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

Гельмгольц пришел к выводу, что внутреннее ухо имеет в своем строении «вибраторы», настроенные на различные частоты звука и возбуждающие соответствующие нервы, которые, в свою очередь, посылают в мозг определенные сигналы. Однажды во время занятий с вокалистом он обратил внимание, что если нота, которую выводил певец, звучала достаточно долго, в рояле вибрировала соответствующая этой ноте струна.

Гельмгольц продолжил опыты и попробовал выяснить, что происходит в ухе, когда звуки сочетаются. Он использовал камертон, который под действием электромагнита звучал в разных тональностях. Ученый пришел к выводу, что диссонанс неприятен человеческому слуху, поскольку близкие по тону ноты возбуждают в ухе соседние «вибраторы», что и доставляет дискомфорт. Все свои музыкальные эксперименты Гельмгольц изложил в специальной лекции, посвященной движению и восприятию звука, которая имела ошеломительный успех. Гельмгольц, в частности, утверждал, что ноты — это на самом деле целые аккорды, из которых человеческое ухо воспринимает только основную ноту.

В то время существовала другая сила, возбуждавшая необычайный интерес, электричество. Никто не знал, что это, и никто не знал, как оно движется. Перемещалось ли оно, как звук, волнами? Было известно, что электричество может действовать на расстоянии. В 80-х годах XVIII века Луиджи Гальвани234 — 99, 184, 216 с помощью электростатического генератора на расстоянии вызывал мышечные сокращения лягушки. Джозеф Генри наблюдал, как электрическая искра величиной в дюйм намагничивает иголки за десять метров. В 1879 году Дэвид Хьюз, учитель естественных наук из Кентукки, услышал, как динамик издает звуки во время искрения стоящего рядом генератора. Поэтому, когда Гельмгольц предложил одному из своих учеников Генриху Герцу избрать тему для диссертации, тот захотел исследовать перемещение электричества в пространстве. В 1887 году в Техническом колледже Карлсруэ он провел свою знаменитую демонстрацию распространения электричества.

Сначала он пропустил большую искру между двумя металлическими шарами. В полуметре от них лежал разомкнутый проволочный контур в виде прямоугольника, концы которого практически соприкасались. Когда возникала большая вспышка между шарами, в промежутке контура также появлялась маленькая искорка. С помощью цинковых рефлекторов Герц продемонстрировал, что электричество движется волнами, которые так же, как и световые, подвержены интерференции. Используя призмы из каменноугольной смолы, он показывал, что электрические волны преломляются подобно световым. Также он пропускал электрические волны через деревянную дверь. Позднее опыты показали, что при изменении частоты тока искра производит волны различной длины. Электричество и в самом деле вело себя как свет.

Демонстрация Герца имела последствия, которые никто никогда не смог бы предугадать. Причиной был побег богатой ирландской наследницы с ее любовником-итальянцем. У Энни Джемисон, дочери производителя ирландского виски, был прекрасный певческий голос, однако отец был против ее музыкальной карьеры. Чтобы отвлечь дочь от ее вздорных устремлений, магнат отправил ее в поездку по Италии, во время которой она познакомилась с еще одним горе-певцом, Джузеппе Маркони, и влюбилась в него. В конце концов они поженились и обосновались в деревушке на севере Италии, в окрестностях Болоньи. В 1974 году пара родила сына, которого нарекли Уильямом.

Мальчик с ума сходил по технике, и школьный учитель заинтересовал его электрическими опытами. В 1895 году Уильям Маркони соорудил искровой генератор Герца и подключил его к телеграфному ключу. Троекратными ударами ключа он выводил азбукой Морзе235 — 30, 114, 275 букву S (три точки). Выяснилось, что эти прерывистые электрические волны распространяются на целый километр, а если оборудование немного усовершенствовать, то и на два. Итальянские власти не проявили энтузиазма в отношении этого фокуса, и Уильям отправился в Англию (он был билингвом и ходил там в школу). После нескольких успешных демонстраций для британской почты ему удалось передать сигнал через Ла-Манш.

Маркони передал азбукой Морзе свой сигнал S из Англии на Ньюфаундленд (на расстояние три с половиной тысячи километров) при помощи подвешенных на воздушных змеях антенн 12 декабря 1901 года. Затем сигналы передавались с воздушных шаров, с корабля на берег, с аэропланов и даже с «Титаника» (как раз вовремя, чтобы спасти семьсот человек). В 1910 году такие сигналы использовали в охоте на известнейшего преступника того времени, женоубийцы Доктора Криппена. Все это время сигналы236 — 53, 299 Уильяма Маркони проходили все большее и большее расстояние, однажды долетев из Лондона до Буэнос-Айреса. Таким образом, электрические волны вели себя не совсем как световые — они повторяли искривление земной поверхности.

