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

Эти горячие забавы в свое время приведут к «Конкордам» и атомным бомбам, и всё потому, что одному человеку из Вены в один прекрасный момент стало интересно, что происходит, когда мимо уха пролетает пуля. Общеизвестно, что если такое случается в бою, то слышно два хлопка. Первый — это звук выстрела, но откуда второй хлопок? Венский ученый Эрнст Мах решил выяснить причину этого явления. Мах был философом и занимался проблемами человеческого восприятия. Он прочитал об опыте одного школьного учителя из Венгрии. Антолик, так звали экспериментатора, ставил опыты с электрическими искрами и сажей, насыпанной на стеклянную пластину. По непонятной причине искры «сдували» сажу. Мах поставил свой опыт. Поперек стеклянной трубки, изнутри покрытой сажей, он натянул два тонких провода, по которым производился выстрел. Когда пуля перебивала каждый из проводов, возникали вспышки электрических искр и срабатывал затвор фотоаппарата, который фиксировал происходящее. Фотографии частиц сажи в трубке позволили увидеть на первом снимке волну в форме V-образной дуги перед пулей, а на втором — вихревые возмущения воздуха позади пули.

Мах вычислил, что дуга в форме буквы V возникает быстрее, чем движется звук. (Он обозначил скорость звука за единицу, поэтому в современной физике принят термин Мах-1.) Дуга представляла собой ударную волну. Увидеть ее Мах смог благодаря тому, что свет, проходящий через стеклянную трубку, из-за завихрений воздуха преломляется, образуя неоднородные полосы в виде прожилок и полос дрожащего воздуха. Такая техника фотосъемки называется шлирен-методом (от нем. Schlieren — неоднородность, свиль стекла) и с тех пор применяется во всех аэродинамических экспериментах. Именно благодаря открытию Махом ударной волны много позже физики, вооруженные этими знаниями, вычислят оптимальную точку подрыва атомного заряда в Хиросиме.

Мах стремился воочию наблюдать возникновение ударной волны, поскольку был убежден, что только видимые, осязаемые и поддающиеся подсчету объекты представляют собой реальность. Он говорил: «Если вы не можете это почувствовать, забудьте об этом». Мах отрицал существование универсалий и признавал лишь конкретные феномены, воспринимаемые человеком субъективно. Некоторые опыты Маха по изучению восприятия предвосхитили методику тренировок астронавтов перед полетом. Испытуемых усаживали в кресло, установленное на конце четырехметрового рычага, пристегивали и надевали на голову мешок. Механизм вращался подобно карусели, и на большой скорости человек переставал чувствовать вращение. Это подтверждало суждение Маха о субъективности человеческого восприятия и относительности явлений.

Эти мысли были сладчайшей музыкой для другого ученого, Альберта Эйнштейна, тоже имевшего самое непосредственное отношение к событиям в Хиросиме49 — 227. Эйнштейн всегда отмечал влияние идей Маха на возникновение теории относительности и отзывался о его трудах как о «материнском молоке», которым вскормлено большинство физиков его времени.

Помимо теории относительности, мы должны быть благодарны Эйнштейну за Голливуд и индустрию кино. Дело в том, что в начале XX века никто не знал, какова природа света. Иногда свет проявляет себя в виде волн, которые расходятся от источника концентрическими кругами и обладают такими характеристиками, как длина и частота. Подобное поведение света подтверждается наличием интерференционных узоров. С другой стороны, иногда он проявляет свойства потока частиц. Это было обнаружено в 1873 году. Оператор трансатлантической телеграфной станции на ирландском побережье обратил внимание на то, что его аппаратура выдает электрический ток, сила которого зависит от количества света, падающего из окна. Чем ярче светило солнце, тем выше был ток, а вечером его не было вовсе. Выяснилось, что солнечный свет из окна попадал на селено-металлические резисторы и именно селен, по всей видимости, и производил электрический ток под действием солнца.

Шлирен-фотография ударных волн, вызванных пулей в аэродинамической трубе. Фото иллюстрирует феномен, который в 1889 году в ходе экспериментов наблюдал Эрнст Мах. (В его честь скорость звука получила название Мах-1). Технику шлирен-фотографии впервые применил Август Топлер в 1864 году для «наблюдения» за звуковыми волнами

Есть события, которые можно сравнить с перекрестками магистральных линий, пересекающих все полотно паутины перемен. В своих странствиях по ней мы периодически оказываемся на таких перекрестках. К их числу относятся и открытия Уатта, и исчисление бесконечно малых величин, и движение романтизма, и Ньютон, и книгопечатание, и углеродная сажа. Открытие свойств селена является еще одним примером такого основополагающего события, за которым следует множество революционных изобретений.

