Annotation
Большой и увлекательный, научно-прикладной, образовательный, некоммерческий интернет-журнал, созданный группой энтузиастов. Журнал содержит материалы, найденные в Интернет или написанные для Интернет. Основная тематика статей — то, что можно сделать самому, от садовых поделок до сверхпроводников, но есть и просто полезные материалы.
Журнал «Домашняя лаборатория»
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ
Призрак казненного инженера
ЛИКБЕЗ
Пять нерешенных проблем науки
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Глава 6
ТЕХНОЛОГИИ
Домашнее виноделие
Технология приготовления вина в домашних условиях
Вино из винограда
Типы домашних вин
Приложения
ЛИТЕРАТУРНЫЕ СТРАНИЦЫ
Рог изобилия
ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
Размышления на вечную тему (переработка домашнего мусора)
ГИПОТЕЗА
Охота на шаровую молнию
ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Подборка статей
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ
Расчет дополнительных погрешностей каналов ИИС АСУТИ
КОМПЬЮТЕР
Операции под MS Windows
notes
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
Журнал «Домашняя лаборатория»
2007, № 11
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ
Призрак казненного инженера
Лорен Р. Грэхэм
Пролог
Эта книга представляет собой попытку объяснить, почему Советский Союз не стал передовой индустриальной страной. Она открывается историей жизни замечательного русского инженера Петра Пальчинского, который ясно видел ошибки, сопровождавшие первые годы советской индустриализации, и пытался исправить их. Эта история служит параболой для второй части книги, посвященной анализу отношения к промышленности и технике в Советском Союзе в течение шестидесяти лет после гибели Пальчинского, чья критика дурного использования техники и разбазаривания человеческих сил оставалась злободневной все это время, как будто его призрак продолжал витать над страной вплоть до ее ликвидации в конце 1991 года.
В обе части книги вплетена история моих собственных, продолжавшихся более тридцати лет, попыток раскрыть тайну Пальчинского и его роль в индустриализации Советского Союза. Почти в каждом учебнике советской истории упоминается процесс Промышленной партии 1930 года — судилище над большой группой ведущих российских инженеров. Лишь немногие из этих учебных пособий, однако, содержат какие бы то ни было сведения о человеке, якобы возглавлявшем Промышленную партию, — Петре Пальчинском. Я впервые услышал его имя в период своей аспирантской стажировки в Московском университете в 1960–1961 годах. В силу скрытности советской системы мои начальные попытки разузнать побольше об этом человеке оказались тщетными. Соответствующие архивы были закрыты, причем не только для меня, но и для всех прочих исследователей, в том числе советских. Тем не менее, начиная с 60-х годов я вел «досье» на Пальчинского, внося туда крупицы информации, которые время от времени удавалось добыть. Еще задолго до того, как открылся доступ к архивам, в этой работе бывали свои маленькие достижения — моменты, когда мне случалось узнать что-либо о Пальчинском во время частых поездок в СССР, которые, кстати сказать, давали мне немало возможностей заметить несостоятельность советской техники, иначе говоря — ее неспособность служить интересам народа этой страны.
Важное открытие имело место в начале 80-х годов, когда коллега Шейла Фицпатрик, знавшая о том, что я интересуюсь советскими инженерами, сообщила мне, что в Институте научной информации по общественным наукам (ИНИОН) Академии наук СССР имеется экземпляр секретного доклада «органов», посвященного Промышленной партии. Трудности, с которыми я столкнулся в процессе получения этого материала, дают представление о препятствиях, встававших на пути исследователя в условиях советского режима.
Начнем с того, что сама по себе находка подобного доклада среди общедоступных материалов советской библиотеки была крайне маловероятным событием. Как правило, секретные материалы помещались в «спецхраны» советских библиотек, и сведения о них даже не вносились в каталоги для общего пользования. При этом понятие «секретные материалы» трактовалось в Советском Союзе в русле дошедшей до крайности «ограничительной практики». К примеру, мои собственные книги не были внесены в каталог Библиотеки имени Ленина— крупнейшей библиотеки в СССР, — хотя они представляли собой не более чем научные монографии, посвященные довольно узкому кругу вопросов. Не было никакой надежды найти в публичных библиотеках сочинения таких всем известных «врагов» советского строя, как Николай Бухарин или Лев Троцкий. (У меня захватило дух, когда однажды, в 70-е годы, в библиографическом каталоге Ленинской библиотеки мне на глаза попалась карточка с надписью «Л. Троцкий». Сей Троцкий, увы, оказался инженером-автомобилестроителем, специалистом по проектированию тормозов.)
Библиотека ИНИОНа открыта только для исследователей, связанных с Академией наук. Положение участника официальной программы советско-американского академического обмена позволило мне получить туда пропуск. Эта библиотека отличается от всех остальных библиотек Советского Союза, в которых мне доводилось работать: здесь чище, светлее, и царит более свободная обстановка. К своему удивлению, я обнаружил, что в каталог внесены две мои книги, а также ряд других работ западных авторов, посвященных изучению России и Советского Союза. Даже некоторые сочинения Бухарина и Троцкого были каталогизированы. Собрание же материалов, относящихся к 1920-м годам, оказалось здесь гораздо богаче того, что было представлено в открытом каталоге Ленинской библиотеки.
Сравнительно неортодоксальный характер коллекции ИНИОНа имеет интересную историю. Ядро этой коллекции составляет библиотека Коммунистической академии 20-х годов — объединения марксистских ученых, процветавшего в ту пору, пока интеллектуальная жизнь в Советском Союзе еще не была зажата в тиски сталинизма. Статьи этих ученых в журнале Коммунистической академии нередко выражали взгляды, которые впоследствии были преданы осуждению. Поэтому коллекция, в основу которой легли их сочинения, не могла не отличаться от типичной советской библиотеки более выраженной политической пестротой.
Просматривая картотеку под рубрикой «Промышленная партия», я вскоре нашел ссылку на служебный доклад об инженерах старой выучки, подготовленный ОГПУ (предшественником КГБ). Доклад был подготовлен для членов Центрального комитета Коммунистической партии к ее XVI съезду, который состоялся с 26 июня по 13 июля 1930 года — за несколько месяцев до процесса Промышленной партии. Достаточно было и беглого взгляда на текст доклада, чтобы убедиться в его секретности. Я хотел заказать для себя фотокопию всего документа, однако опасался, что мне откажут в этой просьбе и вдобавок отберут оригинал. Поэтому я начал с того, что сделал обширные выписки из доклада, а уже потом отнес его в отдел фотокопирования ИНИОНа, молодая заведующая которого — назовем ее «Нина Смирнова» — знала меня. К моей радости, она приняла заказ на копирование, не взглянув на название документа и не задавая никаких вопросов. Примерно через неделю я забрал готовый микрофильм и немедленно отослал его в США через почтовый отдел американского посольства, после чего продолжил делать выписки из оригинала, уверенный в том, что этот ценный документ уже не будет для меня потерян.
Мои первоначальные опасения подтвердились, когда день или два спустя Нина Смирнова разыскала меня в читальном зале и потребовала вернуть доклад. Я отдал ей оригинал, а по поводу копии сообщил, что она уже отослана домой. Смирнова очень разволновалась и сказала, что партийная организация ИНИОНа узнала о характере моей работы и запретила мне доступ к неопубликованным материалам. Она попросила меня никому не говорить, что я послал копию секретного доклада советских «органов» в Соединенные Штаты. Я ответил, что мне кажется странным такое беспокойство по поводу события, имевшего место более пятидесяти лет тому назад, а также заметил, что доклад был внесен в каталог общего пользования ИНИОНа, и, следовательно, я не совершил никакого нарушения «В открытом каталоге его уже нет», — сказала Смирнова. Я выразил надежду, что у нее не будет неприятностей из-за моей работы. Она ответила, что, если я буду держать язык за зубами, у нее будет все в порядке. В итоге мы расстались по-хорошему.
Вернувшись к каталогу, я попытался снова найти ссылку на доклад. Соответствующая карточка исчезла, однако на дне ящика обнаружилась предательская полоска картона, свидетельствовавшая о том, что карточка была попросту вырвана.
Препятствия, созданные советской системой на пути моих изысканий, начали разрушаться в конце 80-х годов. По мере того, как в мои руки стало попадать все больше и больше сведений о Пальчинском, я начал осознавать, что идеи этого человека пережили не только его собственную физическую смерть, но и Советский Союз как таковой. Призрак Пальчинского открыл мне глаза на несостоятельность советской техники и помог осознать, какую колоссальную цену взыскала с народа Советского Союза индустриализация страны.
Глава 1
РАДИКАЛЬНЫЙ ИНЖЕНЕР
Холодной апрельской ночью 1928 года агенты сталинских секретных «органов» постучались в дверь ленинградской квартиры Пальчинских. Когда 54-летний инженер Петр Пальчинский вышел к ним, ему объявили, что он арестован. Агенты обыскали квартиру Пальчинского и обнаружили огромное количество личных документов, относящихся к его более чем тридцатилетней деятельности в качестве инженера. Уводя Пальчинского, они приказали его жене Нине Александровне сложить бумаги мужа в мешки и доставить их в участок. Более года после этой ночи она не имела никаких сведений о судьбе своего мужа, — до тех пор, пока 24 мая 1929 года в газете «Известия» не появилось короткое и ужасное сообщение. Нина Александровна прочла, что ее муж возглавлял антисоветский заговор с целью свержения правительства и восстановления капитализма и, признанный виновным в государственной измене без всякого судебного разбирательства, был расстрелян немедленно по вынесении приговора [1].
Много лет спустя арест и гибель Пальчинского были кратко упомянуты Александром Солженицыным в «Архипелаге ГУЛАГ». По словам Солженицына, бумаги этого выдающегося инженера попали в «пасть» ОГПУ и исчезли «навсегда, без возврата» [2]. Действительно, вплоть до наших дней о Пальчинском было мало что известно, хотя многие западные историки отмечали его важную роль в индустриализации и техническом развитии России в первые десятилетия XX века. В 1982 году один американский историк сумел написать о нем небольшую заметку для энциклопедии русской истории, отметив в ней, что «доступная информация о Пальчинском невелика, а советские источники вообще не упоминают о нем» [3].
Спустя шестьдесят два года после гибели Пальчинского, в один по-московски морозный день января 1991 года, мне было наконец разрешено ознакомиться с материалами правительственного архива. В течение нескольких предшествующих десятилетий я не мог проникнуть туда, однако теперь Советский Союз переживал разгар горбачевских реформ, и, хотя полки продовольственных магазинов были практически пусты, гласность дала новую жизнь политическим дискуссиям и гуманитарным исследованиям. В архиве, наряду с наличием микрофильмированного указателя имеющихся материалов, обнаружилось отсутствие катушек в аппаратах для чтения микрофильмов. Поначалу я был обескуражен этой технической проблемой, но вскоре обратил внимание на действия соседа, который, засунув палец одной руки в рулон микрофильма вместо катушки, другой рукой неистово вращал ручку аппарата для чтения. Я последовал его примеру и оказалось, что микрофильмированный текст можно худо-бедно прочесть. Примерно через час я обнаружил описание фонда П.А. Пальчинского. Размеры фонда потрясли меня. Поскольку, согласно архивному правилу, в день можно было заказать не более десяти из многих сотен документов, составляющих фонд, я вскоре понял, что мое исследование превращается в настоящую одиссею. К тому же, всякий раз, когда я вновь обращался к просмотру микрофильмированного указателя, мне приходилось, в соответствии с еще одним архивным правилом, через каждый час работы аппарата отключать его на 15 минут, чтобы дать ему охладиться и избежать воспламенения пленки. Вскоре выяснилось, правда, что если приходить в архив с утра пораньше, то можно завладеть одним из немногих имевшихся там импортных аппаратов, на которые данное правило не распространялось. В итоге последующих месяцев этой командировки и еще трех поездок в Москву все собрание материалов, в свое время доставленных Ниной Александровной Пальчинской в участок, неспешно «всплыло», словно гигантская рыба из подводных глубин.
Изучая эти материалы в то самое время, когда вокруг происходил распад Советского Союза, я понял, что они дают ключ к разгадке одной из загадочных особенностей советской истории. Почему СССР оказался неспособен воспользоваться в полной мере результатами своего впечатляющего вступления на путь технической модернизации? С самого начала его существования руководители Советского Союза придавали огромное значение технике, выдвигая программы электрификации, индустриализации и производства оружия, которые вызывали воодушевление одних и тревогу других западных наблюдателей. Предпринятые СССР попытки развития техники поначалу казались весьма успешными. За годы пятилеток, предшествовавших Второй мировой войне, на советской земле выросли крупнейшие в мире металлургические заводы и гидроэлектростанции. Иностранные наблюдатели и участники этого процесса, от фотографа Маргарет Бурк-Уайт до профсоюзного лидера Уолтера Рютера, свидетельствовали о «Великом Советском Эксперименте» и восхищались им.
Между тем «паровоз» советской экономики продолжал «лететь вперед» в порыве роста и модернизации, зачаровывая наблюдателей во всем мире. Историк экономики из Гарвардского университета Александр Гершенкрон выдвинул идею о «преимуществах отсталости», утверждая, что, когда в Советском Союзе впервые устанавливалось промышленное оборудование, были взяты самые новейшие модели, и это поставило СССР в преимущественное положение перед теми странами, которые, развив свою промышленность раньше, были к тому времени обременены устаревающей техникой. По прошествии уже более сорока лет после революции, в 1960 году, экономист Роберт Кэмпбелл (впоследствии ставший одним из ведущих специалистов по Советскому Союзу), констатировал, что темпы экономического роста в СССР почти вдвое выше, чем в США, и пришел к заключению, что «коль скоро имеется разница в темпах роста, русские неизбежно догонят нас; а если она будет оставаться на нынешнем уровне, это произойдет довольно скоро»[4].
Но вот сегодня, при жизни третьего поколения после Октябрьской революции мы видим, что эта грандиозная попытка распорядиться техникой на благо народа не удалась: Горбачев, Ельцин и другие нынешние лидеры государств, образовавшихся после распада СССР, все как один обратились к Западу за помощью в технической модернизации. Что же явилось причиной этой неудачи? Стандартный ответ «несостоятельность централизованно-планируемой экономики» никак нельзя считать исчерпывающим объяснением. В конце концов, советская централизованно-планируемая экономика оказалась в состоянии создать промышленную систему, которая в пору своего расцвета была второй в мире по масштабам; она позволила стране оказать сопротивление гитлеровским войскам и низвергнуть их и дала ей возможность развиваться в течение многих десятилетий как до, так и после Второй мировой войны. Она позволила Советскому Союзу запустить первый в мире искусственный спутник и вывести первого человека на околоземную орбиту. Пока граждане СССР верили в свою систему, она как будто бы работала довольно хорошо, по крайней мере, по сравнению с другими отсталыми странами, предпринимавшими попытки технической модернизации. Не было ли в самом характере использования техники в СССР чего-то такого, что способствовало утрате веры и, как следствие, провалу советской системы? Воспроизведение истории жизни Петра Пальчинского и его идей об использовании техники дает важный фрагмент решения этой загадки [5].
СТАНОВЛЕНИЕ МОЛОДОГО ИНЖЕНЕРА
Петр Акимович Пальчинский происходил из большой, запутанной и неблагополучной семьи. Его отец Аким Федорович Пальчинский, землемер и таксатор поместий, был женат дважды и имел пятерых детей от первой жены Александры и семерых — от второй, Ольги. Петр, родившийся 5 октября 1875 года, был старшим из детей, и его братья и сестры видели в нем человека, с которым они могли поделиться своими трудностями и к которому можно было обратиться как за психологической, так и за денежной помощью. Свои детские годы Петр провел с матерью (Александрой) в волжском городе Казани, где вместе с ними жили его брат Федор и сестры Анна, Софья и Елена. Его единокровные братья (Иван, Михаил, Александр и Илья) и сестры (Антонина, Юлия и Александра) жили с отцом и своей матерью Ольгой в Саратове.
Петр был энергичным юношей и отличался большими способностями к учебе. Редко видевший отца после того, как его родители разошлись (когда ему было восемь лет), в юности он доверялся в первую очередь матери, принадлежавшей к известному в обществе, но безденежному аристократическому семейству. Мать сильно повлияла на раннее обучение Петра. Под ее руководством он стал хорошим пианистом, несмотря на то, что не отличался естественной склонностью к этому инструменту [6]. Она также побуждала его читать книги из большой семейной библиотеки, доставшейся им по наследству. Петр проводил долгие часы, зарывшись с головой в романы, стихи, популярные книги о науке и исторические сочинения, имевшиеся в их доме в достатке. Вместе с тем, он жаловался матери на отсутствие близких друзей. Видя, что он был необыкновенно сдержанным юношей, она настоятельно советовала ему более открыто проявлять себя в отношениях с другими людьми [7]. В то же время она хвалила его за успехи в учении — в частности, за то, что в семнадцатилетнем возрасте он уже в совершенстве владел французским и немецким языками [8]. Впоследствии его лингвистический репертуар пополнился еще двумя языками — английским и итальянским.
Осенью 1893 года Пальчинский поступил в Горный институт в Санкт-Петербурге — одно из элитных учебных заведений по подготовке инженеров в царской России. На вступительных экзаменах он получил прекрасные оценки, набрав, при максимальном результате в 12 баллов, по немецкому языку — 12, по физике — 10, по математике — 10.5, и по русскому языку — 8 баллов (в день этого экзамена он был нездоров). Тем не менее, даже с такими оценками он оказался лишь на двадцатом месте в группе из тридцати пяти человек, принятых в институт. Предметом особой гордости Пальчинского было то, что он поступил в институт без всякой протекции со стороны влиятельных друзей и высокопоставленных чиновников [9].
В студенческие годы Петр жил на такие скромные средства, что у него часто не хватало денег на то, чтобы как следует поесть. Мать писала ему: «Очень мне горько, что я совершенно бессильна поставить тебя в лучшее положение» [10]. Когда же она заболела и через несколько недель умерла, ему пришлось существовать лишь на очень небольшую студенческую стипендию. Чтобы пополнить свои доходы, во время каникул Петр нанимался рабочим на железные дороги, фабрики и даже на угольные шахты во Франции [11]. Именно тогда он проникся сочувствием к рабочим и их попыткам улучшить условия своего труда и его оплату. По иронии судьбы, из всех членов их большой семьи лишь он один сумел преуспеть в финансовом отношении, и многие из писем к нему от его братьев и сестер содержат просьбы о денежной помощи. Петр также отличался наиболее крепким здоровьем и уравновешенным характером, почти никогда не поддаваясь болезням и унынию, которые преследовали многих его братьев и сестер.
Подобно многим образованным молодым людям в России начала века, Петр Пальчинский был увлечен радикальными политическими учениями, сулившими надежду на лучший общественный уклад по сравнению с тем авторитарным и захудалым обществом, в котором ему довелось родиться. Уже смолоду ему пришлось пострадать за это увлечение. Еще будучи студентом Горного институтам, Пальчинский привлек к себе внимание царской жандармерии и попал в ее «черный список» как «руководитель движения» радикально настроенных студентов — очевидно потому, что в течение короткого времени он был председателем студенческого собрания. Это первое политическое затруднение оказалось предвестником множества неурядиц того же рода, ожидавших Пальчинского в жизни: пять или шесть раз его будут заключать в тюрьму, и почти все время он будет находиться под надзором сначала царской полиции, а впоследствии — и советских секретных «органов».
Семейное окружение Петра способствовало развитию у него интереса к политике и искусству. Ближайший к нему по возрасту брат Федор, который также старался оказывать материальную поддержку другим членам семьи, находил утешение от своей скучной работы (он был чиновником низкого ранга) в посещении театра, в общении с актерами на приемах и вечеринках, а порой и в добровольном исполнении обязанностей помощника режиссера. Когда Петр приезжал домой в Казань, он присоединялся к брату в посещении театра и прочих культурных мероприятий. Он тоже чувствовал сильное влечение к искусству, однако не погружался в него всем своим существом как это, по-видимому, произошло с Федором.
Подобно Федору, другие братья и сестры Петра также испытывали трудности в поисках приносящей удовлетворение работы, да и вообще своего места в жизни. Софья была болезненным и пассивным человеком. Она вышла замуж за гражданина России, мусульманина по вероисповеданию, которого звали Мухамед Сыздиков, и имела от него одну дочь, однако их брак был неудачным и впоследствии они разошлись.
Самая младшая из сестер, Елена — неисправимый романтик по натуре, — любила литературу, музыку и театр и мечтала стать художницей. Она ездила в Брюссель и Париж с целью посещения лекций по изящным искусствам и литературе. Находясь в Париже, она вошла в круг проживавших там политических эмигрантов из России, которые оказали на нее большое влияние. В 1898 году Елена присутствовала на парижском конгрессе социалистов, где впервые познакомилась с сочинениями Карла Маркса. Она просила Петра прислать ей «Капитал» в русском переводе, однако так и не получила его. Отказался ли Петр купить эту книгу, или она затерялась при пересылке, нам неизвестно. Как бы то ни было, в итоге Елене пришлось вчитываться в «Капитал» на французском языке.
Всегда испытывавшая недостаток в средствах, Елена совершила несколько поездок между Казанью и Брюсселем и в конце концов вернулась в Казань, где вскоре неудачно вышла замуж. Спасаясь бегством от брачных уз и скуки провинциального существования, она перебралась в Петербург, где получила работу банковского служащего, вызывавшую у нее глубочайшую тоску.
Анна была единственной из родных сестер Петра, кому удалось упорядочить свою жизнь. Поскольку их мать часто болела, Анна, будучи энергичным и самостоятельным человеком, с юных лет фактически вела домашнее хозяйство. Чтобы заработать на жизнь, она помогала матери управлять платной библиотекой в Казани, основу которой составила унаследованная ими семейная библиотека — та самая, что в свое время сыграла столь важную роль в образовании Петра. После смерти матери в 1893 году Анна приняла на себя управление библиотекой. В 1896 году собрание книг в ее библиотеке превышало восемь тысяч томов на семи языках [12]. Однако доходы от этого предприятия были незначительны, и она расширила сферу своей деятельности, открыв пекарню. Анна была счастлива в замужестве. В течение всей жизни она поддерживала частую переписку с Петром, в которой подробно сообщала ему о событиях в жизни остальных членов семьи, но предпочитала не распространяться о себе самой. Единственный признак неупорядоченности, мрачной тенью нависавшей над семейством Пальчинских, который просматривается в ее письмах, — это отсутствие точности в датировке: так, в ряде случаев, вместо того, чтобы поставить дату, она просто-напросто писала «Без даты».
В жизни семерых сестер и братьев Петра по отцу неблагополучие было частым гостем. Антонина и Иван так часто болели, что из-за этого не могли удержаться на работе. Юлия — милый и добродушный человек — в молодости преподавала в школе для девочек; к сожалению, мягкий характер не позволял ей поддерживать требуемую дисциплину во время уроков, и школьные инспекторы дали ей невысокую оценку как учителю. Тогда она стала работать внештатно, давая частные уроки, чтобы помочь в оплате расходов их большой семьи' Любимым занятием Юлии было играть на взятом напрокат фортепиано и петь. Когда она, лишившись работы в школе, оказалась не в состоянии вносить арендную плату за инструмент, то в первый и единственный раз в своей жизни Юлия обратилась к Петру за денежной помощью, которую он незамедлительно ей оказал. Переписка Петра с этой привлекательной женщиной, сочетавшей в себе романтичность Елены с практичностью Анны — двух своих сестер по отцу, прекратилась, когда Юлия заболела тяжелой формой туберкулеза.
Подобно Петру, его брат по отцу Михаил интересовался горным делом и некоторое время работал на разработке полезных ископаемых в Сибири. Он тоже сочувствовал рабочим и стал принимать активное участие в деятельности радикальных политических организаций. В итоге Михаил был арестован царской полицией за работу в подпольном рабочем издательстве и заключен в Спасскую тюрьму Санкт-Петербурга. Находясь в тюрьме, он обратился за помощью к Петру. Благодаря ли ходатайству Петра или по какой-то другой причине, Михаил был вскоре освобожден и вернулся в Саратов. По возвращении туда он попытался поступить в инженерный институт, в чем ему, однако, было отказано «за отсутствием свидетельств о благонадежности». Вскоре после этого Михаил был призван на военную службу, и его переписка с Петром прекратилась.
В сравнении со своими братьями и сестрами по отцу Петр был символом устойчивости и преуспевания. Юлия однажды написала ему, что он напоминает «ваньку-встаньку» — известную каждому ребенку в России игрушку, представляющую собой деревянную куклу со свинцовым грузом в нижней части, которая, сколько бы раз ее ни опрокидывали, неизменно возвращается в вертикальное положение [13]. Юлия замечала, что Петр обладает удивительной способностью преодолевать трудности, не теряя твердости духа. Задолго до того, как ему исполнилось тридцать лет, он уже оказывал материальную поддержку многим членам семьи.
23 ноября 1899 года Петр женился на Нине Александровне Бобрищевой-Пушкиной, происходившей из видного петербургского семейства. Поначалу они жили в Санкт-Петербурге, но лишь до того, как в следующем году он окончил (с отличием) Горный институт. Нина Александровна готовилась к дальнему путешествию, зная, что выпускники, получавшие, как ее муж, в период студенчества государственные стипендии, были обязаны принимать соответствующие правительственные назначения.
НА ДОБЫЧЕ УГЛЯ В ДОНБАССЕ
В 1901 году Петр Пальчинский получил правительственное задание, согласно которому ему предписывалось заняться изучением падения добычи угля в Донецком бассейне на Украине. Недостаточная поставка угля угрожала продолжению роста российской промышленности после десятилетия ее наиболее интенсивного за всю историю страны развития. Уголь имел решающее значение для наращивания промышленной и военной мощи России в те годы напряженной конкуренции между европейскими державами. Донецкий же бассейн давал в 1900 году почти 70 % общей добычи угля в России.
Будучи самым юным из членов исследовательской комиссии, направленной в Донбасс из Санкт-Петербурга, Пальчинский получил наименее престижное задание — разобраться в «рабочем вопросе», в то время как остальные члены комиссии изучали технику разработки угля. В качестве первого скромного шага он попытался собрать сведения о количестве рабочих и шахт в бассейне. К его удивлению, оказалось, что владельцы шахт знали о своих рабочих крайне мало, не имея даже данных ни об их общем количестве, ни о том, сколько человеко-дней отрабатывается за год на каждой шахте [14]. Как выяснилось, не интересовали их и условия жизни рабочих. Пальчинский решил собрать свои собственные статистические данные. По мере их сбора он понял, что эти данные совершенно необходимы, чтобы получить представление о рабочих и производительности труда. Именно тогда у него сложился один из принципов всей его будущей деятельности, который можно сформулировать следующим образом: невозможно разработать обоснованную стратегию промышленного развития, не имея исчерпывающих и достоверных статистических данных.
Пальчинский вдохновенно трудился более двух лет, собирая огромное количество информации, которая включала даже архитектурные чертежи жилья рабочих, фотографии (они и по сей день находятся в его архиве) и карты плотности населения и густоты транспортных сетей. На шахте «Макарьевская» он обнаружил бараки, где одна комната служила местом ночлега для шестидесяти восьми шахтеров, спавших на дощатых кроватях, которые стояли вплотную одна к другой длинными рядами по двадцать штук и более. Единственный способ, каким рабочий мог разместиться в своей кровати, не переползая при этом по телам товарищей, состоял в том, чтобы встать в ногах кровати и затем «расползтись» по ее длине. На шахте «Горловка» его глазам предстала сходная картина — сорок рабочих на комнату. В обоих случаях бараки были построены владельцами шахт из кирпича и снаружи выглядели вполне солидно. Впрочем, они и в самом деле были куда лучше землянок, каковые были обычным жильем шахтеров лишь несколькими годами раньше. Пальчинский делал подробные зарисовки бараков, с указанием местоположения каждой кровати, отопительной печи и санузла (как правило, представлявшего собой примитивную уборную во дворе). Что касалось семейных рабочих, то, как он выяснил, их жилищные условия подчинялись иному стандарту: они жили по четыре-шесть семей на один дом, в котором каждая семья занимала одну комнату. Зачастую это были дома с земляным полом и без туалета [15].
До Пальчинского никто никогда не собирал такого рода данных о жилищных условиях рабочих Донбасса. Дополнив свои отчеты изящными итоговыми таблицами и рисунками, он отослал их в Санкт-Петербург без какого бы то ни было политического комментария. Поначалу министр финансов В. И. Ковалевский и чиновники из Министерства торговли и промышленности по достоинству оценили важность его работы и даже высказались за то, чтобы подобные исследования предпринимались и в других отраслях промышленности. Постепенно, однако, до их сознания стало доходить политическое значение отчетов Пальчинского. В 1906 году он послал в «Горный журнал» для публикации свою рукопись, в которой сообщал, что даже в наилучшем варианте жилищных условий шахтеров Донбасса — отдельный дом на одну семью, — у подавляющего большинства этих домов (16400 из 20000) либо пол, либо крыша, либо и то, и другое — земляные, и это создает в них нездоровую обстановку, особенно в зимнее время [16]. Среди начальников Пальчинского поднялся большой шум, когда им стало известно содержание его статьи, и в результате он был уволен из исследовательской комиссии. Вдобавок к этому, по причинам, речь о которых пойдет ниже, Пальчинский был в административном порядке сослан в Сибирь; тем не менее, ему все же было разрешено продолжать работать в качестве консультанта по разработке полезных ископаемых.
Настроенный на радикальный лад своими впечатлениями от Донбасса, Пальчинский поначалу увлекся анархистскими взглядами Петра Кропоткина (1842–1921) — русского революционера аристократического происхождения, из-под чьего пера в конце девятнадцатого и в начале двадцатого столетий выходили пользовавшиеся большим влиянием книги, в которых шла речь о возможности нового общественного устройства, свободного от эксплуатации и угнетения [17]. Анархизм Кропоткина был более умеренным по сравнению с тем, которого придерживался Михаил Бакунин (1814–1876). Вместо призывов к насилию, Кропоткин говорил о «взаимной помощи» и о том благоденствии, которое наступит для цивилизации, если она реорганизуется на основе самоуправляющихся объединений сельскохозяйственных и промышленных производителей, работающих в мире и сотрудничестве друг с другом. В обществе, устроенном таким образом, будут сочетаться умственный и физический труд, а также положительные стороны городской и сельской жизни.
Трудно сказать, что именно значил анархизм для Пальчинского, по-видимому, мало интересовавшегося политической теорией как таковой.
Ему была явно не по душе эксплуатация, которую он наблюдал в капиталистическом обществе, и он часто говорил о преимуществах совместного владения землей и сотрудничества всех членов общества. В своих многочисленных сочинениях, однако, он сосредоточивался большей частью на практических вопросах. И все же, читая эти сочинения, нельзя не заметить в них целого ряда разбросанных тут и там излюбленных выражении Кропоткина — таких, как «удовлетворение потребностей людей с минимально возможной затратой энергии» и «интеграция труда».
Наиболее привлекательной для Пальчинского чертой учения Кропоткина было, по-видимому, отношение последнего к технике. Пальчинский признавал, что созданное Кропоткиным учение утопично, однако его вдохновляло то, что, в противоположность многим утопистам, Кропоткин считал технику скорее другом, нежели врагом [18]. По мнению Кропоткина, промышленная революция восемнадцатого-девятнадцатого столетий была жестоким заблуждением в истории цивилизации — кратковременной фазой, в ходе которой совместной деятельностью финансового капитала и паровой техники был создан деспотический общественный порядок, основанный на централизованной фабричной системе с разделением труда и проистекающими отсюда классовыми противоречиями. Однако Кропоткин был убежден, что в недалеком будущем новые технологии — такие, как электричество и телефонная связь — приведут к возникновению принципиально новых форм труда в сельском хозяйстве и промышленности. Преимущества небольших кооперативов, рассредоточенных повсюду, станут очевидны. Будущее общество виделось ему гетерогенной структурой, сочетающей небольшое число крупных с множеством автономных мелких предприятий.
Приверженный этой утопической перспективе взаимоотношений между техникой и общественным устройством, Пальчинский тем не менее не стал присяжным сторонником анархизма как политического движения. Он отчетливо видел разницу между добрыми словами Кропоткина о будущем обществе и буйными делами иных его последователей, и в своей собственной политической борьбе сосредоточился на писании статей, в которых призывал к установлению социального страхования, более короткого рабочего дня и достаточной для нормальной жизни заработной платы [19].
Во время революционных событий 1905 года Пальчинский не принимал участия ни в агитации анархистов, ни в спорадических разбоях. Однако он поддержал революцию, в результате чего был арестован и приговорен к высылке на проживание под полицейским надзором в сибирский город Иркутск. Он был причастен к имевшей место в 1905 году попытке революционеров провозгласить независимую демократическую «Иркутскую республику». Остается, однако, неясным, был ли Пальчинский активным участником этого движения или просто симпатизировал ему. Поначалу царское правительство посчитало его одним из руководителей и обвинило в нарушении статьи 102 уголовного кодекса Российской Империи, объявлявшей вне закона любое посягательство на «изменение в России образа правления». Однако позже — исходя, по-видимому, из опасения, что «приклеить» Пальчинскому такую формулировку не удастся, — правительство пересмотрело свое первоначальное обвинение и предъявило ему новое — на сей раз в нарушении статьи 126, запрещавшей «участие в сообществе, заведомо поставившем целью своей деятельности ниспровержение существующего в государстве общественного строя» [20]. Это изменение статьи, по всей видимости, объяснялось убежденностью властей, что они смогут привести доказательства связи Пальчинского с революционерами, и в то же время — их неуверенностью в том, что удастся доказать его действительную причастность к попытке свержения правительства. Пальчинский в самом деле иногда бывал на митингах, организованных анархистами или эсерами, однако в его архиве нет никаких свидетельств того, что он был формальным членом какой бы то ни было политической партии или революционной организации. В конце концов, в 1905 году его так и не предали суду, а попросту сослали, в соответствии с чрезвычайными полномочиями, которые были предоставлены полиции во время революционных беспорядков.
Как до, так и после революции 1905 года Пальчинский был противником насилия как средства в политической борьбе. С течением времени он стал испытывать все больший интерес к партии эсеров, которая с 1905 года была крупнейшей политической партией в России вплоть до большевистской революции 1917 года. Среди эсеров он симпатизировал умеренному крылу партии и резко осуждал радикалов, выступавших за совершение убийств царских чиновников с целью изменения государственного устройства России. В период пребывания у власти Временного правительства в 1917 году Пальчинский выступал против тех анархистов, которые присоединились к большевикам в стремлении свергнуть это умеренно-социалистическое правительство.
В 1906–1907 годах, находясь в сибирской ссылке под полицейским надзором, Пальчинский продолжал работать в качестве инженера и стал опытным консультантом по ведению горных работ. Владельцы шахт ценили его за умение повысить производительность работ и уладить разногласия между администрацией и рабочими. Но невзирая на успехи, которых он достиг как инженер, Пальчинский, не переносивший полицейских проверок, в августе 1907 года бежал из Сибири и вернулся на Украину, где скитался по разным городам, чтобы не попасться на глаза властям. Друзья, которые появились у него там с той поры, когда он изучал условия труда рабочих в Донбассе, помогали ему найти крышу над головой. В начале 1908 года Пальчинскому удалось проскользнуть через границу и начать новую жизнь в Западной Европе, продолжавшуюся пять лет. Тем временем его жена путешествовала между Санкт-Петербургом и Иркутском, безуспешно пытаясь уговорить власти снять уголовные обвинения, выдвинутые против ее мужа. В конце концов, в 1909 году Нина Александровна и ее мать, Мария Александровна Бобрищева-Пушкина, выехали в Западную Европу, чтобы быть вместе с Петром.
Работая в Германии, Франции, Англии, Нидерландах и Италии, Пальчинский достиг больших успехов как промышленный консультант, а также — что было, возможно, еще более важным достижением — выработал определенный подход к рассмотрению технических вопросов, которому и оставался верен в течение всей своей последующей профессиональной деятельности. Он настаивал на том, что инженерные планы должны соотноситься с конкретными политическими, социальными и экономическими условиями. Одно из крупнейших среди порученных ему в те годы заданий касалось функционирования морских портов мирового значения — таких, как Амстердам, Лондон и Гамбург. Впоследствии он написал четырехтомное исследование о портах Европы, которое было опубликовано на нескольких языках [21].
Наниматели Пальчинского просили его повысить производительность и эффективность работы этих портов, и в своих рекомендациях он исходил из того, что разгрузка и загрузка судов не может быть эффективной, пока у рабочих отсутствует необходимая квалификация и ничто не привязывает их к этой работе. Улучшение функционирования морских портов было не только вопросом обеспечения их подъемными кранами, подъездными железнодорожными ветками, глубокими фарватерами, верфями и складами; не менее важное значение имели такие факторы, как устройство жилья рабочих, создание школ, общественного транспорта, медицинской помощи, мест отдыха и развлечения, а также наличиехорошей зарплаты и социального страхования. Пальчинский рассматривал каждый порт как гигантскую систему взаимосвязанных служб, которая позволила бы рабочим «достичь максимальных результатов с наименьшими усилиями» [22]. Он принадлежал к тому типу людей, которых американский историк техники Томас Хьюз назвал «верующими в технические системы» [23]. Для Пальчинского морской порт был подобен большой шахте в том отношении, что в обоих случаях требовалась транспортировка больших объемов материалов на значительные расстояния. Различные стороны промесса должны как можно лучше сочетаться друг с другом, а это подразумевает, что и техника, и рабочая сила должны быть в оптимальном состоянии.
По всем признакам, Пальчинский хорошо приспособился к жизни в Западной Европе, где изучил несколько новых языков. Однако он продолжал поддерживать связи с Россией и в своих статьях не раз давал царскому правительству, вынудившему его бежать оттуда, советы по поводу того, как улучшить положение дел в промышленности страны [24]. Препятствия к успешному промышленному развитию России, считал он, лежат не в области техники, но в политической, социальной, правовой и образовательной сферах. Он был убежден, что наличие богатейших запасов полезных ископаемых на территории России предопределило ее судьбу в качестве великой промышленной державы, и дело лишь за тем, чтобы было создано такое правительство, которое будет поощрять социальные последствия модернизации, а не страшиться их. Так, сфера права должна быть реформирована таким образом, чтобы упорядочить систему землевладения, в которой, писал он, ныне царит такая неразбериха, что строительство железных дорог и шахт оказывается почти невозможным, поскольку никто не знает, кому принадлежит земля [25].
Более всего Пальчинский критиковал систему инженерного образования в царской России. По его мнению, курс обучения инженеров был излишне перегружен естественнонаучными дисциплинами, математикой и «описательной технологией», практически полностью игнорируя такие предметы, как экономика и политическая экономия [26]. Таким образом, заключал он, выпускники российских инженерных школ воспринимают любую проблему как чисто техническую и считают, что всякое решение, включающее последнее слово науки, и есть наилучшее решение. Поэтому неудивительно, что российские инженеры оказываются не подготовленными к тому, чтобы действовать в мире, где царит конкуренция, а российская техника оказывается неконкурентоспособной на мировом рынке, несмотря на то, что она защищена высокими тарифами. Пальчинский призывал российских инженеров преодолеть то, что он называл «академически-дилетантским» подходом к решению проблем, и сделаться практичными, реалистически мыслящими инженерами, которые рассматривают проблемы со всех сторон, обращая особое внимание на экономические аспекты.
В 1911 году Пальчинский организовал российский промышленный и горнозаводской павильон на международной выставке в итальянском городе Турине, за что был удостоен специальной награды от правительства Италии [27]. Он был убежден, что Россия сможет продавать уголь и руды на мировом рынке, стоит ей только сделать необходимые политические и экономические шаги. Поза, в которой он запечатлен на фотографии, сделанной на туринской выставке, — руки в боки, широко расставленные ноги, — передает его чувство гордости и уверенности в себе.
КАРТИНЫ СУПРУЖЕСКОЙ ЖИЗНИ
Жена Петра Пальчинского Нина была едва ли не столь же деятельным человеком, как и ее муж, причем ее собственный интерес к образованию рабочих и положению женщин был под стать его интересу к промышленности и торговле. До отъезда из России она преподавала в специальных школах для рабочих в Санкт-Петербурге, Иркутске и в Донбассе, где не только обучала своих учеников грамотности, но и вводила их в курс политических доктрин реформирования общества. В Англии, Франции и Бельгии она изучала движение женщин, боровшихся за избирательные права и права на высшее образование; об этом движении она написала ряд статей для выходившего в Санкт-Петербурге феминистского журнала «Лига женщин».
В семье Нины сложилась традиция выступать в поддержку реформирования и даже революционного преобразования общества. Двое из ее предков — Н.С. Бобрищев-Пушкин и Л.С. Бобрищев-Пушкин — были декабристами, входя в число мятежных офицеров, предпринявших в 1825 году безуспешную попытку заставить царя создать конституционное правительство. После ареста первый из них был сослан в Сибирь пожизненно, а второй — на 12 лет. Отец Нины Александровны, Александр Михайлович Бобрищев-Пушкин, был писателем и юристом, неся службу в качестве председателя Санкт-Петербургского окружного суда и юридического консультанта царского правительства. Он был сторонником реформирования правовой системы и энергично выступал за свободу совести, особенно в вопросах религии [28]. Его стихотворения, опубликованные после смерти автора, выявили глубокое разочарование, которое доставляла ему его юридическая карьера, казавшаяся удачной многим окружавшим его людям [29].
Принимая во внимание общий характер жизни в поздне-имперской России, неудивительно, что Нина и ее муж Петр на первых порах придерживались гораздо более радикальных взглядов, нежели их родители. Они относились критически не только к капиталистической экономике, но и к буржуазному характеру общественных отношений. По их мнению, типичный брак в капиталистическом обществе был образчиком бессмысленности и эгоцентризма. Жизнь человека, считали они, должна оправдываться не обретением своего личного счастья в браке, сексуальных отношениях, детях или комфортабельном существовании, но деятельностью на благо всего общества.
Петру и Нине зачастую было нелегко примирить свои радикальные общественные и политические взгляды со своими же личными чувствами, которые были более традиционными, чем каждый из них хотел признать. Нежелание Нины иметь детей было мучительным для Петра, хотя они соглашались друг с другом в том, что появление детей обычно заставляет семью отвернуться от общественных дел и замкнуться в своем внутреннем мирке, а это казалось им обоим достойным сожаления. Петр утверждал, что является приверженцем равенства в браке, однако тот образ жизни, который он вел в первые годы их супружества, зачастую обрекал Нину на традиционную роль создательницы прибежища для мужа, постоянно находящегося в движении. Годы, проведенные им в административной ссылке или в заключении, укрепили роль Нины как его стойкой опоры — ведь она была человеком, доставлявшим подарки и еду в тюрьму или на место ссылки, и умолявшим власти об облегчении условий его жизни или о смягчении его наказания.
Петр и Нина считали, что в супружеской жизни сексуальные отношения между мужем и женой имеют менее важное значение, чем их солидарность в политических и общественных вопросах. Нина по меньшей мере однажды признавалась, что порой сексуальная связь кажется ей чем-то нехорошим и даже унизительным. В ее письме к Петру в Европу, отправленном из Санкт-Петербурга в феврале 1908 года, есть следующие строки, навеянные чтением Толстого:
«Читала я тут еще раз, вдумчиво, Крейцер[ову] сонату… Действительно, великое было бы "устроение жизни", если бы так вышло бы, как он говорит: духовный брак, т. е. близость духовная и дружба, товарищество жизненное, а физические отношения в умеренном количестве только для деторождения, причем их не надо возводить в средство наслаждения, а напротив стыдиться их и смотреть, как на дурное и унижающее человека. Да и только, конечно, для мужа и жены т. е. с одним человеком они были бы позволены, а на других так и смотреть не надо. Как было бы чисто жить на свете!» [30]
Несмотря на то, что на абстрактном уровне Нина вдохновлялась идеалом платонической любви в отношениях между мужем и женой и представлением об их воздержании от сексуальных связей с другими людьми, она осознавала, что они с Петром далеки от достижения подобной цели. Так, Петр признавался ей, что в своих странствиях ему случалось находить отраду в сексуальных связях с другими. Не прибегая к столь недвусмысленным откровениям, Нина в свою очередь признавалась Петру, что ее привлекали другие мужчины. Она сожалела о своих и его прегрешениях, однако в конечном счете утвердилась во мнении, что не следует придавать им слишком большого значения. Гораздо важнее были их обоюдная преданность благосостоянию общества в целом, честность друг с другом, а также «душевная общность».
В 1909–1913 годах, когда и Петр, и Нина находились в Западной Европе, они нередко жили порознь, занимаясь каждый своими собственными делами. Нина и ее мать обыкновенно жили в Турине или Генуе, а также зачастую гостили в Женеве у Кропоткиных, с которыми беседовали в основном о социализме и России. Как и ее муж, Нина часто путешествовала, руководствуясь своими интересами в области образования, искусства и женского движения, в то время как Петр занимался горным делом, промышленными разработками и управлением работы морских портов. Их занятия естественным образом приводили к тому, что маршруты их путешествий расходились, и они считали такое положение дел нормальным для двух самостоятельных людей. При этом они почти постоянно переписывались, большей частью по-итальянски, и придумали друг для друга ласковые прозвища на нескольких языках. Время от времени они объединялись и совершали «светские вылазки» в Венецию, Милан, Рим или Париж, где, как подростки, позировали на фоне стандартных туристских достопримечательностей, делая снимки друг друга и прося знакомых или прохожих сфотографировать их вместе, рука об руку.
Убеждение Нины в том, что сфера сексуальных отношений не столь существенна, чтобы послужить причиной осложнений в супружеской жизни, подверглось испытанию в декабре 1909 года, когда Петр в течение трех дней гостил у Виты и Альфреда Шенк, живших в Вене со своими детьми Юрием и Ольгой. За много лет до этого эпизода Вита и Петр были влюблены друг в друга, еще по того, как он женился на Нине. В отличие от Петра и Нины, Вита и Альфред придерживались традиционного образа жизни, всецело отдаваясь любви к своим детям и наслаждаясь многочисленными буржуазными развлечениями Вены начала двадцатого века. Вместе с тем, они как будто бы были несчастливы друг с другом. Вита, в частности, выражала недовольство замкнутой атмосферой их дома. В письме, написанном в поезде после своего отъезда из Вены, Петр описал Нине их семью, а также признался, что его прежнее увлечение Витой возродилось, едва он увидел ее вновь. Он даже сознался в том, что во время его недолгого пребывания в Вене они с Витой снова стали любовниками.
Что касается Нины, то поначалу она, верная своей идеологии, откликнулась с нежностью и пониманием:
«Милый и хороший мой Петик, сегодня получила я твое письмо из Вены, полное Витой. Ты Дуся, что так откровенно говоришь со своей женкой-другом, и как хорошо, что мы все можем говорить друг с другом, понимая все просто и правильно… Но я далека от того, чтобы ревновать тебя, и никогда не скажу и не подумаю ни слова упрека. Ведь мы прежде всего люди и друзья между собой, а потом уже мужчина и женщина. Не скрою, что и мои мысли иногда бывают очень заняты другими людьми, но симпатия к ним нисколько не мешает мне любить моего Петика больше всего на свете и чувствовать себя его неотделимой половинкой, и только к нему испытывать страстное чувство… Да чего они [супруги Шенк] так над ним [своим ребенком] трясутся? Разве он болен? Какая все-таки чисто буржуазная жизнь у них в семье! Когда я читала твое письмо о них, мне стало просто душно, точно в мешок с головой попала. Как эта жизнь далека от той дороги, на которой мы теперь стоим, и особенно от той, на кот[орой] ты теперь находишься, въедаясь в анархизм. Широкий мир, все человечество — и узенькая семейная жизнь с мешанскими интересами.» [31]
В последующие недели, однако, по мере того, как Нина продолжала размышлять об отношениях Петра и Виты, ее понимание и терпимость постепенно уступили место ревности. В романе Петра с Витой Нину особенно расстраивало то, что он был возобновлением связи, существовавшей еще до их брака, и таким образом заключал в себе нечто большее, чем случайное физическое влечение. Этим романом оказалась поставлена под угрозу «душевная общность», составлявшая основу ее отношений с Петром. Влечение между Петром и другой женщиной, не угасшее за десять лет разлуки, было совсем не шуточным делом.
Немногим более месяца после того, как Нина послала вышеупомянутое первое письмо, она написала еще одно, на этот раз из Гента:
«Твое письмо с поезда о пребывании в Вене оказалось, к сожалению, выше моих ЖЕНСКИХ сил. В ТАКОЙ степени я не могу делиться моим Петиком, главным образом его душой, т. е. не могу принять этого раздела без боли, но подчинюсь ему, если факт налицо… В самые мрачные минуты мне представлялось, что вся твоя любовь ко мне была ошибкой, что ты однолюб, кот[орый] в сущности всегда любил одну и ту же женщину, поэтому она в три дня могла снова так овладеть твоей душой, что я отошла совсем на задний план.» [32]
Вполне возможно, что первоначальная терпимость Нины и последовавшее за тем проявление открытой ревности с ее стороны оказались для нее наилучшим путем к спасению их брака с Петром. В его письмах к ней вновь зазвучали ноты любви и нежности, а венский эпизод никогда более не упоминался в их переписке. Как бы то ни было, они по-прежнему утверждали, что являются свободными от буржуазных представлений о любви и сексуальных отношениях. Они оставались друзьями Виты Шенк и ее мужа Альфреда долгие годы. Что же касается брака самих Нины и Петра, то он, по крайней мере, по всем внешним признакам, продолжал оставаться пронизанным нежностью товарищеским союзом, скрепленным их обоюдным интересом к социальным и политическим вопросам.
ВОЗВРАЩЕНИЕ В РОССИЮ
В 1913 году, когда восьмилетняя сибирская ссылка Пальчинского должна была окончиться, если бы он оставался в России, и по случаю празднования трехсотлетнего юбилея династии Романовых, он получил амнистию царского правительства и вместе с Ниной вернулся на родину. В России Пальчинский создал в 1916 году институт для изучения вопросов «рационального использования природных ресурсов» страны. Лозунгом этого учреждения, известного под названием Института изучения поверхности и недр, стала фраза из киевской летописи тысячелетней древности: «Велика наша земля и обильна, но нет в ней порядка». Пальчинский заявил, что его целью как основателя Института является установление порядка, однако не путем привлечения иностранцев, по которому пошли древние киевляне, пригласив хозяйничать на своих землях викингов, но посредством применения современных инженерных методов к решению проблем экономического развития. Институтом была начата публикация журнала «Поверхность и недра», печатавшего статьи по вопросам горного дела и связанных с ним отраслей промышленности.
По мере того, как Пальчинский становился старше и получал все большее признание за свои достижения, он, подобно многим людям, сделался более консервативным в своих политических и экономических взглядах, а также в личной жизни. Он состоял в правлении горнопромышленной компании и установил тесные связи с деловыми кругами России [33]. Во время Первой мировой войны он был советником по оборонным отраслям и состоял в должности заместителя председателя правительственного Комитета по военной промышленности [34]. Занимая эту должность, Пальчинский начал понимать, что централизованное планирование промышленности, по крайней мере, в военное время, имеет свои безусловно положительные стороны. Идея Кропоткина о децентрализации экономики утратила свою былую привлекательность для Пальчинского, хотя он по-прежнему восхищался ее автором, в особенности за мысли последнего о том, как можно поставить технику на службу общественному благу. Он считал себя демократическим социалистом и приветствовал свержение царского правительства, на службе которого состоял.
Пальчинский был активным сторонником Временного правительства, учрежденного в России в феврале 1917 года, после падения монархии. Он считал, что режим Временного правительства создает наилучшую возможность для возникновения в стране демократической формы правления. Не состоявший формально ни в одной из партий, Пальчинский солидаризировался с правым крылом эсеров и был сторонником военных действий против Германии. Он занимал ряд должностей во Временном правительстве, в том числе пост заместителя министра торговли и промышленности, и недолгое время был помощником генерал-губернатора Петрограда. В период своей службы в Министерстве торговли и промышленности Пальчинский вызвал возмущение многих политиков левого крыла, выступая за контроль над ценами и заработной платой, который он отстаивал как чрезвычайную меру, обусловленную военным положением [35].
Согласно большевистской мифологии, захват ночью 25 октября 1917 года Зимнего дворца, в котором пыталась найти убежище верхушка Временного правительства, был героической военной акцией. Однако в действительности падение Зимнего было вызвано тем, что революционерам удалось просочиться туда, а вовсе не фронтальным штурмом, и при этом было убито всего несколько человек [36]. За день до захвата дворца большевиками члены Временного правительства назначили министра социального обеспечения Николая Кишкина генерал-губернатором Санкт-Петербурга, а он, в свою очередь, назначил своими помощниками двух инженеров — Петра Пальчинского и Петра Рутенберга. Эти три человека должны были организовать оборону Зимнего дворца [37].
Впоследствии Пальчинский писал, что он был шокирован отсутствием дисциплины и решительности среди членов Временного правительства и быстро осознал, что положение безнадежно [38]. Тем не менее, он организовал «оборону», насколько это было в его силах, и даже арестовал нескольких большевиков, которых обнаружил шатающимися по коридорам дворца, чем заслужил оскорбления в свой адрес на страницах составленных позже партийных повествований о большевистской революции. Пальчинский был глубочайшим образом убежден, что Временное правительство является законным органом власти и должно уступить свои властные полномочия только демократически избранному альтернативному органу, которым, по его мнению, было предстоящее Учредительное собрание. Однако в мо мент развязки, когда большевистские солдаты вошли в Малахитовую палату дворца, где сидели за столом министры, дожидаясь своих пленителей, он приказал нескольким сохранившим верность часовым не стрелять [39]. Министры и прочие чиновники Временного правительства, включая Пальчинского, были взяты в плен.
Глава 2
ПОЛИТИЧЕСКИЙ ЗАКЛЮЧЕННЫЙ СТАНОВИТСЯ СОВЕТСКИМ ПРОМЫШЛЕННЫМ КОНСУЛЬТАНТОМ
В первые часы после того, как глубокой ночью Пальчинский и другие служащие Временного правительства попали в руки красногвардейцев, их жизни были в опасности. Один из ворвавшихся в Малахитовую палату большевиков, заметив, что глава правительства Александр Керенский спасся бегством, пришел в бешенство и закричал: «Заколоть всех сукиных сынов на месте!» [1]. Однако командир вооруженного большевистского отряда Владимир Антонов-Овсеенко утихомирил своих людей, заявив: «Члены Временного правительства арестованы. Они будут заключены в Петропавловскую крепость. Я не допущу никакого насилия по отношению к ним» [2]. Он отдал приказ отконвоировать пленников из Зимнего дворца по мосту через Неву в находившуюся неподалеку крепость-тюрьму.
Как только группа вышла на темную улицу, ее окружила толпа потрясавших кулаками сторонников большевиков, которые потребовали казнить правительственных чиновников и бросить их тела в реку. В тот же момент в их сторону был открыт огонь из нескольких разных мест. Это занявшие Петропавловскую крепость большевистские солдаты и матросы, увидев двигавшуюся в их направлении толпу людей, решили, что их атакуют, и откликнулись очередями пулеметного огня. В разразившейся общей панике и правительственные министры, и участники угрожавшего им смертью сборища рассыпались в поисках убежища. Моряки и красногвардейцы, которым было приказано отконвоировать пленников в крепость, каким-то образом все же ухитрились собрать их и поспешно протолкнули через мост под укрытие крепостных стен [3].
После того, как Пальчинский и другие деятели Временного правительства были доставлены вовнутрь, их пересчитали, зарегистрировали по именам и препроводили в камеры Трубецкого бастиона — старинной части крепости, служившей местом заточения уже не одного поколения российских диссидентов (в частности, многими годами ранее здесь содержался наставник Пальчинского Петр Кропоткин). Там Пальчинский оказался в разношерстной компании других узников, причем иные из них были упрятаны под замок еще до происшедшего месяцами ранее падения монархии. В течение последующих четырех месяцев он находился среди этих людей, в числе которых были политические приверженцы социализма, монархии и либеральной демократии. Наиболее известными из них были: Михаил Терещенко — украинский предприниматель и бывший министр финансов и иностранных дел Временного правительства, Владимир Пуришкевич — один из лидеров реакционной фракции дореволюционного законодательного органа умы), Питирим Сорокин — видный социолог и впоследствии профессор Гарвардского университета, Владимир Сухомлинов — военный министр царского правительства в период с 1909 по 1916 годы, а также ведущие представители конституционно-демократической партии Федор Кокошкин и Андрей Шингарев.
Заключенные содержались в маленьких, холодных и грязных камерах с единственным густо зарешеченным окном [4]. Им предписывался строгий, хотя и не бесчеловечный, режим дня. После подъема в 7 часов утра каждый из них получал кипяток, маленькую порцию сахара и четверть фунта хлеба. В полдень им опять выдавали кипяток, а также немного капусты и по кусочку мяса, в 4 часа пополудни они получали чай, а в 7 часов вечера — еще одну порцию кипятка вместо ужина. С 8 до 10 часов вечера заключенным позволялось встретиться друг с другом и перекинуться словом-другим. В камерах была электропроводка, однако напряжение в ней поддерживалось лишь около одного часа в сутки. Заключенным разрешалось вести ежедневный почтовый обмен с внешним миром, а раз в неделю к ним допускались посетители. Нина Александровна регулярно навещала Петра Пальчинского и уносила с собой рукописи статей, которые он продолжал писать в тюрьме. Одна из этих статей, посвященная восстановлению экономической жизни в России, была в самом деле опубликована, правда с изъятием слов Пальчинского о «взгляде из окна его тюремной камеры» [5].
Пальчинскому и его товарищам по заключению разрешалось посещать службу в соборе на территории крепости, который был известен по всей стране как место захоронения российских царей. Иные из заключенных не отличались религиозностью, но посещение собора, где можно было постоять среди гробниц самых знаменитых людей в российской истории, было событием, которого каждый из них всякий раз с нетерпением ожидал.
Некоторые из них хорошо знали историю России и посвящали своих товарищей в зачастую низменные и кровавые подробности биографий прежних правителей их страны.
В начале своего пребывания в Петропавловской крепости Пальчинский находился в весьма хорошем расположении духа. Как и многим его товарищам по заключению, ему и прежде случалось близко познакомиться с интерьером тюремных камер, и он был уверен, что они останутся в живых. Он был избран старостой группы заключенных, содержавшихся в ближайших друг к другу камерах (ими были Кишкин, Терещенко, Рутенберг, Авксентьев, Сорокин и Шмелев)., «Будь спокойна и не волнуйся, — писал он Нине Александровне 28 октября 1917 года. — Как знаешь, у меня всегда чем хуже, тем я веселее и спокойнее… [П]пожалуйста никаких личных хлопот по моему адресу» [6]. Двумя днями позже он замечал: «…после собачьей жизни последних 8 месяцев я отдыхаю и даже доволен, что никого нет около». В письме он дал рисунок своего жилища-камеры № 43 в Алексеевском равелине, отдельно стоящем крепостном сооружении с двумя выступающими из бастиона каменными набережными. Еще десятью днями позже он писал жене, что тюремщики разрешают им читать кое-какие газеты, преимущественно большевистскую «Правду». Прекрасно зная о том, что его письма просматриваются цензорами, он, тем не менее, охарактеризовал «Правду» как «полную лжи» и пошутил по поводу «грязных рук», через которые проходят его письма, прежде чем попасть к жене [7].
Вскоре положение заключенных стало ухудшаться. Комендант тюрьмы Павлов сообщил им, что воинственно настроенные солдаты и матросы угрожают ворваться в крепость и убить «вождей старого режима», якобы удобно устроившихся за ее стенами. И действительно, двое товарищей Пальчинского по заключению (Кокошкин и Шингарев), переведенные для лечения от туберкулеза более доступный для воинственных революционеров тюремный госпиталь, были вскоре убиты в результате налета последних. После известия об этом ужасном событии настроение заключенных резко упало.
ОСВОБОЖДЕНИЕ ИЗ ТЮРЬМЫ
К началу 1918 года правительство большевиков стало более терпимо относиться к «буржуазным специалистам», нуждаясь в их помощи для организации хозяйства и ведения Гражданской войны. 7 марта 1918 года Пальчинский был освобожден из Петропавловской крепости. Однако он не провел на свободе и четырех месяцев: 25 июня его снова арестовали, причем без предъявления какого бы то ни было конкретного обвинения. На этот раз он пробыл за решеткой почти девять месяцев. Когда он сидел в тюрьме, группа левых эсеров — членов террористического крыла партии, с которым он категорически расходился во взглядах, — предприняла покушение на жизнь Ленина; в ответ на это советское правительство объявило, что в случае убийства кого-либо из правительственных чиновников будут казнены 22 известных арестанта (среди которых значился и Пальчинский).
Однако Пальчинский и на этот раз избежал гибели, выправившись словно «ванька-встанька», с которым его сестра по отцу Юлия сравнивала его девятью годами раньше. Швейцарский социал-демократ Карл Моор, осведомленный об инженерной деятельности Пальчинского в Европе, написал Ленину письмо с настоятельной просьбой о его освобождении. Ленин в свою очередь отписал главе петроградского отделения ЧК Григорию Зиновьеву:
Тов. Карл Моор, швейцарец прислал мне длинное письмо с просьбой освободить ПАЛЬЧИНСКОГО ибо он-де крупная техническая и организационная сила автор многих трудов и т. п. Я слыхал и читал о Пальчинском как спекуляторе и пр. ВО ВРЕМЕНА КЕРЕНСКОГО.
Но я не знаю, есть ли теперь данные против Пальчинского? Какие? Серьезные? Почему не применен к нему закон об амнистии?
Если он ученый, писатель, нельзя ли ему — в случае наличности серьезных улик против него — предоставить условия особо льготные {например, домашний арест, лабораторию и т. п.) [8].
Серьезных улик против Пальчинского не оказалось, а его способности хорошо соответствовали новой советской политике привлечения старорежимных специалистов для решения промышленных задач. 17 марта 1919 года он снова был освобожден из тюрьмы. Опасаясь возможности повторного ареста, в течение последующих восьми-девяти месяцев он жил у своих друзей (И.М. Губкина и Л.Т. Рабиновича) в Москве, избегая Петрограда, где оставалась его жена.
Как и подавляющее большинство технических специалистов в России непосредственно после революции, поначалу Пальчинский отнюдь не симпатизировал большевикам, относясь к ним как к узурпаторам власти в стране. Однако с течением времени определенные черты нового советского экономического и политического режима стали привлекать его и многих его коллег. Большевики были привержены созданию планового хозяйства, индустриализации, науке и технике. Они казались горячо заинтересованными в услугах инженеров ученых. Что же касается Пальчинского, то уже задолго до революции он придерживался социалистических убеждений, а во время Первой мировой войны, в бытность свою управляющим военных отраслей, свыкся и с идеей командной экономики. Все это говорило за то, что ему, быть может, удастся в конце концов сработаться с новыми правителями России.
Пальчинский предложил свои услуги новым плановым учреждениям, во множестве возникшим сразу же после победы большевиков, и вскоре был с головой загружен делами. Через несколько недель после своего выхода из тюрьмы он уже давал консультации целому ряду советских учреждений. По иронии судьбы он стал работать на правительство большевиков именно тогда, когда скрывался от ЧК, держась в стороне от своего петроградского дома. Нина Александровна часто писала ему из Петрограда и советовала держаться в тени, но он пренебрегал ее советом, поддерживая постоянные контакты с экономическим и военным начальством Москвы.
23 апреля 1919 года Нина Александровна написала мужу о том, что один из их знакомых был недавно арестован ЧК, и заключила: «Ты видишь из этого, что тебе нечего и думать о Петрограде…» [9]. Некоторое время спустя она сообщила ему о дошедших до нее из нескольких источников слухах, что на одном из заседаний Центрального комитета партии Ленин предложил назначить Пальчинского комиссаром по торговле и промышленности, однако отступил перед лицом возражений. Так, один из протестующих якобы спросил с иронией: «А почему не Милюкова?» — лидера либералов, который был министром иностранных дел во Временном правительстве и известнейшим противником большевиков [10]. Какой бы пикантной, однако, ни казалась эта история: Пальчинский скрывается от чекистов, а в это же время глава большевиков предлагает назначить его на высокий пост в советском правительстве, — она вряд ли могла иметь место в действительности. Ленин отдавал должное техническим способностям Пальчинского, но полагал, что он не заслуживает политического доверия, а потому едва ли стал бы рекомендовать его на столь ответственный пост [11]. Как бы то ни было, подобные противоречивые слухи о Пальчинском иллюстрируют характерную для того времени неразбериху.
18 июня 1919 года Нина Александровна сообщила мужу более зловещую историю. Представитель «органов» зашел в их петроградский дом и спросил: «Проживает ли здесь Пальчинский?» Кто-то из соседей ответил: «Он уже давно не живет здесь». Комментируя этот эпизод, Нина Александровна писала мужу:
Кто это был чрезв[ычайный] или местный — неизвестно. Не забыли о тебе, проклятые. Видно, тебе в Питере долго не жить снова. — Что ты в Москве работаешь уже в стольких местах, это, по-моему, и хорошо, и плохо. Лучше было бы, чтобы твое имя вообще никем и нигде не упоминалось. И в то же время нельзя, значит, тебя укорить в саботаже [12].
В последующих строках того же письма она замечала, что читает книгу Ромена Роллана «Жан Кристоф» и ее поражает сходство героя этого мала с Петром: «Вот фразы, которые характеризуют и его, и тебя: "В нем была упорная воля к жизни, к действию… Лучше жить полной жизнью и сгореть быстро, чем все беречь себя". И еще: "он был из тех людей, которые хотят действовать по тех пор пока больше ничего не остается делать, до последней возможности". Вот так тебя и узнаю».
КОНСУЛЬТАНТ СОВЕТСКОГО ПРАВИТЕЛЬСТВА
Пальчинский и в самом деле «действовал до последней возможности», стараясь соединить свои замыслы промышленного планирования с устремлениями большевиков. Он с особым энтузиазмом отнесся к плану электрифицировать всю Россию за несколько лет и принял весьма популярную в то время идею, что централизованно — планируемая социалистическая экономика позволит осуществить электрификацию гораздо быстрее, чем капиталистическая [13]. Он стал профессором Горного института и работал консультантом по множеству проектов, в числе которых были проекты строительства гигантской плотины на Днепре, составления карт плотности населения и минеральных месторождений, постройки железных дорог и шахт и сооружения морских и речных портов [14].
Благодаря его талантам многие государственные плановые учреждения стремились иметь с ним дело. Он вскоре стал одним из наиболее известных инженеров в Советской России и был избран председателем Русского технического общества и членом руководящего президиума Всероссийской ассоциации инженеров. В те дни он вел необыкновенно деятельный образ жизни и написал десятки статей и отчетов для государственных комитетов.
В 1922 году Пальчинский вновь отдал дань юношескому увлечению анархизмом, попытавшись публично почтить память Кропоткина, за что был опять посажен в тюрьму, на этот раз на два месяца [15]. И снова его спас высокопоставленный чиновник, на сей раз — председатель Госплана Глеб Кржижановский, который в те дни с нетерпением дожидался заказанной им Пальчинскому сводки по металлургии. Находясь в тюрьме, Пальчинский продолжал трудиться над заданием. 16 января 1922 года, за два дня до того, как сводка должна была быть готова, Кржижановский написал руководству ЧК Москвы: «Принимая во внимание, что постоянный консультант Государственной Плановой Комиссии инженер П.А. Пальчинский должен сделать доклад Южному Бюро 18 января сего года в 3 часа дня по вопросу о восстановлении южной металлургии, имеющему особое значение в настоящий момент, президиум Государственной Плановой Комиссии просит Ревтрибунал освободить товарища Пальчинского к вышеназванному часу, дабы он мог выполнить порученное ему задание» [16].
В третий раз освобожденный из советской тюрьмы, Пальчинский чуть ли не прямо из камеры вернулся к своим обязанностям промышленного консультанта. Он тотчас же с головой ушел в свою работу и вскоре был снова нарасхват как один из самых популярных инженеров в России. Он постоянно путешествовал, составил множество отчетов для государственных комиссий и всюду выступал в защиту горного дела и промышленности. В начале 1920-х годов одним из друзей Пальчинского был Морис Лазерсон, французский финансовый эксперт, который помогал в организации Государственного банка. Лазерсон рассказывал, как во время одной их встречи в мае 1923 года он спросил Пальчинского, не боится ли тот, что его снова арестуют. Пальчинский ответил: «Я остаюсь здесь потому, что стремлюсь работать здесь. Это мое место. Не думаю, что мне есть чего бояться после всего того, что я уже пережил. Я больше не сражаюсь с ними, так зачем же им уничтожать меня? А если придет мой час, то вам хорошо известна русская поговорка: "Двум смертям не бывать, а одной не миновать"». По словам Лазерсона,
Пальчинский говорил, что «теперь, когда советский режим явным образом обратился от разрушения к восстановлению, на каждого интеллигентного русского человека ложатся необходимость и долг служить своей стране, с какой бы ненавистью или презрением он ни относился к этому режиму насилия» [17]. Исполненный стремления содействовать развитию в СССР горного дела, Пальчинский даже сочинял стихи соответствующего содержания, которые читал на праздничных собраниях профессиональных инженеров. Я приведу здесь отрывок одного стихотворения, которое он произнес на банкете для инженеров, состоявшемся в Горном институте в 1925 году:
С верой в силу науки мы бодро
Совершаем свой жизненный путь,
И потомкам, надеемся твердо,
Нас придется добром вспомянуть
Труд вложивших свой в Горное Дело.
То, что на сердце долго кипело,
Что томило нас, так волновало,
заставляло все силы напречь,
Пусть здесь выльется искренно в речь,
Что одобрим мы звоном бокала.
Пусть растет наше Горное Дело.
Процветает пусть наш Институт.
Крепнет наше слиянье и труд,
Труд разумный, могучий, умелый,
Процветанье пью Горного Дела [18].
КОНФЛИКТЫ С КОММУНИСТИЧЕСКОЙ ПАРТИЕЙ
Когда дело касалось промышленного планирования и укрепления могущества России, Пальчинский стремился к сотрудничеству с советской властью и коммунистической партией, но он решительно сопротивлялся захвату партией ключевых позиций в любой организации, членом которой состоял. Он проводил резкое разграничение между интересами России как страны, которые горячо поддерживал, и интересами коммунистической партии, вызывавшими у него протест. Когда в декабре 1924 года Всероссийская ассоциация инженеров, членом правления которой он состоял, была вынуждена подчиниться партийному контролю — в частности, приняв новый список сговорчивых кандидатов на руководящие посты, Пальчинский вышел из ее состава [19]. Позже его спросили, не хочет ли он вновь вступить в ряды ассоциации, на что Пальчинский ответил: «К сожалению, о моем возвращении в ВАИ не может быть и речи., пока ВАИ не почувствует себя снова свободной инженерной организацией и не освободится от навязанных ей руководителей, заставивших эту организацию потерять свое общественное лицо» [20].
Убежденный в том, что партийцам свойственно стремление взять в свои руки руководство любой организацией, которая открывает для них двери, Пальчинский старался не допустить их в Институт изучения поверхности и недр. Когда в 1921 году выдающийся геолог и инженер-нефтяник И.М. Губкин, входивший в состав Института, заявил, что, возможно, вступит в партию, Пальчинский написал ему, что этот шаг «будет не в интересах Института» [21]. Губкин, старый друг Пальчинского, решительно ответил, что если он надумает вступить в партию, то сделает это открыто и с полной ответственностью. В то же самое время он вышел из состава Института, так что стремление Пальчинского уберечь Институт от партийного влияния осуществилось. Вскоре после этого Губкин в самом деле вступил в коммунистическую партию и принял активное участие в создании системы партийного контроля в ряде других учреждении, в том числе в Академии наук, где стал одним из первых избранных в ее члены коммунистов [22].
Прямота Пальчинского часто причиняла ему неприятности. В начале двадцатых годов он был назначен постоянным членом Госплана и регулярно участвовал в его заседаниях. Однако к февралю 1924 года частые замечания Пальчинского в адрес политики партии возбудили недовольство председателя Госплана Г.М. Кржижановского. Прослышав о раздражении Кржижановского, Пальчинский написал ему письмо, в котором объявил о своем отказе от членства в Госплане [23]. Кржижановский был, безусловно, рад тому, что этот колкий человек оказался за порогом его официозного учреждения, но в то же время отдал должное способностям Пальчинского, обратившись к нему с настоятельной просьбой продолжить сотрудничество с Госпланом в качестве консультанта, на что Пальчинский дал свое согласие.
В 1926 году Пальчинский проделал маршрут длиною в 12 тысяч километров по среднеазиатской части СССР, путешествуя в течение 65 дней на поезде, пароходе, верхом на лошади и пешком. Он получил от советского правительства задание оценить нефте- и газопромышленный потенциал региона. Пальчинский проявил такую же склонность к критике советской промышленной практики, какую он некогда проявлял в отношении промышленной практики при царском режиме. В частности, он выступил с суровым осуждением того, что было названо им «фонтанной психологией» администраторов нефтяной промышленности, предпочитавших бурить скважины, которые создавали большой внешний эффект и зачаровывали высшее московское начальство, однако игнорировавших большие запасы угля и газа, которые часто оказывались более дешевыми источниками энергии [24]. Пальчинский остался скептиком в отношении команд из центра, игнорирующих местные условия, — каким он был еще до революции, критикуя царское правительство за импорт из Западной Европы камня для фундаментов и набережных, который мог бы быть добыт поблизости от мест их сооружения [25]. Остался он верен и защите рабочих от администраторов. В 1927 году он писал, что в советской нефтяной промышленности «слишком много административных правил и слишком мало правил безопасности» [26]. По его мнению, администраторы нефтеочистительных заводов слишком много говорили о предотвращении воровства и хулиганства и слишком мало — о защите рабочих от пожаров и взрывов. Воровство и хулиганство, указывал он, являются нарушениями, которые относятся к сфере уголовного права. Специфическая же обязанность тех, кто управляет заводами и руководит строительными работами, состоит в охране жизней рабочих [27]. Пальчинский был независимым и даже упрямым человеком, неизменно отказываясь давать свое заключение по любому вопросу до тех пор, пока ему не удавалось скрупулезно собрать все относящиеся к делу данные. В 1928 году, после начала первого пятилетнего плана, в котором делался упор на ускоренный рост эффективности производства, Пальчинский получил от ВСНХ задание дать рекомендации по размещению новых угольных шахт в Челябинской области [28]. Он приступил к заданию со своей обычной доскональностью, запросив обширные данные об угольных отложениях, транспортных сетях и плотности населения. В апреле его попросили ускорить работу, чтобы не выйти за рамки строгого графика, установленного вышестоящим начальством. Пальчинский хладнокровно отвечал, что еще не получил всего массива запрошенных им данных, а некоторые из них совершенно необходимы для проведения анализа, и поэтому он не в состоянии ускорить выполнение проекта [29]. Его единственной уступкой была отсрочкапросьбы о выплате ему жалованья.
НЕЗАВИСИМЫЙ ПРОЕКТИРОВЩИК СОВЕТСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В 1920-х годах Пальчинский разрабатывал свою собственную программу индустриализации Советского Союза. Он расширил созданный им в 1916 году Институт изучения поверхности и недр, содействовал развитию институтского журнала, собрал вокруг себя группу разделявших его взгляды инженеров. Вдобавок к этому, из-под его пера струился устойчивый поток передовиц и статей, призывавших к плановому развитию советской промышленности на прочной основе не имеющих залежей полезных ископаемых на территории страны [30]. В феврале 1922 года он основал в Москве Клуб горных деятелей — добровольную организацию, которая должна была проводить независимую экспертизу горнопромышленных проектов и издавать периодические сводки. Стремясь держаться в курсе иностранной литературы в своей области, он читал и составлял обзоры трудов, выходивших на английском, французском, немецком и итальянском языках [31]. Вместе с тем, в своей собственной работе Пальчинский не ограничивался простым копированием идей иностранных авторов, но развивал представления, крепко привязанные к условиям России. Он подчеркивал, что революция преодолела многие из тех препятствии к индустриализации, с которыми прежде сталкивались инженеры. По его мнению, новый советский режим предоставил такие возможности для промышленного планирования, о которых инженеры в царское время не могли' и мечтать, он действительно считал, что советские инженеры, свободные от хозяев-капиталистов, могут стать более авторитетной силой для своего народа, чем это возможно для инженеров где бы то ни было еще. Он надеялся, что советским инженерам удастся занять позиции, которые при капитализме принадлежали финансистам и предпринимателям [32].
Хотя Пальчинский и был привержен идее централизованного планирования, он считал, что разрабатываемый центром план должен иметь весьма общий характер, допуская множество местных вариаций. Он должен оставлять место для индивидуальной инициативы. Специфические местные условия — такие, как наличие и стоимость угля, водного транспорта, квалифицированного труда и строительных материалов — вызовут различные решения в ситуациях, на первый взгляд кажущихся аналогичными [33]. Решение о том, использовать ли дрова или уголь в качестве топлива для паровозов на советских железных дорогах, не должно диктоваться из Москвы, писал он; вместо этого, следует выбирать то или иное топливо в пределах каждого региона в зависимости от существующих там цен.
В конце двадцатых годов советские специалисты по хозяйственному планированию разделялись на сторонников «функционального» и «регионального» планирования. «Функционалисты» считали, что планирование должно осуществляться из центра, т. е. из Москвы, и производиться с точки зрения целых отраслей промышленности (таких, как черная металлургия), не уделяя большого внимания местным различиям. «Регионалисты» же считали, что планирование должно «вырастать из земли», основываясь на доскональном изучении региональных особенностей (таких, как залежи полезных ископаемых, центры концентрации населения, транспортные сети, объекты культуры и отдыха и так далее. Пальчинский стоял за комбинирование обоих типов планирования, но в своих отчетах первостепенное внимание уделял региональному. Подчеркивая особое значение местных условий, он стремился нейтрализовать тенденцию московских проектировщиков к их игнорированию, особенно усилившуюся по мере того, как коммунистические руководители сосредоточивали все большую власть в пределах столицы. Пальчинский считал, что необходимо выезжать в провинцию, изучать существующую ситуацию (причем не только природные, но и человеческие ресурсы), а уже потом составлять планы промышленного развития, которые бы предусматривали множество вариаций применительно к особенностям конкретных местностей. Его раздражали чиновники Госплана, которые обвиняли его в «параллелизме», когда он призывал к проведению как региональных, так и функциональных изысканий. Ведь именно Госплан, настаивал он, как раз и должен заниматься комбинированием этих подходов.
Повышенное внимание Пальчинского к местным различиям отчасти проистекало из того, что он получил образование инженера по горным работам — области, в которой локальная специфика имеет огромное значение, отчасти же объяснялось его убеждением в том, что слепое, замкнутое в центре планирование обречено быть неэффективным в техническом плане и несправедливым в плане человеческом. Вдобавок к тому, что такое планирование оказывалось не столь плодотворным для развития промышленности, оно еще и попирало интересы местного населения, не считаясь с его специфическими жизненными условиями и нуждами.
Уже в 1922 году Пальчинский резко критиковал пристрастие большевиков к индустриальным гигантам — веру партийных руководителей в то, что лучшими предприятиями всегда будут самые большие. Он сокрушался по поводу идеологии, объявлявшей мелкие отрасли производства, мастерские, кустарей и ремесленников пережитками прошлого. Задаваясь риторическим вопросом — «Можно ли строить локомотивы, океанские суда, мосты и гигантские гидравлические прессы в маленьких цехах или кустарных мастерских?», — он отвечал: «Конечно нет. Но нужны ли нам гигантские фабрики, чтобы иметь хорошие пуговицы, хорошие носки, канцелярские товары, столовую посуду, одежду и т. п.? Конечно нет» [34]. Пальчинский призывал к симбиотической комбинации всевозможных разновидностей индустрии. Советский Союз, говорил он, должен иметь цель, превосходящую создание тяжелой промышленности; должен стремиться к тому, чтобы стать обществом, в котором находят свое удовлетворение все человеческие запросы, — а этой цели не достичь, если отсутствует многообразие масштабов, стилей, а также форм управления.
Еще в дореволюционные годы, когда Пальчинский проживал в изгнании в Западной Европе, на него произвел впечатление тот факт, что даже в тяжелой промышленности мелкомасштабные предприятия порой оказываются наиболее эффективными. Так, в 1911 году он писал, что в британской угольной промышленности наибольший вклад в добычу вносит не совокупная деятельность крупнейших шахт (каждая из которых насчитывает более 1000 рабочих), но совокупная деятельность шахт средней величины (насчитывающих от 100 до 1000 рабочих каждая). Последние производили 70 % британского угля, в то время как на долю первых приходилось 28 % [35].
После революции, став консультантом советских промышленных руководителей, Пальчинский продолжал рассуждать в том же духе. Он указывал, что средние и мелкие предприятия нередко имеют преимущества перед крупными [36]. На небольших предприятиях, как правило, легче произвести замену оборудования. Процесс управления на них отличается большей простотой и доверительностью. Рабочим мелких и средних предприятий обычно бывает легче понять, каковы конечные цели их деятельности. Небольшие заводы и фабрики, заключал он, имеют то психологическое преимущество, что все, кто там трудится, обычно чувствуют себя органически взаимосвязанными друг с другом.
Понимая и то, что необходимым образом должен существовать также ряд крупных предприятий, Пальчинский считал, что, поскольку Россия не располагает капиталом, чтобы начать их сооружение, деньги на это придется доставать за границей. В 1922 году он предложил, чтобы Всероссийская ассоциация инженеров взяла на себя роль некоммерческого консультанта для акционерного общества, которое будет осуществлять вложение иностранных капиталов в России [37]. Впоследствии, однако, он отказался от этой идеи, предупреждая о необходимости строгого контроля над иностранными концессиями [38]. Будучи социалистом, он опасался того, что иностранный капитал может получить слишком большое влияние в экономике СССР. Его осторожный призыв к инвестиции зарубежных капиталов хорошо соответствовал «новой экономической политике» двадцатых годов, но послужил бы поводом для критики, когда в конце того же десятилетия иностранные концессии были аннулированы.
ГУМАНИСТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Пальчинский придерживался мнения, что во всех инженерных разработках важнейшим фактором являются люди [39]. Он не уставал подчеркивать, что не может быть успешной индустриализации и высокой эффективности производства без высококвалифицированных рабочих и адекватного обеспечения их социальных и экономических потребностей. Инвестиции в сферу образования способствуют индустриализации больше, чем эквивалентное вложение средств в промышленное оборудование, считал он, поскольку необразованный или подавленный рабочий быстро приведет оборудование в негодное состояние [40]. Простое пополнение оборудования при невнимании к моральному состоянию и выучке рабочих принесет огромный ущерб. Людей надлежит рассматривать не как наемную мускульную силу, но в качестве творческих личностей, имеющих культурные и духовные запросы. Забота об удовлетворении запросов рабочих является, таким образом, не просто этическим принципом, но и необходимым условием для создания эффективного производства.
В 1926 году Пальчинский указывал, что, хотя промышленность России в целом оправилась от ущерба, нанесенного ей войной и революцией, существуют громадные различия в эффективности работы между отдельными предприятиями [41]. Эти различия не были обусловлены неодинаковой технической оснащенностью. Некоторые из наиболее эффективных производств были оснащены хуже, чем те, которые отличались меньшей эффективностью [42]. Все дело сводилось к рабочим — к тому, насколько хорошо они были обучены, насколько хорошо с ними обращались, насколько заинтересованы они были в своей работе [43]. Забота о людях, увещевал Пальчинский руководителей российской промышленности, «принесет больше плодов, чем все остальное» [44]. Реконструкция и рост российской промышленности, считал он, должны основываться на «внутреннем обновлении», а не достигаться ценой навязывания сверху форсированных темпов работы или импорта техники.
Пальчинский верил, что социалистическая Россия имеет возможность создать значительно более человечную промышленность, чем во всем остальном мире. Несмотря на свое восхищение, к примеру, американскими рабочими, он полагал, что промышленные администраторы в Соединенных Штатах чересчур ограничены в своем интересе к извлечению прибыли, а американское общество в целом слишком эгоцентрично. Вместо доктрины Монро с ее лозунгом «Америка — для американцев» Пальчинский провозгласил новый принцип: «Мир — для населяющих его людей» [45].
Парадоксальным образом Пальчинский и некоторые из его чуждых марксизму коллег по Институту изучения поверхности и недр относились к американским методам управления более критически, чем само большевистское руководство СССР. Марксисты, в 1917 году захватившие в стране власть, были полны стремления использовать новейшие методы промышленного управления и занялись штудированном доктрин американцев Фредерика Уинслоу Тэйлора и Генри Форда. Первый из них в первые десятилетия двадцатого века внедрил систему измерения эффективности промышленных операций «time-and-motion» (время-и-движение), которая произвела переворот в машиностроительной практике. Он также рационализировал организацию рабочего места и характер использования рабочими оборудования и инструментов. Генри Форд ввел в автомобилестроение принцип производственного потока и сборочный конвейер. Он впервые внедрил свою систему в пригороде Детройта Хайленд-Парке (штат Мичиган) в 1913 году, то есть всего лишь за четыре года до того, как в России большевики пришли к власти. Применение методов Тэйлора и Форда на американских заводах вызвало рост производительности, но вместе с тем навязало рабочим форсированный темп работы.
