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

В 1807 году он представил на суд французского научного сообщества самое масштабное исследование по физике со времен Ньютона. Его работа была посвящена первому в истории науки математическому исследованию распространения тепла. Он описал материалы, удерживающие, поглощающие и проводящие тепло. Каждое из этих свойств обуславливалось физическими характеристиками материалов. Свою теорию он применил к изучению температуры земной поверхности. Фурье обратил внимание, что независимо от нагрева земли солнцем в разные часы или разное время года температура глубоко под землей всегда постоянна. Фурье пытался сформулировать закон о том, как нагрев поверхности влияет на температуру глубинных слоев, но, к своему удивлению, обнаружил, что на большой глубине, температуры на самом деле очень высоки.

Законы о распространении тепла, сформулированные Фурье, использовал в своих расчетах возраста Земли шотландский ученый Уильям Томсон. Поскольку с увеличением глубины нарастает температура, следуя законам Фурье он пришел к выводу, что первоначально наша планета находилась в расплавленном состоянии. А так как перенос тепла со временем замедляется, сначала Земля должна была остывать гораздо быстрее. Если дело обстояло именно так, то в древние времена, когда Земля активно выделяла тепло посредством вулканической активности, температура поверхности должна была быть существенно выше, чем сейчас. Это предположение подтверждалось находками окаменелых пальмовых листьев в подземельях Парижа.

На основе теории Фурье Томсон сделал выдающееся открытие, использовав также результаты работы другого француза, инженера Сади Карно. Карно был человеком на поколение младше Фурье, сыном наполеоновского военного министра. Он был убежден, что англичане победили Наполеона благодаря значительно более высокому уровню развития промышленных предприятий, оборудованных паровыми машинами. Даже в битве при Ватерлоо армия Наполеона была одета в сшитую англичанами униформу и стреляла из английских пушек. По словам Карно, славу Франции можно возродить, если удастся изобрести новый, более совершенный и мощный паровой двигатель.

В 1824 году, изучив работу паровых машин на французских фабриках, Карно опубликовал работу о силе тепла. Он имел в виду преобразование тепла в механическое движение в паровой машине. По его теории эта «сила» возникает в процессе однонаправленного переноса тепла от более теплого предмета к более холодному и может выполнять определенную работу. Спустя несколько десятилетий Томсон (впоследствии получивший титул лорда Кельвина) изменил и дополнил теорию Карно и сформулировал общую теорию тепла.

Будучи профессором физики университета Глазго, в 1851 году Кельвин пришел к выводу, что могут существовать температуры, при которых никакая работа тепла уже невозможна. Поскольку тепло есть результат движения молекул, то когда все молекулы в газе остановятся, понижения температуры происходить больше не будет, следовательно, не будет и никакой работы. Он определил эту температуру как минус 273 градуса Цельсия и назвал «абсолютным нолем», а шкалу — своим собственным именем. Один градус шкалы Кельвина равнялся одному градусу Цельсия.

Собрав воедино все, что ему было известно о распространении и переносе тепла, Кельвин сформулировал второй закон термодинамики: без внешнего притока тепла любой горячий предмет в итоге остывает, все структуры распадаются и становятся аморфными. Получалось, что Вселенная с момента большого взрыва постоянно остывала.

С открытием второго закона термодинамики, объясняющего космические процессы, мы подошли к концу первого маршрута, который начали с чайной церемонии и дзен-буддистов, кстати, тоже силившихся понять, как устроена Вселенная. Второй маршрут начнется с еще одной попытки познать мироустройство. На этот раз дело было в Италии эпохи Возрождения.

В начале XV века энциклопедист Леон Баттиста Альберти написал трактат «Десять книг о зодчестве», основанный на анализе только что обнаруженных античных источников. В нем он сформулировал законы начертательной геометрии в строительстве. Его собственные архитектурные проекты во Флоренции, такие как фасад церкви Санта-Мария Новелла или церковь Сан-Лоренцо, являются прекраснейшим воплощением ренессансного принципа всеобщего баланса и гармонии. Эта гармония, как считали в эпоху Возрождения, есть проявление «музыки сфер» — небесных звуков, отголоски которых слышны по всей Вселенной и которые воплощают единство божественного творения.

