Автостопом по науке. 70 фактов из истории великих открытий

13
ЭНИАК, или как обмануть военных

Как и очень многое в нашей жизни, электронные вычислительные машины появились благодаря военным. Заказ на создание машины, о которой пойдет речь в нашей статье, поступил от артиллеристов в начале 40-х годов XX века. Действительно, расчет траектории полета снаряда – дело очень непростое, для точного вычисления места, куда попадет снаряд гаубицы или обычного орудия, нужно учитывать очень много параметров: возвышение ствола орудия, калибр и аэродинамические показатели снаряда, скорость ветра, давление, температуру и влажность воздуха, тип заряда, который заложен в орудие.

В те времена в армии США такими расчетами занималась Лаборатория баллистических исследований, которая издавала таблицы стрельб для каждого снаряда. Для этого девушкам-вычислителям Лаборатории требовалось совершить на механических арифмометрах около 1000 действий для каждой траектории. Всего траекторий в таблицах было около трех тысяч. Поэтому в 1943 году Электротехническая школа (институт) Мура Пенсильванского университета получила заказ на создание вычислителя, который делал бы всю эту работу.

ENIAC проработал до 1955 года, когда его сменили более мощные и совершенные машины. Но за десять лет работы он успел многое.

Институт Мура уже располагал к тому времени механическим вычислителем («дифференциальным анализатором»), который умел делать часть расчетов. И Джон Мокли еще в 1942 году представил руководству докладную записку The Use of High-Speed Vacuum Tube Devices for Calculation, в которой предложил создать машину на электронных лампах, что намного ускорило бы работу. Правда, руководство поступило с новаторским предложением по-своему: сдало его в архив «без движения», а потом просто потеряло. Кроме того, в Институте имелся студент Джон Эккерт с фантастическим талантом инженера. Эккерт с Мокли и стали разработчиками архитектуры нового вычислителя.

Чтобы не спугнуть боящихся всего нового военных, новый проект для начала назвали electronic diff. analyzer. Не слишком сведущее военное руководство решило, что это всего лишь улучшенный электронными лампами уже имеющийся дифференциальный анализатор, и «купилось» на уловку, выделив 61 700 долларов на первые полгода по контракту W-670-ORD-4926. Тем более что авторы проекта клялись, что одну траекторию машина будет считать всего пять минут.

После одобрения проект переименовали: он стал называться «электронный числовой интегратор». Потом добавилось «и вычислитель». Так появился ENIAC – Electronic Numerical Integrator And Computer.

Уже к февралю 1944 года теоретическая работа была завершена: продумана архитектура и прописаны электрические схемы. Началась работа по сборке 27-тонной машины, которая длилась полтора года. Увы, к несчастью для военных, Вторая мировая тогда уже завершилась, даже ядерное оружие было испытано. Однако это был первый настоящий компьютер, которому нашлось применение в расчетах термоядерной бомбы и таблиц стрельб ядерными боеприпасами. История сохранила нам имена шести девушек: Франсис Билас, Рут Лихтерман, Кэтлин Макналти, Франсис Снайдер, Бетти Дженнингс, Мерилин Мельцер. Так звали первых программистов первого компьютера.

Впрочем, то, что настало относительно мирное время, позволило ENIAC сравнительно быстро «выйти из тени». 15 февраля 1946 года компьютер официально представили общественности и прессе.

ENIAC проработал до 1955 года, когда его сменили более мощные и совершенные машины. Но за десять лет работы он успел многое: не говоря о чисто военных применениях машины, на нем рассчитывали аэродинамику сверхзвукового крыла (1946 год), число «пи» с точностью до 2000 знаков после запятой (1949), на нем выполнили первый успешный прогноз погоды (1950). Правда, прогноз на следующие 24 часа считался почти 24 часа, но все равно это был грандиозный успех. Человечество медленно, но уверенно начало входить в цифровую эру.

