную плазму в канале разряда молнии, которая давит на стенки канала, но они не раздуваются бесконечно, поскольку отдельные линии тока в канале вследствие одинаковости их направления сильно притягиваются друг к другу. Наступившее равновесие тех и других сил поддерживает канал. И если ток в нем нарастает и спадает постепенно, это равновесие практически не нарушается. Другое дело, когда ток обрывается вдруг, рывком. Канал под действием внешнего давления «схлолывается», и тут уж жди грома.
Наблюдательный читатель сразу же задаст следующий вопрос: «Почему от маленькой искры мы слышим одиночный треск, а от длинной молнии он доносится раскатами?»
Попробуйте сами ответить на него. Нетерпеливым я подскажу, тем более что ответ заключен в самом вопросе. Какова длина средней молнии? Несколько километров. А скорость звука? 330 метров в секунду при обычных условиях. Вот и доносится до нас гром от разных участков молнии неодновременно. Отсюда — раскаты. Продолжительность грома зависит от многих причин — от извилистости пути молнии, отражения от облаков или стены падающего дождя, от земли и строений на ней… Звук ведь довольно хорошо отражается. Используя это его свойство, в Японии вдоль шоссе с интенсивным движением в районах населенных пунктов, где дома близко подходят к обочине, ставят звукоотражающие стены. И не так-то уж они высоки — метра три. При этом, понятно, на самом шоссе децибеллы растут, а жителям спокойнее. Нам рассказывал наш гид, что сейчас муниципалитеты, по чьим землям должны проходить автострады, не дают разрешения на прокладку дороги, если строительная фирма не обязуется закрыть их в согласованных пределах противошумовыми заслонами.
Сегодня ученые научились получать сверхвысокие напряжения, но в механике образования молнии еще много белых пятен. Судите сами: чтобы получить в лаборатории искусственную молнию, нам приходилось поднимать напряженность поля чуть ли не до 3 миллионов вольт на метр. В облаках же при измерениях того же параметра с самолетов получать больше 200 — 300 тысяч вольт на метр никогда не удавалось. А молнии там все-таки возникают — и какие!
Определенно прав тот англичанин, который сказал как-то, что, когда ученые начинают слишком много о себе воображать, природа подкрадывается к ним сзади и дает хо-орошенького пинка!
Молнии бывают и без всякой грозы. Вулканологи, изучавшие извержения, много раз отмечали страшные электрические разряды в облаках вулканического пепла. А несколько лет тому назад мир был взволнован сообщениями о катастрофических взрывах на японских супертанкерах. Самое необычное заключалось в том, что суда взрывались уже пустыми, во время промывки колоссальных танков сильной струей воды.
Одно из объяснений гласит, что при промывке образовывались облака нефтеводяной пыли, частицы которой несли электрические заряды. Тут достаточно было одной крохотной искорки…
Сколько тайн хранит история науки, история техники! Возьмите те же громоотводы. Считается, что изобрел их Франклин. А как же римляне? Кроме того, некоторые историки утверждают, что то же самое делали и египтяне еще задолго до римлян. Похоже, что свысока относиться к предкам определенно не стоит.
На горе Дженеросо в Швейцарии, где атмосфера всегда щедро насыщена электричеством, физики подняли на мачтах на высоту примерно около 80 метров металлическую сетку. Это устройство собирало из туч столько электричества, что его потенциал поднимался до 10 миллионов вольт. Очевидцы рассказывали, что опыты производили страшное впечатление и требовали от ученых большого мужества. Иногда напряжение на сетке достигало максимума, воздушный промежуток с оглушительным треском пробивала длинная, более четырех метров, искра. За одну сотую секунды — именно такое время длился разряд, сила тока достигала десятков тысяч ампер!
Браш, Ланж и Урбан пытались полученным напряжением ускорять протоны. Опыты длились до 1933 года, пока в один из грозовых дней Курт Урбан на крошечную долю секунды не потерял бдительность. Может быть, он слишком привык к постоянной опасности, пригляделся к огненным змеям. Однако новая сила — электричество не допускает небрежности. И молодой человек заплатил за нее жизнью. После этого работы на горе Дженеросо были свернуты. Они оказались слишком опасными и… недостаточно эффективными. Физики научились в лабораториях строить ускорители, разгоняющие заряженные частицы до миллиардов электрон-вольт.
Однако опыты по притягиванию молний, по сведению небесного огня с неба на землю не прекратились. Чтобы изучить природу электрического разряда, нужно было во что бы то ни стало познакомиться с ним поближе. И вот в середине нашего столетия швейцарский профессор Карл Бергер, изучив районы страны, где чаще всего бывают грозы, построил на горе Сан-Сальваторе, в окрестностях Лугано, стальную башню на высоте 915 метров над уровнем моря. Способ оказался весьма эффективным. Ловец молний принимал до сотни ударов атмосферного электричества в год, замерил их силу и составил альбом фотографий с помощью высокоскоростной аппаратуры. Бергер, пожалуй, первым сумел запечатлеть отдельные фазы рождающегося разряда.
Сейчас такие лаборатории имеются во многих странах. Жизнь исследователей в них наполнена ожиданием и беспокойством. Нередко среди ночи тревожные сигналы системы оповещения поднимают их с постелей. Приборы извещают, что напряженность электрического поля в воздухе достигла критической величины и нужно ожидать грозы. В такие ночи все сотрудники уже не помышляют о сне.