«Фордизм» и «тэйлоризм» стали общепринятыми словечками в лексиконе советских промышленных руководителей [46]. Не кто иной как сам Ленин одобрил новые методы промышленного управления, заявив в 1918 году, что «мы должны внедрить систему Тэйлора и научную американскую систему повышения производительности труда во всей России» [47]. Александр Гастев — человек, в 1920-е годы возглавлявший Институт труда, декламировал перед советскими рабочими:
Возьмем буран революции — СССР, Вложим пульс жизни Америки, и Сделаем работу выверенную как хронометр [48].
Пальчинскому и ряду его товарищей по инженерной работе были по душе перспективы роста производительности благодаря внедрению сборочных конвейеров и секундомеров с остановом, однако они с беспокойством думали об умственном оцепенении, которое может развиться у рабочих вследствие применения методов Тэйлора и Форда. Не окажется ли так, что работающего на сборочном конвейере станут расценивать всего лишь как пару рук или винтик в машине, перестав воспринимать его в качестве личности [49]? Социалистический подход к рационализации производства (в отличие от капиталистического) должен сосредоточиваться, считали они, не только на внедрении системы «время-и-движение» ради поиска наиболее эффективного способа надеть гайку на болт, но и на улучшении образовательного уровня и благополучия рабочих. Рабочие, которым такие улучшения приносят личную пользу, будут сами стремиться к тому, чтобы найти наиболее эффективный способ производить продукт своего труда, и станут охотно сотрудничать с администраторами ради выполнения этой задачи [50].
Чем более детально Пальчинский вникал в систему Тэйлора, тем более сильный протест она у него вызывала, и он выдвинул в качестве альтернативы идею гуманистической инженерии [51]. Сущность последней заключалась в подъеме знаний рабочего до такого уровня, когда примитивные методы тэйлоризма, разработанные для неквалифицированных работников, окажутся ненужными. Эрудированные рабочие, полагал Пальчинский, будут хозяевами своего труда, а не его рабами.
В целях подготовки хорошо образованных рабочих Пальчинский предложил создать расширенную систему рабочих школ, которые бы финансировались правительством, но курировались инженерными обществами — такими, как Русское техническое общество. Однако советское правительство не видело никакой необходимости в создании специальных школ вне обычной образовательной системы и к тому же с недоверием относилось к инженерным обществам, многие члены которых, подобно Пальчинскому, не принадлежали к коммунистической партии. Не останавливаясь перед этим, Пальчинский упорно и без успеха боролся за свои педагогические идеи и в 1925 году даже апеллировал в письменной форме к партийному вождю Льву Троцкому [52]. (Он не знал, что в то время политическое влияние Троцкого уже начинало уменьшаться).
ЗАМЫСЛЫ НА БУДУЩЕЕ
Будучи человеком, умудренным обширными знаниями и жизненным опытом, Пальчинский подходил к техническим проблемам в исключительно широком плане.
Он привносил в их рассмотрение и свойственную инженеру заботу об эффективности производства, и заботу о социальной справедливости, свойственную дореволюционной партии эсеров, которой он в свое время симпатизировал. Пальчинскому не было чуждо даже то, что мы сегодня назвали бы экологической озабоченностью, например, он предостерегал о том ущербе, который может нанести российским лесам чрезмерное использование древесных материалов для строительства и в качестве топлива; при этом он считал, что социалистический режим сможет с большим успехом находить решение подобных проблем, нежели капиталистический [53]. Вместе с тем, в этих вопросах он порой и проявлял жесткий практицизм, стремясь оградить промышленных администраторов от того, что казалось ему чересчур суровыми природоохранительными предписаниями. К примеру, он резко возражал против некоего проекта мероприятий, направленных на борьбу с отходами и разрушением природы вокруг шахт и нефтяных скважин, полагая, что последний задает слишком сильные ограничения, которые чрезвычайно затруднят работу административно — управленческого персонала [54].
Пальчинский выдвигал инженеров на поистине грандиозную роль в обществе. Он хотел от инженеров применения новой формы социального анализа к проблемам индустриализации и полагал, что для того, чтобы это могло произойти, само положение инженера в обществе должно кардинально измениться. В прежние времена общество отводило инженеру пассивную роль: высшие инстанции поручали ему находить решения технических проблем. Теперь же, утверждал Пальчинский, инженер должен выявиться в качестве активного устроителя экономики и промышленности, указывая, где быть экономическому развитию и какую форму оно должно принять [55]. К примеру, инженер, которому поручено разработать план сооружения крупной плотины-гидротурбогенератора на большой реке, должен задаться вопросом, будет ли это оптимальным способом получения электричества. Какие есть «за» и «против» в отношении различных способов его производства? Если в данной местности имеются в распоряжении запасы угля, то более разумным вариантом может оказаться строительство теплоэлектростанции. В конечном счете, ответ будет определяться анализом местных факторов и оценкой всего спектра последствий — экономических, социальных и природных — каждого из возможных вариантов.
Представление Пальчинского о новом советском инженере основывалось на его твердом убеждении, что широкий подход к инженерному делу будет иметь своим результатом более эффективные промышленные предприятия и более удовлетворенных рабочих. Рисовавшийся ему тип нового инженера также соответствовал его собственной профессиональной гордости. Как замечал Эдвин Лэйтон, в те же годы инженеры в Соединенных Штатах были «одержимы мыслями о социальном статусе» [56]. Пальчинский и его коллеги были полны стремления выдвинуть фигуру инженера на новый высокий общественный пьедестал, и они верили, что Советский Союз с его упором на централизованно-планируемую индустриализацию дает для этого исключительные возможности.
При всей его умудренности в том, что касалось инженерного дела, Пальчинский, однако, жестоко заблуждался относительно политического курса СССР. Его величественные замыслы об инженерах могли воплотиться только в рамках общества, которое допускало бы для разнообразных профессий высокую степень автономии и правительство которого отличалось бы готовностью прислушиваться к советам, исходящим из неофициальных кругов. Как ему предстояло убедиться, Сталин имел совершенно иной взгляд на общество и индустриализацию.
СТАЛИНИЗМ И ПАЛЬЧИНСКИЙ ЛИЦОМ К ЛИЦУ
Обладая преимуществом «ретроспективного прогноза», историк мог бы предсказать столкновение между программой Пальчинского и другой программой индустриализации — той, которую приняла коммунистическая партия. Разлад представлений Пальчинского с точкой зрения партии достиг крайней степени, когда в конце двадцатых годов установился абсолютный контроль Сталина. Первейшим пунктом разлада был вопрос о политической власти. Коммунисты никогда не позволяли каким бы то ни было профессиональным группам иметь ту автономию или заниматься тем широким спектром социальных вопросов, какие предусматривал для инженеров Пальчинский.
Когда Сталин установил контроль над политической и экономической системой Советского Союза, представления Пальчинского столкнулись с еще большими препятствиями. Пальчинский любил говорить, что хороший инженер не может творить чудеса, но может лишь извлечь максимум в пределах возможного [57]. Сталин же, в противоположность этому, развязал идеологическую кампанию за экономическое развитие, которая ставила фантастически оторванные от реальности цели, требовавшие сверхчеловеческих усилий. Поклонник гигантских электростанций, впечатлявшийся их размерами и революционным символизмом, он настаивал на их насаждении вне всякой связи с местными условиями, которым Пальчинский придавал такое важное значение. Сталин вообще требовал, чтобы промышленные сооружения были громадных размеров, лучше всего — самыми громадными в мире, проводя промышленную политику, которую западные наблюдатели впоследствии охарактеризовали словом «гигантомания». Пальчинский же утверждал, что размер сам по себе достоинством не является [58]. Сталин весьма охотно шел на то, чтобы вытеснять малообразованных крестьян из деревни и бросать их в новые отрасли промышленности, к работе в которых они не были подготовлены. Результатами были — высокий уровень промышленного травматизма и низкокачественная продукция, наглядно описанные в относящихся к тому периоду воспоминаниях [59]. Переселенные работники были лишены адекватных жилищных условий, особенно в холодное время года. Высокий уровень их смертности от переохлаждения и прочих атмосферных условий, а также от болезней был для Сталина вполне приемлемой издержкой, для Пальчинского же — свидетельством неразумности, неэффективности и несправедливости.
В то время как Пальчинский призывал к умеренности, заявляя: «Мы не волшебники, мы не можем сделать все, что угодно», Сталин утверждал: «Нет крепостей, которые большевики не могут взять приступом» [60]. И, в то время как Пальчинский считал, что важнейшую роль в индустриализации играет человеческий фактор, Сталин подчеркивал, что техника решает все! [61]. Есть поистине глубокая ирония в том, что профессиональный инженер призывал к тому, чтобы уделять человеческим потребностям больше внимания, чем технике, тогда как глава партии ставил технику превыше всего остального.
Конфликт между позициями этих двух людей имел своим главным источником то недоверие, которое испытывал Сталин к специалистам, получившим образование в дореволюционный период. В свое время Сталин участвовал в работе комиссии по расследованию имевших место сразу же после революции забастовок среди университетских преподавателей, а также инженеров, и он стал рассматривать представителей технической интеллигенции как потенциальных саботажников [62]. В глазах Сталина Пальчинский не только имел отличное от его собственного мнение по поводу того, каким образом следует осуществлять индустриализацию СССР, но еще и вынашивал опасные и далеко идущие замыслы. Пальчинский призывал инженеров играть активную роль в политике; что же касается Сталина, то его мнение на этот счет прозвучало в интервью, взятом у него в 1934 году Гербертом Уэллсом: «Инженер, организатор производства, работает не так, как ему хотелось бы, но так, как ему приказывают… Не следует думать, что техническая интеллигенция может играть независимую роль» [63].
О гордости, с которой относился Пальчинский к профессии инженера, и о том, какую высокую роль он отводил науке и технике, свидетельствует хранящийся в его архиве черновик письма, датированный 5 декабря 1926 года. В письме, предназначавшемся, по всей видимости, Алексею Ивановичу Рыкову (тогдашнему премьер-министру Советского Союза), Пальчинский утверждал, что наука и техника являются более важными факторами формирования общества, чем сама коммунистическая идеология. Нынешнее столетие, писал он, представляет собой не эпоху интернационального коммунизма, но эпоху интернациональной техники.
Не Коминтерн, а «Техинтерн» — вот что нам следует признать. Друзья Пальчинского с полным на то основанием убедили его не отправлять это письмо [64].
Хотя среди своих собратьев по профессии именно Пальчинский наиболее последовательно отстаивал альтернативное представление об индустриализации и престиж профессии инженера, подобные вопросы волновали и других инженеров. Одним из средоточий технократической мысли в России в двадцатые годы являлся журнал «Вестник инженеров», редактором которого был И.А. Калинников, занимавший ряд ответственных постов в сфере инженерного образования, включая пост ректора знаменитого Московского высшего технического училища [66]. (Впоследствии он, как и Пальчинский, будет обвинен как один из лидеров Промышленной партии). В 1927 году Калинников содействовал организации дискуссионной группы — так называемого «Кружка по общим вопросам техники», объявившего своей целью выработку «совершенно нового мировоззрения, которое бы полностью соответствовало современной технической культуре». Один из участников этого кружка, инженер П.К. Энгельмейер, обратился к инженерам с призывом объединиться «не только по линии профсоюзов, но и на базе идеологии» [67]. При этом он не позаботился упомянуть о марксизме в связи с этой новой идеологией, чем вызвал немедленную критику со стороны идеологов коммунистической партии.
Другим средоточием советского технократического движения были технические советники центрального планово-экономического аппарата страны. При ВСНХ существовала Научно-техническая администрация, отвечавшая за разработку стратегий производственных исследований и развития индустрии [68]. Пальчинский входил в число ее сотрудников (большинство которых были впоследствии преданы суду). Инженеры Научно-технической администрации призывали к применению научных методов анализа не только к проблемам экономического развития СССР, но и в таких областях, как промышленная психология и управление производством. Как они заявляли в одном из своих документов, «будущее принадлежит управляющим-инженерам и инженерам-управляющим» [69]. Это было утверждение, которым их партийные критики впоследствии весьма успешно воспользовались против инженеров как свидетельством того, что они (инженеры) считают себя выше рабочего класса.
В борьбе Сталина за абсолютную политическую власть для него оказалось удобным, что один из его главных критиков Николай Бухарин был связан с технократическим лагерем [70]. Эта связь была не антисоветским заговором (как утверждал Сталин), а просто-напросто связью людей, обладавших родственными взглядами и к тому же объединенных бюрократически. Бухарин и его товарищ по партии Рыков, придерживавшийся сходных убеждений, нередко защищали инженеров и отдавали должное их подходу к промышленному планированию. Бухарин даже заимствовал у них фразу «будущее принадлежит управляющим-инженерам и инженерам-управляющим» [71]. Более того, он в течение недолгого времени был главой Научно — технической администрации при ВСНХ. Все это давало Сталину возможность нанести сразу два удара: во-первых, по своему главному сопернику, а во-вторых — по тому, что он считал наглыми амбициями инженеров.
И Сталин нанес свои удары, имевшие трагические последствия. Незадолго до ареста Пальчинского в апреле 1928 года, был произведен арест группы инженеров, обвиненных в организации диверсий на угольных шахтах неподалеку от города Шахты на Северном Кавказе [72]. В мае шахтинские инженеры предстали перед судом; пятеро из них были приговорены к смертной казни, шестеро — к по жизненному заключению, еще тридцать восемь человек получили различные тюремные сроки (от одного до десяти лет), и четверо были оправданы. Далее, спустя два с половиной года после ареста Пальчинского, в период с 25 ноября по 7 декабря 1930 года состоялся так называемый процесс Промпартии — суд над восьмью ведущими советскими инженерами, обвиненными в том, что в двадцатые годы они участвовали в заговоре с целью свержения советского правительства [73]. Руководителем заговора был назван Пальчинский, который к тому времени уже был тайно казнен.
Эти события явились лишь началом той эпохи террора среди советских инженеров, когда тысячи их были арестованы. К тому моменту, о котором идет речь, во всем Советском Союзе насчитывалось около десяти тысяч инженеров. В конечном счете, примерно 30 процентов собратьев Пальчинского по профессии подверглись аресту — и большинство из них были брошены в исправительно-трудовые лагеря, оставлявшие им мало шансов на выживание. Те, кому повезло, были помещены в специальные научно-изыскательские учреждения за решеткой и работали там над правительственными заданиями. Роман Александра Солженицына «В круге первом» описывает одну из таких тюремных лабораторий, созданных после процесса Промпартии [74].
Когда жена Пальчинского Нина Александровна узнала о его гибели, ей стало ясно, что и ей самой угрожает опасность — ведь членов семей «врагов народа» зачастую отправляли в тюрьму по стопам последних. В довершение всего, ее прежние московские и ленинградские друзья перестали общаться с ней, боясь, как бы и им в свою очередь не попасть под подозрение. В письме от 16 августа 1929 года она писала вдове Кропоткина: «Я осталась без всяких средств, и никто не оказал мне какой бы то ни было помощи, все меня избегают и боятся.
И я поняла теперь, что такое друзья. Очень мало есть исключений» [75]. Стремясь к анонимному существованию, она бежала в российскую «глубинку», где поступила на самую неквалифицированную работу по уходу за больными. Ей, получившей хорошее образование и энергично боровшейся за права женщин как до так и после революции, было нелегко приспособиться к своему новому образу жизни. Однажды вечером она пошла в местный кинотеатр, где показывали фильм о русской революции. К ее ужасу, среди персонажей картины оказался ее муж, Петр Пальчинский, фигурировавший в качестве врага революции. Какой-то едва знавший ее человек в зрительном зале крикнул: «А у нас тут есть Пальчинская» — и указал на Нину Александровну [76]. Она была немедленно арестована и бесследно исчезла в лагерях.
ДОКЛАД ОГПУ
Итак, что же в деятельности и взглядах Пальчинского более всего возмутило деятелей советских секретных «органов»? Какие конкретные обвинения они выдвинули против него? Ответы на эти вопросы дает составленный уже после расправы над Пальчинским вышеупомянутый доклад ОГПУ из собрания библиотеки ИНИОНа [77].
В этом докладе Пальчинский представлен в качестве главаря «инженеров-вредителей», стремившихся к восстановлению в СССР капитализма. Центрами антисоветского заговора названы Институт изучения поверхности и недр, а также Клуб горных деятелей — учреждения, организованные Пальчинским. В качестве одного из основных обвинений против Пальчинского и этих его «детищ» фигурирует тот факт, что они настаивали на публикации «детальной статистики» по горной и нефтяной промышленности которой могли воспользоваться антисоветские организации. Таким образом, советские правители продемонстрировали такое же отношение к статистическим данным о производстве и условиях труда, какое проявило царское правительство, когда в начале столетия Пальчинский изучал «рабочий вопрос» в Донбассе. Царское правительство наказало его ссылкой в Сибирь; советское правительство прибегло к аресту и смертной казни.
Отчет о допросе «инженеров-вредителей» во многих местах напоминает средневековые хроники, писавшиеся главным образом в целях морального поучения, — он не содержит достоверных фактов, однако показывает, к созданию каких мифов стремились «органы». Инженеры выведены в качестве предателей, подкупленных западными компаниями (такими, как «Shell Oil» и «Nobel Company») и выполняющих приказы из-за рубежа, направленные на разрушение советской промышленности. Они одержимы неслыханной жаждой наживы и готовы пойти на все ради денег, используя как законные, так и противозаконные средства. Так, они используют ради своей выгоды внутрипартийные разногласия (имевшие место вокруг таких фигур, как Троцкий или Бухарин), приводя их как свидетельства того, что советский режим находится на грани разрушения. Их планы экономического развития имеют своей целью подрыв советской промышленности через замедление ее роста вследствие выдвижения минимальных целей.
Нельзя утверждать, что никто из инженеров, арестованных советскими властями по делу Промпартии, не был ни капельки замешан ни в одном из пунктов, по которым их обвиняли, однако имеющиеся факты в подавляющем большинстве свидетельствуют в пользу их невиновности. Что касается Пальчинского, объявленного «органами» главарем заговора, то ныне мы имеем доступ к его личным бумагам, черновикам выступлений, частной переписке с родственниками, а также подробным отчетам о его деловых и частных встречах. Поскольку он, словно дотошный коллекционер, собирал всевозможные документы о ходе своей жизни, в его личном архиве сохранились даже железнодорожные билеты, квитанции, заметки, которые он делал во время профессиональных заседаний, а также отклики на прочитанные им статьи и книги в виде заметок на полях. Среди всего этого массива данных мы нигде не находим какого бы то ни было указания на то что он действовал против индустриализации Советского Союза. Напротив, мы находим множество свидетельств тому, что он содействовал ей как только мог.
К середине 1920-х годов Пальчинский стал энергичным сторонником индустриализации в условиях социалистического хозяйства, отдавая ей предпочтение перед капиталистической индустриализацией. «Какое может быть сравнение между методами развития, например, нефтяных или каменноугольных районов при частнокапиталистическом и современном строе? — писал он в 1926 году —…только обстановка национализированных недр и поверхности позволяет наилучшим образом осуществить такой своего рода идеальный подбор и выбор при ориентации на плановое, рационализированное государственное хозяйство» [78].
Надо сказать, что как раз этот энтузиазм Пальчинского по поводу новых возможностей, открывающихся при социализме, послужил источником его убеждения, что именно инженеры — а не капиталисты-хозяева фабрик и шахт — призваны сыграть активную роль в создании планов экономического развития. Главная цель, установленная им для Института изучения поверхности и недр, состояла в том, чтобы «способствовать экономическому развитию России путем изучения ее природных ресурсов и определения их наиболее рационального использования» [79]. Подобно этому, предназначение Клуба горных деятелей, который был также его детищем, заключалось в том, чтобы помогать советскому правительству в оценке горнопромышленных проектов, дабы «добиться максимальной степени объективности» [80]. В ретроспективном плане Пальчинский, быть может, покажется наивным в своем убеждении, что советское правительство с благодарностью воспримет подобные услуги, — как, впрочем, и в своей переоценке царского правительства в тот момент, когда он посылал ему свои донбасские отчеты, при всем этом, однако, его стремление неизменно состояло в том, чтобы содействовать своей стране путем повышения ее промышленного могущества и благосостояния ее народа.
Глава 3
НАЧАЛЬНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ СССР
Жизнь и «смерть Петра Пальчинского дают нам ключ к объяснению провалов советской политики индустриализаации. Он олицетворяет тип инженера, который был уничтожен на раннем этапе советской истории и которого так остро недоставало впоследствии Участь, постигшая Пальчинского и его коллег-единомышленников конца 1920-х годов, печальным образом сказалась на всем последующем развитии промышленности в СССР — подобно тому, как ликвидация предприимчивой части крестьянства — так называемых «кулаков» — отразилась на развитии сельского хозяйства. И когда в конце 80-х-начале 90-х годов Горбачев, Ельцин и их коллеги взялись за возрождение сельского хозяйства и промышленности, они столкнулись с необходимостью преодоления долгосрочных последствий устранения лучших представителей экономики страны и замены последних людьми, исполненными решимости во что бы то ни стало избежать участи своих предшественников.
С самого начала первого пятилетнего плана, к осуществлению которого СССР приступил в 1927 году незадолго до гибели Пальчинского, те инженерные принципы, которых придерживались он и его товарищи, последовательно игнорировались. Пальчинский и его единомышленники утверждали, что в социалистическом обществе наивысшим приоритетом индустриального развития должны стать рабочие и местное население, ибо без здоровых, образованных и заинтересованных в своем труде работников промышленный рост будет не более чем иллюзией, обреченной на провал. Они также подчеркивали, что промышленное развитие должно осуществляться в соответствии с рациональными принципами и планироваться на долгие сроки. Пятилетние же планы, столь громко прославлявшиеся как в Советском Союзе, так и за его границами, не только игнорировали эти принципы, но и обманули доверие рабочих, с энтузиазмом включившихся в строительство социализма.
Кампания по индустриализации, захватившая Советский Союз в конце 20-х — начале 30-х годов, совпала с величайшим кризисом капиталистического мира. В то время как Америка и другие индустриальные державы пробивались сквозь Великую депрессию, социалистическая Россия развивалась с головокружительной скоростью. Западные корреспонденты, жившие в то время в Москве, слали своим соотечественникам повествования о героических достижениях советских шахтеров, сталелитейщиков, токарей и строителей каналов и плотин. Для многих людей на Западе, следивших за этими новостями в то время, как толпы безработных стояли в очередях у бесплатных столовых в Детройте, Манчестере или Питтсбурге, советская кампания по индустриализации стала олицетворением социалистического будущего всего человечества. Вплоть до наших дней за пределами бывшего Советского Союза не померкли воспоминания о первых шагах советской индустриализации. И вплоть до наших дней вопрос о технической и социальной осмысленности этих первых шагов остается в значительной степени неисследованным. Но, хотя эта книга и не может претендовать на исчерпывающий пересмотр, сегодня мы располагаем уже достаточными сведениями, чтобы понять, что советские индустриальные проекты были глубоко порочны с инженерной точки зрения, оказали чудовищное опустошающее влияние на веру тех работников, которые содействовали их осуществлению, и обошлись страшной ценой в виде жизней тех, кто участвовал в них добровольно или в принудительном порядке.
Следует отметить, что инженерные изъяны этих проектов не остались незамеченными с самого начала. Действительно, инженеры с дореволюционным образованием, включая Пальчинского, указали на большую часть изъянов еще до того, как началось осуществление соответствующих проектов, тем самым предоставив оружие своим оппонентам, которые принялись изобличать их как саботажников или «вредителей». Однако, согласно имеющимся историческим свидетельствам, большинство старорежимных инженеров были исполнены энтузиазма по поводу потенциала, который таила в себе плановая социалистическая экономика, и выступали лишь против иррациональных решений, принимавшихся руководством сталинской России.
Тройка монументальных проектов первых пятилетних планов включала в себя возведение крупнейшей в мире гидроэлектростанции на реке Днепр (Днепрострой), строительство крупнейшего в мире сталелитейного завода в комплексе с западносибирским городом Магнитогорском (Магнитострой) и сооружение, в рекордно короткие сроки. Беломорского канала, соединяющего Балтийское и Белое моря (Беломорстрой). Во всех трех проектах принимали участие старорежимные инженеры. Что касается Пальчинского, то он участвовал в обсуждении планов Днепростроя и Магнитостроя и дал свою оценку Беломорстрою. Его коллеги-инженеры, лишившиеся свободы после гибели Пальчинского, стали главными техническими консультантами Беломорстроя. Представляется поучительным хотя бы вкратце рассмотреть ту роль, которую сыграло (или не сумело сыграть) техническое консультирование в каждом из этих проектов.
ВЕЛИКАЯ ДНЕПРОВСКАЯ ПЛОТИНА
Возведение гидроэлектростанции на реке Днепр в окрестностях Запорожья — сооружения, ядром которого должна была стать величественная плотина имени Ленина, представляло собой один из самых легендарных проектов первого пятилетнего плана. Этот проект был предтечей всех прочих великих строительных проектов начального этапа советской индустриализации, включая построение стального города Магнитогорска, угольного города Кузнецка и Беломорского канала.
Из всех этих грандиозных проектов Днепрострой был, вероятно, наиболее осмысленным с инженерной точки зрения. Его осуществлению предшествовал более тщательный анализ, чем это было при подготовке большинства других проектов, а сам процесс строительства отличался тем, что в нем в меньшей степени использовался труд заключенных, зато применялось больше трудосберегающего оборудования, и советские руководители работ были более склонны прислушиваться к заключениям специалистов — как иностранных, так и отечественных, чем это было при осуществлении большинства последующих проектов.
В числе основных технических консультантов Днепростроя были несколько немецких инженеров, а также инакомыслящий американский инженер, полковник Хью Купер (с которым Пальчинский был лично знаком) [1]. В сооружении гидроэлектростанции принимали участие несколько зарубежных строительных компаний. По настоянию Купера и других специалистов были использованы гигантские подъемные краны и прочее новейшее оборудование, привезенное из-за границы. Колоссальную роль сыграла и та энергия, которую внесли в Днепрострой тысячи советских рабочих, исполненных неподдельным желанием способствовать построению нового социалистического общества. Будучи первым из великих индустриальных проектов СССР, проект возведения Днепровской плотины отличался также тем, что при его разработке допускалась более высокая степень технического инакомыслия по сравнению с последующими проектами. В начале и середине двадцатых годов, когда составлялись планы строительства Днепровской плотины, отечественный инженер еще мог высказывать сомнения по техническим вопросам без того, чтобы немедленно получить ярлык «вредителя», а иностранный инженер мог предлагать изменения в строительных планах без того, чтобы быть обвиненным в пособничествеинтересам иностранного капитала. Однако более подробное знакомство с особенностями проекта сооружения Днепровской плотины приводит нас к пониманию того, что и он был отягощен всеми изъянами, свойственными последующим проектам, разве что еще не воплотившимися в столь жесткой форме. Решение о строительстве плотины было ущербным с экономической и еще более сомнительным с социальной и этической точек зрения. Днепрострой дал образчик насилия над трудящимися и местными жителями, которое более явным и вопиющим образом проявилось при реализации последующих индустриальных проектов, внеся свою лепту в разочарование, охватившее советских людей труда на десятилетия. Он был лишь первым из множества впечатлений, которые постепенно упразднили у рабочих и крестьян стремление поддерживать советское правительство.
Если бы все — и социальные, и экономические — издержки сооружения Днепровской плотины были учтены более тщательным образом и если бы выгода, которую предполагалось получить от строительства одной гигантской гидроэлектростанции, была сопоставлена с той, которую могло бы дать строительство нескольких электростанций меньшего масштаба, в том числе тепловых, то, по всей вероятности, было бы принято иное решение. Эти альтернативы, которые сегодня представляются вне всякого сомнения более желательными, предлагались российскими инженерами на ранних этапах планирования. Окончательное решение — строить гигантскую плотину — основывалось не на техническом и социальном анализе, но было принято под давлением идеологических и политических факторов. Сталин и руководящие деятели коммунистической партии хотели иметь величайшую из когда — либо построенных электростанций, чтобы убедить весь мир и население Советского Союза как в их собственном благополучии, так и в благополучии грядущего коммунистического мироустройства. Как отмечала Энн Рассвейлер в своей работе по истории Днепростроя, «его экономическая рациональность никогда не обосновывалась… Совершенно ясно, что решение о Днепрострое зиждилось на других основаниях» [2].
Многие инженеры, включая Пальчинского, предостерегали против скоропалительного решения о возведении гигантской плотины. Наибольшей прямотой среди них отличался, по-видимому, специалист по электроэнергетике Р.Е. Классен. Он указывал на наличие богатых угольных залежей неподалеку от предполагаемого места возведения плотины и замечал, что решение о том, следует ли строить здесь гидро- или тепловую электростанцию, должно быть принято, исходя из оценки соответствующих социальных и экономических издержек. Классен также подчеркивал, что без строительства тепловой электростанции в любом случае не обойтись, поскольку уровень воды в Днепре недостаточен для выработки электроэнергии в период с декабря по февраль. Кроме того, очень низкая средняя скорость течения потребует установки больших и, следовательно, дорогостоящих турбин — как оказалось, самых больших из когда-либо построенных турбин [3]. Вдобавок ко всему этому, случающиеся время от времени засушливые годы будут принуждать к тому, чтобы опираться на тепловые электростанции даже в летние месяцы. Итоговая рекомендация Классона состояла в том, чтобы начать с сооружения одной или двух теплоэлектростанций, а последующие шаги сообразовывать с энергетическими потребностями региона, причем комбинируя сооружение гидро- и тепловых электростанций в соответствии с локальными условиями [4].
Что касается Пальчинского, то он предостерегал правительство против проектирования гигантских гидроэлектростанций, подобных Днепровской, без принятия во внимание расстояния между тем местом, где будет вырабатываться энергия, и теми местами, где она будет использоваться. Вероятными последствиями пренебрежения этим фактором, предсказывал он, будут громадные расходы на передачу энергии и снижение эффективности электростанций. Он был также встревожен тем, что планы Днепростроя разрабатываются прежде завершения работ по составлению подробных геологических, гидрологических и топографических карт региона. Беспокоило его и то, что особенности режима поверхностных и грунтовых вод региона никогда должным образом не исследовались, и, как следствие этого, никто не знал наверняка, какая же площадь окажется затоплена после возведения 35-метровой плотины.
В целях «очистки» участка, которому надлежало превратиться в водохранилище, было в принудительном порядке выселено более десяти тысяч сельских жителей. Большинство среди них составляли этнические немцы-менониты — преуспевающие и трудолюбивые крестьяне. Потеря их сельскохозяйственных земель не фигурировала в оценках издержек Днепростроя. Между тем, согласно расчетам, проведенным много лет спустя известным российским гидрологом, одно лишь сено, ежегодно скашиваемое с этих земель, будучи сжигаемо как топливо, давало бы столько же энергии, сколько производила ее гидроэлектростанция [5]. И даже с поправкой на то, что эта позднейшая оценка не лишена некоторого преувеличения, очевидно, что потеря земель оказалась одной из крупнейших скрытых издержек Днепростроя.
Помимо экономических издержек, связанных с изъятием земель из сферы сельскохозяйственного производства, имели место и человеческие издержки — иначе говоря, тот ущерб, который был нанесен самим крестьянам и который не был принят во внимание ни одним из советских проектировщиков Днепростроя. Будучи людьми твердых религиозных убеждений и зажиточными крестьянами, менониты рассматривались как идеологические противники советского строя. Еще до того, как были затоплены их земли, их дома и постройки были превращены в бараки для рабочих, а им самим было предложено сделаться наемными рабочими на строительстве плотины. Если они соглашались с таким изменением своего положения, то попадали в категорию добровольных работников, насчитывавшую, помимо них, почти сорок тысяч человек, приехавших на Днепрострой из других краев. Некоторым из менонитов удалось свыкнуться с переменами, приняв их как предопределенные Богом. Другие же воспротивились и были арестованы, пополнив контингент подневольных работников, доля которого на Днепрострое никогда не была так велика, как на большинстве позднейших великих строек. Этот контингент выводили на работу под конвоем; ему был уготован наиболее тяжелый труд.
В отличие от большинства гидроэлектростанций в других странах, плотина имени Ленина была возведена на реке с обширной зоной паводкового затопления, и образовавшееся водохранилище изменило жизнь огромного числа людей и облик огромной территории. Советские гидроэнергетические проекты позднейших времен продолжили подобную практику в еще более грандиозных масштабах. Так, строительство Рыбинской гидроэлектростанции потребовало перемещения населения 497 деревень и 7 городов. По подсчетам одного автора, суммарная зона, затопленная водохранилищами таких гидроэлектростанций в СССР, составила 120 тысяч квадратных километров, в четыре раза превысив площадь Бельгии [6].
Изначально проектировщики Днепростроя обещали, что труженикам стройки будут обеспечены нормальные жилищные условия, равно как и условия для нормальной культурной жизни. Однако по мере того, как проект воплощался в жизнь, отставая от намеченного графика и чудовищно превосходя сметную стоимость, нужды рабочих стали все больше забываться. В то время как дело пошло полным ходом, работники по-прежнему жили и трудились в самых жалких условиях. «Живущие в бараках жаловались на то, что комнаты заносит снегом. Живущим в палатках довелось пережить зимние дни, когда температура в их жилищах опускалась ниже -13 С, а летом 1929 года палатки были сметены ветрами ураганной силы. Неизменными атрибутами здешней жизни были теснота и толкотня, темнота и шум. Уборные не отвечали никаким нормам, а в зимние месяцы их просто сковывало льдом» [7]. С течением времени условия жизни становились хуже; все сильнее ощущалась нехватка продовольствия. Муку приходилось доставлять в пекарни по ночам и в сопровождении вооруженной охраны, иначе она расхищалась. Следствием плохого питания стали вспышки различных заболеваний. По баракам и палаткам разнеслись туберкулез, сыпной и брюшной тиф, а также оспа. По сей день никому не известно, сколько работников умерло.
Невзирая на все эти тяготы, строительство было завершено, великая плотина стала символом социалистического порядка и ее макет был главным элементом советской экспозиции на Всемирной выставке 1939 года в Чикаго. Дважды разрушенная и восстановленная во время Второй мировой войны и неоднократно надстраивавшаяся в последующие годы, она действует и поныне, представляя собой часть каскада из шести гидроэлектростанций на Днепре.
Остается неизвестным, насколько эффективна или нужна эта гидроэлектростанция. Подобно тому, как ее сооружению не предшествовали надлежащие исследования, так и ее последующая работа никогда не подвергалась всесторонней оценке. Любая попытка такой оценки должна будет учесть весь спектр последствий реализации этого проекта — экономических, социальных и экологических. Что касается последних, то в 1980 году один из представителей советского экологического движения охарактеризовал их следующим образом: «Средства, затраченные на сдерживание эрозии берегов Днепровских водохранилищ и на борьбу с неразрушаемыми, по-видимому, ничем сине-зелеными водорослями, уже давно превзошли те краткосрочные выгоды, которые некогда давала гидроэлектростанция» [8]. Быть может, не стоит вменять в вину первым проектировщикам плотины пренебрежение экологическими последствиями ее сооружения — ведь в их времена было мало что известно о том ущербе, который приносят окружающей среде водохранилища. Но что следует вменить им в вину, так это сознательное игнорирование призывов к проведению длительных и всесторонних исследований социальных и экономических последствий реализации подобных грандиозных проектов, — призывов, с которыми обращались к ним Пальчинский и его коллеги, критически относившиеся к проекту сооружения плотины.
СТАЛЬНОЙ ГОРОД МАГНИТОГОРСК
В 1929 году было начато строительство гигантского комплекса доменных и мартеновских печей и прокатных станов, который в итоге стал ежегодно давать почти столько же стали, сколько ее производилось во всей Великобритании. Комплекс был построен в окрестностях одного из богатейших железнорудных месторождений страны, получившего название Магнитной горы из-за нарушений, которые обнаружили здесь в работе своих компасов первые исследователи региона. Район Магнитной горы, в действительности представлявшей собой цепь из пяти холмов, отличался не только высоким содержанием железа в руде, но и доступностью рудных залежей, и идея, что в окрестностях этого геологического чуда должен вырасти крупнейший сталелитейный комплекс Советской России, казалась на первый взгляд вполне резонной.
В самом ли деле, однако, именно Магнитная гора была наилучшим местом для возведения столь грандиозного сталелитейного центра? В статьях, опубликованных в 1926 и 1927 годах, Пальчинский с досадой отзывался о выдвинутых советским правительством планах сооружения гигантских центров добычи и переработки полезных ископаемых в Западной Сибири, на Урале и Украине, которые составлялись без надлежащего учета геологических и трудовых ресурсов, транспортных издержек и трудностей создания достойных жилищных условий для рабочих в соответствующих регионах. Он отмечал, что, несмотря на всеобщее восхищение высоким содержанием железа в руде Магнитной горы, никто до сих пор не удосужился досконально исследовать вопрос об общих запасах железа этого месторождения [9]. А значит, вполне может получиться так, что спустя несколько десятилетий месторождение окажется исчерпанным, однако наличие здесь крупнейшего в мире сталелитейного комплекса потребует дорогостоящей транспортировки руды из других регионов.
Пальчинский также указывал на отсутствие залежей угля в окрестностях проектируемого города Магнитогорска, вследствие чего с самого начала работы комплекса топливо для доменных печей придется завозить железнодорожным транспортом. Ведь регион, замечал он, отнюдь не изобилует водными путями, которые, как известно, обеспечивают гораздо более дешевую транспортировку таких тяжелых грузов, как железная руда и уголь. В других странах — например, в Соединенных штатах, подчеркивал он, сталелитейные заводы расположены не в местах богатых залежей железной руды — таких, как хребет Месаби в штате Миннесота или хребет Маркетт в штате Мичиган, но в сотнях миль от последних — в Детройте, Гэри, Кливленде и Питтсбурге, городах с большими трудовыми ресурсами, причем первые три из них связаны с залежами руды водными путями, а последний расположен поблизости от богатейшего месторождения угля. Издержки строительства Магнитогорска и его сталелитейного комплекса могут оказаться столь велики, заключал он, что, возможно, было бы благоразумнее развернуть производство стали в местах, хотя и не столь богатых железной рудой, зато обладающих лучшими трудовыми и транспортными ресурсами.
Вместе с тем Пальчинский с энтузиазмом относился к самой идее создания крупного сталелитейного комплекса и не исключал возможности, что, несмотря на его сомнения, Магнитогорск все-таки является подходящим для этого местом. Но он настаивал на том, что решение о строительстве такого комплекса не должно приниматься до завершения всесторонних рекогносцировочных исследований, которые, по его мнению, могли быть выполнены в сравнительно короткие сроки. Выбор места для промышленного предприятия, считал он, должен основываться на множестве факторов, ни один из которых — к примеру, местонахождение сырья — не следует абсолютизировать, игнорируя все прочие. Он призывал к составлению гравиметрических карт, проведению магнитометрических измерений и экономических расчетов, а также к разработке и использованию новых способов транспортировки грузов. И, как и прежде, напоминал властям о том, что наиболее важным из всех факторов является человеческое благополучие. Проект создания такого гигантского сталелитейного комплекса, как Магнитогорский, должен предусматривать обеспечение рабочих достойным жильем и удобствами современной городской жизни.
Опасения Пальчинского по поводу местоположения центра сталелитейной индустрии остались без внимания. Советское правительство объявило, что новый сталелитейный комплекс будет оснащен самым современным оборудованием и превзойдет все западные аналоги как по масштабам, так и по качеству производства. Последним словом в мировой сталелитейной индустрии в то время был завод в городе Гэри, штат Индиана, и прокатные станы Магнитогорска должны были стать больше и лучше. Чтобы достичь этой цели, руководство СССР пригласило группу американских инженеров, частью из Гэри, для оказания помощи в проектировании магнитогорских прокатных станов. Их не спрашивали, является ли Магнитогорск подходящим местом для проектируемых станов, а просили лишь дать консультации по поводу строительства последних. Размещенные неподалеку от проектируемого завода в специальном поселке под названием «Американка», они роскошествовали по сравнению со своими советскими коллегами, живя в особняках со всевозможными удобствами и даже теннисными кортами в придачу.
Власти СССР заявляли, что вскоре подобные привилегии будут иметь и простые труженики Магнитостроя; они обещали, что проектируемый «город-сад» Магнитогорск обеспечит лучшие во всем мире жилищные условия для рабочих. Для проектирования нового города был приглашен немецкий архитектор и градостроитель Эрнст Май, только что завершивший свою новаторскую работу во Франкфурте [10]. Май был очень решительным сторонником защиты рабочих от пагубного воздействия промышленного загрязнения путем устройства зеленых зон, отделяющих жилые районы от производственных. Но до того, как его планы могли быть воплощены, рабочих поселили в палатках и бараках.
Впрочем, город-сад так никогда и не был построен. Под давлением московского начальства, требовавшего не отставать от намеченного жесткого графика работ и выдавать запланированные объемы продукции, проблема строительства жилья для рабочих оказалась оттеснена на последнее место в списке приоритетов. Двести тысяч рабочих, приехавших на Магнитострой, так и продолжали жить большей частью в бараках, палатках и землянках, грязных и лишенных элементарных удобств, если не считать таковыми уличные уборные.
Попытка Эрнста Мая выстроить свой "социалистический город" в стороне от зоны промышленного загрязнения натолкнулась на бюрократические препоны и в конце концов была раскритикована советской прессой. Временные жилища рабочих, вскоре ставшие постоянными, оказались непосредственно в зоне дымового шлейфа, тянувшегося от доменных печей. В 1934 году охваченный разочарованием Май покинул СССР, жалуясь, что в гитлеровской Германии и в сталинском Советском Союзе «человечество вступило в эпоху упадка, подобную средневековью» [И].
Однако в гораздо худших условиях по сравнению с обычными рабочими Магнитостроя, жили около тридцати тысяч кулаков — крестьян, лишенных своих земельных угодий вследствие коллективизации сельского хозяйства и доставленных сюда издалека и в принудительном порядке для участия в строительстве стального города. Они трудились под конвоем, выполняя самую трудную и неприятную работу. Они не имели нормального питания и одежды, были размещены в палатках, и в итоге примерно 10 % этих бывших крестьян погибли уже в первую зиму [12]. Впоследствии их переселили в бараки, в каждом из которых жило от 40 до 50 семей. Эти бараки десятилетиями оставались постоянным местожительством «бывших кулаков» и их детей, лишь в конце 1960-х — начале 1970-х годов уцелевшим представителям этого контингента была предоставлена возможность переселиться в многоквартирные дома [13]. Но даже и в 1989 году 20 % жилищного фонда Магнитогорска составляли коммунальные квартиры, в которых различные семьи занимали по комнате каждая, а кухня, туалет и ванная были общими [14].
Когда в середине 1980-х годов Горбачев приступил к реформированию Советского Союза, у жителей Магнитогорска впервые появилась возможность разобраться в своей истории. В 1988 году один из представителей «кулацкого контингента», в детском возрасте доставленный в Магнитогорск под конвоем, описал свои впечатления следующим образом:
Не менее сорока семей были втиснуты в товарный вагон с зарешеченными окнами. Места хватало только на то, чтобы сесть, лечь было нельзя. Для отправления естественных надобностей существовала деревянная бадья. Все три дня поезд шел сквозь полосу сильной жары. В вагоне стояла духота. В течение полутора дней двери вообще не открывали… Дети умирали у матерей на руках.
Когда мы добрались до Магнитогорска, у железнодорожного полотна стояла повозка. Она здесь не для того, чтобы перевезти живых людей, догадались мы. Из одного нашего вагона в повозку перенесли четыре маленьких бездыханных тела. Из других вагонов тоже выносили трупы… Нас разместили в брезентовых платках, по шесть семей на большую палатку и по две — на маленькую. Каждая палатка имела номер. Первые месяцы мы все жили в этих палатках, которые, конечно, промокали. Земля внутри палаток замерзла. Люди закутывались в меховые шубы, шкуры животных, во всякое тряпье, которое было захвачено из дома [15/.
Подобные истории не согласовывались с официальным мифом о возведении великого сталелитейного центра, который изображал Магнитострой как единый порыв тысяч «энтузиастов», добровольно приехавших сюда, чтобы содействовать построению социализма. В конце 80-х годов получившая свободу местная печать развернула дискуссию на тему «Кто построил Магнитку — арестанты или энтузиасты?» [16]. Печальная парадоксальность ответа на этот вопрос состояла в том, что Магнитку построили и те, и другие. Одной из отличительных черт сталинской индустриализации было сосуществование добровольного и подневольного труда, героического самопожертвования и жестокого принуждения — сосуществование, представлявшее собой лишь временную и неустойчивую дихотомию, каковая могла иметь место только в обществе, которое переживало социальную революцию при мощной поддержке «низов», будучи в то же самое время порабощенным своими «верхами».
Одним из энтузиастов, приехавших содействовать строительству Магнитогорска, был молодой американец Джон Скотт, оставивший яркое описание своего тамошнего пятилетнего пребывания [17]. Сын известных американских радикалов Скотта Ниринга и Нелли Силс, он приехал в Советский Союз в разгар Великой депрессии, надеясь найти здесь альтернативу увядающему капитализму. Скотт был потрясен человеческими страданиями и проявлениями жестокости, открывшимися ему в Магнитогорске, что, впрочем, не помешало ему заметить одержимость и героизм множества здешних рабочих. «Люди учились, были исполнены ожиданий и стремления построить нечто такое, во что, по крайней мере, многие из них верили», — писал он о Магнитострое после возвращения на родину [18].
Советская идеология оправдывала сосуществование добровольного и подневольного труда, изображая кулаков как врагов социализма, заслуживающих своей участи, и вместе с тем превознося добровольных тружеников как авангард нового строя. Но в итоге жестокость, лишения и несправедливость, которые нес с собой новый режим, разрушили убеждения и обманули доверие даже его некогда горячих сторонников. По возвращении в Соединенные Штаты Джон Скотт сделался решительным критиком Советского Союза. Советские же труженики Магнитогорска в конце концов впали в апатию, столь характерную для преобладающей части рабочего класса страны.
Как уже упоминалось, в 1926 и 1927 годах Пальчинский высказывал опасения, что недостаточно изученные запасы железной руды Магнитной горы могут оказаться более ограниченными, чем ожидается, а размещение гигантского сталелитейного комплекса вдали от водных путей — неблагоразумным. К 1970-м годам его опасения подтвердились: истощение местных запасов железной руды сделало необходимой железнодорожную транспортировку последней из других регионов, подобно тому как с самого начала работы комплекса приходилось ввозить поездами уголь для доменных печей. Таким образом, с этого времени сталелитейный комплекс оказался вынужден получать оба важнейших вида сырья издалека и к тому же по суше, а не посредством более дешевого водного транспорта. Магнитогорск стал монументом неэффективности.
В 1987 году в Магнитогорск приехал молодой историк Стивен Коткин, ставший первым американским гражданином, поселившимся здесь на какое-то время после того, как в 1930-е годы эти края покинул Джон Скотт. Он увидел грязный и унылый город, окружающий безнадежно устаревшие сталелитейные заводы. Коткину открылся отнюдь не социалистический город-сад, создания которого ожидали и его соотечественник Скотт, и многие советские граждане, а нечто совсем иное: «массовый алкоголизм, периодическая нехватка потребительских товаров, тяжелый жилищный кризис без шансов на скорое разрешение, вездесущий черный рынок, рассыпающаяся или ушедшая в небытие городская инфраструктура, почти немыслимый уровень загрязнения и такая катастрофа со здоровьем населения, масштабы которой невозможно переоценить [19].
БЕЛОМОРСКИЙ КАНАЛ
Сооружение Беломорского канала — еще одного великого проекта первой пятилетки — представляло собой настоящий кошмар. Оно шло вразрез с инженерными принципами, которые исповедывали Пальчинский и его коллеги, и вдобавок отличалось чудовищным нарушением человеческих прав. При возведении Днепровской плотины подневольный труд играл лишь незначительную роль. На великой стройке стального города Магнитогорска, наряду с добровольцами, трудилось уже куда больше арестантов, но и здесь они составляли только часть рабочей силы. Что же касается Беломорстроя, то практически все его участники — от руководящих инженеров до разнорабочих — были арестантами, осужденными преимущественно по идеологическим причинам, а не за действительные преступления. Они трудились под гнетом невообразимой жестокости, и примерно двести тысяч из них погибли за менее чем два года строительства канала — в среднем около 10 тысяч человек в месяц (добавим, что темпы гибели людей были неравномерны, резко возрастая с наступлением арктической зимы и снижаясь летом).
Целью строительства канала было соединение Балтийского и Белого морей — воплощение мечты, восходившей еще ко временам Петра Великого. В прежние времена суда, курсировавшие между Архангельском и Санкт-Петербургом, были вынуждены идти в обход Скандинавии по опасным водам Северной Атлантики и к тому же пересекать Балтийское море, и это путешествие занимало много дней, если не недель. В начале девятнадцатого столетия император Павел I распорядился исследовать вопрос об осуществимости проекта канала, однако в итоге отказался от его строительства ввиду препятствия, которое представляла собой скалистая территория Карелии, где должен был быть проложен канал. В 1920-е годы Сталин вернулся к этому вопросу, обратив внимание на те преимущества, которые даст советской промышленности в Ленинградском и Карельском регионах канал, пригодный для прохождения крупных океанских судов. Кроме того, указывал он, благодаря каналу военные корабли смогут легко курсировать между Балтийским и Белым морями.
Подобно гидроэлектростанциям, каналы годились на роль символов построения социализма. Строительство Беломорканала стало сюжетом ряда документальных произведений (вопиюще фальсифицировавших реальное положение вещей) и романов. Ему обязана своим названием популярная марка папирос. Отчеты о строительстве канала, публиковавшиеся в Советском Союзе, полностью умалчивали о человеческих потерях, которыми оно сопровождалось. Один из таких трудов, прославлявший строительство канала и скрывавший царившую там жестокость, был опубликован на английском языке, и во вступительном слове одураченная английская писательница отзывалась о нем как о «развлекательном» и «захватывающем» чтении [20].
Сталин был большим любителем каналов, и его пленяла роль, которую играют в их сооружении инженеры — особенно такие инженеры, чья техническая эрудиция делает их необходимыми участниками строительства, но которым в то же время нельзя доверять в силу их политического инакомыслия. В дореволюционные годы его любимым чтением были два романа Александра Богданова — «Красная звезда» и «Инженер Менни» [21]. В этих научно-фантастических произведениях речь идет о строителях социализма на Марсе, которым приходится довериться инженеру Менни. Получивший образование еще до того, как состоялась социалистическая революция, Менни отличается как блестящим умом, так и вероломством [22]. Он умышленно рекомендует такой маршрут для прокладки канала, выбор которого приводит к затягиванию строительства и гибели большого числа рабочих. История завершается тем, что Менни арестовывают и, исправив ошибки, доводят строительство канала до конца. Мораль, которую извлекал отсюда Сталин, состояла в том, что даже враждебно настроенных технических специалистов, если держать их под надзором, можно заставить послужить своими знаниями на благо государства. И все же, если говорить об итогах Беломорстроя, то они подтвердили справедливость точки зрения Пальчинского, писавшего в работе 1921 года, что подавление инженеров и рабочих приведет к ущербным и даже «чудовищным» результатам [23].
Инженерам, которые руководили сооружением канала, — а ими были Н.И. Хрусталев, О.В. Вяземский, А.Г. Ананьев, В.Н. Маслов, К.А.Вержбицкий и К.М. Зубрик, — не было позволено ставить под вопрос осмысленность самого проекта. То обстоятельство, что проектируемый канал будет половину года скован льдом, а потому, возможно, разумнее было бы модернизировать уже существующую и функционирующую круглый год железнодорожную магистраль, в расчет не принималось. Как арестантам, инженерам разрешалось передавать своим надзирателям лишь предложения, касающиеся маршрута, по которому должен быть проложен канал, и способа его сооружения. Они разработали два варианта маршрута. «Западный» вариант должен был проходить через пункт Водораздел и Сегозеро и соединяться с реками Сегежа и Кумса, «восточный» — через Выгозеро и по углубленному руслу реки Выг. Преимущества первого варианта состояли в том, что канал будет глубоким и полноводным. Его недостатки состояли в том, что строительство займет больше времени, что в этом случае потребуется выстроить больше плотин и более широко использовать механизированное оборудование.
Инженеры рекомендовали остановиться на более надежном и дорогом «западном» варианте. Они опасались, что при выборе «восточного» варианта приток воды в канал, в этом случае зависящий главным образом от весеннего стока талых вод, окажется недостаточным, особенно в малоснежные годы. Более глубокий «западный» вариант русла допускал сооружение крупных бетонных плотин, благодаря чему канал оставался бы полноводным даже в засушливые годы. В ответ инженерам было сообщено, что строительство канала во что бы то ни стало должно быть завершено в столь краткий срок, как 20 месяцев, и что не может быть и речи об использовании механизированного оборудования и бетона, поскольку их приобретение потребует валютных расходов. Все сооружения канала должны быть возведены только из материалов, имеющихся в наличии непосредственно там, где он будет проходить, — а это означало, что придется ограничиться лесом, грунтом и камнем. Все работы предстояло выполнить силами людей и лошадей — без единого экскаватора или подъемного крана вроде тех, что применялись на Днепрострое по настоянию Хью Купера.
Политическая уязвимость находившихся под арестом «буржуазных специалистов» не оставляла им возможности отстаивать свои рекомендации: они понимали, что, продолжая настаивать на «западном» варианте, будут обвинены либо — подобно инженеру Менни — в попытке саботировать проект, либо в экономическом пособничестве капиталистическому Западу, откуда придется импортировать оборудование. То, что они уже были арестантами, отнюдь не исключало того, что их могут покарать еще суровей — например, перевести в разнорабочие, отправить в тюремную камеру, или даже казнить. Вопреки своим рекомендациям они согласились на «восточный» вариант и сделались руководителями сотен тысяч заключенных, работавших самым примитивным образом.
Принятые на Беломорстрое методы работы нашли свое отражение в саркастическом лагерном жаргоне [24]. Например, «Беломорским фордом» называли деревянную платформу на четырех деревянных же катках, приводимую в движение либо парой лошадей, либо несколькими дюжинами арестантов. «Гидравлическим деррик-краном» назывался деревянный кран, приводимый в действие лошадьми. Группу рабочих, мужчин вперемежку с женщинами, вооруженных тачками, прозвали «экскаватором». Крупные валуны здесь переносили, обвязывая их веревочными стропами, в которые потом впрягались лошади или арестанты. Подобным же образом валили деревья.
Инженерам было приказано возвести стены канала с минимальными затратами бетона и металла, поэтому они использовали деревянные короба, заполненные камнями и землей. Зимой в этих коробах часто застревал лед, и, когда весной он таял, короб приходилось делать заново. Инженеры просили выделить металл хотя бы для шлюзных ворот, но и в этом им было отказано. Тогда инженер Маслов сконструировал деревянные ворота, которые, однако, сгнивали всего через несколько лет работы [25].
Арестанты жили в палатках и деревянных бараках, а иногда и вовсе под открытым небом. Их питание было недостаточным для выживания. Много лет спустя некоторые из тех немногих, кому удалось уцелеть, описали жизнь (и гибель) подневольных тружеников Беломорстроя. Один из них, Д.Л. Витковский, дал такую картину зимнего дня: «К концу дня на рабочем месте остались трупы. Их лица запорошил снег. Один из них склонился над перевернутой тачкой; он запрятал кисти рук в рукава и в таком положении закоченел до смерти. Другой замерз сидя, склонив голову между колен. Двое замерзли, привалившись спиной к спине… Ночью подъехали сани и собрали их» [26].
1 мая 1933 года шеф службы госбезопасности Генрих Ягода доложил Сталину, что строительство канала завершено в намеченный срок. В июле того же года Сталин и несколько его ближайших помощников проехали по каналу на небольшом пароходе.
С самого начала своего функционирования Беломорский канал не отвечал возложенным на него задачам. Даже в многоснежные годы он оставался столь неглубок, что океанские суда не могли пройти по нему. Другая задача — передислокация крупных военных кораблей — также не могла быть реализована. В течение нескольких лет стены канала стали ветшать, а шлюзные ворота — рассыпаться. После Второй мировой войны началась его полная перестройка. На многих участках новый канал шел параллельно старому и поэтому имел те же проблемы с водоснабжением, но у него, по крайней мере, были более прочные стены и металлические шлюзные ворота. Летом 1966 года Александр Солженицын провел на берегу канала целый день; за восемь часов он увидел всего лишь две баржи, нагруженные лесом и проследовавшие в противоположных направлениях [27]. Операторы шлюзов признались, что движение по каналу невелико. Но Беломор стал неотъемлемым элементом фольклора советской индустриализации.
Глава 4
ТЕХНОКРАТИЯ В СОВЕТСКОМ СТИЛЕ
После 1930 года советские инженеры отвернулись от широкого круга социальных и экономических вопросов, которые Пальчинский считал неотъемлемой частью инженерного дела. Тому имелось несколько причин, и одной из них, особенно существенной в тридцатые-сороковые годы, был страх. После мощной «чистки» их рядов в начале тридцатых годов советские инженеры ясно понимали: если они не хотят навлечь на свою голову неприятности, им придется сосредоточиться на узком круге технических задач, очерченном для них партийными лидерами. Американский инженер, которому случилось посетить своих коллег в Советском Союзе вскоре после процесса Промпартии 1930 года, сообщал: «С самого начала у меня возникло отчетливое ощущение, что самый воздух, которым дышат русские инженеры, пропитан страхом; и если они не отваживаются честно придерживаться канонов своего ремесла, так это потому, что здесь политическая оценка их взглядов предшествует их профессиональному признанию» [1].
Этот всепроникающий страх побуждал инженеров избегать конфликтов. Они перестали поднимать вопросы, касающиеся безопасности рабочих или их жилищных условий, зная, что подобные вопросы могут рассердить их боссов — директоров предприятий, озабоченных прежде всего выдачей продукции в объемах, предусмотренных властями для их заводов и шахт. Но даже строго придерживаясь очерченного для них круга технических задач, инженеры не были застрахованы от того, что таким образом избегут политических неприятностей, — ибо их способность повлиять на увеличение объема производства неизменно оценивалась политическими мерками. Неспособность справиться со «спущенными сверху» производственными заданиями могла быть истолкована руководителями местных партийных организаций как «политическая» ошибка. В таких условиях многие инженеры стремились совершенно отойти от сферы производства, находя себе убежище в стенах научно-исследовательских институтов, где их возможные неуспехи не столь бросались в глаза. Американский историк, обративший внимание на это явление, назвал его «бегством от производства» [2].
Другой важной причиной сужения профессионального кругозора советских инженеров, действие которой ощущается и поныне, было изменение системы их профессиональной подготовки. Обучение инженеров было исключено из сферы компетенции Министерства образования — органа, заинтересованного в подготовке широко образованных специалистов, и препоручено промышленным министерствам, чьи педагогические институты ставили перед своими выпускниками лишь узкие технические цели [3]. Преподаватели этих институтов избегали касаться вопросов, имеющих отношение к политике или социальной справедливости, и ограничивались научно-техническими аспектами профессии. Советские инженерные институты взялись производить новый тип инженера в громадных количествах, и неофиты довольно быстро вытеснили инженеров дореволюционной выучки. В десятилетия, последовавшие за 1930 годом, Советский Союз готовил больше инженеров, чем любая другая страна; однако это были инженеры с чрезвычайно ограниченным кругозором, вся подготовка которых нацеливала их лишь на увеличение объема производства, в ущерб всем прочим факторам. Образование, которое получали новые советские инженеры, было более узким не только по сравнению с тем, каким обладали их русские предшественники, но и по сравнению с тем, какое в то время давалось их коллегам в других странах.
Одна из особенностей, отличавших советских инженеров нового типа от их зарубежных коллег, впервые обратила на себя мое внимание во время аспирантской стажировки в Московском университете в 1960 году. Пятью годами раньше я закончил в США университет Пэрдью по специальности «химическая технология». Учась там, я был весьма разочарован ограниченностью программы. Немногие факультативные курсы, которые у меня хватило времени прослушать, казались мне лишь крохотными окошками в тот большой и сложный мир за пределами термодинамики и дифференциальных уравнений, который я хотел исследовать. После окончания университета Пэрдью я короткое время работал инженером, а затем продолжил обучение, на сей раз в аспирантуре Колумбийского университета, где стал специализироваться по истории науки и техники. Меня особенно интересовало развитие этих областей в России, и именно поэтому в 1960 году я отправился в Москву на годичную стажировку.
В то время я еще ощущал некоторую принадлежность к сообществу инженеров и потому, оказавшись в Союзе, стремился найти студентов, обучавшихся инженерному делу, и поближе с ними познакомиться. Однако в Московском университете таковых не оказалось — как не оказалось их и в Ленинградском университете, который я также посетил; как выяснилось, все будущие инженеры обучались в специальных технических институтах. Наконец, на одной студенческой экскурсии по окрестностям Москвы я все-таки встретил девушку, которая сообщила, что она — инженер. «Инженер какого профиля?» — спросил я. «Мой профиль — шарикоподшипники для бумажных фабрик», — последовал ответ. «Так вы, стало быть, инженер-механик», — продолжал я. «Нет, — отвечала она, — я инженер по шарикоподшипникам для бумажных фабрик». Я с недоверием сказал: «Не может же быть, чтобы у вас был диплом по специальности "шарикоподшипники для бумажных фабрик"». В ответ девушка заверила меня, что именно такая специальность значится в ее дипломе.
В последующие десятилетия я заинтересовался историей советского инженерного дела и, в частности, тем особым влиянием, которое оказывали инженеры на политическую и экономическую эволюцию Советского Союза. Обратившись к истории Петра Пальчинского, я понял, что большинство отличительных особенностей инженерного дела в Советском Союзе восходят ко времени его гибели, то есть к концу 1920-х и началу 1930-х годов.
Взгляды Пальчинского на инженерное образование находятся в вопиющем противоречии с позицией людей, ставших заправилами советского инженерного дела на полувековой период власти Сталина, Хрущева и Брежнева. В течение этого периода инженерное образование доминировало над всеми прочими его видами — в значительной мере потому, что в Советском Союзе практически не существовало неспециализированных учебных институтов общеобразовательного типа, столь распространенных в Соединенных Штатах, Великобритании и других западных странах [4]. Советские студенты обучались либо в университетах (число которых составило 40 в 1959 году), либо в отраслевых институтах (которых тогда же имелось 656, не считая институтов заочного и вечернего обучения) [5]. Ни один из этих двух типов институтов не давал выпускникам образования, которое считалось бы широким по западным стандартам, хотя лучшие из университетов — такие, как Московский или Ленинградский — в этом отношении, безусловно, превосходили отраслевые институты. К сожалению, вклад первых в общее количество выпускников был ничтожно мал по сравнению с вкладом последних, например, в период с 1930 по 1960 годы 88 % советских граждан, имевших высшее образование, получили его в специализированных институтах, не принадлежащих к университетской системе [6].
Неспециализированные общеобразовательные курсы — в особенности курсы гуманитарных наук, как их понимают на Западе — не играли практически никакой роли в советской образовательной системе сталинского и пост-сталинского периодов. Напротив, советских студентов уже на ранней стадии ожидал выбор специализации, нацеливавший все их обучение на овладение конкретной профессией. И специализации определялись очень узко и жестко; как замечал ведущий американский специалист по советскому образованию в 1960-е годы Николас ДеВитт, «профессиональная специализация в Советском Союзе гораздо более подчеркнута, чем где бы то ни было еще в мире» [7]. Именно эта тенденция порождала образчики специализации, подобные тому, которым в свое время изумила меня вышеупомянутая московская знакомая, заявив, что она — «инженер по шарикоподшипникам для бумажных фабрик». Некоторые специальности давали более узкую ориентацию, чем другие. Советский студент, решивший специализироваться в области литературы, международных отношений или истории искусства, разумеется, получал определенное представление о социальных вопросах. Однако в инженерных вузах страны не было традиции, подобной той, которойпридерживались, если взять в качестве примера Соединенные Штаты, даже такие предметно-ориентированные инженерные институты, как университет Пэрдью или Калифорнийский и Массачусетский технологические институты, включавшие в свои программы ряд общеобразовательных и гуманитарных курсов. Студенты советских инженерных вузов обучались не машиностроению, гражданскому строительству или электротехнике, как это было принято в большинстве других индустриальных стран, но выбирали одну из сотен мелких «дочерних специальностей». Исследователь из Джорджтаунского университета Харли Болзер описал эту тенденцию как продукт тридцатых годов: «Каждый комиссариат стремился готовить свои кадры по специальностям, столь узким, что это граничило с абсурдом… Комиссариат тяжелой промышленности готовил инженеров, специализирующихся по компрессорам для каждого типа оборудования. Комиссариат легкой промышленности настаивал на раздельной подготовке инженеров, специализирующихся на изготовлении масляных красок и прочих красок. Комиссариат сельского хозяйства готовил агрономов, специализирующихся по от дельным растительным культурам, и ветеринаров для каждой породы животных» [8]. Говоря о положении дел, сложившемся тридцатью годами позже, Николас Де-Витт замечал:
Одно лишь число специальностей в советской системе обучения инженеров отражает постоянное сужение и раздробление традиционного инженерного образования. Например, машиностроение расщепилось на несколько десятков родственных специальностей, каждая из которых, однако, выглядит угрожающе узкой — сельскохозяйственное машиностроение, станкостроение, автомобилестроение, тракторостроение, самолетостроение и т. д. В области металлургии существуют раздельные программы обучения для тех, кто будет специализироваться на меди и на сплавах; в области разработки месторождений — для тех, кто будет специализироваться на бурении нефтяных и газовых скважин и на разведке залежей угля; в области гражданского строительства — для тех, кто займется конструированием мостов, возведением крупных гидротехнических сооружений или строительством промышленных цехов. Подобная фрагментация характерна для любой области инженерного дела. [9]
Каждому студенту любого советского вуза приходилось в обязательном порядке изучать марксизм. Что касается инженерных институтов, то в пятидесятые-шестидесятые годы их программы включали три соответствующих предмета — историю КПСС, диалектический материализм и политическую экономию (которыми, собственно, и исчерпывался экскурс за пределы технических дисциплин). Учебные пособия по этим предметам были сконструированы таким образом, чтобы способствовать не самостоятельной умственной работе студентов, но их идеологической индоктринации. Остановимся в качестве примера на учебнике политэкономии, который являл собой яркий контраст со взглядами Пальчинского на инженерное образование. В свое время Пальчинский настаивал на том, чтобы все будущие инженеры в обязательном порядке изучали политэкономию, при этом имея в виду постижение ими сложной системы взаимодействий между обществом, экономикой и индустрией и ознакомление с идеями выдающихся экономистов. Вместо этого советским студентам предлагался обзор этапов истории с точки зрения марксизма. Три главных раздела вузовского учебника политэкономии в пост-сталинском Советском Союзе были посвящены, соответственно, «докапиталистическим способам производства», «капиталистическому способу производства» и «социалистическому способу производства». Учебник то и дело возвращался к преимуществам советской экономической системы; она основана на общественном владении средствами производства, она ставит в первую голову развитие тяжелой промышленности, и эта промышленность сконцентрирована на гигантских предприятиях, где трудятся тысячи рабочих. При этом — никаких уступок взглядам Пальчинского и многих других, согласно которым зрелая экономическая система должна по необходимости быть гетерогенной, сочетая крупные и мелкие производства, частные и государственные предприятия, индивидуальное и коллективное управление.
Советский учебник политэкономии 1958 года содержит 231 ссылку на библиографические источники, среди которых нет ни одной работы некоммунистического толка [10]. Более трети составляют ссылки на работы Маркса, Энгельса и Ленина. Остальные — это ссылки на постановления КПСС, работы Сталина, Хрущева и Мао Цзе-дуна, а также на законы и постановления советского правительства. (В последующих изданиях ссылки на работы Сталина и Хрущева заменяются ссылками на работы Брежнева, а упоминания о Мао исчезают.) Учебник не дает никакого представления не только о множестве экономических теорий, разработанных в несоциалистических странах, но и о вопросах промышленного управления или экономики бизнеса. Что же удивительного в том, что после падения коммунизма в конце восьмидесятых годов советские инженеры и промышленные администраторы с таким трудом адаптировались к рыночной экономике? Ведь они не владели даже элементарным терминологическим аппаратом, необходимым для ее постижения.
Что же касается пособий по двум другим «общеобразовательным» предметам, которые студенты инженерных вузов изучали в ходе своего четырех-шестилетнего курса обучения, то они давали им еще более убогое, чем учебник политэкономии представление об окружающем их сложном мире. Пособие по диалектическому материализму, с его бесцветным изложением «законов диалектики» в природе, получило среди советских студентов незавидную репутацию скучнейшего из обязательных учебников. Пособие же по истории КПСС представляет донельзя искаженную картину русской и советской истории, всюду изображая коммунистическую партию в качестве «авангарда пролетариата» и властителя судеб страны. Такие прежние лидеры, как Троцкий и Бухарин, фигурируют лишь в качестве шаблонных персонажей, руководителей соответственно «меньшевистско-троцкистской оппозиции» и «бухаринской антипартийной группы правых оппортунистов».
Резюмируя все это, можно сказать, что студенты инженерных вузов Советского Союза получали худосочное и узкое образование: оно отличалось интеллектуальной бедностью, политической тенденциозностью, социальной неосведомленностью и этической ущербностью. В этом, разумеется, было бы мало радости даже в том случае, если бы получившие такое образование студенты так и оставались не более чем служащими предприятий или научно-исследовательских институтов Советского Союза. Однако именно таким было образование и большинства политических лидеров страны на позднем этапе ее существования. Поднявшись на политические командные высоты, именно эти ограниченные технократы взялись определять весь образ жизни своих соотечественников.
В самом деле, новые инженеры, удручающе невежественные в социальных и экономических вопросах, которые Пальчинский считал столь важными, не только стали во главе советской промышленности, но и составили новую когорту партийных лидеров взамен уходивших со сцены «старых большевиков». В шестидесятые-семидесятые годы столь многие из партийных и правительственных функционеров высшего ранга имели инженерные специальности, что американские советологи стали говорить о советском инженерном образовании как о форме подготовки высоких политических карьер, сравнивая его роль с той, которую играло юридическое образование в карьерах политических лидеров США [11].
Леонид Брежнев, возглавлявший Советский Союз в течение семнадцати гнетущих лет, получил инженерное образование на вечернем отделении Металлургического института имени М.И. Арсеничева, где специализировался по методам производства листовой стали. И его случай вовсе не был уникальным. Среди советской политической элиты инженеры составляли долю, не имевшую себе равных в других промышленно развитых странах. В период между 1956 и 1986 годами, к примеру, доля членов Политбюро, имевших техническое образование, возросла с 59 % до 89 % [12]. Если определить технократию как режим правления, возглавляемый людьми с техническим образованием, то Советский Союз последней четверти двадцатого столетия, безусловно, представлял собой технократическую державу. И это была технократическая держава, во главе которой стояли инженеры, чье образование было более узким, чем у их коллег во всем остальном мире. Поэт Борис Пастернак с горечью возражал: «Разве канал оправдывает человеческие жертвы? Ведь он безбожник, ваш инженер, а какую власть он получил» [13].
Ограниченное инженерное образование преобладающего большинства высших администраторов Советского Союза наложило отпечаток на их стиль управления и приоритеты. Воспитанные в уверенности, что самые большие предприятия и есть самые лучшие, они строили с грандиозным размахом. Даже в 1992 году, после начала децентрализации, 75 % российских промышленных предприятий все еще имели более чем тысячный персонал [14]. С точки зрения инвестирования ресурсов, экологической безопасности и социальных издержек эти предприятия были безнадежно ущербными. Высший административно-управленческий персонал, большинство которого составляли бывшие инженеры, имевшие слабость к гигантским строительным проектам, имел очень слабое представление о том, что такое экономика и анализ издержек и выгод, не говоря уже о социологии и психологии. Пальчинский назвал бы этих людей техниками, но никак не настоящими инженерами. Гигантские строительные проекты советского образца включали не только самые грандиозные гидроэлектростанции и каналы нашего столетия, но и крупнейшие в мире атомные электростанции. Как выяснилось после Чернобыля, эти электростанции строились с минимальной степенью безопасности, не предусматривая аварийной эвакуации местного населения [15]. Какими бы грандиозными, однако, ни казались все эти проекты, придумывались и еще более поразительные — к примеру, проект переброски северных рек, выдвинутый в восьмидесятые годы и предусматривавший изменение течения нескольких крупнейших сибирских рек для орошения среднеазиатских сельскохозяйственных угодий. В случае своего осуществления переброска рек, которую ее сторонники с гордостью называли крупнейшим строительным проектом в истории, имела бы катастрофические последствия для окружающей среды. Поддержанный инженерами-мелиораторами и среднеазиатскими политическими лидерами, проект переброски рек вызвал резкий протест со стороны экологического движения, а также национал-патриотов, опасавшихся уничтожения памятников русской культуры в результате затопления, и нескольких ведущих экономистов, усомнившихся в его рентабельности. Вскоре после прихода Горбачева к власти проект положили под сукно, однако некоторые нынешние среднеазиатские правители по-прежнему желают его воплощения [16].
Жилищное строительство в советских городах также обнаруживало ограниченность кругозора инженеров, заботившихся в первую очередь о легкости постройки, а не об эстетике. В современном советском городе вы видите ряд за рядом почти идентичные многоквартирные дома блочной конструкции. Квартиры в таких домах также не отличаются разнообразием. Когда в семидесятые годы труженики Магнитогорска наконец переселились из бараков в многоквартирные дома, то разнообразие квартир было столь невелико, что они сразу усвоили техническое наименование каждого их типа. Узнавая о том, что ваши соседи живут, скажем, в квартире типа «А» или типа «Б», вы узнавали обустройстве их жилья все — вплоть до местонахождения стенных шкафов и уборной. В некоторых городах, например, в Новосибирске, многие жители вообще сопротивлялись переселению из бревенчатых изб в новые квартиры, хотя их избы и были лишены центрального отопления и водопровода. Зато они не были лишены какой-никакой индивидуальности, пусть хотя бы в виде крашеных резных наличников, вносивших чуточку праздничной пестроты в жизнь их обитателей, мрачную и монотонную во всех других отношениях. Не желая переезжать в новые многоквартирные дома, они говорили, что у этих однообразных бетонных построек «нет души».
В пятидесятые, шестидесятые и семидесятые годы подобным же однообразием отличались в Советском Союзе очень многие обиходные элементы жизни его граждан — от предметов одежды и бытовых приборов до уличных фонарей, скамеек в парках и мебели. К примеру, когда я жил в Москве в начале шестидесятых, практически во всех квартирах были абажуры одинаковой конструкции и одного и того же переливчато-оранжевого цвета. Эстетика всего общества была продиктована мещанскими вкусами узкообразованных инженеров, создававших эти однообразные вещи и стоявших у власти. Ситуация стала меняться лишь в восьмидесятые годы, по мере наплыва иностранных товаров и роста знаний об устройстве городской среды и быта. Одной из причин нынешнего подъема интереса к реставрации здании дореволюционной эпохи является, безусловно, стремление к более многообразной и эмоционально насыщенной культуре, чем та, которую прививали жителям Советского Союза технократические правители страны.
Если говорить о тех, кто определял стратегию развития советского сельского хозяйства, то и они были технократами — в том смысле, что стремились к сугубо техническому решению проблем, которые по сути были экономическими и социальными. Так, их изначальное пристрастие к коллективизированному сельскому хозяйству основывалось не только на принципе социалистического землевладения, но и на убеждении, что современное агротехническое оборудование вроде тракторов и комбайнов не может работать с полной отдачей, покуда земля разделена на небольшие частные угодья. Это убеждение было не вовсе безосновательным — поскольку средние размеры ферм во всем мире действительно выросли в течение последних пятидесяти лет; тем не менее, советская стратегия коллективизации, ставившая во главу угла технический аспект, не уделяла должного внимания экономическим и психологическим аспектам сельскохозяйственного производства, которые как раз и позволяют выявить различия между трудолюбивым крестьянином-единоличником и равнодушным работником государственного агротехнического предприятия. Как социалист, Пальчинский, вероятно, приветствовал бы совместное владение землей; однако он, без сомнения, сетовал бы на то, что советская стратегия развития сельскохозяйственного производства игнорирует самый важный компонент — нужды того самого человека, который, собственно, и является производителем.
Когда в пятидесятые годы Хрущеву стало ясно, что сельское хозяйство страны находится в бедственном положении, то и на сей раз он прибег к технократическому решению — насадить крупные механизированные совхозы на целинных землях [17]. Его программа вскоре зашла в тупик, будучи отягощенной как проблемами коллективизированного сельского хозяйства, так и трудностями выращивания культур на засушливых землях. Но даже отказавшись от утопических сельскохозяйственных прожектов Хрущева, советское правительство и под руководством Брежнева продолжало развивать сеть крупных механизированных колхозов и совхозов. В конце концов, однако, вера в то, что эти колхозы и совхозы докажут свое превосходство, коль скоро не будет недостатка в оборудовании, не оправдалась. В семидесятые годы Советский Союз производил больше тракторов и комбайнов, чем любая другая страна. Однако же вся эта техника не могла решить мотивационных проблем, которые продолжали вызывать низкую продуктивность сельскохозяйственного производства и скверное распределение его продуктов.
ПРИЗНАКИ БЕСПОКОЙСТВА СРЕДИ СОВЕТСКИХ ИНЖЕНЕРОВ
Как мы видели, ограниченное образование советских инженеров и политических лидеров, вышедших из их рядов, внесло свою лепту в ущербный технократический курс, которому подчинялось развитие СССР в течение преобладающей части времени его существования. Было бы, однако, ошибкой считать, что среда инженеров так и оставалась «замороженной» с начала тридцатых годов. К пятидесятым-шестидесятым годам большинство советских инженеров преодолели страх, пропитывавший всю атмосферу их деятельности в тридцатые и сороковые годы. Их продолжающееся пособничество режиму теперь объяснялось, напротив, их вовлеченностью в советскую систему. Тем не менее, небольшая доля инженеров стала все яснее осознавать ущербный эффект печати социального безмолвия, наложенной на их профессию.
Поиск документальных свидетельств редкой критики советского курса, вышедшей из-под пера инженеров, представляется более трудной задачей, чем если бы дело касалось большинства других профессий. За редкими исключениями, ярким примером которых был Пальчинский, инженеры повсюду не слишком часто пишут статьи, посвященные социальной и политической критике; в СССР же обстановка была особенно неблагоприятной для подобных инициатив. Вдобавок, в сороковые и пятидесятые годы большинство советских инженеров оказались глубоко вовлечены в военно-промышленный комплекс; они хорошо понимали, что, взявшись раскачивать этот корабль, они почти наверняка нанесут ущерб своим собственным интересам. И действительно, советские инженеры нередко оказывались в числе самых стойких приверженцев экономического и политического режима страны. Диссиденты шестидесятых и начала семидесятых годов, выступавшие с критикой режима в подпольной печати, как правило, происходили из среды ученых-естественников или из литературной интеллигенции. Тем не менее, некоторые признаки политического возмужания могут быть обнаружены и в среде инженеров.
На праздновании окончания Второй мировой войны Сталин провозгласил тост в честь технических специалистов низшего звена, способствовавших победе над Германией. Он бестактно, хотя и верно, отозвался об этих специалистах как о «винтиках великой правительственной машины». Группа инженеров и студентов Центрального аэродинамического института в Москве откликнулась тем, что организовала демонстрацию, в ходе которой участники выстроились в длинную колонну, тесно прижались друг к другу и промаршировали по коридорам института, скандируя; «Мы — винтики машины». Им удалось избежать наказания — по всей вероятности, потому, что они ограничили свою демонстрацию стенами собственного института, а также потому, что они входили в категорию инженеров, представлявшуюся наиболее ценной для развития военной программы Советского Союза [18].
Весьма важным событием в жизни инженеров стало появление романа Владимира Дудинцева «Не хлебом единым», опубликованного в 1956 году. Героем романа был инженер Лопаткин, разработавший новый метод литья канализационных труб. Рассказ о его усилиях добиться одобрения своей новаторской разработки у советских бюрократов вызвал сочувственный отклик в сердцах многих советских инженеров, которым приходилось сталкиваться с подобными проблемами. В пост-сталинском Союзе инженеров, работавших по специальности (то есть тех, которые не превратились в штатных партийных работников), ожидало снижение их социального статуса и престижности профессии [19]. Их заработная плата порой падала ниже той, которую получали квалифицированные рабочие. Неудивительно, что многие из них стремились откочевать из сферы промышленности в другие области, выбирая, среди прочего, партийные карьеры — пусть даже ценой того, что, попав в аппарат КПСС, они не имели иного выбора, кроме как подчиниться партийной дисциплине. Даже элитные инженеры, работавшие в научно-исследовательских институтах и опытно-конструкторских бюро, не сомневались в снижении своего социального статуса — в особенности после того, как оказались исключенными из системы Академии наук в начале шестидесятых годов. Это событие побудило некоторых из них обрести голоса и выступить в защиту своих профессиональных интересов. Одним из таких людей был выдающийся советский инженер И.П. Бардин, которому, кстати, однажды случилось поработать на сталелитейном заводе в американском городе Гэри; он горячо спорил с учеными-естественниками (такими, как химик Н.Н. Семенов), выступавшими против присутствия инженеров в Академии. Однако инженеры все же проиграли эту битву, и снижение их статуса продолжалось. В семидесятые и восьмидесятые годы инженерные вузы Советского Союза стали испытывать трудности в рекрутировании новичков. И все же инженерное сообщество в массе своей оставалось удивительно апатичным.
В семидесятые и восьмидесятые годы некоторые инженеры стали высказывать беспокойство по поводу неспособности советской промышленности и военной техники идти в ногу с западными конкурентами. По их мнению, причиной тому были не представители их профессии, а бюрократические препятствия, с которым инженерам приходилось сталкиваться. Как правило, инженеры не выступали от собственного имени, но обращались к партийным лидерам или известным ученым для «озвучивания» своих взглядов. Именно таким образом в 1970 году появилось на свет знаменитое обращение Андрея Сахарова и двух других ученых, предупреждавших руководителей страны об угрозе возвращения Советского Союза в «положение второразрядной провинциальной державы» [21]. Военные инженеры порой искали расположения высших партийных чинов, стремясь обратить их внимание на свои нужды. Также имеются свидетельства того, что в начале 1980-х годов некоторые из советских инженеров-атомщиков призывали уделять больше внимания вопросам безопасности в их отрасли. Они считали, что устройство более совершенной защиты советских реакторов не только сделает их более безопасными, но и позволит советской атомной промышленности успешнее конкурировать на мировом рынке [22]. И все-таки, несмотря на эти признаки медленного пробуждения сознательности, сообщество инженеров оставалось весьма пассивным по сравнению с другими профессиональными сообществами. Неудивительно, что инженерное дело порой называли «серой профессией».
Глава 5
СОВРЕМЕННЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРОВАЛЫ
Как мы видели, ключевые проекты начальной индустриализации СССР (Днепрострой, Магнитострой и Беломорстрой) нарушали принципы разумной и человечной инженерной практики, которые отстаивали Петр Пальчинский и его товарищи, получившие образование до революции. Сам Пальчинский участвовал в обсуждении планов возведения Днепровской гидроэлектростанции и строительства Магнитогорского сталелитейного комплекса, а его коллеги (уже в принудительном порядке) стали техническими руководителями Беломорстроя. Таким образом, их критические замечания в адрес этих проектов основывались на непосредственном опыте.
В последующие десятилетия большинство инженеров старой выучки оказались не у дел, в особенности те, которые были способны критически отозваться о приказах вышестоящих инстанций, — однако их возражения по поводу индустриализации СССР, восходившие еще к далеким дням первой пятилетки, не утратили своей актуальности. Советская индустриальная политика продолжала определяться руководством, не допускающим открытого обсуждения возможных вариантов. До самых последних дней существования СССР императив этой политики состоял в том, чтобы выполнять производственный план, при этом не считаясь с социальными вопросами и не обращая внимания на издержки и альтернативы. Иллюстрацией могут послужить три крупных инженерных провала недавних времен: строительство Байкало-Амурской железнодорожной магистрали в 1970-е и 1980-е годы, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 году и плачевное состояние горной промышленности в Донбассе на закате советской эпохи.