Алексей Паевский

14
Как погиб витализм

22 февраля 1828 года немецкий химик Фридрих Велер сообщил, что искусственно получил из неорганического вещества мочевину. Человек, далекий от химии, скорее удивится, что Велер нашел не самый лучший повод похвастаться перед научным сообществом, и будет неправ, но лишь отчасти. Во-первых, да, мочевина – органическое вещество, и получение его из цианата аммония (NH₄NCO) стало сенсацией в химии XIX века, хотя само вещество вызывает чувства, далекие от восторга, не только у современников. Помните, как в «Городской сказке» Саши Черного мимоходом оброненное студенткой-медиком с «профилем тоньше камеи» замечание о выделении этого вещества в университете бросило в дрожь незадачливого поклонника? Во-вторых, строго говоря, цианат аммония и мочевина – это изомеры, а значит, налицо не синтез, а изомеризация, то есть все метаморфозы вещества остаются в рамках того же набора атомов, которые только меняются местами. Но обо всем по порядку.

Теория витализма (от латинского корня «жизнь», как и в слове «витамин»), выводы которой о самозарождении мышей в кладовых с зерном, а мух в мясе в наше время кажутся просто забавными, продержалась в науке больше тысячи лет. Идеи доисторических времен о некоей жизненной силе, которая есть у живых и отсутствует у неживых объектов, перекочевали в работы древних греков, а оттуда и в науку Нового времени. Витализм менял лицо, воплощаясь то в гуморах Гиппократа, то в энтелехиях Аристотеля, то в «неделимых элементах всего сущего» – монадах Лейбница.

Большой популярностью пользовались опыты Франца Месмера, утверждавшего, что живые тела наделены особым «животным магнетизмом». По мнению Месмера, его чувствуют особенно восприимчивые люди и с его помощью можно телепатически общаться, а действие этой силы объяснялось перетеканием особых «флюидов». При Людовике XVI для проверки этой гипотезы даже созывались комиссии. Во главе первой стоял Жозеф Гильотен, чья фамилия увековечена в названии небезызвестного изобретения, второй – Бенджамин Франклин. Участвовал в экспериментах и великий химик Лавуазье. Комиссии постановили, что «флюиды без воображения бессильны, однако воображение без флюидов может произвести эффект флюида».

Позднее витализм трансформировался в «одическую силу» – так немецкий естествоиспытатель Карл фон Райхенбах назвал жизненную силу, которая якобы присутствует у живых организмов в виде ауры, неких биологических электромагнитных полей. Райхенбах даже опубликовал статью «Исследования магнетизма, электричества, тепла и света в их связи с витальными силами» в журнале Annalen der Chemie und Physik. В этой статье он также заявил, что одическая сила (которую он назвал в честь скандинавского бога Одина) может иметь темную и светлую стороны, а также позитивный и негативный потоки. В 1852 году, когда европейский высший свет развлекался спиритическими сеансами и общением с медиумами, эта идея нашла немало сторонников.

Большой популярностью пользовались опыты Франца Месмера, утверждавшего, что живые тела наделены особым «животным магнетизмом». По мнению Месмера, его чувствуют особенно восприимчивые люди.

Мы можем воспринимать это как исторический курьез, но в те времена биологам и химикам витализм ставил две важные преграды. Мысль о том, что живые организмы не появляются от живых организмов, а самозарождаются, вносила в естественные науки некоторый уровень безответственности, позволяя своим сторонникам не думать о том, как же на самом деле эти организмы размножаются и проникают туда, где их нашли. Однако опыты Франческо Реди с мясом, закрытым от мух, показали, что личинки не возникают в продукте сами, даже если доступ воздуха открыт и преграждает путь насекомым только слой марли, через который невидимая сила вполне могла бы просочиться.

Тогда виталисты обратили свой взор на анималькулей: трудно уследить, как размножаются микроорганизмы, а потому они и стали новой надеждой на возрождение прекрасной идеи. Однако все их притязания отверг Пастер, на уровне микромира доказавший в опыте с колбами с бульоном то же самое, что Реди продемонстрировал для видимых невооруженным глазом живых существ. Такие победы над витализмом позволили ученым постичь несколько фундаментальных для наук о жизни постулатов, важнейший из которых – что живое происходит только от живого. Поскольку это утверждение оказалось справедливым даже на уровне отдельных клеток, оно было добавлено Рудольфом Вирховом к клеточной теории Шлейдена и Шванна.