Вот стрелки приборов подошли к красной черте. Руководитель эксперимента нажимает кнопку на пульте. И тотчас в некотором удалении от здания лаборатории раздается громкое шипение: примерно метровая ракета срывается с направляющих и, разматывая за собой тонкий провод, уходит в вышину. Едва красно-желтая реактивная струя успевает подняться всего на несколько сот метров, как окрестности озаряются мертвенным светом: молния обрушивается с неба и бьет в стартовые направляющие — эксперимент удался.
Ловцы молний разделяют свою «добычу» на «нисходящие» и «восходящие» молнии, в зависимости от их направления. Короткие по времени считаются «ясными» и «холодными», а «горячие» живут в тысячу раз дольше и, являются главными причинами пожаров.
При напряжении около 100 миллионов вольт сила тока в молнии может достигать 100 тысяч ампер. Для наглядности напомню, что в электрической лампочке мощностью в 100 ватт сила тока не превышает и половины ампера.
Во время разряда воздух в молниевом канале разогревается до 30 тысяч градусов — это примерно в пять раз больше, чем температура солнечной поверхности; Раскаленная среда резко, как взрыв, расширяется и вызывает ударную волну. Гремит гром.
Людей всегда удивляло то обстоятельство, что пораженные небесным огнем часто оказывались без одежды. В чем тут причина? —
Объяснение нашли сравнительно недавно: когда разряд проходит по поверхности тела, жертвы, влага кожного покрова и пот моментально испаряются. Резкое повышение давления паров срывает одежду и обувь с пострадавшего.
По подсчетам статистиков, случаи поражения молнией за последние годы становятся все реже. Однако в 1977 году удар молнии повредил атомный реактор в Стейде. В 1981 году в японский танкер «Хакуйо Мару» (тоннаж 102 тысячи тонн) после освобождения его от сырой нефти ударила молния. Она воспламенила газовоздушную смесь, оставшуюся в танках судна, и в результате от танкера осталась груда пережженной стали.
Громоотводы и стальная арматура железобетонных конструкций надежно предохраняют от грозового разряда людей, находящихся в помещениях современных зданий. Поэтому в городах гроза практически безопасна.
В наше время одна из задач исследователей — защита чувствительной электроники от атмосферных разрядов. Даже отдаленные разряды способны помешать, внести сбой в работу электронных систем.
Хорошая гроза расходует энергию, равную примерно энергии взрыва атомной бомбы. Мимо такой бесцельной траты энергии люди, конечно, не могли пройти. Однако, несмотря на то что первые предложения по использованию этой энергии относятся еще к прошлому столетию, результаты по их реализации пока невелики.
Глава 5
Другой ростом поменьше и в кости тоньше, а потому кажется рядом с товарищем комплекции субтильной. Однако, ежели приглядеться, то и он мужчина крепкий и в самой поре, лет сорока. Поспешая за рослым спутником своим, идет аккуратно, выбирает, куда ступить, чтобы пыль от хлопающих досок не садилась на белые чулки и панталоны. Одновременно успевает и оглядеться вокруг, оценить и удержать в памяти все увиденное. Плывет по Неве плот. «Две дюжины бревен в ряду, — отметит он про себя и посчитает: — На две гонки мужиков трое, что есть немного, а стало быть, хорошо работают, не ленятся». Приметит посредине плота груз, прикрытый рогожей, враз уразумеет: «Должно, чугун в Адмиралтейство от Литейного сплавляют». Жара ему не помеха, даже лоб не блестит. Оглядев небосвод, край которого медленно затягивают облака, наливающиеся свинцовой тяжестью, он тут же отмечает вслух: «Es ist warm, aber ich glaube, das nach Mittag ein Qewitter sein wird…»[9].
И хотя мысли его товарища далеки от окружающего, тот откликается: «Vielleicht, meinetwegen»[Возможно, пусть будет… (Нем.) — и переходит на русский язык: «На Илью до обеда всегда лето, а с обеда — осень. — Он смотрит на небо. — Тучи от норда идут. Грому нарочитаго ожидать можно. Надобно машину грозовую наладить успеть, дабы опыты и обсервации чинить непомешно. Есть ли новинки в сем деле за то время, что был я в Усть-Рудицах?»
Переходит ка русскую речь и его приметливый товарищ: «Сего июля осьмнадцатого числа имел я паки случай примечать електрическую силу громовых туч. Опыты чинились при некоторых господах профессорах и членах академических… — Он говорит с трудом, книжно, как пишет. Так обычно говорят иноземцы, знакомые с языком не по живому общению с людьми, а через книжную ученость. — Гром не близко, однако ж, после первого удара шелковая нить указателя от железной линейки нарочито далеко отскочила, и материя електрическая с шумом из конца линейки в светлыя искры рассыпалась… — Он забегает чуть вперед, чтобы посмотреть, производит ли его рассказ должное впечатление на собеседника. И, убедившись, что тот слушает с интересом, продолжает: — У некоторых, державших линейку, великое потрясение по всей руке и иным членам произошло. А шум исходящей материи слышали даже те, кто стоял нарочито далеко…»
Именно такой представляется мне сегодня сцена возвращения двух профессоров Санкт-Петербургской Академии — Михаилы Васильевича Ломоносова и Георга Вильгельма Рихмана после заседания Конференции домой в июле 1753 года. Таким представляется и их диалог…
Опыты, чинимые с электрической силой, поражали воображение Ломоносова. Околдованный еще в Марбурге в студенческие годы зрелищем, как под ладонями университетского экспериментатора вертящийся стеклянный шар накапливает таинственную материю, которая стреляет голубыми искрами, он всеми силами содействовал постановке тех опытов в Петербурге. Рад был, что и друг его, любезный профессор Рихман, тою же материей заинтересован. Добивался для Рихмана отведения «каморы електрической» в строгановском доме, хлопотал о приборах и бегал повсечасно глядеть, то ли делает профессор, да все ли ладно получается… У себя в доме, к ужасу супруги Лизаветы Андреевны и домочадцев своих, соорудил он «громовую махину», с коею чинил опыты, пугавшие всю округу.
