Паровая машина, электросварка, светодиоды и лазер! Как великие русские ученые обеспечили миру прорыв в научной сфере

Не обращая внимания на смех ценителей западной культуры и науки, «Ваши Новости» продолжают цикл публикаций, посвященный русским поэтам и волшебникам инженерной и научной мысли. Да, мы счастливы прославлять изобретателей, подаривших миру то, что казалось немыслимым: таблицу химических элементов, лазер, тепловой двигатель и неевклидову геометрию.

Иван Ползунов (1728–1766)

Ученик знаменитой арифметической школы Василия Татищева (основал Пермь, Тольятти и Екатеринбург) и сын отставного солдата Иван Ползунов после школы учился на одном из уральских заводов, после чего занимался документацией на Колывано-Воскресенских заводах Алтая. Там инженерный талант и начал коваться в душе Ползунова. Он изучал кучу книг по металлургии, создал проект «вододействующей лесопилки», затем перешел к штудированию трудов Михаила Ломоносова и в 1763 году представил руководству завода проект «огненной машины», чтобы заменить водные процессы производства. Аппарат заметно отличался от иностранных аналогов: имел два цилиндра и мог подавать дутье в печи и откачивать воду. После премии от императрицы Екатерины II в 400 рублей за уникальное изобретение Ползунова произвели в «механикуса с чином и званием инженерного капитан-поручика».

Вдохновленный прорывом конструктор начал готовить новый проект, более монументальный – в 15 раз мощнее предыдущего. Через год с небольшим он собрал машину высотой 18,5 метра, некоторые детали которой были под три тонны. Пришлось создавать и новые сопутствующие инструменты, в том числе специальный токарный станок. Не дожив до запуска первой паровой машины в России, ученый умер от чахотки, которую тогда толком не лечили. Агрегат запустили в работу в августе 1766 года.

Василий Петров (1761–1834)

Сын священника одной из церквей города Обояни (Курская губерния) отучился в Учительской семинарии Петербурга, где особенно увлекся математикой и физикой под руководством Петра Гиляровского (племянника Михаила Ломоносова, на минуточку). Что интересно, в молодости Петров устроился в училище, «состоящее при Колывано-Воскресенских горных заводах» на Алтае – тех самых, где проходил практику Иван Ползунов, изобретатель паровой машины (см. выше). Как и коллега, Петров приобрел богатый опыт на предприятии, начал заниматься физическими экспериментами, а по возвращению в Петербург стал преподавать в военных и медицинских училищах – в том числе в Главном хирургическом госпитале, который в 1795 году стал Санкт-Петербургской медико-хирургической академией. Там Василий Владимирович и стал профессором («с жалованием по 800 рублей и квартирных 200 рублей»), после чего начал изучать теорию электричества. Лично переводил труды итальянского физика Алессандро Вольта и скрупулезно изучал их. А затем начал анализировать работу приборов, построенных по принципу вольтова столба – гальванической батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных элементов. Проводил эксперименты различными материалами пластин и вариантами электролитов и задумал создать мощнейший источник электричества. В 1802 году на деньги медицинской академии Петров начал создание самой большой гальванической батареи. Основными элементами стали 4 200 медных и цинковых дисков размером 35 миллиметров. В качестве электролита использовался нашатырный спирт.

«Огромная наипаче батарея, состоявшая иногда из 4 200 медных и цинковых кружков», была самым крупным в мире на тот момент электрогенератором, давшим энергию с напряжением до 1 700 вольт. Так и появилась электрическая дуга, которую теперь показывают в каждой школе на уроке физики. Изобретение Петрова газеты описывали как «весьма яркий белого цвета свет или пламя», возникающее при прохождении электрического тока через два угольных электрода, находящихся на близком расстоянии друг от друга. Что это дало? Электросварку, лампу дневного света, электрический запал, а еще старт развитию электрометаллургии и радиосвязи.

Николай Лобачевский (1792–1856)

Портрет того, на кого немного смахивает создатель «ВКонтакте» Павел Дуров, гарантированно висел во всех школьных кабинетах математики. Все потому, что Николай Лобачевский, которого считали Коперником геометрии, придумал сенсационный и научно обоснованный взгляд на математическое измерение. Предпосылки для этого были. Родившийся в семье мелкого чиновника в Нижнем Новгороде мальчик после переезда в Казань учился у Григория Карташевского – видного педагога и воспитанника Московского университета. Сейчас в 18 лет мальчики только оканчивают школу и вместе с родителями празднуют выпускной. Регулярно попадающий на «черную доску» Лобачевский, бунтарь и упрямец, уже в 19 лет получил степень магистра по физике и математике с отличием и был оставлен при Казанском университете. В 1822 году он стал ординарным профессором, еще через пять лет – ректором вуза. В 30 лет. Феноменально. Увлекаясь изучением астрономии, солнечных затмений и прочих природных явлений, он открыл обсерваторию. А затем «улетел» в мир геометрии, разорвав оковы тысячелетней традиции. События связаны неразрывно, потому что именно Лобачевский стал использовать данные астрономических наблюдений (параллаксы звезд), чтобы установить свойства пространства и времени и решить, какая из двух геометрий – классическая евклидова или созданная им неевклидова (изложена в трудах «О началах геометрии», «Воображаемая геометрия» и др.), – соответствует реальным условиям в физическом пространстве.

Он пересмотрел хрестоматийные представления о геометрии времен Евклида (3 век до н. э.) и, преодолев издевательства коллег («сатира на геометрию») и обвинения во фрондерстве, придумал собственную гиперболическую геометрию, так и названную в его честь. Совершил переворот в представлении о природе пространства: если на плоскости взять прямую и точку вне ее, то через эту точку по Евклиду проходит только одна прямая, не пересекающаяся с ней, а у Лобачевского есть по крайней мере две прямые, не пересекающие данную. Это не была геометрия 3D, как многие думают, и гипотез о параллельных прямых, которые пересекаются, там нет (это миф), но именно Лобачевский доказал, что наша, «земная геометрия» – не абсолют, а одна из разновидностей геометрии. То же самое в свое время говорил про другие планеты Николай Коперник, учение которого поначалу принимали за условность.

Дмитрий Менделеев (1834–1907)

Мало кто не слышал фамилию этого ученого. И в России, и за рубежом Дмитрий Иванович Менделеев, заросший бородатый мужчина, больше похожий на бездомного, котируется как великий химик, подаривший миру периодическую таблицу химических элементов, водку (опосредованно – защитил докторскую диссертацию «О соединении спирта с водой»), пикнометр и бездымный порох, метеорологические условия и много чего интересного. Байка про сон с периодической системой – то, что ученый с яростью отвергал еще при жизни («Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово»). Нет, это был плод многослойного титанического труда, который Дмитрий Иванович прицельно вел несколько лет.

А зарождалось все в Тобольске – где маленький Дима родился в семье семнадцатым и последним ребенком. Окончил Тобольскую гимназию и отделение естественных наук физико-математического факультета Главного педагогического института в Санкт-Петербурге, где учился его отец, после чего служил учителем в одесском лицее, читал лекции, успешно защитил кандидатскую диссертацию по химии, стал приват-доцентом в Императорском университете в Петербурге, а затем проходил научную практику в Германии. Вооружившись знаниями до зубов, Менделеев выдал целую очередь из научных трудов (более 400) по химии, физике, географии, экономике и другим наукам. Леонардо да Винчи был бы горд коллегой, который славился многозадачностью. А работу над той самой таблицей химических элементов, по которой живет весь мир, Дмитрий Иванович начал во время работы над курсом лекций по химии. К середине XIX века были открыты 63 химических элемента, но попытки найти закономерности в этом наборе были безрезультатными.

Ученый, словно детектив, часами раскладывал карточки с названиями элементов, пока не обнаружил искомую закономерность между отдельными группами и семействами элементов, расположив все элементы в порядке возрастания атомной массы.

Суть открытия в том, что с ростом атомной массы химические свойства элементов меняются не монотонно, а периодически. И даже начинают повторяться. Весной 1869 года он завершил таблицу, в 1871 году объединил идеи в периодический закон. Это и стало основой для изучения и развития химии. А что если бы родители Менделеева решили остановиться на шестнадцати детишках?!

Олег Лосев (1903–1942)

Этот советский изобретатель перевел электронику с ламп на полупроводники, что тоже стало революционным прорывом. Все началось в Твери, где школьник Олег Лосев услышал вдохновенную лекцию начальника местной радиостанции Владимира Лещинского про достижения в радиотехнике. Так парень увлекся электроникой и в 1920 году начал первые опыты и исследования в Нижегородской радиолаборатории, где под руководством физика Владимира Лебединского занимался изучением самых ненадежных и самых капризных элементов безламповых приемников – кристаллических детекторов. Лосев придумывал, как усовершенствовать их, и выявил способность минерала цинкита усиливать слабые радиосигналы и возбуждать незатухающие колебания. Это стало открытием: изобретатель установил фундаментальную закономерность: генерацию или усиление сигнала с помощью двухэлектродного прибора можно получить, только если он обладает «отрицательным сопротивлением», то есть напряжение растет, а сила тока, наоборот, падает. Подобное наблюдалось только в электрической дуге (см. выше). Детектор из цинкита позволил и принимать радиосигналы на больших расстояниях, и передавать их. Прорыв лег в основу изобретения радиоприемника, который Лосев создал в 1922 году и назвал «кристадином».

Зарубежные научные журналы называли это «сенсационным изобретением», а девятнадцатилетнего ученого – «профессором». Он же впоследствии провел первое в мире систематические исследование электролюминесценции полупроводников и зарегистрировал авторское свидетельство на «световое реле» (1929), описывающее светодиод и его возможности для передачи информации. На полупроводниках сегодня работает вся электронная техника, начиная от смартфона и телевизора, заканчивая оборудованием космических кораблей.

Александр Прохоров (1916–2002) и Николай Басов (1922–2001)

Первый лазер изобрели не злые гении вселенной Марвел и даже не инженер Гарин с гиперболоидом, а… опять же советские ученые. За что, кстати, получили Нобелевскую премию. А ведь вместо лазера могло быть исследование кенгуру или коал. Ведь Саша Прохоров, сын петербургского революционера, родился 11 июля 1916 года в Атертоне (Австралия), куда эмигрировали его родители в смутные времена. Вернулись Прохоровы, как в той песне, уже в Ленинград, где Саша поступил на рабфак, а затем и физфак ЛГУ. После выпуска Прохоров решил совершенствовать знания в Физическом институте Академии наук в Москве – под руководством Леонида Мандельштама, известного физика и основателя научной школы радиофизики. Там к началу Великой Отечественной молодой ученый успел собрать точный дальномер на основе фазового радиоприемника. Затем ушел на войну, был ранен, демобилизован с медалью «За отвагу» и вернулся в ФИАН, где начал активно работать с синхротронами (ускоритель заряженных частиц).

Примерно в это время к разработкам Прохорова присоединился Николай Басов – ученый волк из Тамбовской губернии (город Усмань), занимавшийся квантовой электроникой. Как хохмили в научной среде, Прохоров «обменял синхротрон на Басова», поскольку ему в лаборатории нужна была мощная боевая единица. Развив предсказанное Эйнштейном в 1916 году явление индуцированного излучения, советские ученые в мае 1952 года на Всесоюзной конференции по спектроскопии заговорили о реальной возможности создать устройство, выдающее микроволновое излучение за счет вынужденного излучения молекул. Великий физик Лев Ландау потешался над этой идеей. Однако в 1958 году Прохоров представил открытый резонатор: систему, созданную совокупностью зеркал, в которой могут возбуждаться и поддерживаться слабо затухающие электромагнитные колебания с излучением в свободное пространство.

Это легло в основу развития лазерной физики – сейчас все лазеры работают на открытых резонаторах. Потом Прохоров и Басов придумали новый метод генерации и усиления электромагнитных волн, в том же году был запущен первый газовый (неон-гелиевый) лазер, а в 1962 году – полупроводниковый. В 1964 году Николаю Басову, Александру Прохорову и их американскому коллеге Чарльзу Таунсу (практически одновременно с нашими учеными мазер, то есть молекулярный лазер, был создан в Колумбийском университете США) была присуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазеров и мазеров».