Но было и другое виталистическое ограничение: поскольку жизнь происходит только от жизненной силы, то она не могла появиться на Земле миллиарды лет назад сама по себе. И только многие годы изысканий все же позволили ученым преодолеть эту преграду и доказать, как при определенных условиях происходит синтез органики из простых и встречающихся повсюду на нашей планете элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора, и как органические молекулы могли перейти к воспроизводству самих себя. В данное время есть несколько теорий, где они могли этому научиться, некоторые даже имеют интересные гастрономические названия: первичный бульон (в воде), первичная пицца (на небольших глиняных «блюдцах»).

Но всех этих открытий (и теории РНК-мира о том, как первые биомолекулы начали катализировать собственное производство, «размножаясь») не было бы без многочисленных аргументов в пользу несостоятельности витализма. Нужно было не только доказать отсутствие самозарождения «от противного», но и создать органическое вещество из неорганического, чтобы показать, что никакой фундаментальной границы между живыми и неживыми объектами на уровне химии нет.

Впервые мочевину из мочи выделил французский химик Руэль в 1773 году. В 1779 году Фуркруа и Воклен, изучая мочевину, дали ей химическое название карбамид (амид угольной кислоты). Карбамид в чистом виде впервые выделил великий химик Якоб Берцелиус (сторонник витализма) в 1808 году. И вот на этом веществе реакция была воспроизведена в лаборатории Велера, который с горечью написал своему учителю Берцелиусу, что стал свидетелем «великой трагедии в науке – убийства прекрасной гипотезы уродливым фактом». Прекрасной гипотезой, однако бесплодной и бесплотной, как сам «жизненный дух», стал витализм, а «уродливым фактом» оказался случайно открытый Велером изомер, в который при нагревании до 60 °C превращается цианат аммония.

Синтез мочевины, вопреки некоторым мифам, не стал последним гвоздем в крышку гроба, где похоронили жизненную силу (скорее семенем дерева, из которой сделают его доски). Виталисты быстро утешились мыслью, что так можно получить только продукт отходов живого организма, но никак не полезное для него вещество. Однако эта работа показала, что научный факт, лишенный некоторой эстетичности в первом приближении, при взгляде через призму других фактов и уложенный в канву анализа, становится красив своей сложностью и благороден трудами исследователей, благодаря которым он был добыт.

Екатерина Мищенко

15
Быстрее звука

14 октября 1947 года состоялся первый пилотируемый полет с превышением скорости звука. Совершил его американский летчик-испытатель Чарльз (Чак) Йегер.

Самолет, на котором был установлен рекорд, Bell X-1 (см. раздел «Иллюстрации»), был сконструирован вскоре после окончания Второй мировой войны, в 1946 году. Война подогревала конкуренцию в разработке скоростных самолетов между враждующими странами: большие скорости давали преимущество в воздухе.

Однако конструкторы первых сверхзвуковых самолетов столкнулись с большим количеством трудностей. Условия полета на таких скоростях качественно отличались от тех, с которыми проектировщики и летчики сталкивались ранее. Резко возросли аэродинамическое сопротивление и кинетический нагрев самолета (возникающий от трения с воздухом), снизились устойчивость и управляемость. Кроме того, излучение звуковой волны, происходящее при движении со сверхзвуковой скоростью, создало дополнительные потери энергии. Таким образом, доведение скорости самолета до сверхзвуковых значений требовало не просто увеличения мощности двигателей, но и качественных изменений в конструкции самолета.

14 октября 1947 года состоялся первый пилотируемый полет с превышением скорости звука. Совершил его американский летчик-испытатель Чарльз (Чак) Йегер.

Для отработки элементов конструкции широко применялись беспилотные модели, часто одноразовые. Они запускались с земли или сбрасывались с самолета на большой высоте. Однако еще во время войны стали говорить о необходимости пилотируемых испытаний. Они позволили бы собрать больше данных о параметрах полета и испытать системы управления.