В 1744 году по собственному почину буйный Академии наук адъюнкт Михаила Ломоносов приступил к наблюдению за грозами. В рабочем журнале он отметил 17 гроз за лето. Более всего прогремело их в июле. И почти каждый раз тучи собирались пополудни, часу около третьего или четвертого.
В начале 1745 года императрица Елизавета со всем двором после долгого пребывания в Москве и Киеве вернулась, наконец, в столицу. Жизнь оживилась. В кабинет ее императорского величества вызван был советник Шумахер, где ему объявили приказ: «…коим образом ея императорское величество указать, изволила, профессором Рихманом сделанный в Академии електрические эксперименты чинить ему, профессору, при дворе, дабы ея императорское величество собственною высочайшею особою действие онаго эксперимента видеть изволила»[10].
Ну чем у нас не Версаль?
Между тем Ломоносов продолжал:
— Понеже из проволоки во время грому подлинные електрические искры происходят, — он говорил как бы сам с собой, не глядя на шагавшего рядом с ним Рихмана, — посему заключаю я, что к тем опытам с м-шенбруковыми и клействовыми склянками никакой електрической махины не надобно. Гром совершенно вместо нея служить может. От сих искр должен также спирт винный, а также нефть, порох и протчее загораться.
Рихман молчал. Не то чтобы его мнение было принципиально несогласно с ломоносовским, но он сначала хотел сам в том удостовериться. Сказывались различие темпераментов и разный подход к проблеме.
— Экой ты, Михаила Васильевич, строптивец. Истинно «ломай нос». Сие все в испытаниях нуждается. Есть ли в искрах громовых достаточно силы и теплоты для зажигания…
Ломоносов шагал, сжавши губы узкой полосой и выставив вперед круглый подбородок. Обманчиво-мягкое лицо его отвердело. Oy и смолоду-то был упрям. И не раз случалось, что когда кто-либо начинал ему перечить, становился несдержан. Однако Рихмана он любил. Уважал за знания, за упорство. Были они почти одногодками, но Рихман определено был профессором раньше. И Ломоносов никогда не забывал, как в начале учения ему, приехавшему из Москвы студенту Славяно-греко-латинской академии, готовящемуся к отъезду в Германию, именно Георг Рихман давал первые уроки немецкого языка…
С основанием Академии наук в России, в Санкт-Петербурге, возникла чуждая русскому обществу колония иностранцев, которые мало соприкасались с той средой, в которую оказались внедрены. Они не были торговцами, не являлись лекарями, мастеровыми, ремесленниками, то есть теми, чей труд был понятен, привычен для русских людей и чье пребывание в стране не вызывало недоумения. В Академию наук большинство специалистов приглашалось не для решения конкретных проблем, а с единой целью — привить в России европейскую образованность. Но для этого мало было набрать хороших и знающих людей. Нужно было сначала, как говорил в свое время Василий Никитич Татищев, «приуготовить землю, на которую сеять». А этому мало помогали реформы, не решали вопрос повинности. Все они — от указов об основании новых школ и расширении старого «книжного почитания» до запрета жениться дворянским детям без минимума образованности — касались внешней, поверхностной жизни государства. Чтобы просвещение вошло в плоть и кровь народные, нужны были свои Коперники и Галилеи, Бэконы, Декарты, Лейбницы. Они должны были не просто усвоить основы новых начал, не просто понять их, но впитать их органически, «переварить» и переосмыслить. И тогда на «приуготовленной земле», на своей национальной основе, развивать дальше новое мировоззрение, понятное широкому кругу соотечественников. Развивать его в русле мировой науки.
Приезжие иноземцы в большинстве своем честно занимались задачами практического изучения России. Но ни цели, поставленные перед ними, ни методы, ни результаты их работы, описанные латынью, на немецком или на французском языках, не были понятны большинству русских. Даже первые переводы этих работ оказывались столь же темными, как и оригиналы. В русском языке того времени отсутствовала терминология, тождественная европейской. Не существовало самого научно-логического строя, способного излагать отвлеченные понятия и естественнонаучные истины. Русские риторы понаторели в спорах богословских, в борьбе против остатков язычества на широких просторах державы, но естественнонаучный язык выработан не был. И потому первые переводы, пытавшиеся передать смысл иноземной учености, были совершенно невразумительны. «Прочный корень науки мог быть положен только, когда ее содержание было принято не на веру, не из подражания, не под давлением чужого авторитета, а самостоятельно продумано и усвоено умом, способным к независимому исследованию, и вошло в его собственную природу. В первый раз это сделано было Ломоносовым, и в этом была его великая заслуга, залог обширного влияния в течение XVIII века и историческое значение в русской литературе»[11].
