Увлекательное путешествие в мир науки by CLEVER

Для чтения взрослыми детям Перевод с английского Марии Багразян Челлонер, Джек Увлекательное путешествие в мир науки / Джек Челлонер. — Москва: Клевер-Медиа-Групп, 2014. — 96 с.: ил. — (Энциклопедии) Тираж 5000 экз. ISBN 978‑5‑91982‑530‑2 Copyright © 2012 Red Lemon Press Limited © ООО «Клевер-Медиа-Групп», 2014

Издательство Clever Генеральный директор Александр Альперович Главный редактор Елена Измайлова Арт-директор Лилу Рами Дизайнер Юлия Кремс Ведущий редактор Мария Тонконогова Редакторы Ирина Данэльян, Евгения Попова В соответствии с Федеральным законом № 436 от 29 декабря 2010 года маркируется знаком 6+ Отпечатано в соответствии с предоставленными материалами в ООО “ИПК Парето-Принт”, г. Тверь, www.pareto-print.ru Заказ № 0000/00

ООО «Клевер-Медиа-Групп» 115054, г. Москва, ул. Пятницкая, д. 71/5, стр. 2

www.clever-media.ru clever-media-ru.livejournal.com facebook.com/cleverbook.org vk.com/clever_media_group @cleverbook Книги – наш хлѣбъ

Наша миссия: «Мы создаем мир идей для счастья взрослых и детей».

Джек Челлонер

ИЛ ЛЮСТРИРОВАННА Я ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЙ

ВН

ИМ

Е НИ

В этой книге пропущен ы

скучные главы!

Эпизод 7

28 Изучаем понятие теплоты в обществе: Габриэля Фаренгейта, Андерса Цельсия, Джозефа Блэка

Содержание

Эпизод 8

31 Разбираемся в тонкостях химических реакций, и в этом нам помогают: Георг Шталь, Джозеф Блэк, Генри Кавендиш, Джозеф Пристли, Антуан Лавуазье Эпизод 9

Потрясающие догадки о строении земной коры, изложенные в трудах: Джеймса Геттона и Джона Плейфэра

Эпизод 1

Эпизод 10

Определяем наше место в космосе в компании: Николая Коперника, Иоганна Кеплера, Галилео Галилея

38 Оказывается, все состоит из атомов. Главные герои этого эпизода: Антуан Лавуазье, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта, Жозеф Пруст, Джон Дальтон

Эпизод 2

11 Доказываем, что пустота реально существует, и представляем: Эванджелисту Торричелли, Отто фон Герике, Роберта Бойля и Роберта Гука

Эпизод 11

Эпизод 3

Как две силы слились в одну. Повествуют: Ганс Христиан Эрстед, Андре Ампер, Джозеф Генри, Майкл Фарадей

Исследуем невиданный доселе мир глазами: Марчелло Мальпиги, Роберта Гука, Антони ван Левенгука

Эпизод 12

Эпизод 4

Изучаем объединенную теорию в компании: Бенджамина Томпсона, Сади Карно, Джеймса Джоуля

44 17

Познаём законы, которые управляют нашим миром, с помощью: Галилео Галилея, Рене Декарта, Исаака Ньютона

Эпизод 13

Эпизод 5

Раскрываем тайны происхождения и развития видов в обществе: Карла Линнея и Чарльза Дарвина.

21 Узнаём, из чего состоит все на свете. Главные герои этого эпизода: Демокрит, Исаак Ньютон, Роберт Бойль, Стивен Гейлс, Данииль Бернулли Эпизод 6

24 Раскрываем тайны электричества в компании: Уильяма Гильберта, Фрэнсиса Хоксби, Стивена Грея, аббата Жана-Антуана Нолле, Бенджамина Франклина

Эпизод 22

Эпизод 14

Проникаем в самую суть явления под названием «свет», которая открылась нам благодаря: Томасу Янгу, Ипполиту Физо, Майклу Фарадею, Джеймсу Клерку Максвеллу

Открываем секреты загадочного субатомного мира под началом: Поля Дирака, Карла Андерсона, Хидэки Юкавы, Джона Кокрофта и Эрнста Уолтона

Эпизод 15

Эпизод 23

Выводим химические элементы на чистую воду. Тайную связь между ними обнаружили: Густав Киргоф и Роберт Бунзен, Джон Ньюлендс, Дмитрий Менделеев

Вскрываем тайный код жизни при помощи ключей, предоставленных: Фридрихом Мишером, Фредериком Гриффитом, Розалинд Франклин, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком

Эпизод 16

Эпизод 24

56 Узнаём всю правду о микробах в компании: Игнаца Земмельвайса, Луи Пастера, Джозефа Листера, Роберта Коха Эпизод 17

Ищем стартовую точку зарождения человеческой цивилизации по указаниям: Чарльза Дарвина, Раймонда Дарта, Луи и Мэри Лики Эпизод 25

Изучаем новую модель мира мельчайших частиц, которую представили нашему вниманию: Джозеф Джон Томсон, Мари Кюри, Эрнест Резерфорд

Изучаем, как шло формирование гор и океанов, с помощью: Альфреда Вегенера, Артура Холмса, Гарри Гесса

Эпизод 18

Эпизод 26

Захватывающие приключения во времени и пространстве. В главных ролях: Альберт Эйнштейн, Герман Минковский, Артур Эддингтон

Обращаемся к началу начал. Вместе с нами вслушиваются в космос: Джордж Леметр, Фред Хойл, Арно Пензиас и Роберт Уилсон

Эпизод 19

Эпизод 27

67 Щелкаем задачки по генетике и благодарим за труды: Грегора Менделя, Вальтера Флемминга, Уолтера Саттона, Томаса Ханта Моргана Эпизод 20

70 Заглядываем в глубокий-глубокий космос при содействии: Фридриха Бесселя, Генриетты Ливитт, Эдвина Хаббла Эпизод 21

73 Слушаем объяснение загадок микромира из уст: Нильса Бора, Макса Планка, Эрвина Шрёдингера

Стремимся к новым знаниям вместе с новым поколением ученых

Вступление Из чего состоит все на свете? Как растут и размножаются живые существа? Каков возраст Вселенной? Как появляются горы? Почему одни предметы теплые, а другие — холодные? Почему мы болеем? С появления подобных вопросов началось зарождение естественных наук. Любопытство — интерес к окружающему миру и стремление объяснить его явления — во все времена было спутником человека. В таком случае, скажете вы, наука зародилась одновременно с возникновением человечества! Но наука — это больше чем простое любопытство, ведь в понятие науки также входят гипотезы об устройстве мира и научные эксперименты, в результате которых эти гипотезы подтверждаются или опровергаются. Всего несколько столетий назад люди начали заниматься наукой в полном смысле этого слова. Великие мыслители древности задумывались над сложными вопросами и находили на них ответы. Однако они не проверяли свои предположения на опыте. Значит, отправной точкой нашего рассказа являются не древние времена. Гипотезы древних мыслителей, особенно древнегреческих мудрецов, многие поколения людей воспринимали как абсолютную истину. Но между XVI и XVII веками европейцы начали ставить под сомнение суждения древних и проверять их с помощью научных экспериментов. И только сейчас, 400 лет спустя, у нас есть исчерпывающие, подтвержденные опытным путем ответы на вопросы, заданные в начале страницы, а также на многие другие. Разумеется, каждый ответ порождает множество новых вопросов, но так даже интереснее. Наука — это бесконечное путешествие к истине, и знания, которые ученые добывают на этом •  Большинство ученых, упомянутых в этой пути, могут быть использованы как во книге — белокожие мужчины. Это не потому, благо, так и во вред. что мы считаем людей, принадлежащих В истории науки есть еще много страниц, другим расам, менее умными или не которые не поместились в эту книгу. Нашу достойными внимания. Все дело в «Историю науки» можно сравнить с особенностях той ступени общественного коротким репортажем о лучших моментах развития, на которой находились футбольного матча: она фокусируется на государства Европы и Америки в важнейших событиях и объединяет их в описываемый нами период времени. связный рассказ, приправляя Сегодня во всем мире среди ученых, комментариями. совершающих потрясающие открытия, Видеоролик сжимает полтора часа матча огромное количество людей, не до нескольких минут, а наша книга принадлежащих к белой расе. спрессовывает 500 лет человеческого • Наименование «век» всегда относится к вдохновения и тяжелого труда в 27 кратких 100 годам, предшествующим номеру эпизодов. конкретного века. Так, например, когда вы читаете о том, что нечто случилось в XVI веке, это значит, что событие произошло между 1501 и 1600 годами.