В 1945–1946 годах проводились планирующие полеты XS-1 («Экспериментального сверхзвукового-1»). Самолет загружался внутрь бомбардировщика-носителя, который поднимался на требуемую высоту и сбрасывал испытываемый аппарат. Пилот выполнял необходимые действия для испытания систем самолета, после чего сажал его на аэродром. При этом двигатель был выключен или вовсе отсутствовал.

Вскоре начались испытания со взлетом с земли. Они проводились на авиабазе «Мюрок» (сейчас «Эдвардс»), расположенной на месте высохшего озера в Калифорнии. База имеет одну из самых протяженных взлетно-посадочных полос в мире – почти 12 км. В ходе этих испытаний была достигнута скорость 0,8 Маха.

Следующим этапом должно было стать превышение скорости звука. Для этого снова воспользовались самолетом-носителем – это позволяло сберечь топливо, необходимое для достижения рекордных скоростей. Ведь даже в таких условиях полеты длились лишь несколько минут.

Для решающего испытания был выбран пилот Чарльз Йегер. На момент полета ему было 24 года, он уже успел отслужить в армии на авиабазе в Калифорнии, отучиться в летной школе, принять участие в боевых действиях во Франции. После войны Йегер, обладатель прекрасного досье, продолжил службу в авиации, попал в отряд испытателей. Ему предложили опробовать новинку – Bell Х-1.

В день испытания бомбардировщик с X-1 на борту поднялся в воздух. Набрав необходимую высоту, самолет-носитель открыл люки и сбросил X-1. Отойдя на безопасное расстояние, пилот последнего, Йегер, включил зажигание. Скорость увеличивалась постепенно, потом резко скакнула за 1 Мах. На земле услышали звук взрыва – самолет преодолел звуковой барьер. Однако для пилота переход был не столь заметен. (Позже в дневнике он запишет: «Я был разочарован тем, что почти ничего не произошло»). Системы управления работали исправно. Пилот отключил двигатели и начал снижение. В это время на земле уже знали: максимальная скорость составила 1,06 Маха, то есть превысила скорость звука. После этого и Йегер, и другие пилоты на X-1 установили несколько рекордов скорости и высоты полета.

В 1945–1946 годах проводились планирующие полеты XS-1 («Экспериментального сверхзвукового-1»). Самолет загружался внутрь бомбардировщика-носителя, который поднимался на требуемую высоту и сбрасывал испытываемый аппарат.

Чарльз Йегер продолжал служить в авиации вплоть до своей отставки в 1975 году, руководил школой пилотов, где проходила подготовка астронавтов. В 1997 году, после своего последнего официального полета за вооруженные силы США, выступая с речью, он сказал: «Всем, чем я являюсь, я обязан военной авиации». 14 октября 2012 года, в 65-ю годовщину преодоления звукового барьера, Йегер повторил свое достижение еще раз (управлял самолетом другой пилот, но ведь Йегеру на тот момент было 89!).

Самолет X-1, ставший не менее легендарным, чем его пилот, находится в музее Смитсоновского института.

Алёна Манузина

16
Битва за кости

1 марта 1872 года состоялась лекция, породившая одно из самых яростных противостояний в истории науки – «Костяную войну», или, как ее еще называют, «Великую гонку за динозаврами», результатом которой стало описание 142 новых ископаемых видов.

Когда-то светила американской палеонтологии Отниел Чарльз Марш и Эдвард Дринкер Коуп были друзьями. Встретившись в 1864 году в Берлине, они провели несколько дней вместе, а затем даже назвали несколько ископаемых видов в честь друг друга. Но вспыльчивость и подозрительность обоих не сулила их будущим отношениям ничего хорошего. Даже в то время между ними сквозила едва заметная снисходительность, ведь Коуп был родом из семьи богатых квакеров и чувствовал превосходство над несколько неотесанным Маршем, всю юность прозябавшим в бедности, несмотря на богатство дяди, филантропа Джорджа Пибоди.

