Пинбол-эффект. От византийских мозаик до транзисторов и другие путешествия во времени - Джеймс Берк

Изобретение русского ученого имеет и другое важнейшее предназначение. Оно помогает предсказывать землетрясения. Никто не знает точно, почему они происходят, — возможно, они вызваны вулканической деятельностью, возможно, движением тектонических плит или даже парадом планет. Однако была высчитана годовая вероятность землетрясений разной силы на нашей планете: два землетрясения сильнее 7,7 балла по шкале Рихтера, семнадцать землетрясений между 7,7 и семью баллами, сто — со значениями от семи до шести и более пятидесяти тысяч толчков от шести до трех баллов.

Таким образом, благодаря французским палеонтологам, английским геологам, американской нефти, газировке, страхованию, антропологам, искателям окаменелостей, немецким специалистам по патологии клеток выжившие после очередного землетрясения помянут добрым словом Бориса Голицына за сейсмограф. А там — кто знает, как повернется колесо фортуны, — придется, быть может, поблагодарить и Флеминга за пенициллин.

Добыча нефти вызвала к жизни новые технологии для освоения недр и поиска подземных сокровищ. Эти поиски начались за много столетий до этого совсем по другим причинам, но имели столь же революционные последствия…

На примере этого исторического путешествия мы увидим, как одно открытие, случившееся триста лет назад, приведет к рождению сразу трех совершенно разных изобретений недавнего прошлого: термостойкой керамики, гирокомпаса и топливного элемента. А эти три изобретения, в свою очередь, поспособствовали появлению на свет и четвертого — самого необычного транспортного средства в мире.

Мы начнем эту историю с середины XVII века. В это время Европа переживала бум развития горнодобывающей отрасли. Она могла бы переживать его еще сильнее, если бы не одна серьезная проблема. По какой-то непонятной причине насосы шахт отказывались поднимать воду выше, чем на десять метров (это были те самые старые дренажные системы, которые доставляли горнякам столько хлопот). Через каждые десять метров приходилось ставить новый насос — и так до самой поверхности. Если учесть, что некоторые шахты насчитывали не одну сотню метров в глубину, то это было хлопотным и дорогим удовольствием. Проблему довели до сведения ученых.

В 1639 году губернатор Генуи Джованни Бальяни рассказал своему другу Галилео Галилею о своей беде — у него не получалось поднять воду на холм по трубе при помощи насоса. Галилей поручил решение задачи своему ученику Еванджелисте Торричелли, который, в свою очередь, рассказал об этом римским друзьям. В 1641 году один из них, Гаспаро Берти, сконструировал сооружение, представлявшее собой трубу с водой, нижний конец которой был погружен в емкость, также наполненную водой, а верхний — перекрыт краном. Когда кран открывали, вода вытекала из трубы до тех пор, пока не достигала отметки примерно в десять метров над уровнем воды нижнего сосуда.

Торричелли повторил этот опыт со ртутью. Она имеет бóльшую плотность, а следовательно, для опыта был нужен гораздо меньший объем жидкости, да и конструкция получилась во много раз компактнее. Ртуть вела себя так же, как вода. Торричелли поделился новостью с теологом Мареном Мерсенном, водившим знакомство с доброй половиной всех ученых-любителей Европы. В результате 19 сентября 1648 года компания достойных мужей из французского города Клермон-Ферана, в том числе шурин знаменитого Блеза Паскаля (который тоже был в друзьях у Мерсенна), взобралась на ближайшую гору Пюи-де-Дом с трубкой ртути и тарелкой. Перед подъемом они повторили опыт Торричелли и Берти, ртуть опустилась на определенную высоту и остановилась. По мере подъема на гору ртуть опускалась все ниже и ниже, а когда экспериментаторы повернули обратно, ртуть начала подниматься снова. Это свидетельствовало о том, что давление толщи воздуха на поверхность ртути в тарелке мешало опускаться столбику ртути в трубке. По этой же причине вода в шахтах не поднималась выше, чем на десять метров — давления воздуха для удержания более высокого столба воды уже не хватало.

Загадка насосов в шахте была решена, но возникла другая. Трубка с ртутью была закрыта сверху. Когда экспериментаторы поднимались в гору, уровень ртути понижался и над жидкостью образовывалось пустое пространство. Оно не заполнялось воздухом — никакие пузырьки вверх по трубке не поднимались. Получалось, что это был вакуум. В доктрине церкви не было места вакууму, поскольку бог не мог допустить пустоты в природе. Разглагольствовать о таком открытии в католической стране было довольно опасно, так что изучение вакуума продолжилось к северу от Альп, в протестантских странах.

Однако несмотря на относительную свободу научной деятельности в Северной Европе, ощутимый эффект от открытия наших «скалолазов» человечество почувствует только два столетия спустя, после одного незабываемого шторма в Черном море. Это будет первым из звеньев той цепочки событий, которая тянется от открытия вакуума к трем изобретениям, упомянутым в начале главы.

Уровень ртутного столба менялся в зависимости от высоты подъема, а следовательно, с высотой менялось и давление воздуха. Ученые из Лондонского королевского общества в ходе экспериментов обратили внимание на то, что высота ртути меняется еще и в зависимости от погоды. Так был изобретен барометр. В начале XVIII века мало кто из настоящих джентльменов обходился без этого чудо-прибора, а уж естествоиспытателю не иметь его в хозяйстве было и вовсе стыдно. В 1720 году было установлено, что положение ртути на уровне тридцати одного дюйма (787 мм) соответствует ясной сухой погоде, а двадцати восьми (711 мм) — дождю и сильному шторму. Дамам рекомендовалось иметь под рукой барометр, чтобы, выходя из дома, не ошибиться с нарядом.

К началу XIX века накопился достаточный массив погодных наблюдений и было установлено, что в среднем дождь идет раз в двое суток, преимущественно по ночам, чаще всего осенью и реже — зимой, кроме того, раз в пять лет бывает засушливый год, а раз в десять лет, наоборот, выпадает чрезмерно большое количество осадков. Неудивительно, что вся эта аналитика имела прежде всего финансовую подоплеку — каждый год штормы уносили в пучину целые состояния в товарном эквиваленте, не говоря уже о тысячах жизней.

В 1835 году ученый Джеймс Поллард Эспи из Института Франклина в Филадельфии начал сбор данных о штормах восточного побережья США — от Канады до Мексиканского залива. Он направил сотни запросов морякам, смотрителям маяков и военным, через пять лет обобщил полученные сведения в виде карт развития и прохождения штормов и выяснил, что форма шторма всегда представляет собой овал либо круг. В 1839 году Эспи стал уже всемирно известным ученым, выступал с лекциями в Англии и Европе и опубликовал работу «Философия штормов». Интерес к погодным явлениям можно было сравнить с барометром в хорошую погоду — он показывал неуклонный рост.

Уже в 1843 году британская Комиссия по кораблекрушениям предписала каждому судну иметь на борту барометр. Первую погодную карту для суши составил в июле 1849 года морской офицер Глэйшер для газеты «Дэйли ньюс», вскоре она поступила в свободную продажу и стоила один пенс. Интерес к метеорологии рос по обе стороны Атлантического океана. Молодой лейтенант американского флота Мэтью Мори из Вашингтона свел воедино записи капитанских журналов о ветрах и течениях за девять лет и получил таким образом огромный массив данных, эквивалентный миллиону дней наблюдений. Неудивительно, что это событие убедило многих ученых собраться на международную конференцию по изучению погоды, которая состоялась в Брюсселе в 1853 году. Впрочем, никаких особенных результатов эта конференция не принесла.