eng
Содержание
Вступление .................................................................................. 4
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый ...................... 8
Глава 2. Гиперболоид может не только разрушать .................. 24
Глава 3. В поисках быстродействия ......................................... 32
Глава 4. Кубит рулит! ................................................................ 52
Глава 5. «Не болтай – враг подслушивает!» ............................. 58
Глава 6. Крылья для железнодорожного колеса ...................... 70
Глава 7. Великое в малом ......................................................... 82
Глава 8. Квантовые запутанности, или Повесть о том,
как поссорились Альберт Эйнштейн и Нильс Бор ................. 89
Глава 9. Мал золотник, да дорог .............................................100
Глава 10. Проникая в тайны Вселенной .................................112
Глава 11. Точность – вежливость не только королей .............118
Глава 12. Город как ближний космос ......................................130
Глава 13. Гладко было на бумаге, да забыли про овраги ........135
Заключение ..............................................................................141
Список источников иллюстраций .............................................143
Вступление
Робототехника, искусственный интеллект и квантовые тех-
нологии – эти три столь различные понятия тем не менее
входят в число самых инновационных направлений развития
современной науки, техники и технологий. К ним приковано
больше всего внимания и ученых, и государственных деяте-
лей, и многочисленных представителей технической мысли.
С квантовыми технологиями связаны большие надежды
человечества. Они сегодня формируют тренд развития, по-
зволяют очертить зримые границы будущего.
Но ведь любое будущее имеет свое прошлое и настоящее.
Об этом и решили мы рассказать в третьей книге, которая
является своеобразным продолжением двух предыдущих,
вышедших в издательстве. (В серии «Для кофейников» из-
дательство «ТЕХНОСФЕРА» выпустило книги «Вы сказали
“р оботы”?» и «Вы сказали “искусственный интеллект”?».)
Частично технические решения, используемые в робото-
технике и искусственном интеллекте, созданы при помощи
квантовых технологий. Это и всевозможные датчики и ана-
лизаторы, и мощные вычислительные комплексы, и системы
для беспилотного движения, и защищенные средства связи.
Поэтому двинемся, как за белым кроликом в известной
истории об Алисе в Зазеркалье, за световым лучом, который
поможет нам постичь множество секретов таинственных
квантов – частиц видимого и невидимого света. А загадок
и научно-технических проблем, связанных с квантовыми
технологиями, множество. И их последовательно решают,
продвигаясь от простого и очевидного к сложному и под-
час неподдающемуся логическому объяснению. А понятие
«квантовая запутанность» вызывало ожесточенные споры
даже среди самых титулованных ученых. Одна полемика
Альберта Эйнштейна и Нильса Бора на этот счет чего стоит...
О сложности нашего мира не писал только ленивый.
За несколько тысяч лет, которые насчитывает современная
цивилизация, познание окружающей действительности стало
уделом десятков, если не сотен тысяч ученых, мыслителей,
Вступление 5
экспериментаторов. Они сделали выдающиеся открытия в са-
мых разных областях знаний. На службу человеку поставлены
законы физики и химии, математики и биологии. Мы активно
преобразуем мир, создаем новые материалы и проникаем в столь
тонкие материи, о которых даже не подозревали.
Древние греки пытались найти причины возникновения каж-
дого явления. В поисках истины они даже материю раздробили
до мельчайшей частицы, которую назвали «атомос» – недели-
мый. Но кто мог тогда знать, что даже невообразимо малая части-
ца может состоять из более мелких элементов! Лишь в XIX веке
было экспериментально выявлено, что атомы, в свою очередь,
состоят из протонов и электронов. Что у атома есть ядро, вокруг
которого носятся электрически заряженные частицы.
То же самое происходило и со светом. Сначала древние уче-
ные считали, что свет является просто отражением от предметов.
Значительно позже появились теории о волновом характере
видимого света, а затем и о том, что свет имеет двойственную
природу – волновую и в виде частиц. Эти частицы и были на-
званы квантами.
Это название пришло к нам из латинского языка. Словом
quantum латиняне называли некие физические величины,
меньше которых в природе не существует. В дословном пере-
воде квантум обозначает «сколько». И достаточно было при-
думать это определение, чтобы пошли множиться термины и
понятия. Квант энергии, квант света, квант вещества... Даже
кинематографисты не стояли в стороне. Один из серии фильмов
бондианы о супершпионе Джеймсе Бонде так и называется –
«Квант милосердия»...