Правда, разница в их материальном положении вскоре сошла не нет: в 1866 году Чарльз смог убедить дядю пожертвовать деньги на основание Музея естественной истории, который сам же и возглавил. Три года спустя богатый родственник умер, и племяннику досталось приличное состояние (впрочем, за это нужно было заплатить: ему пришлось всю жизнь оставаться холостяком по причуде дяди-женоненавистника).

Смотреть на Коупа сверху вниз Маршу позволяло его образование в Йельском колледже, гораздо более престижном, чем Университет Пенсильвании, в котором учился не окончивший школы Коуп (бывший, однако, к моменту встречи с Маршем 24-летним членом Академии естественных наук Филадельфии).

Не совпадали и научные взгляды друзей-соперников: Коуп на всю жизнь остался ламаркианцем, а Марш был ярым дарвинистом (это противостояние окажется иллюзорным намного позже, но до этого успеет загубить не одну научную репутацию).

Вернувшись в Америку из Германии, наши герои тем не менее начали раскопки вместе. Коуп даже познакомил коллегу с землевладельцем, на территории которого располагались богатые ископаемыми рыхлые породы, состоящие преимущественно из глин и известняков. Марш не замедлил подкупить землевладельца, чтобы тот за спиной Коупа отправлял ему все находки, которые сделают его рабочие.

Восстанавливать информацию о животных, населявших Землю больше сотни миллионов лет назад, – задача непростая. Порой классифицировать их приходится по паре костей, и тогда каждая новая находка становится поводом для пересмотра информации о таксоне. Например, эласмозавр, найденный в тех самых породах, которые Коуп показал Маршу. На картинке, изображающей скелет животного, можно было заметить нечто необычное. Где тазовые кости? Да и шея казалась какой-то странной. Дело в том, что на картинке она была не с той стороны. Другому динозавру – игуанодону – в схожей ситуации повезло, ведь ученые всего лишь приставили его коготь к носу и не могли решить, ходил он на двух ногах или на четырех. Плезиозавру (а точнее, эласмозавру Elasmosaurus platyurus) «досталось» сильнее: ему приделали голову не с того конца. Поэтому вместо привычного для нас длинношеего животного (см. раздел «Иллюстрации») его представляли как пресмыкающееся, вращающее хвостом в воде, как бактерия жгутиком.

Тут Коуп повторил ошибку своего учителя и предшественника Джозефа Лейди, который в 1851 году расположил позвонки другого плезиозавра не в том порядке. Осматривая находку в 1868 году, Марш указал, что голова должна быть с другой стороны. Коуп не согласился и позвал Лейди, чтобы тот рассудил их. Именитый палеонтолог был согласен с Маршем, но статья о находке была уже в печати. Коуп попытался выкупить все экземпляры, уничтожить их и переиздать номер без каких-либо следов ошибки, но сделать этого ему не удалось.

Подкупы работников продолжались, но это было не все: двое рабочих Марша сами пожелали стать «слугами двух господ», чтобы, по их словам, не дать Коупу доступа к ископаемым. Скорее всего, это была ложь. Марш был скуповат, и они просто хотели получать двойное жалованье. В то же время один из работников Марша случайно отправил образцы Коупу, и, хотя Эдвард решил тут же вернуть их коллеге, дружбу было уже не спасти.

Точкой отсчета в «Костяной войне» стало столкновение из-за птеродактилей. 1 марта 1872 года Эдвард Коуп представил научному сообществу доклад о двух скелетах летающих рептилий, которых он предложил отнести к роду Ornithochirus (ошибочно написанное талантливым самоучкой греческое слово Ornithocheirus – «птицекрылые»).

Судьба летающих ящеров была непростой и до споров между Коупом и Маршем: их родословная была покрыта мраком и дала почву множеству домыслов в XIX веке. Немецкий палеонтолог Земмеринг в 1810-х менял его кости местами в реконструкции (например, предплечье с пястными костями, а лопатки – с грудиной) и считал его летучей мышью. Другие ученые пририсовали ему ласты и поселили в морские глубины. Один из образцов скелета представителя этого рода, найденный в конце 1770-х, и вовсе поначалу отнесли к ракообразным.