Эпизод

И ВСЕ ‑ ТАКИ ОНА

ВЕРТИТСЯ! Определяем наше место в космосе в компании: Николая Коперника, который доказал, что Земля вращается вокруг Солнца (а не Солнце вокруг Земли)

Иоганна Кеплера, который открыл законы движения планет

Галилео Галилея и его правдивого телескопа

аждый день Солнце, Луна и звезды встают над горизонтом, проходят по небосводу и исчезают из виду. Нам, живущим на Земле, кажется, что эти небесные тела вращаются вокруг нас по огромным орбитам, в то время как наша планета остается неподвижной. Одним из первых достижений в истории естественных наук стало опровержение этой гипотезы, которое доказало, что не всегда стоит верить глазам своим. Если наблюдать за ночным небом в течение нескольких лет, можно заметить, что звезды располагаются на небосводе в одном и том же порядке. Кажется, будто бы звезды прикреплены к огромному стеклянному шару, который за день делает один оборот вокруг Земли. Однако, если внимательно наблюдать за звездами ночь за ночью, можно заметить, что несколько светящихся точек меняют свое положение относительно неподвижных звезд. Эти точки — планеты (от греческого слова, означающего «странники»).

Птолемеева система мира

В древности люди знали о существовании пяти планет: Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна. Древнегреческие философы считали, что каждая из этих планет, а также Луна и Солнце, закреплены на прозрачных сферах, которые вращаются вокруг Земли с разными скоростями.

й е л и л а Г рирует свою

демонст селенной — В модель й в центре с Земле 7

Как бы то ни было, планеты движутся не по прямой, их траектории трудно предсказать. Они перемещаются по небу, меняя скорость, а иногда даже на несколько недель поворачивают в противоположную сторону. Древние греки составили сложную систему вычисления траекторий их движения, отталкиваясь от идеи о неподвижном центральном положении Земли во Вселенной. Астроном Птолемей, живший в II веке до нашей эры, описал эту систему в своей книге «Альмагест». Поскольку систему Птолемея можно было применять для достаточно точного определения положений Солнца, Луны и планет, идеи Птолемея закрепились. В средневековой Европе Католическая церковь преподносила систему

Коперников ская система мира с Солнцем в центре Вселенной,

книга 1600 года

Птолемея как истину в последней инстанции, ведь, в конце концов, даже в Библии говорится о том, что Солнце вращается вокруг неподвижной Земли.

Солнце в центре Вселенной

В начале XVI века многие ученые начали подвергать сомнению истинность античных идей, и польский астроном Николай Коперник предложил альтернативу Птолемеевой системе мира. Он предположил, что Земля — лишь одна из планет, вращающихся вокруг Солнца, кроме того, она сама вращается вокруг своей оси, как волчок. Другими словами, Коперник изгнал Землю из центра Вселенной.

Иоганн Кеплер со своим знакомым, астрономом Тихо Браге (на картинке сидит). Здесь не видно, но у Тихо был металлический нос, поскольку свой собственный он потерял на дуэли.

Ученые догадывались об этом и прежде, даже в Древней Греции делались подобные предположения, однако эта идея всегда отвергалась. Коперник дал объяснение своей системе в книге De revolutionibus orbium coelestium («О вращении небесных сфер»). Понимая, что его идеи противоречат официально принятой точке зрения, он откладывал публикацию книги целых 20 лет, вплоть до 1543 г. По легенде, Коперник увидел печатный экземпляр своей книги в день смерти.

Орбиты планет

Католическая церковь раскритиковала книгу Коперника и изъяла ее из обращения. Однако несколько просвещенных европейцев прочли книгу и поняли, что коперниковская система мира с Солнцем в центре (то есть, гелиоцентрическая) более соответствует

Телескоп Точная копия телескопа Галилея, в который он изучал ночное небо и с помощью которого изменил наше представление о Вселенной.

В начале XVII века на помощь астрономам пришел телескоп (слово произошло от греческих слов tele — «далеко» и scopein — «смотреть»). Первые телескопы были изобретены в начале XVI века голландскими мастерамиоптиками, которые заметили, что с помощью комбинации из двух линз можно увеличивать предметы в 3 раза по сравнению с тем, что видит невооруженный глаз. Узнав о голландском изобретении, Галилео Галилей создал свое собственное «голландское стекло», которое давало увеличение почти в 20 раз.

Эпизод

ПУСТОЕ МЕСТО

Доказываем, что пустота реально существует, и представляем: Эванджелисту Торричелли, изобретателя барометра Отто фон Герике и его эксперименты с вакуумом Роберта Бойля и Роберта Гука, а также их усовершенствованный вакуумный насос

ной т а н м о при к вляется е я р у т а р темпе жидкостью

Гер фон ик е

ь т у т Р

От то

овые идеи об устройстве космоса вдохновили множество людей, среди них был немецкий ученый и политик Отто фон Герике. В особенности фон Герике интересовался вопросом о том, чем заполнено пространство между планетами и звездами. Если это воздух, не снижает ли он скорость движения планет по орбитам? Возможно ли, что там нет совсем ничего? Захваченный духом научного исследования, витавшим в воздухе в то время, фон Герике решил самостоятельно создать пустое пространство. Будучи студентом, фон Герике познакомился с учением греческого философа Аристотеля, который доказал, что пустота, или ничто, не может существовать. В пользу идеи Аристотеля говорили наблюдения над тем, как быстро вода и воздух заполняют пустое пространство. Однако в 1643 году итальянским ученым Эванджелистой Торричелли был проведен эксперимент, который указал на то, что Аристотель, возможно, ошибался.

Французский ученый Блез Паскаль забрался на гору с барометром, изобретенным Торричелли. Как и предполагал Паскаль, столбик ртути здесь был ниже, поскольку на высоте воздух более разреженный

Создавая пустоту

Занимаясь исследованием атмосферного давления, Торричелли налил ртуть в длинную стеклянную трубку, запечатанную с одного конца. Когда он перевернул трубку и вставил открытым концом в сосуд с ртутью, некоторое количество ртути в трубке сползло вниз. Таким образом, вверху трубки образовалось безвоздушное пространство — вакуум. В 1647 году, вдохновленный экспериментом Торричелли, фон Герике проводил опыты по созданию вакуума путем отсасывания воздуха из емкостей с помощью ручного насоса и почти достиг своей цели. Усовершенствовав свой насос, ученый провел и другие эксперименты с пустым пространством, в числе которых был опыт, доказавший, что звук не проходит сквозь вакуум, а электричество и магнитные волны — проходят.