Сегодня мы оперируем десятком квантовых технологий.
Оптика и связь, тонкая химия и физика, математические урав-
нения и целые вычислительные комплексы, построенные на
новых физических принципах, – все это включается в поня-
тие «квантовые технологии». Неравномерность развития этих
технологий связана прежде всего с тонкостью самого предмета
изучения – кванта. Он загадочен и подчас непостижим, с ним
нужно действовать, соблюдая известную настороженность. Ведь
кванты, несущие в себе две сущности, легко могут спутать все
карты исследователя.
6 Вступление
Двойственная природа света (волновая и квантовая) раз-
двинула границы понимания нашего мира. Квантовые техно-
логии принесли многим ученым звания нобелевских лауреатов
и открыли совершенно непостижимые законы, действующие
во Вселенной. Поэтому, продвигаясь от простого к сложному,
и мы попытаемся пройти тернистым путем познания. И пусть
видимый и невидимый свет станет для нас настоящей путевод-
ной звездой.
В начале сотворил Бог небо и землю.
Земля же была безвидна и пуста,
и тьма над бездною, и Дух Божий
носился над водою.
И сказал Бог: да будет свет.
И стал свет.
И увидел Бог свет, что он хорош,
и отделил Бог свет от тьмы.
И назвал Бог свет днем, а тьму
ночью. И был вечер, и было утро:
день один.
Библия. Бытие, глава 1
ÃËÀÂÀ 1
ÄÀ ÁÓÄÅÒ ÑÂÅÒ – ÂÈÄÈÌÛÉ
È ÍÅÂÈÄÈÌÛÉ
В московском метрополитене мне довелось увидеть рекламный
щит с надписью, приписываемой Аристотелю: «Город – един-
ство непохожих». И хотя дотошные пассажиры тщетно пыта-
лись отыскать источник этого умозаключения, фраза звучит
по-аристотелевски достоверно. А значит, мы смело можем от-
правляться в глубь веков для изучения самого предмета нашего
повествования. Тем более что приложимо к квантовым техноло-
гиям, выражение древнего мыслителя подходит очень здорово.
«Единство непохожих» – лучше и не скажешь, анализируя то,
что представляют из себя квантовые технологии. Их объединяет
общее – исследование и использование мельчайших частиц –
квантов, а вот направлений такого использования – десятки,
если не сотни... Но по порядку!
Если бы в истории человечества не было древних греков,
их бы следовало выдумать. И вовсе не из-за величественных
архитектурных памятников и уникальных скульптур, которые
чудесным образом дошли до наших дней. А из-за того неоцени-
мого вклада в сокровищницу научной мысли, начало созданию
которой положили выходцы из небольшой по географическим
размерам Эллады. За несколько столетий созерцательного
наблюдения за окружающим миром греки сформировали ма-
териалистический и идеалистический взгляды на мироздание,
заложили основы многих наук, дали свои трактовки базовых
понятий в философии, физике, математике, космогонии. Они
первыми определили предел деления материального мира, введя
понятие атома. Они научились использовать свет как инстру-
мент, применяя прямые лучи как ориентиры для строителей,
свет маяка – как путеводную звезду для мореплавателей.
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 9
И пусть евклидову геометрию «подправил» русский мате-
матик Николай Лобачевский, введший понятие искривления
пространства, а наивные представления об атомах дополнили
физики-ядерщики, увидевшие в строении атома еще более
мелкие сущности – электроны, протоны, нейтроны и неуло-
вимые нейтрино, значение древнегреческих ученых огромно и
непреходяще.
К нашему сегодняшнему разговору о квантовых технологиях
самое непосредственное отношение имеет оптика. Оптика не
может без света, это ее «рабочий инструмент». Одна из древ-
нейших наук, тесно связанная с потребностями человека на всех
этапах своего развития, оптика сформировала некоторые свои
функции примерно за пять тысяч лет до нашей эры. Уже первым
народам Месопотамии была известна прямолинейность рас-
пространения света. Невозможно было вести гигантское строи-
тельство, сельское хозяйство без использования измерительных
инструментов. Но на открытой местности ими становились не
линейки и циркули, а геодезические приспособления. В них как
раз и задействован тонкий луч света. Прообразы современных
лазерных указателей использовались в Древнем Египте при
строительных работах задолго до нашей эры. Благодаря этому
удавалось возводить не только громадные усыпальницы-пи-
рамиды, но и гармоничные и красивые здания, некоторые из
которых сохранились до наших дней.
Задолго до появления научных обоснований астрономи-
ческих определений древний человек строил примитивные,
но исправно работающие мегалитические конструкции вроде
сохранившегося до наших дней Стоунхенджа. Гигантские ка-
менные блоки были сориентированы так, что точно указывали
на положение Солнца в период летнего солнцестояния. Другие
прорези обозначали расположение на ночном небе знаков Зоди-
ака. Благодаря солнечному свету и свету далеких звезд жрецам
удавалось прогнозировать начало весенних полевых работ, вести
календарное летоисчисление. С развитием цивилизации ученые
начали использовать более совершенные приборы и технические
приемы. Созерцательность была свойственна не только древне-
греческим мыслителям. И она привела к поразительным по силе
научного предвидения результатам. В Древнем Египте, странах
10 Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый
Междуречья в той или иной мере использовались эмпирические
знания о Солнечной системе, ближайших планетах, видимых
невооруженным глазом, а также далеких созвездиях, которые,
казалось, водили вокруг Земли свой нескончаемый хоровод.
Но представители эллинистического мира добились наиболее
выдающихся результатов.
Наблюдения за окружающей действительностью, умение
делать поразительные обобщения и высказывать парадоксаль-
ные гипотезы позволили мыслителям древности опережать свое
время на столетия вперед. Так, например, Пифагор еще в VI веке
до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела
становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам.
Аристотель (IV в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение
среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался
атмосферной оптикой и считал причиной появления радуги
отражение света каплями воды.
В том же веке в школе Платона были сформулированы два
важнейших закона геометрической оптики – прямолинейность
лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид
(III в. до н. э.) в трактатах по оптике рассматривал возникновение
изображений при отражении от зеркал.
Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии
оптики как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а
в том, что они нашли законы его прямолинейного распростра-
нения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.
Указанные два закона были описаны знаменитым греческим
ученым Евклидом, жившим в III в. до нашей эры. С помощью
этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явле-
ний и, в частности, явлений отражения света от плоских и даже
сферических зеркал.
Исследованием отражения света плоскими и сферическими
зеркалами занимался другой знаменитый ученый древности –
Архимед, живший также в III в. до нашей эры. Он знал свой-
ство вогнутого сферического зеркала собирать световые лучи в
фокусе. Об этом сообщается в сочинениях ученых древности:
Архимед знал, «почему вогнутые зеркала, помещенные против
солнца, зажигают подложенный трут». Архимеду даже припи-
сывают изобретение специальных зажигательных устройств из
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 11
вогнутых зеркал, с помощью которых он, защищая родной город
Сиракузы от неприятельской морской осады, будто бы сжег
вражеский флот. Это, конечно, легенда. Но то, что Архимед знал
зажигательное свойство вогнутого зеркала, – это факт.
От себя хочу добавить, что в детстве я всегда носил в кармане
небольшую линзу. В солнечную погоду мы легко разжигали с
другом костры, на дощечках выжигали свои инициалы. Отец
друга однажды в поле нашел обломок вогнутого зеркала от от-
ражателя немецкого зенитного прожектора. Обломок был раз-
мером в школьную тетрадь. С его помощью мы легко прожигали
отверстие в куске каменного угля. И мне кажется, что история с
Архимедом вовсе не выдумка более поздних поколений...
Ученые древности имели представление о преломлении све-
та и даже пытались установить закон преломления. Птолемей
Александрийский поставил с этой целью специальный опыт.
Он взял диск, по которому вокруг центра вращались две линей-
ки – указатели А и В. Этот диск Птолемей наполовину погружал
в воду и перемещал верхнюю линейку до тех пор, пока она не
казалась продолжением нижней, находящейся в воде. Вынув
затем диск из воды, он определял углы падения и прелом-
ления.
Птолемей Александрийский – знаменитый ученый древности
12 Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый
Однако, хотя эксперимент Птолемея и был поставлен пра-
вильно и он получил достаточно хорошие численные значения
для углов падения и преломления, истинного закона он уста-
новить не сумел.
Второй важный шаг в истории развития оптики состоял в по-
нимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан
лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались
Евклидом и Клеомедом (I в. н. э.), о применении стеклянных
шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (около
400 г. до н. э.) и Плиний Старший (I в. н. э.), а обширные сведения
о преломлении были изложены Птолемеем Александрийским
(130 г. н. э.). Для повседневной практики такие знания не приго-
дились, но важность этого вопроса тогда состояла главным обра-
зом в его непосредственной связи с точностью астрономических
наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить
ни Птолемею, ни арабскому ученому Ибн аль-Хайсаму, напи-
савшему в XI в. знаменитый трактат по оптике, ни даже Галилео
Галилею и Иоганну Кеплеру. Галилей построил первый в мире
телескоп, через который наблюдал за звездами и планетами и
смог установить, что Земля вращается вокруг Солнца и своей
оси, чем нанес удар по церковным верованиям.
Галилео Галилей
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 13
В Средние века оптика продолжала развиваться на Востоке,
а затем и в Европе. Однако каких-либо новых существенных
результатов за этот длительный период в жизни человечества
получено не было. Единственным важным достижением стало
изобретение в XIII в. очков. Но это изобретение существенным
образом не повлияло на развитие теоретической оптики.
Лишь позднее оптические приборы начали использовать
в более широких масштабах. Толчок к этому дало развитие
астрономии. Но, как ни парадоксально прозвучит, помочь в
познании макромира помогли наблюдения за микромиром.
Нидерландский натуралист Антони ван Левенгук загорелся
идеей исследовать животный мир при помощи увеличительных
приборов. Он был искусным шлифовальщиком стекла и смог из-
готовить первый свой микроскоп, в который разглядывал каплю
воды. И обнаружил в ней мельчайшие организмы. Увиденное до
такой степени поразило воображение Левенгука, что он задался
целью создать еще более совершенные микроскопы. Его лучшие
творения, которые, кстати, дошли до наших дней, давали уве-
личение до 300 раз! Но если законы оптики давали возможность
увидеть столь мелкие предметы, то обратить всевидящее око в
безграничное небо было делом техники.
Для изучения звездного неба потребовались мощные теле-
скопы, которые могли значительно расширять угол зрения, а
значит, давать более крупное изображение небесных тел. Все
более совершенная оптика помогла ученым-звездочетам сделать
множество сенсационных открытий.
Осенью 1609 г. профессор Падуанского университета, одного
из старейших в Европе, итальянский физик, астроном Галилео
Галилей проводил свободное время за шлифовкой линз. Раз-
работав способ шлифовки линз для астрономических наблюде-
ний, Галилей создал первый телескоп. Узнав об изобретенной
в Голландии «волшебной трубе», устройстве из двух линз, что
позволяло втрое приближать далекие объекты, он за несколько
месяцев радикально усовершенствовал оптическое приспособле-
ние. Подзорные трубы голландских мастеров из очковых стекол
имели диаметр 2–3 см и давали увеличение в 3–6 раз. Галилей
добился 30-кратного увеличения. Его труба имела длину 1245 мм.
Объективом была выпуклая очковая линза диаметром 53 мм.
14 Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый
Плоско-вогнутый окуляр имел оптическую силу 25 диоптрий.
Телескоп Галилея был на порядок мощнее и лучше всех зритель-
ных труб того времени.
Технологию шлифовки линз Галилей долго держал в секрете,
чтобы конкуренты не смогли опередить его в открытиях. Но даже
у лучшего из телескопов Галилея диаметр объектива составлял
всего 37 мм, при фокусном расстоянии 980 мм он давал очень
бледное изображение. Хотя это не мешало наблюдать Луну, пла-
неты и звездные скопления, но увидеть в него туманности было
затруднительно. Галилей изготовил около десятка телескопов по
заказам высоких духовных и светских персон. Телескопы Галилея
были самыми совершенными для своего времени, но продавал
Телескоп Галилея
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 15
он их только своим покровителям, а не конкурентам – астро-
номам и оптикам. Вежливый отказ получил даже император
Рудольф II, при дворе которого работал большой поклонник
Галилея – немецкий астроном Иоганн Кеплер.
Надо ли нам винить Галилея в таких предосторожностях?
Может быть, лучше разберемся в правилах того времени, когда
ученый делал свои открытия? Охрана цеховых секретов была
повсеместной нормой. Заветные сведения передавались от отца
к сыну, и даже внутри цеховых объединений существовала боль-
шая конкуренция. Вот краткий пример из правил деятельности
знаменитых стеклодувов с острова Мурано близ Венеции: «Если
какой-нибудь рабочий или мастер перенесет свое искусство из
Венеции в другое место в ущерб республике, ему будет выслан
приказ вернуться.
Робототехника, искусственный интеллект и квантовые тех-
нологии – эти три столь различные понятия тем не менее
входят в число самых инновационных направлений развития
современной науки, техники и технологий. К ним приковано
больше всего внимания и ученых, и государственных деяте-
лей, и многочисленных представителей технической мысли.
С квантовыми технологиями связаны большие надежды
человечества. Они сегодня формируют тренд развития, по-
зволяют очертить зримые границы будущего.
Но ведь любое будущее имеет свое прошлое и настоящее.
Об этом и решили мы рассказать в третьей книге, которая
является своеобразным продолжением двух предыдущих,
вышедших в издательстве. (В серии «Для кофейников» из-
дательство «ТЕХНОСФЕРА» выпустило книги «Вы сказали
“р оботы”?» и «Вы сказали “искусственный интеллект”?».)
Частично технические решения, используемые в робото-
технике и искусственном интеллекте, созданы при помощи
квантовых технологий. Это и всевозможные датчики и ана-
лизаторы, и мощные вычислительные комплексы, и системы
для беспилотного движения, и защищенные средства связи.
Поэтому двинемся, как за белым кроликом в известной
истории об Алисе в Зазеркалье, за световым лучом, который
поможет нам постичь множество секретов таинственных
квантов – частиц видимого и невидимого света. А загадок
и научно-технических проблем, связанных с квантовыми
технологиями, множество. И их последовательно решают,
продвигаясь от простого и очевидного к сложному и под-
час неподдающемуся логическому объяснению. А понятие
«квантовая запутанность» вызывало ожесточенные споры
даже среди самых титулованных ученых. Одна полемика
Альберта Эйнштейна и Нильса Бора на этот счет чего стоит...
О сложности нашего мира не писал только ленивый.
За несколько тысяч лет, которые насчитывает современная
цивилизация, познание окружающей действительности стало
уделом десятков, если не сотен тысяч ученых, мыслителей,
Вступление 5
экспериментаторов. Они сделали выдающиеся открытия в са-
мых разных областях знаний. На службу человеку поставлены
законы физики и химии, математики и биологии. Мы активно
преобразуем мир, создаем новые материалы и проникаем в столь
тонкие материи, о которых даже не подозревали.
Древние греки пытались найти причины возникновения каж-
дого явления. В поисках истины они даже материю раздробили
до мельчайшей частицы, которую назвали «атомос» – недели-
мый. Но кто мог тогда знать, что даже невообразимо малая части-
ца может состоять из более мелких элементов! Лишь в XIX веке
было экспериментально выявлено, что атомы, в свою очередь,
состоят из протонов и электронов. Что у атома есть ядро, вокруг
которого носятся электрически заряженные частицы.
То же самое происходило и со светом. Сначала древние уче-
ные считали, что свет является просто отражением от предметов.
Значительно позже появились теории о волновом характере
видимого света, а затем и о том, что свет имеет двойственную
природу – волновую и в виде частиц. Эти частицы и были на-
званы квантами.
Это название пришло к нам из латинского языка. Словом
quantum латиняне называли некие физические величины,
меньше которых в природе не существует. В дословном пере-
воде квантум обозначает «сколько». И достаточно было при-
думать это определение, чтобы пошли множиться термины и
понятия. Квант энергии, квант света, квант вещества... Даже
кинематографисты не стояли в стороне. Один из серии фильмов
бондианы о супершпионе Джеймсе Бонде так и называется –
«Квант милосердия»...
Сегодня мы оперируем десятком квантовых технологий.
Оптика и связь, тонкая химия и физика, математические урав-
нения и целые вычислительные комплексы, построенные на
новых физических принципах, – все это включается в поня-
тие «квантовые технологии». Неравномерность развития этих
технологий связана прежде всего с тонкостью самого предмета
изучения – кванта. Он загадочен и подчас непостижим, с ним
нужно действовать, соблюдая известную настороженность. Ведь
кванты, несущие в себе две сущности, легко могут спутать все
карты исследователя.
6 Вступление
Двойственная природа света (волновая и квантовая) раз-
двинула границы понимания нашего мира. Квантовые техно-
логии принесли многим ученым звания нобелевских лауреатов
и открыли совершенно непостижимые законы, действующие
во Вселенной. Поэтому, продвигаясь от простого к сложному,
и мы попытаемся пройти тернистым путем познания. И пусть
видимый и невидимый свет станет для нас настоящей путевод-
ной звездой.
В начале сотворил Бог небо и землю.
Земля же была безвидна и пуста,
и тьма над бездною, и Дух Божий
носился над водою.
И сказал Бог: да будет свет.
И стал свет.
И увидел Бог свет, что он хорош,
и отделил Бог свет от тьмы.
И назвал Бог свет днем, а тьму
ночью. И был вечер, и было утро:
день один.
Библия. Бытие, глава 1
ÃËÀÂÀ 1
ÄÀ ÁÓÄÅÒ ÑÂÅÒ – ÂÈÄÈÌÛÉ
È ÍÅÂÈÄÈÌÛÉ
В московском метрополитене мне довелось увидеть рекламный
щит с надписью, приписываемой Аристотелю: «Город – един-
ство непохожих». И хотя дотошные пассажиры тщетно пыта-
лись отыскать источник этого умозаключения, фраза звучит
по-аристотелевски достоверно. А значит, мы смело можем от-
правляться в глубь веков для изучения самого предмета нашего
повествования. Тем более что приложимо к квантовым техноло-
гиям, выражение древнего мыслителя подходит очень здорово.
«Единство непохожих» – лучше и не скажешь, анализируя то,
что представляют из себя квантовые технологии. Их объединяет
общее – исследование и использование мельчайших частиц –
квантов, а вот направлений такого использования – десятки,
если не сотни... Но по порядку!
Если бы в истории человечества не было древних греков,
их бы следовало выдумать. И вовсе не из-за величественных
архитектурных памятников и уникальных скульптур, которые
чудесным образом дошли до наших дней. А из-за того неоцени-
мого вклада в сокровищницу научной мысли, начало созданию
которой положили выходцы из небольшой по географическим
размерам Эллады. За несколько столетий созерцательного
наблюдения за окружающим миром греки сформировали ма-
териалистический и идеалистический взгляды на мироздание,
заложили основы многих наук, дали свои трактовки базовых
понятий в философии, физике, математике, космогонии. Они
первыми определили предел деления материального мира, введя
понятие атома. Они научились использовать свет как инстру-
мент, применяя прямые лучи как ориентиры для строителей,
свет маяка – как путеводную звезду для мореплавателей.
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 9
И пусть евклидову геометрию «подправил» русский мате-
матик Николай Лобачевский, введший понятие искривления
пространства, а наивные представления об атомах дополнили
физики-ядерщики, увидевшие в строении атома еще более
мелкие сущности – электроны, протоны, нейтроны и неуло-
вимые нейтрино, значение древнегреческих ученых огромно и
непреходяще.
К нашему сегодняшнему разговору о квантовых технологиях
самое непосредственное отношение имеет оптика. Оптика не
может без света, это ее «рабочий инструмент». Одна из древ-
нейших наук, тесно связанная с потребностями человека на всех
этапах своего развития, оптика сформировала некоторые свои
функции примерно за пять тысяч лет до нашей эры. Уже первым
народам Месопотамии была известна прямолинейность рас-
пространения света. Невозможно было вести гигантское строи-
тельство, сельское хозяйство без использования измерительных
инструментов. Но на открытой местности ими становились не
линейки и циркули, а геодезические приспособления. В них как
раз и задействован тонкий луч света. Прообразы современных
лазерных указателей использовались в Древнем Египте при
строительных работах задолго до нашей эры. Благодаря этому
удавалось возводить не только громадные усыпальницы-пи-
рамиды, но и гармоничные и красивые здания, некоторые из
которых сохранились до наших дней.
Задолго до появления научных обоснований астрономи-
ческих определений древний человек строил примитивные,
но исправно работающие мегалитические конструкции вроде
сохранившегося до наших дней Стоунхенджа. Гигантские ка-
менные блоки были сориентированы так, что точно указывали
на положение Солнца в период летнего солнцестояния. Другие
прорези обозначали расположение на ночном небе знаков Зоди-
ака. Благодаря солнечному свету и свету далеких звезд жрецам
удавалось прогнозировать начало весенних полевых работ, вести
календарное летоисчисление. С развитием цивилизации ученые
начали использовать более совершенные приборы и технические
приемы. Созерцательность была свойственна не только древне-
греческим мыслителям. И она привела к поразительным по силе
научного предвидения результатам. В Древнем Египте, странах
10 Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый
Междуречья в той или иной мере использовались эмпирические
знания о Солнечной системе, ближайших планетах, видимых
невооруженным глазом, а также далеких созвездиях, которые,
казалось, водили вокруг Земли свой нескончаемый хоровод.
Но представители эллинистического мира добились наиболее
выдающихся результатов.
Наблюдения за окружающей действительностью, умение
делать поразительные обобщения и высказывать парадоксаль-
ные гипотезы позволили мыслителям древности опережать свое
время на столетия вперед. Так, например, Пифагор еще в VI веке
до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела
становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам.
Аристотель (IV в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение
среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался
атмосферной оптикой и считал причиной появления радуги
отражение света каплями воды.
В том же веке в школе Платона были сформулированы два
важнейших закона геометрической оптики – прямолинейность
лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид
(III в. до н. э.) в трактатах по оптике рассматривал возникновение
изображений при отражении от зеркал.
Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии
оптики как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а
в том, что они нашли законы его прямолинейного распростра-
нения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.
Указанные два закона были описаны знаменитым греческим
ученым Евклидом, жившим в III в. до нашей эры. С помощью
этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явле-
ний и, в частности, явлений отражения света от плоских и даже
сферических зеркал.
Исследованием отражения света плоскими и сферическими
зеркалами занимался другой знаменитый ученый древности –
Архимед, живший также в III в. до нашей эры. Он знал свой-
ство вогнутого сферического зеркала собирать световые лучи в
фокусе. Об этом сообщается в сочинениях ученых древности:
Архимед знал, «почему вогнутые зеркала, помещенные против
солнца, зажигают подложенный трут». Архимеду даже припи-
сывают изобретение специальных зажигательных устройств из
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 11
вогнутых зеркал, с помощью которых он, защищая родной город
Сиракузы от неприятельской морской осады, будто бы сжег
вражеский флот. Это, конечно, легенда. Но то, что Архимед знал
зажигательное свойство вогнутого зеркала, – это факт.
От себя хочу добавить, что в детстве я всегда носил в кармане
небольшую линзу. В солнечную погоду мы легко разжигали с
другом костры, на дощечках выжигали свои инициалы. Отец
друга однажды в поле нашел обломок вогнутого зеркала от от-
ражателя немецкого зенитного прожектора. Обломок был раз-
мером в школьную тетрадь. С его помощью мы легко прожигали
отверстие в куске каменного угля. И мне кажется, что история с
Архимедом вовсе не выдумка более поздних поколений...
Ученые древности имели представление о преломлении све-
та и даже пытались установить закон преломления. Птолемей
Александрийский поставил с этой целью специальный опыт.
Он взял диск, по которому вокруг центра вращались две линей-
ки – указатели А и В. Этот диск Птолемей наполовину погружал
в воду и перемещал верхнюю линейку до тех пор, пока она не
казалась продолжением нижней, находящейся в воде. Вынув
затем диск из воды, он определял углы падения и прелом-
ления.
Птолемей Александрийский – знаменитый ученый древности
12 Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый
Однако, хотя эксперимент Птолемея и был поставлен пра-
вильно и он получил достаточно хорошие численные значения
для углов падения и преломления, истинного закона он уста-
новить не сумел.
Второй важный шаг в истории развития оптики состоял в по-
нимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан
лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались
Евклидом и Клеомедом (I в. н. э.), о применении стеклянных
шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (около
400 г. до н. э.) и Плиний Старший (I в. н. э.), а обширные сведения
о преломлении были изложены Птолемеем Александрийским
(130 г. н. э.). Для повседневной практики такие знания не приго-
дились, но важность этого вопроса тогда состояла главным обра-
зом в его непосредственной связи с точностью астрономических
наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить
ни Птолемею, ни арабскому ученому Ибн аль-Хайсаму, напи-
савшему в XI в. знаменитый трактат по оптике, ни даже Галилео
Галилею и Иоганну Кеплеру. Галилей построил первый в мире
телескоп, через который наблюдал за звездами и планетами и
смог установить, что Земля вращается вокруг Солнца и своей
оси, чем нанес удар по церковным верованиям.
Галилео Галилей
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 13
В Средние века оптика продолжала развиваться на Востоке,
а затем и в Европе. Однако каких-либо новых существенных
результатов за этот длительный период в жизни человечества
получено не было. Единственным важным достижением стало
изобретение в XIII в. очков. Но это изобретение существенным
образом не повлияло на развитие теоретической оптики.
Лишь позднее оптические приборы начали использовать
в более широких масштабах. Толчок к этому дало развитие
астрономии. Но, как ни парадоксально прозвучит, помочь в
познании макромира помогли наблюдения за микромиром.
Нидерландский натуралист Антони ван Левенгук загорелся
идеей исследовать животный мир при помощи увеличительных
приборов. Он был искусным шлифовальщиком стекла и смог из-
готовить первый свой микроскоп, в который разглядывал каплю
воды. И обнаружил в ней мельчайшие организмы. Увиденное до
такой степени поразило воображение Левенгука, что он задался
целью создать еще более совершенные микроскопы. Его лучшие
творения, которые, кстати, дошли до наших дней, давали уве-
личение до 300 раз! Но если законы оптики давали возможность
увидеть столь мелкие предметы, то обратить всевидящее око в
безграничное небо было делом техники.
Для изучения звездного неба потребовались мощные теле-
скопы, которые могли значительно расширять угол зрения, а
значит, давать более крупное изображение небесных тел. Все
более совершенная оптика помогла ученым-звездочетам сделать
множество сенсационных открытий.
Осенью 1609 г. профессор Падуанского университета, одного
из старейших в Европе, итальянский физик, астроном Галилео
Галилей проводил свободное время за шлифовкой линз. Раз-
работав способ шлифовки линз для астрономических наблюде-
ний, Галилей создал первый телескоп. Узнав об изобретенной
в Голландии «волшебной трубе», устройстве из двух линз, что
позволяло втрое приближать далекие объекты, он за несколько
месяцев радикально усовершенствовал оптическое приспособле-
ние. Подзорные трубы голландских мастеров из очковых стекол
имели диаметр 2–3 см и давали увеличение в 3–6 раз. Галилей
добился 30-кратного увеличения. Его труба имела длину 1245 мм.
Объективом была выпуклая очковая линза диаметром 53 мм.
14 Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый
Плоско-вогнутый окуляр имел оптическую силу 25 диоптрий.
Телескоп Галилея был на порядок мощнее и лучше всех зритель-
ных труб того времени.
Технологию шлифовки линз Галилей долго держал в секрете,
чтобы конкуренты не смогли опередить его в открытиях. Но даже
у лучшего из телескопов Галилея диаметр объектива составлял
всего 37 мм, при фокусном расстоянии 980 мм он давал очень
бледное изображение. Хотя это не мешало наблюдать Луну, пла-
неты и звездные скопления, но увидеть в него туманности было
затруднительно. Галилей изготовил около десятка телескопов по
заказам высоких духовных и светских персон. Телескопы Галилея
были самыми совершенными для своего времени, но продавал
Телескоп Галилея
Глава 1. Да будет Свет – видимый и невидимый 15
он их только своим покровителям, а не конкурентам – астро-
номам и оптикам. Вежливый отказ получил даже император
Рудольф II, при дворе которого работал большой поклонник
Галилея – немецкий астроном Иоганн Кеплер.
Надо ли нам винить Галилея в таких предосторожностях?
Может быть, лучше разберемся в правилах того времени, когда
ученый делал свои открытия? Охрана цеховых секретов была
повсеместной нормой. Заветные сведения передавались от отца
к сыну, и даже внутри цеховых объединений существовала боль-
шая конкуренция. Вот краткий пример из правил деятельности
знаменитых стеклодувов с острова Мурано близ Венеции: «Если
какой-нибудь рабочий или мастер перенесет свое искусство из
Венеции в другое место в ущерб республике, ему будет выслан
приказ вернуться.