По образу и подобию

Об этом с горечью и гневом напомнил господам адмиралам и министрам Крылов после гибели броненосца. Ведь при попадании в него японской торпеды все произошло именно так, как предсказывали модельные опыты…

«Добрая старая модель» — так названа эта глава потому, что она о моделях, повторяющих основные черты внешнего вида своих прототипов, о моделях, которые люди начали строить еще в ту пору, когда не знали не только теории подобия, но и вообще никаких научных физических теорий. Правило: семь раз отмерь, один отрежь — в ходу у человечества уже целые тысячелетия. А на чем лучше мерить, чем на модели? И строители храмов и крепостей древнего Египта, так же как строители акведуков — водопроводов — в Римской империи, проверяли свои планы на моделях, сделанных из песка, глины и камня.

Модели механические, по современной терминологии, то есть сделанные строго по внешнему образу и подобию реального или предполагаемого прототипа, дошли до нас из глубины веков.

А потом Леонардо да Винчи создавал модели каналов, крепостей, геликоптеров… и строго критиковал одного хорошего архитектора, который в модели своего храма сохранил внешнее, геометрическое подобие, но заменил один материал другим.

А потом русский инженер XIX века Д. И. Журавский давал представителям зарубежной фирмы удивительнейший из концертов. Он держал в руках смычок, но водил им не по скрипке, а по тонким проволочкам, соединявшим части модели моста.

Дело было вот в чем. Незадолго перед тем чуть ли не весь мир победно обошел новый способ сооружения мостов, предложенный американцем Гау. Гау никак нельзя было отказать в таланте, а его способу — в остроумии. Он строго выдержал принцип детского «Конструктора». Мосты по его системе собирались из типовых ферм быстро, удобно и тех размеров, которые в данном случае были нужны. Конечно, далеко не везде годился этот метод, но там, где он оказался применим, им были довольны. А Журавский нашел у мостов Гау ахиллесову пяту — слабое место. Все фермы здесь были, подлинно, как детали в «Конструкторе», одной и той же прочности. И соединяли их между собой типовые же болты, тоже повсюду одинаковые. По расчетам Журавского выходило, что такое конструкторское решение здесь необоснованно — напряжения в разных точках моста должны быть различны. Но на его расчеты особого внимания не обратили: у Журавского одни расчеты, у Гау другие… И тогда русский инженер сделал модель моста Гау, только фермы в ней соединили не болтами, а тонкими проволочками. И нашел остроумнейший и нагляднейший способ показать, что проволочки в разных местах натянуты по-разному. Для этого и понадобился ему смычок. Будь натяжение проволочек одинаково, они все издавали бы один и тот же звук; на самом же деле высота звука оказалась зависящей от места расположения проволочки. Модель и опыт-концерт были не просто опровержением теорий Гау, они давали возможность исправить на будущее ошибки его системы.

Однако и в моделях, внешне похожих на свои объекты, часто приходится принимать особые меры, чтобы они подчинялись тем же законам. Модели дирижаблей иногда наполняют не водородом или гелием, а тяжелой ртутью. И заставляют их не летать, а тонуть. Тонуть в ванночке, наполненной водой или какой-нибудь другой жидкостью.

Зачем? От изменения масштабов явления в нем меняется чрезвычайно многое. Джонатан Свифт был не прав, когда делал своих лилипутов и великанов точными копиями человека, только меньшими или большими в длину — в 12 раз, по поверхности — в 144, по объему — в 1728. Рост живых существ не случаен. Великаны, к которым попал Гулливер, должны были бы ломать себе кости чуть ли не на каждом шагу, потому что конструкция, скажем, наших конечностей рассчитана, с определенным запасом прочности, именно на существующие их размеры. То же правило соблюдается и в созданиях самого человека.

Силы, с которыми газ действует изнутри на стенки маленькой модели дирижабля, несравненно меньше тех, с которыми приходится иметь дело в самом дирижабле. Вот и приходится заменять газ ртутью, чтобы добиться здесь соответствия. Модели механические оказываются часто способны играть роль «машин времени». В начале 30-х годов двое советских ученых, Н. Н. Давиденков и Г. И. Покровский, одновременно и независимо друг от друга предложили метод центрифугирования моделей сооружений. Модель, скажем, земляной плотины раскручивается в центрифуге; при этом на модель действует центробежная сила, и микроплотина начинает испытывать перегрузки, точно космонавт на испытаниях. Но никогда еще человека не подвергали таким перегрузкам, какие приходятся на долю моделей, — ни один богатырь их бы не выдержал. А раз все в модели плотины утяжеляется, значит, там быстрее течет вода, сверхускоренными темпами проходит осадка грунта. Можно сделать так, чтобы за несколько часов в модели произошли те же изменения, какие в ее оригинале могут случиться лишь на протяжении десятков и сотен лет.

В Институте физиологии растений Академии наук СССР уже давно работает камера искусственного климата. Здесь нетрудно в течение секунд сменить снежный буран — самумом, не уступающим африканскому, воссоздать пылевую бурю и приблизиться к марсианским природным условиям.

Впрочем, цель этой книги отнюдь не перечень моделей. Познакомимся хоть немного подробнее с тремя проблемами, в которых делу очень помогают модели — я имею здесь в виду «трехмерные материальные структуры», то есть модели физические.

Объекты их соответственно — кусочек земной поверхности, вся планета Земля целиком и поверхность Луны.

Итак, история первая.

Ящик под зонтом

У этого правдивого рассказа три героя: ученый, изобретатель, студент, который еще не успел стать ни первым, ни вторым.

Все они равны в одном отношении — без любого из трех эта история не была бы написана, так как событий, легших в ее основу, просто-напросто не произошло бы.

Разрешите представить: академик Пелагея Яковлевна Кочина; автор более двухсот изобретений и технических разработок Александр Григорьевич Пресняков; студент Новосибирского государственного университета Саша Демчук.

Пелагея Яковлевна Кочина работает сейчас в Институте гидродинамики Новосибирского отделения Академии наук. Она занимается научными проблемами, связанными с движением жидкостей. Но это далеко не та чуждая земных дел наука, которую называют «чистой». Кроме всего прочего, в научном ведении Пелагеи Яковлевны вся Кулундинская степь. Это 130 тысяч квадратных километров плодородной земли. Кулунда словно создана для богатейших в мире урожаев, но ей не хватает воды.

Дать степи воду — последние годы этим вопросом деятельно занимались ученые. Они изучали степь, накопили огромный запас наблюдений. Многое удалось сделать практически. Однако было ясно — здесь необходимы и какие-то новые идеи орошения, пригодные для осуществления на огромной площади.

Ведь можно — до этого долго додумываться не надо — покрыть всю степь колодцами, установить насосы и качать воду. Но сколько десятков тысяч таких колодцев понадобится, во сколько миллионов это обойдется?

Можно создать на поверхности большие водоемы и распространять воду арыками. Но горячее солнце Кулунды заставит огромную долю этой воды испариться без пользы.

И вот Пелагея Яковлевна Кочина решила привлечь к решению проблемы изобретателей. Ведь это их дело — прокладывать кратчайший путь между теорией и практикой.

И тут появился Александр Григорьевич Пресняков.

Дано: Кулундинская степь. Вода на большом протяжении находится под водоупорным слоем на глубине от 2 до 5 метров, причем ее не слишком много.

Требуется: найти простой, удобный и дешевый способ снабжения растений водой.

Изобретатель предложил: не надо качать воду вверх, из земли. Надо… наоборот: сверху вниз, в землю качать воздух. Да, да, ввести в землю на определенную глубину трубы и нагнетать через них воздух, который заставит воду подняться снизу в почву, подойти к корням растений.

У Пелагеи Яковлевны за плечами десятилетия наполненной творчеством жизни. Но и она пришла в изумление, услышав об этом предложении. Еще бы: все привычное в орошении становилось с ног на голову!..

Осторожность ученого предостерегала. Ну, а все-таки, почему не попробовать?..

Мне не посчастливилось присутствовать при той их беседе, и немудрено. Журналист приходит к ученому и изобретателю уже после того, как гипотеза выдвинута, изобретение предложено. Но я представляю себе эту встречу.

Вижу, как авторучка изобретателя торопливо набрасывает схему нового метода орошения. Академик Кочина тоже берет лист бумаги. Но из-под ее карандаша появляются не линии, а формулы и цифры.

Пятнадцать минут общих подсчетов… Возможно!..

С академиком Кочиной я беседовал в Новосибирске. С Пресняковым — в Москве. Разделенные после коротких деловых встреч тысячами километров, они были благодарны друг другу за ту первую беседу, в которой появилась на свет и была одобрена научно-техническая идея.

Небольшое совещание в Москве, в Институте механики Академии наук СССР, тоже высказалось за проверку этой идеи. Новосибирский институт гидродинамики организовывал ее проверку. Где же именно? В Кулунде? Нет. До Кулунды очередь дошла позже; и это уже было не только проверкой способа, но и разработкой конкретной методики его проведения, выяснением деталей движения воды и воздуха, уточнением степени экономической выгоды способа Преснякова, а первая проверка была, разумеется, модельной.

В Новосибирске насыпали в ящик песок, покрыли этот песок тонким слоем почвы, посадили в почву растения, подвели снизу одну трубу, сверху другую. Через нижнюю пустили немного воды, через верхнюю стали подавать воздух. Но только чуть-чуть поднялся уровень воды. А дальше ни с места! И как это ни грустно, в полном соответствии с теоретическими выкладками нескольких новосибирских гидродинамиков, заинтересовавшихся этой проблемой.

Казалось бы, на идее можно поставить крест.

Да, тогда, после первого эксперимента, Пелагея Яковлевна была вправе с чистой совестью отметить в своем научном дневнике небольшую частную неудачу и забыть о ней.

Но, наверное, каким-то особым чутьем она понимала, что крест ставить рано.

Как раз в это время академику сообщили, что студент механико-математического факультета Новосибирского университета Саша Демчук, работающий летом в Институте гидродинамики, вернулся из Кулунды, где был в командировке.

— Саша, повторите, пожалуйста, опыт по этой схеме, — сказала Пелагея Яковлевна третьему герою этой истории. И передала ему письмо Преснякова.

Саша долго ходил вокруг ящика, оставшегося от первого, неудачного опыта. Потом попросил помочь ему вынести это сооружение из подвала во двор. Чтобы природа дождевым орошением не путала карты ученым, установили над ящиком обыкновенный, слегка потрепанный черный зонт.

Так появился ящик под зонтом.

Высота ящика полтора метра, сечение — примерно полметра на полметра. Три боковые стенки — металлические, четвертая — из органического стекла. Это своего рода витрина. Рядом с ящиком соединенное с ним водомерное стекло. Внутри, снизу, — песок, над ним слой чернозема. Сверху, пронизывая и чернозем и песок, почти до дна идет труба с заклепанным концом. Самая нижняя ее часть перфорирована — покрыта мелкими дырочками. Сбоку, через металлическую стенку, у самого дна в ящик входит другая такая же труба, горизонтальная. Через вертикальную трубу подают воздух, через горизонтальную — воду.

Вот, кажется, и все. Но именно про этот ящик под зонтом говорили в институте: «Наша Кулунда». И спорь не спорь, были правы. Потому что это действительно была маленькая модель Кулундинской степи. В ящике под зонтом существовали характерные для Кулунды взаимосвязи между песком, черноземом, влагой и воздухом.

Надо подчеркнуть вот что: Саша постарался в точности воспроизвести знакомые ему условия иссушенной степи.

Демчук занялся не просто повторением уже законченного опыта. Старая модель, по его мнению, передавала далеко не все свойства степи, которые в данном случае могли играть решающую роль. Там, в ящике со стеклянной стенкой, под слоем чернозема лежал лучший кварцевый песок, обычно используемый в литейном деле. А таков ли на самом деле грунт Кулунды? Нет. Значит, долой первосортный песок! Демчук взял самый обыкновенный песок, просушил его, утрамбовал, уплотнил, чтобы придать твердость естественного грунта. А чтобы сквозь перфорированные концы труб не проникал песок, обмотал их марлей. Словом, все было предусмотрено. Да и переход из погреба во двор был приближением к естественным условиям, усилением подобия модели и ее прототипа.

Через горизонтальную трубу подали немного воды, затем включили насос, и тот послал вниз воздух.

Вода стала подниматься вверх, поднялась на 9 сантиметров… А выше? Нет, выше она не двигалась. Как ни старались Саша и насос, толку не было. Кто-то, похлопывая студента по плечу, объяснял ему, что иначе и быть не могло, что все правильно — подтвержден прежний результат.

— Ничего! Свой хлеб ты не зря ешь, — утешали Сашу друзья, — второй раз проверить все-таки стоило.

А Демчук сидел на табуретке около ящика и словно чего-то ждал. И дождался. К концу дня он понял «секрет» — его выдало водомерное стекло.

Вода, поднявшись, была захвачена и удержана капиллярами. Слой же воды в нижней части ящика в результате опустился ниже уровня отверстий на вертикальной трубе, и воздух просто перестал доходить до воды. Выходило, что насос качает воздух вхолостую!

На следующий день Саша подал в ящик воду так, чтобы ее слой был на 100 миллиметров выше уровня перфорации. Теперь, как только начинал подаваться воздух, вода поднималась. За 20 минут — на 5 сантиметров. Еще 20 минут работы насоса — еще 5 сантиметров. Ничтожная скорость? Нет, даже если бы это количество воды шло не вверх, под давлением воздуха, а вниз, под силой собственной тяжести, оно двигалось бы медленней.

Словом, в конце концов вода поднялась до чернозема и вошла в почву. А почему?

Этот вопрос сначала надо задать по поводу первого неудачного опыта. Почему он был неудачен?

Потому, что опыт проводился не на воздухе, а в сыром помещении: состояние и движение воздуха не могло не оказывать воздействия на подъем воды. Виноват и кварцевый песок. У него во многом иные свойства, чем у песка Кулунды, он иначе смачивается водой, состоит из мелких кристалликов, а тот — из маленьких неровных шариков.

Нашлись и другие «потому». Отверстия трубок не были защищены, как в опыте Саши, марлей и засорялись.

Но за вопросом: «Почему сначала не удалось?» надо ответить и на другой вопрос: «Почему удалось теперь?»

А с водой происходили очень интересные вещи. Прежде всего — уже чисто механическое давление воздуха заставляло воду подниматься. Но роль играло не только это. Воздух, попав под землю и под воду, стремился выбраться «на волю». В утрамбованном песке для него оставались только дороги по выводным капиллярам — канальцам в массе грунта. Пузырьки воздуха сломя голову кидались в эти ведущие вверх тоннели. И второпях прихватывали с собой капельки воды. Говоря точнее, нижние части этих самых капилляров были уже заняты водой. Пузырек — воздушный шарик — поднимаясь сам, толкал перед собой и эту воду — каналы были слишком узки, чтобы вода и воздух могли в них разойтись.

Газ служит для жидкости лифтом. Давным-давно этот эффект «эрлифта» (от английского «Эйр» — воздух) предложил использовать в нефтедобыче изобретатель В. Г. Шухов.

И опять же, это еще не вся правда.

До сих пор мы говорили об орошении подземными водами с помощью воздуха. А как насчет самого воздуха?

Еще со школьной скамьи мы знаем, что горячий воздух способен нести в себе гораздо больше влаги, чем холодный. Когда горячий воздух загоняется в землю, он охлаждается и отдает грунту избыток влаги, который не в силах удержать. Кроме того, по-видимому, должны иметь место еще какие-то сложные процессы обмена влагой между воздухом и почвой. Об этом говорят, кстати, опыты профессора Н. Холина из Всесоюзного научно-исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения. Он вводил в грунт воду непосредственно к корням растений. И пришел к выводу, что каждые 4–5 литров воды, введенных таким образом, «обращаются» в 10–11 литров, взятых почвой у воздуха.

Словом, вполне научно успех опыта был объяснен.

Ящик под зонтом отжил свой век. Задачу, поставленную перед ним, он выполнил. Но идее, во имя которой он родился, уже не дадут умереть.

В 1962 году началась полевая проверка ее на просторах самой Кулунды. Конечно, этот способ орошения будет здесь далеко не единственным.

Если рассказывать так подробно историю создания и проверок каждой модели, мне вряд ли удастся кончить эту книгу. В следующих двух историях о моделях постараюсь избежать биографических подробностей, касающихся их героев.

Итак, история вторая.

Потому, что вертится!

Средневековый мореплаватель деловито втолковывал юнге: магнитная стрелка тянется к Полярной звезде, как подсолнечник поворачивается к Солнцу. Это закон.

Сегодня нам известно, что упрямство компасной стрелки — одно из проявлений магнитного поля нашей планеты. А само магнитное поле проявление чего? Чем оно создано?

С тех пор, как Вильям Гильберт, один из самых блестящих физиков XVI века, объявил Землю большим магнитом, не прекращаются попытки найти объяснение этому бесспорному факту. Сам Гильберт считал, что Земля состоит из магнитного камня, вот потому-то…

И даже обосновал свое мнение. Чем? Ну, вы уже догадались. Разумеется, моделью. Сделал что-то вроде железного глобуса, намагнитил его. И миниатюрная магнитная стрелка повела себя в разных точках поверхности этого глобуса примерно так же, как стрелки больших корабельных компасов в соответствующих точках поверхности Земли. Опыт можно было считать удавшимся. Оппоненты Гильберта оказались повержены. Ведь в ту пору еще не знали точно, что далеко не все, верное для модели, оказывается верным и для ее прототипа.

Позднее предлагались гипотезы о том, что магнитное поле Земли появилось под воздействием магнитного поля Солнца или даже Галактики в целом. Но подсчеты показали, что в этом случае магнетизм Земли был бы несравненно слабее, чем это есть на самом деле.

За объяснением ученые обращались не только к космосу, но и к земным глубинам. Несколько интересных гипотез (одна из них принадлежит известному советскому физику Я. И. Френкелю) связывали магнитное поле Земли с движениями, течениями в массе ее жидкого металлического ядра. При таких движениях, по мнению ряда ученых, должны были возникать электрические токи, постепенно намагничивающие нашу планету. Моделью Земли в этом случае можно было бы назвать не только специально выполненный макет, но и обыкновенную динамо-машину. Одно из возражений в том, что эта гипотеза опирается на гипотезу же — состояние земного ядра неизвестно (многие ученые считают, что оно твердое).

Словом, гипотез было много. Вот почему с таким нетерпением ждали физики всего мира, что скажут по этому поводу наблюдения советского лунника. У Луны при ее небольшой массе и низком удельном весе не может быть того жидкого металлического ядра, на которое опираются гипотезы Френкеля и некоторых других ученых. Значит, если там не окажется магнитного поля, многое станет яснее. Надежды сбылись: Луна оказалась непохожей на Землю. Космос давал свою визу ядерным теориям магнетизма. (Кстати, заметьте: Луна выступала здесь как модель Земли.)

Все, казалось бы, стало на свое место. Но, увы, ненадолго. Одна космическая ракета временно успокоила физиков, а другая вновь внесла смятение в умы. У Венеры вопреки всем ожиданиям магнитное поле оказалось чрезвычайно слабым. (Правда, согласно измерениям голландских физиков, магнитное поле Венеры даже немного больше земного. Но мы здесь берем за основу сведения, полученные с помощью космических ракет.) Космос брал свою визу обратно.

Это уже выглядело непонятно. Сестра Земли, ее двойник, обладающий почти той же массой и, по-видимому, тем же строением (значит, таким же ядром), вдруг подвела ученых. В чем тут может быть дело?

Строение и масса у этих двух планет, насколько нам известно, должны быть сходными. A что, кроме величины магнитного поля, разное? Такое есть. Это скорость вращения вокруг своей оси: венерианские сутки в десятки раз длиннее земных.

И тогда — тогда вспомнили об одной гипотезе, которая была основательно забыта… Нет, пожалуй, не забыта, а заброшена. О ней если речь и заходила в последние годы в трудах по астрономии, то только мимоходом.

Начало ей, по-видимому, положил англичанин Шустер. В 1891 году, когда магнитное поле у Солнца еще только подозревалось (по форме его короны), этот ученый предложил выяснить: не является ли всякое вращающееся тело магнитом?

Годы отдал разработке этой гипотезы большой русский физик П. Н. Лебедев.

Он сделал попытку объяснить появление магнитного поля у вращающегося тела. Лебедев предполагал, что под влиянием центробежной силы отрицательные заряды (то есть электроны) в атомах несколько смещаются перпендикулярно к оси вращения.

В результате тело на поверхности оказывается заряженным отрицательно, что и вызывает появление магнитного поля.

Как проверить эту гипотезу? На сцене снова модель.

Кольцо диаметром в 6 сантиметров делало в опыте Лебедева до 35 тысяч оборотов в минуту. Но самый чувствительный по тем временам магнитометр не обнаружил появления магнитного поля.

Однако Лебедев закончил статью о своем эксперименте словами уверенности в том, что можно провести новые, более точные опыты, выдвинуть другие, более близкие к истине гипотезы.

В 1947 году по физическим журналам мира прошла статья англичанина П. М. С. Блэкета. Объясняя рождение магнитного поля, он не ссылался в ней на законы электродинамики и электростатики, на смещение зарядов в атоме и тому подобное. Он просто предположил, что появление магнитного поля вокруг вращающегося тела — новый закон природы. Казалось бы, это было отступлением перед трудностями. Ведь он попросту отказался объяснить явление, исходя из известных тогда физических законов.

Но в науке это очень смелый шаг. Лишь в редчайших случаях он бывает оправдан — тогда, когда происходят великие открытия.

Так, когда было экспериментально показано, что скорость света не зависит от скорости его источника, — это было новым научным фактом. Когда на основе его была построена специальная теория относительности, факт был, так сказать, возведен в ранг закона. Появление — вернее, познание — новых законов природы — вещь естественная. Если старые, известные законы не могут объяснить новых фактов, приходится искать новые законы.

Блэкет попытался дать формулу зависимости магнитного поля от вращения тел. В его распоряжении были данные о скорости вращения и магнитных полях трех небесных тел — одной планеты и двух звезд. Планета, конечно, Земля. Одна из звезд, разумеется, Солнце. А вторая? В том же 1947 году очень хитрым путем было измерено магнитное поле одного белого карлика, звезды Е 78 из созвездия Девы.

Магнитное поле тела характеризуется его магнитным моментом. Вращение тела, с учетом его размеров и массы, — угловым моментом. Так вот, уже давно было замечено, что магнитные моменты Земли и Солнца относятся друг к другу так же, как их угловые моменты. Белый карлик из созвездия Девы соблюдал эту пропорциональность.

И наконец, сам коэффициент пропорциональности — отношение магнитного момента тела к угловому — получался весьма привлекательным для ученого. Он был приблизительно равен корню квадратному из гравитационной постоянной (коэффициент в формуле ньютоновского закона всемирного тяготения), деленному на удвоенную скорость света.

Как хотите, а такие совпадения редко оказываются случайными. Тем более что магнитный момент Солнца больше магнитного момента Земли в несколько десятков миллионов, а магнитный момент звезды Е 78 — в десятки миллиардов раз! И точно та же пропорция соблюдается у угловых моментов.

Впрочем, точно та же — это не совсем верно. Отношения магнитного момента к угловому у Солнца и звезды Е 78 созвездия Девы почти равны, а у Земли — это отношение примерно вчетверо меньше.