Можно выдумать порох, открыть планету, вывести новую математическую формулу или изобрести целый математический аппарат и тем самым снискать благодарность человечества. Но только редкие гении способны научить людей думать по-иному, по-новому, способны изменить их представления об окружающем мире, создать новое мировоззрение.
Так и для одного из идущих по набережной — для Георга Вильгельма Рихмана, академика и профессоpa no кафедре теоретической и практической физики Санкт-Петербургской Академии наук, — изучение громовой силы явилось главной задачей, важной самой по себе. Для второго же академика и тоже профессора, только по кафедре химии, Михаилы Васильевича Ломоносова, этот вопрос был одним из примеров единства материального мира. Это был один из камней фундамента нового мировоззрения, которое он вырабатывал и которое должно было прийти к его соотечественникам на смену все еще не изжитой средневековой и церковной схоластике.
Оба с утра присутствовали в заседании Конференции и теперь поспешали домой к обеду, а также в надежде удостовериться в прежних своих обсервациях над электрической силою. Рихман должен был показать сущность опытов своих граверу — мастеру Соколову, поскольку тому было поручено изобразить их на виньетке к предстоящей речи, имеющей быть напечатанной в академической типографии. Господа профессоры дошли до угла Второй линии, на котором обычно прощались, ибо один из них, а именно Ломоносов, жил неподалеку. Дом Рихмана стоял на углу Пятой линии и Большого проспекта. Православные обходили это строение с высокими шестами на крыше, принимавшими гром. От шестов с железными прутьями шли а сени цепи к электрическому указателю, придуманному и сооруженному хозяином.
Однако тучи в этот день были невелики и изрядного грому не обещали.
На крыше ломоносовского дома проволока шла от железного штыря к калитке, а оттуда в сени. Это и была «громовая машина». К ней и спешил Михаил Васильевич. Он остановился в сенях поглядеть на электрический указатель Рихмана. Оба ученых полагали, что сей снаряд позволит им вести непрерывные наблюдения, примечая изменения электрической силы не только во время грозы. Но пока нить висела вдоль железной линейки, не подавая никаких признаков жизни.
В доме собирали на стол, и Лизавета Андреевна окликнула мужа, выговаривая ему за задержку. Он же все ждал и дождался: нить дрогнула, поднялась, а из проволоки без всякого грому посыпались искры.
— Komm mal her… Быстрее, быстрее! Идите сюда и смотрите, какого цвета эти искры, — закричал Ломоносов. Цвет искр был одним из предметов спора с Рихманом. И Ломоносову нужны были свидетели.
Домочадцы, призванные хозяином, робко жались у стенки, подальше от громовой машины, а Лизавета Андреевна — его супруга, которая, несмотря на годы, прожитые в России, с русским языком была в больших неладах, все просила:
Молния. XX век
Здесь, пожалуй, стоило бы еще раз вернуться к механизму образования и развития молнии с современных позиций. При этом один из главных вопросов: откуда и как образуется электрический заряд в облаке?Наблюдения показывают, что облака состоят из мириад крошечных капелек воды. Частицы воды в облаке непрерывно движутся, сталкиваются. Одни сливаются в капли, другие, наоборот, разбрызгиваются сильными порывами ветра. Поднимаясь наверх, они замерзают и превращаются в кристаллики льда, которые еще разламываются, сталкиваясь друг с другом.
В исследовательских лабораториях не раз ставили опыты, показывавшие, что при отрыве от капли воды мелких частичек или при ее замерзании капля приобретает электрический заряд. Не исключено, что именно такой процесс ведет к накапливанию электричества в облаке. В верхней его части — положительного, в нижней — отрицательного. Однако существуют и другие предположения ученых о механизме электризации.
Так или иначе, но наша «облачная машина» накопила заряды. И разность потенциалов между облаком и землей или между отдельными частями облака достигла критической величины…
Видели ли вы, как весной из большой лужи талой воды рождается ручеек? Извиваясь среди бугорков нерастаявшего снега и нагромождений льдин, он прокладывает себе дорогу по извилистому пути наименьшего сопротивления. Примерно так же начинается и «пробой» — движение лавины электронов в воздухе, когда напряженность электрического поля переваливает за критическую величину. Только процесс этот, разумеется, идет значительно быстрее. Электроны разгоняются полем, приобретают большие скорости. Сталкиваясь с атомами воздуха, они разбивают их, ионизируют. Воздух в узком канале из обычного состояния изолятора превращается в плазму — в отличный проводник. Всего сотую долю секунды нужно, чтобы первый импульс — лидер молнии скачками добрался бы от облака до поверхности земли. И вот тут-то и начинается бурное соединение отрицательных зарядов, скопившихся в канале, который проложил лидер, с положительными зарядами, наведенными на земле, на кроне дерева или на высоких строениях. Теперь уже от земли вверх по проложенному пути бьет гигантское пламя основного разряда, достигая в своем движении скоростей в десятки тысяч километров в секунду.