Портрет Маркони, опубликованный в «Иллюстрейтед Лондон ньюс» 1912 года (именно в этом году телеграмма с «Титаника» спасла жизнь 710 пассажиров). На картине показан один из ранних экспериментов Маркони с антенной в виде металлического листа, с помощью которой сигналы передавались лишь на небольшое расстояние

В 1902 году Оливер Хевисайд и А. Э. Кеннелли отметили, что в опытах Герца электрические волны отражались от цинковых зеркал, так что в небе может существовать нечто подобное гигантскому рефлектору. В 1925 году английский физик Эдуард Эпплтон с помощью новых передатчиков «Би-би-си» направил в небо несколько сигналов, чтобы посмотреть, когда и в каком виде они вернутся. Скорость распространения электрических волн (триста тысяч километров в секунду) подсказала ученому, что «рефлектор», чем бы он ни был, находится на высоте 96,5 километра. Позже американцы Грегори Брейт и Мерле Туве вычислили, что определенные частоты отражаются на еще большей высоте. Они повторяли эти опыты по всему миру и пришли к заключению, что отражение определенных частот зависит от времени суток, времени года и географического положения.

Кроме металлических рефлекторов, которые использовал Герц, мог существовать только один «рефлектор» радио-волн — ионизированные атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов. Такие атомы приобретали положительный заряд и отражали электронные сигналы. Это теоретическое обоснование было подтверждено в 1910 году французским исследователем Теодором Вульфом. Взобравшись на Эйфелеву башню, на высоту триста метров, он продемонстрировал, что ионизация на вершине башни выше, чем на земле. В 1911–1912 годах австрийский физик Виктор Гесс сделал следующий шаг — он совершил несколько подъемов на аэростате до высоты 4900 метров и обнаружил, что чем выше он поднимался, тем выше была ионизация воздуха. Еще через год третий отчаянный исследователь поднялся на высоту 8500 метров. Ионизация на этой высоте оказалась в двенадцать раз выше, чем на уровне моря. Складывалось ощущение, будто ионизация представляет собой излучение, проникающее с неба. Это излучение назвали лучами Гесса.

Тем временем, Эпплтон отмечал, что иногда передаваемый сигнал как будто затухает. Это случалось, как правило, ночью и в периоды, когда на Солнце появлялись пятна. Было очевидно, что солнечное излучение выбивает электроны из атомов газа верхних слоев атмосферы и таким образом ионизирует их. А поскольку наиболее часто потери радиосигнала приходились на пики одиннадцатилетнего цикла солнечной активности, логично было предположить, что когда Солнце активно, оно бомбардирует Землю повышенными дозами излучения, что и вызывает нарушение радиопередачи.

Эта теория имела один необъяснимый изъян. Гесс и другие воздухоплаватели установили, что в высоких слоях атмосферы уровень ионизации постоянен днем и ночью. Таким образом, помимо Солнца, существовал другой источник постоянного ионизирующего излучения. В 1933 году инженер компании «Эй-ти энд ти» Карл Янский, который искал причину нарушений радиопередачи на новейших комфортабельных океанских лайнерах237 — 8, 15, обнаружил, что на определенных частотах постоянные помехи дает какое-то излучение, исходящее от всего Млечного Пути. Четыре года спустя никому неизвестный радиомеханик Грот Ребер из Иллинойса смастерил у себя во дворе антенну из мелкоячеистой сетки и с ее помощью сделал первую радиокарту неба. Выяснилось, что излучение шло из всей Вселенной. Так родилась радиоастрономия, а «лучи Гесса» стали «космическими лучами».

С одиннадцатилетним солнечным циклом была связана еще одна интересная особенность. В полном соответствии с ним, циклически изменялась погода. В начале 1930-х годов молодой американец Джон Мокли, преподаватель физики из колледжа Урсинус, решил проанализировать эту закономерность с экспериментальными данными в руках. Еще будучи студентом Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, Мокли каждое лето на каникулах работал в метеослужбе Национального бюро стандартов. Там он узнал, что несмотря на более чем столетнюю историю сбора данных прогнозов погоды в США, их никто никогда не анализировал. По мысли Мокли, эти цифры могли дать основу для долгосрочных погодных моделей, которые, возможно, помогли бы в предсказании засух, затяжных дождей или других разрушительных для экономики погодных феноменов.