Демонстрация силы воздуха

В 1654 году фон Герике устроил публичную демонстрацию научного эксперимента в своем родном Магдебурге. Ученый

«Мы погружены на дно безбрежного океана воздушной стихии».

Эванджелиста Торричелли, 1644 г.

использовал два медных полушария, которые вместе составляли сферу диаметром 60 см. Загерметизировав сферу кожей и воском, он вытянул из нее воздух с помощью своего насоса. Поскольку в сфере не было воздуха, не было и давления воздуха изнутри, которое уравновешивало бы атмосферное давление снаружи сферы, — таким образом, давление воздуха, окружавшего сферу снаружи, крепко-накрепко прижало две полусферы друг к другу. Действительно, сила их сжатия оказалась такой большой, что 16 лошадей (по 8 с каждой стороны) не смогли разделить их. Однако, когда фон Герике открыл клапан, чтобы впустить воздух внутрь шара, даже маленький ребенок мог без труда разъединить полусферы. В следующем году Роберт Бойль, ученый ирландского происхождения, прочел об исследованиях фон Герике и приступил к моделированию усовершенствованного насоса. Его ассистент, английский ученый Роберт Гук, помогал в разработке и конструировании, и вместе они создали ручной поршневой насос, гораздо более мощный, чем существовавшие модели. С тех

Эпизод

ЗЕМЛЕ, ТАК И В КОСМОСЕ КАК НА

Познаём законы, которые управляют нашим миром с помощью: Галилео Галилея и его теории Рене Декарта и его системы координат Трех законов механики Исаака Ньютона

то время, когда Роберт Гук занимался исследованием «анимакул» Левенгука, он размышлял и над важнейшими вопросами устройства Солнечной системы. В 1679 году Гук написал Исааку Ньютону, профессору математики Кембриджского университета в Англии, письмо, в котором спрашивал, есть ли у Ньютона какие‑либо мысли насчет силы, которая удерживает планеты на своих орбитах. Изучение природы движения с давних пор было одной из главных забот ученых и философов. Древнегреческий философ Аристотель заявил, что объект движется только тогда, когда сила (толчок или тяга) действует на него; когда же действие силы прекращается, останавливается и движение. «Свободное» тело после броска — например, мяч, летящий по воздуху, — не подходило под это объяснение, ведь с того момента, как мяч отрывался от руки метнувшего его

Галилео изучает воздействие

силы тяжести на тела, скатывающиеся по наклонной плоскости… и пугает своих помощников 17

человека, никакой силы к нему не прикладывалось. Однако Аристотель мог объяснить и это: воздух спешит занять то пространство, которое занимал снаряд, и тем самым толкает снаряд, поддерживая его движение.

Движение и сила трения

В Средние века философы Европы и Ближнего Востока немного скорректировали теорию Аристотеля. Они считали, что, когда предмет толкают, чтобы он начал двигаться, ему придают некоторое количество «импульса», который постепенно сходит на нет, поэтому предмет рано или поздно останавливается. Однако они ошибались, равно как и Аристотель. В начале XVII века Галилей проводил эксперименты по изучению природы различных сил и движения. Его, в частности, занимало, как действие сил влияет на ускорение и замедление движущихся предметов. Чтобы определить, как сила тяжести заставляет предметы набирать скорость, он спускал шары с различных наклонных поверхностей, засекая точное время, за которое шары достигали подножия. Галилео обнаружил, что в отсутствие какой‑либо действующей на них силы движущиеся объекты продолжают движение с той же самой скоростью и в том же направлении. Движение никуда не «испаряется» и не заканчивается с прекращением действия силы — на самом деле сила нужна, чтобы остановить движущийся объект. Галилео создал теорию трения и сопротивления воздуха — сил, которые замедляют движение предметов. В повседневной жизни предметы обычно замедляют свое движение из‑за силы трения, а не из‑за того, что у них кончается импульс или воздух прекращает на них давить.

Предсказания по числам

Вопрос, который Гук задал Ньютону, — что же удерживает планеты на орбитах — приобрел особую важность с момента, когда было доказано, что Земля тоже вращается вокруг Солнца. В 1630‑х годах французский философ Рене Декарт предположил, что планеты приводятся в движение

Согласно теории Декарта, планеты вращаются вокруг Солнца благодаря спиральным вихрям.

«водоворотом» плотно упакованных вращающихся частиц. Он ошибался, но это не умаляет роль Декарта в истории науки. Одним из наиболее важных вкладов Декарта в науку стал способ представления положения объекта в пространстве с помощью чисел — система, ныне известная как декартова система координат. Это открытие позволило ученым выражать движение объектов в уравнениях; в результате теории сил и движения также нашли выражение в уравнениях. Таким образом, ученые смогли точно предсказывать, как будут двигаться объекты, а сравнение этих прогнозов с результатами экспериментов позволило им проверять свои теоретические построения.

Движение и сила тяжести

Работы Декарта и Галилея оказали большое влияние на молодого Исаака Ньютона. В 1666 году, будучи студентом Кембриджского университета, Ньютон поехал на несколько месяцев к родителям, чтобы избежать эпидемии чумы, которая охватила Оксфорд и Кембридж. И именно там, в родном доме, Ньютон сделал большинство своих великих открытий. Будучи блестящим математиком, Ньютон мог выразить свои наблюдения и теоретические построения о природе сил и движения математически, используя алгебраические уравнения и геометрию. Фактически Ньютону удалось свести

Ученые недоумевали: что же удерживает Луну на орбите и не дает ей улететь в космическое пространство?

объяснение природы движения любых объектов всего-навсего к трем законам. Первый закон Ньютона, по сути, отражает открытие Галилея о том, что движение объекта продолжается, даже если на объект не действует сила. Второй закон утверждает, что сила, действующая на объект, заставляет объект ускоряться (менять скорость и / и ли направление) на величину, которая зависит от массы объекта, приложенной к нему силы и направления этой силы. А третий закон гласит, что для каждой силы существует другая, равная ей сила, действующая в противоположном направлении. Используя три этих простых закона, ученые теперь могли предугадывать, как будет двигаться любой объект в любое время. Также в 1666 году Ньютон доказал существование взаимосвязи между силой, что заставляет предметы падать, и силой,

Исаака Ньютона, работа Портрет

XIX века

положени я у координат, ем ст си у ов карт и выра зить в Используя де ощью чисел ом п с ть са и но оп и ях. объектов мож ки х уравнен математичес (–2,3)

3 2

–4

–3

–2

(2,1)

–1

1 (–2,5,–1,5)

(1,–2 )

летающее вокру , о р г З яд емл е н о юто вских « о ь н н При и. еч к из ш нци у о н у пов ис »

удерживающей планеты на орбитах. Он обнаружил, что сила тяжести — та сила, которая удерживает нас на Земле, — заставляет объекты притягиваться друг к другу, даже в космосе. Величина силы зависит от массы объектов и от расстояния между ними, это отношение можно выразить в виде уравнения. Уравнение это не только предсказывало траектории движения падающих на землю объектов — оно позволило вычислять орбиты планет, движущихся вокруг Солнца, и орбиту Луны, обращающейся вокруг Земли. Новая теория гравитации хорошо согласовывалась с наблюдениями Кеплера о планетарных орбитах: их эллиптическая форма вытекала из уравнения Ньютона. Именно гравитация удерживает Луну на ее орбите, она же позволяет нам сидеть на стуле и не падать с

него и заставляет камень или любой другой брошенный предмет падать на землю. Ньютон предположил, что пушечное ядро, выпущенное в горизонтальном направлении с вершины горы с высокой скоростью — достаточной для того, чтобы сделать виток вокруг планеты, — будет постоянно падать на Землю по дуге и никогда не достигнет ее. Луна, так же как это ядро, постоянно падает, но никогда не упадет на Землю. Если вращение Луны остановить, она с ускорением полетит к Земле и врежется в поверхность планеты. Точно так же, если бы вам удалось отключить силу тяжести, Луна бы двигалась по прямой линии на постоянной скорости, пока на нее не подействовала бы какая‑либо другая сила.