За первым импульсом в принципе может следовать второй, третий… Бывает, что их насчитывается по нескольку десятков. Но чаще — два, три, не больше. При этом продолжительность каждого импульса — сотые доли секунды, глазу не заметить. Столь же кратковременны и промежутки между ними. Поэтому молния, несмотря на свою прерывистость, представляется наблюдателю единым длинным разрядом.
А почему молнии сопровождаются громом? Процесс этот довольно любопытен. Двигаясь в канале молнии, лавины заряженных частиц в считанные доли секунды сильно разогревают воздух, превращая его в плазму, и он рывком расширяется. Это расширение подобно удару, который порождает звуковые волны. Их-то мы и слышим. Естественно, чем больше электричества пройдет через разрядный канал, чем резче будет этот удар, тем громче звучит голос молнии.
Бывают ли «тихие молнии»? Оказывается, бывают, хотя мне и не довелось встречать. Но о том писал уже Лукреций в шестой книге своей замечательной поэмы «О природе вещей», о бесшумных молниях рассказывал французский физик XVIII-XIX веков Доминик Франсуа Араго, много занимавшийся исследованием электрических явлений.
Сегодня существует предположение, что без грома развиваются те молнии, которые начинаются и спадают постепенно. Представьте себе раскаленную плазму в канале разряда молнии, которая давит на стенки канала, но они не раздуваются бесконечно, поскольку отдельные линии тока в канале вследствие одинаковости их направления сильно притягиваются друг к другу. Наступившее равновесие тех и других сил поддерживает канал. И если ток в нем нарастает и спадает постепенно, это равновесие практически не нарушается. Другое дело, когда ток обрывается вдруг, рывком. Канал под действием внешнего давления «схлолывается», и тут уж жди грома.
Наблюдательный читатель сразу же задаст следующий вопрос: «Почему от маленькой искры мы слышим одиночный треск, а от длинной молнии он доносится раскатами?»
Попробуйте сами ответить на него. Нетерпеливым я подскажу, тем более что ответ заключен в самом вопросе. Какова длина средней молнии? Несколько километров. А скорость звука? 330 метров в секунду при обычных условиях. Вот и доносится до нас гром от разных участков молнии неодновременно. Отсюда — раскаты. Продолжительность грома зависит от многих причин — от извилистости пути молнии, отражения от облаков или стены падающего дождя, от земли и строений на ней… Звук ведь довольно хорошо отражается. Используя это его свойство, в Японии вдоль шоссе с интенсивным движением в районах населенных пунктов, где дома близко подходят к обочине, ставят звукоотражающие стены. И не так-то уж они высоки — метра три. При этом, понятно, на самом шоссе децибеллы растут, а жителям спокойнее. Нам рассказывал наш гид, что сейчас муниципалитеты, по чьим землям должны проходить автострады, не дают разрешения на прокладку дороги, если строительная фирма не обязуется закрыть их в согласованных пределах противошумовыми заслонами.
Сегодня ученые научились получать сверхвысокие напряжения, но в механике образования молнии еще много белых пятен. Судите сами: чтобы получить в лаборатории искусственную молнию, нам приходилось поднимать напряженность поля чуть ли не до 3 миллионов вольт на метр. В облаках же при измерениях того же параметра с самолетов получать больше 200 — 300 тысяч вольт на метр никогда не удавалось. А молнии там все-таки возникают — и какие!
Определенно прав тот англичанин, который сказал как-то, что, когда ученые начинают слишком много о себе воображать, природа подкрадывается к ним сзади и дает хо-орошенького пинка!
Молнии бывают и без всякой грозы. Вулканологи, изучавшие извержения, много раз отмечали страшные электрические разряды в облаках вулканического пепла. А несколько лет тому назад мир был взволнован сообщениями о катастрофических взрывах на японских супертанкерах. Самое необычное заключалось в том, что суда взрывались уже пустыми, во время промывки колоссальных танков сильной струей воды.
Одно из объяснений гласит, что при промывке образовывались облака нефтеводяной пыли, частицы которой несли электрические заряды. Тут достаточно было одной крохотной искорки…
Сколько тайн хранит история науки, история техники! Возьмите те же громоотводы. Считается, что изобрел их Франклин. А как же римляне? Кроме того, некоторые историки утверждают, что то же самое делали и египтяне еще задолго до римлян. Похоже, что свысока относиться к предкам определенно не стоит.
Ловцы молний. XX век
В конце первой четверти XX столетия перед учеными во весь рост встала проблема получения высоких и сверхвысоких напряжений. Физикам нужны были сильные электрические поля, для того чтобы быстрее разгонять заряженные частицы и бомбардировать мишени. Во всех странах развивалась работа по изучению строения атома. Электростатические генераторы поднимали напряжение до миллиона вольт. Но этого было мало. Вот если бы удалось заставить работать молнию… В 1928 году трое молодых ученых — Браш, Ланж и Урбан — решили реализовать эту идею.На горе Дженеросо в Швейцарии, где атмосфера всегда щедро насыщена электричеством, физики подняли на мачтах на высоту примерно около 80 метров металлическую сетку. Это устройство собирало из туч столько электричества, что его потенциал поднимался до 10 миллионов вольт. Очевидцы рассказывали, что опыты производили страшное впечатление и требовали от ученых большого мужества. Иногда напряжение на сетке достигало максимума, воздушный промежуток с оглушительным треском пробивала длинная, более четырех метров, искра. За одну сотую секунды — именно такое время длился разряд, сила тока достигала десятков тысяч ампер!