БАЙКАЛО-АМУРСКАЯ МАГИСТРАЛЬ
Крупнейшим строительным проектом брежневского периода стало сооружение Байкало-Амурской магистрали (БАМ) — железнодорожной магистрали для грузовых и пассажирских перевозок длиною свыше 3500 километров, пересекающей юго-восточную Сибирь от города Новокузнецка до побережья Тихого океана. БАМ был назван «проектом века», и его строительство, в котором были задействованы сотни тысяч рабочих, непрерывно прославлялось в советских газетах, фильмах, радио-и телепередачах и даже в живописи, прозе и поэзии. Маршрут «проекта века» был проложен по одним из самых трудных для строительства местностей на всем земном шаре, через горные кряжи, болота и реки. Прокладка магистрали предполагала круглогодичную работу в регионе, где зимние температуры были столь низкими, что машины выходили из строя, а инструменты рассыпались на куски. Проект включал сооружение 150 мостов, в том числе нескольких через широкие реки — такие, как Лена или Верхняя Ангара, прокладку туннелей общей протяженностью более 25 километров, устройство более чем двухсот станций и разъездов, а также строительство свыше двадцати городов и поселков городского типа. Как возвещала одна из книг о БАМе, опубликованная московским издательством «Прогресс» для западной аудитории, «Байкало-Амурская магистраль превосходит любой проект в истории железнодорожного строительства во всем мире» [1]
Инициаторы проекта уверяли, что строительство БАМа создаст условия для разработки дотоле недоступных минеральных богатств Сибири и процветания городов вдоль всей его трассы. Особенно важным представлялось обеспечение доступа к богатым залежам меди в окрестностях Удокана (в Читинской области). В качестве другой ключевой цели выдвигалась транспортировка нефти, а также угля и леса из Сибири к берегам Тихого океана для последующего их экспорта. Далее, энтузиасты проекта говорили о создании «мощного индустриального пояса вдоль трассы БАМа» включающего, в частности, крупный металлургический комплекс [2]. Не столь часто упоминаемым, однако также важным побудительным мотивом к строительству БАМа было желание иметь железную дорогу, застрахованную от возможного захвата китайцами. В отличие от старой Транссибирской железной дороги, сотнями километров пролегающей вблизи советско-китайской границы, трасса БАМа должна была пройти севернее, по более безопасной территории.
В 1974 году Леонид Брежнев объявил о начале строительства БАМа, охарактеризовав его как продолжение традиции «трудовых достижений нашего народа» — таких, как сооружение Днепровской ГЭС и стального города Магнитогорска [3]. БАМ и в самом деле был в русле этой традиции, но вместе с тем его сооружение продемонстрировало, что Советский Союз изменился со времени первых пятилеток. Так, в брежневский период на строительстве БАМа не использовался подневольный труд (хотя десятилетиями раньше, при Сталине, именно заключенные начали строить отдельные участки магистрали). Гораздо больше внимания по сравнению с прежними проектами уделялось жилищным условиям рабочих, хотя жизнь на отдаленных строительных участках оставалась спартанской.
Большинство строителей БАМа составляли добровольцы из других регионов, привлеченные в Сибирь обещаниями высоких заработков, а порой — еще и перспективой получения автомобиля «Жигули» по прошествии трех лет работы. Комсомол развернул вокруг БАМа целую кампанию, создавая по всей стране специальные молодежные бригады, призванные провести на его строительстве по несколько лет. Поэты обращались к советской молодежи с призывом поддержать кампанию [4].
Кое-кто из устремившейся в Сибирь молодежи действительно были энтузиастами, вдохновленными перспективой участия в «проекте века»; больше, однако, было тех, кого привлекали на БАМ сравнительно высокие заработки, а некоторые ехали потому, что не видели для себя никаких перспектив продвижения по службе в родных местах. Многие из молодежных бригад были сформированы по этническому принципу, что позволяло партийным активистам, контролировавшим работу, организовывать «социалистические соревнования» между представителями разных национальностей — например, между армянами и украинцами, русскими и узбеками, грузинами и белорусами и т. д.
Строительство БАМа было «последним вздохом» старой советской стратегии организации работы посредством громких кампаний, уделяя минимальное внимание сложным техническим и социальным вопросам, которые казались столь важными Пальчинскому и его коллегам. И оно, конечно, шло вразрез с девизом Пальчинского — «достигать максимального общественного блага с наименьшими усилиями». Строительство магистрали было организовано на манер военной кампании, которую следовало успешно завершить в кратчайшие сроки и любой ценой. Однако терпимость советского народа к подобным кампаниям сильно уменьшилась с тридцатых годов. За прошедшие десятилетия трудящихся слишком много понукали.
Молодые люди, приехавшие в Сибирь в семидесятые и восьмидесятые годы, получили лучшее образование, чем их предшественники, трудившиеся на великих стройках первых пятилеток, и отличались более самостоятельным и критическим мышлением. Некоторые из них утратили всякие иллюзии по поводу декларируемых целей советского режима. В большинстве своем они имели хотя бы некоторое представление о кровавых «чистках», признанных Хрущевым в 1956 году в его закрытом докладе XX съезду партии (сведения о котором довольно быстро просочились «в массы»); большинство их слышали о вторжении советских войск в Венгрию в том же 1956 году и в Чехословакию в 1968 году, а некоторые даже участвовали в диссидентском движении шестидесятых-семидесятых годов или имели друзей или родственников среди диссидентов. Все они знали, что по прошествии долгих лет обещаний грядущего изобилия Советский Союз по-прежнему остается царством «дефицита», страной, где повседневное существование вырастает в трудную задачу. И хотя в большинстве своем молодые строители БАМа еще сохраняли некоторую лояльность к советскому режиму, они начинали сомневаться и задавать вопросы. Они возвращались с БАМа с рассказами о расточительстве и эксцессах, а также об идиотских призывах. Восторженные стихи уже не могли покорить новое поколение советской молодежи.
Хотя строительство БАМа и не сопровождалось такими ужасами, какими отличалось сооружение Беломорканала, в нем, тем не менее, проявились многие из порочных особенностей, общих для всех крупных строительных проектов СССР с начала тридцатых годов. Решение о строительстве новой магистрали не было результатом открытого обсуждения, при котором инициаторы и сторонники проекта или его различных вариантов публично представили бы свои точки зрения, подкрепляя их соответствующими данными; напротив, решение было принято руководителями коммунистической партии, основываясь на позиции узкого круга советников — технократов, воспитанных в традиции, которая ставила во главу угла масштабное развитие производственных мощностей ценой любых издержек — экономических, экологических или социальных. Достаточно отметить хотя бы то, что строительство БАМа уже шло полным ходом задолго до окончательного утверждения проекта в 1977 году [5]. Местоположение многих участков трассы определялось непосредственно по ходу строительства, а не было спланировано заранее. Нетрудно представить, как отозвались бы Пальчинский и его единомышленники о столь непродуманном и опрометчивом предприятии.
После того как было принято решение о строительстве магистрали, всякому, кто высказывал критические замечания, немедленно приклеивали ярлык скептика, «тормоза», человека, равнодушного к делу построения коммунизма. Таких «критиков» не приговаривали к тюремному заключению, как это бывало в тридцатые годы, — им просто не давали высказать свои взгляды в советской печати. Государственная пропаганда превозносила БАМ как захватывающее предприятие, требующее рвения, упорства и гражданственности, которые мыслимы в военное время. Только врагом в данном случае была не неприятельская армия, а сама природа: зимой — скованная морозом тайга, летом — вечная мерзлота и гнус. Перед лицом этих препятствий успех обеспечивала только непреклонная решимость. В таком деле критикам и придирам не было места.
Несмотря на громкие призывы правительства и коммунистической партии, строительство БАМа уже вскоре после начала работ стало быстро отставать от намеченного графика и сильно превышать сметные расходы. Руководители, естественно, начали искать способы ускорения строительства и снижения затрат. Одним из таких способов стало использование рельсов другого стандарта: в конце семидесятых и начале восьмидесятых годов на некоторых участках трассы вместо более прочных ширококолейных рельсов типа Р-65 были проложены узкоколейные рельсы типа Р-50 [6]. В результате — три случая крушения поездов еще до за вершения строительства и преждевременный износ рельсов, особенно на криволинейных отрезках дороги. В конечном итоге все узкоколейные участки были перестроены, однако уже после того, как руководящие инженеры представили властям (не соответствовавшую действительности) информацию о том, что строительство завершено согласно заданным условиям. Итак, безопасность и долгосрочная экономия средств были принесены в жертву ради выполнения графика и краткосрочной экономии — результат, типичный для форсированного режима осуществления советских проектов.
Другой способ ускорить и удешевить строительство состоял в задействовании военнослужащих. Надо заметить, что использование последних в промышленном строительстве было в общем-то обычной практикой в Советском Союзе. Солдаты участвовали в строительстве Игналинской и Горьковской атомных электростанций, а также в сооружении ряда ирригационных каналов в бассейне Волги. Больше того, даже на улицах Москвы зачастую можно было наблюдать солдат занятых починкой дорожного полотна или строительством зданий. Всякий раз, когда министры или партийные функционеры испытывали трудности с осуществлением того или иного проекта в заданные сроки, они взывали к Министерству обороны: «Если вы не дадите нам солдат, все пропало» [7]. Руководители строительства БАМа повели себя точно так же. Они обратились за помощью к военным властям и получили ее. В итоге солдаты построили значительную долю восточной части магистрали и выполнили 25 % общего объема тяжелых работ (таких, как земляные и взрывные) по всей трассе [8].
Использование солдат на строительстве было порочным и с этической, и с экономической точек зрения. Хотя и не являясь арестантами, каковыми были их предшественники, солдаты были, несомненно, подневольными работниками, направленными на строительство приказом своего командования. Им поручались самые отталкивающие виды работ — те, которые не желали выполнять строители-добровольцы. К тому же, как лица, отбывающие обязательную воинскую повинность в качестве рядового и сержантского состава, они получали за свой труд сущие пустяки. Их заработки были ничтожны по сравнению с теми, которые имели добровольцы за менее изнурительный труд. По сути, «солдатский контингент» являлся логическим продолжением «арестантского контингента» былых времен. В брежневский период в Советском Союзе, безусловно, не царила жестокость сталинских лет, и с солдатами-рабочими обращались лучше, чем с заключенными. Однако и тем, и другим были отведены одинаковые функции: они должны были молча выполнять приказы, и их можно было бросать в прорыв всякий раз, когда строительство отставало от графика.
В течение почти всего срока строительства БАМа практика использования солдат в качестве рабочей силы не выносилась на открытое обсуждение. Лишь после начала горбачевской «перестройки» советская пресса (еще до завершения строительства) стала поднимать вопросы, связанные с этой практикой. К примеру, газета «Правда» опубликовала статью, автор которой осуждал такую практику с этических позиций, вместе с тем справедливо отмечая, что она искажает реальную экономическую оценку строительства: «Использование солдат в гражданском строительстве долгое время было своего рода "священной коровой", которую нельзя критиковать в прессе.
Однако истина состоит в том, что использование солдат для выполнения плановых заданий коррумпирует многие наши ведомства, поскольку в результате их желания перестают определяться их ресурсами — ведь, в конце концов, их рабочая сила не стоит им ничего» [9].
Ни привлечение солдат, ни недальновидные способы удешевления, однако, не спасли план. С течением времени первоначально намеченный срок завершения строительства — 1983 год — стал казаться все менее реалистическим. Особые трудности представляли окрестности Северомуйска (Бурятия), где предполагалось сооружение 15-километрового туннеля — самого длинного подземного участка магистрали. Еще до того, как трасса была спланирована, бурятские геологи и инженеры предупреждали советское правительство о нецелесообразности сооружения здесь туннеля ввиду высокой сейсмической активности в регионе и рекомендовали устроить вместо него длинный обходной путь [10]. Однако власти, не желая мириться с замедлением строительства из-за устройства обходного пути, отвергли рекомендацию специалистов и утвердили сооружение туннеля.
Между тем сооружение туннеля оказалось куда более трудной задачей, чем ожидалось. В итоге, под нажимом властей, требовавших, чтобы в 1984 году был вбит «золотой костыль», символизирующий завершение строительства, руководящие инженеры решились на отчаянный шаг — устройство 28-километрового обходного пути, который включал столь крутые участки, что обычные грузовые поезда не могли преодолеть их. Журналист, которому случилось проехать по этому отрезку трассы, замечал, что «здесь мог справиться только слаломист» [11]. Тем не менее, в 1984 году советская печать объявила, что строительство БАМа завершено. В действительности же прошло еще пять лет, прежде чем удалось наладить регулярное грузовое сообщение по всей трассе, да и то не без проблем: выстроенный к тому времени второй (и тоже временный) обходной путь вокруг ненадежного туннеля допускал лишь медленное и ограниченное движение.
БАМ строился на скорую руку, без оглядки, и его сооружение нанесло громадный ущерб окружающей природе [12]. Нечистоты, производимые ордами строителей, никуда не девались — ведь зимой ручьи и речки нередко промерзали до дна, а почва уже на полуметровой глубине оставалась замерзшей круглый год. Реки вдоль трассы были сильно загрязнены нефтью, смазочными веществами, мусором и остатками оборудования. В зимний период дизельные двигатели строительной техники не выключались на ночь (иначе их не удалось бы завести в холодные утренние часы), оскверняя воздух смогом и вредными примесями. Повреждение легкоранимого растительного покрова тундровых участков приводило к обнажению маломощной почвы, для восстановления которой (если оно вообще возможно) потребуются десятки лет. Строители вызывали презрение среди коренных народов Сибири, видевших в них оккупантов: они появлялись, уничтожали дичь, оскверняли землю и воду, а затем исчезали, как только истекал срок, который полагалось отбыть для получения «Жигулей» [13]. Древнейшее и глубочайшее в мире озеро Байкал, обиталище многих видов, нигде более не встречающихся, превратилось в основной путь подвоза для БАМа; летом оно кишело транспортными судами, а зимой, покрываясь льдом, грузовиками.
Представители экологического движения, ставшего заметной социальной силой после прихода Горбачева, бурно протестовали против такого надругательства над уникальным озером.
К началу девяностых годов БАМ был введен в действие, однако его экономическое значение так и осталось сомнительным. Первоначальная надежда на то, что наиболее доходной будет транспортировка нефти для ее последующего экспорта, не оправдалась: бурение нефтяных скважин в этой части Сибири сопряжено с такими трудностями, что его пришлось отложить на неопределенное время. Также пришлось отложить и разработку медных залежей в окрестностях Удокана, некогда выдвигавшуюся в качестве второго по важности экономического повода для строительства БАМа. Общий спад советской экономики, а затем — и распад самого Советского Союза привели к замораживанию каких бы то ни было планов крупномасштабной разработки полезных ископаемых в этом регионе. До сих пор единственным важным грузом, который транспортируется по БАМу, остается лес, хотя он оказывается дороже леса, заготовленного в любой другой части России. Защитники БАМа нередко ссылаются на доходную торговлю углем, который добывается в Южной Якутии, однако этот уголь транспортируется не столько по самому БАМу, сколько по ветке, соединяющей его со старой Транссибирской магистралью. В 1988 году российский экономист резюмировал ситуацию следующим образом: «В настоящее время по этой новой и дорогой железной дороге нечего перевозить, и БАМ нерентабелен. Мы должны позаботиться о том, чтобы недоиспользование магистрали в течение ближайших лет не потворствовало пренебрежению к необходимому уходу, отсрочке сооружения инфраструктуры и прочим псевдоэкономиям, которые могут иметь негативные последствия продолжительностью в десятки лет» [14].
ЗНАЧЕНИЕ ЧЕРНОБЫЛЯ
Начало избавления бывшего Советского Союза от технократических тенденций, вероятно, восходит к аварии на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 году. Чернобыльский взрыв подробно анализировался в западной, советской и пост-советской печати. За немногими исключениями, однако, авторы соответствующих публикаций останавливались на технических особенностях самого реактора, действиях обслуживающего персонала, а также на социальном и экономическом ущербе от аварии. Мало кто из аналитиков обращал внимание на то, что Чернобыль представлял собой детище советской индустриальной политики в ее стандартном варианте, который ставил гигантские проекты выше более скромных, планирование из центра — выше локальных планов, объемы производства — выше его безопасности, технику — выше человеческого благополучия, «монолитные» закрытые решения — выше критического обсуждения, и который, наконец, отличался донельзя форсированными темпами [15]. Если ядерная энергетика чем-то и отличалась от прочих отраслей советскойпромышленности, то только тем, что здесь последствия провалов стандартной индустриальной политики могли быть особенно катастрофическими. Спроектированная, построенная и действовавшая в русле традиционного советского подхода к индустриализации, Чернобыльская АЭС была бомбой замедленного действия.
Советские лидеры постоянно настаивали на том, чтобы все отрасли промышленности развивались как можно более быстрыми темпами, дабы СССР превратился в самую могущественную державу в мире. Ядерная энергетика не составляла исключения: десятый, одиннадцатый и двенадцатый пятилетние планы (1976–1990) предусматривали ее сенсационный рост. К концу 1980 года в стране должны были быть введены в действие в общей сложности 24 ядерных реактора, причем 13 из них (в том числе Чернобыльский) — с использованием графитовых замедлителей, то есть типа РБМК («реактор большой мощности канальный»), который был отвергнут почти во всех других странах в силу его неустранимой нестабильности. В оставшееся число входили 10 несколько более безопасных реакторов на легкой воде типа ВВЭР («водо-водяной энергетический реактор») и реактор на быстрых нейтронах («быстрый бридер»), установленный на Билибинской АЭС. Постоянный ввод в строй все новых реакторов предполагался и после 1980 года: например, планировалось, что в период между 1986 и 1990 годами общее производство ядерной энергии в СССР возрастет на 250 %, достигнув 69000 мегаватт [16]. В 1986 году, когда произошла Чернобыльская авария, в СССР действовали 43 ядерных реактора, 36 — строились, а постройка еще 54 реакторов была запланирована [17]. Следует также отметить, что, хотя еще до Чернобыльской аварии Советский Союз решил постепенно переходить от устаревших РБМК к более современным типам реакторов, к концу 1992 года, то есть спустя почти семь лет после аварии, на территории бывшего СССР все еще действовали 15 реакторов типа РБМК. Более того, руководители отрасли заявили, что ввиду крайней нужды в электроэнергии, реакторы этого типа будут действовать еще неопределенно долго [18].
Советская стратегия в области атомной энергетики состояла в том, чтобы строить очень крупные реакторы (обычно мощностью порядка 1000 мегаватт) и сосредоточивать вплоть до шести таких реакторов в одном месте, тем самым создавая грандиозные энергетические центры. К 1986 году на Чернобыльской АЭС действовали 4 реактора мощностью по 1000 мегаватт и строились еще 2. Обсуждались планы сооружения еще более мощных реакторов (например, РБМК мощностью 2400 мегаватт) [19].
Для быстрого производства реакторов был построен специальный сборочный завод «Атоммаш» в городе Волгодонске. Как отмечал американский исследователь ядерной энергетики СССР Пол Джозефсон, «планирование и стандартизация достигли такой степени, что Министерство энергетики и электрификации выпускало руководства по сооружению реакторов, в которых подробно расписывалось, каким образом готовить строительную площадку, какие бульдозеры, экскаваторы и грузовики следует использовать, как устраивать охладитель и т. д. при постройке практически стандартизированных АЭС» [20]. Эта унифицирующая стратегия игнорировала специфические особенности каждого пункта, где предполагалось строить АЭС, — к примеру, уровень грунтовых вод, плотность населения, тип подстилающей породы и сейсмическую активность — то есть те факторы, которые влияют как на решение о том, можно ли сооружать в этом месте реактор, так и на выбор конкретных методов строительства.
До Чернобыльской аварии в советской массовой печати почти не допускались критические выступления в адрес ядерной энергетики. Наиболее часто упоминаемым исключением является статья, появившаяся в 1979 году в журнале «Коммунист». Ее авторы — физик и экономист ставили под вопрос существующую стратегию размещения советских атомных электростанций и настаивали на том, чтобы будущие АЭС строились в глухих местах, вдали от крупных городов [21]. Однако и они высказывались за рост ядерной энергетики. Что же касается их опасений насчет безопасности АЭС, то они были отвергнуты советской печатью. Представители научной, инженерной и административной элиты выступили со статьями, которые вновь и вновь указывали на важность ядерной энергетики для экономического развития страны, при этом отбрасывая сомнения в ее безопасности. К примеру, в 1980 году академик М.А. Стырикович восклицал на страницах популярного советского журнала: «Атомные электростанции подобны звездам, которые сияют не переставая! Мы засеем ими всю землю. Они совершенно безопасны» [22].
Многие из специфических упущений и ошибок, приведших к взрыву на четвертом блоке Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 года, увязываются с общими чертами советской индустриальной политики. «Ингредиентами» Чернобыльской аварии были отсутствие адекватной защиты реактора; упорное использование устаревшего типа реактора, особенно трудно поддающегося контролю; низкий уровень квалификации и образования контролирующего персонала; и общее невнимание к вопросам безопасности. Сыграло свою роль и постоянное акцентирование властями необходимости увеличить производство электроэнергии: авария произошла во время эксперимента, целью которого было проверить, можно ли «выжать» из реактора дополнительную электроэнергию в процессе его остановки на текущий ремонт.
Можно расценить Чернобыльскую аварию просто как случайное стечение обстоятельств, но более уместно рассматривать ее как следствие определенного стратегического курса. Ядерная технология, в какой бы стране она ни использовалась, небезопасна по своему существу, и бывший Советский Союз — отнюдь не единственная из стран, познавшая ядерные катастрофы или угрозу их возникновения. Тем не менее, советская стратегия в области атомной энергетики превратила ее из опасной отрасли в ужасную. Зловещие особенности атомных электростанций бывшего СССР стали еще более очевидны в марте 1992 года, когда другой реактор типа РБМК дал утечку радиоактивных газов в окрестностях Санкт-Петербурга. В ответ многие жители западноевропейских стран потребовали немедленной остановки всех реакторов этого типа. Германский министр по вопросам окружающей среды Клаус Топфер заявил: «Мы убеждены, что реакторы РБМК не могут быть доведены до общепринятых стандартов и что они должны быть остановлены как можно скорее» [23].
За Чернобыльским бедствием последовал ряд не столь внушительных, однако также существенных технологических аварий, например, на атомных подводных лодках и в сфере транспорта (крушения поездов и кораблей), а также ряд экологических катастроф. Михаил Горбачев, получивший юридическое, а не инженерное образование, назвал их причиной «человеческий фактор», прибегнув к тому же самому термину, который десятилетиями раньше употреблял Пальчинский. Горбачев призвал отойти от прежнего узкого взгляда на технику и подойти к ней по-новому, уделяя гораздо больше внимания таким локальным и социальным аспектам, как рентабельность, безопасность, благополучие рабочих, экологический риск, а также управление с учетом психологических и социологических факторов. Он стал все больше и больше прибегать к советам экономистов, социологов и даже историков, и все меньше и меньше — к советам инженеров [24]. Призрак Пальчинского, некогда предупреждавшего о последствиях узкого технического образования и пренебрежения социальными вопросами, явился наконец в Советский Союз.
ВОЗВРАЩЕНИЕ В ДОНБАСС
В июле 1989 года среди сибирских угольщиков началась первая в советской истории массовая забастовка, которая была подхвачена в Донбассе, где более 250 тысяч шахтеров прекратили работу. Эта забастовка стала переломным моментом в истории советского рабочего движения. В новых политических условиях жалобы рабочих были преданы гласности, и социологам была предоставлена возможность исследовать условия труда и жизни шахтеров Донбасса. Тень Пальчинского витает над этими исследованиями — ведь очагами забастовки 1989 года были те самые местности, а иногда — и те самые шахты, которые он изучал почти девятью десятилетиями ранее. Из 121 действующей шахты, каковым было их число в Донбассе в конце 1980-х годов, 36 разрабатывались уже более 70 лет, а несколько шахт — более 100 лет [25]. Именно обстановка, царившая на шахтах Донбасса в начале столетия, настроила Пальчинского на радикальный лад и побудила его в самом начале своей инженерной деятельности стать приверженцем социальных и экономических реформ. Спустя шестьдесят лет после его гибели, новые исследования «рабочего вопроса» в Донбассе показали, что, несмотря на более высокий образовательный уровень и несколько лучшие жилищные условия, которыми обладают рабочие 1980-х годов по сравнению со своими предшественниками дореволюционного периода, они по-прежнему испытывают недостаток в предметах первой необходимости и продолжают жить и трудиться в обстановке, вызывающей ужас и жалость.
В годы, последовавшие за Второй мировой войной, самые богатые и доступные угольные пласты Донбасса были исчерпаны, и руководители шахт стали вести разработку на все больших и больших глубинах. К 1985 году одна из шахт достигла глубины 1319 метров. В силу геологических особенностей Донбасса, на таких глубинах возникает большая угроза взрывов вследствие скопления метана. Еще в 1976 году, в ходе одной из первых советско-американских консультаций по вопросам научной и технической политики (в которой мне довелось участвовать), советские участники выступили с инициативой проведения совместных исследований по проблеме взрывов метана, являющейся предметом беспокойства как на американских, так и на советских шахтах [26]. Стороны обменялись важной информацией о принятых способах предотвращения взрывов, таких, как предсказание времени начала прорыва газа, дегазация взрывоопасных угольных пластов, установка газоанализаторов и сигналов газовой тревоги, устройство надлежащих систем вентиляции и температурного контроля в шахтных стволах, налаживание громкоговорящей системы оповещения и надежных коммуникационных линий по всей протяженности шахт, а также совершенствование систем срочной эвакуации. Однако в ходе этих консультаций 1976 года советские участники не представили никаких статистических данных о том, сколько рабочих погибает в среднем за год от взрывов метана на шахтах СССР. Что касается Соединенных Штатов, то здесь в середине 1970-х годов аварии на угольных шахтах ежегодно приводили к гибели порядка 140 человек, из которых менее 10 становились жертвами именно взрывов метана [27]. После забастовки донецких шахтеров 1989 года выяснилось, что на многих советских шахтах вентиляционное оборудование либо вовсе отсутствует, либо не заслуживает доверия, и что так же обстоят на них дела с системами коммуникации.
Мы и по сей день не располагаем достоверными статистическими данными о жертвах и травмах в шахтах Донбасса, дающих около трети всего угля, добываемого на территории бывшего СССР, однако по прошествии забастовки 1989 года стали известны следующие показатели: в июле 1989 года погибли (от любых причин, не только от взрывов метана) 44 шахтера, в августе — 67, а всего за первые восемь месяцев того же года — 431. Один из организаторов донбасской забастовки А.С. Дубовик утверждал, что на каждый добываемый миллион тонн угля приходится от 3 до 4 человеческих жертв. (Для сравнения можно указать, что в Соединенных Штатах этот показатель составляет порядка 2 жертв на каждые 10 миллионов тонн [28].)
В теории советские шахтеры располагали рядом привилегий, которых не имели не только рабочие других отраслей промышленности СССР, но и западные рабочие. Согласно утверждениям советского правительства, в 1980-е годы шахтеры Донбасса получали в среднем от 350 до 400 рублей в месяц, что почти вдвое превышало среднюю заработную плату в советской промышленности [29]. Утверждалось, что донбасские шахтеры трудятся по пять дней в неделю (при общей продолжительности их рабочей недели в 30 часов), что они имеют право выйти на пенсию в пятидесятилетием возрасте, могут в течение всей жизни пользоваться бесплатной медицинской помощью и получают пенсионное обеспечение в размере до 170 рублей в месяц [30]. На практике, однако, шахтеры Донбасса в 1980-е годы испытывали мощное давление со стороны руководителей шахт, требовавших увеличения добычи угля, в результате чего их рабочая неделя в среднем оказывалась гораздо длиннее декларируемых 30 часов. Путь от шахтного ствола до забоя мог занимать вплоть до одного часа в каждую сторону, однако это время не считалось рабочим. Что касается декларируемых двух выходных, то сначала суббота, а вслед за ней — и воскресенье стали зачастую превращаться в рабочие дни, причем сверхурочная работа не оплачивалась выше обычной [31].
Шахтеры и их семьи испытывали острую нехватку продуктов и других предметов первой необходимости. В Донбассе постоянно ощущался дефицит мяса, фруктов и овощей. Особенно возмущало шахтеров нередкое отсутствие в продаже мыла и стирального порошка, из-за чего они не могли привести себя в порядок после рабочего дня. Подобного унижения не испытывали даже их предшественники в царской России — среди тягот их существования, которыми они делились с Пальчинским, не фигурировали жалобы на отсутствие мыла. Между тем именно требование наладить поставку мыла стало одним из главных пунктов в списке претензий, предъявленных властям шахтерами Донбасса во время забастовки 1989 года.
После забастовки группа социологов из Украинской академии наук провела опрос 216 ее участников (199 рабочих и 17 инженеров) с целью выяснения главных причин этого события. Несмотря на то, что результаты опроса не получили достаточно строгой статистической обработки, они все же дают общее представление об источниках недовольства. Респонденты могли называть по несколько источников, и их частотное распределение в общем массиве ответов оказалось следующим: нехватка предметов первой необходимости — 89 %, низкие заработки — 79 %, кратковременность отпусков — 62 %, недостаточность пенсионного обеспечения — 56 %; высокие цены на потребительские товары, неудовлетворительные жилищные условия и плохие отношения с администрацией — 39–41 %, плохие условия труда — 33 %, отсутствие социальной справедливости — 32 %; плохое медицинское обслуживание — 25 % [32].
Наиболее шокирующее впечатление (по крайней мере, на взгляд сторонних наблюдателей) производили жилищные условия шахтеров.
Хотя они и изменились к лучшему с тех пор, как в начале века Пальчинский изучал устройство здешних шахтерских бараков, все же эти изменения по прошествии трех поколений были удручающе малы. После забастовки 1989 года один из шахтеров замечал: «Многие шахтеры по-прежнему живут в таких условиях, что, если бы здесь был снят фильм, то при его просмотре вы бы подумали, что дело происходит в 1905 году» [33]. Согласно официальной сводке, опубликованной после забастовки, к началу 1989 года в 63 % шахтерских жилищ отсутствовала горячая вода, в 20 % не было и холодной воды, а 26 % жилищ не были подключены к канализационной системе. Примерно 17 % шахтеров вообще не имели ни домов, ни квартир, и жили либо у друзей, либо в бараках [34].
Журналисты, интервьюировавшие шахтеров Донбасса после забастовки 1989 года, вынесли впечатление, что страдания этих людей коренятся в глубинах советской истории. Шахтеры говорили, что сразу после революции, в начале двадцатых годов, углекопам, как и остальным советским рабочим, была обещана новая эра, в которую они будут жить лучше, чем рабочие всего остального мира. Период, когда казалось возможным, что подобные обещания будут выполнены, кончился, по их мнению, с наступлением террора и репрессий в конце двадцатых годов. В 1928 году был изгнан со своего поста глава их профсоюза М.Л. Томский. (Можно ли считать простым совпадением, что в том же самом году был арестован и Пальчинский — наиболее заметная фигура среди тех инженеров, кто с вниманием относился к социальным проблемам и благополучию рабочих?) Начиная с этого времени, говорили шахтеры, «на интересы рабочих махнули рукой» [35]. Шахтеры предприняли забастовку при Хрущеве, когда политическая обстановка в стране несколько разрядилась, но их выступление было жестоко подавлено войсками. И до начала эпохи горбачевских реформ они уже больше не отваживались бастовать, добиваясь улучшения условий своей жизни и труда.
Вскоре после начала забастовки 1989 года Горбачев выступил по телевидению и признал справедливость большинства претензий шахтеров. Затем представители правительства встретились с руководителями забастовочных комитетов и согласились выполнить 25 требований шахтеров. Спектр обещанных реформ включал повышение заработной платы и пенсионного обеспечения, объявление воскресенья гарантированным выходным днем, обеспечение мылом в количестве не менее 800 граммов в месяц на каждого рабочего, улучшение поставок продовольствия и прочих товаров, усовершенствование систем безопасности и гарантированное обеспечение всех шахтеров жильем в многоквартирных домах. Многие из этих обещаний, однако, так и не были выполнены, а увеличение зарплаты и пенсий было вскоре сведено на нет инфляцией. Волнения в среде рабочих продолжались. Тем не менее, шахтерская забастовка 1989 года была знаменательным событием, став первой успешной массовой забастовкой в советской истории.
В 1926 году Пальчинский назвал восьмимиллионную армию рабочих Советской России «неиспользованной силой, в сравнении с которой все остальные громадные естественные богатства страны отходят на второй план» [36]. Он верил, что Россия может стать не только мощной державой, но и страной человечной культуры, если соединит рациональное использование своих богатых природных ресурсов с заботой о благополучии этой рабочей силы. Задолго до шахтерской забастовки 1989 года Советский Союз стал военной сверхдержавой и создал один из мощнейших индустриальных комплексов в мире. Победа индустриализации, однако, оказалась совершенно бесплодной, ибо в ходе ее достижения руководители страны лишились поддержки своего собственного народа.
Эпилог
ПРИЗРАК ПЕТРА ПАЛЬЧИНСКОГО
В 1992 году драматург и президент независимой Чехословакии Вацлав Гавел написал, что падение коммунизма ознаменовало конец целой эпохи человеческой истории — эпохи господства образа мысли, основанного на научной объективности. Марксизм, утверждал он, был идеологией «самонадеянного, абсолютистского разума», и его провал означает, что, вместо того, чтобы полагаться на объективность, человек «должен довериться собственной субъективности как своему главному связующему звену с субъективностью мира» [1].
Что бы мог сказать Пальчинский в ответ на эти слова, доведись ему услышать их? С не меньшей решительностью, чем Гавел, он бы поддержал присущее им обоим стремление к человечному миру, однако наверняка посмеялся бы (возможно, сквозь слезы) над изображением советского марксизма в качестве венца научного рационализма и объективности. Было ли торжеством рациональности строительство Беломорканала, проложенного отнюдь не оптимальным курсом и самыми первобытными методами, ценой сотен тысяч жизней заключенных? Было ли триумфом объективности наплевательское отношение властей к советам лучших технических специалистов при строительстве Магнитогорска, плотины Днепровской ГЭС и Байкало-Амурской магистрали? Было ли достижением науки обучение самой большой армии инженеров в мире — людей, которым предстояло стать во главе всей советской бюрократии, — если они не получали почти никаких знании о современной экономике и политике? Чем, как не вспышкой чистейшей субъективности, было деспотическое требование Сталина обеспечить такие темпы промышленного роста, которые были технически невозможны и привели к ужасающему расточению человеческих жизней? Чем же было, наконец, надолго пережившее Сталина, сохранившееся и в 1980-е годы упорное стремление советских лидеров содержать неэффективные совхозы и гигантские государственные предприятия, если не проявлением упрямого догматизма, игнорирующего существующие во всем мире горы эмпирических данных о более эффективных и человечных экономических структурах?
Пальчинский мог бы подтвердить, что эти иррациональные аспекты советского коммунизма впервые проявились не во времена Гавела, но были замечены и подвергнуты критике уже в 1920-е годы им самим и многими другими. Тогдашние критические замечания выдвигались во имя научной рациональности и социальной справедливости — принципов, которые Пальчинский стремился соединить один с другим. Его критические отзывы о начальной индустриализации СССР помогают нам разобраться в последующем провале предпринятой советскими лидерами попытке превратить страну в передовую современную державу.
Осуществление первых проектов в истории советской индустриализации оказалось возможным благодаря той социальной энергии, которой новое коммунистическое правительство «зарядило» рабочих, привыкших к гнетущим условиям царского режима.
Коммунисты выдали рабочим вексель на то, что новое советское общество, каким бы трудным ни было его становление, в конечном счете будет обществом изобилия и гуманности. Этого векселя хватило на одно поколение. Многие из рабочих, трудившихся в ужасающих условиях Днепростроя, Магнитостроя и на других участках фронта индустриализации первых пятилеток, умудрялись сохранять веру в то, что будущее принесет им жизнь, богатую и материальными, и духовными благами. К концу тридцатых годов стали расти сомнения, питаемые угнетающей и полной насилия атмосферой «чисток», а также невыполнением властями их обещаний рабочим; однако Вторая мировая война дала правительству отсрочку. Национальные чувства возбудили громадную энергию промышленного и военного строительства, которое имело успех и стало предметом законной гордости страны и ее граждан.
Но урон, нанесенный Советскому Союзу нацистской Германией, был велик, и на его возмещение потребовались многие годы. Руководители страны и компартии оправдывали продолжающиеся лишения первых послевоенных лет, указывая на то, как сильно пострадал Советский Союз. Этот довод звучал убедительно для многих советских граждан — ведь они по личному опыту знали, сколь тяжелой была война.
Однако к концу 60-х — началу 70-х годов ни идеологическими посулами будущей социалистической утопии, ни ссылками на тяжелое наследие прошедшей воины оправдать лишения в настоящем уже не удавалось. Когда Брежнев призывал молодых рабочих помочь в сооружении гигантской Байкало-Амурской магистрали, он уже не мог полагаться на пафос построения нового общества.
Советского рабочего перестали трогать энтузиастические сантименты по поводу строительства коммунизма. Вместо них советское правительство побуждало рабочих ехать в Сибирь тем, что обещало им повышенную зарплату и автомобили «Жигули». Как оказалось, однако, материальные стимулы, которые могла предложить советская система в семидесятые годы, захватывали умы куда слабее, чем некогда владела ими окончательно угасшая к тому времени мечта о социалистическом обществе.
Разрушение веры ускорилось, когда граждане Советского Союза стали все яснее осознавать, что, хотя их страна и превратилась в великую промышленную державу, уровень их жизни соответствовал показателям, характерным для стран «третьего мира». К семидесятым годам Советский Союз вышел на первое место в мире по производству стали, свинца, асбеста, нефти, цемента и ряда других базовых промышленных продуктов. Однако, с точки зрения жизни людей и состояния окружающей среды, цена слепой одержимости объемами промышленного производства была страшно высокой. Продукты питания и потребительские товары зачастую были в дефиците, ибо политические боссы требовали прежде всего производства стали для тяжелой промышленности и вооруженных сил. Средняя продолжительность человеческой жизни в СССР упала до уровня тридцать второго места в мире. Детская смертность возросла, отбросив Советский Союз на пятидесятое место в мире, с худшими показателями, чем у таких стран, как Маврикий и Барбадос [2]. Природная среда была в катастрофическом состоянии, особенно вокруг промышленных центров (таких, как Магнитогорск) и в регионах, нуждающихся в орошении, (например, в Средней Азии).
В ответ на это пренебрежение их жизненными нуждами рабочие впали в апатию. Долго теплилась в них наивная надежда на то, что со временем советский режим выполнит свои обещания, но в конце концов она совершенно угасла. В последние годы существования Советского Союза позиция представителей пролетариата (то есть тех самых людей, якобы к выгоде которых строился коммунизм) выражалась циничным замечанием: «Мы делаем вид, что работаем, а они делают вид, что платят нам». Незадолго до падения коммунистического режима это выражение видоизменилось: в «они делают вид, что управляют, а мы делаем вид, что подчиняемся». На этом фоне кажется, что Пальчинский обладал предвидением, указывая на «человеческий фактор» как на то, что должно занимать главное место в сознании инженера или администратора. Вопиющее пренебрежение советского режима к людям было важнейшей причиной того, что он рухнул почти вовсе без сопротивления. В конечном итоге у него почти не осталось защитников.
Особенностью воззрений Пальчинского на отношение техники и общества, которая заслуживает того, чтобы напомнить о ней, была этическая чуткость, более всего отличавшая их от технократических доктрин, выдвигавшихся в те же дни в других местах. В то время как американские инженеры и их последователи в других странах превозносили «тэйлоризм» и «фордизм» за даваемый ими рост эффективности производства, Пальчинский задавался вопросом о том, какое воздействие на рабочих может оказать внедрение этих методов. Как человек, всегда ставивший во главу угла благополучие рабочих, он не желал признавать эффективность или производительность в качестве единственно законных задач промышленного производства. Его взгляд на общество предполагал, что социальная справедливость и эффективность производства могут идти рука об руку, а не противостоять друг другу. Эта позиция удивительно близка к взглядам современных промышленных администраторов, взявшихся за повышение эффективности сборочных конвейеров и производственных цехов путем гуманизации условий труда. Да, Пальчинский был технократом, и в его взглядах было много свойственных технократам изъянов (включая и некоторые из тех, что впоследствии вызвали горячую критику Гавела); но он был одним из наиболее чутких к социальным проблемам технократов, которых видел мир. Можно было бы только радоваться, если бы у большинства нынешних выпускников инженерных институтов (и не только в России) был столь же широкий умственный кругозор.
Представления Пальчинского о рациональных и справедливых отношениях между техникой и обществом безмерно превосходили не только марксистскую догму, воцарившуюся в СССР после его гибели, но и западные инженерные доктрины того времени. Тем не менее, его мнение о преимуществе государственного владения землей и промышленными предприятиями сегодня кажется неубедительным. Нам стали ясны опасность и неэффективность сосредоточения экономической власти в руках государства. Пальчинский надеялся, что в социалистическом обществе, в отсутствие капиталистов и предпринимателей, движущей силой экономики станут инженеры, и тем самым недооценивал значение разнообразия способностей и склонностей, равно необходимого для политических руководителей, администраторов и рабочих. Отдавая преимущество инженерам, Пальчинский проявлял изъян, отмеченный Гавелом (даже если Гавел и слишком размашисто возложил вину на научное мышление как таковое).
Хотя российская революция и дала особый импульс развитию представления об исключительности инженеров, само это представление в двадцатые годы было присуще не только России. Оно было частью широко распространенного движения, которое один американский историк назвал «восстанием инженеров» [3]. Подобные идеи высказывали профессиональные инженеры в Соединенных Штатах, Германии, Франции, Великобритании. Это движение, по-видимому, достигло своей кульминации в 1928 году, когда горный инженер Герберт Гувер был избран президентом США. Спустя несколько лет после этого оно сошло на нет, а инженеры снова удовлетворились традиционными для них ролями служащих по найму или советников крупных компаний и правительственных учреждений, и гораздо реже — предпринимателей, которые сами становились капиталистами.
Пальчинский верно предсказал пагубные последствия скоропалительных прожектов индустриализации, попиравших как хорошую инженерную практику, так и нормальные этические стандарты. Его замечания о советской индустриализации призраками наводняют бывший Советский Союз, бросая тень сомнения на то, к чему многие относятся как к своим величайшим достижениям. Его убеждение, что эффективность и справедливость должны всегда быть связаны друг с другом, — это призрак, который преследует индустриальную цивилизацию повсюду — от Магнитогорска, неудавшегося «города-сада» социализма, и до некогда служившего прообразом для Магнитогорска города Гэри штате Индиана, зачумленного привычными американскими проблемами нищеты, безработицы, наркомании и упадка городов.
Предвидение Пальчинского может побудить кого-то назвать его пророком. Будучи не столь уверенным в том, что существуют истины-откровения, я предпочту называть его призраком. Этот призрак наиболее настойчиво преследует бестолковые, загрязненные и бесчеловечные индустриальные города бывшего Советского Союза, — ведь критика самого Пальчинского была направлена на промышленность его родной страны, однако он нависает грозной тенью и над индустриальными пустынями других стран.
Откуда взялся у Пальчинского и его товарищей образ гуманистического инженера — широко образованного специалиста, владеющего экономическими и социальными вопросами столь же свободно, как вычислительными таблицами или логарифмической линейкой? Они почерпнули его не у своих западных коллег-инженеров и не из марксизма, но из собственного жизненного опыта. Многие из них были противниками царского режима, а некоторые, как и Пальчинский, были связаны с крайне левыми политическими кругами. Они критиковали царское правительство за его невнимание к нуждам рабочих, за его нежелание строить плюралистическое общество, за его боязнь, что экономическое развитие подтолкнет страну к демократической форме правления. За свои взгляды некоторые из них (и Пальчинский опять может послужить здесь примером) подвергались тюремному заключению еще задолго до революции 1917 года. Благодаря тому, что они испытали, они уже до воцарения советского режима полагали инженерные проблемы по самой своей сути связанными с социальными и политическими вопросами. Эта связь была очевидным фактом в их собственных жизнях; Пальчинский, например, ясно видел ее, изучая положение горняков Донбасса в начале столетия.
Принимая во внимание взгляды Пальчинского, кажется не случайным то, что он был именно горным инженером, а не специалистом в какой-то другой области инженерного искусства. Горные инженеры обыкновенно работают в очень отдаленных уголках — зачастую таких, куда прежде «не ступала нога человека», и они, как правило, несут ответственность не только за проектирование шахт, но и за их повседневное функционирование. Они знают, что проблемы, с которыми они сталкиваются, не в меньшей степени социальные, чем технические. Без сооружения поселений-общин, включающих жилье, школы, больницы, транспортные сети, а также места отдыха и развлечения, разработку полезных ископаемых наладить невозможно [4].
После большевистской революции Пальчинский и его товарищи остались привержены своему представлению об инженере, активно вовлеченном в социальные вопросы. В условиях нового режима они увидели для инженеров ранее не существовавшие возможности — быть не только техническими консультантами но и устроителями общественной жизни. При социализме, считали они, проектируемые инженерами промышленные поселения будут несравненно лучше всех тех, что вырастали вокруг заводов и шахт при капитализме. Это стремление быть в самом центре общественного жизнеустройства столкнулось лоб в лоб с решимостью Сталина сосредоточить власть в своих собственных руках. Он обвинил инженеров в государственной измене, тогда как вся их вина заключалась лишь в том, что они стремились увеличить свой общественный авторитет. Атака сталинских «органов» на ведущих инженеров и их профессиональные общества была настолько яростной, что до самой кончины Советского Союза они сохраняли политическое безмолвие.
Начиная с тридцатых годов Советский Союз стал готовить больше инженеров, чем любая другая страна в мире, однако эти новые инженеры были людьми, усвоившими урок, что они не должны вмешиваться в политические или социальные вопросы. Но даже если бы они и пожелали того, получаемое ими образование было настолько ограничено узкими техническими рамками, что они были плохо подготовлены, чтобы оперировать такими вопросами. При Хрущеве и Брежневе они постепенно поднялись до влиятельных позиций в правительстве и компартии СССР, однако у Пальчинского вызвал бы ужас тот тип инженера, который занял большинство высших постов в советском обществе.
Подлинная ирония судьбы Петра Пальчинского состоит в том, что в итоге он оказался не в состоянии последовать своим собственным предписаниям. Он всегда убеждал инженеров рассматривать технические проблемы в их социальном и политическом контексте. К концу двадцатых годов политический контекст в Советском Союзе претерпевал драматические изменения, которые делали рекомендации Пальчинского относительно стратегии индустриализации нереалистичными для страны и опасными для него самого. Тем не менее, Пальчинский упорно продолжал гнуть свою линию, ведя себя так, как будто бы политическая ситуация осталась прежней. Его призыв к независимому и авторитетному положению профессии инженера не имел никаких шансов на успех в Советском Союзе, подконтрольном Сталину, который не допускал никакой угрозы своему всевластию, откуда бы она ни исходила. Поведение Пальчинского стало еще более дерзким, когда он начал оспаривать подходы Сталина к индустриализации. Это была дерзость того рода, что может вызвать наше восхищение, даже если мы видим, что она была безрассудной и сопряженной с ненужным риском.
Решительность и непреклонность Пальчинского, — расходившиеся, как мы видим, с его неизменным утверждением, что технические проблемы следует решать в рамках их социального и политического контекста, — по всей вероятности, повлияли даже на его гибель. Из числа инженеров, обвинявшихся в заговоре и государственной измене по делу Промпартии, он был единственным, кого, не привлекая к суду, тайно расстреляли. Все остальные публично признали ложные обвинения, официально заявив на суде, что были агентами капиталистических держав и участвовали в заговоре с целью свержения Советского Союза. Благодаря своим признаниям они избежали смертной казни и были заключены в тюрьму.
Что же касается Пальчинского, то весьма вероятно, что он был расстрелян вследствие своего отказа (даже под пыткой) признаться в преступлениях, которых не совершал [5]. Хотя Пальчинский всегда гордился тем что он рациональный инженер, у нас есть основания усомниться в рациональности его последнего поступка; однако мужество этого поступка не оставляет никаких сомнений.
Слова благодарности
Человек, которому я в высшей степени обязан за его поддержку в написании этой книги, — это Говард Боер, бывший научный редактор издательства Гарвардского университета. Говард выслушивал мои соображения по этому предмету, читал черновые варианты рукописи и очень существенно повлиял на окончательный результат. Аида Дональд, Дженнифер Снодграсс и все сотрудники издательства Гарвардского университета помогли превратить замысел этой книги в реальность, и я очень благодарен им за постоянную помощь и ободрение.
Организация, которой я очень обязан появлением книги, — это Фонд Джона Д. и Кэтрин Т. Макар-туров. Мне посчастливилось получить от Фонда Макартуров грант для продолжения моих занятий в области истории русской науки и технологии и для научной работы в Москве. При поддержке Фонда я организовал в Москве и в Кэмбридже (Массачусетс) серию семинаров «Наука и технология с человеческим лицом», на которых ученые анализировали социальные проблемы, связанные с развитием науки и технологии, и многие из этих проблем оказываются теми же самыми, которые много лет назад занимали и Пальчинского.
В московских архивах я работал с научным сотрудником Вячеславом Геровичем, который помог воплощению этого замысла своими тонкими замечаниями и стараниями. Наши дискуссии о Пальчинском и превратностях его судьбы, которые мы вели в архивных кулуарах, на московских улицах и в Кэмбридже стали для меня удовольствием и профессиональной поддержкой.
Я благодарен Борису Козлову, директору Института истории естествознания и техники Российской Академии наук за помощь мне и моим аспирантам и за несколько фотографий, предоставленных им для моей книги. В Кэмбридже мне всячески помогали Грегори Кроу, Чарльз Хольтцман и Дженнифер Хэйвуд — начиная с работы в библиотеках и до организации научных поездок в Москву. Руководитель
Программы по науке, технологии и обществу Массачусетского технологического института Меррит Роу Смит помог мне яснее представить себе многие тонкости в истории технологии. Подобную роль сыграл для меня и Томас П. Хьюз, профессор истории технологии Университета Пенсильвании, поскольку меня вдохновила его собственная работа. Отдел истории науки и Русский исследовательский центр Гарвардского университета, в котором я в последние годы преподавал, оказали мне значительную организационную поддержку.
Моя жена, Патриция Альбьерг Грэхэм всегда была для меня одновременно и товарищем, и исследователем. На ней я проверял большинство своих идей, как хороших, так и никуда негодных. Она помогала мне понять разницу между ними, и вот это невозможно вознаградить в полной мере.
ПРИМЕЧАНИЯ
Глава 1. РАДИКАЛЬНЫЙ ИНЖЕНЕР
[1] От Объединенного Государственного Политического Управления // Известия, 24 мая 1929 года, с. 1.
[2] Aleksandr Solzhenitsyn. The Gulag Archipelago, vol. 1 (New York: Harper and Row, 1974). p. 6.
[3] Samuel A. Oppenheim. Pal'chinskii, Petr Akimovich // The Modern Encyclopedia of Russian and Soviet History, ed. Joseph L. Wieczynski, vol. 26 (Gulf Breeze, Fla.: Academic International Press, 1982), pp. 188–189.
[4] Robert Campbell. Soviet Economic Power: Its Organization, Growth and Challenge (Cambridge, Mass.: Houghton Mifflin, 1960), pp. 51, 54–55.
[5] Личность Пальчинского послужила Солженицыну прототипом для создания образа П.А. Ободовского — одного из героев его романа «Красное колесо», см. August 1914: The Red Wheel I (London and New York: Penguin Books, 1989), pp. vi, 755–767; а также Собрание сочинений (Vermont and Paris: YMCA Press, 1984–1987), т. 13, cc. 376–480; т. 15, cc. 477–480; т. 16, cc. 216–219; т. 17, cc. 430–433.
[6] См.: Центральный государственный архив Октябрьской революции (ЦГАОР), фонд 3348, опись 1, дело 1010, лист 4.
[7] Там же, лл. 3, 8.
[8] Там же, л. 45.
[9] Там же, л. 60.
[10] Там же, л. 28.
[11] См. " Curriculum vitae горнаго инженера Петра Иоакимовича Пальчинскаго». ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед хр. 3, л. 1.
[12] См.: Каталог книг казанской библиотеки А.И. Пальчинской (Казань, 1896).
[13] Письмо от 12 января 1909 года. ЦГАОР, ф. 3348.
[14] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 525, л. 1.
[15] Что касается условий труда шахтеров, их яркое описание дал Chartes Wynn в книге Workers, Strikers, and Pogroms: The Donbass-Dnepr Bend in Late Imperial Russia, 1870–1905 (Princeton: Princeton University Press, 1992), pp. 67–94, а также Aleksandr I. Fenin в книге Coal and Politics in Late Imperial Russia, trans. Alexandre Fediaevsky, ed. Susan P. McCaffray (DeKalb: Northern Illinois University Press, 1990).
[16] П.А. Пальчинский. Жилища для рабочих на рудниках Донецкого бассейна // Горный журнал, 1906, № 9.
[17] См. Paul Avrich. The Russian Anarchists (Princeton: Princeton University Press, 1967).
[18] В этой связи Пальчинский упоминал, в частности, книги Кропоткина «Хлеб и воля» и «Поля, фабрики и мастерские» (См. ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 595).
[19] П.А. Пальчинский. Некоторые данные по рабочему вопросу на Каменноугольных рудниках Черемховскаго каменно-угольного района в Иркутской губернии (Иркутск, 1903); Жилища для рабочих на рудниках Донецкаго бассейна // Горный журнал, 1906, № 9, Восьмичасовой рабочий день на рудниках Франции и значение его для каменноугольной промышленности и всего экономического положения страны // Горно-Заводский листок, 1908, № 53; Реформа Австрийскаго социальнаго страхования и вопрос о страховании работников горнаго дела // Горнозаводское дело, 1913, т. 33 № 1–2, сс. 6541–6545. (См. ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 3, лл. 4041.)
[20] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, дд. 1140, 1149.
[21] П.А. Пальчинский, Торговые порты Европы, 4 тома (Харьков, 1913).
[22] Это было одно из любимых выражений Пальчинского (вероятно, заимствованное им у Кропоткина). См., например, его работу «Роль и задачи инженеров в экономическом строительстве России» (ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 695, л. 4), а также книгу Кропоткина «Поля, фабрики и мастерские» [в американском издании — Fields, Factories and Workshops (New York: Gordon Press, 1974), p.x].
[23] Thomas P. Hughes. American Genesis: A Century of Invention and Technological Enthusiasm (New York: Penguin Books, 1990), p. 3.
[24] См., например, П.А. Пальчинский. Сибирская каменноугольная промыш ленность ижелезнодорожное хозяйство // Записки Императорского Российского Техническаго Общества, 1908; Русский марганец и его соперники // Горно-Заводский листок, 1908, № 27; Возможность экспорта Донецкаго угля во Францию через Мариуполь-Марсель // Горно-Заводской листок, 1908, № 84; Экспорт заграницу продуктов горной и горнозаводской промышленности юга России // Издательство совета съезда горнопромышленности юга России, 1911–1913; Русский антрацит на турецком рынке // Горнозаводское дело, 1912, № 13. (см. ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 3, лл. 40–41.)
[25] П.А. Пальчинский. Месторождения ископаемого угля вдоль Сибирской ж-д. магистрали и их значение для края // Горный журнал, 1907, № 4, с. 66.
[26] П.А. Пальчинский. Замечания по поводу причин малой подготовленности к самостоятельной работе, даваемой специальными высшими школами молодым инженерам, и о способах изменения такого положения (Харьков, 1907). ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 1, л. 40.
[27] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 3, л. 38. См. также П.А. Пальчинский. Русская промышленность на международной выставке в Турине в 1911 г. // Горный журнал, 1911, № 3, сс. 290–303.
[28] См. его книгу «Суд и раскольники-сектанты» (Санкт-Петербург, 1901).
[29] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1176, л. 1.
[30] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1011, лл. 26–27.
[51] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1011, лл. 230–231.
[32] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1011, лл. 371–372.
[33] Речь идет о компании Лысьвенского горнопромышленного участка, также известной как «Шуваловская компания». — См. M.J. Larsons. An Expert in the Service of the Soviet (London: Ernest Benn Limited, 1929), pp. 199–207. Также см. ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 3, л. 38.
[34] См. Lewis H. Siegelbaum. The Politics of Industrial Mobilization: A Study of the War-Industries Committees (London: Macmillan, 1983).
[35] Cm. Robert P. Browder and Alexander F. Kerensky, eds. The Russian Provisional Government, 1917: Documents (Stanford: Stanford University Press, 1961), vols. 1–3, pp. 730–731, 764–765, 1270, 1586, 1788–1790.
[36] См. Alexander Rabinowitch. The Bolsheviks Come to Power: The Revolution of 1917 in Petrograd (New York: W.W. Norton, 1976), pp. 280–301.
[37] Участие Пальчинского в защите Зимнего Дворца упоминалось в исторических работах, пожалуй, больше, чем какая-либо другая его деятельность. См., например, следующие источники: Tsuyoshi Hasegava. The February Revolution, Pet rograd, 1917 (Seattle: University of Washington Press, 1981), p. 335; Alexandre Kerensky. Russia and History's Turning Point (New York: Duell, Sloan and Pearce, 1965), p. 266; Anton Antonov-Ovseyenko. The Time of Stalin: Portrait of Tyranny (New York: Harper and Row, 1980), p. 119, Richard Pipes. The Russian Revolution (New York: Knopf, 1990), p. 489.
[38] П. И. Пальчинский. Последние часы временного правительства в 1917 году // Красный архив, 1933, № 56, сс. 136–138. Этот его отчет основан на заметках, сделанных им во время и сразу же после захвата Зимнего Дворца. — см. ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 184, лл. 1–2.
[39] Там же.
Глава 2. ПОЛИТИЧЕСКИЙ ЗАКЛЮЧЕННЫЙ СТАНОВИТСЯ СОВЕТСКИМ ПРОМЫШЛЕННЫМ КОНСУЛЬТАНТОМ
[1] Alexander Rabinowitch. The Bolsheviks Come to Power: The revolution of 1917 in Petrograd (New York: Norton, 1976), p. 300.
[2] Там же.
[3] Там же, cc. 300–301.
[4] Pitirim Sorokin. Leaves from a Russian Diary (New York: Dutton, 1924).
[5] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. xp. 38, лл. 17–37, 830.
[6] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 830, л. 3–9.
[7] Там же.
[8] V.I. Lenin. Collected Works, vol. 44 (Moscow. Progress Publishers, 1970), p. 168.
[9] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1011, л. 504.
[10] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1011, л. 527.
[11] О том, что в прошлом Ленин относился к Пальчинскому с подозрением, свидетельствуют, например, его краткие отзывы о последнем в собрании сочинений. — См. V.l. Lenin. Collected Works, vol. 25, pp. 137, 138, 142, 234 349, 350, 370, 393.
[12] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 1011, лл. 522–523.
[13] Электрификация захватила воображение многих социалистов как в России, так и за ее рубежами. Так, Кропоткин еще в 1899 году писал, что электроэнергия позволит повсюду распространить городскую культуру, благодаря чему осуществится марксистская надежда на стирание различий между городом и деревней [См. Thomas Hughes. A Technological Frontier: The Railway // Bruce Mazlish, ed. The Railroad and the Space Program (Cambridge, Mass.: MIT Press, 1965), p. 66]. Немецкий социалист Карл Баллод писал о том, что электрификация и социализм как нельзя лучше сочетаются друг с другом; впоследствии, кстати, Баллод упоминался в качестве одного из вдохновителей якобы существовавшей в России Промышленной партии [См. Атлантикус (псевдоним Баллада). Государство будущего. Перевод с немецкого, с предисловием Карла Каутского (Москва, 1906); также см. Jonathan Coopersmith. The Electrification of Russia, 1880–1926 (Ithaca, N.Y.: Cornell University Press, 1992), pp. 139–140).
[14] «Перечень учреждений и главнейших вопросов в коих принимал участие проф. П.А. Пальчинский с 1/XI-1917 г.». (ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 3, лл. 46–49).
[15] Согласно письму автору от Paul Avrich (31 октября 1978 года); также см. Samuel A. Oppenheim. Pal'chinskii, Petr Akimovich // The Modern Encyclopedia of Russia and Soviet History, vol. 26 (Gulf Breeze, Fla.: Academic International Press, 1928), pp. 188–189.
[16] Aleksandr I. Solzhenitsyn. The Gulag Archipelago, vol. 2 (New York: Harper and Row, 1975), p. 314.
[17] M.J. Larsons (pseudonym of Maurice Laserson). An Expert in the Service of the Soviet (London: Ernest Benn, 1929), p. 205.
[18] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. xp. 793, л. 5.
[19] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 41, л. 3.
[20] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 6, л. 1.
[21] ЦГАОР, ф. 3348 on. 1, ед. хр. 901, лл. 1–4.
[22] Loren R. Graham. The Soviet Academy of Sciences and the Communist Party, 1927–1932 (Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1967), pp. 100–111, 135–137.
[23] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. xp. 589.
[24] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. xp. 553, лл. 11–17.
[25] П.А. Пальчинский. Поверхность и недра, 1926, т. 2, № 18, с. 1. В этой связи можно также упомянуть произведенный Пальчинским экономический анализ кровельных материалов, который показал, что в разных местах в разное время оптимальным может оказаться любой из таких материалов, как металл, черепица, стекло, кирпич, дерево, цемент, глина, или камень. [См. П.А. Пальчинский. Основные задачи развития промышленности строительных материалов (Ленинград, 1924).]
[26] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 563, л. 1.
[27] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр, 563, л. 25.
[28] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 566, л. 48.
[29] Там же, также: Ед. хр. 558, лл. 32, 42.
[30] См. выпуски журнала «Поверхность и недра», а также «Материалы редакции научного техно-экономического журнала «Поверхность и недра», редактором которого был Пальчинский П.А. (1916–1928), (ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 187-24 6) и «Материалы относящиеся к периоду деятельности Пальчинского П.А. в Институте изучения поверхности и недр 1916–1926)» (ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 247–517).
[31] См. Kendall Е. Bailes. The Politics of Technology: Stalin and Technocratic Thinking Among Soviet Engineers / / The American Historical Review 79 (1974), p. 452 (где цитируется «Вестник инженеров», 1924, № 1–2, cc. 9-11). Утверждение Bailes о том, что Пальчинский перевел книгу Герберта Гувера является, по всей видимости, ошибочным, поскольку никаких сведений об этой книге нет ни в Ленинской библиотеке в Москве, ни в весьма скрупулезно составленных Пальчинским списках его оригинальных трудов и переводов.
[32] См. его работу «Роль и задачи инженеров в экономическом строительстве России» (ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 695).
[33] В 1926 году Пальчинский вступил в полемику с Советом по нефтяной промышленности, предметом которой был вопрос о том, какой асфальт лучше — натуральный или искусственный. Он выступил против распоряжения Совета использовать во всех без исключения случаях только искусственный асфальт, утверждая, что решение должно зависеть от местных условий. По всей видимости, последнее слово в этом споре осталось не за Пальчинским. (ЦГАОР, ф. 3348, on 1, ед. хр. 552, лл. 78–91).
[34] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 717.
[35] П.А. Пальчинский. Относительное значение крупных, средних и мелких предприятии в каменноугольной промышленности Великобритании (Харьков, 1911).
[36] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 525, л. 264.
[37] Центральный Государственный Исторический Архив (ЦГИА), ф. 90, оп. 1, д. 145, лл. 47–49.
[38] П.А. Пальчинский. Горная экономика // Поверхность и недра, 1926, т. 2, № 18, с. 12.
[39] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 751, л. 2.
[40] Там же.
[41] П.А. Пальчинский. Горная экономика см. [38]), сс. 14–15.
[42] ЦГАОР, Ф. 3348, on. 1, ед. хр. 760.
[43] П.А. Пальчинский. Горная экономика (см. [38]), сс. 14–15.
[44] Там же, с. 17.
[45] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 525, лл. 190–191.
[46] См. Kendall Bailes. Aleksei Gastev and the Soviet. Controversy over Taylorism // Soviet Studies 3 (1977), pp. 373–394. Также см. Zenovia Sochor. Soviet Taylorism Revisited // Soviet Studies 2 (1981), pp. 246–264.
[47] В.И. Ленин. Варианты статьи «Очередные задачи советской власти» // Полное собрание сочинений, 5-е изд. Москва: Издательство политической литературы, 1969, с. 141.
[48] Rene Fulop-Miller. Geist und Gesicht des Bolschewis mus: Darstellung und Kritik des kulturellen Lebens' in Sowjet-Russland (Vienna: Amalthea-Verlag, 1926), s. 29.
[49] ЦГАОР ф. 3348, on. 1, ед. xp. 693, лл. 9-10.
[50] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, д. 562, л. 1.
[51] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 41, лл. 52–53.
[52] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 46, л. 31.
[53] П.А. Пальчинский. Месторождения ископаемого угля вдоль ж.-д. магистрали и их значение для края // Горный журнал, 1907, № 4, сс. 66–70.
[54] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 550, л. 44.
[55] П.А. Пальчинский. Экономическая геология // Поверхность и недра, 1926, № 4, с. 5; ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 695.
[56] Edwin Т. Layton, Jr. The Revolt of the Engineers: Social Responsibility and the American Engineering Profession (Cleveland and London: Case Western Reserve University Press, 1971), p. 6.
[57] От редакции // Поверхность и недра, 1926, № 1, с. 6.
[58] П.А. Пальчинский. Относительное значение крупных, средних и мелких предприятий в каменноугольной промышленности Великобритании (Харьков, 1911), сс. 1–9.
[59] См., к примеру, John Scott. Behind the Urals: An American Worker in Russia's City of Steel (Bloomington: Indiana University Press, 1989); Michael Gelb, ed. An American Engineer in Stalin's Russia: The Memoirs of Zara Witkin, 1932–1934 (Berkeley: University of California Press, 1991).
[60] Цит. no: Kendall Bailes. Technology and Society under Lenin and Stalin: Origins of the Soviet Technical Intelligentsia, 1917–1941 (Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1978), pp. 88, 148.
[61] Там же, p. 160.
[62] Интервью с Даниилом Александровым (Ленинград, октябрь 1990 года; Москва, октябрь 1991 года).
[63] Kendall Bailes. Technology and Society… (см. [60]), p. 466.
[64] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 57, лл. 105–109.
[65] Kendall Bailes. Technology and Society… (cm. [60]).
[66] Kendall Bailes. The Politics of Technology… (cm. [31]), pp. 453–454.
[67] Там же, p. 455.
[68] Там же, pp. 456–458.
[69] Там же, p. 458.
[70] Лучшей биографией Бухарина является книга: Steven F. Cohen. Bukharin and the Bolshevik Revolution (New York: Knopf, 1973).
[71] Bailes, «The Politics of Technology», p. 463.
[72] The best on the Shakhty Trial is Bailes, Technology and Society, pp. 69–94.
[73] Процесс «Промпартии» 25 ноября-7 декабря 1930 г. Стенограмма судебного процесса и материалы приобщенные к делу (Москва, 1931).
[74] Aleksandr Solzhenitsyn, The First Circle, trans. Thomas p Whitney (New York: Harper and Row, 1968).
[75] Solzhenitsyn, The Gulag Archipelago (New York: Harper and Row, 1974, vol. 2, p. 637, quoting from the manuscript section of the Lenin Library, Collection 410, card file 5, storage unit 24).
[76] Solzhenitsyn, The Gulag Archipelago, vol. 1, p. 74.
[77] Материалы к отчету ЦК ВКП(б), XVI съезда ВКП(б) составленный ОГПУ, ИНИОН АН СССР.
[78] П. Пальчинский «Горная экономика» // Поверхность и недра 2:18 (1926), с. 12.
[79] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 297, л. 18.
[80] «Клуб горных деятелей (КГД) в Москве» // Поверхность и недра 2:18 (1926), с. 35.
Глава 3. НАЧАЛЬНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ СССР
[1] For an entertaining account of Hugh Cooper's participation, see Thomas P. Hughes, American Genesis: A Century of Invention and Technological Enthusiasm (New York: Penguin Books, 1989), pp. 264–269.
[2] Anne D. Rassweiler. The Generation of Power: The History of Dneprostroi (New York: Oxford University Press, 1988), p. 56.
[3] Полностью оснащенная гидроэлектростанция включала 9 турбин мощностью по 85 тысяч лошадиных сил каждая, изготовленных фирмой «Newport News Shipbuilding and Drydock Company».
[4] Anne Rasweiler. The Generation of Power… (cm. [2]), pp. 45–47.
[5] Boris Komarov. The Destruction of Nature in the Soviet Union (White Plains, N.Y.: M.E. Sharpe), p. 57.
[6] Там же.
[7] Anne Rassweiler. The Generation of Power… (cm. [2]), pp. 120–122.
[8] Boris Komarov. The Destruction of Nature… (cm. [5]), p. 57.
[9] П.А. Пальчинский. Горная экономика / / Поверхность и недра. 1927,т. 29, № 1 с. 9.
[10] Michael Gelb, ed. An American Engineer in Stalin's Russia: The Memoirs of Zara Witkin, 1932–1934 (Berkeley: University of California Press, 1991), pp. 232–245.
[11] Цит. no: Michael Gelb. An American Engineer in Stalin's Russia… (cm. [10]), p. 234.
[12] Stephen Kotkin. Steeltown, USSR: Soviet Society in the Gorbachev Era (Berkeley: University of California Press, 1991), p. 208.
[13] Там же, p. 209.
[14] Там же, p. 121.
[15] Там же, pp. 227–228.
[16] Там же, р. 228.
[17] John Scott. Behind the Urals: an American Worker in Russia's City of Steel, 2nd enlarged ed., prepared by Stephen Kotkin (Bloomington: Indiana University Press, 1989).
[18] Там же, p. xxii.
[19] Stephen Kotkin. Steeltown, USSR… (cm.: [12]), p. 254.
[20] Amabel Williams-Ellis. Introduction // Belomor: An Account of the Construction of the New Canal between the White Sea and the Baltic Sea (New York: Harrison Smith and Robert Haas, 1935), p. vi.
[21] Boris Souvarine. Stalin: A Critical Survey of Bolshevism (New York: Longmans, Green, 1939), p. 504.
[22] Aleksandr Bogdanov. Red Star: The First Bolshevik Utopia, trans. Charles Rougle, ed. Loren R. Graham and Richard Stites (Bloomington: Indiana University Press, 1984). В это издание включены оба упомянутых романа Богданова.
[23] ЦГАОР, ф. 3348, on. 1, ед. хр. 695, л. 19.
[24] Aleksandr I. Solzhenitsyn. The Gulag Archipelago, vol. 2 (New York: Harper and Row), 1975..
[251 Беломорско-Балтийский Канал имени Сталина: История строительства / под ред. М. Горького, Л.Л. Авербаха и С.Г. Фирина. М., 1934, с. 75.
[26] Цит. по: Aleksandr I. Solzhenitsyn. The Gulag Archipelago, vol. 2 (см. [24]), p. 99.
[27] Там же, pp. 100–102.
Глава 4. ТЕХНОКРАТИЯ В СОВЕТСКОМ СТИЛЕ
[1] William A. Wood. Our Ally, The People of Russia (New York: Scribner's, 1950), pp. 127–128.
[2] Kendall Bailes. Technology and Society under Lenin and Stalin: Origins of the Soviet Technical Intelligentsia. 1917–1941 (Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1976).
[3] Sheila Fitzpatrick. The Commissariat of the Enlightenment (Cambridge, England: Cambridge University Press, 1970).
[4] Nicholas DeWitt. Education and Professional Employment in the U.S.S.R. (Washington, D.C.: National Science Foundation, 1961), pp. 209, 225.
[5] Там же, p. 217.
[6] Там же, p. 216.
[7] Там же, p. 225.
[8] Harley Balzer. Engineers: The Rise and Decline of a Social Myth // Loren Graham, ed. Science and the Soviet Social Order (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1990), p. 152.
[9] Nicholas DeWitt. Education and Professional Employment… (см. [4]), p. 226.
[10] Administration of Teaching in Social Sciences in the U.S.S.R. (Syllabi for Three Required Couses: Dialectical and Historical Materialism, Political Economy, and History of the C.P.S.U., Moscow, 1957/ (Ann Arbor: University of Michigan, 1960).
[11] Kendall Bailes. The Politics of Technology: Stalin and Technocratic Thinking Among Soviet Engineers // American Historical Review 79 (1974), p. 469.
[12] Эти данные приводит Thomas P.M. Barnett в своей неопубликованной работе «Post-Stalinist Trends in the Soviet Politburo: The Development of Technocracy?». Я благодарен автору за предоставление мне возможности воспользоваться ими.
[13] Цит. по: Kendall Bailes. Technology and Society… (см. [2]), p. 419.
[14] The New York Times, March 31, 1992, p. A7.
[15] Анализ советской ядерной энергетики с исторической точки зрения см. в работе: Paul Josephson. The Historical Roots of the Chernobyl' Disaster // Soviet Union/ Union Sovietique 13:3 (1986), pp. 275–299.
[16] Debating the Need for River Diversion // Current Digest of the Soviet Press (March 19, 1986), p. 1. Прекрасный анализ полемики по поводу переброски рек см. в работе: Robert G. Darst, Jr. Environmentalism in the USSR: The Opposition to the River Diversion Projects // Soviet Economy (July-September 1988), pp. 223–252.
[17] Werner G. Hahn. The Politics of Soviet Agriculture, 1960–1970 (Baltimore and London: Johns Hopkins University Press, 1972), pp. 26–33.
[18] См. Михаил Геллер и Александр Некрич. Утопия и власти: История Советского Союза с 1917 года до наших дней (London: Overseas Publications Interchange, 1989), с. 34; а также И. В. Сталин. Сочинения, т. 2 (Stanford, Calif.: The Hoover Institution, 1967), с. 206. Я благодарен Александру Некричу, который привлек мое внимание к этому происшествию.
[19] Harley Balzer. Engineers: The Rise and Decline of a Social Myth (cm. [8]), pp. 141–147.
[20] Loren R. Graham. Reorganization of the USSR Academy of Sciences // Peter Juviler and Henry Morton, eds., Soviet Policy-Making (New York: Praeger, 1967), pp. 133–163.
[21] Appeal of Soviet Scientists to the Party-Government Leaders of the U.S.S.R. // Survey 76 (1970), pp. 160–170.
[22] Paul Josephson. The Historical Roots… (cm. [15]), pp. 272–299.
Глава 5. СОВРЕМЕННЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРОВАЛЫ
[1] The Great Baikal-Amur Railway (Moscow. Progress publishers, 1977), p. 8.
[2] V. Perevedentsev. Where Does the Road Lead? // Current Digest of the Soviet Press 40:46 (1988) Оригинальная публикация — в газете «Советская культура» от 11 октября 1988 года, с. 3].
[3] The Great Baikal-Amur Railway (см. [1]), p. 1.
[4] Примером могут послужить стихи Юрия Разумовского, напечатанные в книге «The Great Baikal-Amur Railway» (см. [1]), pp. 85–86.
[5] Current Digest of the Soviet Press 39:34 (1987) (Перепечатка из газеты «Известия» от 21 августа 1987 года, с. 2].
[6] Current Digest of the Soviet Press 39:23 (1987) (Перепечатка из газеты «Правда» от 11 июня 1987 года].
[7] Current Digest of the Soviet Press 41:17 (1989) (Перепечатка из газеты «Правда» от 26 апреля 1989 года, с. 3].
[8] Там же.
[9] Там же.
[10] Current Digest of the Soviet Press 39:10 (1987) (Перепечатка из газеты «Социалистическая индустрия» от 11 февраля 1987 года, с. 2].
[11] V. Khatuntsev. Why the Young Main Line Is Not Operating at Full Capacity // Current Digest of the Soviet Press 39:23 (1987), p. 21 [ориги нальная публикация — в газете «Правда» от 11 июня 1987 года).
[12] Boris Komarov. The Destruction of Nature in the Soviet Union (White Plains, N.Y.: M.E. Sharpe, 1980), pp. 116–127.
[13] Интервью с президентом Союза народов Севера Владимиром Санги (Москва, декабрь 1990 года и октябрь 1991 года).
[14] V. Perevedentsev. Where Does the Road Lead? (cm. [2]), p. 3.
[15] Ярким исключением является статья: Paul Josephson. The Historical Roots of the Chernobyl Disaster // Soviet Union/Union Sovietique 13:3 (1986), pp. 275–299.
[16] David R. Marples. Chernobyl and Nuclear Power in the USSR (New York: St. Martin's, 1986), p. 74.
[17] David R. Marples. The Social Impact of the Chernobyl Disaster (New York, St. Martin's, 1988), p. 3.
[18] The New York Times, March 25, 1992, p. A7; November 8, 1992, pp. Al, A14.
[19] Paul Josephson. The Historical Roots… (cm. [15]), p. 278.
[20] Там же p. 283.
[21] H. Доллежал, Ю. Корякин // Коммунист, 1979, № 14.
[22] Цит., по: Grigory Medvedev. The Truth about Chernobyl (New York: Basic Books, 1989), p. 2.
[23] USA Today, March 25, 1992, p. 9A.
[24] Ближайшим советником Горбачева был Александр Яковлев, историк по образованию, пользовавшийся репутацией «архитектора перестройки».
[25] David R. Marples. Ukraine under Perestroika: Ecology, Economics, and the Workers' Revolt (New York: St. Martin's, 1991), p. 188.
[26] N.V. Melnikov, O.D. Didin, and A.T. Ayruni. Results of Research on the Problem of Sudden Methane and Coal Outbursts in the U.S.S.R. // Systems for Stimulating the Development of Fundamental Research [report of the U.S.- U.S.S.R. Working Subgroup on Systems for Stimulating the Development of Fundamental Research of the National Academy of Sciences/National Research Council, Commission on International Relations] (Washington, D.C.: National Academy of Sciences, 1978), pp. X-1 — X-39.
[27] MESA Safety Review, 1974, 1975 (Washington, D.C.: U.S. Department of the Interior Mining Enforcement and Safety Administration).
[28] Injury Experience in Coal Mining, 1980 (Washington, D.C.: Mine Safety and Health Administration, 1981).
[29] David R. Marples. Ukraine under Perestroika… (cm. [25]), p. 197.
[30] Там же.
[31] Там же, pp. 197–198.
[32] Там же, р. 209.
[33] Lewis Н. Siegelbaum. Behind the Soviet Miners' Strike // The Nation, October 23, 1989, p. 452.
[34] David R. Marples. Ukraine under Perestroika… (cm. [25]), pp. 208, 210.
[35] Там же, p. 201.
[36] П.А. Пальчинский. Горная экономика // Поверхность и недра, 1926, № 2, с. 14.
ЭПИЛОГ: ПРИЗРАК ПЕТРА ПАЛЬЧИНСКОГО
[1] Vaclav Havel. The End of the Modern Era // The New York Times, March 1, 1992, p. 15.
[2] Эту статистику приводил министр здравоохранения СССР Е. И. Чазов — E.I. Chazov. Speech // Current Digest of the Soviet Press 40.27 (1988) [оригинал — в газете «Правда» от 30 июня 1988 года, сс. 4, 9].
[3] Edwin Т. Layton, Jr. The Revolt of the Engineers: Social Responsibility and the American Engineering Profession (Cleveland and London: Case Western Reserve, 1971).
[4] Я благодарен Victoria Post Ranney и George A. Ranney, Jr., поделившимися со мной своими соображениями об отличительных чертах горных инженеров.
[5] К такому заключению приходит Солженицын — см. The Gulag Archipelago, vol. 1 (New York: Harper and Row, 1975), p. 375.
ЛИКБЕЗ
Пять нерешенных проблем науки
Артур Уиггинс, Чарльз Уинн
Глава 1
Видение науки
Ведь человеку образованному свойственно добиваться точности для каждого рода [предметов][1] в той степени, в какой это допускает природа предмета. Одинаково [нелепым] кажется и довольствоваться пространными рассуждениями математика, и требовать от ритора строгих доказательств.
Аристотель
Наука не равно техника
Разве наука и техника не одно и то же? Нет, они различны.
Хотя техника, определяющая современную культуру, развивается благодаря постижению наукой Вселенной, техника и наука руководствуются разными побуждениями. Рассмотрим основные различия между наукой и техникой. Если занятия наукой вызваны желанием человека познать и понять Вселенную, то технические новшества — стремлением людей изменить условия своего существования, чтобы добыть себе пропитание, помочь другим, а нередко и совершить насилие ради личной выгоды.
Люди зачастую одновременно занимаются «чистой» и прикладной наукой, но в науке можно вести фундаментальные исследования без оглядки на конечный результат. Британский премьер-министр Уильям Гладстон заметил как-то Майклу Фарадею по поводу его основополагающих открытий, связавших воедино электричество и магнетизм: «Все это весьма занятно, но каков в этом прок?» Фарадей ответил: «Сэр, я не знаю, но однажды вы от этого выгадаете». Почти половину нынешнего богатства развитым странам принесла связь электричества с магнетизма.
Прежде чем научные достижения станут достоянием техники, требуется принять во внимание дополнительные соображения: разработка какого устройства возможна, что допустимо построить (вопрос, по сути, относящийся к области этики). Этика же принадлежит к совершенно иной области умственной деятельности человека: гуманитарным наукам.
Основное различие между естествознанием и гуманитарными науками состоит в объективности. Естествознание стремится изучать поведение Вселенной по возможности объективно, тогда как перед гуманитарными науками такой цели или требования нет. Перефразируя слова ирландской писательницы XIX века Маргарет Волф Хангерфорд, можно сказать: «Красота [и истина, и справедливость, и благородство, и…] видится всеми по-разному».
Наука далеко не монолитна. Естественные науки заняты изучением как окружающей среды, так и самих людей, поскольку они функционально подобны иным формам жизни. А гуманитарные науки исследуют рациональное (эмоциональное) поведение людей и их установки, которые необходимы им для социального, политического и экономического взаимодействия. На рис. 1.1 графически представлены эти взаимосвязи.
Как бы ни способствовало такое стройное изложение пониманию существующих связей, действительность всегда оказывается значительно сложнее. Этика помогает определить, что исследовать, какие исследовательские методы, приемы использовать и какие эксперименты недопустимы ввиду таящейся в них угрозы благополучию людей. Политэкономия и политология также играют огромную роль, поскольку наука может изучать лишь то, что культура склонна поощрять как орудия производства, рабочую силу или что-то, политически приемлемое.
Рис. 1.1. Сферы умственной деятельности
Механизм работы науки
Успех науки в изучении Вселенной складывается из наблюдений и выдвижения идей. Такого рода взаимообмен именуют научным методом (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Научный метод
В ходе наблюдения то или иное явление воспринимается органами чувств при помощи приборов или без них. Если в естествознании наблюдения ведутся за множеством подобных предметов (например, атомов углерода), то науки о человеке имеют дело с меньшим числом различных субъектов (например, людей, пусть даже однояйцевых близнецов).
После сбора данных наш ум, стремясь их упорядочить, начинает строить образы или объяснения. В этом и заключается работа человеческой мысли. Данный этап именуют этапом выдвижения гипотезы. Построение общей гипотезы на основе полученных наблюдений ведется посредством индуктивного умозаключения, которое содержит обобщение и поэтому считается самым ненадежным видом умозаключения. И как бы ни пытались искусственно строить выводы, в рамках научного метода подобного рода деятельность ограничена, поскольку на последующих этапах гипотеза сталкивается с действительностью.
Зачастую гипотеза целиком или отчасти формулируется на языке, отличающемся от обиходной речи, языке математики. Для приобретения математических навыков требуется приложить большие усилия, иначе несведущим в математике людям при объяснении научных гипотез понадобится перевод математических понятий на повседневный язык. К сожалению, при этом смысл гипотезы может существенно пострадать.
После построения гипотезу можно использовать для предсказания некоторых событий, которые должны произойти, если гипотеза верна. Такое предсказание выводится из гипотезы посредством дедуктивного умозаключения. Например, второй закон Ньютона гласит, что F = mа. Если m равно 3 единицам массы, а а — 5 единицам ускорения, то F должна равняться 15 единицам силы. Выполнение математических расчетов на данном этапе могут взять на себя вычислительные машины, работающие на основе дедуктивного метода.
Следующий этап — проведение опыта, чтобы выяснить, подтверждается ли предсказание, сделанное на предыдущем этапе. Некоторые опыты провести довольно просто, но чаще — крайне затруднительно. Даже изготовив сложное и дорогостоящее научное оборудование для получения весьма ценных данных, нередко бывает нелегко найти деньги, а затем запастись терпением, необходимым для обработки и осмысления огромного массива этих данных. Естествознание обладает преимуществом: здесь можно обособить изучаемый предмет, тогда как наукам о человеке и обществе приходится иметь дело с многочисленными переменными, зависящими от различных взглядов (пристрастий) многих людей.