Универсальные законы

Итак, в 1679 году, когда Гук спросил у Ньютона, нет ли у него каких‑либо мыслей по поводу орбит планет, Ньютону было, что ответить, и он написал Гуку целую серию писем. В 1686 году он изложил все свои математические законы о силе, движении и гравитации, а также подробности своих экспериментов в книге под названием Philosophiae naturalis principia mathematica («Математические принципы натуральной философии», или, сокращенно, «Принципы»). Тот факт, что одна и та же сила отвечает за поведение Луны, Земли или пушечного ядра, означал, что закон Ньютона о гравитации является «всемирным». Законы движения также были универсальны. Сила науки, которая свела сложную природу движения к нескольким простым правилам, потрясла общественное сознание, и в скором времени все больше и больше людей вовлекались в процесс измерения, наблюдения и познания Вселенной.

«Эта великая книга, в которой Вселенная постепенно открывает нам свои двери... написана на языке математики!» Галилео Галилей, 1623 год 20

Эпизод

ДЕЛО О ЧАСТИЦАХ Узнаём, из чего состоит все на свете. Главные герои этого эпизода: Демокрит, который придумал слово «атом» Частицы вещества, открытые Исааком Ньютоном

Роберт Бойль и его открытие — упругость воздуха Стивен Гейлс, который открыл способность газов к заполнению пространств

Даниил Бернулли, составивший ясное представление о структуре газов

дной из важнейших идей, из которых складывалась новая картина мира, созданная Ньютоном, была мысль о том, что материя состоит из мельчайших частиц, которые управляются теми же законами, что и планеты. Понимание, что материя состоит из частиц, помогло объяснить феномен вакуума, открытый фон Герике. Если все на свете состоит из частиц и вакуума, то, убрав частицы, мы получим пустое пространство, или, другими словами, вакуум.

Демокрит был одним из первых ученых, поднявших вопрос о мельчайших частицах

Мельчайшие частицы вещества

Древнегреческий философ Демокрит, живший более чем за 2000 лет до Ньютона, был одним из первых людей, кого посетила мысль о том, что материя состоит из мельчайших частиц. Демокрит размышлял: что случится, если разреза’ ть объект на половинки снова и снова? Можно ли заниматься этим до бесконечности, делая все более и более мелкие кусочки? Или все закончится на «мельчайшей частице», которую уже нельзя будет разделить пополам? Демокрит назвал эту мельчайшую частицу атомом, от греческого слова atomos, что значит «неделимый». Большинство философов и ученых отвергало идею Демокрита на протяжении долгих столетий.

Но благодаря законам Ньютона эта идея стала актуальной — по крайней мере на время. В своей книге «Оптика», увидевшей свет в 1704 году, Ньютон объяснял природу некоторых обыденных явлений, даже таких, как свет и тепло, представив материю состоящей из мельчайших частиц. Он предположил, что даже свет является потоком частиц. Поразительно осознавать, что капля воды или булавочная головка — фактически все окружающие нас объекты — сделаны из несметного количества движущихся частиц, слишком мелких для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Но, еще удивительнее сознавать, что Ньютон догадался об этом более 300 лет назад.

С помощью надежного вакуумного насоса Бойль исследовал свойства воздуха и открыл свой закон — закон Бойля.

Что такое воздух

С точки зрения Ньютона, частицы твердых или жидких тел должны сильно притягивать друг друга. Это могло бы объяснить, почему данные формы материи не рассеиваются в пространстве, подобно газам. В то время ученые не делали разделение на различные

Вся

правда о цвете

Основными предметами изучения в книге Нью тона «Оптик а» были свет и цвет. Н ьютон полага л, что свет, должно быть , является по током частиц, кото рые испускаю тся светящимися объектами и меняют свое направле ние при прох ождении сквозь прозр ачные объек ты вроде стеклянных ли нз. Однако Н ьютон не мог объясни ть, почему ча ст ицы света дают различн ые цвета. В с во ем самом знамен итом экспери менте из «Оптики» Нью тон при помо щи стеклянной п ризмы разло ж ил белый свет на целую радугу (учен ы е называют ее спектром). Та ким образом Нью тон доказал, что белый — на самом деле н е один цвет, как думает бо льшинство лю дей, а смесь цветов.

Эпизод

НАЛАЖИВАЕМ СВЯЗИ Как две силы слились в одну. Повествуют: Ганс Христиан Эрстед, который первым заметил влияние электричества на магнетизм Андре Ампер, который дал объяснение электромагнитным силам и научился их измерять Джозеф Генри и его гигантский электромагнит Майкл Фарадей, изобретатель первого электрического мотора

1 апреля 1820 года датский профессор физики Ганс Христиан Эрстед читал факультативную лекцию об электричестве группе своих студентов. В ходе лекции он сделал потрясающее открытие. Соединив проводом противоположные полюса батареи, Эрстед заметил, что стрелка лежавшего на столе компаса шевельнулась. Открытие Эрстеда выявило некую связь между электричеством и магнетизмом — и вдохновило ученых направить свои усилия на «объединение» сил природы. Компас, использованный Эрстедом, представляет собой магнитную стрелку, которая свободно вращается вокруг своей оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Компасы нашли широкое применение в мореходстве, китайские моряки начали применяли их еще в XI веке.

«И никакого мошенства!» При помощи электрического тока Эрстед заставляет стрелку компаса двигаться

Подчиняя себе силы природы

Когда известие об открытии Эрстеда распространилось по Европе, новая область науки стала развиваться стремительно. За два месяца французский физик Андре Ампер написал научный труд, посвященный «электродинамике» — явлению, которое мы теперь называем электромагнетизмом. Ампер понял, что игла компаса Эрстеда дернулась благодаря магнитному полю, которое породил электрический ток в проводах. Ученому стало интересно, что же случится, если он положит рядом два провода и пропустит через них электрический ток. Он понял, что можно заставить провода притягиваться или отталкиваться, подобно магнитам, и контролировать направление и силу магнитного поля, изменяя направление и силу электрического тока в проводах. Ампер подошел к открытию точного математического закона, описывающего электромагнитное взаимодействие, — закона, аналогичного по значимости тому, что сделал Исаак Ньютон для классической механики. Кроме того, Ампер свернул провод в спираль и обнаружил, что

Соленоид — это всего лишь спираль из проволоки. Но стоит пустить по нему электрический ток, как он превратится в подобие обычного магнита.

китайский морской компас

Уильям Гильберт использовал компасы в научных опытах еще в конце XVI века, и с тех пор ученые пытались с их помощью разгадать природу магнетизма. Однако еще никто и никогда не применял компасы для исследования электричества.