Браш, Ланж и Урбан пытались полученным напряжением ускорять протоны. Опыты длились до 1933 года, пока в один из грозовых дней Курт Урбан на крошечную долю секунды не потерял бдительность. Может быть, он слишком привык к постоянной опасности, пригляделся к огненным змеям. Однако новая сила — электричество не допускает небрежности. И молодой человек заплатил за нее жизнью. После этого работы на горе Дженеросо были свернуты. Они оказались слишком опасными и… недостаточно эффективными. Физики научились в лабораториях строить ускорители, разгоняющие заряженные частицы до миллиардов электрон-вольт.
Однако опыты по притягиванию молний, по сведению небесного огня с неба на землю не прекратились. Чтобы изучить природу электрического разряда, нужно было во что бы то ни стало познакомиться с ним поближе. И вот в середине нашего столетия швейцарский профессор Карл Бергер, изучив районы страны, где чаще всего бывают грозы, построил на горе Сан-Сальваторе, в окрестностях Лугано, стальную башню на высоте 915 метров над уровнем моря. Способ оказался весьма эффективным. Ловец молний принимал до сотни ударов атмосферного электричества в год, замерил их силу и составил альбом фотографий с помощью высокоскоростной аппаратуры. Бергер, пожалуй, первым сумел запечатлеть отдельные фазы рождающегося разряда.
Сейчас такие лаборатории имеются во многих странах. Жизнь исследователей в них наполнена ожиданием и беспокойством. Нередко среди ночи тревожные сигналы системы оповещения поднимают их с постелей. Приборы извещают, что напряженность электрического поля в воздухе достигла критической величины и нужно ожидать грозы. В такие ночи все сотрудники уже не помышляют о сне.
Вот стрелки приборов подошли к красной черте. Руководитель эксперимента нажимает кнопку на пульте. И тотчас в некотором удалении от здания лаборатории раздается громкое шипение: примерно метровая ракета срывается с направляющих и, разматывая за собой тонкий провод, уходит в вышину. Едва красно-желтая реактивная струя успевает подняться всего на несколько сот метров, как окрестности озаряются мертвенным светом: молния обрушивается с неба и бьет в стартовые направляющие — эксперимент удался.
Ловцы молний разделяют свою «добычу» на «нисходящие» и «восходящие» молнии, в зависимости от их направления. Короткие по времени считаются «ясными» и «холодными», а «горячие» живут в тысячу раз дольше и, являются главными причинами пожаров.
При напряжении около 100 миллионов вольт сила тока в молнии может достигать 100 тысяч ампер. Для наглядности напомню, что в электрической лампочке мощностью в 100 ватт сила тока не превышает и половины ампера.
Во время разряда воздух в молниевом канале разогревается до 30 тысяч градусов — это примерно в пять раз больше, чем температура солнечной поверхности; Раскаленная среда резко, как взрыв, расширяется и вызывает ударную волну. Гремит гром.
Людей всегда удивляло то обстоятельство, что пораженные небесным огнем часто оказывались без одежды. В чем тут причина? —
Объяснение нашли сравнительно недавно: когда разряд проходит по поверхности тела, жертвы, влага кожного покрова и пот моментально испаряются. Резкое повышение давления паров срывает одежду и обувь с пострадавшего.
По подсчетам статистиков, случаи поражения молнией за последние годы становятся все реже. Однако в 1977 году удар молнии повредил атомный реактор в Стейде. В 1981 году в японский танкер «Хакуйо Мару» (тоннаж 102 тысячи тонн) после освобождения его от сырой нефти ударила молния. Она воспламенила газовоздушную смесь, оставшуюся в танках судна, и в результате от танкера осталась груда пережженной стали.
Громоотводы и стальная арматура железобетонных конструкций надежно предохраняют от грозового разряда людей, находящихся в помещениях современных зданий. Поэтому в городах гроза практически безопасна.
В наше время одна из задач исследователей — защита чувствительной электроники от атмосферных разрядов. Даже отдаленные разряды способны помешать, внести сбой в работу электронных систем.
Хорошая гроза расходует энергию, равную примерно энергии взрыва атомной бомбы. Мимо такой бесцельной траты энергии люди, конечно, не могли пройти. Однако, несмотря на то что первые предложения по использованию этой энергии относятся еще к прошлому столетию, результаты по их реализации пока невелики.
Глава 5
Господа профессоры Санкт-Петербургской Академии наук
По мосткам, проложенным вдоль низкого и топкого берега Васильевского острова, душным июльским днем лета 1753 года идут двое. Один высок и дороден. Телосложения крепкого, можно сказать, богатырского. Шагает широко, размашисто, под ноги не глядит. Попадет каблук башмака в щель промеж досок — выдернет, не поморщась. Вроде как не замечает он ни жары-духоты летней предгрозовой, ни пыли, ни неровностей пути. Темные круги обозначились в подмышках на голубом академическом кафтане с отворотами. Время от времени утирает он широким обшлагом пот, стекающий из-под напудренного парика, но хода не замедляет.Другой ростом поменьше и в кости тоньше, а потому кажется рядом с товарищем комплекции субтильной. Однако, ежели приглядеться, то и он мужчина крепкий и в самой поре, лет сорока. Поспешая за рослым спутником своим, идет аккуратно, выбирает, куда ступить, чтобы пыль от хлопающих досок не садилась на белые чулки и панталоны. Одновременно успевает и оглядеться вокруг, оценить и удержать в памяти все увиденное. Плывет по Неве плот. «Две дюжины бревен в ряду, — отметит он про себя и посчитает: — На две гонки мужиков трое, что есть немного, а стало быть, хорошо работают, не ленятся». Приметит посредине плота груз, прикрытый рогожей, враз уразумеет: «Должно, чугун в Адмиралтейство от Литейного сплавляют». Жара ему не помеха, даже лоб не блестит. Оглядев небосвод, край которого медленно затягивают облака, наливающиеся свинцовой тяжестью, он тут же отмечает вслух: «Es ist warm, aber ich glaube, das nach Mittag ein Qewitter sein wird…»[9].