После завершения опытов их результаты сверяются с предсказанием. Поскольку гипотеза носит общий, а экспериментальные данные — частный характер, то результат, когда опыт согласуется с предсказанием, не доказывает гипотезу, а лишь подтверждает ее. Однако если исход опыта не согласуется с предсказанием, определенная сторона гипотезы оказывается ложной. Эта черта научного метода, именуемая фальсифицируемостью (опровергаемостью), накладывает на гипотезы определенное жесткое требование. Как выразился Альберт Эйнштейн, «никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы ее опровергнуть».
Оказавшуюся ложной гипотезу необходимо каким-то образом пересмотреть, т. е. слегка изменить, основательно переработать или же вовсе отбросить. Крайне трудно бывает решить, какие изменения здесь уместны. Пересмотренным гипотезам предстоит снова проделать тот же путь, и либо они устоят, либо от них откажутся в ходе дальнейших сопоставлений предсказания с опытом.
Другая сторона научного метода, не позволяющая сбиться с пути, — воспроизведение. Любой наблюдатель с соответствующей выучкой и подобающим оснащением должен суметь повторить опыты или предсказания и получить сравнимые результаты. Иначе говоря, науке свойственны постоянные перепроверки. Например, коллектив ученых из Национальной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли[2] пытался получить новый химический элемент, обстреливая свинцовую мишень мощным лучом ионов криптона и затем изучая полученные вещества. В 1999 году ученые объявили о синтезе элемента с порядковым номером 118.
Синтез нового элемента — это всегда важное событие. В данном случае его синтез мог подтвердить бытовавшие представления о стабильности тяжелых элементов. Однако ученые других лабораторий Общества по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия), Большого государственного ускорителя тяжелых ионов Кайенского университета (Франция) и Лаборатория атомной физики Физико-химического института Рикэн (Япония) — не смогли повторить синтез элемента 118. Расширенный коллектив лаборатории в Беркли повторил опыт, но ему также не удалось воспроизвести полученные ранее результаты. В Беркли перепроверили исходные экспериментальные данные посредством программы с видоизмененным кодом и не сумели подтвердить наличия элемента 118. Пришлось отзывать свою заявку. Данный случай свидетельствует, что научный поиск бесконечен.
Порой наряду с опытами перепроверяются и гипотезы. В феврале 2001 года Брукхэйвенская национальная лаборатория в Нью-Йорке сообщила об опыте, в котором магнитный момент мюона (подобно электрону отрицательно заряженной частицы, но значительно более тяжелой) слегка превышает величину, предопределенную стандартной моделью физики элементарных частиц (подробнее об этой модели см. гл. 2). А поскольку предположения стандартной модели о многих иных свойствах частиц очень хорошо согласовывались с опытными данными, такое расхождение по поводу величины магнитного момента мюона разрушало основу стандартной модели.
Предсказание магнитного момента у мюона стало следствием сложных и долгих расчетов, независимо проведенных учеными в Японии и Нью-Йорке в 1995 году. В ноябре 2001 года эти расчеты повторили французские физики, которые обнаружили ошибочный отрицательный знак у одного из членов уравнения и разместили свои результаты в Интернете. В итоге Брукхэйвенская группа перепроверила собственные вычисления, признала ошибку и опубликовала исправленные результаты. В итоге удалось сократить расхождение между предсказанием и опытными данными. Стандартной модели вновь предстоит выдержать испытания, которые ей готовит непрекращающийся научный поиск.
Научный метод в действии
Рассмотрим шаг за шагом классический пример работы научного метода.
Наблюдение. Дж. Дж. Томсон, руководитель Кавендишской лаборатории (1884–1919) в Англии, изучал поведение светового луча в электронно-лучевой трубке (прообразе современной приемной телевизионной ЭЛТ). Поскольку луч: 1) отклонялся в сторону положительно заряженных электрических пластин и 2) при ударе о них вызывал вспышки света, выходило, что он состоял из отрицательно заряженных частиц — электронов, как назвал их ирландский физик XIX века Джордж Фицджеральд в своих замечаниях по поводу опыта Томсона. (Название электрон в качестве единицы электрического заряда предложил другой ирландский физик, Джордж Стони.)
Гипотеза. Поскольку атомы не обладают зарядом (нейтральны), а Томсон открыл внутри них отрицательно заряженные частицы, он заключил, что атом должен иметь и положительный заряд. В 1903 году Томсон создал теорию, согласно которой положительный заряд «размазан» по всему атому, а отрицательно заряженные электроны в виде вкраплений находятся посреди положительно заряженного вещества. Такая картина напоминала традиционное британское блюдо, поэтому получила название «томсоновская модель атома в виде пудинга с изюмом».
Предсказание. Эрнст Резерфорд был специалистом по положительно заряженным частицам, именуемым α-частицами. В начале XX века он предсказал, что обстрел этими частицами атомов, состоящих из редкого и «размазанного» положительного заряда, согласно томсоновской модели «пудинга с изюмом» будет напоминать броски бильярдными шарами в туман. Большая часть шаров пройдет напрямую, и лишь их толика отклонится на крайне малую величину.
Опыт. В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден стали обстреливать α-частицами тонкую золотую фольгу. Результаты оказались совершенно отличными от ожидаемых. Некоторые α-частицы отклонялись на большие величины, а отдельные даже отскакивали обратно. Резерфорд заметил, что это «столь же неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил вас самих».
Повтор. На смену томсоновской модели атома пришла резерфордовская модель по образцу Солнечной системы, где положительный заряд был сосредоточен в сравнительно крошечном ядре посредине атома, а электроны (подобно планетам) обращались по круговым орбитам вокруг ядра (подобного Солнцу). В XX веке, после очередных предсказаний и опытов резерфордовскую модель атома в виде Солнечной системы сменили иные модели. Когда опытные данные не согласовывались с предсказаниями существовавшей гипотезы, приходилось пересматривать гипотезу.
Так толкование открытых Исааком Ньютоном законов механики и классических гипотез Джеймса Клерка Максвелла о природе электричества и магнетизма привело к заманчивому предположению об абсолютном характере пространства и времени. Теория относительности Эйнштейна заменила эти удобные абсолютные величины противоречащими интуиции и философски неблагонадежными относительными величинами. Основная причина, вынудившая признать существование относительности, заключалась в соответствии предсказаний данной теории опытным данным.
Несмотря на распространенность того или иного представления, известность сторонников какой-либо теории, непривлекательность новой теории, политические взгляды авторов идей или трудность их понимания, незыблемым остается одно: верховенство данных опыта.
Сложности
Представленный здесь научный метод — рациональная реконструкция функционирования науки в действительности. Подобная идеализация, естественно, отличается от происходящего на самом деле, например, при большом числе участников, когда этапы разделяются длительными промежутками времени. И все же у нас есть возможность многое увидеть.
Здесь необходимо учитывать ряд сложностей. Прежде всего, наука выдвигает несколько философских предположений, с которыми не согласны некоторые философы. Наука допускает существование объективной реальности, не зависящей от наблюдателя. Иначе без такой объективности одни и те же наблюдения и опыты, повторенные в различных лабораториях, могли бы разниться, и тогда исследователям невозможно было бы прийти к согласию. Далее, наука полагает, что Вселенной управляют некие незыблемые законы, и человек в состоянии постичь эти законы. Если управляющие Вселенной законы лишены определенности или мы не в состоянии постичь их, все усилия науки по выдвижению любых гипотез окажутся тщетными. Но поскольку наше понимание этих законов, похоже, углубляется, а основанные на них предсказания находят подтверждения в опытах, такие предположения выглядят вполне разумными.
Научные гипотезы строятся в связи с событиями, происходящими на протяжении длительного промежутка времени, в том числе с минувшими, которые нельзя проверить опытом. Обычно такую трудность обходят, выдвигая перекрестные гипотезы из различных отраслей знаний в поисках взаимного согласия. Например, оцениваемый в более чем 4 млрд. лет возраст Земли подтверждается астрономическими вычислениями содержания гелия в недрах Солнца, геологическими измерениями тектоники плит и биологическими наблюдениями за ростом коралловых отложений.
При объяснении определенного события — особенно при отсутствии опытных данных для некоторых явлений (например, о далеком прошлом, у которого не было летописцев, или о недоступных уголках Вселенной) — может выдвигаться сразу несколько гипотез. Щекотливое положение, когда много гипотез невозможно экспериментально подтвердить, разрешается на основе принципа научной бережливости [лат. Principium parsimoniae], именуемого бритвой Оккама. Английский философ Уильям из Оккама [местечка в английском графстве Сэррей] (1285–1349) был францисканским монахом и часто в своих философских сочинениях пользовался средневековым правилом: «Сущностей не следует умножать без необходимости»[3].
Военные дали этому правилу более простое и непосредственное выражение — KISS: Keep It Simple, Stupid («Не усложняй, болван»), или Keep It Short and Sweet («Будь краток и мил»). В любом случае оно служит руководством при отсутствии опытных данных. Если есть несколько гипотез и невозможно провести опыты, которые бы позволили выбрать между ними, останавливаются на самой простой.
Опыт доказывает правильность такого подхода. Например, в 1971 году космический зонд Uhuru по измерению рентгеновского излучения неожиданно выявил мощный поток рентгеновских лучей со стороны созвездия Лебедя, обозначенный Лебедь Х-1. Видимого источника этого излучения, которое исходило как бы из пустоты близ звезды-сверхгиганта HDE 226868, удаленной от Земли на 8 тыс. световых лет, не наблюдалось. (Разъяснение обозначения HDE см.: Список идей, 14. Составление звездных каталогов.) Согласно одной гипотезе, всему виной был невидимый спутник звезды HDE 226868. Этот призрак притягивал массу, которую исторгала из себя HDE 226868. При втягивании этого вещества невидимым спутником его температура повышалась до такой степени, что спутник начинал излучать радиоволны. Другая гипотеза требовала по меньшей мере двух невидимых тел, взаимодействующих с HDE 226868, — невидимую из-за своей блеклости обычную звезду и вращающуюся нейтронную звезду (ядро звезды, которая после завершения отпущенного ей срока сжимается в состоящий из нейтронов шар), именуемую пульсаром. Эти три тела, расположенные определенным образом, и могли быть источниками наблюдавшегося радиоизлучения.
Удаленность Лебедя Х-1 не позволяет проводить непосредственную проверку, тем более что само это излучение происходило 8 тыс. лет назад. Тогда какая же из соперничающих гипотез справедлива? Согласно экспериментальным данным — обе. Но, пользуясь бритвой Оккама, мы видим, что лучше всего здесь подходит более простое объяснение, ограничивающееся одним небесным телом. Таким образом, Лебедь Х-1 стал первым зарегистрированным примером невидимого спутника, известного как черная дыра. Впоследствии при схожих обстоятельствах удалось обнаружить более 30 таких объектов.
Принцип «Бритва Оккама» вступает в действие лишь при отсутствии опытного подтверждения. Его задача — помочь выбрать простейшую гипотезу, согласующуюся с наблюдениями. Однако она не может исключить прочие гипотезы, подтверждаемые даже более сложными данными. Ведь она не способна заменить получаемое в опыте подтверждение. Естественно, бритва Оккама уступает обстоятельным опытным данным, но порой это единственное, что у нас есть.
Нерешенные проблемы
Теперь, уяснив, как наука вписывается в умственную деятельность человека и как она функционирует, можно видеть, что ее открытость позволяет различными путями идти к более полному постижению Вселенной. Возникают новые явления, по поводу которых гипотезы хранят молчание, и, чтобы нарушить его, выдвигаются новые гипотезы, полные свежих идей. На их основе уточняются предсказания. Создается новое экспериментальное оборудование. Вся эта деятельность приводит к появлению гипотез, более точно отражающих поведение Вселенной. И все это ради одной цели — понять Вселенную во всем ее многообразии.
Научные гипотезы можно рассматривать как ответы на вопросы об устройстве Вселенной. Наша же задача состоит в исследовании пяти крупнейших проблем, не решенных донастоящего времени. Под словом «крупнейшие» подразумеваются проблемы, имеющие далеко идущие последствия, самые важные для нашего дальнейшего понимания, или обладающие наиболее весомым прикладным значением. Мы ограничимся одной крупнейшей нерешенной проблемой, взятой из каждой пяти отраслей естествознания, и попытаемся описать, каким образом можно ускорить их решение. Конечно, науки о человеке и обществе, гуманитарные и прикладные, имеют свои нерешенные проблемы (например, природа сознания), но данный вопрос выходит за рамки этой книги.
Вот отобранные нами в каждой из пяти отраслей естествознания крупнейшие нерешенные проблемы и то, чем мы руководствовались в своем выборе.
Физика. Связанные с движением свойства массы тела (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей многим, но не всем элементарным частицам Вселенной, нам не понятна. Крупнейшая нерешенная задача физики такова: почему одни частицы обладают массой [покоя], а другие — нет?
Химия. Изучение химических реакций живых и неживых тел ведется широко и весьма успешно. Крупнейшая нерешенная задача химии такова: какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
Биология. Недавно удалось получить геном, или молекулярный чертеж, многих живых организмов. Геномы несут информацию об общих белках, или протеоме, живых организмов. Крупнейшая нерешенная задача биологии такова: каково строение и предназначение протеома?
Геология. Модель тектоники плит удовлетворительно описывает последствия взаимодействия верхних оболочек Земли. Но атмосферные явления, особенно тип погоды, похоже, не поддаются попыткам создать модели, ведущие к получению надежных прогнозов. Крупнейшая нерешенная задача геологии такова: возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
Астрономия. Хотя многие стороны общего устройства Вселенной хорошо известны, в ее развитии еще много неясного. Недавнее открытие, что скорость расширения Вселенной возрастает, приводит к мысли, что она будет расширяться бесконечно. Крупнейшая нерешенная задача астрономии такова: почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
Многие иные занимательные вопросы, связанные с этими задачами, будут возникать попутно, и некоторые из них сами могут в будущем стать крупнейшими. Об этом идет речь в заключительном разделе книги: «Список идей».
Уильям Гарвей, английский врач XVII века, определивший природу кровообращения, сказал: «Все, что мы знаем, бесконечно мало по сравнению с тем, что нам пока неведомо» [ «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», 1628]. И это верно, поскольку вопросы множатся быстрее, чем на них успевают ответить. По мере расширения освещаемого наукой пространства увеличивается и обступающий его мрак.
Глава 2
Физика
Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?
…очертанья грозные событий,
Нам предстоящих.
У. Шекспир. Троил и Крессида Пер. Т. Гнедич
Физика занимается изучением свойств покоящейся и движущейся материи и различных видов энергии. Связанные с движением свойства (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей большинству форм материи, непонятна. И действительно, происхождение массы — крупнейшая нерешенная задача физики.
Масса
Всем нам знакома масса. Это нечто само собой разумеющееся. Мы все обладаем той или иной массой. Масса — виновница того, что легче вытащить застрявший автомобиль, нежели детскую коляску. Благодаря массе сила тяготения удерживает нас на Земле.
Только неясно происхождение массы. Многим, но не всем элементарным частицам Вселенной присуща масса [покоя]. Почему одни обладают ею, а другие — нет? Что «придает» массу тем или иным частицам? Почему масса частиц различается? Отсутствует ли что-то у безмассовых частиц помимо массы? Ответы на эти вопросы, возможно, находятся в так называемых хиггсовых полях, но прежде чем уяснить смысл неуловимых хиггсовых полей, необходимы кое-какие предварительные сведения.
Начнем с того, что масса тела связана с количеством содержащегося в нем вещества, а всем хорошо известно, что составляет вещество: это набор и сочетание атомов. Но что образует атомы? Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Электроны — элементарные частицы (не составные), чего нельзя сказать о протонах и нейтронах. Они образованы из кварков, и, похоже, именно кварки и электроны и есть истинно элементарные частицы.
Прежде чем обратиться к непонятной природе массы, посмотрим, откуда появляются кварки (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Кирпичики, составляющие материю
По мере ознакомления с другими элементарными частицами мы увидим, что более элементарными по сравнению с частицами оказываются поля, и изучим самую признанную в физике теорию поля, именуемую стандартной моделью. Затем рассмотрим недочеты стандартной модели: она не определяет источник массы и обходит стороной вопрос тяготения. Наконец, мы исследуем теории, выходящие за рамки стандартной модели, где мог бы быть решен вопрос о происхождении массы.
Более элементарные по сравнению с атоллами
Чтобы разобраться с кварками, следует обратиться к атомам. Изучение Эрнстом Резерфордом а-частиц привело в начале XX века к открытию ядра (см. гл. 1). Экспериментальные и теоретические изыскания физиков позволили продвинуться вглубь тех кирпичиков, что лежат в основе Вселенной. К 1920 году определились со строением атома, он оказался состоящим из ядра с положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами (хотя в опытах еще не было подтверждено существование нейтронов в то время), вокруг которого обращались электроны.
Целостность этой картины вскоре нарушилась. Для объяснения излучения света нагретыми телами немецкий физик Макс Планк в 1900 году выдвинул предположение, что световая энергия передается в виде порций, названных квантами, а не любым количеством, как думали ранее (вроде звеньев, а не сплошной ленты). По мнению Планка, это было всего лишь математической операцией, позволившей ре шить возникшие трудности. Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн отнесся к идее Планка иначе. Он показал, что если свет действительно имеет квантовую природу, то этим объясняется загадка фотоэлектрического эффекта.
Фотоэлектрический эффект проявляется при падении света на металл, что вызывает выход электронов из металла. Однако испускание электронов прекращается при свете со слишком малой частотой независимо от мощности источника света. Эйнштейн заключил, что свет действует подобно частице, передавая свою энергию электрону и тем самым высвобождая его. Кроме того, отношение Планка, связывавшее энергию с частотой, объясняло отсутствие электронов при низкой частоте падающего света. Световым фотонам просто не хватало энергии для образования свободных электронов. Действия света больше напоминали поведение частицы, нежели волны.
Распространение представления о квантах на атомы в 1920-х годах привело к созданию квантово-механической модели атома. В данной теории электронам как частицам приписывались волновые свойства. Квантово-механические предсказания относительно цвета света, испускаемого возбужденными атомами, согласовывались с данными спектроскопии, так что теория выдержала опытную проверку. Теперь симметрия была полной. Свет мог проявляться в виде волны или частицы, а электрон (протон или нейтрон) — в виде частицы или волны, в зависимости от проводимых опытов.
Одним из следствий квантовой механики стал принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому существует предел произведения неопределенности положения частицы и неопределенности ее импульса и соответствующий предел произведения неопределенности энергии и неопределенности времени.
Принцип этот означает: чем точнее установлено местоположение электрона, тем менее точно можно узнать его импульс, и наоборот. Предел крайне мал, и его действие почти не отражается на измерениях объектов обычных размеров. Однако философские последствия велики: существует предел нашим знаниям. Многие ученые, включая Альберта Эйнштейна, не могли примириться с таким предположением. И все же оно следует из удостоверяемой гипотезы, которую приходится принять.
Далее, квантовую механику потребовалось объединить с другой революционной идеей начала XX века — специальной теорией относительности Эйнштейна. В 1928 году это сделал британский физик Поль Дирак. Его новая теория оказалась не только исчерпывающей, она приводила к любопытному следствию: предсказывала существование новой частицы, подобной электрону, но положительно заряженной, которая получила название антиэлектрона, или позитрона (положительного электрона).
Спасительные космические лучи
Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек для изучения материи новое средство — космические лучи. Они состоят в основном из протонов, ос-частиц (связанные два протона и два нейтрона; одним словом, ядра гелия), или света различной частоты. Эти частицы обладают широким спектром энергии и бомбардируют Землю повсюду, падая на нее с частотой одна частица в секунду. Основной источник космических лучей — Солнце, однако наблюдаемые в космических лучах частицы с наиболее высокой энергией порождены более мощными процессами по сравнению с теми, что происходят на Солнце.
Космические лучи невидимы, и их воздействие на материю слишком мало, чтобы его заметить. Для обнаружения частиц Андерсон использовал два устройства: создающее сильное магнитное поле и конденсационную камеру Вильсона. Магнитное поле искривляло траекторию заряженных частиц внутри конденсационной камеры, содержащей насыщенный водяными парами чистый воздух. Частицы, пролетая через камеру, ионизировали молекулы воздуха, и те становились точками оседания паров, образуя в итоге капли воды. Эти капли позволяли наблюдать траектории частиц, подобно тому как земная атмосфера дает возможность увидеть след от высоко летящего самолета, хотя его самого и не видно.
Андерсон проводил опыты в Колорадо, где большая высота существенно уменьшала затеняющее действие земной атмосферы на падающие космические лучи. Один из его снимков запечатлел траекторию, отклонившуюся в противоположном от траектории электрона направлении. Это было свидетельством существования позитрона. Оказывается, почти всем частицам соответствуют античастицы, отличающиеся электрическим зарядом и иными, более тонкими свойствами (см.: Список идей, 1. Антивещество).
Так как в гипотезе Дирака предсказывалось существование позитрона, его обнаружение подтверждало истинность релятивистской квантовой механики (квантовая механика, видоизмененная с учетом специальной теории относительности). Однако другое открытие Андерсона оказалось более обескураживающим. Он обнаружил траектории двух новых частиц — мюонов, масса которых в 200 с лишним раз превышала массу электрона. Одна имела положительный заряд, а другая — отрицательный. Их существование и свойства приводили в замешательство, поскольку мюонам не находилось места в строении вещества. Недоумение физиков выразилось в ответе Нобелевского лауреата И. А. Раби, который, услышав об открытии мюона, спросил: «Кто их заказывал?»
Четыре силы
Словно мало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930-е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия, вызывающие некоторые процессы радиоактивного распада. Любопытно, что слабое и сильное взаимодействия достигали своей максимальной силы на очень малом расстоянии, причем их сила падала до нуля, стоило частицам удалиться на расстояние, превышающее размеры ядра. Вот почему мы их не видим: они действуют на расстоянии, недоступном нашим органам чувств.
В 1930-е годы Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной новой частицы. Эта электрически нейтральная частица нужна была для учета недостающей энергии в наблюдаемом [бета-распаде. Ферми назвал ее нейтрино. Нейтрино оказалось чуть ли не частицей-призраком, столь редко взаимодействующей с обыкновенным веществом, что для остановки половины падающих нейтрино понадобилась бы свинцовая пластина толщиной в восемь световых лет (превышающей более чем в 2 раза расстояние от Солнца до ближайшей звезды). И все же нейтрино [точнее, антинейтрино] были обнаружены опытным путем американскими физиками Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном, но лишь в 1953–1956 годах. Это и требовалось физике — другая частица.
Осколки частиц, или Трудное разделение
Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов появились новые устройства для систематических опытов — с использованием пучков частиц с заданной энергией. Устройства, названные ускорителями частиц, стали основным орудием физики высоких энергий, играя ту же роль, что микроскоп в биологии и телескоп в астрономии.
Были созданы два различных вида ускорителей: линейный и круговой, или циклотрон. В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль длинного вакуумного канала (модель Стэнфордского университета имеет протяженность 2 мили) и отклоняются магнитами для столкновения с мишенью. Датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении.
В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя половинами циклотрона (именуемыми дуантами — D-образными из-за своего вида), и их траектория искривляется магнитным полем внутри дуант. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда наконец достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение, а разлетающиеся осколки регистрируются датчиками. (См.: Список идей, 2. Ускорители.) Изобретатель циклотрона Эрнест Лоренс трудился над созданием все больших циклотронов, которые называл протонными каруселями, но натолкнулся на препятствия, приведшие к остановке его карусели.
Вмешательство политики
1930-е годы принесли другое несчастье: Вторую мировую войну.
Помимо сокращения отпускаемых на исследования средств военные нужды отвлекли огромное множество физиков, вынудив их с 1941 года заниматься Манхэттенским проектом. Изначально целью этого проекта было изучение энергии, высвобождаемой при расщеплении ядер тяжелых металлов вроде урана, чтобы определить, можно ли использовать эту энергию для создания оружия и в случае утвердительного ответа сделать это раньше немецких физиков, которые, как считалось, работали над схожим замыслом. (Пьеса «Копенгаген» Майкла Фрайна повествует о планах немцев и союзников по созданию атомной бомбы на примере взаимоотношений физиков Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.)
Задача физики состояла в постижении устройства ядра, техники — в претворении этого знания во взрывное устройство. Об этической стороне дела задумались после победы над немцами, хотя те не занимались созданием атомной бомбы. После капитуляции Германии в мае 1945 года некоторые физики в Соединенных Штатах Америки вышли из Манхэттенского проекта. Оставшиеся создали атомную и водородную бомбы, последствия чего мы ощущаем до сих пор.
Физика возвращается к повседневным заботам
После окончания войны погоня за новыми частицами возобновилась, и ведущая роль здесь отводилась ускорителю. Частицы сталкивали с мишенью, после чего тщательно изучали получавшиеся осколки. При относительно малых энергиях, доступных в ту пору, протоны застревали в больших ядрах, образовывая короткоживущие более крупные ядра. Некоторые из этих ядер были радиоактивными и распадались на ядра поменьше и другие частицы. Получавшиеся более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу, к радости химиков, а физики оставались без новых частиц.
Тем временем строились все более крупные циклотроны, получавшие частицы со все большей энергией. Ввиду эквивалентности массы и энергии (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = mс2) столкновения при больших энергиях позволяли получать более тяжелые частицы. И вскоре физиков, работавших на ускорителе, ждал успех.
Снимки из камеры Вильсона указали на следы, или треки, невиданных прежде частиц: заряженных пионов (п+, п~), или пи-мезонов, и каонов (К+, К-), или К-мезонов, нейтральных пиона и каонов, лямбда-частицы, сигма-частицы и пр. И хотя частицы были нестабильны, распадались вскоре на более привычные частицы, все это свидетельствовало о том, что материя таит в себе еще много неожиданного.
Гонка за частицами ширилась. Число циклотронов росло, а их устройство совершенствовалось. В приборе, именуемом синхротроном, ускоряющее поле синхронизировалось для обеспечения постоянного радиуса траектории у пучка частиц. На смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, где образование пузырьков в перегретом жидком водороде позволяло видеть следы частиц. Все это походило на исследование разметанного взрывом стога сена в поисках короткоживущих иголок. Так, одному аспиранту для диссертации пришлось изучить 240 тыс. снимков из пузырьковой камеры.
Итогом всех этих усилий стал настоящий бум частиц: их было найдено свыше ста. Нобелевский лауреат Энрико Ферми заметил своему студенту Леону Ледерману (впоследствии тоже Нобелевскому лауреату): «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником».
Появление кварков
Разросшееся скопище частиц создало в физике положение, сходное с тем, что переживала химия до появления Периодической таблицы Менделеева в 1869 году. В их основе должно лежать нечто общее, только вот что? Физики, исходя из теоретических соображений, пытались по-разному группировать частицы в поисках некоего порядка. Тяжелые и средние по массе частицы были названы адронами, а в дальнейшем их разбили на барионы и мезоны. Все адроны участвовали в сильном взаимодействии. Менее тяжелые частицы, названные лептонами, участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии. Но подобно тому как электроны, протоны и нейтроны нужны были для объяснения природы объявившегося скопища частиц, чтобы объяснить природу всех этих частиц, требовалось нечто более основательное.
В 1964 году американские физики Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Все адроны, оказывается, состоят из трех более мелких частиц и соответствующих им античастиц. Гелл-Ман назвал эти новые элементарные частицы кварками, заимствовав название из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где герою в снах часто слышались слова о таинственных трех кварках. Эти (первые) три кварка, получившие названия верхний (u — от англ. up), нижний (d — down) и странный (s — strange), обладают дробным электрическим зарядом +2/3, — 1/3 и —1/3 соответственно, а у их антикварков эти заряды противоположны.
Согласно данной модели протоны и нейтроны составлены из трех кварков: uud и udd соответственно, тогда как обширная группа вновь открытых мезонов состоит из пары кварк — антикварк. Например, отрицательный пион представляет собой сочетание нижнего кварка и верхнего антикварка. Кварки предлагались в качестве рабочей гипотезы, и, хотя они позволяли решить вопрос с упорядочиванием обширного собрания частиц с математической точки зрения, их существование не внушало доверия из-за отсутствия опытных данных.
В опытах протоны с нейтронами представляли собой размытые кусочки вещества, подобные атому согласно томсоновой модели «пудинга с изюмом». Однако эти частицы были значительно меньше атома, так что их нельзя было прощупать, обстреливая альфа-частицами, как проделал Резерфорд с атомами. Альфа-частицы были слишком крупными, и выведать что-либо с их помощью оказывалось невозможным.
Коллектив ученых Стэнфордского отделения Массачусетского технологического института на линейном ускорителе занимался изучением ядра, обстреливая электронами водород и дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон). Они измеряли угол и энергию рассеяния электронов после столкновения. При малых энергиях электронов рассеянные протоны с нейтронами вели себя как «однородные» частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большой энергии отдельные электроны теряли значительную часть своей начальной энергии, рассеиваясь на большие углы. Американские физики Ричард Фейнман и Джеймс Бьёркен, как и Резерфорд в работе по выявлению строения ядра с помощью альфа-частиц, истолковали данные по рассеянию электронов как свидетельство составного устройства протонов и нейтронов, а именно: в виде предсказанных ранее кварков. Теперь приходилось считаться с гипотезой существования кварков.
Теория наносит ответный удар: объединение
Физики всегда стремились упрощать возникающие вопросы сочетанием различных теорий. На исходе XIX века Джеймс Клерк Максвелл осознал, что электричество и магнетизм выражают собой две стороны одного и того же явления, и это позволило объединить их, а само явление получило название электромагнетизма. В 1950-е годы американские физики Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и японский физик Томонага Синъитиро соединили теорию электромагнетизма с квантовой механикой, создав квантовую электродинамику (КЭД). Согласно этой теории электроны взаимодействуют посредством обмена световыми фотонами. Сами фотоны наблюдать невозможно, поскольку электроны испускают и поглощают их в пределах, подпадающих под действие принципа неопределенности Гейзенберга. Из-за своей ненаблюдаемости они получили название виртуальных фотонов.
Когда в конце 1960-х опытным путем удалось выявить кварки, была выдвинута другая модель объединения, включающая два из четырех взаимодействий. Стив Вайнберг и Шелдон Глэшоу в Америке и пакистанский физик Абдус Салам в Триесте (Италия) независимо друг от друга выдвинули теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в одно, электрослабое взаимодействие. Помимо объяснения уже наблюдавшихся явлений в более общей связи эта новая теория добавляла к списку имеющихся частиц предсказываемые новые: нейтральную, слабо взаимодействующую (ныне именуемую Z°), W+, W- и тяжелую частицу, названную хиггсовой (подробнее см. далее).
В 1973 году была предложена еще одна теория: квантовая теория сильного взаимодействия, которую выдвинули Марри Гелл-Ман и немецкий физик Харальд Фритцш. Получившая название квантовой хромодинамики, эта теория походила на КЭД: и в той и в другой теории основные частицы, кварки, взаимодействовали в процессе обмена виртуальными (в пределах действия принципа неопределенности) частицами, именуемыми глюонами. А поскольку никто не видел глюона, требовалось подтверждение существования еще одной частицы.
Стандартная модель
К середине 1970-х все теоретические и опытные наработки слились в единую теорию, названную стандартной моделью. В ее основе лежат математические выкладки, не являющиеся предметом настоящей книги, так что не следует забывать, что модель опирается на мощный математический аппарат.
Основой стандартной модели стало представление, что кирпичиками Вселенной выступают поля, а не частицы. Первоначально поля понадобились для решения проблемы дальнодействия. Каким образом одно тело способно воздействовать на другое, если оба они находятся на некотором расстоянии друг от друга и между ними нет ничего материального? Ньютон ответил, что они воздействуют друг на друга посредством некой силы.
Для уяснения понятия поля нам следует пойти еще дальше в своих отвлеченных рассуждениях. Удалим одно тело. Теперь представим оставшееся, способное воздействовать на любое проходящее рядом тело. Это воздействие и составляет поле, проявляемое данным телом. При таком подходе поле есть возможность проявления силы. Например, поле тяготения часто изображается в виде стрелок, обращенных в сторону массы, как на рис. 2.2. Это вовсе не физические линии или стрелки в пространстве, а лишь указание на то, что любое, помещенное в любую точку тело будет ощущать действие некой силы в направлении, указанном стрелками.
Рис 2.2. Изображение силы тяготения
Сходным образом линии электрического поля окружают заряд, а линии магнитного поля — магниты. Поскольку железные опилки обладают ярко выраженными магнитными свойствами, на помещаемых в учебниках картинках видно, как эти опилки распределяются вокруг полюсов магнита и делают как бы зримым само магнитное поле.
Вначале полю отводилось место сугубо понятийного средства, но ныне оно играет ключевую роль в физике. Согласно стандартной модели:
— исходными кирпичиками Вселенной являются поля,
— крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля,
— частицы взаимодействуют между собой посредством обмена другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать ввиду ограничений, накладываемых принципом неопределенности.
Итак, классическая картина дальнодействующих сил между частицами сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами). Здесь наблюдается полный разрыв с прежними представлениями.
Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.
1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков, (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на рис. 2.3. Вот их названия:
семейство 1: верхний и нижний;
семейство 2: очарованный и странный;
семейство 3: верхний и нижний.
Кварки взаимодействуют друг с другом через сильное взаимодействие, обмениваясь виртуальными частицами, именуемыми глюонами.
2. Злектрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.
Рис. 2.3. Кварки
Рис. 2.4. Лептоны
Вот их названия: семейство 1: семейство 2 семейство 3 электрон и электронное нейтрино; мюон и мюонное нейтрино; тау и тау-нейтрино.
Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.
На обобщенном рис. 2.5 представлены основные элементарные частицы и переносчики их взаимодействий.
Рис. 2.5. Основные частицы
В табл. 1 перечислены частицы с их спином, зарядом и массой. Поражает огромный разброс масс — но об этом речь пойдет далее.
Согласно стандартной модели здесь прослеживается механизм функционирования атома. Протоны и нейтроны удерживает в ядре обмен виртуальными глюонами между составляющими эти частицы кварками.
Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается обменом виртуальными фотонами. Заметим, что три семейства кварков в точности соотносятся с тремя семействами лептонов. Вот только неизвестно, почему их ровно три. Первое семейство кварков и лептонов стабильно и составляет всю материю вокруг нас. Другие два семейства нестабильны, распадаясь через короткое время на более устойчивых собратьев. Если же говорить о возможности существования большего числа семейств кварков и лептонов, имеется два экспериментальных подтверждения, что таких семейств три. Одно подтверждение получено в 1998 году на усилителе при распаде нейтрального лямбда-гиперона [лямбда-ноль-гиперона] с образованием нейтрино, а другое — из астрономических наблюдений (подробнее см. след, параграф).
Все перечисленные частицы, за исключением глюона и фотона, обладают массой. Нулевая масса фотона обусловливает большую дальность электромагнитного взаимодействия, поскольку его переносчик может перемещаться со скоростью света. Слабое взаимодействие имеет значительно более короткий радиус действия ввиду большой массы его переносчиков, что не позволяет им двигаться столь же быстро, как фотоны. Все кварки и лептоны подчиняются ряду статистических правил, установленных Ферми и Дираком, и обобщенно именуются фермионами. Переносчики взаимодействия подчиняются другому ряду правил, выдвинутых индийским физиком Шатьендранатом Бозе и Эйнштейном, и называются бозонами. (См.: Список идей, 3. Фермионы и бозоны.)
Таблица 1. Основные частицы и их массы
Частицы ∙ Приблизительная масса*
Фермионы
Верхний кварк ∙ 5х10-3
Нижний кварк ∙ 9х10-3
Электрон ∙ 0,51х10-3
Электронное нейтрино ∙ < 7,2х10-9
Очарованный ∙ 1,35
Странный кварк ∙ 0,175
Мюон ∙ 0,106
Мюонное нейтрино ∙ < 2,7х10-4
Истинный кварк ∙ 174
Красивый кварк ∙ 4,5
Тау ∙ 1,78
Тау-нейтрино ∙ < 3х10-2
Бозоны
Фотон ∙
W+w W- ∙ 80,2
Z ∙ 91,2
Глюон ∙ 0
Хиггса частица (нет пока опытного подтверждения) ∙ 63-800
* Масса дается в единицах энергии, ГВт, равных миллиардам электрон-вольт согласно эйнштейновской формуле эквивалентности массы и энергии, Е = mс2.
Проверка стандартной модели
Стандартная модель впервые предложена в 1974 году. В ту пору еще не было открыто семь предсказанных ею частиц. В последующие 20 лет благодаря проведению опытов на более мощных ускорителях все они были открыты, за исключением бозона Хиггса.
Помимо наблюдений самих частиц опытным путем проверялись многие свойства частиц, предсказанные стандартной моделью. В результате выяснилось, что предсказанные и экспериментально полученные данные прекрасно согласовывались друг с другом. Примером может служить лэмбовский сдвиг. В 1947 году американский физик Уиллис Лэмб измерил частотный сдвиг в излучении, поглощаемом или испускаемом при переходе атома водорода из одного энергетического состояния в другое с вырожденными энергетическими уровнями. Значительно позже стандартная модель дала для частоты излучаемого при этом переходе света величину 1057,860+/-0,009 МГц, тогда как измеренное Лэмбом значение равнялось 1057,65 +/-0,009 МГц. Обе величины различаются всего на 1/100 000. С учетом погрешности оказалось, что предсказанное и полученное значения фактически совпали. Такое удивительное соответствие теории эксперимента наблюдалось во многих случаях, что служило еще большим подтверждением верности данной модели.
Поиск более тяжелых частиц требовал и более мощных ускорителей, а по экономическим соображениям физика нуждалась не в столь затратном средстве изысканий. Подобно Карлу Андерсону, воспользовавшемуся природными космическими лучами в качестве источника частиц высокой энергии, физики принялись за поиски природных явлений с участием частиц, предсказанных стандартной моделью. Единственный период, когда могли существовать такие частицы, приходился на первые мгновения «большого взрыва», когда вещество и энергия заполняли Вселенную. В первые моменты вспышки после «большого взрыва» ощущались невиданный жар и плотность. Наличествовали все семейства элементарных частиц, так что первые мгновения «большого взрыва» были как бы огромной лабораторией для проверки стандартной модели. И несмотря на недоступность того события, можно делать предсказания о существующих ныне условиях и сравнивать их с опытными данными.
Астрофизик Дэвид Шрамм часто повторял слова советского физика Якова Зельдовича: «Вселенная — ускоритель для бедных. Эксперименты не нуждаются в финансировании, от нас требуется лишь сбор опытных данных и верное их толкование». Например, если существует четыре семейства элементарных частиц, количество гелия, образованного в первые минуты после «большого взрыва», должно составлять свыше 26 % [вещества] нынешней Вселенной. Три же семейства элементарных частиц привели бы к созданию лишь 25 % гелия. А поскольку выявлено именно такое количество гелия, ограничение стандартной модели тремя семействами кварков и лептонов находит тем самым убедительное опытное подтверждение.
Совместная работа физиков высоких энергий и астрофизиков в изучении первых мгновений после «большого взрыва» приводит к многим полезным результатам. Например, сочетая по-разному три фундаментальных физических постоянных (постоянную Планка, скорость света и постоянную тяготения), мы получаем минимальные значения таких основополагающих величин, как время, масса и энергия. Они называются планковскими масштабами (или размерностями):
время: 10-43 с,
длина: 10-35 м,
энергия: 109Дж.
Если энергию Планка сосредоточить в объеме куба со стороной, равной длине Планка, то эквивалентная масса (Е = mс2) в этом крохотном пространстве была бы столь плотной, что свет не мог бы его покинуть, оказавшись отрезанным от остальной Вселенной, — черная дыра. Таким образом, расстояния меньше планковской длины теряют смысл, так что ниже этого уровня пространство и время предстают «квантовой пеной», где уже не действуют никакие физические законы.
Исходя из планковских масштабов, можно представить возможную картину начала Вселенной. Субмикроскопическая квантовая флуктуация проходит стадию раздувания с очень быстрым расширением, когда по мере падения температуры происходит «вымораживание» четырех основных взаимодействий, подобно тому, как жидкая вода превращается в лед. Если взаимодействие с полями Хиггса определяет массу частиц, эта величина может принимать совершенно случайное значение, в зависимости от того, как идет остывание. При таком повороте событий возможно возникновение различных вселенных со слегка различающимися значениями масс элементарных частиц.
Теневая сторона стандартной модели
По поводу стандартной модели существует ряд возражений. Первое — математическое. При решении уравнений стандартной модели, касающихся свойств частиц, часто используется математический прием, основанный на теории возмущений. Значение некой величины определяется исходя из требуемой точности включением все большего числа членов рядов разложения по степеням некой величины, именуемой параметром. При малом параметре последовательные члены ряда уменьшаются по величине, так что для получения нужной точности можно ограничиться небольшим их числом. Но поскольку не все параметры оказываются малыми, некоторые вычисления требуют многих членов ряда. К тому же при расчетах в рамках стандартной модели зачастую появляются бесконечные величины. Для борьбы с этими расходимостями привлекают математический прием, именуемый перенормировкой. Перенормировка включает вычитание одного бесконечного ряда разложения из другого, чтобы оставить те члены, которые согласуются с известным значением.
Многие ученые критикуют стандартную модель за подобные математические изъяны, называя ее неизящной. Возможно, недовольство физиков связано с философским допущением, согласно которому Вселенная познаваема, и наше знание о ней должно быть математически простым, изящным и завершенным. Разумеется, эта критика не влияет на удивительно полную согласованность предсказания и опытных данных, как и не мешает стандартной модели объяснять многие явления во Вселенной. Однако чувство неудовлетворенности заставляет ученых создавать более совершенную теорию.
На более высоком научном уровне у стандартной модели в самой ее основе проявляется изъян, связанный с нарушением симметрии электрослабого взаимодействия. Фотон, безмассовый бозон, служит переносчиком электромагнитной части электрослабого взаимодействия. Для сохранения симметрии переносчиком слабого взаимодействия здесь должен выступать также безмассовый бозон, чего на самом деле нет. Переносчиками слабого взаимодействия выступают два W- и один Z-бозон, обладающие значительной массой, превышающей массу большинства кварков. Симметрия оказывается нарушенной, и стандартная модель не в состоянии это объяснить.
Самая серьезная критика стандартной модели касается тяготения и происхождения массы. Стандартная модель не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и некоторые другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей постановки в уравнения. Любой теории, готовящейся сменить стандартную модель, придется считаться с этой критикой, к тому же ни в чем не уступить стандартной модели там, где ее предсказания столь прекрасно согласуются с действительностью.
Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса
В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс и другие, исходя из чисто математических соображений, допустили существование вездесущего поля, позже названного полем Хиггса. Все взаимодействующие с полем Хиггса частицы приобретают вследствие этого массу. Иначе говоря, всякая масса порождена взаимодействием.
Механизм обретения массы схож с прохождением строя солдат через разлитую на земле патоку. Они становятся тяжелее вследствие прилипания патоки при ходьбе. Другим примером может служить вечеринка, где гости разбрелись по комнате. При появлении важного лица ближайшие соседи обступают его, увеличивая тем самым его эффективную [т. е. большую, чем реальная] массу. Чем значительнее лицо, тем больше народу обступает его, а значит, растет и его масса.
Согласно данной теории частицы по-разному сцепляются с полем Хиггса, что приводит к большим массам у W- и Z-бозонов и к отсутствию массы у фотона и глюона. Если механизм Хиггса действительно ответственен за массу у элементарных частиц, он хотя бы отчасти дает ответ на вопрос, откуда появляется масса.
Но как определить, действительно ли существует поле Хиггса или это просто математический прием? Надо поступить следующим образом. Достаточно крепкий удар вроде удара частиц с очень высокой энергией по космической патоке, именуемой полем Хиггса, вызовет дрожание этой патоки. Колебания же самого поля можно зарегистрировать, поскольку должна появиться частица Хиггса, переносчик хиггсова поля, подобно тому как фотон служит переносчиком электромагнитного поля.
В самой простой теории лишь одна частица Хиггса является носителем хиггсова взаимодействия. Более сложные теории содержат многочисленные частицы Хиггса, в числе которых самая легкая. И, возможно, эта частица доступна современным ускорителям.
В течение нескольких лет Европейская организация по ядерным исследованиям в Женеве — ЦЕРН (Швейцария) занималась поисками хиггсовой частицы на ускорителе со встречными электрон-позитронными пучками (LEP). При 115 ГэВ (см. табл. 2 для масс частиц) было зарегистрировано интересующее явление [т. е. хиггсова частица], но для подтверждения необходимы также дополнительные данные, чтобы исключить влияние фона. В 2001 году ЦЕРН закрыл ускоритель для создания более мощного устройства с тем же тоннелем [27-километровым накопительным кольцом]. Новый ускоритель — Большой ускоритель со встречными протон-протонными пучками (LHC) по плану вступит в строй в 2005 году и благодаря своей мощи (8000 ГэВ в пучке) станет более эффективным средством исследования. С марта 2001 года Национальная лаборатория высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (FNAL) в Батавии (штат Иллинойс) ведет поиски частицы Хиггса на своем ускорителе Tevatron (1000 ГэВ в пучке), но события, связанные с существованием такой частицы, были столь нечасты, что, похоже, уйдет много времени для сбора статистически значимых данных. [Сеанс набора данных продлится пять лет.] Сверхпроводящий сверхускоритель на встречных пучках (SSC), проект которого одобрен президентом Бушем в 1987 году, своей главной целью ставил поиск частицы Хиггса, и обладал бы достаточной мощью (20 000 ГэВ в пучке) для решения подобной задачи, но егостроительство было прекращено по решению сената США в 1993 году [несмотря на уже израсходованные 2 млн долларов].
В случае если найдется частица Хиггса и ее масса окажется в пределах досягаемости нынешних ускорителей, можно расширить стандартную модель, чтобы она включила вытекающие из этого следствия. Данный шаг, конечно же, не решит вопроса о происхождении массы или всех трудностей стандартной модели, но послужит все же неким началом.
Если частица Хиггса отыщется и ее масса выйдет за предсказанные пределы, стандартная модель рухнет, поскольку ее прогнозы прежде были безупречными. В таком случае потребуется существенный пересмотр или даже замена стандартной модели.
Если будет найдено множество частиц Хиггса, помимо стандартной модели потребуются новые теории.
Если не отыщется ни одной частицы Хиггса, это тоже повлечет за собой необходимость замены стандартной модели. Подобные теории обсуждаются в следующем разделе.
Итак, обнаружение частицы Хиггса или хотя бы установление нижней границы ее массы оказывается ключевым для понимания причины разнобоя в определении массы частиц. Однако некоторые ученые полагают, что поля Хиггса — лишь временная мера, не решающая вопроса о происхождении массы. Частица Хиггса для них — своего рода долгий ящик неведения, куда откладываются основополагающие трудности стандартной модели.
Стандартная модель недоучитывает тяготения — и это другая сторона нерешенного вопроса с массой. Прямым ответом здесь послужило бы создание квантовой теории тяготения (гравитации). Лучшей теорией тяготения считается общая теория относительности Эйнштейна, и почему бы в таком случае просто не приложить квантовые законы к общей теории относительности? Потому что сделать это нелегко. Обобщенная теория относительности является классической в отношении связи геометрии Вселенной как гладкого на больших масштабах четырехмерного многообразия с массой. Она хорошо работает при больших расстояниях, но на расстояниях между частицами меньше 1 мм никаких опытов не проводилось. Это означает, что сила тяготения попросту экстраполируется в микромир. Вместе с тем стандартная модель проводит квантование полей в виде дискретных частиц и имеет дело с крайне малыми масштабами. Поэтому, когда ученые пытаются провести квантование для общей теории относительности, теория дает бесконечные значения для явно конечных величин.
Другая трудность вызвана крайней слабостью тяготения по сравнению с другими силами. Чтобы быть на равных с сильным и электрослабым взаимодействием, тяготение должно иметь сравнимую силу. Это так называемая проблема иерархии взаимодействий. Огромный энергетический разрыв существует между энергиями, для которых применима стандартная модель, и энергией, при которой наиболее слабо выраженное тяготение становится сравнимым по величине с сильным и электрослабым взаимодействиями. Неизвестно, чем вызван такой огромный разрыв.
Нужна новая физика
Как видим, опытное подтверждение существует лишь для стандартной модели. Однако своей проверки ждут многие теории. Вот некоторые из них.
Теории великого объединения (ТВО) и теории всего сущего (ТВС). Названия лишь вводят в заблуждение, поскольку предлагают больше, чем могут дать. В действительности они лишь указывают на объединение известных взаимодействий в рамках одной, всеобъемлющей теории. ТВО объединяют электрослабое и сильное взаимодействие. Более амбициозные ТВО «замахиваются» не только на сильное и электрослабое взаимодействия, но и на гравитационное. Даже если такая теория будет создана, это вряд ли ознаменует конец науки, которая полна иных, требующих ответа вопросов.
М-теория. Физик из Принстона Эдуард Виттен говорит, что «М означает "магический" или "мембрана", как кому нравится». Некоторые прежние теории оказываются частным случаем этой общей теории — так называемые теории струн, суперструн и бран. Вместо того чтобы рассматривать кварки и лептоны в виде точечных (одномерных) частиц, данная теория предлагает считать их двухмерными (струнами) или даже многомерными (мембранами, сокращенно бранами). Эти родственные теории объединяют все силы, включая тяготение, и не содержат никаких бесконечностей, требующих перенормировки, как в случае со стандартной моделью. Но раз они требуют числа размерностей больше четырех (сейчас в ходу 10, 11 и 26 размерностей), дополнительные размерности могут представать полностью свернутыми или по своей малости недоступными современным измерительным приборам либо огромными, чуть ли не бесконечными. Согласно одной из таких теорий все размерности Вселенной вначале были одинаковой величины, но затем разделились и изменяли свою величину по мере расширения и охлаждения Вселенной. Трудность в выборе какой-либо теории данного рода обусловлена тем, что наш опыт или интуиция неприменимы к размерностям, выходящим за рамки четырехмерного мира, в котором мы живем.
Суперсимметрия (СУСИ). В случае замены фермионов на бозоны и наоборот описывающие основные взаимодействия уравнения должны оставаться истинными. Данная теория предсказывает существование гораздо более тяжелых суперпартнеров для всех частиц. Если такие суперпартнеры существуют, у одного или нескольких из них масса может оказаться довольно малой для обнаружения при поисках бозона Хиггса. Суперсимметричные партнеры могли бы также объяснить существование темной материи (см. гл. 6). (Суперпартнеров обозначают прибавлением приставки «с» к названиям фермионов, т. е. суперпартнер электрона именовался бы сэлектроном, протона — спротоном и т. д. Суффикс «ино» присоединяется к названиям суперпартнеров у бозонов, т. е. суперпартнер фотона именовался бы фотино, W — бозона — вино ит. д.)
Техницвет. Данная теория [сильного взаимодействия] рассматривает кварки и лептоны состоящими из более мелких частиц. Поскольку она предсказывает существование новых частиц, допускается опытная проверка.
Твисторов теория. Посредством [трехмерного] комплексного представления [вещественного] четырехмерного пространства — времени [Минковского] переформулируются положения стандартной модели и общей теории относительности. (Комплексное число задается выражением а + iЬ, где i — квадратный корень из — 1, а а и Ь — действительные числа. [Твисторы же — прямые во вспомогательном комплексном трехмерном проективном пространстве, соответствующие точкам четырехмерного вещественного пространства-времени Минковского. Понятие твистора введено Роджером Пенроузом в конце 1960-х годов.]) Значение комплексных чисел в реальном мире неясно: их нельзя использовать для счета или измерения любых реальных величин.
Чтобы не оказаться на свалке отвергнутых теорий, любая научная гипотеза должна делать предсказания, подкрепляемые опытными данными. Одни новые теории слишком умозрительны для получения предсказаний, доступных проверке; другие очень сложны для расчетов; третьи включают величины, слишком далекие от нашей повседневной действительности, чтобы можно было накладывать на них ограничения на основе наших опыта и интуиции. Для получения экспериментального подтверждения существования некоторых предсказанных очень тяжелых частиц требуется ускоритель величиной с Солнечную систему.
Принцип соответствия Нильса Бора, выдвинутый в 1920-е годы, гласит, что квантовая механика должна согласовываться с классической физикой в случаях, когда классическая теория доказала свою истинность. Если следовать этому правилу в данном случае, всякая новая теория должна сводиться к стандартной модели в условиях, когда опытные данные подтвердили ее верность. Нужно время, чтобы появилась такая теория.
Необходим новый язык?
Умозрительность положений стандартной модели и возможных ее преемниц не должна вводить в заблуждение. Язык, на котором описывается стандартная модель, является математическим, а такой язык сам может оказаться неполным. Не исключено, что потребуются новые математические понятия. Для объяснения движения Ньютон создал дифференциальное исчисление, имеющее дело с плавно изменяющимися функциями и малыми числами. Нам известно, что Вселенной присущи разрывные функции и большие числа, однако многие уравнения по-прежнему выражаются понятиями дифференциального исчисления. (В гл. 5, о прогнозе погоды, мы столкнемся с теми же трудностями.) Многие теории, ставящие целью смену стандартной модели, включают математические понятия на более глубоком по сравнению с дифференциальным исчислением уровне, привлекая такие понятия, как группы, кольца, идеалы и топологические структуры. Составление описывающих поведение Вселенной уравнений — не то же, что решение этих уравнений в физически точных и осмысленных выражениях.
Решение головоломки: как, кто, где и когда?
Как. По сути, мы до сих пор не знаем, как исходные кирпичики Вселенной обрели свою массу, и у нас даже нет уверенности, что мы установили все эти кирпичики. И все же мы располагаем теоретическими и опытными возможностями для углубления своего понимания.
Кто. На теоретическом фронте плодотворно трудятся многие ученые, совершая постоянные прорывы. Можно назвать лишь некоторых: Эдуард Виттен, Фрэнк Вилчек, Митио Каку, Майкл Джеймс Дафф, Роджер Пенроуз, Гордон Кейн и Ли Смолин.
Где и когда. Экспериментальный поиск частицы Хиггса идет в Лаборатории им. Ферми и продолжится в ЦЕРНе в 2005 году. Возможно, затем появятся новые сооружения.
Чтобы быть в курсе происходящего, отправляйтесь к ссылкам раздела «Источники для углубленного изучения». Будущие открытия обещают быть интересными, познавательными и, вполне возможно, неожиданными.
Глава 3
Химия
Какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
Сущий вздор — рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.
Из письма Ч. Дарвина Дж. Д. Хукеру 29 марта 1863 г.
Химия занята изучением строения веществ и происходящих с ними превращений. Химия живых и неживых существ изучалась довольно широко, а вот химический переход от безжизненных веществ к той сложной системе взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления, именуемые нами жизнью, остается крупнейшей нерешенной проблемой химии.
Первичный бульон
Требуемый состав. В требуемом количестве. Перемешанный при требуемой температуре. За требуемое время. В зависимости от состава, количества, температуры и времени можно получить рецепт приготовления овсянки или праздничного пирога. Либо описание первичного бульона, заправленного теми или иными органическими молекулами. Сочетаясь, эти первичные молекулы образуют более крупные самовоспроизводящиеся (реплицирующие) молекулы из белков и нуклеиновых кислот. Появление этих более крупных самовоспроизводящихся молекул в итоге приводит к образованию генетического кода, что равносильно созданию самой жизни.
В данной главе рассказывается о стыке химической, или добиологической, эволюции с биологической; о составе, количестве, температуре, времени и последовательности реакций, происходивших в переходный период — между 4,5 и 3,8 млрд. лет, и затрагивается вопрос, как безжизненная планета породила первую форму жизни.
Становление химических систем
Как бы то ни было, кварки и лептоны обрели массу, и «большой взрыв» свершился. По мере расширения и охлаждения Вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез — ядра гелия, составившие 25 % вещества Вселенной. Остальное вещество находилось в виде протонов. С течением времени под действием силы тяготения стали скапливаться огромные газовые облака, образуя галактики и звезды. В сердцевине этих звезд образовывались атомные ядра тяжелее ядер гелия. По завершении отпущенного им срока эти звезды взрывались, извергая множество ядер в межзвездное вещество, где большая их часть притягивала к себе электроны, образуя ту форму материи, которая известна нам ныне — атомы. Прошло еще время, и некоторые атомы оказались в составе огромных облаков, именуемых туманностями, которые срастались под действием тяготения, образуя как звезды, так и менее крупные тела, включая нашу планету.
У атомов появились общие электроны, что привело к образованию молекул. Вопросы, касающиеся объединения атомов, их количества, скорости объединения (реакции), величины поглощаемой или выделяемой при этом энергии, находятся в ведении отрасли знания, именуемой химией. Химические изменения изображаются в виде уравнений.
Реагирующие атомы или молекулы сочетаясь, образуют производные атомы и молекулы
Хотя химии и удалось разрешить много тайн вокруг атомных и молекулярных соединений, главная головоломка ей так и не поддалась: какого рода химические реакции подтолкнули атомы на раннем этапе развития Земли к образованию сложной системы взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления, именуемые нами жизнью?
Один атом, углерод, дает возможность понять сложность живых существ. От распределения электронов в углероде зависит образование четырех ковалентных связей в виде общих пар электронов [с другими атомами]. Это могут быть одиночные, двойные или даже тройные связи. К тому же атомы углерода легко соединяются между собой. Такая гибкость в выборе связей позволяет молекулам принимать различные формы — от самых простых до крайне сложных.
Занимающаяся изучением углеродных соединений отрасль получила название органической химии из-за господствовавшего прежде мнения, что лишь живые (органические) системы способны порождать подобные молекулы. Но теперь мы знаем, что такие соединения могут создаваться и искусственно. Молекулы на основе углерода изначально могли быть относительно простыми, но способность углерода к связыванию позволяла им становиться все более сложными, что в итоге привело к сложной системе, именуемой нами жизнью. Данный процесс можно изобразить в виде химического уравнения, где стрелки показывают последовательность химических реакций:
Простые атомы — > Простые молекулы — > Сложные молекулы — > Более сложные молекулы — > Еще более сложные молекулы — > Система очень сложных молекул — > Сложная система под названием жизнь
Предположения о происхождении жизни
Мы определили вопрос происхождения жизни как химическую головоломку, но вполне возможно, это не единственный подход. Выдвигалось много иных идей, отвечавших на вопрос, как появилась жизнь на Земле. Многие из них не были связаны с химией. Мы начнем с изучения некоторых представлений о возникновении жизни на Земле. Затем посмотрим, насколько химикам удалось продвинуться в этом вопросе. И напоследок уясним, почему же химия все еще считает вопрос о происхождении жизни нерешенным.
Гипотеза 1. Сверхъестественное происхождение жизни. До того как начались планомерные химические изыскания или выработался требующий экспериментальных подтверждений научный метод, на Западе это было широко распространенное мнение. Жизнь принесли на Землю сверхъестественные, или божественные, силы. Данное представление известно как креационизм.
Перед представлениями, объясняющими возникновение жизни действием сверхъестественных, или божественных, сил, стоит неодолимое препятствие: смешивание религии с наукой. Религиозные представления основаны на вере, то есть субъективны, тогда как наука зиждется на объективных свидетельствах. Формально эти два подхода столь различны, что их идеи не поддаются сравнению. Но ведь мы все — люди и обязаны сравнивать.
Вопрос о возникновении жизни особенно труден. Именно из-за давности ее появления, что исключает изучение каких-либо прямых свидетельств. Эта ситуация подобна игре в гольф. Игрок выполняет удар, не видя лунки, а когда подходит, оказывается, что мяч лежит в ямке. Попадание мячом в лунку одним ударом? Возможно. Игрок не в силах обратить время вспять и выяснить, угодил ли мяч туда сам— или же ему посодействовал некий шутник.
Если придерживаться научного подхода, вспомним пример из гл. 1 относительно источника сильного радиоизлучения, обнаруженного спутником Uhuru в 1971 году близ звезды HDE 226868. Ввиду удаленности HDE 226868 от нас на 8 тыс. световых лет невозможны прямые измерения. Но тогда откуда нам известно, что рентгеновские лучи указывают на присутствие черной дыры, а не сигналов от внеземной цивилизации? Если эти два объяснения рассматривать как соперничающие гипотезы, в отсутствие опытных данных следует прибегнуть к бритве Оккама. Гипотеза о черной дыре проще, она привлекает лишь известные физические законы и поэтому более предпочтительна. Дальнейшее обнаружение иных сходных источников радиоизлучения подкрепляет сделанный выбор.
Итак, наука принципиально исключает вмешательство Бога в возникновение жизни не только из-за отсутствия свидетельств, но и потому, что Бог Своей внеприродной сущностью нарушает принцип бритвы Оккама. Многие ученые веруют в Бога, но, вступая в чертоги науки, они должны жить по ее законам. Впрочем, если удастся обнаружить жизнь еще где-то во Вселенной, это, несомненно, самым причудливым образом отразится и на религиозных верованиях, и на науке. (См.: Список идей, 4: Внеземная жизнь.)
Гипотеза 2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение сложных форм жизни. Издавна люди наблюдали лягушат среди гниющих бревен, крыс в сточных водах и отбросах, личинок на залежалом мясе. В 1620 году Ян Баптист ван Гельмонт, нидерландский естествоиспытатель (и алхимик), предложил такой рецепт изготовления мышей:
Положи в горшок зерна, заткни его грязной рубашкой и жди. Что случится? Через двадцать один день появятся мыши: они зародятся из испарений слежавшегося зерна и грязной рубашки. Поразительно, что появляются мыши обоего пола, кои совершенно схожи с рожденными естественным путем особями… Еще более поразительно, что получаются не детеныши, а взрослые мыши [«Imago fermenti impragnat massam semine» («Образ закваски оплодотворяет глыбу семенем»): 20-й трактат в изданном посмертно в 1648 г. сыном Франциском Меркурием ван Гельмонтом собрании сочинений под названием Onus medicines, Id est Inltla Physlcce Inaudlta, progressus medlclnce novus, In morborum иltionem ad vltam longam].
Гипотезу о возникновении сложных многоклеточных живых существ непосредственно из неживого вещества часто именуют гипотезой самозарождения, хотя некоторые остряки величают ее «лягушки из чушки». Но повременим с осмеянием представлений четырехсотлетней давности, представив, сколь наивными окажутся наши взгляды спустя четыре века.
После научной революции, когда опыт стал окончательной проверкой истинности гипотез, соотечественник Галилея и его преемник при дворе Медичи во Флоренции решил испытать теорию самозарождения. В 1668 году Франческо Реди провел опыт, помещая мясо в различные сосуды. Одни сосуды были открыты, сообщаясь с воздухом, другие — полностью запечатаны, а третьи покрыты кисеей со столь мелкой сеткой, что внутрь проходил один воздух. Мухи, жужжа, кружились над каждым сосудом, но поскольку личинки появились лишь в открытых сосудах (куда могли залетать и откладывать яйца мухи), это доказывало, что личинки появляются от мух, а не из воздуха. К тому же яйца были найдены на самой кисее. Можно было бы ожидать, что опыты Реди полностью изобличили теорию самозарождения. Но тем не менее многие продолжали верить в нее. От старых представлений отказываются с превеликим трудом. Даже Реди продолжал верить, что самозарождение может происходить при иных обстоятельствах.
Вскоре после опытов Реди был изобретено новое мощное исследовательское орудие, микроскоп, вызывавший смешанные чувства. Он не только оказался крайне полезным для биологических наблюдений, но и укрепил веру в самозарождение, поскольку явленные им взору «животинки», казалось, возникали сами по себе.
В начале 1860-х годов Луи Пастер принял участие в споре по поводу самопроизвольного зарождения. Мнения высказывались диаметрально противоположные. Член Французской академии наук Ф. А. Пуше опубликовал материалы с результатами опытов, где заявлял, что может продемонстрировать самозарождение. Пастер указал на некоторые изъяны в избранных Пуше способах, и тогда тот обратился к Французской академии с предложением назначить премию тому, кто сможет доказать или опровергнуть самозарождение. Друзья Пастера отговаривали его от участия в конкурсе, полагая, что он устраивался с целью посрамления ученого. Но благодаря своим прежним опытам с брожением Пастер чувствовал себя вполне подготовленным.
Он провел ряд опытов, завершившихся помещением обеспложенного мясного навара в колбы, у которых горлышко было вытянуто в длинную трубочку, изогнутую на манер шеи лебедя. Благодаря такому изгибу воздух проходил в колбу, а микроорганизмы застревали в горлышке. Навар оставался стерильным, что указывало на отсутствие самозарождения микроорганизмов. Пастер сказал:
«Господа, я мог бы указать на эту жидкость [в колбе со стерильной питательной средой на столе перед ним] и сказать вам, что взял сию каплю воды из необозримого мироздания, и взял ее, полную плодоносного студня. И вот я жду, наблюдаю и прошу, умоляю ее приступить к началу творения! Но она глуха, глуха уже несколько лет с начала опытов. А все потому, что я удалил от нее то единственное, что не в состоянии сотворить человек, я удалил от нее зародыши, кои витают в воздухе, я удалил от нее жизнь, ибо жизнь и есть зародыш, а зародыш — жизнь. Никогда прежде учение о самозарождении не получало смертельного удара, подобного тому, что нанес ей сей простой опыт.
Итак, нет более никаких известных обстоятельств, кои могли бы подтвердить, что микроскопические существа появляются на свет без зародышей, без подобных оным родителей. Те, кто утверждает это, введены в заблуждение ложными представлениями, неверно поставленными опытами, ошибками, коих они либо не замечали, либо не могли избежать» [Des generations spontanees. Conference faite aux «soirees scientifiques de la Sorbonne», le 7 avril 1864: Revue des cours scientifiques de la France et de Vetranger, I, 23 avril 1864, p. 257–265 (O самопроизвольном зарождении: Доклад, прочитанный на «научных вечерах» Сорбонны, 7 апр. 1864.)].
Пастер завоевал премию, но его блестящий опыт так и не похоронил теории самозарождения, которая то и дело давала о себе знать. Подобно нынешним городским мифам она обрела собственную жизнь. С научной точки зрения в опытах Пастера смущало только одно. Ведь если каждый живой организм происходит от предшествующих живых организмов, то каким образом появился первый живой организм?
Гипотеза 3. Возникновение жизни извне. Анаксагор, живший в 500–428 годах до н. э. греческий мыслитель, рассуждал о «семенах вещей», которые наличествуют во всех организмах. Его философия истолковывается как исток представления о панспермии, в соответствии с которой жизнь на планеты пришла извне. В 1871 году шотландский физик Вильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, обнаруживший углерод в метеоритах [выступая в Эдинбурге перед Британским обществом содействия науке], сказал:
— При столкновении двух огромных масс в пространстве значительная их часть расплавится. Однако вполне верно и то, что во многих случаях большая часть обломков разлетится во все стороны, множество из них испытают разрушительное воздействие не больше того, что придется вынести отдельным частям скалы при оползне или пороховом взрыве. Если время столкновения нашей Земли с другим, соизмеримым с ней телом придется на пору, когда она подобно нынешней будет покрыта растительностью, то множество больших и малых осколков с семенами и живыми растениями и животными рассеется во Вселенной. Посему и согласно нашему убеждению, что с незапамятных времен существует множество обитаемых миров помимо нашего, нам следует считать крайне вероятным наличие бесчисленного множества движущихся во Вселенной метеоритных камней с семенами. Если бы в данный миг наша Земля была безжизненной, один такой камень мог бы по названным нами по недомыслию естественным причинам дать начало обильной растительности.
Немецкий физик Герман фон Гельмгольц согласился с подобными соображениями, заявив [в лекциях, прочитанных весной того же года в Гейдельберге и Кельне]:
«Мне кажется, что если все наши попытки создать организмы из безжизненного вещества терпят неудачу, то является вполне научным способом рассуждения задать себе вопрос: да возникла ли вообще когда-нибудь жизнь, не так ли она стара, как и материя, и не переносятся ли все зародыши с одного небесного тела на другое, развиваясь всюду, где они находят для себя благоприятную почву» [Предисловие к книге «Handbuch der theoretischen Physik von W. Thomson und P. G. Tait»[4] (Руководство по теоретической физике В. Томсона и П. Г. Тэта / Авториз. пер. с нем. Брауншвейг, 1874. Т. 1. Ч. 2. С. XI)].
Сколь бы любопытными ни были эти соображения и какими бы маститыми учеными они ни выдвигались, это не гипотезы, которые позволяли бы делать предсказания и допускали бы опытную проверку, поэтому они и остались невостребованными по меньшей мере в смысле научного подхода.
В 1907 году шведский химик Сванте Аррениус, удостоенный Нобелевской премии за теорию электрической диссоциации, написал популярную книгу Varldarnas utveckling [Образование миров. Одесса: Маthesis, 1908]. Аррениус полагал, что жизнь где-то зарождается, пробивается сквозь атмосферу других планет и странствует по Вселенной в виде спор, подталкиваемая давлением света от находящейся в центре этой планетарной системы звезды. Как гипотеза данная идея предсказывает, что споры при движении к Земле в состоянии перенести ультрафиолетовое излучение Солнца. В ряде опытов споры помещали в условия, близкие к космическим, которые они не смогли вынести. Тем самым теория Аррениуса умерла [для науки], но [продолжала] служить источником научно-фантастических рассказов.
Одно из главных возражений против панспермии таково: она не отвечает на вопрос, как впервые возникла жизнь, просто отодвигая его в иное, менее доступное место. Современные вариации на тему панспермии будут рассмотрены в данной главе.
Гипотеза 4. Самопроизвольное зарождение жизни на самой Земле. В 1920-е годы в атмосфере Юпитера и других газообразных планет-гигантов обнаружили метан (СН4). Русский биохимик Александр Опарин предположил, что на ранней стадии развития Земли наряду с аммиаком (NH3), водородом (Н2) и водой (Н2О) присутствовал метан. Вероятно, это было сырье, необходимое для начала жизни, поскольку там содержались основополагающие элементы живых организмов: углерод, кислород, водород и азот. В 1924 году Опарин выпускает брошюру о происхождении жизни, где говорится:
«Поначалу наблюдались простые растворы органических веществ, чье поведение определялось свойствами входящих в их состав атомов и расположением самих атомов внутри молекул. Но постепенно вследствие роста и усложнения молекул появились новые свойства, и среди более простых органических химических связей утвердился новый коллоидно-химический порядок. Эти обновленные свойства определялись пространственным расположением и взаимными связями между молекулами. Но даже такое состояние органической материи еще не могло породить первых живых существ. Для этого коллоидальные системы в ходе своего развития должны были приобрести свойства более высокого порядка, который позволил бы перейти к следующей, более сложной ступени в устройстве материи. Здесь уже заявляет о себе биологическая упорядоченность. Опережение в росте, борьба за выживание и, наконец, естественный отбор установили такой вид устроения материи, который присущ всему живому теперь».
Опарин обнаружил, что белки, находящиеся в растворенном состоянии, могут слипаться, образуя сгустки. Такие сгустки он назвал коацерватами и заявил, что они способны на метаболизм. Из-за революции в России работы Опарина были неизвестны на Западе до конца 1930-х годов.
В статье 1929 года «Происхождение жизни» [ «The Origin of Life», Rationalist Annual. Vol. P. 148; Происхождение жизни // Планета Земля. М., 1961. С. 315–334] Дж. Б. С. Холдейн, британский биохимик, строит догадки о происхождении жизни на Земле. Приводя недавние опыты о влиянии ультрафиолетового излучения на химические реакции, Холдейн предположил, что ультрафиолетовое излучение своим воздействием на первичную атмосферу Земли в виде двуокиси углерода (СО2), паров воды (Н2О) и аммиака (NH3) могло вызвать к жизни органические соединения, которые собирались в океане, достигнув в итоге «состояния горячего разбавленного бульона». Последующий химический синтез породил первичные организмы, питавшиеся окружающими их органическими веществами. Холдейн особо сосредоточил внимание на воспроизведении, полагая, что первичные организмы походили на простые вирусы, или вироиды. Круг интересов Холдейна был весьма широк, а его рационалистические взгляды — хорошо известны. В конце жизни кто-то спросил Холдейна, что он в своем длительном изучении природы подразумевал под ее творцом.
Холдейн задумался: возможно, около 350 тыс. видов жуков, составляющих более половины всех насекомых, а затем ответил: «Создатель, если он есть, питает необыкновенную слабость к жукам» [приводится в сообщении о прочитанном Холдейном 7 апреля 1951 года Докладе: Journal of 'the British Interplanetary Society. 1951. Vol. 10].
Так как Опарин и Ходдейн независимо друг от друга пришли к сходным выводам, их гипотезы часто представляют вместе в виде теории Опарина-Холдейна. При всем сходстве выводов Опарин прежде всего подчеркивает метаболизм, тогда как Ходдейн — воспроизведение. Это расхождение разбивает сторонников теории происхождения жизни на два лагеря.
После выдвижения гипотезы остается ждать появления доступного проверке предсказания и проведения соответствующих опытов. В 1952 году Стэнли Миллер (аспирант Нобелевского лауреата Гарольда Клейтона Ури в Чикагском университете) проделал новаторский опыт по проверке теории Опарина — Холдейна. Предполагаемые составляющие первичной атмосферы Земли — вода, водород, аммиак и метан — после обеспложивания вводились в соответствующий прибор, где подвергались электрическим разрядам, имитирующим молнии (рис. 3.1).
Через несколько дней после эксперимента Миллер обнаружил в воде простые органические молекулы (табл. 2), среди которых были аминокислоты, кирпичики живых организмов (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Из всего многообразия аминокислот в природе встречается лишь около 100 таких кислот, 20 из которых обнаружены в живых организмах. Четыре кислоты получены в миллеровском приборе. Большое количество этих простых, но примечательных органических молекул возникло всего за несколько дней.
Данные результаты подтвердили теорию Опарина-Холдейна. Конечно, полностью сформировавшиеся живые организмы получены не были. Хотя произведенные прибором Миллера молекулы представляли собой лишь простые составные части необходимых для обеспечения жизни молекул, само их образование в течение нескольких дней существенно укрепляло позиции данной теории.
Опытное подтверждение теории Опарина — Холдейна о происхождении жизни носило все же отрывочный характер, поскольку подробности биохимии жизни еще не были раскрыты.
Рис. 3.1. Прибор, использованный Миллером для воспроизведения условий, существовавших на первобытной Земле
[из кн.: Raven Р. Н., Johnson G. В. Biology. 6th edition. N.Y., 2002 [Кемп П., Арме К. Введение в биологию / Пер. с англ. Л. Александрова и др. / Под ред. Ю. Полянского. М.: Мир, 1988. С. 339]
В последующий год все круто изменилось: в Кембридже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик установили исходное строение молекулы, отвечающей за наследственность, дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. После того как молекулярные биологи приступили к упорядочиванию запутанных отношений между ДНК, РНК (рибонуклеиновой кислотой), белками и прочими молекулами, обеспечивающими деятельность живых организмов, стали известны дополнительные сведения о молекулярных взаимодействиях. Как говорится, бес прячется в подробностях.
Таблица 2. Молекулы, образованные в ходе опыта Миллера
Теория Опарина-Холдейна о происхождении жизни не содержала подробного списка химических реакций по зарождению жизни, поскольку на ту пору эти молекулы не были известны. Далее дается описание нынешнего понимания молекулярной основы жизнедеятельности организмов. Постараемся выяснить, что же могло послужить первой, простейшей формой жизни. Затем рассмотрим условия на Земле во время ее формирования и проследим, как химические реакции могли превратить простые молекулы в виде смеси в тот молекулярный механизм, что управляет ходом жизни. Потом мы рассмотрим некоторые иные трудности, делающие вопрос происхождения жизни одной из основных нерешенных проблем. Наконец, мы исследуем немногие пути, способные привести к ее разгадке.
Нынешняя жизнь: клеточные структуры
Ныне жизнь предстает крайне сложным явлением. Учитывая миллионы видов (где 350 тыс. приходится лишь на жуков) трудно рассчитывать на сохранение простейшей формы жизни, которую можно было бы исследовать. Ее нет. После 4 млрд. лет мутаций, воспроизведения, борьбы за пищу и изменений окружающей среды вряд ли стоит удивляться, что первой предполагаемой формы жизни давно не существует.
В сущности, что же такое жизнь? В 1947 году неугомонный британский генетик Дж. Б. С. Ходдейн сказал: «Я не собираюсь отвечать на этот вопрос». После борьбы с промежуточными формами вроде вирусов, вироидов и вирионов биология двинулась дальше в поисках четкого определения жизни.
Живые организмы порой описывались в соответствии с присущими им отправлениями (функциями):
Метаболизм: поглощение энергии, ее усвоение и вывод отходов.
Рост и восстановление: достижение нужных размеров и устранение неполадок.
Ответ на раздражители: выполнение действий в соответствии с внешними событиями.
Воспроизводство: создание себе подобного организма.
Современная биология избрала более простой путь: любое живое существо — клеточное. Отдельный организм может быть одноклеточным или состоять из множества взаимодействующих специализированных клеток, но в основе всех организмов лежит клетка. Далее, каждая клетка обладает мембранной оболочкой для обособления ее от остального мира. Внутри этой мембраны содержится полный набор команд по работе и воспроизведению клетки. Эти команды записаны в виде кода в дезоксирибонуклеиновой кислоте — ДНК.
Долгое время считалось, что существует лишь два вида клеток — эукариоты и прокариоты (рис. 3.2). Они разнятся размещением команд (эукариоты имеют ядро, а у прокариот оно отсутствует) и воспроизведением (эукариоты размножаются путем деления клеток, именуемого митозом; прокариоты — простым разрывом клеток). Недавно выяснилось, что существует еще одна разновидность клеток, названных археями. Анатомически археи сходны с прокариотами — у них нет ядра, но археи обладают, помимо таких же, как у эукариот, лишь им присущими генами.
Рис. 3.2. Прокариотная и эукариотная клетки
ДНК архей содержится в простой кольцевой молекуле, а не в нескольких скрученных молекулах, где хранится ДНК эукариот. Большинству архей присущ метаболизм без участия кислорода (анаэробные археи), а некоторые (именуемые экстремофилами) обитают в условиях, при которых не выжили бы иные организмы. Гипертермофилы, обитающие в воде с температурой выше точки кипения (100 °C), были обнаружены в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, а также близ глубоководных термальных отдушин, именуемых «черными курильщиками» (о них рассказ впереди). Другие живут в холодной, соленой или кислотной среде вроде пресноводных озер под антарктическим льдом, соленых озер и отработанной угольной породы. С конца 1970-х это крайне захватывающая область исследований.
Археи считаются самыми древними клетками, предшествующими и прокариотам, и эукариотам. Поэтому археи по своему виду находятся ближе к самой ранней форме жизни по сравнению с другими клетками. Отсутствие ядра и более простая ДНК делают архею возможным соискателем на близкое родство с первичным простым организмом.
Отправления клетки
Теперь рассмотрим отправления клетки на молекулярном уровне. Ее генетическая информация содержится в молекуле ДНК (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Структура молекулы ДНК
(по кн.: Raven Р. //., Johnson G. В. Biology)
ДНК представляет собой сравнительно попарно нуклеотидов. Звено между этими нуклеотидами соединяет пары азотистых оснований, которые связываются заданным образом: аденин (А) — лишь с тимином (Т), а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Это так называемые пары оснований Уотсона — Крика. Остальные нуклеотиды приходятся на долю сахаров (дезоксирибозы), связанных с фосфорной кислотой, образуя остов спирали (рис. 3.4). (На изображениях молекул при отсутствии на углах кольца наименований атомов подразумевается атом углерода.)
Рис. 3.4. Строение нуклеотидов
(из кн.: Raven Р. Н., Johnson G. В. Biology)
Молекула ДНК строит молекулы РНК (матричной — мРНК, транспортной — тРНК и рибосомной — рРНК), представляющих собой одинарные спиральные цепочки нуклеотидов. Нуклеотиды РНК имеют то же строение, что и ДНК, только место тимина (Т) занимает урацил (У) (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Молекулы ДНК и РНК
(из кн.: Raven P. Н., Johnson G. В. Biology)
Двухцепочечная ДНК слишком велика, чтобы пройти сквозь отверстия в мембране ядра у эукариот, тогда как одноцепочечная и более короткая матричная РНК свободно туда проходит.
Прокариоты не сталкиваются с подобной трудностью, так как их ДНК не заключена в ядре. ДНК реплицируется (удваивается) расщеплением связей посередине с последующим восстановлением комплиментарных половин самой молекулы посредством спаривания соответствующих азотистых оснований Уотсона-Крика. Расщепление и восстановление требуют участия ферментов (о которых речь впереди). РНК, переписанная с ДНК, затем строит белки, состоящие из длинной цепочки аминокислот (рис. 3.6):
ДНК —> РНК —> белки.
Рис. 3.6. Белковые молекулы и их строение
(из кн.: Raven Р. Н., Johnson G. В. Biology)
Белки обеспечивают отправления клетки, запуская определенные химические реакции внутри клетки: реакции, строящие требуемые части клетки, переваривающие пищу, запасающие энергию и обеспечивающие иные «работы по хозяйству» (впрочем, подробности функционирования системы «ДНК > РНК > белки» еще не полностью выяснены, особенно белков и их упаковки, составляя крупнейшую нерешенную проблему биологии; см. гл. 4).
Для уяснения работы белковых ферментов, ускоряющих течение лишь определенных химических реакций, рассмотрим, как человеческий организм получает энергию: в процессе окисления Сахаров и жиров. Такое же окисление происходит во внешнем мире. Доводилось ли вам видеть горение сахара-сырца или быть свидетелями воспламенения жира? Оба процесса требуют очень высокой температуры, а ведь внутри человеческого тела поддерживается температура всего 37 °C, при которой происходит окисление. Собираемые РНК белки позволяют химическим реакциям протекать при значительно меньшей температуре, хотя их самих реакция не затрагивает, так что они не расходуются. Обычно подобные молекулы именуют катализаторами.
В случае с биологическими молекулами катализаторами выступают ферменты (энзимы). Часто ферменты временно связывают сложные молекулы. Замедляя движение этих молекул, ферменты дают им возможность соединяться с другими сложными молекулами. Такое соединение схоже с действием ключа в замочной скважине. Каждый, возвращаясь поздно ночью домой, может удостовериться, что значительно проще попасть ключом в замочную скважину, если замок неподвижен. Катализатор тоже механически скрепляет или распускает связи между молекулами, затем их отпускает. Каталитический дожигатель выхлопных газов в автомобиле служит примером небиологического катализатора. Разделенные частицы платины, палладия или родия расщепляют окиси азота, высвобождая кислород и азот, соединяют угарный газ с кислородом для получения углекислого газа либо расщепляют не сгоревшие углеводороды до двуокиси углерода и воды. Катализаторы в некотором смысле схожи с организаторами боев боксеров, хотя сами в поединках не участвуют (вспомним знаменитого агента, организовавшего бои Мухаммеда Али с Джорджем Форманом и Джо Фрэзером, матчи Лео Спинкса, Майка Тайсона и Дона Кинга).
Как показывают приведенные изображения молекул, они довольно длинные и сложные, хотя собираются из более простых единиц.ДНК и РНК представляют собой сочетание нуклеотидов, каждый из которых состоит из фосфата, сахара (рибозы или дезоксирибозы [той же рибозы, но без одного атома кислорода, когда гидроксильная группа ОН при одном из атомов углерода заменена на атом водорода Н] и азотистых оснований. Белки — длинные цепочки из аминокислот. Каждая такая цепочка именуется полимером. Подобно тому как садовая ограда принимает различные очертания в зависимости от величины и вида камней, из которых она возводится, так и длинные молекулы всевозможного вида могут собираться из небольших, скрепляющихся между собой молекул. Единичные молекулы называются мономерами, а сборку больших молекул из маленьких именуют полимеризацией.
Одна из реакций полимеризации — конденсация, при которой два мономера связываются, вызывая «выпадение» молекулы воды, образуя так называемый димер (двухчастный). Три связанных мономера именуют тримером, четыре — тетрамером и т. д. Обычно при соединении двух мономеров образовавшуюся молекулу называют полимером (многочастной). Примером небиологической реакции полимеризации, сопровождающейся конденсацией, может служить схватывание бетона. Силикатные мономеры образуют полимеры, избыток воды испаряется, а смесь гравия с песком заключается внутрь полимерной массы. В итоге получается очень прочное соединение.
Итак, ДНК содержит чертежи всех белков, включая ферменты, а РНК собирает ферменты, часть которых ускоряет репликацию ДНК. Ферменты невозможно собрать без чертежей от ДНК, а ДНК не в состоянии самовоспроизводиться без ферментов. Звучит подозрительно, напоминая пресловутый вопрос: что было раньше — курица или яйцо?