На фоне этого причина кровной вражды между Маршем и Коупом выглядит просто смешно: Марш решил тоже описать эту «птицекрылую» находку, и ему удалось на пять дней опередить официальное сообщение Коупа о ней в печати. В результате право присвоения названия, как сообщил American Journal of Science, получил Марш, отнесший находки к роду Pterodactylus, нескольких представителей которого он недавно открыл.

Разразилась настоящая война, основным оружием которой стали кирки и публикации: страстный и напористый натуралист-самоучка Коуп находил и описывал виды с потрясающей скоростью, а методичный и въедливый профессор Йельского университета Марш замечал все его промахи. Казалось, каждый из соперников скорее взорвет богатую ископаемыми костями породу, чем уступит ее сопернику. Это противостояние привело к описанию множества новых таксонов динозавров: целофизов, аллозавров, трицератопсов, стегозавров, апатозавров и других.

Кстати, род апатозавров стал редким примером исправления, сделанного Коупом в описании Марша: оказалось, что Марш отнес найденного им бронтозавра к отдельному роду ошибочно и на самом деле он должен считаться апатозавром (правда, некоторые современные палеонтологи, авторы статьи 2015 года, придерживаются точки зрения Марша).

Противостояние обострилось, когда Конгресс обвинил покровительствовавшего Маршу Джона Пауэлла, директора Геологической службы США, в растрате. Под подозрение попал и сам ученый, однако им все же удалось оправдаться. Но Коуп не удержался от мести переживающему не лучшие времена врагу, рассказав обо всей истории их конфликтов журналистам The New York Herald. Заметка под заголовком «Ученые вступили в ожесточенную вражду» взбесила Марша, и ответ не заставил долго ждать.

Точкой отсчета в «Костяной войне» стало столкновение из-за птеродактилей. 1 марта 1872 года Эдвард Коуп представил научному сообществу доклад о двух скелетах летающих рептилий.

Дождался своего часа действительно морской (в отличие от птеродактиля) эласмозавр двадцатилетней давности. Несмотря на то что ошибка Коупа была указана в публикации Лейди еще в 1870 году, Марш не отказал себе в удовольствии водрузить многострадальную голову водной рептилии на надлежащее ей место с громкими обвинениями в адрес своего врага. Статья вышла в том же The New York Herald за 20 января 1890 года, и к ней Чарльз приложил бережно хранимую им все эти годы копию публикации с ошибкой, которую ему удалось купить раньше, чем Коуп уничтожил тираж. Ответом послужила публикация Коупа, начинавшаяся с латинского «peccavi» («я согрешил») с указанием на работу Лейди, первым написавшего об ошибке.

Этот раунд (как и раунд с птеродактилем) выиграл Марш. Он же вышел победителем и из «Костяных войн» в целом, описав 86 видов динозавров против 56 у Коупа, хотя последний выпустил впятеро больше научных статей и описал в сумме около 600 ископаемых видов, включая млекопитающих, земноводных и рыб. Однако битвы подточили здоровье и состояние обоих: в 1897 году Эдвард умер от болезни кишечника (ему было 56 лет), а через два года в возрасте 67 лет умер и Чарльз.

Ирония судьбы заключается в том, что через много лет после смерти обоих воюющих дело их еще живет, напоминая о том, что трудились они, в сущности, над одним и тем же. В наши дни два родственных птицетазовых динозавра – дринкер (единственный описанный вид – Drinker nisti) и отниелия рекс (описанный самим Маршем как Laosaurus consors в 1894 году) – носят родовые названия в честь заклятых врагов. Систематика продолжает уточняться: в 1977 году отниелию рекс переименовали в нанозавра, затем в Otnielia consors, а в 2007 году выделили в новый род, но имя Марша этот род все же сохранил – теперь родственник дринкера называется Othnielosaurus.

Екатерина Мищенко