В архитектуре, как и в других видах искусства, гармония выражалась в числах. К примеру, проект фасада церкви Санта-Мария Новелла представляет собой одну большую математическую шараду. Фасад делится на прямоугольники и квадраты, каждый из них определенным образом соотносится с другими и находится в определенной пропорции к целому. Численно выраженные геометрические соотношения имели мистическое значение, и увлечение ими в эпоху Возрождения проявляло себя в различных загадках, ребусах и играх. Альберти, как никто другой, принимал активное участие в этих занятиях — он написал труд по криптографии, который станет настольной книгой шпионов на ближайшие сто лет. Озабоченность секретностью в XV веке была вызвана появлением новых государств и ростом дипломатической активности. Послы и посланники (особенно ватиканские) пересылали все больше и больше секретной политической корреспонденции.

В 1585 году почитатель трудов Альберти, француз Блез де Виженер, создал шифр, разгадать который, по его словам, было не под силу никому. Шифр стал самой распространенной криптографической системой в Европе. Он был основан на следующей матрице:

Для начала отправитель и получатель договаривались о кодовом слове, например booth. Его надписывали над сообщением столько раз, на сколько хватало букв сообщения. К примеру, нужно было передать фразу Lincoln dead[25]. Запись выглядела бы так:

Отправитель находит в первой строке букву L, а в первом столбце букву B. На перекрестии линий этих букв находится M, это и есть первая буква шифрованного сообщения. С остальными буквами следует проделать ту же операцию. Все сообщение выглядит так: MWBVVMB RXHE. Чтобы расшифровать сообщение, получатель должен найти в верхней строке первую букву кодового слова (B), а в соответствующем столбце — первую букву шифрованного сообщения (M) и посмотреть, с какой буквы начинается ее ряд (L).

Сообщение «Линкольн мертв» могло бы стать последней шифровкой в Войне Севера и Юга, если бы не одно обстоятельство. Шифр использовали конфедераты, и после ареста убийцы Линкольна, Джона Уилкса Бута, копия матрицы была найдена при обыске в его гостиничном номере.

На самом деле, одна из причин поражения южан в этой войне заключалась в том, что для северян шифр не был секретом, и в Вашингтоне узнавали о планах конфедератов в течение суток. Другим фактором победы северян была возможность перевозить войска и лошадей по железной дороге. Кстати, железные дороги297 — 27 послужили одной из главных причин войны. Новые железнодорожные магистрали, построенные компаниями из северных штатов, уводили грузопоток из южных портов в порты восточного побережья и являлись главными транспортными артериями для перевозки иммигрантов в «кукурузный пояс» Среднего Запада.

С 1862 года Закон о гомстедах298 — 217 гарантировал любому желающему землю по доллару с четвертью за акр и привлек сотни тысяч будущих фермеров. Помимо того что продовольствия требовала армия Союза, огромный спрос на сельскохозяйственные товары Среднего Запада формировался в крупных городах восточного побережья. В связи с войной фермеры остро ощущали нехватку рабочей силы, что открывало широкие возможности для механизации. Благодаря внедрению во многих хозяйствах жатки Маккормика в 1860 году производительность выросла на тринадцать процентов. В 1858 году использовалось уже семьдесят три тысячи жаток, и семьдесят процентов кукурузы Среднего Запада убирали машинным способом. Железные дороги продвигались все дальше за Миссисипи, и объемы перевозок зерна росли стремительными темпами. Если в 1838 году из Чикаго было отправлено всего семьдесят восемь бушелей[26] зерна, то в 1860-м показатель превышал тридцать один миллион.

Взрыв производства продуктов питания в Америке второй половины XIX века произошел благодаря механизации, Закону о гомстедах, военному спросу и появлению невероятно длинных товарных поездов, количество вагонов в которых достигало шестидесяти. В таком поезде помещалось столько пшеницы, чтобы на год обеспечить хлебом население десятитысячного городка. Сеялки, товарные поезда и элеваторы превратили США в крупнейшего экспортера сельскохозяйственной продукции. К концу XIX века страна обеспечивала двадцать девять процентов всех мировых поставок пшеницы.