Выход из этого затруднения предложил биохимик Лесли Оргел в 1960-е годы. РНК несла достаточное количество генетической информации, но если бы она еще могла выступать в роли ферментного катализатора, то была бы способна решать задачи и ДНК, и белков. В таком случае исходной молекулой были бы не ДНК или белки, а РНК. Кроме того, молекулы РНК легче синтезировать по сравнению с ДНК, и ДНК вполне могла бы развиться из РНК.
На протяжении 1970-х годов в роли ферментов учеными отмечались одни белки. Но в начале 1980-х молекулярные биологи Томас Чек и Сидни Олтмен независимо друг от друга обнаружили, что и РНК может выступать в качестве катализатора. Теперь известно около ста ферментативных РНК, именуемых рибозимами.
Это открытие пролило свет на вопрос о происхождении жизни. В статье 1986 года молекулярный биолог из Гарварда Уолтер Гилберт ввел в оборот понятие РНК-мир. Он писал:
«Первую стадию эволюции затем продолжают молекулы РНК своей каталитической деятельностью, необходимой для собственной сборки из нуклеотидного бульона. Молекулы РНК развиваются в способные к самоудвоению формы, используя рекомбинацию и мутацию для освоения новых ниш… Потом они обретают всю совокупность ферментативной деятельности. На следующей стадии молекулы РНК начинают синтезировать белки, сначала создавая адаптирующие молекулы РНК, способные связывать активированные аминокислоты, а затем выстраивая их согласно матрице РНК с использованием других молекул РНК вроде ядра РНК рибосомы. Этот процесс привел бы к созданию первых белков, которые оказываются лучшими ферментами, нежели их собратья из РНК… Эти белковые ферменты… складываются из минимальных составляющих структуры».
У гипотезы РНК-мира есть альтернативы, самая известная из них — выдвинутая биохимиком Сидни Фоксом о первичности белка и гипотеза «глиняного мира» химика А. Г. Кэрнса-Смита.
Эти теории привлекли меньше внимания исследователей, и их обсуждение отложим до той поры, пока не изучим лучше мир РНК.
Предсолнце
Начнем свое путешествие к истокам жизни, отправившись в то время, когда стали образовываться основные кирпичики жизни — атомы. Итак, чтобы увидеть, каким образом Земля получила атомы, особенно атомы углерода, обратим время вспять.
Очень давно, где-то в нашей галактике Млечный Путь была некая звезда, назовем ее Предсолнцем. Предсолнце образовалось при уплотнении под действием тяготения большого водородно-гелиевого облака межзвездного пространства. Подобно большинству звезд, Предсолнце состояло из сердцевины [ядра], где тяготение сближало протоны до такой степени, что происходил ядерный синтез, и газовой атмосферы, которая нагревалась под действием испускаемой сердцевиной энергии. На первой ступени жизни Предсолнца в его сердцевине происходило слияние водородных ядер (протонов) с образованием ядер гелия (именуемых альфа-частицами). Атмосфера ярко светилась под действием выделяемой из недр Предсолнца энергии.
Со временем водород в сердцевине частично выгорел. Отсутствие топлива привело к сжатию сердцевины и повышению ее температуры, что вызвало расширение атмосферы и ее красное свечение. Между тем сжавшаяся сердцевина нагрелась до такой степени, что началось слияние трех ядер гелия с образованием ядра углерода, и эта переработка гелия в углерод получила название тройного альфа-процесса, или тройной гелиевой реакции. Ввиду большой массы Предсолнце обладает большой силой тяготения, так что гелий быстро выгорает. Сердцевина опять сжимается, температура ее повышается, и в итоге новые реакции синтеза порождают элементы тяжелее углерода. Слияние ядер происходит послойно, так что сердцевина крупной звезды напоминает луковицу, где каждому слою соответствует своя реакция синтеза. Атмосфера расширяется и сжимается слегка, не поспевая, однако, за изменениями в сердцевине. Сердцевина старается предотвратить вызванное тяготением сокращение, и таким образом синтезируются все более тяжелые ядра. Когда начинается образование ядер железа, синтез подходит к концу. Образование ядер железа оказывается не столь энергетически выгодным, и синтез более тяжелых ядер идет на спад. Неотвратимо приближающийся коллапс сердцевины Предсолнца представляет собой удивительное зрелище. Предсолнце взрывается, выбрасывая некоторую часть своей сердцевины и всю атмосферу в межзвездное пространство (о том, что происходит с оставшейся сердцевиной, см. в гл. 6).
Вещество, состоящее из 70 % водорода, 28 % гелия и 2 % более тяжелых элементов, разлетается с огромной скоростью. Замедляя свое движение под действием сил тяготения, исторгнутое Предсолнцем вещество наполняет межзвездное пространство более тяжелыми ядрами.
История жизни Предсолнца позволяет объяснить происхождение тяжелых ядер в нашей Солнечной системе и на Земле, но остается прояснить еще один вопрос. Крупные звезды по астрономическим меркам имеют непродолжительный срок жизни — от миллионов до сотен миллионов лет. Так что до образования нашей Солнечной системы могли существовать тысячи Предсолнц. Получается, что в газово-пылевом облаке, уплотнившемся под действием притяжения и давшем нам начало, возможно, присутствовали ядра, образованные предшествующими звездами.
Наше Солнце
Начало жизненного цикла нашего Солнца такое же, как и у Предсолнца, за исключением того, что Солнце не столь массивно. Малые звезды живут дольше, поскольку их меньшая масса препятствует столь быстрому процессу слияния ядер. Поэтому нашему Солнцу отпущен больший срок и уготована не столь ужасная кончина. Но нас прежде всего интересует Земля. Образование Земли протекало сходным со звездами образом, но на Земле вследствие значительно меньшей массы у слипшихся частиц слияния ядер не происходило. Слипшиеся частицы сталкивались и скучивались, так что более плотное вещество оседало в сердцевине (ядре), а менее плотное поднималось на поверхность планеты.
Частицы газа и пыли сталкивались друг с другом, объединялись в ходе так называемого сращения и в итоге образовали горячую первобытную землю. Сросшиеся массы, именуемые планетезималями, продолжали падать на поверхность молодой Земли. Возможно, одна крупная планетезималь по касательной столкнулась с Землей, выбив из нее вещество, давшее начало Луне, а также заставив ее вращаться. Наконец, новоиспеченное Солнце «вымело» большую часть осколков за пределы Солнечной системы. Пространство, занимаемое внутренними планетами, оказалось на редкость чистым, за исключением случайных столкновений с грязными осколками льда, появляющимися при сближении с тяжелыми внешними планетами. Эти осколки льда мы сегодня называем кометами. Их хвост состоит большей частью из паров воды и углекислого газа, поскольку под действием солнечных лучей лед напрямую переходит в газообразное состояние.
Появление РНК
Поверхность вновь образовавшейся планеты Земля была каменистой и горячей. На нее продолжали обрушиваться планетезимали и хвосты комет, оставляя смешанные с углеродом пары воды и углекислый газ. По мере охлаждения Земли происходила конденсация воды, вместе с водой от кометных хвостов образовавшей океаны. Газовая атмосфера, похоже, состояла из газов, выделяемых при извержении вулканов: водяных паров (Н2О), углекислого газа (СО2), аммиака (NH3), метана (СН4) и небольшого количества оставшегося водорода (Н2), не утраченного Землей ввиду присущей ей слабой силы тяготения. Свободного кислорода (О2), по сути, не было, так как даже имевшиеся крохи вследствие химических реакций оказались в связанном состоянии.
При таком развитии событий на Земле могли начаться химические реакции. Чтобы заложить основы жизни, эти реакции должны были проходить беспрепятственно в тогдашних условиях, с достаточной силой и устойчивостью. Начиная с простых молекул и доходя до РНК, мы изучим каждую реакцию, наблюдая, где и как они могли произойти и какое положительное или отрицательное воздействие оказывала на них окружающая среда. Что касается времени, все реакции должны были начаться в конце периода падения потоков планетезималей, а завершиться до того, как были образованы древнейшие окаменелости. Мы получаем промежуток в 100–500 млн лет, или около 1016 с.
На рис. 3.7 приведены химические реакции, которые должны были породить РНК.
Рис. 3.7. Химические реакции, ведущие к образованию РНК
1. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют аминокислоты — предшественниц азотистых оснований. Опыт 1953 года Стэнли Миллера благодаря случайным реакциям дал множество органических молекул, некоторые Из них представляли аминокислоты — предшественницы азотистых оснований. Проводились сходные опыты с использованием различных веществ и ультрафиолетового излучения вместо электрических разрядов.
Но результаты выходили одинаковые: в различных количествах получались все 20 аминокислот, присутствующих в живых организмах (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Такой процесс мог начаться в атмосфере, а затем перейти в толщу океана. Или же он начался глубоко под водой в океане близ гидротермальных отдушин («черных курильщиков»), где высокая температура давала энергию и ускоряла химические реакции. Но поскольку жизни еще не было, молекулы могли собираться в толще океана без поглощения их организмами-санитарами, как происходило бы сегодня.
2. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют рибозу. Хотя реакция возникла, полная цепочка реакций, приводящая к образованию рибозы в качестве основного продукта, еще не наблюдалась. В реакциях, где рибоза являлась побочным продуктом, выход большей частью был слишком мал, чтобы иметь устойчивые реакции для получения достаточного для начала жизни количества молекул. Возможно, ученые не выявили требуемых реакций для образования нужной рибозы, или же тогда присутствовали уникальные неорганические либо органические катализаторы. Вместо того чтобы следовать подходу Миллера и продолжать «варить» простые молекулы все дольше и дольше, ученые перескочили через этот этап и приступили к соединению промежуточных молекул, чтобы увидеть, как мог протекать дальнейший процесс.
3. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют фосфорную кислоту. Это простая неорганическая реакция, совершаемая атомами фосфора, которые получаются при выветривании скальных пород.
4. Азотистые основания и рибоза при химическом взаимодействии образуют нуклеозиды. Ученые достигли некоторых успехов в проведении данных реакций, но сам синтез оказался неэффективным без использования ферментов, чтобы катализировать данный процесс.
5. Нуклеозиды и фосфаты при химическом взаимодействии образуют нуклеотиды. Одни нуклеотиды получаются достаточно легко, другие — крайне трудно. Камнем преткновения к тому же служит образование большого количества нуклеотидов. Одни наличествуют в организмах, другие отсутствуют и, что может помешать репликации РНК, поскольку они не будут соединяться с встречающимися в природе нуклеотидами. Опять же тогда могли присутствовать неорганические или органические катализаторы, содействующие протеканию такой реакции. Катализаторы могли возникнуть на Земле или быть занесены хвостами комет либо метеоритами. Природа самих катализаторов пока неизвестна (более подробно см. далее). Не исключается протекание в ту пору неферментативных реакций, но ученые их еще не выявили.
6. Нуклеотидные мономеры, полимеризуясь, образуют нуклеотидные полимеры-РНК. Полимеризация может оказаться затруднительной в изобилующей водой среде. Бульон мог оказаться слишком разбавленным; вероятно, он должен быть более густым — наподобие каши или даже теста для пиццы. Полимеризация посредством конденсации могла происходить в мелком пруду, на песчаном берегу или на глинистом взморье. Длинные органические молекулы могли не вынести сильного ультрафиолетового излучения, что предполагает наличие некоторого укрытия, чтобы состоялась полимеризация. Вполне вероятно, что молекулы паров воды в верхних слоях атмосферы разлагались под действием солнечных лучей в ходе так называемой фотодиссоциации, порождая водород и кислород. Водород, преодолев силу притяжения, покидал Землю, а кислород превращался в первый озоновый (О3) слой Земли, укрыв ее поверхность от ультрафиолетовых лучей. Находясь слишком высоко в атмосфере, кислород не мог мешать течению ведущих к зарождению жизни химических реакций на земной поверхности, а задержка ультрафиолетовых лучей обезопасила органические молекулы от распада (продолжалось становление атмосферы, процессы внутри которой породили проблему погоды, которая обсуждается в гл. 5).
Другое возможное развитие событий связано с самовоспроизводящейся молекулой, которая предшествовала РНК. Предполагаемая молекула-предтеча синтезировалась легче РНК, имея при этом сходное с ней строение. На ее роль претендуют два «соискателя».
1. ТНК (треозонуклеиновая кислота), состоящая из содержащих четыре атома углерода [с двумя центральными гидроксильными группами с трансизомерией[5]) моносахаридов (треоза), а не пять (рибоза), которые образуют остов РНК. Синтез ТНК [не встречается в природе] в добиологическом мире происходил бы легче по сравнению с РНК, поскольку ТНК требует идентичных остатков с двумя атомами углерода, а не с двумя и тремя, как у [содержащей пять атомов углерода] рибозы. Полимеры ТНК образуют двойную спираль подобно ДНК и совместимы с ДНК и РНК (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Моносахариды с углеродной цепью из четырех (треоза) и из пяти (рибоза) атомов
2. ПНК (пептиднуклеиновая кислота), остов которой образован не сахарами, а полимерами аминокислоты Г^(2-аминоэтил) — глицин. Эта молекула образует двойную спираль, ее составляющие легко синтезируются устойчивыми реакциями простых молекул, и она легко полимеризуется.
Был ли у РНК самовоспроизводящийся предшественник, неясно. Ну а мы тем временем продолжим.
РНК-мир
С появлением РНК механизм образования первой клетки проясняется. РНК-миру для его становления остается пройти пять этапов.
1. Этап репликации (самовоспроизведения).
A. Нить РНК создает свою комплиментарную нить (Ц-Г, A-У) притягиванием друг к другу спариваемых оснований аминокислот. Возможно образование любых сочетаний, однако неустойчивые сочетания не смогут удержаться вместе, как это происходит с парами оснований Уотсона — Крика (АУ, ГЦ), которые и берут верх.
Б. Комплиментарная нить РНК отделяется от исходной нити.
B. Комплиментарная нить создает свою собственную комплиментарную нить, совпадающую с исходной РНК.
Г. Молекулярные комплиментарные нити разделяются, образуя копию исходной молекулы РНК и комплиментарную молекулу РНК, которые в свою очередь могут теперь строить очередные копии по тому же образцу.
Воспроизведение всех этих этапов в лабораторных условиях пока не увенчалось успехом. Возможно, протеканию этих реакций способствовали катализаторы. Здесь могли участвовать неорганические катализаторы в виде заряженных [кристаллов] глины, притягивая молекулы и удерживая их в нужном для реакции положении. Другой вариант связан с возможностью проведения необходимых репликаций обладающими ферментной активностью молекулами РНК — рибозимами. Здесь могли присутствовать и органические катализаторы, которые пока не выявлены. Другая трудность связана с право- и левовращающимися спиральными молекулами РНК и ДНК, о чем речь пойдет в следующей главке. Возможность дарвиновской эволюции на молекулярном уровне наличествует на всех этапах развития РНК-го мира. Изменение происходит при репликации, как следствие случайной природы самого процесса. Полученные молекулы начинают бороться за аминокислоты, и преуспевшие в этом завладеют большинством аминокислот, став преобладающими. Заметим, сколь схоже такое развитие событий с ходом классической дарвиновской эволюции с ее изменением, конкуренцией, подкреплением и распространением на уровне организмов.
2. Направляемый РНК белковый синтез. РНК, синтезирующие белковые молекулы, должны пользоваться даруемыми дарвиновской теорией выгодами, вероятно, через некую косвенную обратную связь, пока еще не выявленную.
3. Разделение на клеточные скопления. Должно начаться образование мембран из сложных белков или жирных липидных молекул, ведущее к отделению множеств РНК друг от друга. Это вызовет усиление конкуренции между ними и белковыми молекулами, прежде чем они подойдут к этапу становления клетки. Эти клеточные скопления именуют протоклетками.
4. Сцепление белков и РНК. Предположив разделение этих первых РНК на гены, каждый из которых синтезирует один белок, получим, что они должны состоять из 70–90 нуклеотидов. Для сравнения: ген современного человека включает несколько тысяч нуклеотидов. Первичный белок (в действительности остаток аминокислоты, именуемый пептидом), вероятно, состоял из 20–30 нуклеотидов. Согласно теоретическим выкладкам минимальное число генов должно равняться 256, и тогда первая клеточная РНК состояла примерно из 20 тыс. нуклеотидов.
5. Сохранение информации в ДНК и образование белковых ферментов-катализаторов. РНК вполне способна хранить генетическую информацию, но двойная спираль ДНК лучше приспособлена к более надежному ее хранению по сравнению с одной спиралью РНК. Развивая мысль о сборке рибонуклеиновой кислотой множества молекул в качестве хранителей информации и ферментов, получаем, что с эволюционной точки зрения обеспечивающая более надежное хранение генетической информации ДНК сменит в этой роли РНК. Далее, белковые ферменты оказываются более действенными как катализаторы по сравнению с РНК и поэтому белки приходят на их место. Таким образом, молекулы РНК ограничиваются транскрипцией [мРНК], транспортировкой [тРНК] и катализом [рРНК], так как остальные их обязанности взяли на себя молекулы, справляющиеся с ними гораздо лучше. Дарвин был бы доволен. Как только протоклетке удается обрести способность к метаболизму и воспроизведению, она становится полноценной клеткой. Начало жизни положено.
Альтернативы РНК-миру
Есть иные варианты с участием РНК, включая «первичность белков» и «глиняный мир».
Первичность белков. Сидни Фокс в 1977 году показал, что отдельные смеси аминокислот при нагревании без воды полимеризуются, образуя протеиноиды (короткие полипептидные цепи с некоторыми каталитическими свойствами). Если затем опустить протеиноиды в воду, они образуют мембрану и начинают походить на клетки. Такие клеткообразные структуры Фокс назвал микросферами. Внутри микросфер белки предположительно катализировали образование РНК и ДНК.
Глиняный мир. Согласно этой гипотезе радиоактивность обеспечивала аминокислоты энергией для полимеризации на глиняной подложке, содержащей железо и цинк, которые служили неорганическими катализаторами для образования и белков и РНК. Такой подход в 1982 году предложил Кэрнс-Смит.
Научное сообщество пока не балует эти гипотезы вниманием, но все может измениться, если обнаружится какое-нибудь веское доказательство в пользу одной из них.
Сложности
Оказывается, происхождение жизни — весьма сложный процесс. Многие вопросы пока остаются без ответа. Это касается состава и соотношения исходного сырья, роли температуры, количества наличествующей воды, отсутствия или присутствия катализаторов, органической или неорганической их природы, их источника, течения химических реакций и т.
Непреодолимая трудность состоит в невозможности обратить время вспять, чтобы проверить те или иные детали.
Возможно, от отчаяния некоторые идут напролом в поисках более простых ответов, рассматривая, например, процесс статистически и оценивая общую вероятность событий. Предлагались многие такие оценки, о них весьма ярко выразился астроном Фред Хойл, сказав, что вероятность зарождения жизни из простых молекул сродни «сборке "Боинга-747" ураганом, пронесшимся над мусорной свалкой». Сборка сложного технического изделия из простого сырья больше смахивает на «лягушек из чушек», чем на описанный выше многоступенчатый процесс. Кроме того, сам процесс далеко не случаен. Катализаторы ускоряют реакции, а дарвиновская система изменения, конкуренции, подкрепления и распространения «удачливых» молекул делает химические процессы значительно более действенными, нежели случайный ход событий. Скорее нужна многократная подгонка частей и сохранение того, что станет походить на «Боинг-747». Посредством такого рода обратной связи можно в итоге собрать самолет.
Другая трудность — наличие право- и левовращающих молекул. Способность углерода образовывать четыре связи позволяет ему создавать трехмерные тетраэдрические структуры. Так, один атом углерода, даже связанный с одинаковыми атомами, может образовывать две совершенно разные молекулы, именуемые стереоизомерами (рис. 3.9). Эти молекулы являются зеркальными отображениями друг друга, однако из-за своего трехмерного строения они не взаимозаменяемы. Это известно любому, кто пытался надеть левую перчатку на правую руку.
Рис. 3.9. Хиральные стереоизомеры
Подобная «закрученность» молекул именуется хиральностью. Поскольку молекулы из-за их малости невозможно увидеть, для определения хиральности сквозь раствор с молекулами пропускают поляризованный свет, отмечая вращение плоскости поляризации света. Молекулы, вращающие свет влево, обозначают буквой L, вправо — буквой D. Для более сложных молекул используется и более сложная система обозначений. Смесь L- и D-форм одного и того же стереоизомера называется рацемической. То, что стереоизомеры существуют в виде рацемических соединений (рацематов), представляло бы сугубо научный интерес, если бы не крайняя чувствительность биологических систем к хиральности. Например, L-форма молекулы кетона, именуемая карвоном, пахнет тмином, тогда как D-форма той же молекулы — мятой.
Еще важнее, что молекулы в живых системах сохраняют свою хиральность. Белки содержат лишь D-, а не L-caxapa. Данное обстоятельство, возможно, указывает на то, что все добиологические химические процессы имеют один источник. Недавние опыты, однако, показывают, что пептиды одинаковой закрученности (гомохиральные) реплицируются охотней, нежели рацематы (гетерохиральные) и даже подавляют находящуюся в меньшинстве у таких соединений хиральность. Возможно, из-за этого преобладают L-аминокислоты и D-caxapa, которым удалось подавить своих собратьев в ходе последующих репликаций.
Другая сложность: возвращение панспермии. В 1960-е годы американский астроном Карл Саган переосмыслил представления Аррениуса, установив те условия, при которых маленькие частицы вроде спор могли преодолевать космическое пространство. Оказывается, что не Земля, а спутники внешних планет (например, обладающий атмосферой Тритон у Нептуна или имеющая скрытую в недрах воду Европа у Юпитера) — наилучшее место в Солнечной системе для выживания подобных спор. Это не приближает к разгадке тайны происхождения жизни на Земле, но побуждает исследовать космос.
Следующее предложение внес в те же 1960-е годы британо-американский астроном Томас Голд. Если некая развитая цивилизация исследовала нашу планету в далеком прошлом и оставила следы своего пребывания, там могла быть жизнь, что повлияло на развитие жизни на Земле. Эта теория пикника чужеземцев не имеет никакой предсказательной силы, но она повлияла на представления о наших путешествиях к другим планетам.
Британские астрономы сэр Фред Хойл и Н. Чандра Викрамасингх приступили к изучению спектра космической пыли в 1978 году. Они пришли к убеждению, что полученные ими крайне сложные спектры совпадают со спектрами высушенных бактерий. По их мнению, бактерии живут на частицах пыли в огромных газово пылевых облаках среди космического пространства. При сжатии подобного облака, приводящем к созданию Солнечной системы, крупицы пыли становятся ядрами комет и выпадают вместе с бактериями на образовывающиеся планеты. Местонахождение и развитие первых бактерий не проясняется, однако эта теория отводит больше времени для появления первой клетки, чем отпускаемые на добиологические химические процессы гипотезой Опарина-Холдейна несколько сотен миллионов лет.
Другие ученые нашли подтверждение некоторым сторонам теории Хойла-Викрамасингха. Свыше 130 различных молекул удалось выявить по линиям поглощения в спектре звезд при прохождении их лучей сквозь пылевые облака. В пылевых облаках присутствовали молекулы сахара, винилового спирта и других биологически значимых веществ. Механизм образования таких сложных молекул в облаках крайне малой плотности совершенно не ясен. Если крупица пыли внутри облака выступает в качестве катализатора, удерживая более простые молекулы, пока они не образуют более длинных молекул, то каким образом последние избегают их хватки? Столкновения с другими частицами, достаточные для распускания больших молекул, смогли бы разорвать и связь катализатора с молекулой. Над этой загадкой придется поломать голову.
Метеориты тоже содержат значительное количество органических молекул. Например, в них было найдено свыше 7 0 различных аминокислот, восемь из которых относятся к 20 аминокислотам, входящим в состав белков. Найденный в Мерчисоне (Австралия) в 1969 году метеорит содержал много сложных органических молекул. Его аминокислоты относились преимущественно к L-типу, присутствующему в биологических системах Земли.
Ширится изучение комет и межпланетной пыли. В 1999 году НАСА запустила космический корабль Stardust, который возьмет пробы содержимого хвоста кометы Wild-2 и межпланетной пыли и доставит их на Землю в 2006 году. Любопытны предварительные результаты, согласно которым Stardust уже наблюдал частицы с молекулярной массой 2000 единиц. И хотя с определением их состава придется ждать до 2006 года, несомненна их углеродная основа и то, что они в 10 раз крупнее известных молекул.
Мог ли некий внеземной фермент катализировать отдельные ключевые реакции в добиологическом бульоне? Подождем, что за космическую пыль преподнесет нам Stardust.
Решение головоломки: как, кто и почему?
Как. Рассмотрим с позиции научного метода две основные, допускающие проверку гипотезы о происхождении жизни на Земле.
Гипотеза 1. Панспермия Хойла-Викрамасингха
Предсказание: если бактерии обитают на ядрах комет, то жизнь или по меньшей мере сложные органические молекулы могут существовать и в других местах.
Опыт: экспедиции на Марс и спутники внешних планет или, возможно, космический корабль Stardust прояснят положение дел. Если не отыщется следов жизни, гипотезу придется дополнить или отвергнуть. В противном случае… Если калифорнийский проект по поиску внеземного разума получит сигнал от разумных форм жизни, то вопрос происхождения этих форм жизни приобретет большое значение (см.: Список идей, 4. Внеземная жизнь).
Гипотеза 2. Молекулярное самопроизвольное зарождение жизни, по Опарину-Холдейну.
Как видно из нашего обсуждения, данная гипотеза страдает незавершенностью. Требуется уточнить многие частные вопросы.
Предсказание: при уточнении частных вопросов необходимо определиться с рядом устойчивых реакций, которые можно было бы воспроизвести в лабораторных условиях.
Опыт: ученые ждут предсказаний от теории, чтобы проверить их опытным путем.
Кто. Кто, в частности, мог бы помочь в завершении гипотезы и проведении трудных лабораторных опытов? Вот неполный список соискателей: Сидни Олтмен, Дэвид Бар-тел, Рональд Брикер, Андре Брок, А. Грэм Кэрнс-Смит, Томас Чек, Кристиан де Дюв, Манфред Эйген, Эндрю Эллингтон, Альберт Эшенмозер, Джеймс Феррис, Айрис Фрай из Израиля, Уолтер Гилберт, Норман Гарольд Горовиц, Уэнди Джонсон, Стюарт Кауффман, Ноам Лахав из Израиля, Барри Эдуард Хауорт Маден из Великобритании, Петер Эйгил Нильсен из Дании, Харри Ноллер, Лесли Оргел, Норман Пейс, Курош Салехи-Аштиани, Эёрш Сатмари из Венгрии, Питер Унрау, Чарльз Уилсон и Арт Цауг. Или же это будет кто-то из малоизвестного учреждения вроде Швейцарского патентного бюро, обладающий острым зрением, чтобы охватить взором не только общую картину, но и необходимые для ее понимания подробности.
Почему. Почему ученые берутся за такие большие и запретные темы, как происхождение жизни? Многими движет любопытство, но в этом деле есть и одно притягательное для всех обстоятельство. Фонд Origin-of-Life Foundation выплатит вознаграждение тому, кто предложит «наиболее приемлемый механизм самопроизвольного возникновения в природе генетических команд, достаточных для зарождения жизни». Награда — 1,35 млн. долларов — лакомый кусочек. За подробностями обращайтесь на узел Всемирной Паутины www.us.net/life.
В 1862 году Луи Пастер принял вызов вопреки советам друзей. Он решил головоломку и за свои труды удостоился премии Французской академии наук. Чего нам недостает, так это Пастера XXI века.
Глава 4
Биология
Каково строение и предназначение протеома?
Что такое жизнь? Вспышка светляка в ночи. Дыхание бизона в зимнюю пору. Короткая тень, пробежавшая по траве И потерявшаяся среди заката.
Предсмертные слова Вороньей Лапы, вождя племени сиксика [6]
Но каким бы ни был переход Земли от безжизненной к обитаемой планете, он проложил путь к становлению планеты, полной разнообразных форм жизни. Биология занимается изучением этих самых форм жизни и процессов, обеспечивающих их жизнедеятельность. До недавнего времени крупнейшей нерешенной задачей биологии оставалось прочтение молекулярного чертежа, генома, отдельных форм жизни.
Теперь, после расшифровки генома человека и иных форм жизни, задача такова: выяснить, как белковые молекулы, собранные в соответствии с содержащимися в геномах указаниями, участвуют в устроении и жизнедеятельности организмов? Как эти белковые молекулы обеспечивают невероятно сложное молекулярное взаимодействие, именуемое жизнью?
Е. coli
Быстро ешь, быстро расти, быстро размножайся, быстро реагируй… Для клеток спешка — образ жизни.
Каким-то образом молекулы осуществляют все эти жизненно важные отправления клетки. Согласно основам молекулярной биологии сообщение от ДНК переписывается (транскрибируется) в виде РНК, которая затем передает (транслирует) сообщение белкам, длинным цепочкам полимеров с различными боковыми группами, протянувшимися вереницей вдоль повторяющегося остова. Эти белки в свою очередь обеспечивают налаженную работу клетки.
Операционная система жизни превосходит любую версию Windows. Крошечная молекулярная установка жизни решает свои задачи надежно в различных условиях работы и с малыми сбоями. Хотя биология достигла многого в понимании функционирования форм жизни, детали операционной системы жизни столь сложны, что составляют крупнейшую нерешенную проблему биологии.
Чтобы получить представление о природе данной проблемы, рассмотрим некоторые сложности в действиях молекул при отправлении сравнительно простым организмом одной жизненно важной надобности — метаболического разложения молекулы сахара. Данный процесс впервые изучили в 1960-е годы французские ученые Жак Моно, Франсуа Жакоб и Андре Львов. Начнем изыскания с крошечной бактерии, обитающей (обычно вполне мирно) в толстой (ободочной) кишке многих животных и человека. Ее имя Escherichia coli (кишечная палочка) — Е. coli. Это один из излюбленных объектов исследования у биологов, и поэтому он хорошо изучен.
Одна разновидность К-12 вполне безобидна и часто используется в лабораторной работе. Ее полная ДНК (геном) описана и содержит 4 639 221 пару оснований. Из ДНК палочки К-12 транскрибируются 89 РНК, которые в свою очередь строят 4288 различных белков. Обходясь простым (единичным) сахаром, глюкозой и несколькими неорганическими ионами, молекулярный механизм этого выносливого организма способен синтезировать любую органическую молекулу, необходимую для метаболизма, роста, восприятия и воспроизводства. Благодаря своей приспособляемости это крошечное существо выращивается в богатой глюкозой среде в биологических лабораториях по всему миру.
Опероны Е.coli
Молекулярная подвижность Е.coli зависит от оперонов — генетических единиц, расположенных на молекуле ДНК, хромосоме, и состоящих из кластера генов с соответствующими функциями. Один из оперонов называется lac-опероном ввиду ключевой роли в метаболизме молочного сахара (лактозы). Lac-оперон содержит три гена, отвечающих за выработку трех белков, импортирующих лактозу в клетку и расщепляющих ее на глюкозу и другой сахар, галактозу.
Рассмотрим, как lac-оперон участвует в метаболическом процессе при добавлении лактозы в обычно богатую глюкозой питательную среду. Лактоза, молочный сахар, сложнее глюкозы и состоит из глюкозы с галактозой, образующих одну молекулу, дисахарид (рис. 4.1). После добавления лактозы к среде с присутствием Е.coli происходит то, что описывалось выше. Е.coli переваривает глюкозу, оставляя в неприкосновенности лактозу. Но при нехватке глюкозы в ход идет и она.
Рис. 4.1. Молекулы глюкозы и лактозы
Крайне любопытно поведение при этом Е.coli. На время все замирает. Е.coli не влияет на лактозу, другие метаболические реакции идут на убыль, и клетка перестает делиться. Настают трудные времена для Е.coli. Но вскоре начинает действовать лактоза, затем Е.coli. Изучение химических процессов клетки выявляет три новых белка, которых не было, пока хватало глюкозы. Эти белки состоят из [галакзид-]пермеазы, препровождающей молекулы лактозы через мембрану клетки, где они перевариваются; бета-галактозидазы, расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу; и [тиога-лактизид-]трансацетилазы, чья роль еще полностью не выяснена.
Оперон ДНК-РНК-белки
Представляется, что присутствие лактозы в клетке служит пусковым механизмом, приводящим в действие транскрипцию РНК, которая производит эти три белковых фермента. На самом же деле все обстоит значительно сложнее. Сигнал к производству различных белковых ферментов задается одновременно наличием лактозы и отсутствием глюкозы. Рассмотрим этот процесс на молекулярном уровне, чтобы выяснить его механизм.
ДНК порой представляют в виде обособленной молекулы, надежно защищенной благодаря своему крепкому сложению, хранящей жизненно важную для клетки информацию. Но это далеко не так. В действительности ДНК постоянно прощупывают, крутят, тормошат, раскрывают различные белковые ферменты. Такая деятельность заставляет эту информационную магистраль изрядно выкладываться.
Все эти действия обусловлены обликом ДНК и распределением электрического заряда. Двойная спираль имеет бороздки, маленькую и большую, а все нуклеотидные основания обладают только им присущим распределением электрического заряда (см.: Список идей, 6. Сборка модели ДНК, где рассказывается, как собирать часть ДНК из набора конструктора). Некоторые белки имеют размер и очертание, приходящиеся «впору» этим бороздкам. Благодаря распределению электрического заряда у белков и ДНК они могут плотно прилегать друг к другу. Однако притяжение не столь сильно, как ковалентные связи внутри каждой молекулы. Такое вкладывание одной молекулы в другую называют связыванием.
В зависимости от формы и распределения заряда белки присоединяются в соответствующих местах вдоль ДНК. Ввиду теплового движения молекул белки постоянно связываются и отделяются.
Соответствие сложных молекулярных очертаний часто представляется аналогичным ключу и замку. Лишь немногие очертания в достаточной степени соответствуют друг другу для соединения молекул. Белки тоже могут связываться с другими белками, образуя новую единицу под названием комплекс. Обычно комплекс приобретает иные по сравнению с исходной молекулой очертание и распределение заряда. Такую перемену, играющую главную роль в сборке белка, поскольку меняются «ключи» и «замки», именуют конформационным изменением.
РНК собирается с помощью белкового фермента (полимеразы), который прикрепляется к связывающей стороне ДНК, распускает двойную спираль посередине подобно «змейке» и переписывает (транскрибирует) порядок парных оснований ДНК на молекулу РНК. Затем РНК покидает ДНК и переносит (транслирует) порядок парных нуклеотидных оснований, собирая белок на молекулярном устройстве под названием рибосома. Каждая группа из трех нуклеотидных оснований, именуемая кодоном (см.: Список идей, 7. Кодоны), определяет, какую аминокислоту добавить к белку. Полимераза РНК связывается с ДНК лишь в тех местах, где приходится впору. Это прилаживание определяется не только очертанием молекулы полимеразы, но и наличием места связывания у ДНК, которое в свою очередь зависит от изгибов ДНК.
Для получения полной картины метаболического процесса на основе лактозы недостает трех молекул. Прежде всего это белок-активатор катаболизма (ЕАК-белок). В обычном состоянии строение ЕАК-белка не позволяет ему соединяться с ДНК. ЕАК-белок содержит место для связывания с другой молекулой, циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Молекула цАМФ вырабатывается в среде, где отсутствует глюкоза. Если цАМФ связан с ЕАК-белком, ЕАК-белок претерпевает конформационное изменение, позволяющее ему присоединяться к ДНК. В свою очередь, связывание комплекса ЕАК-белок/цАМФ с ДНК Е. coli заставляет ДНК сгибаться, как показано на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Связь цАМФ с ЕАК-белком, а ЕАК-белка — с ДНК
(из кн.: Raven P. Н., Johnson G. В. Biology)
На заключительном этапе требуется наличие другого белка, действующего в качестве репрессора. В данном случае он называется lac-репрессором. Эта молекула обычно входит в бороздку ДНК в том месте, где нужно помешать закрепиться полимеразе РНК, переписывающей информацию ДНК на белки, которые усваивают лактозу.
Если лактоза не соединена с lac-репрессором, репрессор точно входит в бороздку ДНК в нужном месте, препятствуя выполнению полимеразой РНК возложенной на нее задачи перезаписи (транскрипции). Если лактоза соединена с lac-репрессором, это вызовет в репрессоре конформационные изменения, так что он уже не будет подходить бороздке ДНК Е.coli и не будет мешать полимеразе ДНК выполнять транскрипцию. Рассмотрим, как эти молекулы сотрудничают, определяя наблюдаемую линию поведения Е.coli.
В исходных условиях имеется глюкоза и отсутствует лактоза. При наличии глюкозы цАМФ не вырабатывается, а значит, не образовывается комплекс ЕАК-белок/цАМФ, не сгибается ДНК и полимераза РНК не переписывает белки для усвоения лактозы. Помимо этого, репрессор находится на ДНК, препятствуя соединению полимеразы РНК с ДНК в этом месте. Получается двойная блокировка перезаписи (рис. 4.3а).
Рис. 4.3. Lac-репрессор
(из кн.: Raven P. Н., Johnson G. В. Biology)
В смешанной среде с глюкозой и лактозой присутствие глюкозы препятствует образованию комплекса ЕАК-белок/ цАМФ, так что ДНК не изгибалась, а полимераза РНК не занималась перезаписью. Даже если присутствие лактозы вынудит репрессор покинуть бороздку ДНК, полного связывания полимеразы РНК не произойдет. Она покидает ДНК, так и не прикрепившись ни к одному из участков lас-оперона.
В отсутствие глюкозы и лактозы появляется комплекс БАК-белок/цАМФ, изгибается ДНК в ожидании РНК, но при этом наличествует и репрессор. С точки зрения Е. coli отсутствие пищи означает предстоящий голод. Но мы видим, насколько она готова к возможному повороту событий. Если появится глюкоза, она не станет расходовать энергию на выработку белковых ферментов, а сразу приступит к усваиванию глюкозы. Если же появится лактоза, изогнувшаяся ДНК уже готова к сборке нужной РНК, стоит лишь лактозе соединиться с репрессором, который тотчас покидает ДНК (рис. 4.3б).
В отсутствие глюкозы и при наличии лактозы происходит следующее. Недостаток глюкозы приводит к образованию комплекса БАК-белок/цАМФ, который соединяется с ДНК, вынуждая ее изгибаться. Это дает возможность полимеразе РНК отыскать свое место прикрепления. Присутствие лактозы приводит к ее связыванию с lас-репрессором и отсоединению репрессора от ДНК, так что уже вся полимераза РНК может присоединиться к ДНК и собрать три белка для усвоения лактозы (рис. 4.3в).
Подобное положение дел сходно с ситуацией с дверью, снабженной ручкой и засовом. Ручка действует подобно активатору, а запор выступает в роли репрессора. В таблице действие системы «ручка — засов» сравнивается с механизмом «активатор — репрессор».
Эта сложная система управления схожа со старым устройством Руба Голдберга[7], где целая цепь сложных событий служит для достижения некой простой цели (рис. 4.4). И все же почему при всей затратности данного механизма Е.coli не вырабатывает постоянно все нужные ферменты, чтобы усваивать любой поступающий к ней сахар? Возможно, некогда такая бактерия и существовала.
Рис. 4.4. Действие lac-оперона на молекулярном уровне
(из кн.: Raven P. Н., Johnson G. В. Biology)
Но появившаяся в ходе мутаций Е.coli с ее lac-опероном благодаря значительно большему по сравнению со своей старшей родственницей коэффициенту полезного действия вытеснила ее. Наглядный пример классического естественного отбора.
Белковые ферменты собираются практически одновременно с перезаписью РНК, когда РНК все еще прикреплена к длинной кольцевой молекуле ДНК. Поскольку Е.coli относится к прокариотным клеткам, у нее нет тормозящих ход метаболизма ядра или ядерной мембраны, так что усвоение лактозы начинается очень скоро. Е.coli прекрасно живет и на лактозе, и на глюкозе.
Е.coli и другие организмы
Е.coli — одно из наиболее изученных живых существ; исследователи выявили примерно две трети функций ее генов. Механизм задействования lac-оперона составляет лишь малую часть молекулярных отправлений Е.coli. Возможно, вас удивит, почему столь много внимания уделяется этой крохотной бактерии, на столько маленькой, что 50 таких созданий уместится на кончике человеческого волоса.
Все дело в том, что значительно проще проводить биологические исследования без привлечения людей, к тому же при этом не возникают этические вопросы. Простые организмы проще и быстрее выращивать, и это относится к проведению самих опытов. По размерам Е.coli — весьма подходящий объект для исследований, к тому же она поразительно быстро размножается: делится каждые 20 минут. При достаточном количестве воды, глюкозы (или лактозы) и места за десять часов из одной Е.coli можно получить свыше 1 млрд. клеток. Если другие штаммы Е. coli опасны для здоровья, то разновидность К-12 вполне безобидна, так что нет нужды предпринимать серьезные меры предосторожности.
Вот уже свыше 70 лет Е.coli выступает рабочей лошадкой биохимии, генетики и биологии развития. Сходство ее молекулярного процессинга с происходящим в других организмах даже привело к использованию ее в качестве фабрики по производству инсулина для больных диабетом. Жак Моно, выдающийся французский ученый и Нобелевский лауреат 1965 года, однажды заметил: «Что верно для Е.coli, верно и для слона».
Изучаются и другие прокариоты, вроде Mycoplasma genitalium [возбудителя мочеполового микоплазмоза], самого крохотного самостоятельного живого организма, в составе ДНК которого 580 тыс. пар азотистых оснований и 517 генов, и Haemophilus influenzae [палочки Пфайфера, возбудителя пневмонии и гнойного менингита], в составе ДНК которого 1 830 137 пар азотистых оснований и 1743 гена. Но относительная простота прокариотной ДНК в связи с ее величиной и кольцевидностью ограничивает ее применение к более сложным организмам.
От прокариот к эукариотам
Жизнь у прокариот хлопотная. Эти проворные маленькие существа должны обладать отменной реакцией. Как только появляется пища, они должны ее переварить, чтобы успеть вырасти. Система управления наподобие lac-оперона хорошо приспособлена к быстрым действиям, когда нужно установить требуемый уровень ферментов в соответствии с быстро меняющейся средой.
Положение с эукариотами совершенно иное. Большинство многоклеточных организмов развивалось таким образом, что их внутренние клетки оказались отрезанными от меняющейся внешней среды. Стабильная внутренняя обстановка — гомеостаз — необходима для надежной работы многоклеточных организмов. В итоге генные механизмы управления у эукариот оказались в большей степени рассчитаны на регуляцию организма в целом.
Например, некоторые гены активируются лишь однажды и вызывают необратимые действия по сравнению с полностью обратимым механизмом lac-оперона. У многих животных неспециализированные, так называемые стволовые клетки развиваются очень рано, еще у зародыша. Они превращаются в специализированные клетки, вроде клеток мозга или ногтей, следуя определенному генетическому образцу, который может в итоге привести даже к смерти клетки. Такая специализация клеток порождает все большее число ДНК, РНК и белковых ферментов, так что эукариоты могут совмещать в своем метаболизме тонкие взаимодействия между этими молекулами.
Модельные организмы
Излюбленный объект исследования среди эукариот — Sacchammyces accharomyces cerevisae (S. cerevisae), больше известный как пивные дрожжи. Пожалуй, это более всего изученный на молекулярном и клеточном уровнях эукариотный организм. S. cerevisae представляет собой всего лишь одноклеточный грибок, но многие процессы в его клеточном ядре сходны с теми же процессами у млекопитающих. Действительно, исследование дрожжей помогло выявить многие молекулы и химические реакции, задействованные в процессах, ход которых нарушается при раке. S. cerevisae устроены сложнее бактерии, чье ДНК, содержащее около 12 млн нуклеотидных пар азотистых основания, имеет 6 тыс. генов. И Е. coli, и S. cerevisae считаются модельными организмами, которые должны:
1) быстро развиваться, имея короткий срок жизни;
2) обладать малыми размерами, будучи взрослыми;
3) быть всегда под рукой;
4) быть простыми в обращении;
5) выполнять свои биологические функции сходным с более сложными организмами, вроде человека, образом.
Усердно изучаются и другие модельные организмы. Caenorhabd.itis elegans — прозрачный круглый червь, вырастающий в длину не более 1 мм, вполовину величины вот этого знака ~. С. elegans достигает взрослого состояния за три дня, живет в почве по всему свету и питается микробами вроде тех, что обитают в перегное. Этот маленький червь представляет собой многоклеточную (959 клеток) эукариоту с 19 099 генами в состоящей из 97 млн пар азотистых оснований ДНК. Он развивается из одной клетки в организм с нервной системой и «мозгом». С. elegans способен к обучению, вырабатывает яйцеклетки и сперматозоиды, постепенно стареет и умирает. Сидни Бреннер, молекулярный биолог из Великобритании, говорит, что С. elegans оправдывает свое название, ибо на самом деле «фотогеничен», как видно на рис. 4.5. Бреннер, Джон Салстон и Роберт Хорвиц разделили Нобелевскую премию 2002 года по физиологии и медицине как раз за работу с червем С. elegans.
Другой модельный организм, Drosophila melanogaster, знаком многим из нас. В 1906 году гарвардский профессор эмбриологии Уильям Эрнест Касл привлек к участию в одном проекте аспиранта [Крейга Вудворта].
Рис. 4.5. С. elegans
Он попросил его не убирать несколько перезрелых виноградин, а затем посмотреть, что получится. Получились D. melanogaster — плодовые мушки — организм, изучаемый ныне в лабораториях по всему миру. Благодаря своим идеальным свойствам модельного организма плодовые мушки широко используются в исследованиях по генетике и биологии развития.
Жизненный цикл плодовой мушки составляет 16 дней, а новое поколение она дает каждые 12 часов. Эти существа плодовиты, непритязательны и, по словам генетика из Беркли Герри Рубин, имеют столь много общего с человеком, что их называют крохотными людьми с крыльями. Дрозофила располагает 13 600 генами на ДНК из 165 млн нуклеотидных пар азотистых оснований. Весь этот молекулярный аппарат умещается в тельце длиной 3 мм, величиной примерно с букву V в имени Venter (о самом Вентере чуть позже).
Mus mesculus (мышь), давний любимец медиков, занимающихся изучением болезней и лекарств, тоже соответствует всем требованиям, предъявляемым к модельным организмам. К тому же геном мыши весьма схож с геномом человека.
Генетические сравнительные исследования уже многое прояснили в отношении строения и функционирования человеческого тела. Дальнейшие исследования принесут дополнительные сведения.
Другие создания, вроде полосатой перцины, иглобрюха [родственного горчице сорняка из семейства крестоцветных], резушки Таля (Arabidopsis thaliana) и палочки Пфайфера (Haemophilus influenzae), выступают в роли модельных орга низмов и изучены в разной степени. Модельные организмы и приспособления, требуемые для их изучения, вызывают в памяти ситуации из классической описательной биологии с образами бесчисленных исследователей, склонившихся над микроскопом или щурящихся сквозь стекла очков во время поездок по экзотическим местам, где можно увидеть организмы в их естественной среде обитания (вспомним Чарльза Дарвина на Галапагосских островах).
Физика — биология — химия
Несмотря на значимость модельных организмов для биологов, поле деятельности современной биологии значительно расширилось во многом благодаря нахлынувшим туда представителям других отраслей знаний, чья деятельность преобразила сам подход к изучению биологии.
Чтобы понять, как произошло это преображение, взглянем иначе и шире на центральное учение молекулярной биологии. Описательная биология сосредоточивалась на видимых признаках, но находила мало объяснений, связанных с этими признаками молекулярных механизмов. Затем пришел черед химии, занимавшейся химическими реакциями внутри живых существ, прояснявшими биологические процессы. Но главная трудность состояла в том, что управляющие живыми системами молекулы были слишком малы, чтобы их можно было для разглядывать в микроскоп.
Следующими нахлынули физики, посредством рентгеновской кристаллографии выявившие двойную спираль ДНК (вспомним биолога Джеймса Уотсона и физика Фрэнсиса Крика, воспользовавшихся данными рентгеновского кристаллографа Розалинды Франклин). Итак, хорошие вести заключались в создании представления об общем строении ДНК, а плохие — в невозможности разглядеть подробности ее строения из-за малых размеров. ДНК содержит такое огромное количество парных оснований нуклеотидов, что их определение и выписывание оказалось сложной задачей.
Итак, положение биологии в 1980-е годы было следующим: молекулярная биология сосредоточилась на работе с крайне малыми объектами; классическая описательная биология ограничилась наблюдением той части биосферы, которая была доступна зрению, пусть и сквозь окуляр микроскопа. Многие детали на стыке микро- и макроскопических областей биологии оказались совершенно необъяснимыми (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Общая картина биологии
Переход от большого масштаба к малому происходил медленно. Изучение молекул с химической точки зрения кое-что проясняло, но продвижение шло черепашьим шагом, а черепаха, увы, не модельный организм.
В середине 1980-х годов некоторых биологов осенило: почему бы не изучить весь состав ДНК живого организма, так называемый геном? Более того, посредством отдельных модельных организмов прийти к конечной цели — геному человека. Это привело к очередному наплыву в биологию приборостроителей, программистов, предпринимателей и появлению одного неуемного исследователя — Дж. Крейга Вентера.
Составление карты генома человека. Великие задачи требуют величественных орудий.
Прежде чем описывать все перипетии, увенчавшиеся в итоге составлением карты генома модельных организмов и человека, вникнем в подробности того, как устанавливается последовательность оснований плотно упакованной молекулы ДНК. Оказывается, геном человека состоит из 3 млрд. парных оснований нуклеотидов. Если считать их по одному в секунду, на это уйдет почти 100 лет. Очевидно, для их определения потребовался более быстрый способ, для чего понадобилось усовершенствовать несколько методов.
Электрофорез. В 1937 году шведский биохимик Арне Тиселиус (Тизелиус) разработал метод разделения заряженных частиц во взвеси на основе их массы и заряда (рис. 4.7). Заряженная частица в электрическом поле под действием его силы ускоренно движется в сторону противоположно заряженного электрода. Погруженная в среду (гель) частица тормозится под действием силы трения. При равенстве электрической силы и силы трения частица движется с постоянной скоростью, именуемой конечной.
Рис. 4.7. Установка для электрофореза
Данный подход знаком парашютистам, которые благодаря уравновешиванию их веса с силой трения опускаются на землю с постоянной, а не с возрастающей скоростью.
Для выделения частиц в геле Тиселиус применил красители. Данный подход он впервые опробовал при разделении белков в растворе — а в 1948 году был удостоен за свою работу Нобелевской премии по химии. С тех пор его метод использовался в опытах с множеством частиц при движении в различных средах. А для их выделения существуют несколько различных приемов.
Рестрикционные ферменты. Создание рестрикционных ферментов началось весьма необычно: в опытах с бактериофагами. Бактериофаги (или фаги) представляют собой вирусы, атакующие клетки бактерий, внедряя свои ДНК в клетку-хозяина, который затем плодит данный вирус. Фагов независимо друг от друга открыли в 1917 году бактериологи Фредерик Туорт из Великобритании и Феликс д'Эрелль из Франции. Опыты на бактериофагах получали все больший размах благодаря их возможности убивать опасные для человека бактерии. Однако интерес к ним упал после открытия пенициллина и других химических антибиотиков.
Бактериофаги столь многочисленны (по оценкам, их количество составляет 1030), что их общая биомасса значительно превышает общий вес населения Земли.
Они почти целиком состоят из белков и ДНК (рис. 4.8). Будучи вирусами, они не могут жить без хозяина. Ввиду простоты своего устройства они оказываются идеальными испытуемыми для получения сведений о жизнедеятельности и их самих, и их хозяев.
Рис. 4.8. Бактериофаг
Хвостовые нити
Хамилтон Смит, микробиолог из университета Джонса Хопкинса[8] в конце 1960-х работал с Haemophilus influenzae Rd и фагом Р22. Случайно бактерии и фаги стали выращивать вместе. Смит заметил, как активность ДНК у фага все время падала, что указывало на расщепление ДНК фага чем-то внутри бактерии. Смит со своими сотрудниками выделил и очистил ответственный за расщепление фермент и установил его механизм: белковый фермент внутри Н. influenzae расщепляет ДНК фага, выявляя определенную цепь из шести парных оснований и расщепляя ДНК — неизменно в одном и том же месте и одним и тем же способом.
Такой фермент получил название рестрикционного. Помимо этого фермента Н. influenzae Rd располагает еще одним ферментом, метилазой, защищающей ДНК бактерии от подобной участи. Фермент метилаза присоединяет метиловую группу к нуклеотидным основаниям цитозина или аденина в ДНК бактерии. Метилирование настолько изменяет молекулу ДНК, чтобы рестрикционный фермент все еще мог распознать место своего подсоединения, не вмешиваясь при этом в обычный ход воспроизводства или метаболизма самой бактерии.
С тех пор удалось открыть тысячи ферментов, расщепляющих ДНК на определенных участках. Отрыты были и ферменты, скрепляющие вместе куски ДНК. В итоге всех этих открытий молекулярные биологи располагают ныне набором белковых ферментов, позволяющих им разрезать или склеивать ДНК в заданных местах.
Сенгеровский метод обрыва цепи [замещающим нуклеотид] дидезокси[рибонуклеозидтрифосфатом] для секвенирования ДНК. В 1977 году биохимик из Великобритании Фред Сенгер разработал способ расщепления ДНК на участки, соответствующие любой длине исходной ДНК. Этот метод использовал замещающую нуклеотид молекулу. Заместитель не образует связи со следующим нуклеотидом в последовательности, необходимой для создания всей ДНК, так что цепь обрывается на нем.
Приведем пример. На рис. 4.9 верхняя молекула имеет атом кислорода, связанный с атомом водорода в положении 3' (атомы углерода в кольце нумеруются цифрами 1', 2 ', 3', 4 ' и 5'), тогда как у атома водорода в положении 4' атом кислорода отсутствует (отсюда приставка дезокси-). У нижней молекулы атом водорода отсутствует на позициях 3' и 4', поэтому ее название начинается с приставки дидезокси-. Из-за такой разницы в строении, когда при сборке молекулы ДНК в нее встраивается дидезоксидное основание, она уже не связывается с другим нуклеотидным основанием (в позиции 5'), и цепь ДНК обрывается в этом месте.
Рис. 4.9. Дезокситимидинтрифосфат (дТТФ) и дидезокситимидинтрифосфат (ддТТФ)
То же происходит с другими основаниями ДНК (аденином, гуанином и цитозином). В итоге можно получать ДНК различной длины (на изображениях молекул пустые углы на кольцах соответствуют атомам углерода).
Сенгеровский метод обрыва цепи дидезоксидными основаниями для секвенирования ДНК начинается с того, что посредством рестрикционных ферментов расщепляют подвергаемую секвенированию ДНК на меньшие участки, а ДНК нагревают до полного разделения обеих ее нитей. Затем к этим однонитевым участкам ДНК добавляют трифосфаты с дидезоксидным основанием, после чего вводится белковый фермент ДНК полимераза, который приступает к сборке копий исходной ДНК. Из-за дидезоксидных оснований собранные молекулы представляют собой не копии исходной ДНК, а смесь из полученных прежде участков ДНК. Предварительно дидезоксидные основания помечаются (маркируются) либо радиоактивным изотопом фосфора, либо чувствительным к ультрафиолетовому свету красителем, так что конец каждой оборванной цепи становится видимым.
Затем эту смесь цепей ДНК помещают в лунки пластины геля и дают электрическое напряжение. Более короткие участки испытывают меньшее сопротивление среды (обычно желе из водоросли агароза, схожее с желатином «Джелло»[9] вещество, с той лишь разницей, что молекулы там образуют дополнительные связи, делая гель прочным) и поэтому движутся быстрее. Часто в качестве образца в одну из лунок помещают цепи известной длины. После достижения наиболее короткими цепями края пластины геля напряжение снимают. По радиоактивным или флуоресцентным маркерам определяют нуклеотидное основание в конце каждой молекулярной цепи. Поскольку электрофорез распределяет молекулы в соответствии с возрастанием длины цепи, при просмотре виден порядок расположения парных оснований нуклеотидов в исходной ДНК.
Данный метод широко применялся до середины 1980-х годов, и работа над диссертацией у многих аспирантов заканчивались участием в многолетнем проекте по секвенированию определенной части ДНК одного из модельных организмов. Приходилось брать пробы у организма, очищать, смешивать с химическими реактивами, выращивать, помещать в гель и проводить исследование, после чего собирать и толковать данные. Работа была тяжелой и продвигалась медленно. Обычно в ходе написания диссертации удавалось выстроить участок в 40 тыс. парных оснований ДНК.
Секвенирование генома человека
Озвучивая мнения многих влиятельных биологов, в номере Science за 7 марта 1986 года Ренато Дульбекко, глава Института биологических исследований им. Солка[10], призвал к претворению в жизнь грандиозной программы по расшифровке генома человека. Он доказывал, что столь огромные усилия необходимы для понимания роли генов в развитии рака. Некоторые биологи, вроде Уолтера Гилберта (известного гипотезой РНК-мира), с радостью восприняли это предложение. Гилберт сказал: «Полный геном человека — Грааль генетики человека» (подробнее об этом сравнении далее).
Другие выразили озабоченность, что подобный гигантский проект исказит биологию до неузнаваемости. Расшифровка 3 млрд. пар азотистых оснований с помощью имеющихся на тот час средств потребует 15-летней непрерывной работы 10 тыс. аспирантов и обойдется примерно в 3 млрд. долларов. При таких затратах человеческих и денежных ресурсов ничего не останется на все остальные биологические проекты.
Луч надежды блеснул с появлением автоматизированных устройств секвенирования. Центр исследования человеческого генома [ныне Национальный институт генома человека], подразделение [сети институтов, объединенных общим названием] Национального института здоровья (НИЗ), официально приступил к работе в октябре 1990 года под руководством Джеймса Уотсона — да, самого Джеймса Уотсона. Данный проект задумывался как международный: большинство работ поручалось различным государственным лабораториям и университетам в США, и около трети приходилось на долю Великобритании, Франции, Германии и Японии.
Все усилия были сосредоточены на создании устройств автоматизированного секвенирования, что привело к наплыву в биологию приборостроителей. В конце 1986 года биохимик, доктор медицины Лерой Худ и биохимик-технолог Майкл Ханкапиллер создали компанию Applied Biosystems Inc. (ABI) и разработали устройство, способное секвенировать в день 12 тыс. парных оснований нуклеотидов. В начале 1987 года лаборатория молекулярной биологии, возглавляемая Дж. Крейгом Вентером, испытала секвенатор ABI 375А Sequencer вместе с рабочей станцией по катализу ABI 800 Catalyst для приготовления проб. Лаборатория Вентера занималась секвенированием двух участков, которые, как считалось, содержали гены, ответственные за крайне важные наследственные заболевания. Несмотря на отменную работу самих устройств, гены, поиском которых занимался Вентер, найдены не были. К тому же программное обеспечение выявило значительное число ошибочных результатов, так что многое пришлось сверять вручную.
Вентеру слишком уж не терпелось пролистать длинные последовательности из генетических букв в поисках немногих нужных генов или участков генома, где закодированы белки. И его осенило, как нарастить усилия. Чтобы отыскать активные гены в определенной клетке, он сначала извлекал из клетки РНК. Раз РНК строится прежде всего на основе ДНК, она содержит последовательность парных оснований нуклеотидов, относящуюся к активным частям (генам) исходной ДНК. Затем исследователи преобразовывали РНК в более устойчивую ДНК (именуемую комплиментарной ДНК — кДНК) и для хранения присоединяли ее к хромосоме какой-нибудь бактерии, используя прием резания и склеивания с помощью рестрикционных ферментов. Комплиментарной ДНК пользуются в биологических лабораториях по всему миру, так что недостатка в ней нет. Следующий шаг связан с секвенированием кДНК и сравнением ее с другими секвенированными генами. Данный подход, названный экспрессируемыми ярлыками[11], был не нов для Вентера. О нем впервые написал химик-биолог Пол Шиммел в 1983 году, а известный генетик Сидни Бреннер и другие ученые широко использовали в конце 1980-х. Но благодаря АВ1 Sequencer и электронно-вычислительным рабочим станциям по возможностям секвенирования лаборатории Вентера не было равных.
В июне 1991 года Вентер написал, что при секвенировании посредством экспрессируемых ярлыков он определил около 330 активных генов в человеческом мозге. Одним словом, Вентер определил и расшифровал более 10 % известных миру человеческих генов — и все это за несколько месяцев. Со свойственной ему прямотой Вентер заявил, что «усовершенствования в технике секвенирования ДНК теперь сделали, по существу, доступным полное обследование хромосомного набора организма по экспрессируемому гену».
Следующая статья Вентера, опубликованная в журнале Nature, еще больше подогрела недовольство некоторых биологов. В этой статье он сообщал об очередных 2375 человеческих генах, выявленных в мозге, что в 2 раза превышало число генов, расшифрованных к тому времени остальным научным сообществом. Ученые опасались, что секвенирование кДНК начнут финансировать вентеровским методом экспрессируемых ярлыков как более дешевой альтернативы расшифровке всего человеческого генома. Данный подход избегал бы искусных приемов экспрессии генов вроде lac-оператора, поскольку места соединения активаторов и репрессоров не будут секвенироваться.
Угроза патентования
Причиной дополнительных беспокойств стало патентование метода экспрессируемых ярлыков. Служба передачи технологии НИЗ подала заявку на патентование первых 330 генов еще до первой публикации Вентера в Science и присовокупила к патентованию еще 2421 ген до появления статьи в Nature. Поднялся шум, не утихающий доныне. Французский министр по науке Юбер Курьян сказал, что «нельзя предоставлять патент на то, что является нашим общим достоянием». Джеймс Уотсон, глава международного консорциума Human Genome Project, заявил, что метод экспрессируемых ярлыков «доступен обезьянам».
Однако глава НИЗ Бернадин Хили посчитала, что патентная заявка была законной, и отмела обвинения ученых, представив их «бурей в стакане воды». Она наказала Уотсону не нападать на Вентера публично и попросила Вентера советоваться с ней по поводу исследований генома человека. Уотсон уволился в апреле 1992 года, заявив о «непримиримости» своей позиции. Тем временем Вентер попросил 10 млн долларов для расширения своей работы по секвенированию, но ему было решительно отказано на основе данного его же коллегами в НИЗ заключения. Вентер уволился из НИЗ в июле 1992 года и основал Институт исследований генома (TIGR). Начав с 30 секвенаторов ABI 373А, 17 рабочих станций ABI Catalist и ЭВМ SPARCenter 2000 фирмы Sun, оснащенной соответствующими программными средствами базы данных, Вентер начал наращивать секвенирование на основе «экспрессируемых ярлыков» последовательности генов у модельных организмов. При стоимости одного устройства 100 тыс. долларов для финансирования такого предприятия нужны были толстосумы.
Финансирование обеспечил наплыв в биологию предпринимателей, Уоллис Стайнберг, глава компании Health Care Investition Corporation, и изобретатель зубной щетки Рич вложили в проект 70 млн долларов. Таким образом, Вентер мог спокойно претворять в жизнь свои идеи. Была создана как дочернее предприятие компания Human Genome Sciences (HGS) для коммерческого использования результатов исследований генома человека. Вентер был доволен и заявил: «Каждый ученый мечтает о благодетеле, согласившемся вложить средства в его идеи, чаяния и способности». Единственное условие — предоставление полученных данных в распоряжение компании на 6-12 месяцев, прежде чем их можно будет обнародовать. Его научные коллеги восторгались значительно меньше. Некоторые даже окрестили его Дартом Вентером [намекая на Дарта Вейдера из фильма «Звездные войны», рыцаря, переметнувшегося на сторону зла].
Тем временем НИЗ назначил нового руководителя Центра по исследованию генома человека. Известный генетик из Мичиганского университета Фрэнсис Коллинз стал вторым руководителем центра. В ходе работы этот финансируемый государством консорциум обнародовал ряд выдающихся результатов. В 1996 году усилиями более чем сотни лабораторий Европы, США, Канады и Японии удалось завершить составление генома пивных дрожжей. Этот эукариотный одноклеточный организм содержит в своей ДНК 6 тыс. генов, собранных из 12 млн пар оснований нуклеотидов. К середине отпущенного на проект генома человека срока было расшифровано менее 3 % генома, а затраты консорциума уже превысили оговоренные суммы. Коллинз призвал к ускорению работ и выдвижению свежих идей, но это мало помогло делу.
Секвенирование дроблением
Когда международный консорциум пытался ускорить свою работу, лаборатория Вентера TIGR решила прибегнуть к новой тактике: секвенированию дроблением.
Сотрудник Университета Джонса Хопкинса и Нобелевский лауреат Хамилтон Смит, открывший 20 лет назад рестрикционные ферменты (рестриктазы), выдвинул поразительную идею: сначала ультразвуком посечь ДНК на тысячи кусочков произвольной величины, а затем на устройствах-роботах ABI произвести отдельно секвенирование всех кусочков. Заложить полученные данные в ЭВМ, и пусть специальные программы отыскивают перекрывающиеся участки, чтобы тем самым можно было «сшить» математически кусочки, создавая одну непрерывную ДНК. Данный прием оказался результативным при моделировании, и Вентер не побоялся рискнуть. TIGR расшифровала весь геном бактерии Haemophilus influenzae за 13 месяцев, затратив в два раза меньше средств по сравнению с проектом генома человека. Вскоре TIGR завершила составление последовательности нуклеотидов Mycoplasma genitalium, мельчайшего из известных самостоятельных живых организмов, а также генома нескольких архей. После предоставления для всеобщего пользования своих ценных сведений Вентер вырос в глазах своих ученых собратьев.
Метод секвенирования дроблением работал в ситуациях с бактериями, но оказался не слишком скор, чтобы можно было вовремя завершить проект генома человека. В конце 1997 года отношения между лабораторией Вентера TIGR и ее дочерним предприятием HGS полностью расстроились. Несмотря на задолженность HGS его лаборатории 38 млн долларов, Вентер освободил HGS от данного обязательства и получил возможность более быстрого предоставления сведений о секвенировании, поскольку отпадала необходимость давать их на просмотр HGS.
Вентер между тем вынашивал еще более грандиозные замыслы, связанные с именем Майка Ханкапиллера. После создания вместе с Лероем Худом первого устройства по секвенированию, ABI 373А, Ханкапиллер не только внес несколько усовершенствований, но и значительно изменил сам процесс. Вместо пропускания отрезков ДНК вдоль пластины геля посредством электрофореза для их разделения Ханкапиллер разработал способ, при котором ДНК пропускалась сквозь тонкие, заполненные жидкостью капиллярные трубки. Наличие многих трубок при одном прогоне, как и другие усовершенствования в новом устройстве, ABI PRISM 3700, дало восьмикратное повышение скорости по сравнению с существующими устройствами. После показа опытного образца Ханкапиллер предложил Вентеру объединиться с ним для расшифровки всего генома человека. После некоторых раздумий Вентер согласился. Нужно было кое-что доделать, ведь методы, столь хорошо показавшие себя при работе с бактериями, нельзя использовать для изучения тысячекратно более сложного гена человека.
Вентер любил испытывать себя. После переговоров, больше напоминавших предостережение, с руководителем проекта генома человека Коллинзом Вентер объявил о создании новой компании и ее главной цели: расшифровке всего генома человека всего за три года, что существенно опережало сроки проекта генома человека. Его новое детище носило название «Силер» (от лат. celeris — быстрый). Девизом компании стали слова «Поспешай, открытия не ждут».
Вентеру опять все удалось. Научный мир был посрамлен, но теперь успехи Вентера вынуждали критиков проявлять осторожность: может, ему и впрямь удастся задуманное. Вентер понимал, что рискует. У него был лишь проверенный опытный образец устройства секвенирования, но отсутствовало программное обеспечение, поскольку старые методы не годились для нового генома. Следующим ходом Вентера было решение допустить в биологию программистов ЭВМ, которых называл учеными по алгоритмам. «Сшивание» перекрывающихся последовательностей пар оснований нуклеотидов для получения всего генома представлялось трудной вычислительной задачей, но значительные средства, вкладывавшиеся Вентером в новейшее вычислительное оборудование и специалистов, окупились сторицей. К 1998 году его сотрудники создали казавшуюся работоспособной программу.
Для опытной проверки Вентер провел секвенирование излюбленного в биологии модельного организма — Drosophila melanogaster, плодовой мушки. Состоящую из 165 млн пар нуклеотидных оснований, 13 600 генов ДНК установили менее чем за четыре месяца, как раз вовремя, чтобы записать ее на диски CD-ROM, которыми снабдили все места на одном научном совещании за день до выхода статьи о геноме в журнале Science.
Международный консорциум «Проект генома человека» не сидел сложа руки. С получением дополнительных средств, особенно от британского благотворительного фонда Уэллкома (Wellcome Trust)[12], удалось обзавестись новыми устройствами секвенирования (от ABI и конкурентов Майкла Ханкапиллера) и нарастить свои усилия, сжав тем самым сроки. Гонка продолжалась.
Соревнующиеся стороны временами вступали в переговоры, но напряжение в отношениях нагнетали средства массовой информации, особенно если учесть резкость Вентера и непреклонную учтивость Коллинза. С приближением окончания гонки слухи о непростых отношениях между двумя коллективами достигли Белого дома. На одном из совещаний президент Билл Клинтон передал записку своему советнику по науке Нилу Лейну с лаконичным приказом: «Разберись — сделай так, чтобы эти ребята работали вместе». Улаживать все выпало [главе Службы биологических и экологических исследований] Аристиду Патриносу, руководителю проекта генома человека от Министерства энергетики США. Весной 2000 года он пригласил Коллинза и Вентера к себе домой в Роквилл, штат Мэриленд, на дружеское чаепитие. Там они пришли к соглашению, что сообщение о расшифровке генома человека будет обнародовано ими совместно 26 июня 2000 года. В разговоре по спутниковой связи с премьер-министром Великобритании Тони Блэром президент Клинтон сказал: «Современная наука подтвердила то, что мы впервые узнали из верований предков. Самое важное свидетельство жизни на этой земле — это наша человеческая общность».
План на вторую половину игры
Несмотря на поднятую СМИ шумиху, гонка по расшифровке генома человека в действительности начиналась заново. Поясним, в чем здесь суть. ДНК содержит схему работы всего организма. Но прежде чем организм начнет справлять свои надобности, схему необходимо переписать на РНК, которая в свою очередь передается белкам, а те затем приступают к сборке каждой отдельной клетки и выполнению своих обязанностей.
Белки представляют собой молекулы, которые, по сути, и обеспечивают жизнедеятельность клеток. Геном указывает РНК, какие белки следует собирать, но прежде чем они начнут выполнять свои многочисленные обязанности, происходят изменения (белки скручиваются, взаимодействуют, присоединяют к себе группы Сахаров или метила и т. д.), в итоге проявляя некие видимые признаки. Теперь понятно, почему хромает сравнение человеческого генома с чашей Грааля. Знание последовательности нуклеотидов в геноме ничего не дает. Недостаточно знание только схемы.
Более приемлемо такое сравнение.
В отдаленном будущем один археолог находит в огромной пещере эскадрилью сверхзвуковых транспортных самолетов, заправленных горючим и готовых к вылету. Летчики-испытатели поднимают их в воздух, и оказывается, что они полностью работоспособны, однако отсутствуют руководства по их эксплуатации, устройству и сборке. Инженеры приступают к их изучению, разбирают, пытаясь восстановить, как их собирали. Достигнуты некоторые успехи, но самолеты слишком сложны, и инженеры не в состоянии понять многих их функций.
Значительно позже рядом другой археолог находит большое собрание бумаг, написанных на давно исчезнувшем языке. Все несказанно рады, так как теперь удастся разгадать тайны самолетов. После расшифровки оказывается, что найдены бумаги не с планами по строительству сверхзвуковых транспортных самолетов, а лишь с перечнем частей, необходимых для создания орудий по сборке самолетов. Для начала неплохо, но придется приложить еще немало усилий, прежде чем удастся разобраться в проекте и понять все тонкости работы древнего сверхзвукового транспортного самолета.
Приведем слова Дж. Крейга Вентера: «Секвенирование — лишь только начало». Рассказывая о своей десятилетней работе в НИЗ по изучению белка на поверхности клеток сердца, чувствительного к адреналину и приводящего в действие реакцию «выживания», Вентер отметил: «То, что потребовало от меня десяти лет работы, теперь я могу сделать за 15 секунд на ЭВМ».
Протеомика: следующий рубеж
Для ответа на вопрос о молекулярной основе жизни сначала надо уяснить, что же мы ищем, а затем найти возможность осуществить этот поиск. Вот что сталкивает людей, взявшихся решать данную задачу: подробная последовательность нуклеотидных оснований в человеческом геноме определяет порядок сборки РНК аминокислот для получения заданной белковой молекулы. (Прежде исходили из простой зависимости между генами и белковыми молекулами: один ген, одна молекула. Но все оказалось значительно сложнее. Между заданной ДНК и конечными белками, определяющими работу клетки, случаются отклонения. Один ген может в итоге создать много различных белков.) Человеческий геном состоит примерно из 30 тыс. генов, что составляет лишь 2 % общего числа пар нуклеотидных оснований. Остальные 98 % генома часто неверно называют бросовыми из-за нашего неведения об их возможном предназначении. Полный состав человеческих белков, закодированных в геноме — протеом, — значительно превышает 100 тыс., возможно, приближается к миллиону. Белки — это ключ к устройству и работе клетки. Белки определяют классические биологические признаки.
Протеомика сосредоточена на уяснении того, как разветвленная сеть белков управляет клетками и тканями. Следующая нерешенная, требующая огромных усилий задача связана с картированием протеома.
План действий здесь таков:
1. Определение полного состава белков в клетке, ткани или организме.
2. Выяснение взаимодействия этих белков с другими, образующими разветвленную сеть белками.
3. Выявление точной трехмерной картины каждого белка, что позволит ученым находить связывающие участки (например, такие, где белки наиболее восприимчивы к действию лекарств).
На пути претворения данного плана в жизнь встречается много трудностей. Прежде всего, нет единого человеческого протеома. Клетки мозга образуют одно множество белков, клетки ногтей — другое, клетки крови — третье и т. д. А собираемые белки сильно зависят от различных факторов, таких как болезнь, потребленные накануне продукты и умственное или даже душевное состояние. Каждое состояние организма порождает различный протеом. Кроме того, белки представляют собой крайне сложные образования. Они по-разному укладываются, не всегда предсказуемым образом (можете использовать мощь своего компьютера для расчета возможных укладок белков, обратившись на узел folding.stanford.edu/ См: Список идей, 8. Укладка белков).
Что касается опытов, большие установки автоматизировали процесс капиллярного электрофореза, обеспечивая быстрое секвенирование ДНК. При составлении карты протеома сегодня используют несколько различных методов, но ни одному из них не удалось потеснить секвенаторов ДНК. Продолжается разработка программного обеспечения. Возникающие трудности были подытожены в 2001 году на конференции по протеомике «Проект протеома человека»: «Гены стали доступнее».
Началась вторая половина гонки. В январе 2002 года две группы ученых сообщили о составлении карт по белковому взаимодействию для Saccharomyces cerevisae, пивных дрожжей. Кроме того, 5 апреля 2002 года пришло сообщение о получении предварительной карты генома риса от двух групп ученых — из Пекинского института геномики (для индийской разновидности риса) и всемирно известной сельскохозяйственной компании [из Швейцарии] Syngenta (для японской разновидности риса). Гены зерновых имеют значительное сходство.
Отдельные группы ученых, входящие в состав международного консорциума «Международный проект по дешифровке генома риса» (IRGSP), взялись заизучение риса. Рис содержит 430 млн пар нуклеотидных оснований, тогда как у кукурузы это число составляет 3 млрд., а у пшеницы — 16 млрд. И генов у всех них больше, чем у человека, и этим, возможно, объясняется наша зависть. Выяснение того, как различия в геноме ведут к различиям признаков организмов, и вызывает интерес ко второй половине этой гонки.
Нынешнее положение еще можно сравнить с видением сосуда, который мы рассчитываем заполнить, уяснив до конца, как взаимодействуют молекулы ДНК, РНК и белка. Он может представляться нам либо наполовину полным, либо наполовину пустым.
Последствия и бедствия
В отличие от других нерешенных проблем, протеом ближе к цели. Взять нас с вами. Человеческий геном поможет каждому из нас, ибо есть вещи, которые мы наверняка согласимся уяснить и поправить. Решение воспользоваться знанием выходит далеко за рамки чистой науки, которой движет любопытство. Однако человеку свойственно искать практические выгоды. Пришельцы, совершившие переворот в биологии, были движимы не одним только любопытством. Те, кто субсидировал частные лаборатории по дешифровке генома, сообразовывались не только с человеческим благом, но и с сулимой выгодой. Как только становится возможным влиять на условия человеческого существования, выступают иные соображения — нравственные.
Использование знаний о человеческом геноме несет и добро, и зло. Возможно, памятуя о Манхэттенском проекте, первый глава Национального центра по изучению генома человека Джеймс Уотсон 5 % средств центра направлял на изучение нравственных, правовых и социальных последствий проекта. Он писал: «Нам более не надо живых укоров, вопросов и ответов, как наука, оказавшись в нечистоплотных руках, способна принести неисчислимые бедствия».
Вопросы применения генетических знаний на практике выходят за рамки нашей книги, но все же вкратце обрисуем несколько таких приложений в надежде прояснить состояние соответствующей отрасли знания, чтобы в итоге принимались взвешенные с нравственной точки зрения решения о претворении их в жизнь.
Биочип. Посредством метода фотолитографии, сходного с тем, что используется при производстве кристаллов (чипов) для ЭВМ, сотни тысяч биологически активных молекул — ДНК, РНК, белков — укладываются столбиками и рядами на стеклянный или кремниевый кристалл. Для проверки биологические молекулы метят флуоресцентным красителем, затем намывают на кристалл. Нанесенные на кристалл молекулы ДНК или белка, по словам изобретателя Стива Фодора, действуют «подобно тонким полоскам молекулярной "липучки"». Проверяемые молекулы комплиментарны к молекулам на кристалле и прилепятся к ним, после чего при лазерном сканировании предстанут в виде светящейся точки. Выходные данные сканирования затем выводятся на экран, обрабатываются ЭВМ и, наконец, используются для выявления мутаций, получения сведений о ходе болезни или лечения, для определения, какие гены взаимодействуют друг с другом при росте клетки, и изучения многих иных сторон генетики.
Сельскохозяйственное применение. Посредством рестрикционных ферментов можно изменять ДНК растений для получения нужных признаков: высокой урожайности, более питательной пищи для людей и животных, повышенного содержания витаминов и минералов, большей устойчивости к заболеваниям, гербицидам для облегчения борьбы с сорняками, роста устойчивости к насекомым-вредителям, способности связывать азот для уменьшения количества вносимых удобрений и повышения удойности коров на молочных фермах.
Генетический контроль у человека. Поскольку наследственные признаки у человека целиком зависят от генов, мы можем отбирать их для потомства и предсказывать вероятность генетических заболеваний у людей. Такая возможность сопряжена с далеко идущими этическими последствиями.
Изучение стволовых клеток. После оплодотворения яйцеклетки зародыш содержит всю генетическую информацию о дальнейшем развитии организма. Клетки, способные развиться в любую клетку организма, именуются зародышевыми стволовыми клетками. По мере роста организма клетки специализируются, утрачивая гибкость стволовых клеток. Стволовые клетки с заложенным в них потенциалом можно выращивать и использовать для таких крайне важных целей, как восстановление поврежденных сердечных мышц или тканей позвоночника. Однако методы выращивания подобных клеток сопряжены с этическими вопросами, до конца еще не решенными. Иной подход — дождаться более зрелого возраста и выращивать специализированные клетки взрослых, которые столь же полезны.
Клонирование. Поначалу клонирование заключалось в замене ядра яйцеклетки ядром другой клетки с последующим внедрением новой яйцеклетки в матку суррогатной матери, которая в итоге даст потомство, чьи генетические свойства будут одинаковыми со свойствами пересаженного ядра. После овладения данным методом успешные опыты были проведены на мышах, свиньях, коровах, а наибольшую известность получила ныне погибшая овца Долли.
Итак, можно ли клонировать человека? Исходя из современной биологической практики это вполне возможно, и некоторые, правда неподтвержденные, заявления уже последовали со стороны секты раэлитов[13]. Нужно ли это делать — другой вопрос, относящийся к нравственной и правовой сферам. Не менее важна возможность использования рестрикционных ферментов для вырезания и вклеивания человеческой ДНК в ДНК животных с последующим клонированием животных, превращая их в фабрики по производству лекарственных белков, редких гормонов или даже целых органов для пересадки людям при повреждении или заболевании их собственных органов.
Небольшая подборка использования геномики (а значит, и протеомики) дает представление о нравственной стороне геномики и протеомики (более подробно см.: Список идей, 9. Генетические технологии).
Решение головоломки: почему, как, кто и где, когда?
Почему. Протеомика дает возможность создавать новые, более действенные лекарства и диагностические средства. Однако число пар азотистых оснований, генов и белков, с которыми приходится иметь дело, ставит трудную задачу перед теми, кто исследует, создает и испытывает подобные средства.
Вы только взгляните на эти числа: 3 млрд. пар нуклеотидных оснований, 30 тыс. генов, сотни тысяч белков присутствуют в человеческом организме. Они усложняют и без того трудную задачу, требуя методов по обработке огромных объемов данных. Новая отрасль — биоинформатика вызвала большой наплыв ученых — специалистов по составлению алгоритмов — в качестве равноправных биологов, давая возможность обеспечить их орудиями сбора, упорядочивания и толкования биологически значимых данных. Хотя биоинформатика и может оказаться ключевой в решении общей задачи, не исключено, что объем задачи указывает на ее неразрешимость. Сложность взаимодействий белков делает всю биологическую систему объектом, где крайне малые изменения на входе, легко вызываемые великим множеством обычных в таком деле возмущающих факторов, неизбежно приводят к совершенно неожиданным последствиям (подобный вопрос встает в гл. 5 о предсказании погоды).
Некоторым образом данная проблема перекликается с проблемой в физике, где отдельные частицы образуют совокупности, поведение которых предсказывается на основе вероятностных методов. Данный подход, именуемый статистической механикой, доказал свою действенность. В физике частицы одинаковы и по численности значительно превосходят биологические молекулы, так что законы больших чисел обеспечивают сходство. Биологические системы имеют дело с неодинаковыми единицами, и их число существенно меньше, например, количества атомов в содержащемся в комнате воздухе. Поэтому выгоды, получаемые от использования статистики, нельзя применить к решению этой задачи. Возможно, будет создан новый вид статистической математики. И биоинформатика, похоже, та область, где это может произойти.
Кто и где. Другая возможность состоит в том, что биологии поможет очередной наплыв ученых из других отраслей знаний, или же координаторы более обширных проектов вроде Ф. Коллинза, либо неуемные одиночки вроде Дж. Крейга Вентера. Помимо Celera в список компаний, включившихся ныне в исследования по протеомике, входят Cellzome из Германии, Hybrigenics из Франции и MDS Proteomics из Канады.
Когда. По мнению профессора фармацевтической химии Олме Берлингейма из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, «мы сейчас имеем возможность значительно быстрее определять состав белка в человеческом организме. Работа должна завершиться за пару лет».
Ученые при определении белков, входящих в те или иные клетки или ткани, обычно прибегают к двум основным способам: двухмерному гель-электрофорезу и масс-спектрометрии. Некоторые компании пытаются по возможности усовершенствовать и автоматизировать эти и другие методы.
Представляется, что после установления устройства человеческого генома и изучения всех его признаков данный узел удастся развязать, и останется лишь воспользоваться найденными закономерностями для выяснения подробностей. Но это не так. Новые сведения о геноме уже преподнесли немало неожиданностей. Поэтому не стоит удивляться очередным открытиям.
Глава 5
Геология
Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
Прогноз погоды на ночь: темень.
Джордж Карлин [выдающийся американский комик]
Все любят говорить о погоде, но никто не пытается ее изменить.
Марк Твен
Изучение планеты Земля как целого — прерогатива геологии (науки о Земле). Модель плитотектоники нашей планеты довольно хорошо описывает следствия взаимодействий ее самых верхних, четырех твердых и жидкой оболочек. Однако атмосфера Земли, особенно ее синоптическое состояние, похоже, перечеркивает все попытки создать модели, которые давали бы надежные долговременные прогнозы. Раз погода оказывается столь отличительной чертой нашей планеты, нахождение подходящей модели для предсказания погоды оказывается крупнейшей нерешенной задачей науки о Земле.
Погода на Земле
Преимущественно ясно, отчасти облачно, порой дожди, возможен снег, ожидается ухудшение погоды… Не удивляло ли вас, что синоптики заимствовали свой двусмысленный язык у тех, кто занимается составлением гороскопов? Что же говорить о Календаре крестьянина[14], предсказывающем погоду на год вперед, или об ушибленном колене вашей тетушки, которое начинает неизменно крутить с приближением ненастья?