И хотя мысли его товарища далеки от окружающего, тот откликается: «Vielleicht, meinetwegen»[Возможно, пусть будет… (Нем.) — и переходит на русский язык: «На Илью до обеда всегда лето, а с обеда — осень. — Он смотрит на небо. — Тучи от норда идут. Грому нарочитаго ожидать можно. Надобно машину грозовую наладить успеть, дабы опыты и обсервации чинить непомешно. Есть ли новинки в сем деле за то время, что был я в Усть-Рудицах?»
Переходит ка русскую речь и его приметливый товарищ: «Сего июля осьмнадцатого числа имел я паки случай примечать електрическую силу громовых туч. Опыты чинились при некоторых господах профессорах и членах академических… — Он говорит с трудом, книжно, как пишет. Так обычно говорят иноземцы, знакомые с языком не по живому общению с людьми, а через книжную ученость. — Гром не близко, однако ж, после первого удара шелковая нить указателя от железной линейки нарочито далеко отскочила, и материя електрическая с шумом из конца линейки в светлыя искры рассыпалась… — Он забегает чуть вперед, чтобы посмотреть, производит ли его рассказ должное впечатление на собеседника. И, убедившись, что тот слушает с интересом, продолжает: — У некоторых, державших линейку, великое потрясение по всей руке и иным членам произошло. А шум исходящей материи слышали даже те, кто стоял нарочито далеко…»
Именно такой представляется мне сегодня сцена возвращения двух профессоров Санкт-Петербургской Академии — Михаилы Васильевича Ломоносова и Георга Вильгельма Рихмана после заседания Конференции домой в июле 1753 года. Таким представляется и их диалог…
Опыты, чинимые с электрической силой, поражали воображение Ломоносова. Околдованный еще в Марбурге в студенческие годы зрелищем, как под ладонями университетского экспериментатора вертящийся стеклянный шар накапливает таинственную материю, которая стреляет голубыми искрами, он всеми силами содействовал постановке тех опытов в Петербурге. Рад был, что и друг его, любезный профессор Рихман, тою же материей заинтересован. Добивался для Рихмана отведения «каморы електрической» в строгановском доме, хлопотал о приборах и бегал повсечасно глядеть, то ли делает профессор, да все ли ладно получается… У себя в доме, к ужасу супруги Лизаветы Андреевны и домочадцев своих, соорудил он «громовую махину», с коею чинил опыты, пугавшие всю округу.
В 1744 году по собственному почину буйный Академии наук адъюнкт Михаила Ломоносов приступил к наблюдению за грозами. В рабочем журнале он отметил 17 гроз за лето. Более всего прогремело их в июле. И почти каждый раз тучи собирались пополудни, часу около третьего или четвертого.
В начале 1745 года императрица Елизавета со всем двором после долгого пребывания в Москве и Киеве вернулась, наконец, в столицу. Жизнь оживилась. В кабинет ее императорского величества вызван был советник Шумахер, где ему объявили приказ: «…коим образом ея императорское величество указать, изволила, профессором Рихманом сделанный в Академии електрические эксперименты чинить ему, профессору, при дворе, дабы ея императорское величество собственною высочайшею особою действие онаго эксперимента видеть изволила»[10].
Ну чем у нас не Версаль?
Между тем Ломоносов продолжал:
— Понеже из проволоки во время грому подлинные електрические искры происходят, — он говорил как бы сам с собой, не глядя на шагавшего рядом с ним Рихмана, — посему заключаю я, что к тем опытам с м-шенбруковыми и клействовыми склянками никакой електрической махины не надобно. Гром совершенно вместо нея служить может. От сих искр должен также спирт винный, а также нефть, порох и протчее загораться.
Рихман молчал. Не то чтобы его мнение было принципиально несогласно с ломоносовским, но он сначала хотел сам в том удостовериться. Сказывались различие темпераментов и разный подход к проблеме.