Например, немецкий изобретатель Пауль Нипков использовал селен в конструкции диска для считывания изображений и преобразования их в электрические сигналы. Затея не удалась, но сам принцип работы, предложенный Нипковым, позднее лег в основу механического телевидения50 — 40, 280, прообраза современного телевидения с электронной разверткой. Это будет потом, а пока было ясно, что испускаемое селеном электричество не зависит от световых волн и носит характер отдельных импульсов электрического заряда. Количество испускаемых электронов возрастало с увеличением интенсивности освещения. Тем не менее опыты показали, что изменение частоты света не оказывало никакого влияния на заряд, как следовало бы ожидать, если бы дело было в световых волнах как таковых. С увеличением частоты волн возрастала только скорость высвобождения электронов. Решение загадки нашел Эйнштейн: свет можно охарактеризовать и как волны, и как частицы (он назвал их фотонами), все зависит от метода исследования. Наблюдатель может измерить либо количество частиц света, либо частоту волн, но не оба параметра одновременно.

Людей кинематографа мало волновала важность этого фундаментального открытия для науки. Новое свойство селена значило для них только одно — возможность снимать звуковое кино. Если бы селен мог испускать электроны под действием мерцания света, вызванного электрическими колебаниями, которые, в свою очередь, происходили бы вследствие вибрации мембраны под действием звука, то мерцающий свет можно было бы записать на движущуюся кинопленку как последовательность светлых и темных пятен. При проецировании пленка с таким движущимся изображением также вызвала бы мерцание света, а его с помощью селеновой батареи можно было бы преобразовать в электрические импульсы и посредством другой мембраны воспроизвести исходный звук51 — 33. Таким образом, по замыслу профессора Тыкоцинера из Университета Иллинойса (он проработал над проблемой с 1900 по 1918 год) можно было бы записать звук на кинопленку. К несчастью для Тыкоцинера, звук получался слишком уж слабым для кинотеатра, так что он забросил этот проект и не попал в Голливудский пантеон.

Человек, носивший по-голливудски звучное имя Ли де Форест, преодолел возникшее препятствие и изобрел устройство, без которого наш мир был бы начисто лишен электронного звучания. В то время было уже известно, что в вакуумных двухэлектродных лампах поток частиц52 — 38, 239 движется в направлении от разогретой нити накала, служащей катодом, к холодному металлическому аноду лампы. Де Форест предположил, что этот поток можно использовать для усиления звука. В нити накаливания заряд отрицательный, и отрицательно заряженные частицы движутся по направлению к положительно заряженному аноду. Если между ними поместить металлическую сетку и ее заряд также будет отрицательным, движение частиц остановится (одноименные заряды отталкиваются). Однако если подать на сетку даже слабый положительный заряд, то поток частиц значительно ускоряется. Таким образом, если положительный заряд, поданный на сетку, вызван слабым сигналом (например, таким, как в случае с селеновой батареей), то на выходе он будет многократно усилен. Аудион, как назвал свое изобретение де Форест, стали использовать для усиления звукового сигнала в кино. Теперь зрители могли наслаждаться озвученным кинематографом.

Наслаждаться смогли не только ценители кино, но и обладатели приемников, поскольку попутно изобретение де Фореста помогло наконец как следует расслышать слабые сигналы радио53 — 236. При помощи нескольких аудионов сигнал усиливался в миллионы раз, а принимаемый диапазон расширялся стократно. Де Форест продемонстрировал это в 1910 году, организовав прямой эфир выступления Энрико Карузо. Однако заслуга де Фореста была не только в усовершенствовании развлекательной техники. Его технология позволяла наладить передачу информации любого типа на дальние расстояния. До изобретения аудиона сигнал телефона54 — 34, 276 передавался только на расстояние триста двадцать километров, а уже в 1914 году благодаря серии усилителей на линии была налажена телефонная связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско. Кроме того, по одному кабелю можно было вести одновременно шесть разговоров, каждый из которых передавался на своей частоте. Многие годы спустя усиленный радиосигнал откроет эру телевидения и спутниковой трансляции.