Погода и ее прогноз всегда играли огромную роль в выживании людей. Самые древние ссылки на погоду обычно связаны с религией или фольклором.
Религия египтян с ее небесными божествами включала обряды по призыванию дождя еще за 3500 до н. э. Вавилоняне (3000-300 до н. э.) связывали небесные тела с погодными явлениями, полагая, что темное кольцо вокруг Луны означало приближение дождя. Древние греки накопили наблюдения за погодой и создали теории, нашедшие воплощение в Метеорологике Аристотеля (340 до н. э.), где были собраны прежние представления, приведенные в согласие с господствовавшим тогда учением о четырех стихиях (земле, воде, огне и воздухе). После научного переворота 1600-х годов построения Аристотеля были наконец подвергнуты проверке, и утвердилось представление о всеобщем характере погоды и климата.
В Новое время изучение атмосферных условий стало неотъемлемой частью науки о Земле. Атмосфера представляет собой ее внешнюю оболочку. Остальные четыре оболочки — внутреннее и внешнее ядро, мантия и кора — суть медленно перемещающиеся твердые и жидкие тела. Из-за газообразности атмосферной оболочки она меняется быстрее всего.
Прогноз погоды на Земле
Иногда, частично, большей частью, или совершенно ясно, или облачно с меняющейся вероятностью дождя, снега, града, мокрого снега, смерча, урагана…
Температура: максимальная +58 °C, минимальная -8 4 °C.
Давление: 1 атмосфера +/—10 %.
Влажность: от 0 до 100 %.
Ветер: от нуля до 231 мили в час (возможно, выше при смерче).
Видимость: от нуля до полной.
Осадки: от нуля до 523 дюймов воды в год.
Вероятность грозы: переменная.
Конкретный прогноз зависит от места и времени года.
Пользуясь научным подходом, мы уже достаточно долго наблюдаем за атмосферой и собрали значительное количество данных. В гипотезах, стремящихся объяснить поведение атмосферы, используются зарекомендовавшие себя понятия механики жидкостей и газов, термодинамики, астрономии Солнца, химии и иных дисциплин. Тогда почему же прогнозы погоды, подобно рыбе и отношению к визитам родственников, портятся столь скоро? Иначе говоря, почему точный долгосрочный прогноз погоды все еще оказывается нерешенной задачей?
Ответ один: размеры и сложный характер атмосферы. Оказывается, при достижении системой определенного уровня сложности математическое предсказание начинает столь сильно зависеть от начальных условий, что малейшие изменения приводят к совершенно неожиданным конечным результатам. Сжатое изложение такой восприимчивости к начальным условиям именуют теорией хаоса, под которой часто ошибочно подразумевают полный произвол. Прежде чем вдаваться в подробности данной проблемы и рассматривать пути ее решения, рассмотрим для сравнения погоду соседних планет, изучим становление земной атмосферы, выдвинем гипотезы прогноза погоды и проследим за истоками, развитием теории хаоса и выявим ее уместность. Наконец, займемся вопросом, возможно ли теоретически прогнозирование погоды с помощью современных математических методов.
Погода на наших соседних планетах: трава не вечно зеленеет
Атмосфера представляет собой газовую оболочку, окружающую твердую (и/или жидкую) поверхность планеты. Атмосфера газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — наиболее отличительная их черта. Все твердые части этих планет погребены под толстым слоем газа. Другие небесные тела нашей Солнечной системы — Меркурий, Плутон и Луна — вовсе или почти не обладают атмосферой. На оставшихся трех планетах — Венере, Земле и Марсе — плотность газа колеблется от крайне высокой до весьма малой, подобно рассуждениям девочки в сказке о трех медведях.
Венера. Известна как родственная Земле планета из-за сходства многих свойств. Ее поперечник составляет 95 % от земного, вес — 82 %, плотность — 95 %, а сила тяготения на поверхности — 91 %. Однако Венера вращается очень медленно — один оборот составляет 243 земных — и в противоположном по сравнению с вращением Земли направлении. Ось вращения Венеры почти отвесна к плоскости ее орбиты (отклонение 2°), не наклонена подобно земной оси (отклонение 23,5°).
Оказавшись на Венере, мы не заметим изменения в размерах. Сила тяготения почти та же (хотя потеря 9 % веса приветствовалась бы многими из нас), но нет времен года, подобным земным. Планета вращается, но вы этого не ощутите. На Земле мы тоже не замечаем вращения, за тем исключением, что, следя за движением Солнца по небу или наблюдая за периодическим наступлением темноты (ночи), мы можем видеть заход и восход Луны и звезд. Из-за толстого слоя облаков такой возможности нам на Венере не представится.
Раз мы оказались на Венере, представим, что там нет атмосферы, и посмотрим, что будет. При отсутствии атмосферы температура на поверхности станет определяться взаимодействием солнечных лучей с составляющими поверхность Венеры породами. Согласно закону сохранения энергии планета выступает в роли бесприбыльной корпорации: доходы (поступающая на Венеру солнечная энергия) равны расходам (отдаваемая планетой вовне энергия). Поскольку Венера ближе к Солнцу, чем Земля, она получает больше солнечной энергии. Количество отдаваемой вовне энергии зависит от свойств ее поверхности.
Величина, характеризующая способность поверхности отражать падающий на нее поток излучения, именуется альбедо [и равна отношению отраженного потока к падающему]. Полностью отражающее энергию тело имеет альбедо, равное единице (например, зеркало), а совершенно не отражающее — нулевое альбедо (например, черный асфальт). В отсутствие атмосферы альбедо Венеры соответствовало бы альбедо Меркурия ввиду схожести их поверхностей. Температура лишенной атмосферы Венеры составляла бы примерно 38 °C. Хотя по меркам температуры на планетах там может показаться довольно жарко, такого мы еще не встречали.
Теперь вернем Венере атмосферу, которая примерно в сто раз тяжелее атмосферы Земли и состоит из углекислого газа (СО2) — 96 %, азота (N2) — 3 %, небольшого количества сернистого газа (SO2) и лишь каких-то крох кислорода (О2) — тысячные доли процента. У поверхности давление просто удушающее — в 90 раз выше земного. А это только начало. Везде высотные облака, но светло-желтые, а не белые и серые. Ведь они состоят не из паров воды, а из капель серной кислоты (H2SO4). Солнечный свет едва пробивается сквозь них. Температура у поверхности возрастет, как только на планету вернется атмосфера, достигнув немыслимой величины 470 °C.
Если вы ступите на Венеру и обратитесь за сводкой погоды к сети Интернет на Венере или к телевидению Венеры, то получите примерно следующее.
Прогноз погоды на Венере
Сплошная облачность.
Температура: максимальная + 4 7 0 °C, минимальная +470 °C.
Давление: в 90 раз выше земного (90 атмосфер).
Влажность: нулевая.
Ветер: менее 3 миль в час у поверхности, свыше 220 миль в час на уровне высотных облаков.
Видимость: полная.
Осадки: не достигают поверхности.
Вероятность грозы: только в облаках.
Данный прогноз верен везде и всегда, поскольку высотные ветры повсеместно удерживают облака.
Теперь немного подробностей.
Максимальная и минимальная температуры на Венере совпадают ввиду плотности атмосферы и формы ее перемещения, что позволяет энергии равномерно распределяться по всей планете. Крайне высокое значение этой всюду одинаковой температуры, при которой плавятся многие твердые тела, даже металлы вроде свинца и цинка, вызвано ярко выраженным парниковым эффектом (см.: Список идей, 10. Парниковые газы). Углекислый газ в атмосфере отражает обратно исходящее от поверхности планеты инфракрасное излучение, что существенно нагревает поверхность, подобно стеклянному покрытию в парнике, которое сохраняет для находящихся внутри растений температуру, более высокую, чем снаружи. С 1961 года за 20 лет Советский Союз направил к Венере 16 космических кораблей «Венера». Опустившиеся на поверхность планеты аппараты работали очень недолго, а затем выходили из строя под действием высоких температур и давления.
Высокое давление вызвано большой массой атмосферы. На поверхности Венеры плотность углекислого газа значительно выше, чем плотность воздуха Земли. Путешествие по Венере было бы сродни продвижению сквозь толщу разжиженной воды при давлении, соответствующем земному давлению на морской глубине 900 м.
Из-за крайне малого количества воды влажность на Венере отсутствует. Согласно одной современной теории вначале на Венере было много воды, но высокая температура ввиду близости к Солнцу в сочетании с усиливающимся парниковым эффектом испарила воду в атмосферу. Там солнечные фотоны разложили молекулы воды на водород и кислород. Более легкие молекулы водорода покинули планету, а химически активные молекулы кислорода образовали либо карбонаты (остающиеся до сих пор на поверхности Венеры), либо серную кислоту при взаимодействии с выделяемой при вулканических извержениях серой (более подробно о динамических процессах в атмосфере речь пойдет в следующей главе).
Ветры на поверхности Венеры движутся очень медленно, но в слое ее облаков ураганные ветры (скорость 220 миль в час) переносят капли серной кислоты вокруг планеты с востока на запад за пару земных суток. Механизм данного перемещения неизвестен.
Видимость у поверхности полная благодаря чистой атмосфере внизу. Выше все заволакивает дымкой, а облака почти непроницаемы. Пробивающийся сквозь сернокислотные облака солнечный свет приобретает оранжевый цвет, столь же блеклый, как в облачные дни на Земле.
Сернокислые капельки в облаках собираются в достаточно крупные капли, вызывающие дождь, так что влажность присутствует, но в виде паров серной кислоты, а не воды. Из-за высокой температуры кислотный дождь испаряется, так и не оросив поверхности планеты.
Из-за высотных ветров и трущихся друг о друга облаков наблюдаются частые грозы, но поскольку облака находятся на большой высоте — примерно 50 км, молнии проскакивают большей частью между облаками, а не между облаками и поверхностью планеты, как это происходит на Земле.
В прогноз погоды на Венере не входит время восхода и захода Солнца, что вызвано несколькими причинами. Во-первых, Солнца не видно с ее поверхности. Во-вторых, Венера вращается вокруг своей оси так медленно, что успевает обернуться вокруг светила, еще не сделав полного оборота вокруг своей оси, и, таким образом, восход и закат там не столь привычное дело, как на Земле. Далее, если бы Солнце было видимым, мы бы наблюдали, как оно восходит на западе и заходит на востоке ввиду обратного Земле вращения. Если вы думаете, что сможете услаждать себя видом здешней Луны или звезд, не обольщайтесь. Облака не пропустят идущего от звезд света, а что касается лунного света, то у Венеры нет спутников.
Готовясь к путешествию на Венеру, вам следует разогреть свою печь до требуемой температуры, а затем опуститься с ней на глубину 900 м для получения требуемого давления. Если эти условия окажутся сносными, постарайтесь к тому же долгое время не видеть Солнца.
В качестве туристической достопримечательности Венера мало привлекательна. И тем не менее Европейское управление космических исследований планирует полет к планете на Venus Express в 2005 году, а Япония — в 2007-м.
Марс. Погода другого нашего соседа, Марса, пришлась бы нам больше по душе. Вот как выглядела бы сводка погоды в сети Интернет на Марсе.
Прогноз погоды на Марсе
Преимущественно солнечно.
Температура: максимальная +27 °C, минимальная —133 °C.
Давление: менее 1 % земного (0,01 атмосферы).
Влажность: нулевая.
Ветер: постоянно превышает 100 миль в час.
Видимость: полная, за исключением пыльных бурь
Осадки: снег из углекислого газа близ обоих полюсов.
Вероятность пыльной бури: более высокая в Южном полушарии летом.
Данный прогноз зависит от места и времени.
Поперечник Марса составляет 53 % от земного, масса — 11 %, плотность — 66 %, а сила тяготения на поверхности — 38 %. Атмосфера Марса состоит из углекислого газа (СО2) — 95 %, азота (N2) — 3 % и аргона (Аr) — почти 2 %. Атмосферное давление у поверхности составляет менее 1 % от земного, так что общая масса его атмосферы тоже менее 1 % от массы земной атмосферы.
Для уяснения подробностей прибегнем к голливудскому трюку. Вообразите, что вы внезапно очутились на Марсе. Каковы могут быть ваши ощущения? Прежде всего вы столкнетесь с отсутствием кислорода. На Марсе потребуется носить скафандр. Но даже в громоздком скафандре на Марсе будет легче двигаться, чем на Венере или Земле. Атмосфера там столь разрежена, что не стеснит движений. Более того, из-за силы тяготения, составляющей 38 % земного, вы окажетесь почти в 3 раза легче, чем на Земле. Вы сможете прыгать в 3 раза дальше, а посылаемые гольфистом Тайгером Вудсом[15] мячи вообще потеряются из виду [на Земле он умудряется отправлять мячи за 300 ярдов].
Затем надо будет что-то делать с температурой. Можно было бы ожидать, что наличие углекислого газа обеспечит на Марсе парниковый эффект, сходный с наблюдаемым на Венере. Он присутствует, однако из-за разреженности атмосферы почти не влияет на температуру. Если убрать с Марса атмосферу, как это мы делали с Венерой, средняя температура там составит —55 °C. Возвращение атмосферы лишь слегка повысит температуру до значения —50 °C. Но прежде чем ошибочно заключать, что Марс всегда был таким холодным (подобно тому как Венера всегда оставалась очень жаркой), не забудьте, что на Марсе для вас кое-что припасено.
Прежде всего продолжительность суток на Марсе почти та же, что и на Земле. Он вращается вокруг собственной оси примерно за 24,5 земных часа. Таким образом, восход и заход Солнца будут близки путешественнику с Земли. Далее, ось вращения у Марса наклонена к своей орбитальной плоскости под углом 25°. Если вы помните, у Венеры нет такого наклона, и это обстоятельство как раз содействует спокойному характеру тамошней погоды. Как и на Марсе, наклон земной оси в 23,5° приводит к смене времен года, поскольку одно полушарие, получая больше прямых солнечных лучей, сильнее нагревается.
При совершении Марсом половины пути вокруг Солнца солнечные лучи освещают его южное полушарие сильнее, чем северное. Тогда в южном полушарии царствует лето, а в северном — зима. Во вторую половину пути Марса вокруг светила положение меняется, и уже северное полушарие освещается больше, и там наступает лето. В эту картину Марс вносит свои собственные краски. Его орбита сильнее вытянута по сравнению с Землей или Венерой, занимая по этому показателю третье место среди планет Солнечной системы. Поэтому времена года неодинаковы для северного и южного полушарий Марса. В летнюю пору на юге Марс находится ближе к Солнцу, получая на 40 % больше света, чем при наступлении на юге зимы. С учетом всего сказанного можно приступить к изучению погоды на Марсе.
Повсеместное перемещение атмосферы. Солнечный свет нагревает марсианский «воздух» близ экватора, где он поднимается и движется к полюсам и там, охлаждаясь, опускается. Это схоже с циркуляцией воздуха на Земле. Теплые и холодные «воздушные» массы. Граница этих «воздушных» масс перемещается по Марсу подобно синоптическому фронту на Земле. Более суровые погодные условия в одном полушарии по сравнению с другим. Из-за эллиптической орбиты Марса перепады температур в южном полушарии значительнее перепадов в северном полушарии. Южное лето жарче, температура поднимается до 27 °C; зима же суровей, и температура опускается до отметки — 133 °C. Пыльные бури. Когда ветры на поверхности достигают скорости 100 миль в час, что нередко случается летом в южном полушарии, они увлекают за собой частицы пыли (оксиды железа или ржавчину) на поверхности, неся их даже через все полушарие или, что бывает реже, через оба полушария. Наблюдались пыльные бури, покрывавшие собой всю планету. Подробности данного явления не уяснены до конца, но вычисли тельные программы по моделированию марсианской погоды свидетельствуют, что воздушная пыль охлаждает поверхность планеты. К представлению о ядерной зиме пришли, используя те же соображения в отношении Земли (подробности о вариантах этих вычислительных программ применительно к Земле см. в следующей главе). Взрыв большого числа водородных бомб приведет не только к огромным опустошениям, но поднятая при этом в атмосферу пыль так охладит Землю, что на ней установится крайне низкая температура, возможно, повсюду. В зависимости от того, как будет оседать пыль, ядерная зима может продлиться значительно дольше обыкновенной. Ледяные облака. В летнюю пору в северном полушарии вместо повсеместных пыльных бурь вокруг всей планеты протянутся пояса очень тонких ледяных облаков. Эти облака не поднимаются на такую высоту, как частицы пыльных бурь, и их поведение еще не до конца изучено.
Снег из сухого льда. На обоих полюсах зимой углекислый газ переходит из газообразного в твердое состояние. Углекислота в твердом состоянии называется сухим льдом. Продавцы мороженого на Земле используют сухой лед для охлаждения.
Снежные шапки на полюсах. Белое вещество, присутствующее на получаемых с телескопов и спутников снимках полюсов Марса, представляет собой лед из воды и углекислоты. Согласно оценкам, в случае таяния льда вода покрыла бы поверхность Марса слоем толщиной 9 м. По неизвестным причинам южная полярная шапка слегка смещена по отношению к геометрическому полюсу.
Циклоны. В апреле 1999 года космический телескоп Хаббла обнаружил штормовой циклон (рис. 5.1) в области северного полюса на Марсе. Шторм гнал ледяные облака, охватывая площадь, в четыре раза превышающую штат Техас.
Рис. 5.1. Циклон на Марсе, увиденный с космического телескопа Хаббла
Цвет неба. Ясное небо над Марсом по цвету может походить на земную синеву, но там поверхностные ветры постоянно вздымают красную пыль, которая придает небесам желтовато-коричневый оттенок, именуемый некоторыми по сходству цвета с ирисками — ирисовым. Слюнки текут, не так ли? Спутники. Деймос и Фобос — спутники Марса. Названные в соответствии с греческими словами «ужас» и «страх», эти два спутника невелики и очень быстро движутся по своим орбитам. Из всех спутников Солнечной системы Фобос ближе всего расположен к своей планете. Он обращается вокруг Марса почти 3 раза в сутки. Из-за крохотных размеров с Марса он виден не отовсюду, но даже когда он виден, трудно за ним уследить.
Отсутствие океанов. Вначале ученые считали, что погода на Марсе значительно проще земной, большей частью из-за отсутствия там водных океанов, которые существенно усложняют картину погоды на нашей планете. Недавние полеты к Марсу убеждают, что погода там значительно сложнее, чем мы думали, и ей присуща изменчивость, о которой мы даже не догадывались.
В 2003 году Европейское управление космических исследований отправит космический корабль Mars Express к Марсу, который прибудет туда 26 декабря 2003 года [попытка посадить корабль окончилась неудачей — он так и не вышел на связь]. НАСА планирует доставить туда два вездехода небольшого радиуса действия в 2004 году [что американцам с блеском удалось], орбитальный разведывательный аппарат в 2005 году, вездеход большого радиуса действия в 2009-м, и возвращаемый корабль с пробами фунта в 2014 году. Мы многое почерпнем отсюда.
Если бы девочка из сказки «Три медведя» «отведала» погоду на Венере и Марсе прежде, чем на Земле, то, пожалуй, сказала бы: «Первая слишком горячая и густая, вторая слишком холодная и жидкая, а вот третья в самый раз». Так-то
Воздух местного производства
Поскольку внутренние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — расположены близко к Солнцу (рис. 5.2), вполне разумно предположить, что и состоят они из одного сырья. Так и есть.
Рис. 5.2. Орбиты планет Солнечной системы
Как говорилось в гл. 3, в период падения планетезималей на раннем этапе зарождения Солнечной системы все внутренние планеты были заполнены камнями и водой. Почему же Венера и Марс растеряли воду, а Земля ее сохранила? Чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть процессы, в результате которых планеты получают газ для своей атмосферы и каким образом они могут растерять этот газ.
Получение атмосферного газа
После того как заработала солнечная ядерная топка, солнечный ветер (разреженная плазма большей частью из протонов и электронов, движущаяся ныне со скоростью около 400 км/ч) выдул почти весь первичный водород с гелием, а внутренние планеты собрали их у себя. Вспомним о бедном Меркурии. Он так близок к Солнцу, что, утираясь при каждом чихании светила, Меркурий говорит: «Будьте здоровы». Единственные газы, которыми ему удалось обзавестись, исходили от Солнца. Свыше 4 млрд. лет назад у Венеры, Земли и Марса, похоже, не было атмосферы. По всей видимости, ее образование шло тремя путями: газовыделение, испарение (возгонка) и (или) бомбардировка [метеоритно-пылевыми частицами].
Газовыделение. В ходе явления, известного как аккреция, под действием тяготения происходило скопление планетезималей, приведшее к образованию планет. При аккреции более плотные вещества опускались к центру планет, образуя их ядро. Менее плотные скальные породы так глубоко не оседали. Они образовали мантию у планет. Химические реакции в мантии выделяли газы, которые оказывались запертыми внизу под тяжестью лежащего сверху вещества. Наконец, самые легкие вещества всплыли наверх, образовав кору. Процесс гравитационного разделения по плотности именуется дифференциацией (см.: Список идей, 11. Земля: история недр).
По мере охлаждения коры заключенный под высоким давлением в мантии газ порой высвобождался, образуя вулканы. Вулканические извержения представляют собой знаменательное событие, ведущее к опустошению огромных площадей. Так, извержение горы Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года исторгло на поверхность 5 млрд. куб. м перла и шлаков, образовавших столбы шириной 18 км у основания и высотой 30 км.
Поверхность трех внутренних планет свидетельствует, что повседневной чертой начала их жизни была вулканическая деятельность, а основными продуктами газовыделения — пары воды (Н2О), двуокись углерода (СО2), азот (N2) и два серных газа: двуокись серы (SО2) и сероводород, знакомый всем по запаху тухлых яиц.
Свыше 4 млрд. лет назад вулканические извержения выступали основными поставщиками газа для первоначальной атмосферы Земли. Примерно в то же время древние вулканы Марса и Венеры «трудились» над созданием первичной атмосферы на этих планетах.
Испарение (возгонка). В зависимости от температуры и давления у поверхности планеты жидкости могут превращаться в газы (испарение) или твердые тела переходить в газообразное состояние (возгонка). Известным примером здесь может послужить испарение воды в лужах или возгонка твердой углекислоты (сухого льда) в газообразное состояние, что сопровождается клубами дыма (данное явление часто используют на театральных подмостках). Возгонка более существенна для Марса, чем для Земли, так как на этой планете температура ниже, тогда как испарение присуще тому или иному круговороту на Земле, что отличает нашу планету. На Венере испарение не позволяет сернокислотным дождям излиться на ее поверхность.
Бомбардировка. На раннем этапе формирования Солнечной системы солнечный ветер, планетезимали и осколки комет бомбардировали внутренние планеты. При ударах о поверхность образовывался газ. Если вклад такой бомбардировки в атмосферу Венеры, Земли и Марса оказался весьма незначительным, то для Меркурия и Луны она служила единственным поставщиком тех крох газа, которыми они располагают.
Потеря атмосферного газа
Планета теряет газ пятью различными путями: тепловая утечка, сжижение (конденсация), бомбардировка, образование кратеров и (или) химические реакции.
Тепловая утечка. Запускаемые с Земли космические корабли весьма зрелищно покидают родную планету. Газовые молекулы тоже покидают Землю, но не столь шумно. Все на планете удерживается силой ее тяготения, которое у поверхности определяется ее массой и поперечником.
На каждой планете для преодоления ее гравитационных пут тело должно разогнаться до определенной, так называемой второй космической, скорости.
Планета ∙ 2-я космическая скорость, км/с
Марс ∙ 5
Венера ∙ 10,4
Земля ∙ 11,4
Атмосферные газы в зависимости от температуры и массы молекул имеют различные скорости. При более высокой температуре молекулы движутся быстрее: легкие — быстрее тяжелых.
Как видно из таблицы на с. 160–161, Марс вследствие тепловой утечки быстро расстанется с легкими газами вроде водорода и гелия, но сможет удержать двуокись углерода. Венере и Земле проще удержать свои газы.
Сжижение. Испарение жидкостей и возгонка твердых тел происходит при высокой температуре, но возможен и обратный процесс: при низкой температуре атмосферные газы в состоянии сжижаться с образованием жидкого или даже твердого состояния.
Наиболее показателен в этом отношении Марс, где двуокись кислорода на полюсах зимой сжижается, образуя твердую углекислоту, то есть сухой лед.
Сжижение происходит даже на Луне. В 1998 году орбитальный аппарат Lunar Prospector обнаружил замерзшую воду в глубоких кратерах близ обоих лунных полюсов. Лед, видимо, попал туда с хвоста комет и сохранился в недоступных солнечным лучам местах. Миллиарды лет назад лед мог оказаться там, где лежит и ныне.
Бомбардировка в состоянии породить атмосферу на планете, у которой ее изначально не было. Но она может и забирать газ у уже имеющейся на планете атмосферы. Солнечный ветер в силах помочь утечке газов в верхних слоях атмосферы. Солнечные фотоны способны разлагать молекулы на более мелкие составляющие (в ходе так называемой диссоциации), которые затем из-за более легкой массы покидают планету.
Образование кратеров. Падающие на планету более крупные тела тоже способны придать молекулам газа достаточно энергии, чтобы те покинули планету. Особо уязвимы в данном случае более мелкие планеты с меньшей, второй космической скоростью.
Химические реакции. В зависимости от химической активности молекул реакции между газами и поверхностными скальными породами или жидкостями могут приводит к их связыванию.
Химические реакции на раннем этапе образования нашей планеты связали значительное количество углекислого газа в известняки, удалив тем самым много этого газа из ее атмосферы.
Получение или утрата атмосферного газа
Теперь приложим данные закономерности к внутренним планетам и посмотрим, как их первичная атмосфера приобрела нынешние очертания.
Начнем с Венеры и Марса, а Землю прибережем напоследок.
Марс
Основное различие между нашими соседними планетами и Землей определяется наличием воды. Вода на Венере испарилась вследствие высокой температуры. Испарение способствовало развитию парникового эффекта, после чего вода терялась из-за разложения ее молекул под действием солнечных фотонов на водород и кислород. Марсианская вода некоторое время была разлита по поверхности этой планеты. Однако ввиду слабовыраженного парникового эффекта она не испарялась, а сжижалась. По мере падения температуры вода превращалась в лед, который все еще присутствует на полюсах, большей частью скрытый под поверхностью.
Обратимся теперь к Земле, Нам известно, что стало здесь с водой: она присутствует доныне в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Вода не только делает Землю отличной от наших соседних планет, она придает изменчивость здешней погоде, которую мы не в состоянии предсказать.
Поскольку все три планеты поначалу имели одинаковую атмосферу, образовавшуюся в результате вулканического выделения большей части углекислого газа и паров воды, необходимо ответить на ряд вопросов.
Почему Земле удалось сохранить свою воду, тогда как Венера и Марс ее лишились? Мы уже знаем, из-за чего Венера с Марсом теряли воду: Венера была слишком горячей; Марс же оказался чересчур холодным. На Земле вода участвует в ряде круговоротов, из которых более всего бросается в глаза известный всем влагооборот, когда вода испаряется из океана, ветрами выносится на сушу, выпадает в виде снега или дождя (отчасти в океан), вновь стекает в океан, и все начинается сначала. Данный круговорот воды вызывается не только умеренной температурой, но и перемещениями (циркуляцией) в атмосфере, которым в свою очередь способствуют наклон земной оси и вращение самой планеты вокруг нее.
Что произошло с углекислым газом на Земле? Углекислый газ Земля не растеряла; он лишь оказался сокрытым под действием находящейся в жидком состоянии воды. Углекислый газ из воздуха растворяется в океанической толще. Там при взаимодействии с силикатами он образует известняки, которые оседают на морское дно. Вот куда девается углекислый газ. Но здесь он не задерживается, ведь перед нами лишь этап одного из круговоротов. Плиты земной коры перемещаются под влиянием течений в мантии, на которой они покоятся. Карбонаты увлекаются внутрь мантии, где нагреваются. Углекислый газ выходит в атмосферу в ходе вулканических извержений. Оказавшись там, он снова растворяется в океанической толще и… Кстати, как силикаты попадают в океан? Они выветриваются с поверхности под действием дождей. Этот процесс именуют карбонатно-силикатным круговоротом. Поскольку данный круговорот вещества требует воды в жидком состоянии, он может происходить лишь на Земле.
Откуда Земля получила свой кислород? Изобилие кислорода в земной атмосфере вызвано одним источником: жизнью. Однако подоплека значительно сложнее. С возникновением живых организмов не замедлилапоявиться форма жизни, черпавшая энергию от Солнца для сборки сложных углеводородов из присутствующих молекул воды и углекислого газа. Такого рода фотосинтез, похоже, начался на заре жизни, а его побочным продуктом стал кислород.
Кислород химически очень активен, так что примерно 2 млрд. лет после начала фотосинтеза получавшийся кислород просто взаимодействовал с поверхностными породами. Лишь после полного их окисления кислород стал накапливаться в атмосфере, что повлекло за собой два последствия. Во-первых, поднявшийся к верхним слоям атмосферы кислород разлагался под действием солнечных фотонов. Получавшиеся в итоге атомы кислорода привели к образованию новой и неустойчивой молекулы, именуемой озоном (О3). Озон так и представлял бы собой химический курьез, если бы не его способность поглощать ультрафиолетовое излучение. После накопления в верхних слоях атмосферы достаточного количества озон начал служить укрытием Земли от смертельного для жизни ультрафиолета. Стало возможным утверждение на суше жизни и кислородного дыхания, а это сочетание привело к появлению новых форм жизни, например нас с вами.
Воздействие жизни на атмосферу началось давно и продолжается по сию пору. Сегодня приходится решать вопрос с выбросом нашей цивилизацией в атмосферу углекислого газа, что может привести к парниковому эффекту (см.: Список идей, 10. Парниковые газы).
Земная атмосфера — то сырье, из которого синоптики готовят свои отчаянные прогнозы. Она совершенно непохожа на атмосферу наших соседних планет, и присущие ей особенности делают прогнозирование трудным и кропотливым занятием. Предсказание погоды оказывается значительно запутанней, чем кажется на первый взгляд.
Погода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные)
Получив для наблюдения столь замечательное собрание атмосферных газов на Земле, наука готовилась создать предполагаемую модель долгосрочного (климат) и краткосрочного (погода) поведения атмосферы. Благодаря усилиям Исаака Ньютона в 1660-е годы удалось описать движение тел в виде ряда общих и действенных уравнений. И в последующие два века, XVIII и XIX, наука распространила представления Ньютона на случаи больших, малых тел, жидкостей и газов.
Одним из достоинств ньютоновых законов стало то, что, зная заданные для определенного времени условия, можно вычислить последующее движение. С философской точки зрения это детерминизм. Мощь данного метода огромна. Возможен точный расчет положения планет, предсказание приливов и отливов на много лет вперед и построение траектории полета снарядов. К тому же подобные предсказания можно обратить вспять, что позволяет изучать не только будущее, но и прошлое.
Одно из следствий детерминизма состоит в том, что будущее поведение системы легко предугадать, определяя состояние системы в какой-то предшествующий момент. Это предыдущее состояние именуют начальными условиями. На рис. 5.3 подобный процесс представлен в упрощенном виде; с помощью графика можно описывать дальность полета снаряда в зависимости от угла возвышения. При изменении угла в пределах нескольких градусов дальность колеблется в весьма существенных границах. Для получения большей точности попадания разброс угла возвышения необходимо уменьшить.
Рис. 5.3. Точность предсказания будущего состояния зависит от точности знания начальных условий
По существу, результаты с требуемой точностью получаются заданием начальных условий с соответствующей точностью. Неявно в измерениях по проверке прогноза присутствует допущение, что увеличение точности измерений улучшит точность предсказанных результатов.
И хотя на протяжении долгого времени такое допущение считалось незыблемым, на исходе XIX века вера в него была поколеблена при весьма странном стечении обстоятельств.
В 1887 году шведский король Оскар II [(1829–1907), король Швеции в 1872–1907 годах и Норвегии в 1872–1905 годах] в ознаменование своего 60-летия пообещал денежную премию тому, кто математически докажет устойчивость орбит планет Солнечной системы. Победитель, Жюль-Анри Пуанкаре, не решил полностью поставленной задачи, но проделанной работы хватило для получения премии. В 1889 году он опубликовал статью «О задаче трех тел и об уравнениях динамики» (Acta Mathematica. 1890. № 13)[16]. Пуанкаре столкнулся с необычным положением, когда «небольшие расхождения в начальных условиях ведут к огромным различиям у наблюдаемых в итоге явлений».
Будучи выдающимся математиком, он сумел показать, что при достижении системой определенной степени сложности получение точных результатов потребует предельно точных начальных условий. Некоторое время соображения Пуанкаре казались математическим курьезом. Но, как мы вскоре увидим, спустя 70 лет они дадут знать о себе.
Пока же вернемся к прогнозу погоды. Любопытное событие произошло во время Первой мировой войны. Льюис Фрай Ричардсон работал в различных научных учреждениях, включая Метеорологическую службу Британии. С началом войны он смог найти себе применение, не поступаясь своими пацифистскими убеждениями: водил санитарную машину во Франции. В часы досуга он строил математическую модель предсказания погоды, основанную на разделении земной поверхности на ячейки, получении данных о погоде в каждой из них и последующем прогнозе погоды посредством математического приема, известного как исчисление конечных разностей. Его модель так и не заработала, но он представил в 1922 году используемый им математический прием в ставшей знаменитой книге «Предсказание погоды с помощью численного процесса». Ричардсон отнес неудачу модели на счет недостаточного количества данных и трудностей ведения громоздких вычислений вручную[17].
Вскоре обычные вычисления препоручили ЭВМ. К 1953 году обосновавшийся в Принстоне венгерский математик Джон фон Нейман успел испробовать первую цифровую вычислительную машину ЭНИАК (ENIAC — Electronic Numerical Integrator and Computer) Принстонского университета на многих задачах, включая уравнения Ричардсона. Хотя машинные расчеты и позволяли делать сравнительно неплохой прогноз погоды, работы оставалось еще непочатый край.
ЭВМ оказалась весьма полезным орудием. В 1960 году Эдуард Лоренц сумел «выбить» для себя новую ЭВМ [Royal МсВее]. Он изучал математику в Гарварде, а теперь преподавал метеорологию в Массачусетском технологическом институте. Для проверки машины Лоренц составил программу для 12 нелинейных уравнений, описывающих поток жидкости применительно к погоде. Эти уравнения включали воздействие давления, скорости ветра, температуры воздуха и влажности. По современным меркам ЭВМ Лоренца была весьма примитивной, но результаты выдавала вполне разумные.
Один прогон оказался столь любопытным, что Лоренц решил расширить его. Из-за медлительности тогдашних ЭВМ он начал прогон программы с середины, введя случайно взятое число 0,506 из распечатки. Затем Лоренц отправился пить кофе, а машина продолжала «перемалывать» содержимое. Вернувшись, он был поражен увиденным: часть нового прогона, перекрывающаяся со старым, содержала отличные от прежних результаты. Причем отличие было разительным. После кропотливой проверки Лоренц выяснил, что ЭВМ использовала числа с шестью знаками после запятой, но выдавала их округленными до трех знаков. Поэтому числу 0,506 на распечатке соответствовало машинное число 0,506127.
Но каким образом столь малая разница на входе могла привести к такому разительному расхождению на выходе? Эдуард Лоренц заново открыл явление, о котором говорил Пуанкаре. В своей статье 1963 года «Детерминированное непериодическое течение» [в кн.: Странные аттракторы. М., 1981] Лоренц указывает, насколько конечный результат чувствителен к начальным условиям.
На рис. 5.4 представлена кривая трехмерной функции, порождаемой нелинейными уравнениями данного рода. Хотя ее значения так и не сходятся к одной точке, они колеблются вокруг двух точек, словно притягивают к себе функцию, отсюда и название «странный притягиватель (аттрактор)».
Рис. 5.4. Странный аттрактор
Чтобы заострить внимание на том, как малые различия ведут к большим последствиям, а возможно, руководствуясь наглядным образом странного аттрактора, свое выступление [в декабре 1972 года перед Американским обществом содействия науке] Лоренц озаглавил так: «Вызовет ли взмах крыла бабочки в Бразилии смерч в Техасе?» Выражение «эффект бабочки» вскоре стало общепринятым. Системы уравнений с подобным поведением уже создавались и изучались независимо от возможности применять их к физическим системам.
В итоге возникла совершенно новая отрасль математики с, пожалуй, вводящим в заблуждение названием «теория хаоса», придуманным математиком Джеймсом Йорком из Мэрилендского университета (см.: Список идей, 12. Теория хаоса). К сожалению, слово хаос подразумевает совершенный беспорядок, что в корне неверно. Погода не носит случайного характера. Общая картина погоды хорошо всем известна: лето теплое, а зима холодная. Чего нам недостает, так это подробностей: насколько теплой или холодной будет погода, и ждать непогоду спустя неделю или же ровно через час.
Решение головоломки: как и где?
Есть несколько мнений о путях достижения более точного, долгосрочного прогноза погоды.
КАК И ГДЕ
Улучшение методов
♦ Совершенствование наблюдений за погодой. Требуется больше данных и лучшего качества. Есть места на Земле, откуда поступает крайне мало данных, прежде всего это горные районы и океанические поверхности. Два больших сезонных течения поверхностных океанических вод, Эль-Ниньо и Лa-Нинья, вызывают обширные синоптические явления, существенно воздействующие на погоду в мире, особенно сказываясь на сельском хозяйстве. Точный долговременный прогноз помог бы крестьянам сохранить сотни миллионов долларов. В рамках проектов наподобие ARGO, составной части Системы наблюдения за климатом Земли, на океанических просторах размещаются 3 тыс. дрейфующих станций для слежения за погодными и водными условиями.
♦ Повышение качества моделирования. Современное математическое моделирование значительно совершен ней методов Эдуарда Лоренца, но многое еще пред стоит сделать. Некоторые физические процессы, управляющие погодой, весьма сложны. Нужно учитывать рельеф местности и свойства почвы, брать в расчет динамическое поведение океана и облачного покрова. Нынешние модели лишь аппроксимируют крайне сложные процессы в целях ускорения вычислений с учетом объемов памяти ЭВМ. К тому же различные службы придерживаются собственных моделей со своими аппроксимациями.
♦ Уменьшение шага сетки у модели. Первые модели прогнозирования погоды использовали сетку с шагом в сотни километров. В нынешних моделях этот шаг уменьшен до десятков километров, а ближайшая цель — 5 км. Чем меньше область, тем точнее моделирование, однако для получения такой точности нужны суперЭВМ (вспомним потребность биологии в больших вычислительных мощностях, получившую название биоинформатики). В построении суперЭВМ наметилось два подхода: массовая параллельная обработка и векторные вычисления. Процессоры с массовым параллелизмом соединяют большое число универсальных процессоров, каждый из которых осуществляет часть сложного вычисления, а отдельные результаты суммируются. Векторная обработка использует специализированные микропроцессоры, предназначенные для решения сугубо определенной задачи. В свое время американский разработчик ЭВМ Сеймор Крей собирал необыкновенно быстрые суперЭВМ на основе векторного вычисления. Хотя его подход перестал пользоваться спросом на родине, к нему решила прибегнуть японская компания NEC. Вместо перехода на сетку с меньшим шагом для всего земного шара было решено, что качество прогноза у глобальных моделей можно улучшить при сетках с переменным шагом в особо важных областях.
Сборный прогноз. Сборный прогноз — метод, учитывающий чувствительность моделей к малым изменениям в начальных условиях. Данный подход связан с неоднократным прогоном модели, использованием различных начальных условий, чтобы посмотреть, как меняются выходные данные. Если, например, дождь выпадает в четырех испытаниях из десяти, можно прогнозировать 40 % вероятности дождя. Обычно модели запускают более 10 раз — часто это 17 прогонов, но порой может быть и 46. Одна из разновидностей данного подхода связана со сравнением результатов различных моделей с последующим прогнозированием на основе средневзвешенного значения. Опытные метеорологи используют ЭВМ, когда сверяют результаты, и порой отклоняют выданный ею прогноз исходя из собственного опыта.
Признание невозможности подробного долгосрочного прогноза и изучение лишь общих тенденций
Как пишет популяризатор науки Джеймс Глейк в книге ХАОС: создание новой науки (1987) [СПб., 2001]:
Предположим, что Земля покрыта датчиками на удалении одного фута друг от друга, а по высоте — идущими на расстоянии одного фута вплоть до верхних слоев атмосферы. Предположим, что каждый датчик снимает совершенно точные показания температуры, давления, влажности и любой иной величины по желанию метеоролога. Ровно в полдень обладающая неограниченной мощностью ЭВМ получает все эти данные и вычисляет, что произойдет в каждой точке в 12.01, потом в 12.02 и т. д. И тем не менее ЭВМ не в состоянии предсказать, будет ли в Принстоне, штат Нью-Джерси, солнечно или пасмурно через месяц.
Устоявшаяся сеть прогнозирования погоды не приемлет невозможности прогнозирования. Пока не удастся делать более точные прогнозы на срок более двух недель, приходится мириться с возможностью исходной непредсказуемости погоды. В некотором отношении здесь улавливается сходство с другой задачей науки о Земле: прогнозированием землетрясений (см.: Список идей, 13. Предсказание землетрясений).
Выработка совершенно нового подхода
При всех любопытных свойствах, проявляемых теорией хаоса и теорией катастроф, занятой изучением скачкообразных перестроек систем как чистой математики, для извлечения научных выгод требуется их более тесное соотнесение с физической реальностью. Свежий подход на основе простых правил программирования [так называемой системы компьютерной алгебры] предложил в 2002 году Стивен Вольфрам. Его идеи могут помочь в прогнозе погоды и иных областях науки, однако потребуется еще много усилий для соотнесения его отвлеченных математических методов моделирования с реальным миром.
Сегодня проект под названием climateprediction.com позволяет запускать модели поведения атмосферы на домашних компьютерах в фоновом режиме в качестве экранных заставок. Эта программа по массивным параллельным вычислениям схожа с обсуждаемыми соответственно в 4-м и 8-м «Списке идей» проектами SETIathome и Folding0Home. Сложные модели поведения атмосферы запускают с использованием различных начальных условий для прогнозирования погоды и климата в далеком 2050 году. Прогнозы затем сравнят с действительными погодными условиями 2050 года, что, возможно, прольет свет на подходы к моделированию. Десятки тысяч людей уже согласились предоставить свои компьютеры за символическое вознаграждение.
Цель данного проекта запечатлена в следующем выражении, передающем дух прогнозирования погоды:
Помогает объяснить прошлое, которое затем
Помогает понять настоящее, а значит,
Предсказать будущее, что позволяет
Больше влиять на грядущие события и
Лучше обезопаситься от неожиданностей.
Чарльз Хэнди [18]
Глава 6
Астрономия
Почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
Разведка — вот что вам предстоит! Не нанесение на карту звезд и изучение туманностей, а вычерчивание неведомых возможностей бытия.
Слова Кью, обращенные к капитану Пикару («Звездный путь: Следующее поколение» [19] )
Астрономия или, точнее, космология изучает возникновение, развитие и макроскопическое строение и поведение Вселенной. До недавнего времени крупнейшей нерешенной задачей астрономии (космологии) было выяснение вопроса, будет ли Вселенная расширяться всегда или же в конце концов она сожмется.
Обнаружение ускоряющегося расширения Вселенной, что указывает на его необратимость, возможно, закрыло данный вопрос, но породило следующий. Причина такого все ускоряющегося расширения, порой именуемая темной энергией, похоже, противоречит современным представлениям о силах, определяющих поведение Вселенной. Объяснение феномена темной энергии и ныне остается крупнейшей нерешенной проблемой астрономии.
Содержимое Вселенной
«Что там?» — привычный вопрос людей, вглядывающихся в небо.
Попытки астрономии ответить на него в отношении всей Вселенной то дразнят нас своими поразительными ответами, то обескураживают столь же поразительными вопросами.
Содержимое всей Вселенной можно выразить в понятиях ее массы/энергии (масса и энергия оказываются взаимозаменяемыми величинами согласно знаменитому уравнению Эйнштейна: энергия = масса х квадрат скорости света, или Е = mс2). В нижеследующей таблице представлены самые последние оценки содержимого Вселенной в величинах массы и энергии, сопровождаемые краткими пояснениями.
Составная часть Вселенной ∙ % от массы/энергии Вселенной ∙ Примечания
Темная энергия ∙ 73 ∙ Вызывает ускоряющееся расширение Вселенной. При всей ее скрытности и при всем неведении о ее природе наблюдается огромное воздействие со стороны темной энергии
Темная материя ∙ 23 ∙ Хотя ее саму не удалось еще наблюдать, она ответственна за быстрое вращение галактик и галактических скоплений
Обыкновенная материя ∙ 4 ∙ Наблюдаемые яркие звезды, галактики и галактические скопления
Нейтрино ∙ менее 1 ∙ Установлена верхняя граница их совокупной массы, а действительное значение пока не определено
Напрашивается поразительный вывод: при всей неуловимости темная энергия и темная материя составляют 96 % Вселенной и определяют ее поведение.
Поэтому вполне справедливо задаться вопросом: как астрономия пришла к такому пониманию Вселенной? Подобно хорошему детективному сюжету наше понимание приходило мучительно, шаг за шагом. Ныне это обычно происходит так: усовершенствованная или новая часть экспериментальной оснастки позволяет увидеть нечто новое. Затем теоретики стараются объяснить новые данные посредством существующих теорий или же выдвигают иные гипотезы. Потом делаются предсказания и проводятся новые опыты для уяснения того, как действительность согласуется с предсказанием (можно вообразить, с каким ликованием экспериментаторы доставляют теоретикам щекотливые факты).
В данной главе мы покажем, как приходило к астрономии ее нынешнее понимание Вселенной. Особое внимание будет обращено на скопления звезд, именуемые галактиками, и способы измерения расстояний до звезд и галактик и их скоростей. В заключение мы исследуем путь к возможному решению задач, связанных с преобладающими во Вселенной темной энергией и темной материей.
Измерение межзвездных расстояний
Вселенная полна невообразимого числа объектов (которых, выражаясь памятными многим словами астронома Карла Сагана, миллиарды и миллиарды). Начнем же, казалось бы, с простого вопроса об одном из этих объектов, звезде. Насколько отстоит от нас та или иная звезда? При взгляде на звезды у себя над головой привычное чувство расстояния нас подводит. Все звезды кажутся одинаково удаленными. Планеты и звезды столь далеки, что представляются расположенными на одном расстоянии. Вот почему небо выглядит как купол.
Поскольку оба наших глаза смотрят на предмет с различных положений, у каждого глаза своя собственная видимость. Данное явление именуется параллаксом, и землемеры (геодезисты) пользуются им для точного определения расстояния. Из-за малой удаленности глаз друг от друга с их помощью нельзя точно оценить большие расстояния.
Тогда тем более удивительно, что самый простой астрономический способ определения расстояния основан на параллаксе. Вот как он действует. Если одну и ту же звезду наблюдать в начале и в конце шестимесячного промежутка времени, она видна по двум различным зрительным осям (подобно тому как наши глаза видят удаленный предмет с двух точек) (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Измерение расстояния на основе параллакса
Измеряя угол между этими зрительными осями (угол параллакса) и зная, что основание треугольника равно поперечнику орбиты обращения Земли вокруг Солнца, можно вычислить расстояние до звезды в соответствии с тригонометрическими соотношениями. Этот расчет впервые сделал немецкий астроном Фридрих Бессель в 1838 году при измерении расстояния до звезды 61 Лебедя.
Данный способ измерения расстояния служит основой при определении чаще всего используемой в астрономии единицы — парсека (пк). Звезда, угол параллакса которой после шестимесячного промежутка времени составляет 1 с (60 с в 1 мин, 60 мин в Г, 360° во всей окружности), считается удаленной на один парсек. Наша ближайшая звезда Альфа Центавра (в действительности система из трех звезд) находится на расстоянии чуть больше одного парсека. Если отправиться к Альфе Центавра со скоростью звука, путешествие займет свыше миллиона лет. Даже свету с его сумасшедшей скоростью потребуется на это более четырех лет.
В пределах 10 пк от Земли находится немногим более 300 звезд, так что мы можем определить расстояние до этих ближайших соседей посредством параллакса. Поскольку с удалением звезд уменьшается и угол параллакса, предел для измерений наступает примерно при 100 пк, когда возможно получение приемлемых результатов. Таким образом, звезды и галактики на расстоянии тысячи парсек (килопарсек, кпк) или миллионов парсек (мегапарсек, Мпк) оказываются слишком далекими, чтобы измерить расстояние до них посредством параллакса. Для решения данной задачи разработаны другие способы, которые мы изучим позднее.
Галактики: первые теории и наблюдения
Теперь посмотрим, как астрономия пришла к пониманию галактик. Слово галактика греческое и означает «млечный путь». Шведский философ Эмануэль Сведенборг пришел к заключению, что все звезды образуют большое сообщество, где Солнечная система — лишь его часть. В книге Principia Rerum Naturalium (1734) он предположил, что Солнечная система, состоящая из светила и планет, образовалась из быстро вращающейся туманности. При этом Сведенборг не руководствовался никакими научными наблюдениями, хотя и изучал точные науки. Данные сведения он почерпнул в ходе спиритического сеанса, где якобы присутствовали небесные посланники. Дальнейшие видения побудили Сведенборга предать огласке полученные им сведения богословского свойства, и в итоге из его учения вышла религия [сведенборгиан] «Новая церковь» [именуемая еще «Новым Иерусалимом»].
Историю галактик продолжил англичанин Томас Райт из Дарема, занимавшийся изготовлением научных орудий и игрушечных солнечных систем, которые продавал вельможам. В книге «Оригинальная теория, или Новая гипотеза о Вселенной, основанная на законах природы и объясняющая с помощью математических принципов наиболее важные явления видимого мироздания, в частности Млечного Пути» (1750) Райт высказывает мысль, что звезды в Млечном Пути распределены в виде жернова. Он говорил: «Глядя всякий раз на небо, никак не могу взять в толк, почему все не идут в астрономы». Как изготовитель научных орудий, он наверняка имел доступ к телескопам. Однако никаких астрономических наблюдений он не издавал. Книга Райта тоже затрагивает религиозные вопросы, например о физическом местонахождении божественного престола.
Заметка о книге Райта в гамбургском журнале попала на глаза блестящему философу Иммануилу Канту. И хотя Кант неверно истолковал сообщение о работе Райта, ему удалось направить ее в созидательное русло. В 1755 году Кант предполагает, что Млечный Путь представляет собой линзовидный диск из звезд, вращающийся вокруг своей оси. Затем он утверждает, что размытые световые пятна, именуемые туманностями, на самом деле представляют собой системы звезд, подобные Млечному Пути, но находящиеся на большом удалении. Кант именует их островными вселенными[20].
В ту пору не было средств, чтобы прикинуть расстояние до этих туманностей. Даже с помощью Бесселева метода параллакса, разработанного почти столетие спустя, не справиться с такой задачей.
Итак, начало изучению астрономией галактик положили богословски настроенный мастеровой и философ. Следующий важный вклад в понимание галактик суждено было внести ученому-наблюдателю. Любопытно, что его не занимали сами галактики; он составил перечень объектов, которых следовало избегать при поиске комет. Шарль Мессье (1730–1817) был столь заядлым охотником за кометами, что король Людовик XV прозвал его «кометной ищейкой». За всю жизнь Мессье открыл один или одновременно с кем-то 20 комет и наблюдал еще 24. Он часто находил неподвижные объекты, которые не могли быть кометами. Небольшими телескопами, которыми пользовался Мессье — в поперечнике они не превышали трех с половиной дюймов, — невозможно было различить в туманностях отдельные звезды. Наблюдаемые им «туманности» представлялись световыми пятнышками неведомого происхождения. Он составил перечень координат свыше 100 туманностей, снабдив их числами. Например, М31 ныне известна как туманность Андромеды, а М100 (рис. 6.2) — как Спиральная галактика.
Мессье писал: «К составлению каталога меня подтолкнула туманность I [ныне это Крабовидная туманность], открытая мной повыше верхнего рога Тельца 12 сентября 1758 года в ходе наблюдения за кометой того года. Данная туманность так походила на комету своим видом и светимостью, что я решил отыскать и иные туманности, с тем чтобы астрономы более не путали их с кометами». Мессье вызвал недовольство многих астрономов, посвятив комету 1769 года французскому императору Наполеону Бонапарту и истолковав ее как астрологическое знамение рождения Наполеона.
В начале 1900-х годов наблюдательная астрономия переживала расцвет. Удалось наблюдать сотни тысяч небесных тел.
Рис. 6.2. Снимки галактики М100 с космического телескопа Хаббла
Благодаря щедрости богатых покровителей и неустанным усилиям ряда женщин-астрономов (см. главку «Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд», с. 189–193) были составлены каталоги небесных тел с указанием их местонахождения, светимости и некоторых спектральных характеристик. Но расстояния были известны лишь для нескольких сотен ближайших звезд, а подробное строение туманностей и их удаленность от нас оставались неведомыми. Наблюдатели ушли далеко вперед, теоретикам лишь предстояло совершить прорыв.
Космологический вклад Эйнштейна
Вклад, значительно способствовавший теоретическому осмыслению природы туманностей, поступил в астрономию из Швейцарии. Марсель Гроссман был одним из выпускников швейцарской Высшей технической школы (Политехникума) в Цюрихе. В его группе готовили учителей математики и физики.
Один из приятелей Гроссмана не любил занятий и особенно царивших тогда в учебных заведениях строгих порядков, но ему удалось закончить учебу благодаря тому, что Гроссман перед экзаменами снабжал его своими записями лекций. Гроссмана и двух других однокашников оставили при Политехникуме, а их приятелю, не любившему занятий, пришлось довольствоваться временным местом учителя. В 1901 году он писал Гроссману: «Я оставил всякую мысль о поступлении в университет». Наконец, отец Гроссмана рекомендовал его приятеля начальнику патентного бюро в Берне, и в 1902 году тот получил работу технического эксперта третьего класса в Бернском патентном бюро[21]. Следующие семь лет, трудясь на должности патентного эксперта, приятель Гроссмана проявил незаурядную творческую жилку, опубликовал несколько научных статей и получил докторскую степень в Цюрихском университете. Свою диссертацию, озаглавленную «Новое определение размеров молекул», он посвятил Марселю Гроссману. На рис. 6.3 представлен сделанный примерно в 1900 году снимок (слева направо) Марселя Гроссмана, его приятеля, Густава Гайсслера и брата Марселя Геральда.
Приятелем и однокашником Марселя Гроссмана в Политехникуме был не кто иной, как Альберт Эйнштейн. Хотя Гроссман стал известным математиком, он не мог тягаться славой со своим приятелем. И все же вскоре Эйнштейну вновь понадобилась помощь Гроссмана.
Работа в патентном бюро нравилась Эйнштейну, но его интересы были гораздо шире. Со своими друзьями, философом Морисом Соловиным и математиком Конрадом Габихтом Эйнштейн создал кружок, шутливо прозванный ими «Академия Олимпия». Проходившие там беседы имели огромное значение для Эйнштейна.
Но еще большее влияние на него оказал Микеланджело Бессо. Эйнштейн пристроил его в 1904 году в патентное бюро, так что в течение нескольких лет они ежедневно вместе ходили на работу. Эйнштейн называл Бессо лучшим в Европе резонатором научных идей, а их у Эйнштейна было предостаточно. 5 год один из историков назвал эйнштейновским годом чудес. В тот год авторитетный журнал Annalen der Physik und Chemie опубликовал пять его статей, затрагивающих такие вопросы, как фотоэлектрический эффект, новый способ определения размера молекул, броуновское движение, специальная относительность и эквивалентность массы и энергии (более подробно см.: Список идей, 15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности). В статье об относительности Эйнштейн объединил ньютонову механику с максвелловым электромагнетизмом и рассмотрел последствия замены представления об абсолютном характере времени и пространстве законом постоянства скорости света.
Два года спустя Эйнштейн рассмотрел, как надо изменить ньютоново тяготение для согласования со своими представлениями об относительности. То, что он назовет «счастливейшей мыслью в моей жизни»,[22] состояло в полном отождествлении (эквивалентности) поля тяготения с соответствующим ускорением системы отсчета. Одним словом, согласно этому принципу находящийся в космическом корабле наблюдатель не в состоянии различить ускорение корабля и воздействие тяготения на основании измерений внутри корабля. Такой сплав, названный принципом эквивалентности, стал отправной точкой для общей относительности.
Дальнейшие годы знаменовались некоторыми изменениями в жизни Эйнштейна. В 1912 году его зачислили в преподавательский состав Политехникума. В научном плане в своей теории относительности он столкнулся с огромной трудностью. Ведь если все ускоренные системы отсчета тождественны, тогда для них перестает быть верной евклидова геометрия. Эйнштейн помнил, как изучал дифференциальную геометрию (геометрические соотношения между бесконечно малыми величинами) во время учебы, но детали забылись.
К счастью, одним из сотрудников Эйнштейна в Политехникуме был не кто иной, как Марсель Гроссман, ставший известным профессором математики. Гроссман помог Эйнштейну с дифференциальной геометрией и тензорным исчислением, математической дисциплиной с использованием многомерных переменных.
Эйнштейн писал [29 октября 1912 года физику Арнольду Зоммерфельду]: «За всю свою жизнь я не работал так усердно, проникшись глубоким уважением к математике, самую изысканную часть которой по своему недомыслию считал излишеством». Эйнштейн и Гроссман совместно написали в 1913 году статью, где дали почти полное описание общей теории относительности. Статья «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения» содержала ряд уравнений поля тяготения, но они еще не приобрели своего окончательного вида.
В последующие два года Эйнштейн печатает статьи, советуется с коллегами, пишет очередные статьи, вновь советуется, печатается, и 25 ноября 1915 года выходит статья «Уравнения гравитационного поля» о его общей теории относительности уже в окончательном виде. В декабре 1915 года [письмо физику Паулю Эренфесту] он говорит о себе: «Этот негодник Эйнштейн постоянно старается себе угодить. Каждый год он отказывается от того, о чем писал годом ранее». Уравнения Эйнштейна предсказывали небольшое смещение точки максимального сближения с орбиты планеты Меркурий с Солнцем (перигелий), которое не в состоянии была объяснить ньютонова теория тяготения. А раз орбита Меркурия вела себя подобным образом, значит, теория Эйнштейна блестяще согласовывалась с действительностью, в итоге привлекла к себе внимание его собратьев-ученых.
Когда принципы общей теории относительности были перенесены на всю Вселенную, некоторые коллеги Эйнштейна (особенно датский астроном Биллем де Ситтер) отметили, что согласно его теории Вселенная как таковая неустойчива в статичном положении. По уравнению Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Сообразуясь с астрономическими данными того времени (1917), Эйнштейн предположил, что у нее нет каких-либо особых мест, направлений или границ и что она в целом неподвижна. К своему огорчению, он выяснил, что для сохранения стационарности Вселенной нужно внести в уравнения дополнительный член [в виде отрицательного давления], который бы уравновешивал силу притяжения. Этот член уравнения получил название космологической постоянной. Как ни старались некоторые астрономы отговорить его от этой затеи, Эйнштейн настоял на своем.
Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд
В 1920 году перед астрономией все еще стояли две огромные задачи: определение размера Млечного Пути и природы туманностей. Главный вклад в их решение внесли Джордж Хейл и Генриетта Суон Ливитт, появившиеся на свет в 1868 году с разницей в неделю.
Джордж Эллери Хейл родился в Чикаго в состоятельной семье. Его поприще наблюдателя начиналось в далекой юности с подержанного четырехдюймового линзового телескопа. Еще студентом физического факультета Массачусетского технологического института он изобрел прибор, названный спектрогелиографом, для изучения солнечных протуберанцев и в 1890 году защитил на его основе диплом. Перенесение Хейлом физики на астрономическую почву привело к рождению астрофизики.
Однако главный вклад Хейла заключался в телескопах — больших телескопах. На первый взгляд основная задача телескопа состоит в увеличении, однако простое укрупнение нечеткого или расплывчатого изображения, по сути, ничего не дает. На самом деле главная задача телескопа — собирание как можно большего количества света и различение деталей. Чем больше телескоп, тем больше света он может собрать и тем лучше он различает два близко расположенных источника света.
Свои недюжинные организаторские и пробивные способности Хейл направил на строительство крупнейшего в мире телескопа. В этом деле ему сопутствовала удача. Построенные Хейлом телескопы три раза оказывались крупнейшими в мире. Второй телескоп Хейла был назван в честь лос-анджелесского предпринимателя Джона Д. Хукера, пожертвовавшего деньги на покупку зеркала. Этот телескоп с поперечником 2,5 м был установлен на горе Маунт-Вилсон, возвышающейся над Лос-Анджелесом, и вступил в действие в 1918 году.
Хейл не только добывал деньги и контролировал установку телескопа Хукера, он укомплектовал Маунт-Вилсоновскую обсерваторию блестящими исследователями, включая двух новоиспеченных докторов философии: Харлоу Шепли (окончившего Принстонский университет в 1914 году) и Эдвина Хаббла (окончившего Чикагский университет в 1917 году); о них речь впереди. В 1928 году Джордж Хейл увольняется из Маунт-Вилсоновской обсерватории, сославшись на переутомление и желание вернуться к собственным изысканиям. Передышка длилась недолго. Вскоре он приступает к разработке и выбиванию средств для другого большого телескопа, с поперечником в 5 м, на горе Паломар в Калифорнии. Хейл умер в 1938 году. Пятиметровый телескоп был завершен спустя десять лет и назван в его честь (на протяжении почти 40 лет телескоп Хейла заслуженно считался крупнейшим в мире).
Генриетта Ливитт тоже родилась в 1868 году, тоже еще в юности увлеклась наукой и тоже поступила в массачусетское учебное заведение. В 1892 году она заканчивает Радклифский колледж[23], в ту пору еще Общество преподавания наук женщинам. На последнем курсе Ливитт увлеклась астрономией и после окончания учебы поступила на другое отделение. Тяжелая болезнь лишила ее слуха, но тяга к астрономии не пропала. В 1895 году она стала одной из «вычислительных машин» Эдуарда Пиккеринга в обсерватории Гарвардского колледжа.
Эта женская группа проводила расчеты и изучала данные снимков в целях «сбора фактов», как выражался Пиккеринг. Поначалу Ливитт работала на добровольных началах, но после обретения навыков в определении светимости звезд по стеклянным негативам спустя семь лет ее взяли на полный рабочий день (со ставкой 30 центов в час, что по курсу 2003 года соответствует 6 долларам).
Представительницы «пикеринговского гарема», как ласково величали женщин, не были самостоятельными исследователями. Они делали то, что им скажут. Нудная, но важная работа Ливитт состояла в составлении списка весьма необычных звезд, обнаруженных в Малом Магеллановом облаке, размытого светового пятна, напоминающего кусок, отколотый от Млечного Пути. Малое и Большое Магеллановы облака хорошо знакомы наблюдателям Южного полушария. Они названы в честь Фернана Магеллана (1480–1521), в 1519 году во время своего кругосветного путешествия видевшего их [описал же их историограф и участник экспедиции Антонио Пигафетта (1480/1491—1534?). Полный список его дневниковых записей был обнаружен в Милане и впервые опубликован в 1800 году]. В Магеллановых облаках Ливитт обнаружила 1777 звезд, их светимость периодически менялась от яркого блеска до тусклого и обратно.
Звезды с переменной светимостью называют цефеидами — по созвездию Цефей, где их впервые обнаружили. Периоды изменения светимости у цефеид колеблются от одного до ста дней. Старательно сравнивая сделанные в различное время снимки, Ливитт выявила четкую зависимость: более ярким звездам соответствуют более продолжительные периоды. На основе этой зависимости, названной период-светимость зависимостью, через светимость и период ее изменения у цефеид можно определить их удаленность от Земли. Однако исследовательница не стала привлекать этот многообещающий способ измерения расстояний к решению каких-либо астрономических задач. Она, которая, по мнению одной из ее сослуживиц, «обладала лучшими мозгами в обсерватории», напечатала о найденной ею зависимости период-светимость в 1912 году и принялась за очередную поставленную перед ней задачу. Она продолжала трудиться в Гарвардской обсерватории до самой кончины в 1921 году. Ее смерть была воспринята сослуживцами как «бедствие».
Выдающийся датский астроном Эйнар Герцшпрунг оценил значение открытой Ливитт зависимости период-светимость ив 1913 году использовал ее при определении расстояния до Малого Магелланова облака. Харлоу Шепли тоже привлек данный способ в Маунт-Вилсоновской обсерватории при нахождении расстояния до другого ряда звездных скоплений, именуемых шаровыми. При трехмерном построении местонахождения шаровых скоплений выяснилось, что центр их распределения удален от нашей Солнечной системы на 15 тыс. пк (позже эту величину снизили до 9 тыс.). Шепли пришел к выводу, что центр распределения шаровых скоплений совпадает с центром Млечного Пути. И тогда получалось, что общая величина Млечного Пути составляет 100 тыс. пк, что оказалось существенно выше прежних оценок. Затем изучение «новой звезды» (впервые вспыхнувшей звезды) в туманности Андромеды позволило Шепли оценить расстояние до нее в 10 тыс. пк. Таким образом, представленная Шепли картина Вселенной указывала на то, что перед нами одна обширная Галактика, Млечный Путь, а наша Солнечная система находится вдали от ее центра.
Одна большая Галактика или многочисленные обособленные галактики
Различие между предлагаемой Шепли моделью Млечного Пути и более привычной моделью оказалось в центре внимания на состоявшемся в 1920 году собрании Национальной академии наук в Вашингтоне (округ Колумбия). Туда для вступительного доклада в честь [чикагского промышленника] Уильяма Эллери Хейла (ум. 1898) (отца Джорджа Хейла) был приглашен молодой Харлоу Шепли (рис. 6.6). Однако вместо привычного изложения доклад обернулся дискуссией. Содокладчиком Шепли выступил Хебер Кертис (рис. 6.7), сотрудник обсерватории Лика, который только что завершил свои наблюдения за спиральными туманностями.
Темой их дискуссии стал «масштаб Вселенной». Кертис отстаивал устоявшийся взгляд: Млечный Путь составляет в поперечнике всего лишь 10 тыс. пк, а Земля расположена вблизи его центра. Заключая свое выступление, Кертис отошел от обозначенной темы и рискнул предположить, чтоспиральные туманности (так они назывались в то время) находятся очень далеко и составляют отдельные галактики (сегодня мы знаем, что это спиральные галактики). Хоть Шепли и не был готов к такому повороту, он утверждал, что спиральные туманности представляют собой небольшие газовые облака внутри нашей Галактики, и в качестве свидетельства привел недавние наблюдения своего сослуживца и друга Адриана ван Маанена из Маунт-Вилсоновской обсерватории. Кертис отверг работу ван Маанена, посчитав ее несущественной. Действительно, позже выяснилась ошибочность наблюдений ван Маанена.
Дискуссия не выявила победителя и даже не получила достаточного отклика, но идея Шепли о более обширном Млечном Пути с удаленной от его центра Землей, похоже, привлекла внимание общественности. Дома, в Маунт-Вилсоне, сослуживец Шепли Эдвин Хаббл не скрывал своих симпатий к Кертису. Хаббл и Шепли никогда не ладили, поскольку Шепли работал над программой, на которую имел виды Хаббл, когда отправлялся во Францию на поля сражений Первой мировой войны. К тому же британская манерность Хаббла, постоянное напоминание о своей учебе за границей благодаря стипендии Родса[24] раздражали Шепли. Их соперничеству пришел конец в 1921 году. Умер Эдуард Пиккеринг, и Харлоу Шепли покинул Маунт-Вилсон, чтобы возглавить в том же году Гарвардскую обсерваторию. Хаббл все внимание направил на М31, где, как он думал, сумеет различить отдельные звезды и, пожалуй, даже определить их удаленность от Земли. 2,5-метровый телескоп Хукера не отпускал от себя.
Вселенная галактик
За долгие, холодные ночи бдения у телескопа Хаббл (на рис. 6.8 он запечатлен за работой) наконец был вознагражден. В ночь с 5 на 6 октября 1923 года он отыскал первую переменную звезду-цефеиду в туманности М31. С помощью открытой Генриеттой Ливитт зависимости период-светимость для цефеид и построенного Джорджем Хейлом телескопа Хаббл определил расстояние до М31 (ныне известной как туманность Андромеды), составившее 300 тыс. пк. Даже с учетом раздутого Шепли поперечника для Млечного Пути М31 оказалась слишком удаленной, чтобы уместиться в нашей Галактике.
Представление об «островной Вселенной» теперь нашло опытное подтверждение. Оказалось, что существует два различных вида цефеид, так что Хаббл на самом деле даже уменьшил расстояния. Современная оценка удаленности М31, туманности Андромеды, составляет 750 тыс. пк. Благодаря Хабблу рисуемый астрономией образ Вселенной претерпел значительные изменения. Млечный Путь стал лишь одной из многочисленных галактик, рассеянных среди огромных просторов мироздания.
Затем Хаббл применил телескоп Хукера для решения задачи по выявлению подробного устроения галактик. На протяжении нескольких лет Хаббл наблюдал за расплывчатыми световыми пятнами, которые доставляли столько хлопот Мессье при выслеживании комет. Он выяснил, что многие из них в действительности представляют собой звездные галактики. Обнаружив спиральные, линзовидные, эллиптические и неправильные галактики, он классифицировал их по внешнему виду. Их чертеж он напечатал в виде, названном камертонным. К 1929 году значимость вклада Хаббла в астрономию подкрепили его доказательства удаленности галактик и проведенная классификация. Однако Хабблу предстояла еще более грандиозная работа.
Определение скорости галактик
Для уяснения высшего достижения Хаббла необходимо взглянуть на известное явление с иной стороны. Вспомним себя едущими по скоростной автотрассе, когда мысли заняты совсем другим. Вдруг сзади раздается звук, и в зеркале заднего вида вы различаете сигналящую вам полицейскую машину.
Вы смотрите на спидометр. Сейчас ваша скорость в пределах нормы, но какой она была 100–200 м назад, когда вы проезжали мимо патруля? К вашему большому облегчению, полицейская машина проносится мимо. Но вы замечаете нечто странное. Звук сирены был резче при приближении патруля, чем при его удалении.
И это вовсе не игра вашего воображения, а действительно наблюдаемое явление, именуемое эффектом Доплера. При испускании звуковой волны движущимся источником покоящийся наблюдатель воспринимает ее с различной частотой: при приближении источника звука к приемнику высота звука растет, а при удалении — понижается. То же происходит, когда мимо вас проносится поезд, гоночный автомобиль или над вами пролетает самолет. Чем быстрее движется источник звука, тем явственнее у него частотный сдвиг.
Доплеровский эффект присущ и свету. При приближении светового источника к наблюдателю его спектр смещается в область более высоких частот, что именуют фиолетовым смещением; при удалении источника его спектр смещается в область меньших частот, что называют красным смещением. Поскольку нашим органам чувств недоступны очень большие скорости, доплеровский эффект у света мы не замечаем. Но посредством регистрирующих частотные сдвиги спектрометров ученые могут вычислить скорость светового источника. На Земле синоптики используют доплеровский радиолокатор для определения скорости перемещения атмосферного фронта, а полицейские — для выяснения, насколько быстро мы едем. В астрономии доплеровский эффект позволяет определить скорость звезд или даже целых галактик.
Первым астрономом, воспользовавшимся доплеровским сдвигом, был Весто Слайфер, проработавший всю жизнь, с 1901 по 1952 год, в Обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе (штат Аризона). В 1912 году, помимо поисков на Марсе каналов в соответствии с задумкой богатого астронома-любителя Персиваля Лоуэлла, Слайфер стал измерять доплеровское смещение у спиральных туманностей еще до того, как в них признали галактики. У первой же туманности, М31, чье смещение он определил, скорость оказалась невероятной — 300 км/с. У нее наблюдался фиолетовый сдвиг, что указывало на приближение М31 к нам. К 1917 году Слайфер измерял скорость 15 спиральных туманностей, выяснив, что у 13 красное смещение, а это означало их удаление от нас со скоростью в некоторых случаях больше 300 км/с, как отмечалось у М31. Последствий такого сумасшедшего бегства от Солнечной системы в то время еще до конца не представляли, хотя следовало бы задуматься над причинами такой явной непопулярности нашей системы.
Здесь и сказал свое слово Хаббл. При определении скорости галактик Хаббл опирался на доплеровские сдвиги, найденные Слайфером и сослуживцем Хаббла — Милтоном Хьюмасоном, которому удалось измерить скорость разбегания 800 галактик. Хьюмасон начинал работу в Маунт-Вилсоновской обсерватории водителем грузовика, затем стал ночным сторожем, помощником астронома и, наконец, наблюдателем и соавтором Хаббла, вместе они написали ряд важных статей. Недурно для человека с четырьмя классами образования!
Хаббл приступил к определению расстояний до галактик, скорости которых вычислили Слайфер и Хьюмасон. Подход Генриетты Ливитт с использованием светимости цефеид был точен для ближайших галактик, но не годился для более дальних. Цефеиды в таких галактиках были едва различимы. Хаббл изобрел новый способ определения расстояния на основе выделения наиболее яркой звезды галактики. Метод ярчайших звезд позволял оценить расстояние почти до всех галактик из списка Слайфера. Для оставшихся галактик Хаббл при определении расстояния взял за основу общее количество излучаемого ими света.
Наблюдение расширения
Для выяснения зависимости расстояния от скорости Хаббл вычертил кривую этой зависимости (рис. 6.9). Без учета разброса измерений зависимость оказалась линейной. Одним словом, чем удаленнее галактика, тем быстрее она движется. Строго говоря, данная зависимость относилась лишь к выбранным Хабблом галактикам. Однако из нее следовал весьма неожиданный вывод: Вселенная как единое целое расширяется.
Рис. 6.9. Исходная кривая Хаббла, отражающая зависимость скорости от расстояния
Чтобы понять, как это происходит, прибегнем к более наглядному сравнению. Вообразим себе космический марафон. После начала забега одни участники бегут со скоростью 4 мили в час, другие — 3, а третьи — 2 мили. Через час бегущие со скоростью 4 мили покроют расстояние в 4 мили со скоростью 3 и 2 мили соответственно, так что получится кривая, построенная Хабблом. Заметим, что с точки зрения любого бегуна все другие от него удаляются.
Линейная зависимость между скоростью разбегания и расстоянием ныне носит имя Хаббла. Хотя полученные Хабблом значения расстояний были впоследствии уточнены, сделанные им выводы остаются верными. Вселенная состоит из звездных галактик, она огромна и расширяется. На рис. 6.10 можно увидеть и Эдвина Хаббла, и Альберта Эйнштейна.
Когда Эйнштейн ознакомился с работой Хаббла, он исключил космологическую постоянную, введенную им в уравнения общей теории относительности для придания Вселенной стационарного вида, назвав этот показатель «самой грубой ошибкой своей жизни». Как мы увидим, космологическая постоянная может вернуться в качестве возможного решения крупнейшей не решенной астрономией загадки.
Обнаружение темной материи
Теоретики вскоре поняли, что если расширение Вселенной с ее галактиками вернуть в прошлое, то окажется, что на ранней ступени все вещество и энергия Вселенной находились в очень плотном состоянии. Получившуюся теорию сторонник совсем иного взгляда Фред Хойл [в одном из выступлений по радио в 1950 году] насмешливо назвал большим хлопком. Однако это название благодаря экспериментальному подтверждению так и закрепилось за теорией (см.: Список идей, 16. Большой взрыв).
Примечательно, что огромное расхождение в отношении масс галактик обнаружили вскоре после обнародования зависимости Хаббла [ «красное смещение спектральных линий — расстояние»] и удаления из расчетов космологической постоянной Эйнштейна, но этот вопрос обходили стороной почти 40 лет. Еще более поразительно, что астроном, впервые заметивший эту несообразность, оказался выпускником цюрихского Политехникума, подобно Эйнштейну, и всю жизнь проработал в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе — Caltech), Маунт-Вилсоновской и Маунт-Паломарской обсерваториях, как и Хаббл.
Его звали Фриц Цвикки. Родившись в Болгарии в 1898 году, Цвикки 6-летним ребенком переехал жить в Швейцарию к дедушке с бабушкой, так и оставшись навсегда гражданином Швейцарии. Не попав на Первую мировую войну по малолетству, Цвикки изучал теоретическую физику в Политехникуме и в докторской диссертации 1922 года использовал законы квантовой механики для изучения кристаллов. В 1925 году Цвикки по Рокфеллеровской стипендии[25] поехал в США, выбрав местом занятий Калифорнийский технологический институт, поскольку предгорья Пасадены хоть как-то походили на его Альпы. Вопреки ожиданиям своего попечителя Роберта Э. Милликена вместо квантовой механики Цвикки увлекся астрономией. Он стал работать с другим немецкоговорящим астрономом Вальтером Бааде. В начале своего научного пути Цвикки изучал скопление галактик, известное как Волосы Вероники, и обозначенное Мессье номером М100.
С помощью доплеровских методов, впервые предложенных Весто Слайфером и опробованных в Маунт-Вилсоновской обсерватории Милтоном Хьюмасоном, Цвикки определил скорости восьми галактик в созвездии Вероники и оценил массу, необходимую для удержания этих галактик полем тяготения внутри самого скопления. Затем он сравнил полученную массу с величиной массы всего скопления, рассчитанной на основе исходящего от него света. Оказалось, что для удержания скопления от разлетания необходима значительно большая масса. Недостающую массу Цвикки назвал темной материей.
По его расчетам выходило, что в созвездии Вероники темной материи значительно больше, чем обыкновенного вещества. Столь тревожного вывода другие астрофизики не замечали почти 40 лет, возможно, из-за того, что он прозвучал на немецком языке в неприметном журнале Helvetica Phisica Ada. Статья называлась «Красное смещение внегалактических туманностей».
За долгие годы плодотворной деятельности Цвикки выдвинул множество остроумных идей, которые отстаивал с завидным упорством. Для одних это был человек блестящего ума, для других — грубиян. У каждого, кто встречался с Фрицем Цвикки (рис. 6.11), складывалось о нем свое мнение. Пожалуй, приветствие, которым он зачастую встречал гостей в Калифорнийском технологическом институте: «Кто же вы, черт возьми!» — можно адресовать и темной материи. Как бы то ни было, некоторое время темная материя не очень-то сказывалась на делах астрономических.
Следующий важный вклад в 1970 году внесли Вера Рубин и У. К. Форд, первыми изучившие вращение М31 (туманности Андромеды), а затем еще более 60 спиральных галактик. Выяснилось, что все эти галактики вращаются с большей скоростью, чем способна обеспечить их видимая масса, что свидетельствовало о существовании скрытой массы. По мере роста поступающих данных стало невозможно обходить этот вопрос. Темная материя заявляет о своем существовании, причем ее почти в 10 раз больше обыкновенной светящейся (видимой) материи — до тех пор, пока мы не пересмотрим наши представления о тяготении (но об этом дальше).
В темноте рассуждать о темной материи
Рассматриваются три различных способа в объяснении природы темной материи: барионная темная материя, не-барионная темная материя или возможное недопонимание тяготения.
Барионная темная материя. Строго говоря, барионами являются только протоны и нейтроны (см. гл. 2), но астрономы в состав барионной темной материи включают и электроны. Все дело в том, что такая темная материя состоит из хорошо известных частиц, но ее излучение недостаточно для обнаружения.
Примером темной барионной материи могут служить:
♦ Обыкновенное вещество. Гелиевые и водородные облака, рассеянные в межгалактическом пространстве, считаются обыкновенной темной материей.
MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects), массивные астрофизические компактные галообъекты. Состоят из тел во внешнем окружении галактик (гало — короны), обладающих массой, но ввиду малых размеров или слабого излучения мы не в состоянии их обнаружить. Представители таких тел:
♦ Коричневые карлики размером примерно с Юпитер или наименьшую звезду, но тяжелее Юпитера в 80 раз. Эти объекты формировались одновременно со звездами и планетами, но из-за недостаточной для запуска механизма ядерного синтеза массы они просто медленно остывают, излучая энергию, слишком малую, чтобы наши датчики ее обнаружили.
♦ Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры — это все, что осталось от существовавших некогда звезд малой, средней и большой массы, и у них слишком слабое (либо отсутствующее вовсе, как у черных дыр) для регистрации излучение.
Для поиска МАСНО привлекают эффект гравитационной линзы, когда свет от далеких звезд изгибается в присутствии МАСНО, что косвенно указывает на их наличие. Результаты измерений в Млечном Пути свидетельствуют о наличии нескольких МАСНО во внешней области короны нашей Галактики, но этого мало для учета всей темной материи.
Небарионная темная материя. Небарионная темная материя состоит из частиц, отсутствующих в известном на сегодняшний день списке обладающих массой покоя элементарных частиц. Возможна как холодная, так и горячая небарионная темная материя.
♦ Холодная темная материя. Такая материя состояла бы из крайне тяжелых, медленных частиц. Эти частицы получили название слабовзаимодействующих элементарных частиц с неравной нулю массой покоя (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles). Ни одна из них не была пока обнаружена, но существование некоторых таких частиц вытекает из теорий, объясняющих механизм появления массы у элементарных частиц (см. гл. 2). Холодная темная материя могла бы включать:
— фотино, или суперсимметричных партнеров фото нов с массой, превышающей массу протонов в 10-100 раз;
— аксионы, гипотетические частицы, призванные объяснить отсутствие определенного свойства у ней тронов, а также наблюдаемую асимметрию Вселен ной;
— кварковые комья, представляющие собой необычное, пока еще не наблюдавшееся сочетание шести кварков (см. гл. 2).
♦ Темная горячая материя. Эта материя состоит из легких быстродвижущихся частиц. Самый подходящий соискатель на это место — нейтрино. Поначалу нейтрино считали частицей с нулевой массой покоя, но недавние опыты свидетельствуют, что они могут обладать небольшой такой массой. Сколько бы ни было нейтрино во Вселенной, их совокупная масса, похоже, слишком мала, чтобы как-то решить вопрос с темной материей.
Недопонимание тяготения. Галактики все еще представляют в виде скопления частиц, подчиняющихся законам Ньютона. Несмотря на то что теория тяготения выдержала проверку временем, новые опыты могут заставить внести в них изменения для межгалактических расстояний.
Прогнозирование будущего Вселенной
При всей сложности нерешенной проблемы темной материи не она является крупнейшей проблемой, с которой сегодня приходится иметь дело астрономии. Возникла эта проблема в конце 1990-х годов в ходе изучения космологами развития Вселенной с теоретических позиций. На пространственно-временной схеме эволюции Вселенной четко просматривается несколько возможностей ее дальнейшей судьбы (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Расстояние между галактиками во Вселенной в зависимости от времени
Представить движение Вселенной можно на примере подбрасывания мяча в воздух. Если подбросить его достаточно резко, то мяч высоко взмоет в небо, замрет на какой-то миг и затем упадет к вам в руки. Нечто подобное происходило бы в замкнутой Вселенной. Возвращение мяча вызвано силой тяготения, благодаря массе Земли, достаточно большой, чтобы вернуть мяч обратно. Теперь подбросим мяч, находясь на небольшом астероиде. Если астероид невелик, то пущенный с определенной скоростью мяч может и не вернуться на него, преодолев его силу тяготения. Такое положение соответствовало бы открытой Вселенной. Если же вы окажитесь на небесном теле с подходящей массой, мяч начнет удаляться бесконечно далеко, причем скорость его будет стремиться к нулю. Такое состояние характерно для плоской Вселенной.
Итак, вопрос об эволюции Вселенной, похоже, стоит так: хватит ли массы у нее для удержания от непрестанного расширения? Главным фактором эволюции Вселенной является величина совокупной плотности ее вещества и энергии, а необходимость учета обеих величин определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е= mс2 (см. гл. 2).
Плотность вещества (энергии) обычно выражается величиной омега, равной приведенной плотности вещества (энергии) (по отношению к критической плотности). Омега, равная единице в случае совпадения плотности вещества (энергии) с критическим значением плотности, указывает на расширение Вселенной со все уменьшающейся скоростью, и через бесконечное время на бесконечном удалении она уже не будет ни расширяться, ни сжиматься. Этот случай характерен для Вселенной с критической плотностью. Если масса определяет геометрию времени-пространства, критической плотности соответствует плоская Вселенная, где сохраняется параллельность линий и справедлива евклидова геометрия.
Если омега больше единицы, значит, расширение Вселенной будет замедляться еще быстрее и, достигнув предельных размеров, она начнет стягиваться, пока не произойдет «большого сжатия». Данный случай описывает поведение замкнутой Вселенной, где параллельные линии начнут сходиться.
Если омега меньше единицы, Вселенная будет вечно расширяться со слегка замедляющейся скоростью. Данный случай описывает поведение открытой Вселенной, где параллельные линии начнут расходиться.