магнитный эффект в этом случае становится гораздо сильнее. Он назвал такую спираль соленоидом и выяснил, что она ведет себя так же, как и обычный железный магнит. Все это привело Ампера к изобретению гальванометра — устройства, которое измеряет силу электрического тока. Единица электрического тока, ампер, названа в его честь.

Практическая польза

В следующем году английскому физику и химику Майклу Фарадею удалось обуздать силу электромагнитного взаимодействия: он изобрел первый в мире электрический двигатель. Первый образец состоял из куска медной проволоки, один конец которой был опущен в сосуд со ртутью, а другой опирался на магнит, стоявший в середине сосуда. Когда Фарадей подключил полюса батареи к проводу и к сосуду со ртутью, он замкнул цепь. Ток, бежавший по проволоке, порождал магнитное поле, и электромагнитная сила заставляла проволоку вращаться вокруг магнита. Позже, в 1832 году, английский физик Уильям Стёрджен применил этот принцип для изготовления реальных электродвигателей, приводящих механизмы в движение. В 1824-м Стёрджен обнаружил, что силу соленоида Ампера можно увеличить, если спираль будет намотана на железный сердечник. Так появился первый электромагнит. В конце 1820‑х американский физик Джозеф Генри построил электромагнит настолько крупный, что он мог удерживать груз весом в тонну. Сегодня электромагниты используются повсеместно, от наушников до ускорителей заряженных частиц. В 1831 году Фарадей сделал еще одно удивительное открытие: не только электрический ток создает магнитное поле, но и магнитное поле может создавать электрический ток. Он обнаружил, что можно выработать электрический ток в проводе — лучше свернуть его в катушку, — двигая его относительно магнита. Что конкретно перемещать, катушку или магнит, не имеет значения. Это привело к изобретению генератора, который превращал механическое движение

Эпизод

СВЕТ

В ОКОШКЕ Проникаем в самую суть явления под названием «свет», которая открылась нам благодаря: Томасу Янгу и его волновой теории Ипполиту Физо, который вычислил скорость света

Майклу Фарадею, связавшему свет и магнетизм

Джеймсу Клерку Максвеллу, который перевел все это на язык уравнений

пустя несколько лет после того, как Дарвин опубликовал свою теорию эволюции, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сделал одно важное открытие о природе света. К всеобщему удивлению, выяснилось, что свет имеет много общего с электричеством и магнетизмом. Ученые долго спорили о природе света. Например, Исаак Ньютон считал, что свет есть поток частиц, а голландский физик XVII века Христиан Гюйгенс предположил, что поведение света больше напоминает движение волн или ряби на поверхности пруда. В XIX веке, после того как англичанин Томас Янг провел ряды экспериментов, доказавших, что волны на поверхности воды ведут себя так же, как свет, волновая теория света приобрела большую популярность.

По всему спектру

Ньютон доказал, что белый свет из спектра — смесь цветов от красного до фиолетового. Согласно волновой теории, каждый цвет в спектре соответствует определенной частоте вибрации — скорости, с которой колеблется волна. Похожим образом частота звуковой волны определяет высоту звука. Затем, в 1800 году, астроном Уильям Гершель заметил, что термометр, помещенный за пределами красного конца спектра, регистрирует небольшое повышение температуры, и предположил, что это происходит благодаря тому, что

е и н е Повенда воде похожхе рняабпиоведение световы волн

Цвета в сол нечном свет е образу ют « ви димый» спектр. За к расной пол осой спектра леж ит инфракрасн ая облас ть , а за фиолетовой границей — ульт рафиол етовая.

невидимая форма света имеет более низкую частоту, чем красный свет. Сегодня мы называем ее инфракрасным излучением. Год спустя, вдохновленный открытием Гершеля, немецкий физик Джозеф Риттер использовал светочувствительные химические вещества, чтобы обнаружить невидимый свет за фиолетовой границей спектра. Эти волны, имевшие, соответственно, более высокую частоту, чем синий цвет, получили название ультрафиолетовых.

Скорость света

Несмотря на то что ученые еще не сошлись во мнении, что такое свет — волна или поток частиц, им уже удалось кое‑что измерить, а именно — скорость света. Давно было известно, что свет распространяется очень быстро — некоторые люди думали, что, возможно, он имеет бесконечно большую скорость. Первые реалистичные подсчеты скорости света были произведены в XVIII веке с помощью астрономических наблюдений. В 1849 году французский физик Ипполит Физо произвел первые точные наземные вычисления. Физо установил источник света за быстро вращающимся зубчатым колесом и расположил зеркало на расстоянии 8 км от источника света. Свет, пробивался через промежутки отдельными импульсами, отражался от зеркала и возвращался обратно. Это происходило почти мгновенно. При определенной скорости вращения колеса импульс возвращался к наблюдателю в момент, когда следующий промежуток между зубцами вставал на место — только тогда Физо мог видеть отраженный свет. Он рассчитал скорость света на основе скорости вращения колеса и расстояния между зубцами. Полученный им результат был очень близок к современной оценке — чуть меньше 300 000 км в секунду.

Физо узрел свет и подсчитал его скорость. Его ассистент моргнул и все пропустил

Электричество и магнетизм

В 1845 году Майкл Фарадей провел сложный эксперимент, который доказал, что свет может испытывать влияние магнетизма. Ученые работали над объединением сил природы, но до Фарадея никому не приходило в голову, что магнетизм может влиять на свет. В том же году Фарадей ввел термин «поле», чтобы описать силовую область вокруг магнитов и электрически заряженных объектов. Фарадей был

Эпизод

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА

ЭЛЕМЕНТОВ

Выводим химические элементы на чистую воду. Тайную связь между ними обнаружили: Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен, изобретатели спектроскопии Джон Ньюлендс, который построил химические элементы в ряды Дмитрий Менделеев, изобретатель периодической системы элементов

овые теории об энергии, эволюции и электромагнитном излучении способствовали значительному прогрессу в естественных науках. В скором времени стало понятно: в области химии также кроются важные тайны, и русский химик Дмитрий Менделеев захотел разгадать их во что бы то ни стало. Химическая наука середины XIX века значительно отличалась от химии 1780‑х, когда Лавуазье сделал важные открытия касательно элементов, соединений и химических реакций. Серьезным шагом вперед стало открытие множества дотоле неизвестных химических элементов. В 1789 году Лавуазье было известно 23 элемента, к середине XIX века этот список увеличился до 58. А в 1860 году два немецких физика, Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен, используя устройство под названием спектроскоп, нашли 59‑й.

а н е з н у Б п о к с о р т Спек л свет и л о р п а ф ф о г х и Кирна тайны химии

1868 году, французский астроном Пьер Жансен пропустил через призму солнечный свет и увидел в его спектре новую полоску. Он открыл еще один новый элемент, позднее названный гелием, от греческого слова, helios, что значит «солнце».

В поисках взаимосвязей

Читая по полоскам

Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что, если нагреть образец вещества и посмотреть на отсвет через призму, получится набор, или спектр, цветных полос и что каждому элементу соответствует строго определенный набор. Для исследований ученые построили специальное устройство — спектроскоп. Получив невиданный ранее спектр полосок, они догадались, что нашли новый элемент. Он был назван цезием. Вскоре после этого, в

Спектрограммы солнечного света (сверху), а также элементов калия (K), рубидия (Rb) и цезия (Cs), зарисованные Кирхгофом и Бунзеном.