— Экой ты, Михаила Васильевич, строптивец. Истинно «ломай нос». Сие все в испытаниях нуждается. Есть ли в искрах громовых достаточно силы и теплоты для зажигания…
Ломоносов шагал, сжавши губы узкой полосой и выставив вперед круглый подбородок. Обманчиво-мягкое лицо его отвердело. Oy и смолоду-то был упрям. И не раз случалось, что когда кто-либо начинал ему перечить, становился несдержан. Однако Рихмана он любил. Уважал за знания, за упорство. Были они почти одногодками, но Рихман определено был профессором раньше. И Ломоносов никогда не забывал, как в начале учения ему, приехавшему из Москвы студенту Славяно-греко-латинской академии, готовящемуся к отъезду в Германию, именно Георг Рихман давал первые уроки немецкого языка…
С основанием Академии наук в России, в Санкт-Петербурге, возникла чуждая русскому обществу колония иностранцев, которые мало соприкасались с той средой, в которую оказались внедрены. Они не были торговцами, не являлись лекарями, мастеровыми, ремесленниками, то есть теми, чей труд был понятен, привычен для русских людей и чье пребывание в стране не вызывало недоумения. В Академию наук большинство специалистов приглашалось не для решения конкретных проблем, а с единой целью — привить в России европейскую образованность. Но для этого мало было набрать хороших и знающих людей. Нужно было сначала, как говорил в свое время Василий Никитич Татищев, «приуготовить землю, на которую сеять». А этому мало помогали реформы, не решали вопрос повинности. Все они — от указов об основании новых школ и расширении старого «книжного почитания» до запрета жениться дворянским детям без минимума образованности — касались внешней, поверхностной жизни государства. Чтобы просвещение вошло в плоть и кровь народные, нужны были свои Коперники и Галилеи, Бэконы, Декарты, Лейбницы. Они должны были не просто усвоить основы новых начал, не просто понять их, но впитать их органически, «переварить» и переосмыслить. И тогда на «приуготовленной земле», на своей национальной основе, развивать дальше новое мировоззрение, понятное широкому кругу соотечественников. Развивать его в русле мировой науки.
Приезжие иноземцы в большинстве своем честно занимались задачами практического изучения России. Но ни цели, поставленные перед ними, ни методы, ни результаты их работы, описанные латынью, на немецком или на французском языках, не были понятны большинству русских. Даже первые переводы этих работ оказывались столь же темными, как и оригиналы. В русском языке того времени отсутствовала терминология, тождественная европейской. Не существовало самого научно-логического строя, способного излагать отвлеченные понятия и естественнонаучные истины. Русские риторы понаторели в спорах богословских, в борьбе против остатков язычества на широких просторах державы, но естественнонаучный язык выработан не был. И потому первые переводы, пытавшиеся передать смысл иноземной учености, были совершенно невразумительны. «Прочный корень науки мог быть положен только, когда ее содержание было принято не на веру, не из подражания, не под давлением чужого авторитета, а самостоятельно продумано и усвоено умом, способным к независимому исследованию, и вошло в его собственную природу. В первый раз это сделано было Ломоносовым, и в этом была его великая заслуга, залог обширного влияния в течение XVIII века и историческое значение в русской литературе»[11].
Можно выдумать порох, открыть планету, вывести новую математическую формулу или изобрести целый математический аппарат и тем самым снискать благодарность человечества. Но только редкие гении способны научить людей думать по-иному, по-новому, способны изменить их представления об окружающем мире, создать новое мировоззрение.
Так и для одного из идущих по набережной — для Георга Вильгельма Рихмана, академика и профессоpa no кафедре теоретической и практической физики Санкт-Петербургской Академии наук, — изучение громовой силы явилось главной задачей, важной самой по себе. Для второго же академика и тоже профессора, только по кафедре химии, Михаилы Васильевича Ломоносова, этот вопрос был одним из примеров единства материального мира. Это был один из камней фундамента нового мировоззрения, которое он вырабатывал и которое должно было прийти к его соотечественникам на смену все еще не изжитой средневековой и церковной схоластике.
Оба с утра присутствовали в заседании Конференции и теперь поспешали домой к обеду, а также в надежде удостовериться в прежних своих обсервациях над электрической силою. Рихман должен был показать сущность опытов своих граверу — мастеру Соколову, поскольку тому было поручено изобразить их на виньетке к предстоящей речи, имеющей быть напечатанной в академической типографии. Господа профессоры дошли до угла Второй линии, на котором обычно прощались, ибо один из них, а именно Ломоносов, жил неподалеку. Дом Рихмана стоял на углу Пятой линии и Большого проспекта. Православные обходили это строение с высокими шестами на крыше, принимавшими гром. От шестов с железными прутьями шли а сени цепи к электрическому указателю, придуманному и сооруженному хозяином.
Однако тучи в этот день были невелики и изрядного грому не обещали.
На крыше ломоносовского дома проволока шла от железного штыря к калитке, а оттуда в сени. Это и была «громовая машина». К ней и спешил Михаил Васильевич. Он остановился в сенях поглядеть на электрический указатель Рихмана. Оба ученых полагали, что сей снаряд позволит им вести непрерывные наблюдения, примечая изменения электрической силы не только во время грозы. Но пока нить висела вдоль железной линейки, не подавая никаких признаков жизни.
В доме собирали на стол, и Лизавета Андреевна окликнула мужа, выговаривая ему за задержку. Он же все ждал и дождался: нить дрогнула, поднялась, а из проволоки без всякого грому посыпались искры.
— Komm mal her… Быстрее, быстрее! Идите сюда и смотрите, какого цвета эти искры, — закричал Ломоносов. Цвет искр был одним из предметов спора с Рихманом. И Ломоносову нужны были свидетели.
Домочадцы, призванные хозяином, робко жались у стенки, подальше от громовой машины, а Лизавета Андреевна — его супруга, которая, несмотря на годы, прожитые в России, с русским языком была в больших неладах, все просила: