Эффект инженера Ярковского
реклама
ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского Э АЯ РА ЕР НЕ ЕН ЖЕ О НЖ ИН ОГГО СККО ВС ЕККТТ И ОВ ФЕ ЭФ ФФ ЯРРККО В.Г. Сурдин Владимир Георгиевич Сурдин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга. Руководитель проекта 05-02-99108. Первую публикацию статьи см.: Природа. 2004. №11. С.91—96. В последнее время в связи с астероидной опасностью, грозящей нашей планете, астрономы все чаще используют новый термин — эффект Ярковского. В чем суть эффекта и кто такой сам Ярковский? Современные авторы по-разному называют его имя, специальность и даже национальность: «польский ученый», «русский инженер». Заинтересовавшись, я нашел труды и жизнеописание И.О. Ярковского и был очарован личностью этого самобытного человека, талантливого инженера и вдумчивого естествоиспытателя. Предсказанный им астрофизический эффект оказался востребован 100 лет спустя. Жизнь И.О. Ярковского Иван Осипович Ярковский родился в Витебской губернии, в местечке Освей, где отец его состоял домашним врачом у графа Шадурского. Ивану было три года, когда он потерял отца. Его мать, оставшись без средств, переселилась в Москву, где нашла место гувернантки. Начальное образование Иван получил в школе при Католической Петропавловской церкви в Москве и был принят на казенный счет в Московский Александринский сиротский кадетский корпус. С детства Иван Ярковский проявлял способности к математике и механике: еще в кадетском корпусе он изобрел дальномер, за что получил от Великого князя Михаила Николаевича золотые часы. По окончании Корпуса в 1862 г. Ярковский был отправлен прапорщиком артиллерии на Кавказ, где прослужил шесть лет. Все эти годы Иван Осипович страстно желал продолжить образование и хлопотал о поступлении в Военно-инженерную академию. Разумеется, молодому офицеру не хотелось оставлять военную службу, сулившую вполне обеспеченную жизнь. Однако хлопоты не увенчались успехом. Получив отказ, Ярковский пытается собственными силами пробить себе дорогу: едет в Петербург и поступает в Технологический институт. Оставшись без средств, он торопится с окончанием института и поступает на второй курс механического отделения. За время учебы перебивается случайными заработками вроде изготовления проектов, а также издает таблицу умножения до тысячи, которая в то время, при отсутствии счетных линеек и иных механических приборов, представляла немалое удобство при вычислениях. Весной 1869 г. Ярковский сдает все экзамены за первый и часть второго курса. Совет института разрешает ему держать осенью того же года остальные экзамены за второй и за весь третий курсы, что он и исполняет блестяще, и к началу учебного года становится уже стипендиатом четвертого курса. В 1870 г. он оканчивает институт технологом первого раз ряда и сразу же по поручению частной фирмы едет в Берлин, где знакомится с машиностроительными заводами. Осенью того же года он поступает на Киево-Брестскую железную дорогу обер-машинистом, а затем — начальником депо в Казатине. В 1872 г. Ярковский возвращается в Петербург, где в мае защищает диссертацию «Проект машины для водоснабжения и теоретическое исследование механизма», за что получает звание инженера-технолога и командировку за границу на год для знакомства с механическими заводами Германии, Бельгии и Франции. В 1873 г. Иван Осипович поступает на Московско-Брестскую железную дорогу, сначала в Минск на должность сборного мастера, затем переводится в Смоленск начальником депо, 1 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского наконец, в 1876 г., в Москву начальником вагонных мастерских. Здесь он прослужил около 20 лет, выполнив за этот период много технических и научных работ. Он устраивает особые печи, вводит нефтяное отопление и разрабатывает парообразователь оригинальной системы. Для сравнения смазочных масел Ярковский строит прибор, на котором попутно производит многочисленные опыты, изучая сопротивление воздуха движению крыльев. Он делает много интересных докладов в Московском отделении Императорского Русского технического общества и избирается председателем его механической группы. Не довольствуясь только технической деятельностью, Ярковский посвящает свой досуг научным вопросам. В 1887 г. он выдвигает «кинетическую гипотезу всемирного тяготения». В ней тяготению дается чисто механическое толкование: Ярковский полагал, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. Всем прочим физическим явлениям также дается «кинетическое» объяснение. Ярковский представлял эфир (гипотетическую среду, переносящую световые колебания) как вполне материальный газ из микроскопических твердых частиц. Атомы же химических элементов он считал значительно более крупными агрегатами эфирных частиц. Каждое физическое тело, по мысли Ярковского, постоянно поглощает частицы эфира, которые внутри него объединяются в химические элементы, увеличивая тем самым массу тела — таким образом, звезды и планеты растут. А эффект гравитации, как легко понять, сводится к простому экранированию: присутствие рядом с вами массивного тела, поглощающего поток эфирных частиц, вызывает асимметрию действующего на вас «эфирного давления», что и проявляется как притяжение к этому телу. Рис.1. И.О. Ярковский (1844—1902). Рис.2. Титульный лист второго (посмертного) издания книги Ярковского. В 1888 г. Ярковский (рис.1) издает на французском языке книгу с описанием своей идеи, но не пускает ее в продажу, а рассылает персонально ученым разных стран. Получив ответы и отзывы на книгу, Иван Осипович заканчивает разработку своей идеи и через год издает уже более обширный и полный труд (рис.2) по-русски под заглавием «Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза» [1]. Затем он выпускает «Новый взгляд на причины метеорологических явлений» (1891), «Строение материи и молекулярные силы» (1894) и несколько полемических брошюр в защиту своих идей. Последний его прижизненный труд — «Плотность светового эфира и оказываемое им сопротивление движению» (1901). 2 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского В 1893 г., направляясь в Америку, Ярковский перенес в океане несколько сильных бурь. Стоя на палубе и наблюдая громадные волны, он задался мыслью утилизировать их энергию для движения парохода, чтобы удешевить стоимость его пробега. Вернувшись из путешествия, Иван Осипович из готовил модель такого «волнохода», хорошо поясняющую полезное действие волн. Он предполагал также воспользоваться таким волноходом, укрепленным на якоре, для утилизации энергии волн и переработки ее в электрическую энергию. Из позднейших изобретений Ярковского представляет интерес его ротативная паровая машина весьма простой и оригинальной конструкции. В течение своей жизни Иван Осипович посвятил много времени и труда воздухоплаванию, в частности изучению подъемных винтов. Богато одаренный, обладавший живостью ума, Ярковский не мог по своей натуре отдаться чему-либо одному, да и обстоятельства его жизни не способствовали этому. Обязательные занятия, необходимые для содержания его многочисленной семьи, поглощали большую часть времени, и только досуг он посвящал побочным захватывающим его работам. В 1894 г. Иван Осипович оставляет службу на железной дороге и переезжает в Петербург управляющим Невским механическим заводом, а последние пять лет проводит в провинции, в Дятькове Орловской губернии, помощником управляющего заводами Мальцовского акционерного общества. В то время он продолжал свои научные труды, намереваясь издать их на русском, польском и немецком языках. Весной 1901 г. Иван Осипович занемог, врачи послали его за границу; несколько месяцев он провел в Верисгофене (Бавария), а затем в октябре его перевезли в Гейдельберг, где он скончался от саркомы 9 января 1902 г. и был похоронен. Спустя 10 лет сыновья Ярковского, оба ставшие инженерами, выпустили второе дополненное издание главной книги отца [2]. Идеи И.О. Ярковского Казалось бы, «не по чину» инженеру-путейцу публично высказываться по проблемам фундаментальной науки. Однако Ярковский во многих вопросах физики и химии демонстрирует глубокие знания и поразительную интуицию. Например, он был защитником идеи атомарного строения вещества, полемизируя в этом вопросе с самим Д.И. Менделеевым, тогда уже знаменитым автором периодического закона. Как известно, идею строения химических элементов из еще более фундаментальных частиц Менделеев называл «утопией». Приводя аргументы в пользу закона Дальтона (кратность весов всех элементов весу водорода), Ярковский замечает: «Я вынужден принять на себя странную роль — именно защищать периодический закон от несправедливых нападок его творца». Иван Осипович поддерживает идею превращения элементов. Он с одобрением цитирует лекцию В. Крукса «О происхождении химических элементов» (1886): «Идею о генезисе элементов весьма важно держать в уме: она дает некоторую форму нашим воззрениям и приучает ум искать физической причины происхождения атомов. Еще важнее при этом иметь в виду великую вероятность того, что существуют в природе такие лаборатории, где атомы формируются, и такие, где они перестают быть». Эту догадку Ярковский одевает в плоть своей гипотезы: «Великая лаборатория, о которой говорит Крукс, есть всякое тело больших размеров, плавающее в мировом пространстве. В нем элементы образуются из эфира» [1. C.221]. У современного астронома эти слова вызывают ассоциацию с массивными звездами, со сверхновыми. А «эфир»? Ну что же, сегодня теоретики «делают» Вселенную из вакуума, из квинтэссенции, из струн… Однако вернемся к работам Ярковского. Главной своей идеей он считал кинетическую гипотезу гравитации. Одним из ее следствий был эффект частичного экранирования тяготения: взаимное притяжение двух тел должно ослабляться, если между ними располагалось третье тело. Пытаясь проверить это опытным путем, Иван Осипович создал гравитоскоп (рис.3), чувствительный измеритель силы тяжести: «Я построил прибор, состоящий из рычага, короткое плечо которого было соединено со стальной пластинкой. Рычаг опирался на нож, 3 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского точно так же, как и соединяющая его короткое плечо, с пластинкою сережка была снабжена стальными ножами. Вес длинного плеча рычага, таким образом, уравновешивался упругостью стальной пластинки. Этот незамысловатый — даже скажу — грубый прибор оказался, однако, довольно чувствительным для того, чтоб убедить меня в изменяемости напряжения силы тяжести. Производя мои наблюдения в продолжение нескольких лет, и делая в день по пять-шесть отметок в определенные часы, для меня стало ясно и неопровержимо, что показания прибора изменяются» [1. С.110]. Рис.3. «Гравитоскоп» Ярковского — пружинный прибор для измерения силы тяжести. Ярковский пытался обнаружить эффект, связанный с суточным и годичным движением Земли, играющей роль экрана для наблюдателя на ее поверхности. При этом он старался учесть влияние иных причин: вместе с показаниями гравитоскопа фиксировал температуру и давление воздуха. Заметив регулярные вариации силы тяжести, Ярковский не спешил с выводами: «Для меня лично опыты мои были вполне убедительны и не оставили во мне ни малейшего сомнения в том, что сила тяжести не представляет собой чего либо постоянного; но для того, чтобы подобное суждение было принято наукой, нужны, конечно, новые, более точно обставленные опыты, притом не одного человека, а нескольких компетентных лиц, и с более точными приборами. Я буду вполне вознагражден, если мое настоящее заявление побудит к производству этих опытов» [1. С.111]. И побудило: такие опыты проводились весь XX в. как профессиональными учеными, так и любителями. Справедливость своей теории Ярковский пытался проверить и во время полного солнечного затмения 7 августа 1887 г., когда роль гравитационного экрана играла Луна: «Я отправился в местность близ Москвы, где фаза полного затмения продолжалась около 30 с (деревня Владыкино), захватив с собой термометр, барометр и мой прибор. По всем трем приборам я делал отметки каждые 5 мин. Как известно, окрестности Москвы в это утро были покрыты густым, совершенно непроницаемым туманом. Во все время затмения ни термометр, ни барометр не показали ровно ни малейшего изменения <…>. Совершенно другое показал мне мой прибор. С момента первого контакта рычаг прибора, находившийся до тех пор в абсолютном покое, начал пони жаться; по мере надвигания Луны на Солнце опускание продолжалось все более и более и достигло своего maximum’а 8 мин спустя после полного затмения, после чего рычаг стал подниматься <…>. Такое показание убедило меня окончательно, что изменение показаний рычага не есть результат изменения ни температуры, ни барометрического давления» [2. С.112]. Вероятно, этот последний опыт убедил Ярковского в необходимости опубликовать его теорию гравитации. Она относится к тем механистическим моделям тяготения, которые были порождены в XIX в. успехами кинетической теории газов. На определенном этапе такие модели стали весьма популярны, в их разработке принимали участие корифеи теоретической физики — Дж. Максвелл, А. Пуанкаре и др. Упорные попытки создать на смену феноменоло4 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского гической модели И. Ньютона более наглядную «физическую» модель гравитации продолжались и в начале XX в. В конце концов, это направление было признано тупиковым, и физики более к нему не обращались [3]. Казалось бы, идеи Ярковского уже принадлежат истории. Но это далеко не так: одна из идей российского инженера оказалась сегодня востребована наукой. Речь идет о так называемом «эффекте Ярковского». Иван Осипович пришел к этой идее в поисках ответа на вопрос: «Почему движение планет не тормозится сопротивлением эфира?». Само существование светоносного эфира Ярковский не подвергал сомнению, как и большинство физиков той эпохи. Но, как человек технического склада, он не разделял точку зрения сторонников нематериальной среды, переносящей свет и при этом не участвующей в механических взаимодействиях. Ярковский считал эфир тонкой, но вполне ощутимой средой, состоящей из микроскопических частиц и тормозящих движение погруженных в него тел: «Если эфир есть материальный газ, то, как бы он ни был упруг и тонок, все же он должен оказывать известное сопротивление движению <…>. Между тем, одна из точных наук, астрономия, доказывает нам неопровержимо, что подобного замедления в движении небесных тел совершенно не замечается» [1. С.249]. Наглядный пример равномерного движения при наличии сопротивления среды инженер Ярковский находит… на речном фарватере: «Положим, вы смотрите на быстро двигающийся по воде пароход. Вы видите, что он идет совершенно равномерно, вы не замечаете никакого замедления в его движении; разве вы вправе из этого заключить, что пароход не встречает никакого сопротивления? Нет, подобного заключения вы и не сделаете, потому что знаете, что в пароходе имеется паровая машина, работа которой идет на постоянное преодоление этого сопротивления. Но нет ли подобной машины и в каждой из планет? Нетрудно убедиться, что в каждой планете существует двигатель, работа которого тратится постоянно на преодоление сопротивления эфира поступательному движению планеты. Я скажу более, двигатель этот есть калорическая машина, построенная по всем правилам механики, и в которой источником теплоты служат лучи солнца» (рис.4). Далее Иван Осипович объясняет суть эффекта. Взаимодействие планеты с окружающим ее эфиром подобно взаимодействию пористого тела с окружающим его газом: частицы газа, проникшие в поры тела, при низкой температуре адсорбируются веществом, но при высокой могут освободиться и покинуть тело. По мнению Ярковского, планета поглощает эфир, который в ее недрах частично превращается в химические элементы, а частично — покидает планету. Чем выше температура поверхности планеты в данном месте, тем интенсивнее частицы эфира устремляются наружу, создавая эффект отдачи. Если планета не имеет суточного вращения, то наиболее теплой является полуденная часть ее шара; в этом случае эффект отдачи действует вдоль линии притяжения к Солнцу, немного ослабляя его. Сегодня мы назвали бы это «давлением солнечного света». Но вспомним: П.Н. Лебедев доказал опытным путем давление света на твердые тела лишь в 1899 г., а на газы — в 1907 г. По этому Ярковский в своих рассуждениях вполне оригинален. Наиболее остроумная его догадка касается вращающейся планеты: суточное движение переносит нагретый участок поверхности к вечерней стороне шара, следовательно, эффект отдачи будет сильнее всего именно там и станет подталкивать планету вдоль орбиты в направлении утреннего терминатора. В конце XIX в. данные астрономии указывали, что все планеты, исключая Уран, движутся утренним терминатором вперед. Значит, указанный эффект будет противодействовать сопротивлению эфира. «Итак, — заключает Ярковский, — двигатель планет — это солнечные лучи» (рис.5). 5 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского Рис.4. Рисунок Ярковского, поясняющий предсказанный им термомеханический эффект. Рис.5. Эффект Ярковского в современной трактовке, в терминах механической реакции теплового излучения. Многое изменилось за прошедшие 100 лет в наших представлениях о свете. Сегодня мы уже не нуждаемся в эфире, чтобы описывать распространение света и перенос им импульса. Это свойство электромагнитных колебаний следует из волновых уравнений Максвелла, который и сам отдал немало сил изучению гипотезы эфира. Теория квантов сделала световое давление вполне «ощутимым» на уровне здравого смысла. Эфира нет. Казалось бы, это лишает оснований все рассуждения Ярковского. Однако подмеченный российским инженером небесно-механический эффект все же имеет место и играет роль в жизни планетной системы. Эффект Ярковского в действии Почему эффект Ярковского астрономы игнорировали в своих расчетах почти 100 лет? Да потому, что он слаб. Простая оценка показывает, что даже если космическое тело переизлучает в ИК-диапазоне весь падающий на него солнечный свет в одном, наиболее благоприятном направлении, то и за миллиард лет этот «фотонный двигатель» сможет существенно изменить орбиту лишь сравнительно небольшого тела, размером не более 10 км. В Солнечной системе такие тела известны — это ядра комет и астероиды. Но на движение ледяных ядер комет значительно сильнее влияет испускание ими газов, так что остаются мелкие астероиды. С астероидами километрового размера астрономы познакомились недавно, когда стали использовать для их поиска крупные телескопы и обнаружили, что такие астероиды порою весьма тесно сближаются с Землей. Три семейства малых планет представляют для нашей планеты потенциальную опасность: это астероиды группы Амура, заходящие внутрь орбиты Марса, группы Аполлона, пересекающие орбиту Земли, и группы Атона, чьи орбиты целиком лежат внутри орбиты Земли. Астрономы поставили перед собой цель выявить все потенциально опасные астероиды и с высокой точностью прогнозировать их движение. А для этого важен учет даже слабых эффектов. Тут и вспомнили про Ярковского. Точнее будет сказать — взяли на вооружение, поскольку окончательно об этой идее никогда не забывали: в 1951 г. ее обсуждал эстонский астроном Эрнст Эпик (1893—1985), выпускник Московского университета, работавший в обсерваториях Москвы, Ташкента, Тарту и Гарварда, а после 1944 г. обосновавшийся в обсерватории Арма в Северной Ирландии. Эпик был чрезвычайно разносторонний ученый, поэтому не удивляет его знакомство с малоизвестной идеей в области небесной механики. А год спустя вышла статья В.В. Радзиевского (1911—2003), работавшего тогда в Ярославле и, возможно, не знакомого с публикациями Яр6 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского ковского и Эпика, но подробно изучившего сам эффект и показавшего его существенное влияние на астероиды размером в сотни метров [4]. По-настоящему эффект Ярковского привлек внимание астрономов уже в космическую эпоху, в связи с исследованием движения искусственных спутников Земли. Эти легкие и малоплотные искусственные планеты подвержены многим негравитационным эффектам — торможению в верхних слоях атмосферы, давлению солнечного света, влиянию магнитного поля и, как выяснилось, эффекту Ярковского. В 1987 г. Дэвид Рубинкам из Центра космических полетов им. Годдарда (НАСА) отметил, что этот эффект имеет две составляющих — суточную и годичную, если считать «годом» орбитальный период тела. Суточный эффект вызван различием температуры утреннего и вечернего полушарий планеты, а годичный — разницей температуры летнего и зимнего ее полушарий. Ярковский писал только о суточном эффекте, который может быть сильно ослаблен быстрым вращением планеты, сглаживающим перепад температуры от дня к ночи. Но на годичный эффект это не влияет; он возникает в том случае, если ось вращения планеты наклонена к оси ее орбиты (как у Земли), что приводит к попеременному, на пол года, повышению температуры одного из полушарий. Если планета движется летним полушарием вперед, то «сила Ярковского» тормозит ее движение; если же зимним полушарием вперед, то ускоряет. Астрономы знакомы с еще одним динамическим эффектом излучения, тормозящим движение тел. Это эффект Пойнтинга—Робертсона, т.е. давление солнечного света, которое по причине аберрации всегда направлено чуть-чуть «в лоб» движущемуся объекту. Хотя в целом он значительно слабее эффекта Ярковского, но зато действует на все тела без исключения, тогда как эффект Ярковского не возникает у невращающихся тел, у быстро вращающихся вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты, а также у маленьких, одно родно прогретых тел. Поэтому эффект Пойнтинга-Робертсона важен для мелких космических пылинок, а эффект Ярковского — для более крупных камней. В последние годы астрономы активно исследуют влияние эффекта Ярковского на движение астероидов. Они отмечают, что опасность для Земли представляют не только астероиды групп Амура, Аполлона и Атона. Оказывается, в Главном поясе астероидов, между орбитами Юпитера и Марса, движение отнюдь не всех малых планет происходит стабильно. Там есть узкие зоны, попав в которые, малая планета начинает двигаться хаотически и может быть выброшена притяжением Юпитера или даже Марса в произвольном направлении. Расчеты показали, что «дрейф Ярковского» достаточно велик, чтобы смещать мелкие астероиды из зон устойчивых орбит в зоны хаоса, откуда некоторые из них могут вылетать в сторону Земли. Таким образом, эффект Ярковского увеличивает потенциальную угрозу нашей цивилизации. Но самое любопытное, что для защиты от астероидов предлагается использовать… все тот же эффект Ярковского! Отклонять небольшие, но опасные астероиды подальше от Земли теоретически возможно, если каким-либо способом изменить отражательные свойства их поверхности и тем самым усилить или ослабить эффект Ярковского. Выключить эффект можно, покрасив поверхность астероида в белый цвет, а усилить — с помощью черной краски. Правда, быстрого результата от этого ждать не приходится: орбита даже небольшого астероида отклонится от точки встречи с Землей лишь спустя десятилетия. Поэтому защитные меры в расчете на эффект Ярковского нужно принимать заранее. И все же это гораздо лучше, чем пытаться разрушить опасный астероид ядерными зарядами, отчего он может превратиться в облако мелких осколков, еще более смертоносное для Земли [5]. Знакомство с жизнью и работами Ивана Осиповича Ярковского оказалось для меня весьма поучительным. Я еще раз увидел, сколь высок был культурный уровень дореволюционного российского инженера, сколь привлекательна фундаментальная наука для специалистов технического профиля и, наконец, сколь ошибочен обывательский взгляд на науку как на цепь революционных переходов от одной теории к другой. Наука — это, прежде всего, пре7 ФИЗИКА Эффект инженера Ярковского емственность; это процесс, в котором ни одна хорошая идея не исчезает бесследно, на какой бы почве она ни произрастала. ЛИТЕРАТУРА 1 Ярковский И.О. Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза. М., 1889. 2 Ярковский И.О. Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза и вытекающие из нее следствия в области физики, химии, геологии, метеорологии и космогонии. СПб., 1912. 3 Визгин В.П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование. 1900— 1915 гг.). М., 1981. 4 Радзиевский В.В. О влиянии анизотропности переизлучения солнечной радиации на орбитальное движение астероидов и метеоритов // Астрономический журнал. 1952. Т.29. Вып.2. С.162—170. 5 Плотников П.В., Шуршалов Л.В. Чем чреват град из космоса? // Природа. 2001. №5. С.11. 8