К 1870 году химики идентифицировали 63 элемента и начали изучать взаимосвязи между ними в поисках какой‑то логики. К примеру, они заметили, что углерод и кремний являются неметаллами и образуют похожие химические соединения, а литий и натрий — мягкие, химически активные металлы. Джон Дальтон вычислил, что атомы различных элементов обладают разным весом, и с тех пор химики сделали точные подсчеты атомных весов для всех известных элементов. В 1865-м английский химик Джон Ньюлендс расположил элементы в порядке возрастания атомных весов и создал прототип периодической таблицы. Ньюлендс заметил, что каждый восьмой элемент в последовательности имеет схожие свойства, что свойства элементов повторяются «периодически». Например, литий и натрий стояли под номерами 2 и 10, а углерод и

Фридрих Вёлер

На все цвета

Другим важнейшим до стижением в химии начала XIX века было доказательство иденти чности химических реакций в живых организмах и в химиче ских лабораториях. Живые организмы почти полностью созд аны из соединений углерода — их так и называют, «органическ ие вещества». Ученые и философы до лгое время считали, будто органич еские вещества отличаются от других, «неорганических» — что они обладают некоторой жи зненной силой или живым ду хо м. Но в 1828 году немецкий хи мик Фридрих Вёлер разрушил эти пр едставления, создав органическ ую мочевину из неорганических ингред иентов.

Кристал лы мочевины на вид прозрачны , но вот как они выгляд ят через пол яризационный фильтр.

группы элементов с похожими свойствами. Таблица постепенно приобретала свою форму. Хотя в периодической таблице Менделеева были пропуски, ученый понял, что они обозначают элементы, которые еще не открыты, и он очень точно предсказал свойства и атомные веса трех пропущенных элементов, которые были открыты в течение нескольких последующих лет. На сегодняшний день известно 118 элементов. Несмотря на то что внешний вид периодической таблицы претерпел некоторые изменения, основная структура групп и периодов, изобретенная Менделеевым, осталась той же. Периодическая таблица демонстрирует порядок в структуре атомов химических элементов. Ее можно сравнить с карманным путеводителем по химии; таблица Менделеева принесла огромную пользу в последующие годы, когда ученые начали приоткрывать секреты строения атома.

я а р г и е ж а Д , й о д о л о к с неповлснмоогйнавести в химии Менделее

порядок

кремний были под номерами 5 и 13. Но таблица Ньюлендса работала только для первых двадцати (или около того) элементов, и ученого высмеяли лишь за предположение о том, что это имеет какой‑то смысл. И очень зря, ведь Ньюлендс был на полпути к великому открытию!

He Гелий

Водород

Li Be

Литий

Бериллий

Натрий

Алюминий

Магний

Кальций

Rb Sr

Рубидий

Стронций

Барий

Fr Ra

Франций

Радий

Углерод

Al Si

K Ca Sc Ti

Калий

Цезий

Дмитрий Менделеев был в курсе, что свойства элементов периодически повторялись. В 1869 году он сделал карточки с названиями и атомными весами элементов и разложил их на столе в хаотичном порядке. Когда он расположил карточки в несколько рядов, или периодов, по 8, опять 8, потом 18, начиная от верхнего левого и продолжая в порядке возрастания атомных весов, он открыл, что колонны представляли собой

Бор

Na Mg

Cs Ba

Карты на стол

Скандий

Иттрий

57-71 Лантаноиды

89-103

Титан

Ванадий

Кремний

Азот

Фосфор

Кислород

Сера

Ниобий

Хром

Марганец

Железо

Кобальт

Молибден

Технеций

Рутений

Родий

Hf Ta W Re Os Ir

Гафний

104

Тантал

105

Фтор

Ne Неон

Cl Ar Хлор

Аргон

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Никель

Медь 63.546

Цинк 65.409

Галий

Германий

Мышьяк

Селен

Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te

Цирконий

Вольфрам

106

Рений

107

Осмий

108

Иридий

109

Палладий

Серебро

Кадмий

Индий

Олово

Сурьма

Технеций

Бром

Йод

Криптон

Xe Ксенон

Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Платина

110

Золото

111

Ртуть

112

Талий

113

Свинец

114

Висмут

115

Полоний

116

Астат

117

Радон

118

Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Актиноиды Резерфордий

Дубний

Сиборгий

Борий

Хассий

Мейнтерий Дармштадтий Рентгений

Унунбий

Унунтрий

Унунквадий Унунпентий Унунгексий Унунсептий

Унуноктий

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Лантан

Церий

Празеодим

Неодим

Прометий

Самарий

Европий

Гадолиний

Тербий

Диспрозий

Гольмий

Эрбий

100

Тулий

101

Иттербий

102

Лютеций

103

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Актиний

Торий

Протактиний

Уран

Нептуний

Плутоний

Амерций

Кюрий

Берклий

Калифорний Эйнштейний

Фермий

Менделеевий Нобелий

Лоуренсий

Периодическая таблица. Строки в ней называются периодами, а столбцы — группами

Эпизод

МОЙТЕ РУКИ!

В XIX веке хирурги проводили операции, используя наборы инструментов наподобие этого.

Узнаём всю правду о микробах в компании: Игнаца Земмельвайса, первого гигиениста в истории

Луи Пастера, который понял, почему еда портится

Джозефа Листера с его антисептическим спреем

Роберта Коха, который отыскал виновников туберкулеза и холеры

торая половина XIX века была временем стремительных перемен во многих сферах жизни; это было особенно заметно в Европе и Северной Америке. Людям стали доступны новые технологии, но многие переезжали из деревень в города, где их здоровье ухудшалось и люди умирали молодыми от тех болезней, которые сейчас лечатся без особого труда. Развитие физики и химии играло ключевую роль в появлении множества новых технологий. Например, телеграф, который позволил передавать сигналы на расстоянии, обязан своим рождением открытию электромагнитного взаимодействия. Синтетические вещества (те, которых нет в природе), например цветные красители, производились в огромных количествах на фабриках быстрорастущей химической индустрии. Как бы то ни было, биология играла наименее значительную роль в тех потрясающих изменениях, которые происходили в обществе. Ботаники и зоологи все еще имели смутные представления о том, как устроены растения и животные, и новая теория эволюции не имела практического применения. Врачи довольно хорошо изучили устройство человеческого нутра, чтобы проводить достаточно сложные операции. Но вскоре после операций многие пациенты погибали, и люди продолжали умирать даже от обычных порезов и ссадин. Никто не знал почему.

Больничная гигиена

В 1847 году венгерский врач Игнац Земмельвайс обнаружил удивительный факт, который нам сегодня кажется очевидным:

мытье рук может остановить распространение болезней. Земмельвайс работал в больнице, где одна из десяти женщин умирала сразу после родов, обычно из‑за какой‑либо формы сепсиса или «заражения крови», которое называлось родильной горячкой. В другой, соседней больнице уровень смертности был меньше одного случая на двадцать рожениц. Земмельвайс сравнил условия в двух больницах и понял, что врачи его госпиталя часто принимали роды после вскрытия трупов. Земмельвайс понял, что с трупов на руки докторов попадало что‑то, что и становилось причиной болезни рожениц. Просто заставив докторов мыть руки после прикосновения к трупам, Земмельвайс снизил показатели смертности при родах на 90 процентов.

Миазм или бактерия?

К сожалению, мало кто обратил внимание на успехи Земмельвайса. В то время ученые в большинстве своем не думали, что болезни передаются от человека к человеку; считалось, что они возникают в каждом конкретном теле, как гниль на овощах или нечистоты в открытой канализации, и затем разносятся миазмами, то есть зловонием. Поэтому они и не могли понять, каким образом мытье рук может исправить ситуацию. Теория миазмов привела к тому, что в некоторых городах устроили подземную канализацию вместо канав и издали законы, направленные на обуздание

Игнац Земмельвайс

нашел простой способ ограничить распространение болезней

улицы В начале XIX века и — были полны гряз там явно не пахло

гигиеной

вони. Но такие болезни, как холера и дифтерия, а также гнойные воспаления, все еще уносили миллионы жизней. В 1850‑х некоторые ученые предположили, что настоящей причиной болезней могут являться микроорганизмы — крошечные живые существа, которых можно увидеть только в микроскоп. Это были анимакулы, которых впервые увидел Левенгук 200 лет назад. Вызывающие болезни микроорганизмы иногда называли микробами, поэтому теория, альтернативная теории миазмов, стала называться теорией микробов. На самом деле микробы — одноклеточные микроорганизмы,

которых правильнее называть бактериями. К тому времени ученые начали понимать, что все живые существа состоят из клеток. Более того, в 1841 году польский ученый Роберт Ремак доказал, что клетки создаются только другими клетками. До тех пор ученые думали, что живые организмы могут появляться из неживых — эта идея называется «самозарождение». В своем блестящем опыте французский ученый, микробиолог Луи Пастер доказал, что Ремак был прав. Он сварил бульон и вскипятил его в колбе с изогнутым носиком. Обычно отвар через день или два становится мутным, а затем портится. Но кипячение убило все бактерии в бульоне, а форма носика колбы не позволяла им проникать внутрь из окружающей среды. В результате бульон оставался свежим и прозрачным намного дольше обычного. Он начал портиться лишь после соприкосновения с воздухом в открытом сосуде, когда бактерии попали в бульон и начали там размножаться.

я а н ч о т е л К теория Немецкие ученые Теодор Шванн и Маттиас Шлейден познакомились в 1838 году. Вместе они выдвинули гипотезу, что клетка — это базовая единица всех живых существ. Ранее Шванн выяснил, что животные состоят из клеток, в то время как Шлейден установил то же самое относительно растений. Даже бактерии состоят из клеток, правда, в этом случае — всего из одной. Клетка кожи человека, увиденная через микроскоп. Каждая клетка имеет ядро — темный шарик в центре.

пристально всм р е т с а П и атрив у Л ается

в м и пытается понять, не проки икр с ли оско его п бул ьон

Джозеф Листер переборщил с карболкой

Опыт Пастера подкрепил «бактериальную теорию» и даже показал, как легко можно убить бактерии с помощью нагрева. Пастер продолжил свои изыскания и предположил, что бактерии можно убить и применением определенных химических веществ.

Профилактика и лечение

Шотландский хирург Джозеф Листер вдохновился экспериментом Пастера. В 1865 году Листер стал использовать раствор карболовой кислоты (то есть фенола), чтобы убивать бактерии в открытых ранах, уязвимых к инфицированию. Он начал с того, что окунал повязки в раствор и оборачивал ими раны. Затем он стал мыть руки и очищать свои хирургические инструменты карболовой кислотой, а также изобрел устройство, которое распыляло карболовую кислоту легкой дымкой в его операционной. Количество осложнений и уровень смертности в его больнице стремительно упали. В 1876 году немецкому доктору Роберту Коху удалось выявить вид бактерий, который вызывает смертельную болезнь под названием «сибирская язва» — впервые конкретная бактерия была связана с конкретной болезнью. Далее он идентифицировал бактерии, вызывающие холеру и туберкулез. В 1880‑х Пастер и его ассистенты создали вакцины, которые давали

Вакцины вроде этой могут предотвращать вирусные и бактериальные заболевания, побуждая тело дать инфекции отпор.

курам иммунитет к холере и овцам — иммунитет к сибирской язве. Вакцина — это ослабленные возбудители заболевания; когда ее вводят в организм, тело начинает вырабатывать белки, называемые антителами, которые борются с болезнью. Но люди еще не понимали механизма действия вакцин, он был открыт лишь в 1930‑х. Пастер и его помощники разработали еще одно дезинфицирующее средство — фарфоровый фильтр с крошечными порами. Жидкость, пропущенная через этот фильтр, оставляла там все содержащиеся в ней бактерии, и раствор становился стерильным. В 1887 году русский микробиолог Дмитрий Ивановский применил этот фильтр для исследования заболевания, которым страдали рабочие табачных заводов. Но фильтр не смог обеззаразить раствор, и тогда Ивановский понял, что болезнь была вызвана чем‑то, что гораздо меньше бактерии. В 1898 году голландский микробиолог Мартин Бейеринк назвал это нечто вирусом. Открытия о том, что бактерии и вирусы являются болезнетворной, патогенной микрофлорой, очень быстро помогли улучшить общий уровень здоровья населения, а также подготовили почву для величайших открытий в медицине XX века.

Эпизод

МЕНЬШЕ

АТОМА Изучаем новую модель мира мельчайших частиц, которую представили нашему вниманию: Джозеф Джон Томсон, первооткрыватель электрона Мария Кюри, которая выделила радиоактивные элементы Эрнест Резерфорд, который описал устройство атома

Дж. Дж. Томсон впервые увидел нечто меньшее, нежели сам атом.

ока Пастер и Кох разглядывали в микроскоп микроорганизмы, английский физик по имени Джозеф Джон Томсон исследовал еще более мелкие объекты — те, что были меньше атомов. Вплоть до конца XIX века ученые считали атомы твердыми, неделимыми шариками, мельчайшими частицами материи. Однако в 1897 году Томсон открыл электрон — частицу, которая была еще меньше атома, и с того момента началось наше путешествие по внутреннему миру атома. Электроны — частицы, несущие отрицательный электрический заряд, они есть в каждом атоме. В каждом атоме присутствуют и положительно заряженные частицы, таким образом, общий заряд атома является нейтральным. Но электроны очень

малы и могут отделяться от атомов. Именно этот простой факт лежал в основе многих явлений, над которыми ученые ломали головы более ста лет, например статического электричества, электрического тока и химических реакций. Томсон открыл электрон, используя электронно-лучевую трубку — запечатанную с обоих концов стеклянную трубку, из которой откачан почти весь воздух. Внутри трубки находятся два металлических электрода, подключенные к источнику питания. Электрический ток протекает между электродами, как невидимый луч, проходящий сквозь вакуум. Томсон заметил, что луч всегда течет по направлению от отрицательно заряженного электрода (катода) к положительно заряженному (аноду); этот факт указывает на то, что ток должен иметь отрицательный

лы, у к е л о м и Атомы илматерии?» енты м е л э е и мелк е е л о б или еще Дж. Дж. Томсон, 1985

? ы ц и т с а ч а з о т э «Что

заряд. Затем ученый пришел к заключению, что луч состоит из частиц, и понял, что эти частицы легче легчайшего из атомов — атома водорода.

Загадочные лучи

В 1898 году польская исследовательница Мария Кюри приступила к изучению странного поведения солей урана — и сделала шаг к разгадке еще одной тайны атома. Кюри изучала явление, открытое французским ученым Анри Беккерелем в 1896 году, — невидимые лучи, исходящие от минерала, содержавшего уран. Кюри поняла, что лучи испускались атомами урана, и назвала этот феномен радиоактивностью — от латинского слова radius, что означает «луч». Мария на пару со своим мужем, Пьером Кюри, изучала не только уран, она пыталась обнаружить радиоактивность и в других элементах. Вскоре им улыбнулась удача: был найден радиоактивный торий, а за ним еще два прежде неизвестных элемента —

Электронно-лучевая трубка Томсона. Лучи электронов из кругового катода (справа) устремляются к аноду (темная полоса в начале прямой трубки) и отклоняются под действием электрического поля, которое образуется между двух пластин в середине.

полоний и радий! Чтобы выделить их из смоляной обманки — так называется урановая руда, — супругам Кюри пришлось обработать тонны сырья. Три года кипячения, фильтрации, обогащения, и все ради нескольких граммов радия!

Структура атома

В 1899 году британский физик (родом из Новой Зеландии) Эрнест Резерфорд открыл, что радиоактивные вещества испускают два вида лучей, которые он назвал альфа- и бета-лучами в честь первой и второй букв греческого алфавита. Оказалось, что эти лучи представляют собой потоки мельчайших

«Почти всё!»

За три года тяжелейшего, упорного труда супруги Кюри переработали несколько тонн урановой руды 61

Нобелевская премия

Каждый год, начиная с 1901 года, Нобелевский фонд — организация, основанная шведским богачом, изобретателем динамита Альфредом Нобелем, — вручает внушительные денежные премии авторам наиболее выдающихся открытий и работ в области физики, химии, психологии, в медицине, литературе и международных отношениях. Нобелевскую премию получили несколько ученых, участвовавших в разгадке тайны строения атома, в том числе: Анри Беккерель (1903), Мария Кюри (1903 и 1911), Пьер Кюри (1903), Джозеф Джон Томсон (1906), Эрнест Резерфорд (1908) и Джеймс Чедвик (1935). Медаль нобелевского лауреата, которую вручили Дж. Дж. Томсону в 1906 г.

электрически заряженных частиц — фрагментов поврежденных или «распавшихся» атомов. В 1900-м французский ученый Поль Вийяр выяснил, что существует радиоактивное излучение и третьего типа, которое он назвал гамма-излучением (третья буква греческого алфавита). Вийяр понял, что гамма-лучи — форма электромагнитного излучения, родственная видимому свету, рентгеновским лучам и радиоволнам. Изучая устройство атома, двое помощников Резерфорда в 1911 году обстреливали альфа-частицами лист тонкой золотой фольги. Большинство альфа-частиц прошло сквозь фольгу, но некоторые почему‑то срикошетили. Это навело Резерфорда на мысль о том, что атом, скорее всего, состоит из крошечной, положительно заряженной, имеющей очень большую плотность сердцевины (которую он назвал ядром), вокруг которой вращаются по орбитам очень маленькие, отрицательно заряженные электроны — подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. В эксперименте с золотой фольгой большинство положительно заряженных альфа-частиц свободно пролетало сквозь межъядерные промежутки. Но какая‑то часть наталкивалась на ядра и была отражена их положительным зарядом.

вы о т ч , е т ь в «Предста 15‑дюймовым ли выстрели в бумажную снарядом он отскочил а салфетку, по вам» и попал (сверху)

зерфорд й Эрнест Ре ой фольго т о л о з с менте об экспери

В 1918 году Резерфорд смог выяснить, что ядро — не просто положительно заряженный шарик: оно состоит из положительно заряженных частиц, названных протонами. Заряд протона равен заряду электрона, только с противоположным знаком, и число протонов в ядре определяет, какому химическому элементу принадлежит этот атом. Например, ядро водорода имеет один протон, а кислорода — 8 протонов. Поскольку все протоны положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, делая ядро нестабильным. Большое ядро будет менее стабильным, чем маленькое; этим объясняется, почему уран, имея Представление 92 протона, и радий, имеющий 88 протонов, Резерфорда об атоме: радиоактивны. В 1932 году Джеймс Чедвик электроны кружатся доказал, что в ядрах имеется и другой тип по орбите вокруг частиц, без электрического заряда, — тяжелого нейтроны. положительно заряженного ядра.

Эпизод

КАКОВ РАЗМЕР

ВСЕЛЕННОЙ? Заглядываем в глубокий-глубокий космос при содействии: Фридриха Бесселя и техники параллакса Генриетты Ливитт и ее сравнения переменных звезд Эдвина Хаббла, который понял, что Вселенная постоянно расширяется

началу XX века представления ученых об устройстве космоса были уже совсем иными, нежели во времена Кеплера, Галилея и Ньютона. Однако несколько важнейших вопросов все еще оставались открытыми. Например, каков размер Вселенной. В апреле 1920 года американские астрономы Харлоу Шепли и Гебер Кёртис провели публичную дискуссию о размере Вселенной. Все отдельные звезды, видимые на ночном небе, являются частью галактики Млечный Путь. Однако ученые обнаружили еще сотни других загадочных космических объектов, которые они назвали туманностями. Кёртис считал, что это иные галактики. Его оппоненты, в частности, Шепли и большинство других астрономов, считали, что за пределами Млечного Пути не может быть ничего, хотя бы потому, что расстояния, о

которых идет речь, были бы немыслимо огромными. Споры сосредоточились вокруг одного объекта — туманности Андромеды в одноименном созвездии. Однако к концу дебатов вопрос остался нерешенным, поскольку тогда ученые не умели вычислять расстояния до этих туманностей.

Измерения с помощью параллакса

Гебер Кёртис доказывал, что туманность Андромеды и другие туманности — это «островные вселенные», галактики вне Млечного Пути.

Астрономам под силу было вычислить лишь расстояния до отдельных звезд, и то ближайших. Фридрих Бессель — первый человек, которому это удалось. В 1838 году он использовал явление под названием параллакс, чтобы вычислить расстояние до звезды под названием 61 Лебедя. Чтобы понять, что такое параллакс, выставьте перед лицом палец и закрывайте то один, то другой глаз. Вы увидите, что палец перемещается

Далекие звезды

Сверху: туманность Андромеды. Слева: использование параллакса для нахождения расстояния до ближайшей звезды, по вычислению ее положения зимой и летом.

Линия взгляда Измеряемая звезда

Земля в январе

Земля в июле

х и р й д ы р и о т Фр ль, колил, е с чис ки с ы е в Б рвым дале пе олько ды з к е с в а н с з а н от

относительно вашего носа, и чем ближе к лицу вы держите палец, тем больше смещение. Таким же образом положение звезды 61 Лебедя смещается относительно более отдаленных звезд. Но эти звезды находятся так далеко, что вы не можете обнаружить параллакс, закрывая то один, то другой глаз — для этого ваши глаза должны находиться друг от друга на гораздо большем расстоянии. Поэтому Бессель наблюдал за звездой сразу в двух ее положениях, видимых с Земли, разделенных временным промежутком в шесть месяцев, то есть с противоположных сторон орбиты Земли. Это заменило ему отсутствие промежутка между глазами в миллионы километров. Вычислив к тому времени, на какое расстояние звезда смещалась относительно выбранной другой звезды, он вычислил расстояние до 61 Лебедя — около 10 световых лет, что очень близко к современной цифре.

Космические маяки

Параллакс можно использовать для звезд, расположенных относительно недалеко, поэтому в начале XX века астрономы нашли новый способ для вычисления расстояний в космосе. В 1908 году американский астронавт Генриетта Ливитт изучала разновидность переменных звезд под