Согласно видимой материи (энергии) омега значительно меньше единицы, что свидетельствует об открытой Вселенной. Современные оценки количества темной материи во Вселенной дают существенную прибавку массы, однако получаемая совокупная величина уступает критической плотности. Согласно значениям видимой и темной материи Вселенная открыта независимо от возможного состава темной материи. Вопрос, стало быть, снят? Не тут-то было.
Столкнувшись с неожиданным: ускорение Вселенной
В начале 1990-х годов две разные группы ученых занялись измерением расстояния до сверхновых звезд (см. гл. 3) в надежде определить замедление Вселенной нахождением ее нынешней скорости расширения, которая, по их мнению, должна была падать со временем. Но нашли они не то, что искали: вместо замедления получили ускорение. Ученые были столь удивлены, что, боясь ошибиться, несколько раз перепроверили свои результаты и лишь затем их обнародовали.
Прежде чем приступить к изучению этих данных, посмотрим, что ученые пытались сделать. Ведь, как мы помним, затруднение Хаббла при определении расстояний до удаленных галактик вызывалась тем, что переменные звезды-цефеиды у таких галактик оказывались слишком тусклыми. Поэтому вполне разумно было отыскать более яркие объекты с известной светимостью, после чего вычислить расстояние до них на основе их относительной светимости. При всей яркости сверхновых звезд светимость зависит от их массы. Один вид сверхновых связан со звездой постоянной массы, а поэтому и известной светимости. Подобное происходит, когда белый карлик получает дополнительную массу от звезды-спутника, и этой массы достаточно, чтобы превысить предел для массы белого карлика (в 1,4 раза больше массы Солнца).
Тогда белый карлик взрывается, становясь сверхновой звездой типа 1а. Ввиду своей чрезвычайной светимости сверхновые типа 1а легко различимы в отдаленных галактиках. Такие сверхновые взрываются с одной и той же светимостью, так что расстояние до них можно вычислить, измеряя их видимый блеск: чем он слабее, тем она дальше. Трудность данного подхода связана с тем, что сверхновые типа 1а сохраняют свою максимальную яркость лишь в течение нескольких недель.
В 1998 году в рамках проекта космологии сверхновых звезд Калифорнийского технологического института и Международного консорциума по поиску сверхновых с большой Z[26] [величиной красного смещения] исследовались различные сверх новые типа 1а вблизи максимума их яркости и определялись их расстояния. С помощью метода доплеровского сдвига, впервые предложенного Весто Слайфером, они определили красные сдвиги галактик, где находились сверхновые, и сравнили полученные величины со значениями, получаемыми с применением зависимости Хаббла. Измерения показали, что эти отдаленные сверхновые обладают значительно меньшим блеском, чем указывает зависимость Хаббла. А поскольку свету от вспыхнувших сверхновых пришлось добираться к нам 4–8 млрд лет, измерения свидетельствовали, что сегодня Вселенная расширяется значительно быстрее прежнего. Иначе говоря, ее расширение идет с ускорением.
На следующий год обнаружили еще более удаленную сверхновую. Оказалось, что это самая далекая из когда-либо наблюдавшихся звезд, и свет от нее шел 11 млрд. лет. Блеск ее оказался выше расчетного. Получалось, что 11 млрд. лет назад происходило замедление ранней Вселенной из-за сил тяготения. Но 4–8 млрд. лет назад она стала ускоренно расширяться, а галактики — разбегаться со всевозрастающей скоростью.
Из этого измерения следовал неумолимый вывод: какова бы ни была причина нынешнего ускоренного расширения Вселенной, оно было менее заметным или даже вовсе отсутствовало на ранней стадии ее эволюции. Оно стало заметным, когда Вселенная миновала пик своей эволюции, и с той поры возраст определяет ее поведение.
Такое положение вещей сродни ситуации, когда водитель замедляет скорость при виде красного света светофора, чтобы при появлении зеленого света нажать на газ.
В темноте рассуждать о темной энергии
Что это за штука, вызывающая подобное космологическое ускорение? Мы не знаем, но уже дали ей название. Недостающую массу (энергию) никогда не видели, поэтому она темная. А раз она противодействует тяготению, то не может обладать привычной для нас массой. Астрофизик из Чикагского университета Майкл Тернер окрестил ее в 1999 году темной энергией.
Благодаря ряду различных опытов у нас есть оценка величины этой неведомой темной энергии, пусть даже мы и не знаем, что она собой представляет. Несколько опытов ставилось с целью выяснить общие геометрические свойства пространства и определить, открытая, плоская или замкнутая наша Вселенная. Фоновое микроволновое излучение, заполняющее ее всю, осталось от начального «большого взрыва». В течение первых 400 тыс. лет после этого взрыва Вселенная была еще столь горячей, что представлялась непроницаемой для электромагнитного излучения. Затем, остыв, она стала испускать электромагнитные волны. На протяжении 400 тыс. лет эти волны способны были преодолевать лишь ограниченное расстояние, так что все флуктуации в излучении были ограничены по величине. Но с тех пор флуктуации исказились ввиду искривления пространства. Измерение величины минимальных температурных флуктуации в самом излучении дает возможность определить общую кривизну пространства. Для измерения этих флуктуации были задействованы высотные воздушные шары и датчик наверху метеорологической станции на Южном полюсе. В рамках экспериментов «Бумеранг», «Максима» и «Дейси» удалось изучить эти флуктуации и определить, что пространство Вселенной — плоское (евклидово): Ω = 1 ±4 % (рис. 6.13).
У плоской Вселенной Ω = 1, так что плотность в точности должна совпадать с критическим значением. Поскольку обычное вещество и темная материя вместе составляют 27 % критической плотности массы (энергии), для обеспечения плоского характера геометрии Вселенной оставшиеся 73 % должны приходиться на темную энергию. Данная теория оставляет смешанное чувство: мы можем оценить количество темной энергии, блуждая в потемках по поводу ее природы.
Вот какую картину рисуют эти данные: после первоначального резкого раздувания (инфляции) Вселенная перешла к расширению, и скорость уменьшилась под действием материи (обычной и темной). На ранних стадиях эволюции темная энергия почти не проявляла себя, так как была столь равномерно распределена по Вселенной, что не вмешивалась в формирование галактик и туманностей.
Рис. 6.75. Флуктуации фонового микроволнового излучения, определяющие общую кривизну пространства. На верхнем снимке представлены опытные данные; нижние снимки представляют собой три возможных распределения флуктуации с двухмерными изображениями пространственно-временной кривизны. Слева направо представлены случаи замкнутой, плоской и открытой Вселенной. Данные более всего согласуются со случаем плоской Вселенной
Спустя несколько миллиардов лет верховенство перешло к темной энергии, и она стала своим отрицательным давлением противодействовать силе тяготения, ускоряя тем самым расширение Вселенной. В настоящее время темная энергия слегка пересиливает тяготение, но с увеличением расширения Вселенной все большие расстояния будут способствовать дальнейшему ослаблению тяготения. Преобладание темной энергии будет становиться все более заметным, вызывая еще более ускоренное расширение Вселенной.
Решение головоломки: где, когда, как и кто?
С точки зрения теории существует несколько возможностей учета темной энергии:
Возвращение космологической постоянной Эйнштейна. Будет забавно, если окажется невозможным обойтись без «самой крупной ошибки» Эйнштейна. Ведь правильно подобранная космологическая постоянная отразит противодействие тяготению в виде отрицательного давления, вызывающего ускоренное расширение Вселенной в согласии с опытными данными. Но если космологическая постоянная представляет собой энергию нулевых колебаний вакуума (представление квантовой механики, связанное с принципом неопределенности Гейзенберга), она получается на 120 порядков выше, и надо ее каким-то образом уменьшать. Добавление зависящего от времени члена к эйнштейновским уравнениям поля. Если бы некоторая величина в уравнениях Эйнштейна менялась во времени, она могла бы объяснить незначительное влияние темной энергии для ранней Вселенной и последующее усиление ее роли. Хотя теоретики предпочитают простые уравнения по возможности с малым числом регулируемых параметров, надо рассмотреть и такой, менее изящный выход из положения.
Допущение изменения во времени фундаментальных величин, ранее считавшихся постоянными. Возможно, скорость света или постоянная тяготения менялись со временем. Исследования в этом направлении продвигаются с трудом и дают противоречивые результаты. Добавление пятого, еще не выявленного взаимодействия. Данное взаимодействие получило название «квинтэссенция» и представляет собой еще не выявленное поле отрицательной энергии, пронизывающей все пространство. Схожее представление связано со спиновым полем, именуемым спинтэссенцией. Допущение гипотетических частиц под названием аксионы. Если аксионы существуют, то фотоны могут генерировать аксионы, а затем опять становиться фотонами, вызывая изменения в светимости звезд. Другая возможность состоит в том, что аксионы каким-то образом связывают друг с другом темную материю и темную энергию. Аксионы — необычные частицы, возможно, имеющие отношение к вопросу о происхождении массы элементарных частиц Вселенной (см. гл. 2).
♦ Допущение возможности существования множественных вселенных. Возможно, квантовая пена породила много вселенных, и мы обитаем в одной из них. Другие все ленные вполне могут обладать иной величиной сил взаимодействия, иными постоянными или даже совершенно иными физическими законами. Наша приютила жизнь, благодаря чему мы можем рассуждать о ее природе.
♦ Взаимодействие мембраны, содержащей нашу Вселенную, с мембранами, содержащими иные вселенные. В случае истинности одной из теорий относительно источника массы у частиц (см. гл. 2), включающих недоступные ощущениям многочисленные размерности, возможно, мембрана, на которой пребывает наша Вселенная, взаимодействует с другими мембранами посредством тяготения. Тогда мембраны могли бы сталкиваться, что заставило бы нас пересмотреть все прежние теории относительно эволюции Вселенной.
Где, когда и как. Помимо теоретических разработок планируется проведение ряда опытов по выяснению природы и величины темной энергии и темной материи.
♦ Космический телескоп Джеймса Уэбба. В 2010 году на мечено заменить космический телескоп Хаббла другим, более мощным. Если вспомнить, сколькими успехами мы обязаны телескопу Хаббла, от его преемника следует ожидать еще более ощутимых результатов.
Спутник Планка. Европейское управление космических исследований готовит запуск спутника для проведения более точных по сравнению с сегодняшними измерений флуктуации реликтового излучения. Запуск намечен на начало 2007 года.
♦ Слоуновский цифровой обзор неба. В рамках этого грандиозного проекта, уже претворяемого в жизнь, с помощью 2,5-метрового телескопа [обсерватории Апачи-Пойнт[27], штат Нью-Мексико] проводится нанесение координат галактик одной четверти видимого неба. Будет охвачено более 100 млн галактик.
♦ SNAP (SuperNova/Acceleration Probe). В рамках данного проекта намечен запуск космического телескопа, который на протяжении трех лет смог бы регистрировать до 2 тыс. сверхновых типа 1а в год. Заработать он должен не позднее 2006 года.
♦ Обзор красных смещений галактик, расположенных в телесном угле размером 2°. Данный обзор осуществляется с помощью англо-австралийского 3,9-метрового теле скопа в обсерватории Сайдинг-Спринг австралийского штата Новый Южный Уэльс. Им будет охвачено более 250 тыс. галактик. Наблюдение уже ведется, и свежие данные размещаются на узле www.аао. gov.au/2df.
Кто. В марте 2000 года Национальная академия наук США создала Комитет по физике Вселенной, перед которым поставлена задача — обеспечить взаимодействие астрономии и физики с целью преодоления привычных представлений и изучения новых возможностей на стыке обеих отраслей знаний. В своем отчете комитет подчеркивает «глубокую связь… между кварками и космосом» и предлагает «стать посредником в изучении физики Вселенной с участием Министерства энергетики, НАСА и Национального научного фонда[28]. Члены Комитета по физике Вселенной и те, кто может помочь в этом деле:
Майкл Стенли Тернер (Чикагский университет, председатель);
Роджер Дэвид Бландфорд (Калифорнийский технологический институт);
Сандра Мур Фейбер (Калифорнийский университет, Санта-Крус);
Томас К. Гайссер (Делавэрский университет);
Файона Энн Харрисон (Калифорнийский технологический институт);
Джон Питер Хачра (Гарвардский университет);
Хелен Р. Куинн (Стэнфордский центр линейного ускорителя);
Р. Дж. Хамиш Робертсон (Вашингтонский университет);
Бернар Садуле (Калифорнийский университет, Беркли);
Фрэнк Дж. Скиулли (Колумбийский университет);
Дэвид Натаниел Спергел (Принстонский университет);
Дж. Энтони Тайсон [научно-исследовательский центр «Bell Laboratories»] компании Lucent Technologies;
Фрэнк Энтони Вилчек (Массачусетский технологический институт);
Клиффорд Мартин Уилл (Вашингтонский университет);
Брюс Д. Уинстейн (Чикагский университет);
Филип Джеймс Эдвин Пиблз;
Джон Баколл;
Джереми Острикер;
И. У. «Рокки» Колб.
Вселенная походит на подарок, принесенный кем-то на вечеринку. Подарок довольно темен и завернут в темную бумагу, но зато украшен блестящей тесьмой затейливых расцветок и узоров.
Так и мы: настолько поглощены яркой тесьмой видимой материи во Вселенной, что до сих пор почти ничего не ведаем о таящейся внутри темной материи и темной энергии.
Мы только начинаем трясти коробку.
Что мы услышим?
Список проблем
Теперь я подозреваю, что Вселенная не только более необычна, чем мы себе воображаем, — она более необычайна, чем мы себе можем вообразить.
Дж. В. Холдейн
Ограничить число нерешенных наукой проблем — то же самое, что заставить полноводную Миссисипи течь сквозь садовый шланг.
В действительности, помимо затронутых нами пяти крупнейших не решенных наукой задач, внимания и усилий ученых требует множество иных проблем. Некоторые из них, возможно, оспорят или даже в итоге оттеснят нашу пятерку.
В данном разделе перечислены и бегло рассмотрены некоторые иные не решенные наукой задачи.
Узнать о них больше можно из других источников (см. раздел «Источники для углубленного изучения» в конце книги).
Проблемы физики
Какова природа света?
Свет в некоторых случаях ведет себя подобно волне, а во многих других — сродни частице. Спрашивается: что же он такое? Ни то, ни другое. Частица и волна — лишь упрощенное представление о поведении света. На самом же деле свет не частица и не волна. Свет оказывается сложнее того образа, что рисуют эти упрощенные представления.
Каковы условия внутри черных дыр?
Черные дыры, рассматриваемые в гл. 1 и 6, обычно представляют собой сжимающиеся ядра больших звезд, переживших взрыв в виде сверхновой. У них такая огромная плотность, что даже свет не в состоянии покинуть их недра. Ввиду огромного внутреннего сжатия черных дыр к ним неприменимы обычные законы физики. А поскольку ничто не может покинуть черных дыр, недоступно и проведение каких-либо опытов для проверки тех или иных теорий.
Сколько измерений присуще Вселенной можно ли создать «теорию всего сущего»?
Как говорилось в гл. 2, пытающиеся потеснить стандартную модель теории, возможно, в итоге прояснят число измерений, а также преподнесут нам «теорию всего сущего». Но пусть вас не вводит в заблуждение название. Если «теория всего сущего» и даст ключ к пониманию природы элементарных частиц, внушительный список нерешенных проблем — залог того, что подобная теория оставит без ответа еще много важных вопросов. Подобно слухам о смерти Марка Твена, слухи о кончине науки с приходом «теории всего сущего» слишком преувеличены.
Возможно ли путешествие во времени?
Теоретически общая теория относительности Эйнштейна допускает такое путешествие. Однако нужное при этом воздействие на черные дыры и их теоретических собратьев, «кротовые норы»,[29] потребует огромных затрат энергии, значительно превосходящих наши нынешние технические возможности. Толковое описание путешествия во времени дается в книгах Митио Каку Гиперпространство (1994) и Образы (1997) и на сайте http://mkaku.org
Удастся ли обнаружить гравитационные волны?
Некоторые обсерватории заняты поиском свидетельств существования гравитационных волн. Если такие волны удастся найти, данные колебания самой пространственно — временной структуры будут указывать на происходящие во Вселенной катаклизмы вроде взрыва сверхновых, столкновений черных дыр, а возможно, еще неведомых событий. За подробностями обращайтесь к статье У. Уэйта Гиббса «Пространственно-временная рябь».
Каково время жизни протона?
Некоторые теории, не укладывающиеся в рамки стандартной модели (см. гл. 2), предсказывают распад протона, и для обнаружения такого распада было сооружено несколько детекторов. Хотя самого распада пока не наблюдалось, нижняя граница периода полураспада у протона оценивается величиной 1032 лет (значительно превышающей возраст Вселенной). С появлением более чувствительных датчиков, возможно, удастся обнаружить распад протона или же придется отодвинуть нижнюю границу периода его полураспада.
Возможны ли сверхпроводники при высокой температуре?
Сверхпроводимость появляется при падении у металла электрического сопротивления до нуля. В таких условиях установившийся в проводнике электрический ток течет без потерь, которые свойственны обычному току при прохождении в проводниках вроде медного провода.
Явление сверхпроводимости впервые наблюдалось при крайне низкой температуре (чуть выше абсолютного нуля, — 273 °C). В 1986 году ученым удалось сделать сверхпроводящими материалы при температуре кипения жидкого азота (-196 °C), что уже допускало создание промышленных изделий. Механизм данного явления понят еще не до конца, но исследователи пытаются добиться сверхпроводимости при комнатной температуре, что позволит уменьшить потери электроэнергии.
Проблемы химии
Как состав молекулы определяет ее облик?
Знание орбитального строения атомов в простых молекулах позволяет довольно легко определить внешний вид молекулы. Однако теоретические исследования облика сложных молекул, особенно биологически важных, пока не проводились. Один из аспектов данной проблемы — укладка белков, рассматриваемая в Списке идей,
Каковы химические процессы при раке?
Биологические факторы вроде наследственности и внешней среды, вероятно, играют большую роль в развитии рака. Зная происходящие в раковых клетках химические реакции, возможно, удастся создать молекулы для прерывания этих реакций и выработки у клеток сопротивляемости раку.
Как молекулы обеспечивают связь в живых клетках?
Для оповещения в клетках задействуются молекулы нужной формы, когда через «подгонку» в виде комплиментарности и происходит передача сообщения. Белковые молекулы наиболее важны, так что вид их укладки и определяет их облик [конформацию]. Поэтому более глубокое знание белковой укладки поможет решить вопрос со связью.
Где на молекулярном уровне задается старение клетки?
Другая биохимическая проблема старения, возможно, связана с ДНК и белками, занятыми «починкой» ДНК, которая урезается в ходе неоднократной репликации (см.: Список идей, 9. Генетические технологии).
Проблемы биологии
Как развивается целый организм из одной оплодотворенной яйцеклетки?
На данный вопрос, похоже, удастся ответить, как только будет решена главная задача из гл. 4: каково устроение и предназначение протеома? Конечно, каждому организму свойственны свои особенности в устроении белков и их предназначении, но наверняка удастся отыскать и много общего.
Что вызывает массовые вымирания?
За последние 500 млн лет пять раз происходило полное исчезновение видов. Наука продолжает доискиваться причин этого. Последнее вымирание, случившееся 65 млн лет назад, на рубеже мелового и третичного периодов, связано с исчезновением динозавров. Как ставит вопрос Дэвид Роп в книге Вымирание: подкачали гены или удача? (см.: Источники дляуглубленного изучения), вызвано ли вымирание большинства живших в ту пору организмов генетическими факторами или же неким катаклизмом? Согласно выдвинутой отцом и сыном, Луисом и Вальтером, Альваресами гипотезе, 65 млн лет назад на Землю упал огромный метеорит (примерно 10 км в поперечнике). Произведенный им удар поднял огромные облака пыли, которые стали помехой фотосинтезу, что привело к гибели многих растений, а значит, и составляющих одну пищевую цепочку животных, вплоть до громадных, но уязвимых динозавров. Подтверждение этой гипотезы — большой метеоритный кратер, обнаруженный в южной части Мексиканского залива в 1993 году. Возможно ли, что и предыдущие вымирания были следствием подобных столкновений? Исследования и споры продолжаются.
Динозавры были теплокровными или холоднокровными животными?
Британский профессор анатомии Ричард Оуэн ввел понятие «динозавр» (что значит «ужасные ящеры») в 1841 году, когда было найдено всего три неполных скелета. Воссозданием облика вымерших животных занялся британский художник-анималист и ваятель Бенджамин Уотерхаус Гаукинс. Поскольку первые найденные особи имели зубы, как у игуаны, его чучела напоминали огромных игуан, вызвав настоящий переполох среди посетителей.
А ведь ящерицы холоднокровные пресмыкающиеся, и поэтому сначала решили, что таковыми были и динозавры. Затем несколько ученых предположили, что по меньшей мере некоторые динозавры относились к теплокровным животным. Доказательств не было вплоть до 2000 года, когда в Южной Дакоте обнаружили окаменевшее сердце динозавра. Имевшее четырехкамерное устройство, это сердце подтверждает предположение о теплокровных динозаврах, поскольку в сердце ящериц всего три камеры. Однако, чтобы убедить остальной мир в верности такого предположения, необходимы дополнительные свидетельства.
Что лежит в основе человеческого сознания?
Будучи предметом изучения гуманитарных наук, данный вопрос выходит далеко за рамки настоящей книги, однако многие наши научные коллеги берутся за его изучение.
Как и следовало ожидать, существует несколько подходов к трактовке человеческого сознания. Сторонники редукционизма утверждают, что мозг представляет собой огромное множество взаимодействующих молекул и что в итоге мы разгадаем правила их работы (см. статью Крика и Коха «Проблема сознания» [В мире науки. 1992. № 11–12]).
Другой подход восходит к квантовой механике. Согласно ему, мы не в состоянии постичь нелинейность и непредсказуемость работы мозга, пока не уясним связи между атомным и макроскопическим уровнями поведения материи (см. книгу Роджера Пенроуза Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики [М., 2003]; а также Тени разума: В поисках науки о сознании. [М., 2003]).
В соответствии с давним подходом человеческому уму присуща мистическая составляющая, недоступная научному объяснению, так что наука вообще не способна постичь человеческое сознание.
В связи с недавней работой Стивена Вулфрема по созданию упорядоченных образов постоянным применением одних и тех же простых правил (см. гл. 5) не стоит удивляться, что данный подход используют по отношению к человеческому сознанию; так появится еще одна точка зрения.
Проблемы геологии
Что вызывает большие перемены в климате Земли наподобие повсеместного потепления и ледниковых периодов?
Ледниковые периоды, свойственные Земле последние 35 млн лет, наступали примерно каждые 100 тыс. лет. Ледники надвигаются и отступают по всему северному умеренному поясу, оставляя памятные знаки в виде рек, озер и морей. 30 млн лет назад, когда по Земле бродили динозавры, климат был значительно теплее нынешнего, так что деревья росли даже вблизи Северного полюса. Как уже говорилось в гл. 5, температура земной поверхности зависит от равновесного состояния приходящей и уходящей энергий. Многие факторы влияют на это равновесие, включая излучаемую Солнцем энергию, обломки в космосе, между которыми пробирается Земля, падающее излучение, изменения земной орбиты, атмосферные изменения и колебания в количестве излучаемой Землей энергии (альбедо).
Вот в каком направлении ведутся исследования, особенно с учетом разгоревшихся в последнее время споров по поводу парникового эффекта. Теорий много, а истинного понимания происходящего нет до сих пор.
Можно ли предсказывать извержения вулканов или землетрясения?
Некоторые вулканические извержения поддаются прогнозу, например недавнее (1991) извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах, но другие недоступны для современных средств, по-прежнему заставая вулканологов врасплох (например, извержение вулкана Сент-Хелене, штат Вашингтон, 18 мая 1980 года). Многие факторы вызывают извержения вулканов. Нет единого теоретического подхода, который был бы верен для всех вулканов.
Землетрясения предсказать еще труднее, нежели извержения вулканов. Некоторые известные геологи даже сомневаются в возможности составить надежный прогноз (см.: Список идей, 13. Предсказание землетрясений).
Что происходит в земном ядре?
Две нижние оболочки Земли, внешнее и внутреннее ядро, недоступны для нас ввиду глубокого залегания и высокого давления, что исключает прямые измерения. Все сведения о земных ядрах геологи получают на основе наблюдений за поверхностью и общей плотностью, составом и магнитными свойствами, а также исследований с помощью сейсмических волн. К тому же помогает изучение железных метеоритов ввиду сходства процесса их формирования с земным. Недавние результаты, полученные с помощью сейсмических волн, выявили различную скорость волн в северо-южном и восточно-западном направлениях, что указывает на слоистое твердое внутреннее ядро.
Проблемы астрономии
Одиноки ли мы во Вселенной?
Несмотря на отсутствие каких-либо экспериментальных свидетельств существования внеземной жизни, теорий на этот счет хватает с избытком, как и попыток обнаружить весточки от далеких цивилизаций.
Как эволюционируют галактики?
Как уже упоминалось в гл. 6, Эдвин Хаббл классифицировал все известные галактики согласно их внешнему облику. Несмотря на тщательность описания их нынешнего состояния, данный подход не позволяет понять эволюцию галактик. Выдвинуто несколько теорий, призванных объяснить формирование спиральных, эллиптических и неправильных галактик. Эти теории зиждутся на физике газовых облаков, предшествовавших галактикам. Моделирование на суперЭВМ позволило кое-что уяснить, но пока не привело к единой теории образования галактик. Создание такой теории требует дополнительных исследований.
Распространены ли сходные с Землей планеты?
Математические модели предсказывают существование сходных с Землей планет от единиц до миллионов в пределах Млечного Пути. Мощные телескопы обнаружили более 70 планет за пределами Солнечной системы, но большинство из них величиной с Юпитер или крупнее. По мере совершенствования телескопов удастся отыскать и другие планеты, что поможет определить, какая из математических моделей больше соответствует действительности.
Каков источник всплесков γ-излучения?
Примерно один раз в сутки наблюдается сильнейшее γ-излучение, которое зачастую оказывается мощнее всех прочих, взятых вместе (γ-лучи схожи с видимым светом, но у них значительно выше частота и энергия). Данное явление впервые зафиксировано в конце 1960-х, но о нем не сообщали до 1970-х годов, поскольку все датчики использовались для контроля за соблюдением запрета на проведение ядерных испытаний.
Поначалу астрономы считали, что источники этих выбросов находятся в пределах Млечного Пути. Высокая интенсивность излучения вызвала предположение о близости ее источников. Но по мере накопления данных становилось очевидным, что эти выбросы шли отовсюду, а не были сосредоточены в плоскости Млечного Пути.
Зафиксированная в 1997 году благодаря космическому телескопу Хаббла вспышка указывала на то, что она исходила из периферии слабо светящейся галактики, удаленной на несколько миллиардов световых лет. Поскольку источник находился вдали от центра галактики, он вряд ли был черной дырой. Как считают, эти всплески у-излучения исходят от обычных звезд, содержащихся в диске галактики, возможно, вследствие столкновения нейтронных звезд или иных, еще нам неизвестных небесных тел.
Почему Плутон столь разительно непохож на все прочие планеты?
Четыре внутренние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — относительно невелики, каменисты и близки к Солнцу. Четыре внешние планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — велики, газообразны и удалены от Солнца. Теперь о Плутоне. Плутон мал (подобно внутренним планетам) и удален от Солнца (подобно внешним планетам). В этом смысле Плутон выпадает из общего ряда. Он обращается вокруг Солнца поблизости от области, именуемой поясом Койпера[30], содержащим много тел, сходных с Плутоном (некоторые астрономы называют их Плутино).
Недавно несколько музеев решили лишить Плутона статуса планеты. Пока не удастся нанести на карту больше других тел из пояса Койпера, споры вокруг статуса Плутона не утихнут.
Каков возраст Вселенной?
Возраст Вселенной можно оценить несколькими способами. Одним способом возраст химических элементов в составе Млечного Пути оценивается по результатам радиоактивного распада элементов с известным периодом полураспада на основе предположения, что элементы синтезируются (внутри сверхновых больших звезд) с постоянной скоростью. По данному способу возраст Вселенной определен 14,5±3 млрд. лет.
Другой способ включает оценку возраста звездных скоплений на основе некоторых допущений относительно поведения и удаления скоплений. Возраст самых древних скоплений исчисляется 11,5±1,3 млрд. лет, а для Вселенной — 11–14 млрд.
Возраст Вселенной, определяемый по скорости ее расширения и расстоянию до самых удаленных объектов, составляет 13–14 млрд. лет. Недавнее открытие ускоренного расширения Вселенной (см. гл. 6) делает эту величину более неопределенной.
Недавно разработан еще один метод. Космический телескоп Хаббла, работая на пределе своих возможностей, измерил температуру старейших белых карликов в шаровом скоплении М4. (Этот способ схож с оценкой времени, прошедшего после прогорания костра, по температуре золы.) Выходило, что возраст древнейших белых карликов составляет 12–13 млрд. лет. Если предположить, что первые звезды образовались не ранее, чем через 1 млрд. лет после «большого взрыва», возраст Вселенной составляет 13–14 млрд. лет, а оценка служит проверкой показателей, полученных другими методами.
В феврале 2003 года получены данные с уилкинсоновского зонда микроволновой анизотропии (WMAP)[31], позволившие наиболее точно вычислить возраст Вселенной: 13,7±0,2 млрд. лет.
Существуют ли множественные вселенные?
В соответствии с одним возможным решением рассмотренной в гл. 6 проблемы ускоренного расширения Вселенной получается множество вселенных, населяющих обособленные «браны» (многомерные мембраны). При всей своей умозрительности данная идея дает широкий простор для всевозможных домыслов. Более подробно о множественных вселенных можно узнать из книги Мартина Риса Наша космическая обитель.
Когда Земле предстоит очередная встреча с астероидом?
О Землю постоянно ударяются космические осколки. И поэтому так важно знать, какой величины небесные тела падают на нас и сколь часто. Тела с поперечником 1 м входят в атмосферу Земли несколько раз в месяц. Они часто взрываются на большой высоте, выделяя энергию, равную взрыву небольшой атомной бомбы. Примерно один раз в столетие к нам прилетает тело 100 м в поперечнике, оставляя после себя большую память (ощутимый удар). После взрыва подобного небесного тела в 1908 году над сибирской тайгой, в бассейне реки Подкаменная
Тунгуска [Красноярский край], были повалены деревья на площади около 2 тыс. кв2[32]
Удар небесного тела с поперечником 1 км, случающийся раз в миллион лет, может привести к огромным разрушениям и даже вызвать климатические изменения. Столкновение с небесным телом размером 10 км в поперечнике, вероятно, и привело к исчезновению динозавров на рубеже меловой и третичной эпох 65 млн лет назад. Хотя тело такого размера может появиться лишь раз в 100 млн лет, на Земле уже предпринимают шаги, чтобы не быть застигнутыми врасплох. Разрабатываются проекты «Околоземные объекты» (NEOs) и «Наблюдение за околоземными астероидами» (NEAT), в соответствии с которыми к 2010 году удастся отслеживать 90 % астероидов с поперечником более 1 км, общее число которых, по различным оценкам, находится в пределах 500—1000. Другая программа, «Spacewatch», осуществляемая Аризонским университетом, состоит в наблюдении за небом в поисках возможных «кандидатов» на столкновение с Землей.
За более подробными сведениями обращайтесь на узлы Всемирной Паутины:
http://араcewatch.lpl.arizona.edu/
Что было до «большого взрыва»?
Поскольку время и пространство ведут свой отчет с «большого взрыва», понятие «до» не имеет никакого смысла. Это равносильно вопросу, что находится северней Северного полюса. Или, как бы выразилась американская писательница Гертруда Стайн[33], нет никакого «затем» затем[34]. Но подобные трудности не останавливают теоретиков. Возможно, до «большого взрыва» время было мнимым; вероятно, не было вообще ничего, и Вселенная возникла из флуктуации вакуума; или же произошло столкновение с другой «браной» (см. затронутый ранее вопрос о множественных вселенных). Таким теориям трудно найти экспериментальное подтверждение, поскольку огромная температура первоначального огненного шара не допускала создания каких-либо атомных или субатомных образований, которые могли бы существовать до начала расширения Вселенной.
Список идей
Многие идеи, о которых повествует наша книга, рассматриваются лишь в той мере, в какой они связаны с крупнейшими, не решенными наукой задачами. Однако читателям, возможно, хочется получить более подробные сведения. Данный раздел позволит углубить представления о затронутых вскользь темах. Темы расположены в порядке их появления на страницах книги, и при этом даются ссылки на источники, если вы пожелаете расширить свой кругозор. Дополнительные сведения содержатся в разделе «Источники для углубленного изучения».
Надеемся, что эти идеи смогут удовлетворить ваше любопытство или даже разжечь его. В будущем удастся решить некоторые из этих проблем, но им на смену придут другие.
1. Антивещество
Почти каждой элементарной частице соответствует античастица. Как правило, античастицы обладают той же массой, что и их обычный собрат с зарядом одинаковой величины, только противоположного знака. Как видно на рис. 1.1, каждому кварку соответствует свой антикварк (антиверхний, антиочарованный…), каждому лептону — свой антилептон антиэлектронное нейтрино, антимюонное нейтрино…), a W+- и W’-бозону — свои античастицы. Лишь у фотона, Z-бозона, глюона (всего восемь разновидностей) и гипотетического гравитона нет античастиц. Иначе говоря, они сами служат для себя античастицами.
Рис. 1.1. Основные частицы
Как упоминалось в гл. 2, антивещество было предсказано теорией, когда в 1928 году британский физик П. А. М. Дирак объединил квантовую механику со специальной теорией относительности. Сходным, но более простым примером здесь могут послужить решения уравнения равные +3 и —3. Зачастую при наличии у уравнения двух решений одно обычно отбрасывают, считая не имеющим физического смысла. Ученые пытались исключить решение уравнения Дирака, допускавшее существование подобной электрону частицы, но несущей положительный, а не отрицательный заряд. Но спустя четыре года [1932] американский физик Карл Андерсон представил опытные свидетельства существования позитрона при исследовании космических лучей, так что предсказание подтвердилось. В 1955 году в Калифорнийском университете Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен наблюдали антипротон, а антинейтрон обнаружился годом позже.
Событие, сотворившее электрон и позитрон в диффузионной камере у Андерсона в 1932 году, именуют рождением пар. Световой фотон в космических лучах отдает всю свою энергию, которая превращается в массу в соответствии с уравнением Эйнштейна Е = mc2. При столкновении электрона с позитроном их масса полностью переходит в энергию, так что в итоге два световых фотона разлетаются в противоположные стороны. Данный процесс называют аннигиляцией, и он состоит в превращении массы в энергию, величина которой вновь определяется уравнением Эйнштейна.
Теоретически ничто не может помешать антипротонам соединиться с антинейтронами для образования антиядер, а антиэлектронам примкнуть к этим антиядрам с образованием антиатомов. И действительно, в 1995 году в Европейской лаборатории физики элементарных частиц возглавляемому немецким физиком Вальтером Олертом коллективу ученых удалось получить девять атомов антиводорода. Только не подумайте, что эти антиатомы устроили переполох в лаборатории. Ввиду подавляющего перевеса обычного вещества девять атомов антиводорода не продержались и сорок миллиардных секунды.
Научная фантастика привлекает огромное количество антивещества, особенно в качестве топлива для космических кораблей. Наибольшая трудность в создании движителя на основе антивещества сопряжена с его хранением и радиоактивным загрязнением. Как бы ни бились инженеры над созданием космических кораблей, работающих на основе антивещества, встает вопрос о безопасности, поскольку один грамм аннигилирующего вещества (антивещества) выделяет энергию, сравнимую с энергией сброшенной в 1945 году на Японию атомной бомбы.
Не существуют ли где-то в далекой галактике или даже в Млечном Пути залежи антивещества? В конце концов, если бы единственной связью с этими галактиками для нас служили излучаемые ими световые фотоны, мы оставались бы в неведении.
Фотон — сам себе античастица, так что мы не могли бы отличить обыкновенные галактики от галактик из антивещества, поскольку от тех и других исходили бы фотоны. Все это верно, однако постоянно обрушивающиеся на нас космические лучи содержат не одни фотоны, только никакого неведомого антивещества там нет. Кроме того, в случае протон-антипротонной аннигиляции на краю антигалактики излучался бы свет определенной частоты. Такого света пока не наблюдалось. Похоже, что Вселенная почти целиком состоит из обычного вещества.
Однако отсутствие антивещества порождает другую трудность. Если населяемая нами Вселенная симметрична, то при «большом взрыве» должно было появиться одинаковое количество вещества и антивещества, и они бы полностью взаимно уничтожились. Некому тогда было бы обсуждать этот вопрос. Куда же делось антивещество? Согласно одной теории, возникла антивселенная, которая где-то затерялась, возможно на одной из «бран» из М-теории (см. гл. 2).
Недавние опыты указывают на асимметрию в скорости распада некоторых видов вещества и антивещества. Мезоны, двухкварковые частицы, нестабильны, и поэтому их нет в обычном веществе. Лишь разновидность мезонов — К-мезон был тщательно изучен. Различную скорость распада у К-мезона и анти К-мезона обнаружила в 1957 году физик из Колумбийского университета By Цзяньсюн. В 2001 году опыты на ускорителях в Стэнфордском университете и в японском академгородке Цукуба [расположенном в 35 км к северо-востоку от Токио] выявили асимметрию в распаде В-мезонов и анти В-мезонов, где анти В-мезоны распадались чуть быстрее. Величина асимметрии будет уточняться по мере получения данных в ходе этих долгосрочных исследований.
Если антивещество распадается быстрее обычного вещества, такое положение можно уподобить сражению миллионного войска с миллионным анти войском. Если каждый воин будет убивать одного неприятеля, то к концу сражения останется один воин. Вещество и антивещество взаимно уничтожатся, но благодаря крохотному превышению обычное вещество возобладает. Если такой подход верен, можно представить, сколько вещества было до великой аннигиляции.
Предсказанные стандартной моделью величины нарушения симметрии в скорости распада слишком малы, чтобы получилось наблюдаемое ныне во Вселенной количество вещества, но тут готова предложить свои услуги более юная М-теория.
Для более подробного ознакомления с проблемой см. статью: Sarah Graham «Explore: In Search of Antimatter» {Scientific American. 2001. August 20), размещенную во Всемирной Паутине по адресу: http://physicsweb.org/article/news/5/3/1/1
2. Ускорители
Как видно из названия, ускоритель разгоняет медленно движущиеся частицы. Частицы с более высокими скоростями обладают более высокой энергией, так что физика высоких энергии развивалась совместно с ускорителями частиц. Польза от частиц высоких энергий стала очевидной, когда американский физик Карл Андерсон обнаружил античастицу электрона — позитрон — среди следов, оставляемых в диффузионной камере после бомбардировки космическими лучами. Поскольку космические лучи приходят к нам, обладая различной энергией, отовсюду и когда им заблагорассудится, для проведения систематических опытов над элементарными частицами требовался более надежный источник частиц высокой энергии.
Линейные ускорители разгоняют заряженные частицы в электромагнитном поле по прямой, подобно тому как разгоняют электроны в электронно-лучевых трубках телевизионных приемников. Мишень устанавливают в конце пути частицы, а датчики, чувствительные к оставленным продуктами столкновения частиц следам, регистрируют последствия столкновения. Для получения все более высоких энергий требуется постоянно увеличивать длину ускорителей. Стэнфордский центр линейного ускорителя с туннелем длиной 3,2 км (2 мили) разгоняет электроны (или позитроны) посредством обычной электромагнитной волны, подобно микроволновой печи. Для более подробного ознакомления см. узел Всемирной Паутины www.slac.Stanford.edu/
Другая разновидность ускорителя — круговой. Первый круговой ускоритель был изобретен американским физиком Эрнестом Лоуренсом и получил название «циклотрон». В 1928 году Калифорнийский университет в Беркли переманил к себе из Йельского университета 27-летнего Лоуренса, намериваясь создать у себя наряду с химическим столь же крепкое физическое отделение. На следующий год Лоуренсу, внуку норвежских переселенцев, довелось просматривать один немецкий электротехнический журнал. Он увидел наброски устройства, предлагаемого норвежским инженером Ролфом Видероэ для разгона зарядов двойным пропусканием их через ускоряющее поле, изменяя направление поля таким образом, что заряды получали двойную энергию. Поначалу огромные технические трудности отпугивали Лоуренса. Однако, не желая отставать в гонке за высокими энергиями, в начале 1930 года он поручает создание такого устройства аспиранту Стэнли Ливингстону. К январю 1931 года Лоуренс и Ливингстон располагали работающим макетом циклотрона (рис. 1.2) с поперечником 4,5 дюйма [1 дюйм = 2,54 см], разгонявшим ионы водорода до энергии 80 тыс. электрон-вольт (эВ). В 1939 году Лоуренс получил Нобелевскую премию за изобретение циклотрона. В 1940 году в США насчитывалось 22 готовых или строящихся циклотрона, и более 11 — за границей.
Вторая мировая война замедлила поступь циклотронов. Но стоило ей отгреметь, как новшества позволили существенно нарастить мощь установок. Появился синхротрон, где изменением магнитного поля частицы разгонялись по орбитам с неизменным радиусом. Это позволяло уменьшить пространство, где поддерживался вакуум, и тем самым упрощалось управление пучком.
Затем стали удерживать частицы на круговой орбите, компенсируя потери на излучение. Это обеспечивало так называемое накопительное кольцо. Наконец поставили два таких кольца, так что пучки частиц направляли друг на друга. Такое перекрестное расположение накопительных колец позволило получить много важнейших сведений об элементарных частицах. В Соединенных Штатах крупнейший ускоритель принадлежит Национальной лаборатории высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (FNAL) в Батавии (штат Иллинойс), близ Чикаго. Созданная в 1968 году лаборатория располагает самым мощным в мире ускорителем частиц «Tevatron», способным обеспечивать встречные пучки энергией порядка 0,980 трлн. эВ (ТэВ): разгоняющихся по часовой стрелке протонов и против часовой стрелки — антипротонов. Протон-антипротонное столкновение в точках взаимодействия частиц создает энергию 1,96 ТэВ.
Для более подробного ознакомления с проблемой см. узел Всемирной Паутины www.fnal.gov
Фундаментальными изысканиями занят CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям), расположенный на границе Франции и Швейцарии. CERN располагает десятью ускорителями. Там ведут исследования ученые 80 национальностей из 500 университетов. Более подробные сведения о CERN'e см. на узле Всемирной Паутины http://public.web.cern.ch/Public
Крупнейший ускоритель в CERN'e, электрон-позитронный коллайдер (LEP) имел самую длинную в мире траекторию разгона пучка 27 км. LEP теперь в прошлом; его тоннель переоборудуется для использования уже в качестве большого адронного коллайдера (LHC), где протоны будут сталкиваться с протонами при энергии 7 ТэВ. Со вступлением в строй в 2005 году он станет крупнейшим в мире.
Для более подробного ознакомления с LHC см. узел Всемирной Паутины http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/
Некоторые теоретики считают, что новый LHC сможет создавать крохотные черные дыры со скоростью одной такой дыры в секунду, называя его производителем черных дыр. Эти черные дыры будут исчезать в течение долей секунды, но при этом возможно возникновение всеми разыскиваемой частицы — бозона Хиггса, о которой шла речь в гл. 2. По словам сотрудника Мэрилендского университета
Грегори Ландсберга, все это вполне может случиться «за один час работы» в «черных дырах на большом адронном коллайдере» (S. Dimopoulos, G. Landsberg, Physical Review Letters 87 (2001): 161602).
Узлы Всемирной Паутины:
www.aip.org/history/lawrence/first.htm;
www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/early-years.html
3. Фермионы и бозоны
Все частицы, составляющие Вселенную, распадаются на две группы: фермионы и бозоны. Подобное различение ввели аспиранты Лейденского университета (Голландия) Сэмюэль Гаудсмит и Джордж Уленбек. Гаудсмит, больше занятый исследованиями, заметил дополнительное расщепление спектра излучения атомов гелия. Уленбек, лучше знавший классическую физику, усмотрел причину такого расщепления в некоем внутреннем свойстве электрона. Вместе они пришли к заключению, что электрон изначально обладает определенным угловым моментом — спином [статья 1925 года в Die Naturwissenschaften. № 13. S. 953–954].
Основы квантовой механики тогда только закладывались, так что данное представление привело к добавлению четвертого квантового числа (помимо главного, орбитального и магнитного), названного спиновым квантовым. Электрон изображают в виде крошечного, стремительно вращающегося волчка, однако подобное описание не надо воспринимать буквально. Внутренний угловой момент электрона, спин, равен ±1/2 (h/2p)где h — постоянная Планка. Понятие «спин» связано с привычным взглядом на электрон, поскольку спиновое квантовое число имеет два значения +1/2(h/2р) и —1/2 (h/2p) соответствуя как бы вращению [ускоряющемуся] «вверх» и вращению [падающему] «вниз». В 1928 году разработка британским физиком П. Дираком релятивистской квантовой механики подвела теоретическую базу под спин электрона; догадка Гаудсмита и Уленбека оказалась весьма удачной.
В 1925 году австрийский физик Вольфганг Паули заключил, что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии на одном и том же месте. Этот принцип запрета Паули лежит в основе Периодической таблицы химических элементов.
При изучении статистического поведения электронов итальянско-американский физик Энрико Ферми и Дирак разработали теорию статистики Ферми — Дирака. Ее положения в дальнейшем были распространены и на другие частицы с полуцелым спином h/2p. Эти частицы, названные фермионами, охватывают собой все лептоны и кварки. Таким образом, массу Вселенной составляют фермионы.
Изучением частиц с нулевым или целым спином h/2p в 1924 году занимался индийский физик Шатьендранат Бозе. Работая в университете г. Дакка (Бангладеш), Бозе послал результаты своих изысканий для отзыва Эйнштейну. Тот перевел его труд на немецкий язык и настоятельно посоветовал издать [Bose S. N. Plancks Gesetz und Lichtquanten Hypo-these // Zeitschrift fur Physik. 1924. № 26; на рус. яз.: Возе Ш. Закон Планка и гипотеза световых квантов // Эйнштейн А. Собр. научных трудов. М., 1966]. На следующий год Эйнштейн расширил результаты Бозе с учетом всех частиц, не являющихся фермионами [Einstein А. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases // Sitzungsberichte der PreuBischen Akademie der Wissenschaften, Phys-math. K1. 1924; 1925; на рус. яз.: Эйнштейн А. Квантовая теория одноатомного идеального газа // Собр. науч ных трудов. Т. 3]. Статистическое поведение таких частиц стали именовать статистикой Бозе-Эйнштейна. Подчиняющиеся этой статистике частицы Дирак назвал бозонами. Переносчики всех взаимодействий — фотон у электромагнитного, глюоны у сильного, и W- и Z-частицы у слабого — относятся к бозонам.
Если два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, то для бозонов такого ограничения не существует. И действительно, чем больше бозонов находится в определенном энергетическом состоянии, тем больше вероятность уподобления им всех прочих бозонов. Данное явление лежит в основе вынужденного излучения в лазерах, когда фотоны приводятся в одно и то же энергетическое состояние. Такого рода «стадность» помогает объяснить сверхтекучесть гелия и даже сверхпроводимость, когда электроны сбиваются в пары и действуют уже как бозоны. В 1995 году удалось так снизить температуру газообразного рубидия, что все атомы обрели одно и то же квантовое состояние. Подобное скопление называют конденсатом Бозе — Эйнштейна.
Склонность к «одиночеству» у фермионов и «общительность» бозонов делают их столь непохожими. Но это различие оказывается определяющим для природы Вселенной. Например, если бы фермионы объединялись подобно бозонам, все электроны в атоме собирались бы на самом нижнем энергетическом уровне, и тогда не могло бы быть и речи о химических реакциях, а стало быть, и о жизни.
4. Внеземная жизнь
Я говорил о летающих тарелках со множеством людей. Мне было любопытно: они настаивали, что такое возможно. И это так. Подобное возможно. Но они не понимают, что вопрос-то не в показе того, возможно такое или нет, а в том, существует это или нет.
Ричард Ф. Фейнман, физик, Нобелевский лауреат
Ученых, как и всех, будоражит возможность существования внеземной жизни. Однако действительность такова, что, помимо представлений на кино- и телеэкране, на страницах книг, на сайтах Всемирной Паутины и бесчисленного числа рассказов «очевидцев», нет ни одного научного свидетельства наличия жизни вне Земли. Тем не менее научные поиски ведутся на обоих фронтах, теоретическом и экспериментальном.
Теоретические поиски
Какие формы жизни возможны?
♦ Жизнь на углеродной основе, подобно нашей. Выражая мнение большинства, покойный химик Сирил Поннамперума из Мэрилендского университета полагал, что химия живого на Земле может быть обобщена на всю Вселенную. По его словам, данные «свидетельствуют, что создание и соединение кирпичиков жизни (аминокислот и нуклеотидов), похоже, было неизбежным, стоило лишь заработать химической печи земного "первичного бульона"», и «в случае существования жизни где-то еще на просторах Вселенной в химическом от ношении она была бы крайне схожей с жизнью на Земле».
Большинство ученых соглашаются, что, несмотря на образ пучеглазых зеленых пришельцев, насаждаемый производителями игрушек, любая внеземная форма жизни будет существенно разниться от людей. Однако некоторые структурные и функциональные составляющие могут оказаться общими. Например, подобные глазам датчики для восприятия фотонов (возможно, в невидимой области спектра), два подобных глазам датчика для определения расстояния и кратчайший путь к устройству обработки данных от датчиков (мозгу) представляются схожими. Далее, вполне уместно компактное телесное устройство, включающее конечности для управления окружающими предметами и отдельные приспособления для передвижения. В некотором отношении голливудский образ пришельца может оказаться не столь далеким от действительности.
♦ Жизнь не на углеродной основе. Помимо углерода остовом жизни может вполне послужить расположенный в таблице Менделеева как раз под ним кремний. После того как эту связь заметили в 1890-е годы, романист Г. Уэллс писал: «Какие фантастические картины предстают при подобном предположении: образы кремнеалюминиевых организмов — а почему бы и не кремнеалюминиевых людей, бродящих посреди атмосферы из газообразной серы, скажем, вдоль моря, где плещется жидкое железо при температуре доменной печи в несколько тысяч градусов».
Действительно, химические свойства кремния и углерода во многом сходны. Например, углерод при соединении с четырьмя атомами водорода образует метан (СН4), тогда как кремний дает в этом случае силан (SiH4). Химическое взаимодействие кремния с кислородом тоже роднит их (СО2 и SiО2), но наблюдается и существенное различие. Двуокись кремния образует трехмерную решетку, ее крепкие связи делают SiО2 твердым (песок), даже при высоких температурах.
В биохимии углеродной жизни энергия черпается из длинных углеводных цепей, которые разрываются посредством белковых ферментов-катализаторов. Отходами при этом являются вода и углекислый газ, которые легко выводятся из организма, поскольку находятся соответственно в жидком и газообразном состоянии. Кремниевой жизни пришлось бы иметь дело с твердыми отходами, удаление которых сопряжено с трудностями.
К тому же углеродные биологически важные молекулы обладают таким свойством, как хиральность (см. гл. 3), иначе говоря, трехмерность связей заставляет их при образовании спирали закручиваться либо вправо, либо влево. Данное свойство обеспечивает метаболизму гибкость, чего будет лишена кремниевая жизнь, у которой склонность к хиральности проявляется значительно слабее.
Наконец, распространенность. В 2002 году в космосе удалось обнаружить 113 углеродных молекул, тогда как кремниевых оказалось всего 10. Если и существуют формы жизни на основе кремния, похоже, они будут занимать значительно меньшую нишу по сравнению с углеродной жизнью.
Итак, насколько вероятно существование внеземных цивилизаций? В ноябре 1961 года Национальная академия наук организовала неофициальную встречу в местечке Грин-Банк, штат Западная Виргиния, по вопросу внеземной жизни. Радиоастроном из Национальной радиоастрономической обсерватории Фрэнк Дрейк привел уравнение, ставящее вероятность существования внеземной жизни в зависимость от ряда сомножителей, определяемых отдельно. Данное уравнение, названное Дрейком уравнением Грин-Банк, стало общепризнанным и было переименовано в уравнение Дрейка:
Число внеземных цивилизаций = (рождаемые за год звезды) х (f планет) х (f жизненной зоны) х (f жизни) х (f разума) х (f межзвездной связи) х (время жизни).
Для оценки количества «сообщающихся» цивилизаций (которые посылают и принимают послания) в галактике Млечный Путь необходимо прежде оценить семь сомножителей, где/nринимают значения от 0 до 1.
1. Какова скорость образования в нашей Галактике звезд, подходящих для создания пригодных для жизни планет?
Большие звезды слишком недолговечны, а малые чересчур холодны, так что остаются лишь звезды средней величины.
2. Какова доля таких звезд, имеющих планеты?
Согласно нынешнему уровню понимания процесса образования звезд, вполне вероятно, что вокруг большинства таких звезд могли бы обращаться планеты.
3. Какова доля планет, обращающихся вокруг своих звезд в пределах, где возможно зарождение жизни?
На Земле решающее значение имеет наличие свободной воды в жидком состоянии. Венера для этого слишком жаркая, а Марс слишком холоден, так что в нашей Солнечной системе лишь одна планета находится в жизненной зоне — Земля. Большое значение могла иметь и Луна. Приливно-отливные явления способны повлиять на зарождение жизни, заставляя то наполняться, то высыхать водоемы, приводя к образованию «первичного бульона» нужной концентрации.
Неведомую пока роль в становлении жизни могли сыграть большие внешние планеты, особенно Юпитер, отводя идущие к внутренним планетам астероиды или кометы. Такой «громоотвод» защитил Землю от нежелательных воздействий, которые могли замедлить или даже прервать ход жизни.
4. Какова доля благоприятно расположенных планет, где действительно зародилась жизнь?
Оценка данного множителя делит людей на пессимистов и оптимистов. Некоторые, например Нобелевский лауреат бельгийский биохимик Кристиан Де Дюва, полагают, что при достаточном количестве углерода и воды в жидком состоянии, соответствующей температуре и достаточном сроке зарождение жизни неизбежно. Другие приводят массу примеров всевозможных тонкостей в устройстве даже одноклеточного организма и говорят, что жизнь — крайне редкое событие, возможно, даже единственное в своем роде. Ученые расходятся в оценках данного множителя. Некоторые вообще сомневаются в целесообразности подобного подхода ввиду столь больших разногласий. И все же в отсутствие свидетельств это лишь предположение, которое не стоит воспринимать слишком уж всерьез.
5. Какова доля форм жизни, приведших к возникновению разума?
На Земле многие виды выказывают разумное поведение, порой это относится и к людям. Поскольку разум показывает незаурядную способность к выживанию, то, пожалуй, при достаточном сроке он может развиться у многих форм жизни.
6. Какова доля разумных форм жизни, способных создать технические средства для передачи поддающихся обнаружению сигналов?
И люди, и дельфины представляют разумные формы жизни на Земле, но только разработанные человеком технические средства издают поддающиеся обнаружению сигналы, так что для данной оценки обычно берут величину от 0,05 до 0,5.
7. В течение скольких лет разумная цивилизация передает в космос поддающиеся обнаружению сигналы?
Данная оценка может служить очередным пробным камнем для выявления оптимистов и пессимистов. Оптимисту видится цивилизация в миллионы лет, тогда как пессимист, глядя на нашу цивилизацию, говорит о близком конце. Не забывайте, что уравнение Дрейка составлялось для радиоастрономии. Цивилизация могла оставить радиопозывные, создав более действенные средства, или же вообще забросить радио, найдя более интересные занятия. Что касается нас, мы стали передавать радиопозывные чуть более 100 лет назад, так что самые ранние из этих посланий углубились в космос на расстояние 100 световых лет.
Перемножение всех этих сомножителей дает оценку общего числа «сообщающихся» цивилизаций в галактике Млечный Путь, которая колеблется от миллиардов (у оптимистов) до одной — нашей с вами. У Дрейка эта величина составляла 10 тыс. Современные оценки часто сводятся к числу «сообщающихся» цивилизаций, примерно равному количеству лет, в течение которых цивилизация передает поддающиеся обнаружению сигналы.
Некоторые считают, что уравнение Дрейка — лишь краткое выражение нашего неведения, однако полезно поразмышлять над каждым из сомножителей. К тому же уравнение позволяет получить еще одну оценку: среднего расстояния между «со общающимися» цивилизациями. При всех пессимистичных или оптимистичных оценках семи перечисленных сомножителей среднее расстояние между «сообщающимися» цивилизациями в галактике Млечный Путь составляет от сотен до тысяч световых лет. Если путешествие света от одной цивилизации к другой займет несколько сотен лет, то связь между ними займет больше времени, чем выход скрипучих старых модемов в Интернет, если вы еще это помните. И все же для насчитывающей миллионы лет технически развитой, ширящейся цивилизации с ее стремлением заселить Галактику путешествие в тысячу лет к новому миру — не такое уж и безрассудство.
С учетом того, что Солнечная система существует лишь последнюю треть жизни Галактики, многиезвезды имеют довольно большую фору. Возможно, там уже достигли нужного технического уровня развития и принялись заселять Галактику. Принимая в расчет размеры Галактики и допустимую скорость тамошних космических кораблей, вполне вероятно, что подобный план можно было бы осуществить за 2 млн лет. Такой срок велик в отношении жизни отдельного человека, но мал по сравнению с возрастом Галактики. Иначе говоря, технически передовые цивилизации вполне могли бы заселить Галактику в духе «звездного пути», «звездных войн» или иных научно-фантастических произведений.
В 1950 году ученые трудились в Лос-Аламосе над созданием водородной бомбы. Тон их застольным беседам часто задавал Энрико Ферми своими каверзными вопросами. Размышляя над временем, отпущенным инопланетянам на заселение Галактики, Ферми заметил: «Вы никогда не задумывались, где все они находятся?» Вопрос впоследствии стал звучать иначе: «Где они?» — и получил название парадокса Ферми. Любой теории о внеземной жизни приходится иметь дело с этим простым, но веским доводом.
Экспериментальные поиски
Об оценках, необходимых для решения уравнения Дрейка, физик Филип Моррисон заметил: «Неправильная постановка вопроса. На самом деле вопрос таков: надо ли нам что-то предпринимать для уяснения существа дела?.. А уяснение требует практических шагов».
Первые практические шаги в этом направлении предпринял не кто иной, как Фрэнк Дрейк. Ежедневно в течение шести часов с апреля по июль 1960 года 25-метровая параболическая антенна Национальной радиоастрономической обсерватории на частоте 1420 МГц наблюдала за двумя звездами примерно одного возраста с нашим Солнцем.
Сигналы со звезд Тау Кита и Эпсилон Эридана оказывались радиопомехами, и лишь однажды донеслись некие послания, но это были сигналы с секретного военного объекта. Проект «Озма», названный по имени королевы 03 придуманной американским писателем Лайменом Фрэнком Баумом (1856–1919) страны с «удивительными и необычными существами» [более известной у нас по пересказам писателя Волкова («Волшебник Изумрудного города»)], не дал положительных результатов, но начало поиску внеземного разума было положено.
Для прослушивания внеземных сообщений и даже отправки собственных, в случае если «там» нас прослушивают, был разработан ряд других проектов. Самый крупный под названием SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence — «Поиск внеземного разума») начался в 1984 году. (Для более подробного ознакомления см. узел Всемирной Паутины www.seti.org.) Фильм «Контакт», снятый по роману астронома Карла Сагана, довольно точно воспроизводит многие стороны проекта SETI, где Джоди Фостер играет героиню, во многом похожую на Джилл Корнер Тарнер, соучредителя SETI (см. очерк о ней «Аn Ear to the Stars» в ноябрьском номере журнала Scientific American, 2002). Естественно, голливудские поиски оказываются более удачными по сравнению с действительностью.
Другие направления связаны с поиском оптических сигналов от лазеров[35] и проектом SERENDIP[36] («Поиск внеземных радиосигналов от близлежащих развитых разумных миров»), поддержанным писателем-фантастом Артуром Кларком.
Недавно вышедшие книги и статьи на эту тему:
Shostak S. Sharing the Universe: Perspectives on Extraterrestrial life. Berkeley Hills Books, 1998;
McDonald K. Life in Outer Space: The Search for Extraterrestrials, Raintree/Steck-Vaughn, 2000; Hazen R. M. Why Aren't black Holes Black? Anchor, 1997;
Crawford I. Where They Are? // Scientific American. 2000. July; Greenwald J. Who's Out There? // Discover. 1999. April; Davies P. Are We Alone? Basic Books, 1996.
Если вы пожелаете участвовать в проекте SETI, можете загрузить в свой компьютер программу, которая будет получать данные через Интернет и обрабатывать их на вашем компьютере, когда он будет находиться в режиме ожидания с появлением заставки, отображать сигналы и посылать их обратно SETI. Для получения программы обращайтесь на сайт по адресу:
http://setiathome.ssl.berkeley.edu/download.html
Но есть еще одна будоражащая воображение возможность: жизнь на основе темной материи (темной энергии). Ввиду отсутствия взаимодействия темной материи (темной энергии) и обычного вещества (обычной энергии) мы не можем воспринимать их, как и они нас. А если учесть преобладание темной энергии (темной материи) над обычным веществом, то основанные на них формы жизни могут оказаться столь огромными по величине или по численности, что мы окажемся букашками, совершенно неведомыми истинным формам жизни Вселенной или не замечаемыми ими.
5. Аминокислоты
Аминокислоты состоят из углерода (обозначаемого альфа-углерод) и связанных с ним четырех групп (рис. 1.3). Группы таковы: карбоксильная (СОО-), представляющая собой кислоту; аминогруппа (H3N+) — основание; водород (Н) и обозначаемая знаком R группа — боковая цепь, своя для каждой аминокислоты.
При ковалентной связи углерода карбоксильной группы аминокислоты с азотом аминогруппы другой аминокислоты выделяется молекула воды и образуется пептидная связь. Белковые молекулы состоят из большой цепи аминокислот, соединенных пептидной связью.
В пищеварительной системе животных аминокислоты выделяются при переваривании белковых молекул, после чего кровотоком доставляются к клеткам организма, где повторно используются.
Рис. 1.3. Молекулярное строение аминокислоты
Аминокислоты идут на «сборку» белков в соответствии с «чертежом», хранящимся в клеточной ДНК и претворяемым в жизнь РНК при содействии белковых катализаторов (ферментов). Таким образом, большинство необходимых организму аминокислот можно собрать из имеющихся в нем аминокислот. Это так называемые заменимые аминокислоты. Те же, которые должны поступать с пищей, относятся к незаменимым аминокислотам.
Более 100 аминокислот встречаются у растений и бактерий, у животных же их 20. В приведенной таблице даны названия, принятые сокращенные обозначения и химические формулы (линейная запись) 20 аминокислот животных.
Источник: http://chemistry.about.com/library/weekly/aa080801a.htm
6. Построение модели ДНК
Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.
Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора К'NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. 1.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.
Данная модель собрана на основе набора K'NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.кnех. com).
Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://с3.biomаth.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html
По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.
Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона — Крика.
При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам.
7. Кодоны
Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген — последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки.
Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно.
♦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буква ми А, Т, Ц и Г.
♦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тиминна урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК.
Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка?
♦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты.
♦ Если бы два нуклеотидных основания совместно зада вали одну аминокислоту, выходило бы 42 = 16 аминокислот.
♦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 43 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно.
Таким образом, кодон должен представлять собой триплет — три идущих вместе основания.
Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика.
Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.
Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодона-ми и аминокислотами.
В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [трансляцию] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК.
Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании.
8. Укладка белков
Белки, плод усилий ДНК, РНК и белковых ферментов, несут на себе бремя жизни — в буквальном и переносном смысле. На два вида белков, из-за своего строения названных глобулярными [округлыми] и фибриллярными[37] [вытянутыми], возложены многочисленные обязанности:
♦ Ферментный катализ. Глобулярные белки точно подлаживаются под определенные молекулы, вызывая жизненно необходимые химические реакции.
♦ Защита. Различные глобулярные белки берегут от определенных молекул, которые «подстраиваются» под облик белков.
♦ Транспортировка. Другая разновидность глобулярных белков занимается доставкой небольших молекул, опять же исходя из облика белка. Например, гемоглобин имеет полость, подстроенную под молекулу кислорода, переносит кислород через кровь и при необходимости «сгружает». Представьте, что случится, если молекула угарного газа займет полость в гемоглобине и «застрянет» там и гемоглобин уже не сможет доставлять кислород.
♦ Обеспечение волокнами. Коллаген — самый распространенный фибриллярный белок у позвоночных животных. Это молекулярная основа костей, связок, сухожилий и кожи.
♦ Движение. Молекулы актина и миозина обладают способностью скользить, обеспечивая сокращение мышц.
♦ Регуляция. Белки выступают в качестве поверхностных рецепторов клетки и внутренних регуляторов поведения гена вроде lac-репрессоров (см. гл. 4).
Внешний облик белка имеет решающее значение при выполнении многих задач, и он далеко не прост. Если длинную нить аминокислот, составляющих белок, уподобить волокну, то функциональный облик белка можно уподобить замысловатой корзине, сплетенной из этого волокна.
Сложное, трехмерное устройство белков впервые заметили в 1930-е годы, когда У. Т. Астбури получил различные рентгенограммы дифракционных полос натянутого человеческого волоса. Американский химик Лайнус Полинг, работая с Робертом Кори в 1951 году, основываясь на знании химических связей, предположил, что самые простые белковые молекулы имеют спиралевидное (а) или складчатое (Р) строение.
(В Англии Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик боялись, как бы Полинг раньше их не открыл строение ДНК. Оказалось, что Полинг работал с неверными данными и в итоге предпочел тройную спираль для ДНК вместо двойной, которую предложили Уотсон и Крик в 1953 году, имея на руках блестящие данные рентгенограмм Розалинды Франклин.)
Вскоре после выступления Полинга и Кори датский биохимик К. Линдерстрем-Ланг предложил четырехуровневое строение белка, исходя из теоретических соображений (см. рис. 3.6). Современный уровень знаний позволил добавить еще два уровня, о которых мы поговорим, рассмотрев вначале некоторые опытные данные.
В 1957 году химик Джон Кендрю после завершения в Кембриджском университете (Великобритания) большой работы с использованием методов рентгеноструктурного анализа определил точное трехмерное строение белка миоглобина, доставляющего кислород к мышцам. Посмотрев на итоговые результаты, Кендрю заметил: «Пожалуй, более всего эту молекулу отличают упорядоченность и отсутствие всякой симметрии». Все дело в том, что белки обычно имеют скрученное, витое трехмерное строение. Даже опытным исследователям нужно приложить немало усилий, чтобы усмотреть в моделях белков некие закономерности. Вот почему столь ценно знание многоуровневой организации белков.
Первичная структура белка определяется цепью аминокислот, собираемых РНК согласно «чертежу» ДНК. У белка со 100 аминокислотами каждое место может занимать любая из 20 аминокислот, так что в итоге можно получить 20100 совершенно различных белков. Столь огромная величина (10130), превышающая число атомов обычного вещества во Вселенной, свидетельствует о невероятном многообразии белков.
Вторичную структуру представляет а-спираль и складчатый (β-слой [β-тяж], как и предполагал Полинг. Эти структуры возникают вследствие притягивания положительно заряженных участков молекулы к отрицательным участкам той же молекулы и иных электрических воздействий.
Надвторичная структура (не показана) сочетает в себе две вторичные структуры или более, именуемые мотивами. Лист или складка имеет обычно мотив (βαβ; так называемая укладка Россманна[38] представляет собой сочетание (βαβαβ); другой распространенный мотив — (β-бочонок (образующий трубку (β-тяж).
Третичная структура часто образуется при реакции молекулы с водой, когда [гидрофобные, т. е. лишенные сродства с водой] участки молекулы плотно свертываются внутри ее, так что почти не остается свободного пространству. Такое плотное свертывание объясняет, почему некоторые мутации, связанные с замещением аминокислоты различной величины, могут изменять облик белка настолько, что он уже не в состоянии играть отведенную ему роль в метаболизме организма.
Домен (не показан) представляет собой участок белка, нередко из сотен аминокислот, имеющий своеобразный вид независимо от облика остальной молекулы. Домены можно уподобить узлам на длинной веревке.
Четвертичная структура описывает положение, когда две цепи аминокислот или более, именуемые подгруппами, соединяются, образуя один функциональный белок. Например, гемоглобин состоит из двух подгрупп: a-цепи и (3-цепи. Серповидноклеточная анемия вызывается мутацией, замещающей аминокислоту в одном из углов кольца (3-подгруппы, образуя там «липучку», которая скрепляет одну молекулу гемоглобина с другой. В итоге молекулярная цепь оказывается слишком длинной, чтобы справляться со своими обязанностями.
Первичная структура белка, биологически неактивная, также подвержена воздействию других молекул, которые могут повлиять на ее строение и работоспособность. Поэтому белки от первичного состояния зачастую переходят к третичному или четвертичному за несколько минут или даже доли секунды. Данный процесс именуют укладкой (или сворачиванием). И наоборот, при изменении окружающих условий (температуры, кислотности, концентрации ионов) белок может изменить свой облик, или развернуться. Обратный процесс именуют денатурацией. Примером может служить добавление соли или уксуса в пищу, что сохраняет ее, разрушая белки микроорганизмов, которые в обычных условиях беспрепятственно размножались бы на пище.
Во многих случаях после денатурации белки возвращают свою биологически активную конформацию и продолжают функционировать как ни в чем не бывало.
Однако иногда возможна неправильная укладка. Например, когда вы варите яйцо, белки разворачиваются. Но при охлаждении яйца они не возвращаются к прежней укладке, а образуют нерастворимую массу (если яйцо сварено вкрутую).
На правильное и неправильное сворачивание белка влияют другие белки, именуемые шаперонинами[39], которые обычно помогают укладке, ускоряя ее и предотвращая неправильную укладку. Выявлено более 17 шаперонинов, некоторые из которых даже позволяют уже неправильно уложенному белку вернуться к правильной укладке. Ведутся обширные исследования по неправильной укладке, которая, возможно, является причиной болезни Альцгеймера и коровьего бешенства.
Ввиду огромного числа белков и еще большего количества всевозможных для них укладок изыскания в этой области требуют привлечения суперЭВМ для учета всех случаев. Подобно обработке данных, получаемых в рамках проекта SETI, вы можете загрузить на свой домашний компьютер программу по расчету белковых укладок, которая будет работать в виде экранной заставки при простое вашего компьютера. Если вас это заинтересовало, можете обратиться на узел Всемирной Паутины http://folding.stanford.edu/ Уже на более чем 60 тыс. компьютеров запущена эта программа, что оказывает существенную поддержку проекту Folding@home.
Дополнительный источник информации: www.faseb.оrg/opar/protfold/protein.htm
9. Генетические технологии
Поскольку операционные системы всех живых существ основаны на ДНК, возможность разрезать ДНК, перестраивать ее, а затем вновь собирать породила новую отрасль производства — генную технологию.
Многие растения и животные уже оказались подвержены действию данной технологии. Многие годы животноводы и растениеводы изменяли ДНК посредством селекционирования. Недавно стали прибегать к более прямым генетическим изменениям. Устойчивость к гербицидам, связывание азота и устойчивость к вредителям — вот немногие из подвергшихся изменению признаков. В итоге добились увеличения производства высокопитательных продуктов.
Обращение генетических технологий к человеку связано с этическими вопросами, которые необходимо решить, особенно в связи с отсутствием полной картины человеческого протеома, а значит, и неизвестным пока воздействием генетических изменений на человеческие признаки (см. гл. 4).
Косвенное использование генетических технологий уже существенно отразилось на жизни людей. Приводим перечень осуществляемых биотехнологических проектов.
Бактерии используются для получения прежде труднодоступных, нужных человеческому организму белков, таких как:
— эритропоэтин (Erythropoietin), стимулирующий производство красных кровяных телец (эритроцитов);
— гормон роста, способствующий нормальному росту; инсулин, помогающий при диабете;
— интерферон, применяемый при различных болезнях; механизм его действия еще не до конца понят;
— профибринолизин (плазминоген), способствующий рассасыванию кровяных сгустков.
Теперь с помощью генной терапии лечат такие заболевания человека, как:
— СПИД;
— болезнь печени, вызванную а-1-антитрипсиновой недостаточностью;
— поражение печени может привести к хроническому гепатиту и циррозу;
— некоторые разновидности рака;
— хроническая гранулематозная болезнь (хронический семейный гранулематоз);
— кистозный фиброз;
— семейная гиперхолестеринемия;
— болезнь Гоше, по имени французского дерматолога Филиппа Гоше (1854–1918), характеризуется накоплением глюкоцереброзидов в макрофагах главным образом селезенки, костей и печени; наследуется по аутосомно-доминантному типу; гемофилия;
— болезнь Хантера (мукополисахаридоз II типа), по имени канадского врача родом из Шотландии Чарльза Хантера (1873–1955), в 1917 году описавшего характерную симптоматику у двух мальчиков-братьев; характеризуется умеренно выраженной деформацией скелета, атрофией дисков зрительных нервов, пигментной дегенерацией сетчатки; наследуется по рецессивному, связанному с Х-хромосомой типу;
— периферическая ангиопатия;
— пуриннуклеозид-фосфорилазы недостаточность; ревматоидный артрит;
— тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН; англ. SCID — Severe Combined Immunodeficiency).
Подобные списки устаревают уже при их обнародовании, пополняясь болезнями чуть ли не ежедневно. Для получения самых свежих сведений обращайтесь к следующим узлам Всемирной Паутины, размещающих новости в сфере биотехнологий:
www.bioethics.net/news/html/biotech.php
http://life.bio.sunysb.edu/biotech/ntws/
www.me.maricopa.edu/htdclark/html/biotechnology_news.html
Уяснение нами природы теломер — пример того, как знание работы генома (протеома) можно перевести на язык технологий. Повторяющийся участок в конце хромосомы, именуемый теломерой, часто состоит из повторяющейся много раз последовательности ТТАГГГ, которую можно было бы уподобить словам «и т. д., и т. д., и т. д.»… В некотором смысле эти повторяющиеся последовательности можно рассматривать как «бросовую» ДНК, поскольку в них не кодируется сборка белков. При каждой репликации ДНК одна из повторяемых последовательностей физически отделяется от молекулы ДНК, укорачивая ее. После отбрасывания всех повторяющихся последовательностей при следующей репликации ДНК отпавшие основания оказываются уже не «шапочками» повторяющихся концов [хромосомы], а частью чертежа для специфичного белка. Данное явление, напрямую связываемое со старением клетки, именуют пределом Хейфлика[40]. Азотистых оснований, необходимых для сборки определенного белка, больше нет, поэтому белок не собирается должным образом, а значит, и не может выполнять возложенных на него обязанностей в полном объеме. Если этот белок играет жизненно важную роль в метаболизме организма, подобный сбой означает смерть.
Предположим, что организм использует данный белок для борьбы с определенным вирусом. Прежде белок собирался правильно и вирус одолевал.
Но с уходом всех повторяющихся ТТАГГГ последовательностей стало невозможным собирать стойкий к вирусу белок, и вирус безраздельно завладел организмом. Возможно, поэтому флавивирусы[41] вроде возбудителя лихорадки Западного Нила легче поражают пожилых людей.
Вместе с тем раковые клетки не старятся. Они безгранично воспроизводятся. Так что же происходит с их повторяющимися последовательностями ТТАГГГ, которые должны отпадать? Оказывается, существует фермент, именуемый теломеразой, который при активации восстанавливает на конце хромосомы недостающие последовательности ТТАГГГ, позволяя тем самым клетке размножаться вне отведенных ей пределов.
Защите против некоторых видов рака, возможно, помог бы поиск активированной теломеразы. Кроме того, ввод теломеразы при нераковых заболеваниях, возможно, продлил бы жизнь. Или же деактивация теломеразы после прохождения курса лечения раковым больным предотвратила бы опасность рецидива.
Продолжающиеся исследования в данной области во многом влияют на фармакологию.
Наблюдающийся в биотехнологии бум стал возможен после картирования генома модельных организмов и человека. Однако из-за носившего урывочный характер картирования генома человека (когда сведения поступали от различных исследователей) подстраивание фармацевтической продукции или генной терапии под каждого человека пока еще невозможно.
Такое положение должно вот-вот измениться.
15 августа 2002 года Дж. Крейг Вентер объявил о своем намерении создать новый центр по секвенированию ДНК под эгидой Института исследований генома (TIGR), Центра содействия геномике и Института альтернативной биологической энергетики.
В задачу этих учреждений входит расшифровка полного генома конкретного человека, производимая за несколько часов или минут, а не в течение месяцев или лет, которая бы стоила 2–3 тыс. долларов, а не сотни миллионов, как это было в случае с международным консорциумом Human Genome Project. Хотя Вентер и оговаривается, что «существующие технические средства не способны решить подобной задачи», он рассчитывает справиться с ней за десять лет. С появлением этих новых технических средств Вентер планирует одновременное секвенирование ДНК всех микробов, содержащихся в пробе морской воды, в качестве способа слежения за состоянием экологии.
Пусть подобные планы и выглядят чересчур оптимистичными, достижения Вентера позволяют надеяться, что его прогнозы оправдаются.
10. Парниковые газы
Парник обеспечивает растения теплом, благодаря тому что стекло пропускает солнечный свет видимой, высокочастотной части спектра, задерживая при этом исходящее от растений низкочастотное, инфракрасное излучение. Тем самым стекло служит ловушкой для нагретого воздуха. Как уже говорилось в гл. 5, поверхность Венеры, Земли и Марса нагревается благодаря атмосфере, действующей в данном случае подобно стеклу парника.
На рис. 1.5 показано взаимодействие излучения с земной поверхностью. Видимый свет от Солнца (1) большей частью проходит сквозь земную атмосферу, и лишь незначительное его количество отражается облаками. Солнечная энергия отчасти поглощается земной поверхностью (2) и отражается от нее (3). Затем молекулы земной поверхности излучают энергию в низкочастотном инфракрасном диапазоне (4). Газы в атмосфере Земли отражают значительную часть инфракрасного излучения обратно на поверхность (5), тогда как в космос возвращается лишь малая толика (6). В итоге земная поверхность нагревается подобно воздуху внутри парника.
Рис. 1.5. Взаимодействие излучения с Землей
Земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, которые не отражают инфракрасного излучения обратно на поверхность планеты. Это делают другие атмосферные газы, называемые поэтому парниковыми. Образуемые в атмосфере естественным путем, парниковые газы включают водяные пары, двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Промышленность существенно пополняет их число, создавая к тому же не встречающиеся в природе парниковые газы.
На долю двуокиси углерода среди парниковых газов приходится 76 %. Природными источниками углекислого газа служат извержения вулканов, гниющие растения и разлагающиеся трупы животных, морские испарения и дыхание животных. Из атмосферы двуокись углерода удаляется через морскую воду и благодаря фотосинтезу как океанического планктона, так и биомассы на суше, включая леса и луга (именуемые поглотителями — sink). Человеческая деятельность (именуемая антропогенной), сопряженная с выделением углекислого газа в атмосферу, включает сжигание твердых отходов, ископаемого топлива, древесины и деревянных изделий.
Метан, составляющий 13 % парниковых газов, называют также болотным газом. Метан выделяется при гниении растений, особенно на рисовых полях, бактериями, разлагающими органическое вещество в увлажненной почве и в кишечнике многих животных (вспомним коровью отрыжку). Метан порождается человеческой деятельностью при ведении горных работ и транспортировке ископаемого топлива, разложении твердых отходов на свалках и разведении домашнего скота.
Закись азота составляет 6 % парниковых газов и выделяется естественным путем океаном и в результате почвенной деятельности бактерий. Человек привносит закись азота посредством азотных удобрений, установок по очистке сточных вод и выхлопов легковых и грузовых автомобилей.
Примерно 5 % парниковых газов поставляются источниками человеческой деятельности. Сюда относятся водород-но-фтористый углерод (HFC), перфорированный углерод (PFC) и шестифтористая сера (SF6)[42], используемые в различных промышленных производствах.
Недавние прогнозы по поводу повсеместного потепления пробудили интерес к парниковым газам. Как и в случае с любой общечеловеческой проблемой, здесь имеют место научная, техническая, экономическая и этическая составляющие. Поскольку рассмотрение большей их части выходит за рамки нашей книги, сосредоточим внимание лишь на некоторых научных аспектах, связанных с обсуждением темы погоды в гл. 5.
Сначала рассмотрим рис. 1.6, где приводятся показания температуры за прошлые годы.
На графике видно, что средняя температура у поверхности Земли за последние 100 лет поднялась примерно на 1°F [5/9 °C].
Изменения температуры у поверхности Земли
Рис. 1.6. Средняя температура у поверхности Земли
Отступление ледников, таяние ледникового покрова на Северном и Южном полюсах, увеличение испарения и количества осадков и подъем уровня океана служат дополнительными свидетельствами повсеместного потепления в прошлом. Очевидно, Земля становится более теплой.
Но вызван ли такой рост температуры недавним увеличением количества парниковых газов? Взглянем на рис. 1.7.
Содержание в атмосфере трех широко распространенных парниковых газов
Рис. 1.7. Содержание в атмосфере парниковых газов
Финансируемая ООН и состоящая из 2500 ученых Межправительственная комиссия по вопросу изменения климата (IРСС) пришла к заключению, что виной всему парниковые газы (см. узел Всемирной Паутины www.ipcc.ch/). Исходя из значительно большего числа природных источников парниковых газов по сравнению с антропогенными источниками, можно подумать, что рост объемов самих газов обусловлен чем-то иным, помимо деятельности человека. Однако климатологи утверждают, что естественные источники и поглотители примерно уравновешивают друг друга, так что отмеченный рост, вероятно, вызван антропогенными источниками.
Помимо поставки углекислого газа сжиганием ископаемого топлива и древесины большое влияние на состав атмосферы оказывает другой вид человеческой деятельности — вырубка лесов. Заготовка леса и расчистка земли под пашню и пастбища в тропической зоне приводят ежечасно к потере 3500 акров [1 акр = 4046,86 м2] лесных угодий. Углекислый газ поступает в атмосферу при сжигании деревьев, тогда как обезлесение сокращает число имеющихся на Земле поглотителей этого углекислого газа.
Необходимо также изучить долговременный кругооборот атмосферных газов для ответа на вопрос, не носят ли нынешние колебания более длительного характера. На основе изучения осадочных пород выявляются большие циклические изменения в содержании углекислого газа в далеком прошлом, однако данных этих мало и пока неясны причины подобных изменений.
Если тенденция к потеплению продолжится, это приведет ко многим нежелательным последствиям. Помимо очевидного роста уровня океана, что сделает непригодными для обитания некоторые прибрежные районы, а также вызовет увеличение солености пресноводных озер и рек, климат станет более суровым, приведя к человеческим и материальным потерям. Все это отразится на здоровье людей: тропические насекомые и болезни переместятся в умеренную зону; существенно возрастет риск заболевания диабетом, малярией, тепловых ударов, тепловой прострации и одышки.
Как уже говорилось в гл. 5, машинные модели климата содержат много неясного, что связано с трудностями моделирования; изменением солнечной активности; переменчивым характером облачности; сложностью математического аппарата, обусловленной характеризующими климат взаимосвязанными нелинейными переменными, обратной связью; слишком большим размером ячеек [покрывающих синоптический район сетки] и крайне малым количеством данных. Как и в случае с погодой, заключение межправительственной комиссии IPCC основывалось на сборном прогнозе. Предсказывалось неблагоприятное воздействие на здоровье человека, природные экосистемы и земледельческое и приморское население, но с оговоркой ввиду большого числа неучтенных факторов.
Противоположная, достаточно аргументированная точка зрения состоит в том, что нынешнее повсеместное потепление выступает лишь частью некоего более длительного цикла, нам пока не ясного, и любая человеческая деятельность крайне мало отражается на нем.
Долгосрочные действия по уменьшению выброса парниковых газов пока только изучаются, однако неясности научного свойства рисуют перед теми, кто принимает решения, смутную картину — по крайней мере сегодня.
См. узел Американского геофизического общества www.agu.org/eos_elec/991483.html. Для получения самых свежих новостей про водите поиск в Интернете по ключевым словам «парниковые газы» (greenhouse gases) или «глобальное потепление».
В дальнейшем, если развитые страны уменьшат потребление ископаемого топлива и обратятся к возобновляемым источникам энергии типа водяных, ветряных и солнечных, остроту проблемы потепления удастся снять. В Европе используют ядерную энергию, но ее производство и потребление сопряжено с вопросами безопасности и утилизации отходов. Далее, странам третьего мира необходимо снизить уровень рождаемости. Прежде чем проводить в жизнь тот или иной план, следует учесть все этические, экономические и политические факторы.
11. Земля: история недр
В ходе формирования Земли тяготение сортировало первичный материал в соответствии с его плотностью: более плотные составляющие опускались к центру, а менее плотные плавали сверху, образовав в итоге кору. На рис. 1.8 представлена Земля в разрезе.
Кора — внешняя оболочка. Она обладает наименьшей плотностью и расколота на многочисленные тонкие и жесткие каменные плиты, медленно движущиеся ввиду перемещения нижележащей мантии.
Мантия — следующая оболочка. Она самая толстая из всех оболочек, относительно теплая и жидкая по сравнению с корой, имеет горячие точки, порождающие конвекционные потоки (представьте завихрения в закипающей воде, только значительно медленнее движущиеся). Потоки в мантии перемещают плиты, вызывая землетрясения, вулканические извержения, расширение морского дна и дрейф континентов.
Рис 1.8. Строение Земли
Далее идет горячее жидкое внешнее ядро, состоящее из плотного железа и никеля и плещущееся ввиду вращения Земли. Земной магнетизм, возможно, вызван местным движением внутри этой оболочки.
Самая нижняя оболочка именуется внутренним ядром. Она хотя и состоит из расплавленного железа и никеля, из-за огромного давления оказывается твердой и самой плотной оболочкой.
За подробностями процесса создания этой модели и подтверждающими ее опытными данными обращайтесь к нашей книге Пять крупнейших представлений в науке (The Five Biggest Ideas in Science. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1997).
Следующие узлы Всемирной Паутины содержат свежую информацию и прекрасные иллюстративные материалы:
www.hartrao.ас.za/geodesy/tectonics.html
http://pubs.usgs.gov/peubications/text/dynamic.html
www.seismo.unr.edu/ftp/pub/louie/class/100/plate-tectonics.html
http://scign.jpl.nasa.gov/lwarn/plate/htm
12. Теория хаоса
О тягость легкости, смысл пустоты!
Бесформенный хаос прекрасных форм!
У. Шекспир. Ромео и Джульетта
Как уже говорилось в гл. 5, хаос не следует путать с произволом. Хаос означает скорее чрезвычайную восприимчивость конечного результата к малым изменениям в начальных условиях. Как поется в старой колыбельной:
Не было гвоздя —
Подкова пропала.
Не было подковы —
Лошадь захромала.
Лошадь захромала —
Командир убит.
Конница разбита,
Армия бежит.
Враг вступает
В город,
Пленных не щадя,
Оттого что в кузнице
Не было гвоздя!
[Гвоздь и подкова. Пер. с англ. С. Маршака]
До 1960-х годов существовал некий сугубо математический метод, как оказалось, связанный с теорией хаоса. Гастон Морис Жулиа, математик из Алжира, после ранения в сражениях Первой мировой войны вынужден был носить на лице кожаную повязку, защищавшую сильно искалеченный нос. Из-за многочисленных операций ему приходилось долго скитаться по госпиталям, где, чтобы как-то скоротать время, он занимался математическими выкладками. В 25 лет он пишет «Записку о приближении рациональных функций». Работу он делал в связи с темой, объявленной в 1915 году Французской академией наук на соискание главной премии 1918 года, которой и удостоился; хотя французский математик и астроном Пьер Жозеф Луи Фату (1878–1929) опубликовал в декабре 1917 года работу на ту же тему, однако Жулиа отослал свою статью в Академию наук раньше. Функция представляет собой математическое правило вычисления наподобие следующего: f(х) = х2 + const. Если х = 2, a const = 3, то значение функции составит 7. Приближение (итерация) осуществляется использованием вычисленного для /значения в качестве следующего значения для х. Итак, если х = 7, то f(х) = 52, и т. д. Жулиа исследовал более сложные выражения. Особо его занимали функции и значения, при которых возможно многократное приближение без бесконечного роста итоговой величины [самой функции]. Значения х, для которых повторяющиеся итерации давали конечный результат, стали именоваться пленниками [обычно говорят о множестве точек притяжения, или аттракторах]. При стремлении к бесконечности итоговых величин их называют «беглецами» [обычно говорят о множестве точек отталкивания, или репеллерах]. Вычисления велись вручную и были крайне трудоемкими даже для простых функций. Хотя Жулиа и обрел некую славу в математических кругах, его труд был основательно забыт, и вспомнили о нем уже в 1970-е годы.
Бенуа Мандельброта, родившегося в Польше в 1924 году, со статьей Жулиа познакомил в 1945 году родной дядя, профессор математики. В то время идеи Жулиа его не заинтересовали. Но спустя 30 лет после головокружительной научной карьеры Мандельброт очутился в компании IBM и обратил мощь ЭВМ на итеративные вычисления Жулиа. Мандельброт первым разработал метод графического построения, когда ЭВМ выводит на экран образ схождения и расхождения приближаемой функции.
Рис. 1.9. Множество Мандельброта
Прекрасные образы, порождаемые методами итерации Мандельброта и Жулиа, способствовали одно время появлению бесчисленных книг и узлов Всемирной Паутины. Вот некоторые из них:
Gleick J. Making a New Science. N.Y.: Viking Penguin, 1987.
http://hypertextbook.com/chaos
www.wfu.edu/~petrejh4/chaosind.htm
В 2002 году Стивен Вулфрем издал книгу по смежной тематике A New Kind of Science (см. www.Wolfram.com). Его труд основан на собственных исследованиях в области клеточных автоматов, представляющих собой ряд одинаково запрограммированных автоматов, иначе «клеток», взаимодействующих друг с другом по определенным правилам. С помощью очень простых правил можно создать очень сложные образы. Некоторые из этих образов очень похожи на природные объекты, однако установление связи между математикой хаоса и пригодным описанием реального мира все еще ждет своего часа.
13. Предсказание землетрясений
Предсказаний землетрясений сегодня много. Поисковые машины в Интернете на запрос «Предсказание землетрясений» выдадут вам более 50 тыс. узлов Всемирной Паутины. Некоторые предсказания делаются на основе «данных» экстрасенсов (см.: Wynn Charles М., Wiggins Arthur W., Harris Sidney. Quantum Leaps in the Wrong Direction: Where Real Science Ends… and Pseudoscience Begins.
Washington, 2001). Другие усилия связаны с соотнесением землетрясений с земным электричеством, поведением животных, расположением планет или иными явлениями. Несмотря на ошибочность большинства прогнозов, хотя бы один непременно оказывается верным.
Предположим, приятель предлагает вам пари: «Ставлю 20 долларов на то, что в следующем месяце произойдет крупное землетрясение в помеченной точками вот здесь на карте области».
Не принимайте вызова. Ваш приятель наверняка выиграет. Помеченная точками область на карте (рис. 1.10) соответствует границам плит, составляющих земную кору.
Рис. 1.10. Зоны землетрясений
Когда конвенционные потоки в мантии (см.: Список идей, 11. Земля: история недр) увлекают за собой плиты, происходят землетрясения. Хотя некоторые землетрясения случаются и в иных местах, помимо оконечностей плит, именно на оконечности и приходится подавляющая часть таких событий. Статистические данные о землетрясениях различной силы за год таковы:
Сила землетрясения по шкале Рихтера (чем больше величина, тем разрушительнее землетрясение) ∙ Количество землетрясений в год
4-4,9 ∙ 6200
5-5,9 ∙ 800
6-6,9 ∙ 120
7-7,9 ∙ 18
Заметим, что условия пари были довольно туманны. Что такое крупное землетрясение? Если речь идет о значениях по шкале Рихтера выше 6 баллов, то таких событий происходит более десятка в месяц и преимущественно в помеченной точками области. Выражения «за месяц» и в «помеченной области» довольно расплывчаты. Если вы живете в пределах данной области, подобно миллионам других людей, нужно ли вам уезжать отсюда? Данное предсказание сообщает слишком мало сведений, чтобы представлять хоть какую-то ценность. В 1970-е годы некоторые геологи были настроены оптимистично в отношении точного и надежного предсказания землетрясений. Появилась даже разновидность теории хаоса, названная теорией катастроф, которая представлялась пригодной для предсказания таких неожиданных событий, как потеря устойчивости у балок, растрескивание асбестоцементных плит, а также землетрясения.
Однако выяснилось, что построение математических моделей поведения внутренних оболочек Земли столь же трудно, как и построение моделей поведения земной атмосферы. Нелегко составить уравнение, точно описывающее поведение модели, и даже приближенные уравнения оказываются на редкость нелинейными, выказывая крайнюю чувствительность к начальным условиям, свойственным хаотическим системам. К тому же получение сведений о текущем состоянии пород внутри коры и мантии сложнее, чем измерение параметров атмосферы, ввиду недоступности недр коры и мантии.
В статье 1997 года (журнал Science: [Geller R. J., Jackson D. D., Kagan Y. Y, Mulargia F. Earthquakes cannot be predicted // Science, 1997. Vol. 275]) известные геологи Роберт Геллер из Токийского, Дэвид Джексон и Ян Каган из Калифорнийского университетов и Франческо Муларджа из Университета Болоньи (Италия) утверждают, что «конкретные землетрясения, похоже, изначально непредсказуемы». За подробностями обращайтесь на сайт Всемирной Паутины:
http://scec.ess.ucla.edu/~ykagan/perspective.html
Вот еще неплохие источники:
http://quake.wr.usgs.gov/research/parkfield /
www.nature.com/nature/debates/earthquake/equake_frameset.html
Составление звездных каталогов
Следующий неполный перечень звездных каталогов отражает стремление людей к упорядочению окружающего мира и поиску определенных закономерностей. Намечаются еще более грандиозные замыслы по созданию космических обсерваторий, в том числе на Луне и Марсе.
Звезды именуются согласно каталогу, где они встречаются. Многие яркие звезды обозначают согласно приводимым в каталоге Байера названиям.
Наиболее ярким звездам каждого созвездия Байер присваивал буквы греческого алфавита в порядке убывания их светимости. Например, Полярная звезда именуется Р Ursae Minoris (а Малой Медведицы), поскольку она самая яркая в созвездии. Другим примером может служить первая видимая звезда — спутник черной дыры, названная HDE 226868 потому, что впервые появилась в расширенном каталоге Генри Дрейпера, и, таким образом, ее местонахождение там соответствует числу 226868.
* BD — Боннское обозрение, каталог в 4 томах и приложенный к нему большой атлас неба на 324 188 звезд (дополнен Э. Шёнфельдом в 1886 году до 457 857 еще 133 659 звездами), видимых в Северном полушарии; CD — через 50 лет после составления Ф. Аргеландером каталога Боннское обозрение в Аргентине (Кордовская обсерватория) вышло продолжение для видимых звезд Южного неба «Кордовское обозрение неба» (Cordoba Durchmusterung — CD), включающее уже 578 802 звезды и составленное в 1892–1914 годах коллективом обсерватории под руководством Джона Томе (1843–1908); было доведено до Южного полюса в 1930 году; CPD (Cape Photographic Durchmusterung) — Фотографический обзор с мыса Доброй Надежды, каталог 454 875 звезд Южного полушария, составлен в 1896–1900 годах голландским астрономом Якобусом Корнелисом Каптейном (1851–1922).
** 1C–Index Catalogue, два дополнительных каталога, появившихся в 1895 и 1908 годах.
Примечания
1. Птолемеев Альмагест составляет основу нынешних астрологических данных, хотя земная ось с тех пор сместилась таким образом, что созвездия зодиака более не соответствуют принятым для них месяцам. К тому же после Птолемея было открыто огромное число звезд и даже несколько планет, но это, похоже, не занимает астрологию.
2. Тихо Браге, последний величайший наблюдатель звездного неба невооруженным глазом не издавал собственного каталога звезд. Эта задача выпала на долю его помощника, достойного уважения Иоганна Кеплера, внесшего лепту в ко пилку астрономических знаний, установившего, что планеты движутся не по круговым, а вытянутым (эллиптическим) орбитам.
3. Джон Флемстид (1646–1719) основал Королевскую Гринвичскую обсерваторию, став ее первым директором и первым королевским астрономом. Это был край не скрупулезный наблюдатель, чей список звезд по численности и точности координат превзошел все прежние каталоги. Современники Эдмунд Галлей и Исаак Ньютон через Королевское общество торопили Флемстида обнародовать свои наблюдения как можно раньше, хоть они и были еще не завершены. Наконец без согласия и даже ведома Флемстида в 1712 году была напечатана часть его наблюдений в 400 экз., которые были использованы И. Ньютоном при обосновании закона всемирного тяготения. Однако Флемстид настоял на уничтожении этого издания и предпринял новое, названное им «Historia coelestis Britannica». При жизни Флемстида вышел лишь первый том, включавший его наблюдения, произведенные в Денби и Гринвиче над Солнцем, Луной, звездами, планетами, спутниками Юпитера, пятнами на Солнце. Второй том содержит меридианные наблюдения в Гринвиче, третий (1725) — исторический очерк описания инструментов и знаменитый «Бри танский» каталог 2884 звезд. Уже после смерти Ф. был издан (1729) его «Atlas coelestis».
4. Сэр Уильям Гершель (1738–1822) был урожденным Фридрихом Вильгельмом Гершелем и появился на свет в немецком городе Ганновере. Сын бедного музыканта, Гершель поступил на службу простым полковым гобоистом, но походная жизнь ему не понравилась, и уже в 1757 году он дезертировал с военной службы и прибыл в Англию, куда несколько ранее переселился брат его Иаков, капельмейстер ганноверского полка. Здесь Гершель стал органистом и учителем музыки. В 1772 году к нему присоединилась сестра Каролина Лукреция. Вскоре у него пробудился интерес к астрономии, так что бравшие у него уроки музыки ученики постигали не только музыку, но и астрономию. Не имея дома помещения для телескопа, он установил его на улице. Это зрелище привлекало посетителей, одним из которых оказался доктор Уильям Ватсон, член Королевского общества, представивший на его суд некоторые заметки Гершеля о высоте гор на Луне.
В последующие два года Гершель обнаружил яркое небесное тело там, где прежние карты не показывали никаких звезд. Это медленно движущееся тело оказалось планетой, названной Гершелем Georgium sidus («Звездой Георгия»), в честь короля Георгия III, позже переименованной в Уран. Это открытие определило карьеру Гершеля; король Георг III, любитель астрономии и покровитель ганноверцев, снабдил его средствами для постройки отдельной обсерватории в Слоу, близ Виндзора, и назначил ему ежегодное содержание в 300 гиней. Здесь Гершель с юношеским жаром и необыкновенным усердием принялся за астрономические наблюдения. По словам биографа, он выходил из обсерватории только для того, чтобы представлять Королевскому обществу результаты своих неусыпных трудов. Он выписал из Ганновера сестру Каролину, которая затем не покидала брата до самой его смерти и была превосходным помощником; она не только записывала наблюдения, но и производила вычисления. Гершель был избран членом Королевского общества, получил звание придворного астронома наряду с сестрой и помощником.
50-летний Гершель женится на вдове Мери Питт, коренной англичанке. У них рождается сын, Джон Фредерик, учившийся вначале в Кембридже на математика, но затем обратившийся к астрономии, чтобы завершить звездный каталог своего отца.
5. Йохан Людвиг (Джон Луис) Эмиль Дрейер (1852–1926) родился в Копенгагене (Дания). В 1872 году он работал помощником [Уильяма Парсонса] лорда Росса в его поместье Бир-Касл близ Парсонстауна, что между Дублином и Лимериком в Ирландии. Лорд Росс построил крупнейший в мире телескоп, 72-дюймовое чудище, прозванное Левиафаном из Парсонстауна. В 1845 году, отмеченном страшным голодом, наблюдения были свернуты, но когда телескоп вновь заработал, Дрейеру удалось выявить много удаленных небесных тел, добавив в Общий ката лог (New General Catalog) Гершеля тысячу новых имен. Основной труд Дрейер проделал в обсерватории г. Арма, где по заданию Королевского общества составил Новый общий каталог (New General Catalog — NGC).
6. Генри Дрейпер (1837–1882) был медиком и астрономом-любителем, в 1872 году сделавшим первый снимок спектра у звезды, которой оказалась Вега. После безвременной кончины Дрейпера вдова учредила на его средства фонд поощрения работ по фотографическому изучению спектра звезд в Гарвардской обсерватории, который возглавил Эдвард Пикеринг (см. гл. 6).
После 1910 года одна из представительниц пикеринговского «гарема», Энни Джамп Кэннон приступила к классификации звезд по их спектру. Она разработала схему распределения звезд по спектральным классам OBAFGKM (для лучшего запоминания студентами читается как Oh, Be A Fine Girl (Guy), Kiss Me), классифицировав no 50 тыс. звезд в год, так что за 40 лет работы ей удалось охватить своей схемой 400 тыс. звезд. В 1938 году, за два года до ухода на пенсию, она получила должность в Гарварде подобно той, что занимал астроном Уильям Кранч Бонд (1789–1859).
За более подробными сведениями обращайтесь на узел Всемирной Паутины www.seds.оrg/~spider/Misc/star_саts.html
15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности
Альберт Эйнштейн в 1905 году напечатал в германском ежемесячном журнале по физике Annalen der Physik und Chemie пять статей.
В представленной Цюрихскому университету в апреле и защищенной в июле 1905 года докторской диссертации «Новое определение размеров молекул» Эйнштейн показал, как определить число Авогадро (знаменитую величину 6,02х1023, равную числу содержащихся в 1 моле вещества молекул) и размеры ионов в растворе на основе измеренных значений осмотического давления и коэффициента диффузии. Данный труд принес ему звание доктора философии и спустя уже почти 100 лет остается одним из наиболее часто цитируемых в научной литературе.
В работе «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» разъяснялось, каким образом зигзагообразное движение молекул, наблюдаемое под микроскопом, вызывалось столкновениями с движущимися молекулами в жидкости. Сами молекулы из-за малой величины не были видны, но итоговое движение более крупного тела наблюдалось микроскопистами, в том числе Робертом Броуном. Такое движение стало называться броуновским. Статья Эйнштейна укрепила связь между кинетической теорией и наблюдаемыми явлениями.
Статью «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» Эйнштейн называл революционной, что на самом деле так и было. Неудовлетворенный описанием материи как дискретного состояния, противопоставляемого непрерывной природе электромагнитного излучения, Эйнштейн предположил, что свет в некоторых отношениях следует рассматривать подобно частицам. Он показал, что данный подход согласуется с исследованием Планка излучаемого нагретым телом света. Подойдя с той же меркой к фотоэлектрическому эффекту, когда падающий на металлическую поверхность свет приводил к испусканию этой поверхностью электронов, Эйнштейн сумел объяснить некоторые результаты, сбивавшие с толку других ученых. Данная статья способствовала утверждению нового взгляда на свет, где автор с большим вниманием отнесся к выводам Планка, нежели он сам, рассматривавший свое толкование дискретности испускаемой светом энергии скорее как математическую хитрость, а не как точное отображение действительности. Прежде чем написать статью, Эйнштейн почти пять лет размышлял над этим свойством света.
«К электродинамике движущихся сред» — знаменитая статья Эйнштейна о специальной теории относительности. В ней говорится об обобщении классической относительности, согласно которой законы физики правомерны для любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью. Например, если подбросить мяч внутри движущегося автомобиля, он взлетит и опустится так, словно вы неподвижно стоите на земле. Второй постулат относительности поистине революционен. Он опровергает представление Ньютона: скорость света для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью, постоянна, а пространство и время — относительны по отношению к нему, в отличие от придаваемого им Ньютоном абсолютного характера. Как явствует из письма Эйнштейна своему внуку, ученый размышлял над данным вопросом по меньшей мере семь лет, прежде чем появилась на свет эта статья.
Последняя статья 1905 года «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии», будучи дополнением предыдущей статьи, стала своего рода математической сноской к специальной теории относительности, поскольку содержала связывающее массу и энергию уравнение. Оно было выражено как m = L/V2, где V — скорость света, а не в привычном для всех ныне виде Е = mc2.
За более подробными сведениями обращайтесь к книге: Einstein's Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics. Princeton, 1998.
Благодаря огромному вкладу в ряд областей физики невольно складывается впечатление, что Эйнштейн весьма серьезно относился к своим научным занятиям. Но вот что он пишет по поводу своих четырех статей близкому другу Конраду Габихту 18 мая 1905 года:
«Между нами воцарилось такое молчание, что я ощущаю себя чуть ли не святотатцем, нарушая его своим невразумительным лепетом. Итак, что же происходит с тобой, ты, бесчувственный сухарь?.. Почему до сих пор так и не прислал своей диссертации? Разве не знаешь, что я один из полутора горемык, что прочитали бы ее с любопытством и удовольствием, черт бы тебя побрал! Я же обещаю тебе взамен четыре статьи. В первой речь идет об излучении и энергетических свойствах света, и она достаточно революционна, в чем сам убедишься, если вначале пришлешь мне свой опус. Вторая занята определением истинных размеров атомов. Третья доказывает, что тела порядка 1/1000 мм, взвешенные в жидкости, вынуждены совершать наблюдаемое случайное движение, обусловленное тепловым движением. Четвертая же представляет пока лишь набросок и касается электродинамики движущихся тел с привлечением видоизмененной теории пространства и времени».
Каким образом Эйнштейну удалось написать пять статей, столь повлиявших на развитие физики, всего за год? Возможно, вы скажете, что он был математическим гением, преуспевал в школе, много читал и трудился в научной обстановке, которая давала много времени для теоретической работы. Это не так.
В 1905 году Альберту Эйнштейну исполнилось 26 лет, он целыми днями был занят в Швейцарском патентном бюро Берна, состоял в браке с Милевой Марич (1875–1948), возлюбленной еще со студенческой скамьи, и был отцом годовалого ребенка, Ганса Альберта.
Вот несколько высказываний Альберта Эйнштейна о себе:
«У меня нет никакого особого таланта. Я всего лишь любознателен».
«Я вовсе не так уж и умен, просто я больше просиживаю над вопросами».
«Сами мысли не приходили в некой словесной оболочке. Я вообще редко мыслю словами. Приходит в голову мысль, и я лишь пытаюсь облечь ее в слова».
Однажды Эйнштейн в ответ на просьбу 12-летней девочки [из Бруклина] помочь ей с выполнением домашнего задания послал ей письмо с целой страницей формул, сопровождая их такими словами:
«Пусть тебя не смущают нелады с математикой; заверяю тебя, у меня их было значительно больше.
Порой я спрашиваю себя, как мне удалось создать теорию относительности. Причина, по моему разумению, в том, что обычный взрослый просто никогда не задумывается над вопросами пространства и времени. Они волновали его, когда он был ребенком. Но мое умственное развитие запоздало, отчего любопытство к пространству и времени у меня пробудилось, когда я уже вырос».
Многие биографы, повествуя о ранних годах учебы Эйнштейна, отмечают его независимость, нежелание следовать авторитетам и многочисленные неудачи. Некоторые заключают, что он страдал необучаемостью, возможно дислексией (неспособностью к чтению). Следующее высказывание, возможно, внесет некоторую ясность: «Чтение после определенного возраста слишком уж отвлекает ум от его творческих устремлений. Тот, кто слишком много читает и слишком мало пользуется собственными мозгами, приобретает леность мышления».
Конечно, умственные способности Эйнштейна был] значительно выше средних, но, пожалуй, важнее было ел умение сосредотачиваться. Некоторые назвали бы это упорством, но дар направлять свои незаурядные способности на что-то одно его изрядно выручал. Однако поглощенность наукой, видимо, не могла сделать из него идеального муж и отца. Завоевав известность своими научными трудами Эйнштейн стал получать приглашения занять ту или иную академическую должность, и ему приходилось много разъезжать. Все это не прошло даром, и в 1919 году они с Миле вой разводятся. Одним из условий развода значилась выплата Эйнштейном Милеве части его будущей Нобелевской премии. Нобелевскую премию ему присудили в 1921 году (за объяснение механизма фотоэлектрического эффекта), i бывшая жена с детьми получили причитающиеся деньги.
В 1919 году Альберт Эйнштейн женился на вдове своего двоюродного брата Эльзе, продолжал свою научную работ и много ездил, везде играя на своей скрипке. Хотя немногие разбирались в его теории, язык музыки был понятен всем. 1 1919 году пришло первое опытное подтверждение его об щей теории относительности, добавившее ему славы С приходом к власти в Германии нацистов миролюбцу и еврею Эйнштейну приходилось все труднее. В итоге он бежит в США. В Принстонском институте высших исследований он безуспешно пытался построить объединенную теории поля. До конца своей жизни (1955) Эйнштейн оставался непререкаемым авторитетом в физике.
«Мир нуждается в героях, и лучше, чтобы это были безобидные вроде меня люди, а не злодеи наподобие Гитлера».
Альберт Эйнштейн
16. «Большой взрыв»
Теория «большого взрыва» о порождении Вселенной утверждает, что все вещество и энергия берут начало 14 млрд. лет назад из одной точки, после чего Вселенная начала расширяться. На первых порах расширение было стремительным, получив название раздувания (инфляции), а затем из-за влияния тяготения оно замедлилось. Теперь же оно вновь ускоряется под действием темной энергии.
За более подробными сведениями, содержащими опытные данные, обращайтесь к нашей книге Пять крупнейших представлений в науке (The Five Biggest Ideas in Science. NY, 1997).
Источники для углубленного изучения
Источники общего характера
Книги
Anton Ted. Bold Science; Seven Scientists Who Are Changing Our World. N.Y.: W. H. Freeman and Co., 2000.
Kaku Michio. Hyperspace. London: Oxford University Press, 1994.
Kaku Michio. Visions. N.Y.: Anchor Books, 1997.
Kuhn Robert L. Closer to Truth Challenging Current Belief. N.Y.: McGraw-Hill, 2000.
Периодические издания
Discover
Science
Science
Week
Узел Всемирной Паутины
www. mkaku. org
Глава 1. Видение науки
Книги
Malone John. Unsolved Mysteries of Science: A Mind-Expanding Journey through a Universe of Big Bangs, Particle Waves, and Other Perplexing Concepts. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 2001.
The Next Fifty Years — Science in the First Half of the Twenty-First Century / Brockman, John (Ed.). N.Y.: Vantage Books, 2002.
Глава 2. Физика. Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?
Книги
Brennan R. P. Heisenberg Probably Slept Here: The Lives, Times, and Ideas of the Great Physicists of the 20th Century. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1996.
Gordon K. Super symmetry: Squarks, Photinos, and the Unveiling of the Ultimate Laws of Nature. Cambridge, Mass.: Helix Books, 2000 [на рус. яз.: Гордон К. Современная физика элементарных частиц. М.: Мир, 1990;
Говард 3. X., Гордон Л. К. Обладает ли природа суперсимметрией? // В мире науки. 1986. Авг. С. 26].
Peat F. D. Superstrings and the Search for the Theory of Everything. N.Y.: Contemporary Books, 1989.
Периодические издания Arkani-Hamed N., Dimopolous S., Dvali G. The Universe's Unseen Dimensions // Scientific American. 2000. Aug. A Matter of Time // Scientific American. 2002. Sept. Special Issue.
Overbye D. Remembering David Schramm, the Gentle Giant of Cosmology. New York Times. 1998. № 10. Febr.
Weinberg S. A Unified Physics by 2050? // Scientific American. 1999. Dec.
Узлы Всемирной Паутины
CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) — узел Европейской организации по ядерным исследованиям:
http://welcome.cern.ch/welcome/gateway.html
Проект обучения современной физике (Contemporary Physics Education Project): www.cpepweb.org/
Узел Национальной лаборатории высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (Fermilab, Fermi National Accelerator Laboratory — FNAL) в Батавии, штат Иллинойс: www.fnal.gov/
Хиггсовы поля: www.hep.yorku.ca/whatjsjiiggs.html
Хиггс: http://magazine.uchicago.edu/0104/features/higgs.html
Физика высоких энергий в лаб. Ферми (Fermilab): www.hep.net/
Охота за высшими измерениями (Hunting for Higher Dimensions // Science News Online. 2000. № 19. Febr.): www.sdencenews.org
Путеводитель для любителя по М-теории («А Layman's Guide to М-Theory»), автор М. J. Duff: http://arxiv.огд/abs/hep-th/9805177
Узел «Приключения частиц» (Particle Adventure): http://particleadventure.org/particleadventure/index.html
Совет по исследованию в области физики частиц и астрономии (Particle Physics and Astronomy Research Council): www.pparc.ас.uk/
Квантовая теория поля: http://theory.caltech.edu/people/jhs/strings/str114.html
Узел Стэнфордского центра линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center): www.slac.Stanford.edu/
Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
Книги
Adams F. Origins of Existence: How Life Emerged in the Universe. N.Y.: The Free Press, 2002.
Duve Ch. de. Life Evolving: Molecules, Mind, and Meaning. Oxford: Oxford University Press, 2002.
Ridley M. Genome. N.Y.: HarperCollins, 2000. Shapiro R. Planetary Dreams:
The Quest to Discover Life Beyond Earth. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 2001.
Периодические издания
Ridley M. The Year of the Genome // Discover. 2001. Vol. 1. № 1. Jan.
Wade N. Inside the Cell, Experts See Life's Origin // New York Times. 1999. № 16. Apr.
Узлы Всемирной Паутины
Archaea: www.ucmp.berkeley.edu/archaea/archaea.html
Начало жизни на Земле:
www.sigmaxi.org/amsci/articles/95articles/cdeduve.html
Life in the right universe: www.discover.com/nov_00/featlife.html
Происхождение жизни: http://origins.jpl.nasa.gov/
www.resa.net/nasa/origins_life.htm
http://taggart.gig.msu.edu/isb200/oolife.htm
Происхождение жизни на Земле, автор Leslie Orgel: www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/2948/orgel.html
Премия «Происхождение жизни» (Origin of Life prize): www.us.net/life/
Происхождение и становление жизни: www.chemistry.ucsc.edu/Projects/origin/home.html
Взгляды Викрамасинхга (Wickramasinghe) и Хойла (Hoyle) на происхождение жизни: www.actionbiosdence.org/new frontiers/wickramasinghe/wickhoyle.html
Глава 4. Биология. Каково строение и предназначение протеома?
Книги
Raven P. Н., Johnson G. В. Biology, 6th Edition. N.Y.: McGraw-Hill, 2002 (на рус. яз.: Рейвн П., Эверт Р., Лйкхорн С. Современная ботаника: В 2 т. / Пер. с англ. В. Гладковой и др. М.: Мир, 1990).
Узлы Всемирной Паутины
Прикладная молекулярная генетика:
www.biochem.arizona.edu/classes/bioc471/pages/Lecture3.html
Биочипы:
http://157.98.13.103/docs/1995/103-3/innovations.html
http://arrayit.com/Company/Media/PrintMedia/printmedia.html
www.goertzel.org/benzine/FodorProfile.htm
Электрофорез в геле:
www.iacr.bbsrc.ac.uk/notebook/courses/guide/dnast.htm
Генетический код:
http://newton.dep.anl.gov/askasci/mole00.htm «Бросовая» ДНК, или как?: www.iacr.bbsrc.ас.uk/notebook/courses/guide/dnast.htm
Заметки о молекулярной биологии:
www.iacr.bbsrc.ас.uk/notebook/courses/guide/dnast.htm
Молекулярная генетика: http://newton.dep.anl.gov/askasci/moleOO.htm
Глава 5. Геология. Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
Периодические издания
Scientific American Presents Weather // Scientific American. 2000. Vol. 11.№ 1.
Узлы Всемирной Паутины
Лед на Луне: http://nssdc.gsfс. nasa.gov/planetary/ice/icemoon.html
Возникновение воды на Земле: http://scienceweek.com/swfr065.htm
Моделирование предсказания погоды на персональном компьютере: www.climateprediction.com
Запуск зонда Venera на Венеру: http://nssdcgsfс. nasa.gov/planetary/venera.html
Глава 6. Астрономия. Почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
Книги
Bergstrom L, GoobarA. Cosmology and Particle Astrophysics. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1999.
Boss A. Looking for Earths: The Race to Find New Solar Systems. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 2000.
Fox К. С The Big Bang Theory: What It Is, Where It Carne From, and Why It Works. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2002.
Livio M. The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Beauty of the Cosmos. N.Y.: John Wiley &Sons, Inc., 2000.
Периодические издания
Cline D. B. The Search for Dark Matter // Scientific American. 2003. Vol. № 3. March.
Overbye D. A Scientist's Prey: Dark Energy in the Cosmic Abyss // New York Times. 2003. № 18. Febr. Wright K. Very Dark Energy// Discover. 2001. Vol. 22. № 3. March.
Узлы Всемирной Паутины
Ускорение Вселенной:
www.discover.com/science news/astronomy/quick.html
Астрономические сайты: www.winternet.com/~gmcdavid/html
dir/astronomy.html
Биография Фридриха Бесселя (Bessel):
www.groups.dcs.stand.ac.uk/~history/Mathematicians/Bessel.html
Дополнительные сведения о «большом взрыве»: http://hoku.as.utexas.edu/~gebhardt/a309s02/Iect5dm.html
Теория «большого взрыва»:
www.damtp.cam.ас.uk/user/gr/public/bb_home.html
Космологическая постоянная и темная материя:
http://umwntl.physics.Isa.umich.edu/PIC99/Talks/turner/turner.htm
Темная энергия в ускоряющейся Вселенной:
http://snap.lbl.gov/brochure/index.html
Dark energy resource book: http://supernova.lbl.gov/~evlinder/sci.html#secl
Темная материя и темная энергия: http://hitoshi.berkeley.edu/290E/
High Z Supernova Project: www.sc.doe.gov/feature articles 2001/April/lucky supernova/lucky supernova.htm
Проект «Микроволновая анизотропия»: http://map.gsfc.nasa.gov/rn_uni/uni 101fate.html
M-теория: www.damtp.cam.ас.uk/user/gr/public/qg_ss.html
Космический телескоп нового поколения (Next Generation Space Telescope): http://ngst.gsfcnasa.gov/
Представление зонда по измерению ускорения сверхновой звезды: 985/html http://atlas.physics.Isa.umich.edu/docushare/dscgi/ds.py/GetRepr/File-
Сайты по теоретической космологии:
http://cfa-www.harvard.edu/~j_cohn/1cosmo.html
Список проблем
Книги
Kaku M. Hyperspace. N.Y.: Oxford University Press, 1994.
Kaku M. Visions. N.Y.: Anchor Books, 1997.
Malone J. Unsolved Mysteries of Science. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 2001.
Penrose R. The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics. N.Y.: Viking Penguin, 1990 (на рус. яз.: Новый ум короля. О компьютерах, мышлении и законах физики / Пер. с англ., ред. В. Малышенко, М.: Эдиториал УРСС, 2003).
Raup D. Extinction — Bad Genes or Bad Luck? N.Y.: W. W. Norton & Company, 1992 (на рус. яз.: Рауп Д., Стенли С. Основы палеонтологии / Пер. с англ. Ю. Фролова, В. Махлина М.: Мир, 1974).
Rees М. Our Cosmic Habitat. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2001. Steel D. Rogue Asteroids and Doomsday Comets: The Search for the Million Megaton Menace That Threatens Life on Earth, N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
Периодические издания
Crick F., Koch С The Problem of Consciousness // Scientific American. 2.
Sept. [на рус. яз.: Проблема сознания // В мире науки. 1992. № 11–12. С. 113–120]. Gibbs W. W. Ripples in Spacetime // Scientific American. 2002.Apr.
Overbye D. A New View of Our Universe: Only One of Many // New York Times. 2002. № 29. Oct. Wade N. Before the Big Bang, There Was… What? // New York Times. 1. № 23. May.
Узлы Всемирной Паутины
www.jupiterscientific.org/sciinfo/gusp.html
http://spacewatch.Ipl.arizona.edu
ТЕХНОЛОГИИ
Домашнее виноделие
Вино — алкогольный напиток, получаемый обычно в результате брожения винограда.
Виноградное вино по своим качествам и вкусу чрезвычайно разнообразно. Вид винограда, почва, погода, способ выделки — все это имеет влияние на сорт и вкус вина. Практики виноделы выработали следующие основные постоянные категории вина:
1. Столовые вина, совершенно выбродившие (сухие), содержащие от 9 до 14 % спирта.
2. Ликерные вина, содержащие не больше 15 % спирта и до 10 % и более сахара, получаемые из подвяленного винограда.
3. Десертные или крепкие вина, содержащие до 22 % спирта при небольшом количестве сахара (до 4 %), приготовляемые путем прибавки виноградного спирта.
4. Шипучие вина с избытком растворимой в них углекислоты, полученной при брожении или искусственно введенной (игристые вина).
По цвету вина разделяются на белые, красные и розовые.
Технология приготовления вина в домашних условиях
ЧТО ТАКОЕ БРОЖЕНИЕ И ОТ ЧЕГО ОНО ПРОИСХОДИТ
Уже давно люди заметили, что всякий ягодный, виноградный или иной сок, выжатый из фруктов и оставленный в сосуде, даже плотно закупоренном, вскоре начинает как бы кипеть, пениться и превращается в опьяняющий напиток — вино. Это превращение и назвали брожением. Долгое время не знали, отчего оно происходит. Лишь в 60-х годах прошлого столетия (французский ученый Пастер изучил этот вопрос и выяснил, что брожение всякой сладкой, т. е. содержащей сахаристые вещества, жидкости происходит оттого, что в ней поселяются, размножаются и живут особые низшие организмы, которые были названы дрожжами, или дрожжевыми грибками. Дрожжевые грибки представляют собой кругловатые или удлиненные тельца, которые настолько малы, что их можно рассмотреть лишь в микроскоп. По виду дрожжи представляют собой серовато-желтую массу, которая оседает на дне бутылки, если в ней дать постоять фруктовому соку в течение некоторого времени.
Дрожжевые грибки обладают способностью при благоприятных условиях очень быстро размножаться, так что на заводах, приготавливающих дрожжи, из одного такого грибка в течение даже 1–2 суток получают десятки и сотни пудов прессованных дрожжей. Если такое тельце попадет в фруктовый сок, имеющий хоть немного сахара, то начинает сейчас же размножаться и вызывает этим брожение. Благодаря же тому, что эти грибки чрезвычайно мелки, при высыхании они не теряют своей жизнеспособности и, становясь очень легкими, всюду носятся в воздухе. Поэтому, если оставить сок на воздухе, то в него обязательно попадут дрожжевые грибки. Они могут быть убиты лишь при кипячении сока, причем в посуде, крепко закупоренной.
Попав в сахаристый сок, дрожжевые грибки начинают очень быстро размножаться, если условия для этого благоприятствуют. Размножаются эти грибки двояко: почкованием или спорами. При почковании сбоку дрожжевого тельца появляется бородавочка — «почка»; она быстро растет, достигает размеров самого тельца, отделяется от него и живет как самостоятельный грибок. Часто эта дочерняя почка, еще не отделившись, образует другие почки, а те, в свою очередь, — новые. В результате получается нечто вроде сильно разветвленного деревца, состоящего из соединенных друг с другом кругловатых телец — почек. Такая группа грибков носит название дрожжевой колонии. При малейшем сотрясении такая колония быстро распадается на отдельные тельца — дрожжевые грибки. Размножение почкованием происходит очень быстро.
Размножение спорами происходит медленнее. Когда грибок достигает полной зрелости, что обычно случается через 10–12 часов его жизни, внутри его образуются 1-11 кругловатых телец, называемых спорами, которые, достигнув соответствующей величины, разрывают материнское тело и таким образом освобождаются. При благоприятных условиях споры начинают расти, размножаться почкованием, образовывать колонии, как и взрослые грибки. Размножение этим способом происходит тогда, когда дрожжевые грибки, не имея достаточной пищи, чувствуют опасность погибнуть от голода. Споры дрожжей легчепереносят неблагоприятные условия: сухость, голод, более иди менее сильный жар и пр. Так как они мельче дрожжевых грибков, то легче переносятся воздухом.
Грибки выдерживают очень низкие температуры и даже при замораживании не умирают, а лишь замирают. Наилучшим образом они чувствуют себя при средних температурах. Размножение дрожжей путем почкования происходит при 4 °C — 20 часов, при 13,5 °C — 101/2 часов, при 23 °C — 61/2 часов и при 28 °C — 53/4 часа. Дрожжевые грибки живут лишь при температуре не ниже 1 °C и не выше 47 °C. При более низкой температуре грибки замирают, а при более высокой (до 80-100 °C) погибают.
При отсутствии кислорода дрожжевые грибки превращают сахар, содержащийся в фруктовом соке, в спирт и углекислый газ. Это превращение и называется спиртовым брожением. Кроме спиртового в фруктовом соке может возникнуть и брожение иного характера. Так, если в сок попадут бактерии и грибки, превращающие спирт в уксусную кислоту, то происходит брожение уксуснокислое.
В виноделии важно брожение спиртовое. Все же прочие виды брожения при производстве вина совершенно нежелательны, ибо вызывают болезни и порчу напитка.
ЧТО ТАКОЕ НАТУРАЛЬНОЕ ВИНО?
Еще в древние времена люди заметили, что всякий сладкий сок плодов, ягод или иная сладкая жидкость, оставленные про запас, быстро изменяются и приобретают особые пьянящие свойства. Уже в каменном веке люди приготовляли опьяняющие напитки из сока малины и ежевики, а в бронзовом веке для этой цели использовали сок кизила. С течением времени было замечено, что наилучший напиток получается из сока винограда. Люди стали возделывать эту культуру, постепенно улучшая се сорта, специально для производства виноградного напитка.
Приготовление опьяняющих напитков из сока винограда было довольно широко распространено почти у всех древних пародов. Например, в Египте виноградарство было уже известно за 10000 лет до нашей эры. Это подтверждают различные памятники культуры, обнаруженные при раскопках древних городов. У разных народов этот напиток носил разные названия: у древних евреев он назывался жаин, у персов — ангур, у древних армян — гинн и т. д. Вес эти названия, однако, не удержались, а уцелело лишь то, которое бытовало у древних римлян. Они называли виноградный напиток вином (по-латински «винум»). Это название происходило от слова «вис», обозначавшего «силу».
Долгое время люди не знали, почему всякий сладкий сок, а в особенности виноградный, за короткое время превращается в вино. Так как наука тогда была слабо развита, то на помощь пришло суеверие. Наши предки верили, что сок плодов становится опьяняющим оттого, что в нем поселялся особый дух. У римлян он назывался спиритус вини, у немцев — вейнгеист, у арабов — алкоголь. Поэтому вино и все подобные ему опьяняющие напитки: пиво, мед, кумыс и топь — стали называть спиритуозными или спиртными. По мере изучения человеком законов природы суеверие было разрушено, и уже в VIII веке алхимики умели выделять из вина то вещество, которое придает ему опьяняющее свойство. Это вещество стали называть спиртом или алкоголем. Под этими названиями оно известно и поныне. Однако человечество еще долго не знало как и почему в фруктовом соке образуется спирт. Лишь в 1809 году химик Бехер открыл, что спирт образуется во время брожения сахаристых веществ.
В настоящее время сбраживание является одним из способов использования плодовых соков. Сухие вещества фруктов и ягод представлены в основном растворимыми в воде веществами, среди которых количественно преобладают сахара. При сбраживании сока сахара превращаются в спирт и другие вторичные и побочные продукты спиртового брожения. Правильное приготовление сброженных натуральных соков гарантирует высокие дегустационные качества и такие же качества получаемых из них продуктов.
Но прежде чем говорить о том, как приготовить вино из ягод и фруктов, следует уточнить, что же в сущности представляет собой натуральное вино и какова его ценность. Натуральное вино — это напиток, приготовленный посредством брожения чистого виноградного, фруктового, ягодного или вообще растительного сока без добавления каких-либо посторонних, не содержащихся в соке веществ. В некоторых случаях можно перед брожением добавить в сок необходимое количество сахара и небольшое — воды. Но такие добавки не считаются посторонними примесями, так как и сахар, и вода входят в состав сока и плодов.
Все напитки, полученные без брожения, например наливки, а также, изготовленные путем смешивания этилового спирта с водой, эссенциями, красителями и т. д., например водка, ликеры и др., вином называться не могут.
Плодово-ягодное и виноградное вино близко по своему составу к соку исходного сырья. Основное отличие вина от сока заключается в том, что в первом в процессе брожения образуются этиловый спирт, глицерин, молочная и янтарная кислоты, а во время выдержки — альдегиды, ацетали и эфиры.
Вино содержит органические кислоты, минеральные соли (в основном калия), фосфор, азотистые, пектиновые вещества и сахар.
Умеренное потребление вина дополняет питание человека, укрепляет здоровье и повышает сопротивляемость организма против некоторых заболеваний.
В домашних условиях рекомендуется изготовлять легкие виноградные, плодово-ягодные вина с небольшим содержанием алкоголя.
Производство фруктово-ягодных вин несколько сложнее, чем виноградных, и имеет некоторые особенности. Большинство фруктов и ягод содержат сравнительно мало сахара и много кислоты, и поэтому вино из чистого сока получается слабое, некрепкое и слишком кислое. Этот недостаток сока необходимо устранять. Так, например, для уменьшения кислотности можно разбавлять сок водой, обрабатывать его известью или другими солями, смешивать соки разных по кислотности фруктов, ягод и пр. Для получения вина желаемой крепости необходимо добавлять сахар и мед. В виноградном виноделии так поступают только при выработке некоторых сортов вин (подслащенных, крепких и пр.). В остальном фруктово-ягодное виноделие не отличается от виноградного.
Столовые вина получают путем полного или неполного сбраживания подсахаренного плодово-ягодного сусла. Некрепленые сладкие вина приготавливают сбраживанием подсахаренного сусла до содержания спирта естественного наброда не менее 15 % об. с последующим добавлением сахара в купаж.
Вина крепленые приготавливают сбраживанием плодово-ягодного сусла с последующим добавлением этилового спирта и сахара в купаж вина. Технология приготовления медовых и ароматизированных крепленых вин такая же. Отличие заключается в том, что после выбраживания сусла и его спиртования в купаж вина вводят соответственно натуральный мед или водно-спиртовый настой пряно-ароматических растений.
Содержание спирта в игристых винах находится в пределах 11–12 % об., сахара — от 1 до 5. В шипучих винах содержание спирта 10–13 % об., а сахара — 3–5 %.
Игристый и шипучий сидры отличаются от соответствующих вин по содержанию спирта. Так, в игристом сидре его должно быть не менее 7 % об., а в шипучем — не менее 5 % об. Содержание сахара как в шипучем, так и игристом сидре находится в пределах от 0,3 до 5,0 % (0,3 % — сухой, 2,5 % — полусухой и 5,0 % сладкий).
Содержание спирта в столовых сухих, полусухих и полусладких винах находится в пределах от 10 до 13 % об. Содержание сахара в сухих столовых винах не должно превышать 0.3 %, в полусухих — 1–3 %, в полусладких 5–8 %. Вина некрепленные сладкие отличаются более высоким содержанием спирта (13–16 % об.) и сахара (10–16 %). Наиболее многочисленная по количеству видов и их кондициям — группа крепленых вин. Крепленые крепкие вина содержат 16–18 % об. спирта и 5–8 % сахара; крепленые сладкие — 14–16 % об. спирта и 10–18 сахара; ликерные — 13–16 % об. спирта и 20–23 % сахара.
По цвету вина различают белые и красные. Белые приготавливают из белых или розовых фруктов и ягод. Они имеют разнообразные оттенки, начиная от зеленовато-желтого, переходящего в соломенный или золотисто-желтый, до темно-янтарного или от розового до светло-красного. Красные вина получают из плодов красного цвета. Они имеют рубиново-красный цвет, иногда с фиолетовым отливом.
По прозрачности вина делятся на: прозрачно-блестящие — с особым блеском; ясные — когда вино при дневном свете кажется чистым, но если его рассматривать против яркого света, то можно обнаружить тонкую муть; тусклые, едва заметной мутью.
По возрасту вина различают так: молодое — недавно приготовленное; выдержанное — вино уже имеет устоявшийся вкус, который сохраняется долгое время без заметных изменений; старое — сохраняющееся 7-10 лет и более, когда в нем произошли существенные изменения состава, вкуса и аромата.
По вкусовым качествам вино бывает: гармоничное (все вкусовые ощущения уравновешены); грубое (в вине резко выражены терпкость или кислотность); полное (вино богатое экстрактивными веществами, достаточно крепкое и густое); пустое (в вине чувствуется недостаток экстрактивных веществ, водянистый вкус).
Аромат вину сообщают эфирные масла и другие ароматические вещества, которые содержатся главным образом в кожице плодов. В молодом вине аромат сильнее, в старом — он часто исчезает и заменяется букетом выдержки вина.
Букет развивается в вине в процессе брожения и последующей выдержки и достигает полного развития через несколько лет (виноградные — дольше, фруктово-ягодные — быстрее). Он часто совершенно отличается от аромата фруктов, из которых приготовлено вино. Изменения в вине зависят от условий его хранения.
По стабильности, т. е. по способности сохраняться, вина можно подразделить на: быстро портящиеся, требующие особых условий для длительного хранения (сидр, лёгкие натуральные и столовые вина с содержанием спирта до 10 % об.); менее стойкие — способные сохраняться в погребе не более 1 года (легкие столовые вина); стойкие — хорошо сохраняющиеся при комнатной температуре и до 3 лет в погребе.
На стойкость (стабильность) вина влияют прежде всего его состав, а также условия хранения. Чем больше содержится в вине спирта и сахара, а также дубильных веществ, тем лучше оно сохраняется. Стабильным вино считается в том случае, если в нем количество спирта и сахара равно 80 условным единицам прочности. Считают, что если вино или другой жидкий продукт содержит 80 % (весовых) сахара или 13,5 % спирта, то оно может сохраняться очень долго и не портиться. То есть каждый процент спирта способствует сохранению вина точно так же, как 6 % сахара.
Игристое вино, независимо от содержания спирта и сахара, следует отнести к категории относительно стабильных вин, хранящихся в течение года. Это объясняется наличием избыточного давления углекислоты в бутылке или другой емкости, что препятствует его порче.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛОДОВ И ЯГОД
Пищевая ценность соков и продуктов их переработки определяется химическим составом исходных плодов и ягод, который зависит от вида культуры и условий ее выращивания (см. табл.).
Содержание воды в плодах и ягодах находится в пределах от 72 до 96 %. В ней растворены различные вещества, образующие плодовый сок. Во время хранения сырья содержание воды уменьшается, что снижает лежкость плодов и выход сока.
Кроме воды в состав плодов и ягод входят углеводы, азотистые вещества, органические кислоты, дубильные, красящие ароматические соединения, жиры, витамины, минеральные вещества.
В состав углеводов входят сахар, крахмал, целлюлоза (клетчатка), пектиновые вещества. Они же в основном и сохраняются в составе сухих плодов и ягод. Их содержание достигает 80 % от суммы сухих веществ.
Общее количество сахаров колеблется в пределах от 3 до 15 % и зависит от культуры и условий выращивания. В плодах содержатся глюкоза, фруктоза и сахароза.
Крахмал в плодах и ягодах содержится в небольших количествах. Больше всего его в недозрелых яблоках, особенно зимних сортов. По мере созревания плодов крахмал под воздействием ферментов гидролизуется с образованием сахаров.
Основной составной частью оболочек клеток растительной ткани является клетчатка (целлюлоза). Содержание ее в плодах и ягодах находится в пределах 1–2 %. При дроблении плодов и отжиме сока целлюлоза уходит в отходы.
Важной в пищевом отношении составной частью плодов и ягод являются пектиновые вещества — высокомолекулярные соединения углеводной природы. Их содержание в сырье колеблется от 0,2 до 2,5 % на сырую массу. Твердость плодов связана с высоким содержанием в них протопектина — связанной формы пектина. Протопектин нерастворим в воде, а пектин — хорошо растворим. По мере созревания плодов происходит постепенный переход протопектина в пектин. В результате этого прочность плодовой ткани снижается и повышается выход сока.
Химический состав плодов и ягод значительно различается в зависимости от условий культивирования растений. В дождливое и холодное время повышается содержание органических кислот, снижается сахаристость, содержание фенольных соединений, ароматических веществ. В старых растениях больше содержится сахара, чем в молодых. Нормальное содержание сахара до 13,5 %. Огромное значение при производстве плодово-ягодных вин имеет кислотность сусла. При недостатке кислоты вино будет пресное, невкусное и непрочное. Избыток кислоты вреден. Сок плодов и ягод содержит свободные кислоты, главным образом яблочную, а также лимонную, щавелевую и дубильную. Некоторые плоды, кислые на вкус, содержат кислоту в избытке, в сладких — ее недостаточно. В норме кислоты должно быть не менее 0,5 % и не более 0,8 %, а в среднем — 0,6 %. Для определения кислотности применяют титрование, подливая по капле щелока определенной концентрации.
Белковых веществ в соке плодов содержится сравнительно мало, а в соке ягод — довольно много, до 2,5 %. Поэтому первый нельзя разбавлять водой, а второй — можно. При температуре до 65 °C белковые вещества свертываются и выпадают, соединяясь с дубильной кислотой или танином. В результате образуются нерастворимые соединения, выделяемые из вина в виде осадка.
ПОДГОТОВКА ПЛОДОВ И ЯГОД ДЛЯ ВИНОДЕЛИЯ
Плоды и ягоды для виноделия должны быть собраны тогда, когда они достигли полной зрелости, т. е. не перезрелые и не недозрелые. Только вполне спелые плоды и ягоды дадут вино хорошее и менее склонное к заболеванию. Перезревшие плоды и ягоды опасно брать для виноделия, так как в них обыкновенно уже началось брожение и притом уксусное, а поэтому и в вине это брожение может усилиться, в результате получится уксус. Недозрелые плоды и ягоды также мало пригодны для виноделия, потому что в них содержится больше кислоты и меньше сахара, чем в зрелых. Плоды и ягоды, опавшие с дерева или куста, можно употреблять для виноделия, но вино из падалицы легко заболевает, часто имеет землистый привкус, непрочно и долго не хранится.
Для виноделия лучше употреблять сырье свежесобранное, что в особенности важно для ягод, в которых при хранении более 1–2 суток обычно развивается сильное уксусное брожение. Ягоды после сбора, если их нельзя сейчас же употреблять в дело, следует сохранять в холоде. Плоды (яблоки, груши) менее опасны в этом отношении, и иногда даже полезно после сбора дать им полежать 2–3 недели для дозревания.
Собирать плоды и ягоды для виноделия лучше всего рано утром, когда, омытые росой, они не успели еще загрязниться пылью. В таком случае их можно не мыть.
Мыть плоды и ягоды необходимо в тех случаях, когда они хоть немного загрязнены или запылены. Иначе получится грязный сок, из которого хорошего вина нельзя приготовить. Мыть плоды и ягоды надо чистой холодной или теплой водой, погружая в нее или поливая из лейки с ситечком. Не следует плоды и ягоды мыть очень долго, а тем более держать в воде, так как при этом они теряют много — ароматические вещества и сахар, которые быстро переходят в воду.
Мыть их следует как можно быстрее. Вымытые плоды и ягоды следует сейчас же перерабатывать, а не оставлять до другого дня, т. к. в этом случае они (особенно ягоды) легко загнивают.
Очистка плодов и ягод производится обычно сейчас же после мытья, в особенности, если ягоды сочные, легко раздавливающиеся. При очистке следует удалять: весь сор, веточки, листочки и прочие случайные примеси, загнившие, недозрелые (зеленые) и переспелые ягоды, загнившие или пораженные грибными болезнями места у плодов, стебельки и черешки (например, у ягод, вишен и т. п.), а иногда зерна и косточки у тех плодов и ягод, У которых они очень крупные (например, у вишни, слив, абрикосов, персиков и т. п.). Если оставить косточки, то вино получится с сильным запахом горького миндаля.
Из обмытых, отобранных и очищенных плодов и ягод следует немедленно готовить сок.
ПОДГОТОВКА ПОМЕЩЕНИЯ ВИНОДЕЛЬЧЕСКОЙ ТАРЫ И ОБОРУДОВАНИЯ
Прежде чем приступить к переработке плодов, ягод и винограда на вино, необходимо подготовить помещение, тару и оборудование.
Помещение, в котором проводят брожение сусла, должно содержаться в чистоте. В нем нельзя хранить продукты с посторонними запахами, так как вино обладает свойством поглощать и удерживать в себе запахи. Самой лучшей винодельческой тарой считаются дубовые бочонки, стеклянные баллоны и эмалированные ведра.
Преимущество стеклянных бутылей, как и вообще стеклянных сосудов, состоит в том, что их несложно мыть и содержать в чистоте. Для мытья бывших в употреблении бутылей берут соляную или неочищенную серную кислоту, в которой прополаскивают посуду в предпоследний раз. Разбавленная кислота растворяет любой осадок на стенках бутылей, так что после обработки ею остается только, как следует промыть посуду чистой водой.
То же самое нужно сказать и про мытье бутылок. Их полное очищение быстрее всего достигается с помощью кислоты.
Перед приготовлением вина необходимо тщательно проверить состояние бочонков, так как от него в большей степени зависит качество вина. Бочонки из-под кваса, пива, огурцов, капусты или яблок, а также пахнущие керосином или маслом, употреблять нельзя. Заплесневелые бочонки придают вину запах и привкус плесени. Бочонки, в которых хранился уксус, содержат на своей внутренней поверхности вредные микроорганизмы (уксусные бактерии), которые трудно удалить промыванием.
Эти бактерии, попадая в вино, развиваются и снижают его качество. Лучше всего употреблять тару новую или ту, в которой ранее хранилось вино.
Подготовка начинается с замачивания бочонков, но перед этим необходимо проверить плотность клепки. Поврежденную клепку заменяют новой и затем осаживают обручи. Подготовленные таким образом бочонки вымачивают 2–3 дня в холодной воде. При замачивают клепка разбухает и плотно закрывает мелкие щели.
Клепка новых бочонков содержит дубильные вещества, а если в такую тару налить вино, то оно потемнеет и приобретет терпкий вкус. Новые бочонки подвергают выщелачиванию. Для этого их наполняют доверху жидкостью и вымачивают в течение 2–3 недель, меняя воду через каждые 3–4 дня. В конце вымачивания вода, сливаемая из бочонков, должна быть совершенно чистой, неокрашенной, без постороннего привкуса и запаха. В начале замачивания и в случае, если бочонок имеет небольшую течь, надо 3 раза в сутки доливать его доверху водой. Когда бочонок размокнет, делать это не нужно.
После замачивания каждый бочонок в течение получаса пропаривают, а за не имением пара обрабатывают кипятком. Для этого на дно его наливают кипяток (на 10-литровый бочонок 2 л), плотно закрывают отверстие шпунтом и раскачивают бочонок рывками, чтобы горячая вода промывала все клепки. Затем его моют не менее 30 минут горячей водой с содой (200 г соды на 1 ведро горячей воды) и прополаскивают горячей водой, меняя ее до тех пор, пока не станет совершенно прозрачной. После этого бочонок прополаскивают холодной водой. Бочонки, бывшие в употреблении, но без постороннего запаха, моют сначала холодной водой, затем горячей и просушивают. Нельзя допускать, чтобы горячая вода остыла в бочонке, так как в этом случае клепка может впитать в себя посторонние запахи. Нельзя грязные бочонки мыть вначале горячей водой, так как и в этом случае клепка легко впитывает в себя запахи.
Если бочонок предполагается некоторое время не использовать, то для предупреждения развития в нем микроорганизмов (плесеней, бактерий, дрожжей) его необходимо окурить серой, т. е. сжечь в нем серные фитили, и закрыть шпунтом, чтобы не выходил сернистый газ. Серные фитили готовят следующим образом.
В котелке на открытом воздухе расплавляют серу. Огонь под котелком должен быть очень слабым, чтобы сера не горела, а только плавилась. Лучше ставить котелок на угли после сжигания дров. Когда сера расплавится, в нее опускают полоски непроклееной бумаги размером 30х3 см. Полоску бумага протягивают через расплавленную серу, придерживая за концы руками, затем быстро вынимают и дают лишней сере стечь. После этого серные фитили развешивают на веревке для просушивания. Все такого фитиля около 5 г. При расплавлении серы в котелке нельзя допускать ее перегревания, так как она при этом делается негодной к употреблению. Если сера в котелке загорится, надо сейчас же снять его с огня, поставить на землю и закрыть сверху плотной мокрой тряпкой.
Для окуривания бочонков и баллонов серные фитили помещают в специальный закурник. Он состоит из железного прута, на одном конце которого закрепляют деревянный продольный шпунт. Другой конец прута скручивают в виде спирали, на конце которой обязательно прикрепляют металлическое донышко. Сера при сгорании будет капать в донышко закурника (см. рис.).
Необходимое количество фитилей вкладывают в проволочную спиральку. Фитили зажигают и закурник немедленно опускают в бочонок или баллон, шпунтовое отверстие которых закрывается шпунтом закурника. Длина прута закурника должна быть такой, чтобы серный фитиль при горении находился в середине баллона или бочонка. Для окуривания бочонков емкостью 10 л надо сжечь 0,2 г серного фитиля.
Окуривают бочонок серой и по-другому. Берут металлический колпачок от лампочки радиоприемника и прикрепляют к нему проволоку. В колпачок до половины насыпают серу и зажигают. Когда над ней появится голубой огонек, колпачок с серой (закурник) опускают в бочонок и шпунтовое отверстие плотно закрывают. После того как сера сгорит, закурник вынимают, а шпунтовое отверстие снова плотно закрывают шпунтом. Затем обручи на бочонках, чтобы они не ржавели, покрывают спиртовым лаком.
Медную и железную посуду для приготовления вина употреблять нельзя. Алюминиевая посуда может быть использована только для кратковременных переливок.
Для дробления ягод используют дробилку, мясорубку с крупными отверстиями в решетке, а для измельчения яблок, груш, айвы — шинковку.
Для извлечения сока с целью приготовления вина можно пользоваться универсальным рамочным прессом, который применяется в пчеловодстве (см. рис.). Для этого у пресса удаляют железный бачок, корзинку и подставки. Изготовляют из дерева две квадратные сплошные пластины (одна из них служит донышком, а другая — прессующей доской), несколько решеток и одну рамку. Размеры пластин, решеток и рамки должны соответствовать размерам пресса (длина стороны рамки и пластин должна быть на 1,5 см меньше расстояния между вертикальными стойками рамы, решетки должны быть меньше рамки на 1,5 см с каждой стороны). Рамку делают высотой 3–4 см. Нижнюю пластину донышка снабжают бортиками и желобком, по которому сок будет стекать в приемник. На нижнюю пластину укладывают дренажную решетку, затем рамку. Рамку покрывают салфеткой размером 70х70 см из редкой холстины или упаковочной ткани (предварительно прокипяченной). На салфетку помещают мезгу, выравнивают её по краям рамки, свисающие концы салфетки сворачивают наподобие пакета, затем рамку снимают, а холст с мезгой сверху покрывают решеткой из прутьев или планочек. После этого снова кладут рамку, салфетку, мезгу, решетку и т. д. На верхний пакет укладывают прессующую доску и приступают к извлечению сока.
Можно мезгу (кроме мезги из плодов семечковых) отжать, поместив ее в редкий холщовый мешочек или в мешочек из редкой канвы, предварительно прокипяченный, закручивая его руками.
Использовать соковарку с целью извлечения сока для вин с тонким ароматом, например вина из белой смородины и белого винограда, не рекомендуется. Для приготовления вин из красного винограда, а также десертных плодово-ягодных она вполне приемлема.
Перед приготовлением вина дробилку, все деревянные части пресса (корзину, кружки, донышко) тщательно промывают горячим раствором соды и с помощью щеток. Металлические части после тщательной чистки покрывают слоем парафина с салом. Для этого берут одну часть парафина и одну часть сала, разогревают их, затем тряпку, намотанную на конец палки, смачивают разогретым парафином и наносят его тонким слоем на поверхность металла, предварительно прогретого паяльной лампой. Если недостаточно горячий парафин нанести толстым слоем (или на холодный металл), то при работе он будет отваливаться и поверхность оголится. Необходимо помнить, что при соприкосновении сока с железом вино чернеет.
ПОЛУЧЕНИЕ СОКА ИЗ ПЛОДОВ И ЯГОД
Одним из способов переработки фруктов и ягод в домашних условиях является получение из них натуральных соков. Вместе с соком из плодов извлекаются сахар, минеральные соли, витамины, пектиновые и другие вещества. Поэтому соки, отжатые из свежих плодов, являются ценным диетическим продуктом, особенно в питании детей, больных и выздоравливающих людей. Соки употребляются в пищу или же из них готовят желе, кисели, морсы, вина и другие напитки.
Качество соков и продуктов из них зависит от качества плодов. Они должны обладать высокой кислотностью, быть приятными на вкус, без излишней терпкости, иметь хороший аромат. Нельзя перерабатывать на соки гнилые, плесневелые, запаренные, подмороженные, пораженные болезнями и вредителями плоды.
Сок в плодах находится внутри клеток, и для того чтобы получить наибольшее количество его, необходимо клетки разорвать путем дробления, замораживания (в отдельных случаях) или подогрева. Из разрушенных клеток сок извлечь гораздо легче. Дробление — наиболее приемлемый способ. Таким образом, добывание сока состоит из двух операций: измельчение фруктов и ягод в мезгу (протертую массу) и извлечение из нее сока. Причем кожицу с фруктов не снимают, так как она придаёт соку специфический запах плодов и в ней много дубильных веществ.
Измельчение плодов в домашних условиях выполняют в зависимости от имеющегося инвентаря. Можно дробить плоды на вальцевой дробилке, которая состоит из деревянной рамы, деревянного загрузочного ковша, пары вальцов (деревянных или из нержавеющей стали), закрепленных на раме в подшипниках, и ручки для их вращения (см. рис.). Такую дробилку легко изготовить самому. Рама делается из деревянных брусков 10x4 см, длиной 60–70 см.
Ширина рамы зависит от длины вальцов — 15–20 см, расстояние между поперечными брусками равно сумме диаметров валков плюс 10 см. Валки должны быть рифлеными, с глубиной рифов 2–3 мм. Рифы направлены винтообразно по отношению к оси валков, со сдвигом в сторону 2 см на каждые 10 см длины валка. Закрепляются валки на основной раме в подшипниках и вращаются навстречу друг к другу с различной скоростью. Вращение передается от одного валка к другому при помощи шестерен с разными диаметрами, лучше 1:2. При одинаковых диаметрах шестерен можно делать валки разных диаметров с тем, чтобы обеспечить различную окружную скорость их. Над валками помешается деревянный пирамидальный приемный ковш для загрузки сырья. Ковш устанавливается на поперечных рейках рамы с минимальными зазорами между ковшом и валками. Вращение валков осуществляют вручную.
Дробилку устанавливают над сосудом для приема мезги.
Зазор между валками определяется в зависимости от вида плодов. Так, например, для вишен зазор — 5–8 мм, для крыжовника — 3–4 мм, для смородины — 2–3 мм.
Протирание ягод через дуршлаг (вверху) и сито (внизу). Ягоды и такие нежные сочные фрукты, как клубника, малина, красная и белая смородина, клюква, персики, раздавливают деревянным пестом, чтобы не оставалось целых ягод. Обычно для этого используют деревянную, эмалированную или глиняную посуду. Можно раздавливать ягоды в деревянном лотке валиком (см. рис.). Более твердые плоды измельчают на мясорубке (луженой или из нержавеющей стали). На мясорубке дробят сливы, вишни, черешни (без косточек), яблоки, виноград, крыжовник, черную смородину, бруснику, голубику, чернику.
Крепкие плоды (яблоки, груши) можно измельчать на шинковке или на кухонной терке. Но так как измельчение на кухонной терке займет много времени и сил при переработке даже небольшого количества плодов, то для ускорения и облегчения этой работы можно изготовить терочную доску. Она напоминает доску для шинковки капусты и может быть изготовлена в домашних условиях. Для этого берут доску толщиной 3–4 см, длиной 70–80 см и шириной 20–25 см древесины нехвойной породы. К боковым краям, во всю длину доски, приколачивают две рейки толщиной 2,5–3 см и шириной 6–8 см с выбранной четвертью или пазом по длине рейки. Так образуется лоток с двумя продольными пазами с внутренней стороны.
Затем сколачивают квадратный ящик высотой 10–15 см без дна и крышки по ширине доски с тем, чтобы он мог свободно двигаться вдоль лотка вперед и назад. Внизу ящика с наружной стороны приколачивают рейки, которые должны входить в пазы стенок лотка, это и будет удерживать ящик и даже слегка прижимать его к доске. Посредине боковых стенок ящика, над рейками, делают прорезь шириной 3 см, куда вставляют ручку прижимной дощечки. Глубина прорези должна быть такой, чтобы создавался зазор в 3–4 мм между терочной пластинкой и прижимной доской. Берут обыкновенную большую кухонную терку из жести, снимают проволоку, которая ее скрепляет, и осторожно руками или легкими ударами деревянной колотушкой выпрямляют ее, стараясь не повредить терочную насечку. Получается терочная пластина шириной 12–15 см и длиной 20–24 см. Но лучше терочную пластину сделать самим из нержавеющей стали. В середине доски вырезают прямоугольное отверстие, размером несколько меньшим, чем терочная пластина, и закрепляют ее шурупами или мелкими гвоздями.
Терочную доску устанавливают над деревянным или эмалированным сосудом, упирая один конец в стенку, стол, ящик и т. п. В ящик накладывают 10–20 яблок, в зависимости от их размеров, сверху помещают квадратную прижимную доску с ручкой и, опираясь на нее рукой, двигают ящик взад-вперед. Протертая масса падает в приемный сосуд.
Все деревянные детали и приспособления должны быть изготовлены из древесины твердой породы (дуб, груша, яблоня и др.) и пропитаны горячим парафином. Ни в коем случае нельзя применять смолистую древесину, горьковатый привкус которой может перейти в сок.
Протирание ягод через дуршлаг (вверху) и сито (внизу). Ягоды и такие нежные сочные фрукты, как клубника, малина, красная и белая смородина, клюква, персики, раздавливают деревянным пестом, чтобы не оставалось целых ягод. Обычно для этого используют деревянную, эмалированную или глиняную посуду. Можно раздавливать ягоды в деревянном лотке валиком (см. рис.). Более твердые плоды измельчают на мясорубке (луженой или из нержавеющей стали). На мясорубке дробят сливы, вишни, черешни (без косточек), яблоки, виноград, крыжовник, черную смородину, бруснику, голубику, чернику.
Приведены далеко не все способы и приспособления для измельчения плодов в целях получения сока. Можно использовать также различного рода соковыжималки, механические и электрические, соковарки и т. д.
При дроблении необходимо соблюдать следующие условия:
1. Не допускать слишком мелкого дробления плодов. Они должны превращаться в кашицеобразную массу, состоящую из кусочков. Если же превратить плоды в пюреобразную массу, то сок из такой массы будет отделяться с большим трудом и выход его будет меньше, чем при измельчении кусочками.
2. На всех стадиях переработки фруктов и ягод, соков и вин избегать контакта продуктов с железом, медью и другими металлами, за исключением нержавеющей кислотоупорной стали, в целях сохранения цвета и вкуса продуктов.
Способ обработки мезги для приготовления вина зависит от консистенции сока.
Первый способ. В мезгу таких плодов, у которых консистенция сока жидкая (вишня, белая и красная смородина), немедленно после дробления добавляют воду в количестве 200–300 г на 1 кг мезги. Мезгу перемешивают с водой и тотчас же прессуют для извлечения сока. Количество воды, внесенной в мезгу, записывают.
Второй способ. Мезгу таких плодов, у которых консистенция сока густая (черная смородина, крыжовник, малина, черника, сливы), для облегчения прессования и более полного извлечения ароматических и красящих веществ нагревают перед прессованием в эмалированном тазу при температуре 60 °C в течение 30 минут. В таз предварительно наливают подогретую до 70 °C воду (300 г воды на 1 кг мезги). После нагревания мезгу в горячем состоянии прессуют. Количество воды, внесенной в мезгу, записывают.
Третий способ. Одним из лучших способов подготовки мезги является подбраживание ее перед прессованием. В этом случае подогревать мезгу, за исключением мезги из айвы японской. Можно подбраживать мезгу любых ягод, но главным образом черной смородины, айвы, крыжовника, черники, яблок, слив и т. д. Мезгу айвы японской перед подбраживанием рекомендуется подогреть с водой до 60 °C, а затем остудить до 24 °C.
Раздробленную мезгу выливают в соответствующую по емкости посуду: эмалированное ведро, стеклянный баллон с широким горлом, дубовую кадочку. Туда же добавляют воду, подогретую до 24 °C, из расчета 250 г воды на 1 кг мезги и четырехдневную закваску винных дрожжей. Количество внесенной воды записывают. Посуда должна быть заполнена мезгой на 3/4 объема. Мезгу перемешивают.
Посуду покрывают чистым полотенцем и оставляют для брожения в помещении при температуре около 20–22 °C. На другой день должно начаться брожение. Мезга будет подниматься выделившейся углекислотой кверху, образуя над суслом шапку. Поднявшуюся шапку мезги необходимо несколько раз в сутки перемешивать. Если этого не делать, мезга может закиснуть и все вино превратится в уксус. Через 2–3 дня мезгу прессуют.
Несмотря на то, что этот прием сложен и требует большого внимания, он значительно повышает качество вина. Во время брожения спиртом, образующимся при разложении сахара, извлекаются находящиеся в кожице и около нее красящие и ароматические вещества.
Таким образом, вино, приготовленное на сброженной мезге, намного ароматичнее, более интенсивно окрашено и экстрактивно, чем исходное сусло.
Четвертый способ. Применим только для рябины. Мезгу рябины перед прессованием настаивают с водой в течение суток при температуре 10–12 °C. Высушенную рябину настаивают 3–4 дня. Для сухой рябины воды нужно брать в 3 раза больше, чем для свежей. Количество вносимой воды записывают.
Извлечение сока из мезги может осуществляться следующими способами: отжим мезги, промывание мезга водой (диффузионный метод) и с помощью соковарки. Но наиболее распространенным способом извлечения сока из мезги является прессование. Оно оказывается более эффективным с увеличением давления на мезгу, при меньшей вязкости сока и более крупных капиллярах в мезге. Однако истечение сока возрастает только до известного предела давления на мезгу, так как со значительным увеличением давления уменьшается просвет капилляров прессуемой массы. Кроме того, в мезге имеется еще большое количество целых клеток, которые удерживают сок внутри себя до тех пор, пока не будут разрушены механическим или другим путем. Под давлением пресса происходит частичный разрыв растительных тканей, но значительная часть клеток не повреждается и продолжает удерживать сок. С увеличением давления увеличивается и выход сока, но не в прямо пропорциональной зависимости, а отстает от него и совсем прекращается, так как количество капилляров в мезговой лепешке уменьшается. Поэтому слишком интенсивное прессование вначале нежелательно. Необходимо поддерживать сравнительно равномерную струю сока.
Прессование может выполняться различными способами с применением разнообразных приспособлений. Если в хозяйстве нет никаких, то поступают так: берут кусок чистого сурового холста, салфеточного полотна или капроновую ткань, тщательно промывают ее в холодной воде и отжимают. Затем на середину ткани кладут немного мезги, заворачивают и начинают скручивать подобно тому, как выжимают белье при стирке. Удобнее это делать вдвоем для ускорения работы и более полного отжатия сока, который помещают в эмалированную посуду. При повторном использовании ткань надо хорошо промыть в чистой воде, а если между отдельными прессованиями получается длительный (более суток) перерыв, то и прокипятить. Никогда нельзя заполнять мезгой сухую салфетку, так как при этом сок приобретает неприятный привкус и запах.
Описанным способом конечно нельзя, или, по крайней мере, очень тяжело, отжать из мезги весь сок, в особенности из тех фруктов, которые трудно отделяют его (яблоки, груши, сливы, крыжовник, черная смородина и некоторые другие). Но для получения сока высокого качества такой способ лучше других, так как такой сок содержит больше сахара и других экстрактивных веществ, сок, отжатый с промыванием мезги.
Для увеличения выхода сока слабо отжатую лепешку мезги помещают в эмалированную кастрюлю и заливают теплой водой (30–35 °C) из расчета 1 л на 3–6 кг выжимок, хорошо перемешивают, дают постоять 3–5 часов для лучшей экстракции и отжимают вторично. Сок второго отжима вливают в сок первого. Этот способ целесообразен при переработке плодов с повышенной кислотностью, так как такой сок необходимо разбавлять водой, как при непосредственном использовании, так и при составлении сусла для брожения.
Выжимки яблоки груш при домашней переработке не представляют ценности, их выбрасывают в отходы или скармливают скоту. Выжимки других плодов и ягод можно использовать для приготовления киселей, морсов и т. п. Если необходимо отжать сок из ягод и фруктов по возможности полнее, почти досуха, то следует приобрести или изготовить самому соковыжималку или пресс. Самому можно изготовить соковыжималку по типу выжималок меда из сотов (см. рис.). Для этого устраивают деревянные козлы на четырех ножках высотой в 1 м, соединенных вверху толстой деревянной доской (8-10 см) шириной 30 см, длиной около 1 м. В этой доске делается продольная прорезь шириной 10–12 см и длиной 40 см. В эту прорезь вставляют два бруска толщиной 9-10 см, гладко выструганные. Бруски в нижней части связывают хомутом. Для удержания брусков на весу в верхней части их просверливают отверстия, в которые вставляются деревянные колышки или железные прутья. Бруски изготавливаются из не смолистой древесины твердой породы. Затем делают несколько клиньев разной толщины из крепкой древесины — и пресс готов.
Отжимают сок на таком прессе следующим образом. Раздвинув брусья до предела, вставляют между ними мешок из крепкого холста, наполненный мезгой, затем, забивают в прорезь клинья, благодаря чему мезга сжимается и начинает отделяться сок, который поступает в сосуд. Для полного отжима сока следует сжать пресс возможно сильнее, но не сразу, дать постоять 8-15 минут, затем выбить клинья, вынуть мешок с мезгой, перетряхнуть несколько раз, снова заложить в пресс и сильно сжать. При этом выделится еще некоторое количество сока.
Для отделения сока из мезги фруктов и ягод можно использовать и другие самодельные простейшие приспособления. Конструкция одного из них представлена на рисунке. Все деревянные части, соприкасающиеся с соком, необходимо пропитать горячим парафином или смесью воска с салом во избежание растрескивания досок и впитывания ими сока, который в древесине может загнить.
Для получения большого количества фруктового или ягодного сока используется ручной винтовой пресс. Он компактнее, более производителен и сильнее отжимает мезгу, особенно если подложить снизу и накрыть сверху мозговую лепешку дренажной деревянной решеткой, что значительно повышает эффективность сокоотдачи.
Небольшое количество сока можно получить с помощью ручных соковыжималок различных конструкций (см. рис.), а также использовать электросоковыжималку, другие сокоотделители и приспособления к мясорубке.
style='spacing 9px;' src="/i/73/687973/img_75">
Винтовые ручные прессы, для отжатия сока, могут быть различными по конструкции. Например, самодельный рамочный с использованием домкрата подъемной силы в 1,5 т вместо стационарного винта (см. рис.). Имеются в продаже и готовые винтовые прессы. Киевский завод продовольственных автоматов «Киевпродмаш» изготавливает пресс винтовой ручной УСА-1C для выжимания сока из фруктов и овощей (см. рис.). Техническая характеристика пресса УСА-1C: ход винта — 300 мм, шаг винта — 5 мм, полезный объем решетки (корзинки) — 6 л. Габаритные размеры: длина — 321 мм, ширина -260 мм, высота — 470 мм и вес — 12,5 кг.
Пресс УСА-1C состоит из стойки, винта, тарелки (поддона), решетки и полиэтиленового чехла. Винт на нижнем конце имеет шарнирно закрепленную пяту (прижимной круг), а на верхнем конце — рукоятку для вращения винта. Решетка имеет форму цилиндра, собранного из отдельных вертикальных пластин из нержавеющей стали, которые точечной электросваркой прикреплены к трем обручам. Между пластинами расположены щели для выхода. Решетка может быть изготовлена из перфорированной листовой нержавеющей стали. В тарелке есть углубление и желоб для сбора и отвода сока.
Процесс отжатия сока на этом прессе происходит следующим образом. Пресс устанавливают на краю стола, лучше с правой стороны, с таким расчетом, чтобы желоб тарелки выходил за пределы стола, и закрепляют шурупами. Под этот желоб подставляют эмалированную кастрюлю или таз. Конец (носок) желоба тарелки должен находиться над центром кастрюли. Винт отводят выше верхнего уровня корзины, чтобы не мешать установке ее на пресс. Затем вынимают тарелку, ставят на стол и устанавливают на нее корзинку. В тарелку под прессуемую мезгу рекомендуется подкладывать дренажную решетку, изготовленную из брусочков 10–15*12–18 мм из твердой древесины с зазором между брусочками 2 мм. Можно применить решетку, плетеную из белой лозы. Приготавливают мешочек из белой упаковочной ткани, полотна или холста, размеры которого должны соответствовать размерам корзинки. Мешочек тщательно промывают в холодной воде, заполняют мезгой и помещают в корзинку. Затем верх мешка складывают и равномерно закрывают мезгу. Сверху кладут вторую дренажную решетку. Вместо мешка для пресса можно пользоваться салфеткой. Размеры ее должны быть такими, чтобы ее краями можно было накрыть мезгу сверху. Затем на салфетку с мезгой укладывают дренажную решетку. На корзинку натягивают полиэтиленовый чехол, а тарелку с корзинкой ставят в пресс. Рукоятку винта необходимо вращать по часовой стрелке до тех пор, пока пята (прижимной круг), которая удерживается на винте, не коснется верхней дренажной решетки. После этого нужно сделать еще несколько поворотов винта, чтобы сок начал вытекать в тарелку. Давление на пяту надо увеличивать постепенно, чтобы прессование шло медленно и сока получилось больше.
Когда вытекание сока прекратится, винт следует отвести в исходное положение, содержимое мешочка (выжимки) переложить в эмалированную кастрюлю, добавить немного воды (30–35 °C) и оставить на 3–5 часов, часто помешивая. Затем вторично отжать и сок второго прессования соединить с соком первого отжима. Это относится в первую очередь к тем плодам и ягодам, из которых трудно отделить сок (черная смородина, крыжовник, малина, клубника, сливы, яблоки, груши). Чтобы сок отжимался легко и полностью, измельченные плоды и ягоды необходимо прогреть до 60–65 °C при непрерывном помешивании.
После отжатия сока все части пресса необходимо тщательно промыть и сполоснуть горячей водой. Мылом или другими моющими средствами пользоваться не следует. Металлические части вытереть насухо. При длительном хранении пресс необходимо смазать пищевым вазелином или несоленым сливочным маслом.
Если прессование проводилось на прессе в несколько приемов, то вытекающий сок всех фракций будет различен. Вначале из-под пресса без нажима вытекает сок самотек, после нажима — сок первого давления, затея мезгу вынимают, добавляют в нее немного воды, перемешивают, снова отжимают и получают сок второго давления. Сок второго давления содержит меньше сахара и кислот, но в нем много ароматических веществ. Для приготовления вина следует использовать соки всех фракций вместе. Сок с водой из-под пресса уже носит название сусло.
Примерный выход чистого сока (без воды) из 10 кг различного сырья следующий (в л):
Яблоки: Культурные сорта — 6 дикорастущие — 5
Груши: Культурные сорта — 6 дикорастущие — 5
Рябина — 5; Вишня — 6,5; Слива — 5,8; Крыжовник — 6,8; Смородина красная и белая — 7; Смородина черная — 6,3; Клюква — 7,2 Черника — 7; Земляника — 6,5; Малина — 6; Виноград — 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОДОВОГО СОКА
Прежде чем приготовить сусло необходимо исследовать сок и определить две главнейшие составные части его: содержание кислоты (кислотность) и содержание сахара (сахаристость). В большинстве случаев соки содержат избыток кислот и недостаточное количество сахаров, необходимых для приготовления вина хорошего качества.
Определение кислотности сока основано на свойствах кислот соединяться со щелочами: по количеству щелочи, израсходованной на нейтрализацию кислоты, определяют кислотность сока. В соке содержится ряд кислот: винная, яблочная, лимонная и др. При определении кислотности виноградного сока или вина определяют общую кислотность в пересчете на винную кислоту, то есть допускается условно, что в соке и вине содержится только винная кислота. Но у фруктово-ягодных соков винной кислоты нет, а содержится в основном яблочная и лимонная. Поэтому необходимо производить пересчет на яблочную или лимонную кислоты в зависимости от того, какая из них преобладает в данном виде плодов.
Кислотность сока определяют путем титрования его раствором щелочи определенной концентрации (титрованным раствором). Количество щелочи в 1 мл раствора называется титром, а определение кислотности при помощи титрованного раствора есть титрование. Конец реакции определяют по лакмусовой бумажке. Для выявления количества кислот в соке и вине пользуются титрованным раствором едкого натрия.
Определить кислотность несложно, но необходимо, чтобы у винодела были некоторые приспособления и приборы:
1) пипетка — стеклянная градуированная трубочка с оттянутым нижним концом, вмещающая ровно 10 мл жидкости до метки в верхней части трубочки;
2) бюретка — стеклянная трубка, на которой нанесены деления (метки) на каждый 1 мл объема до 25–50 мл. Эти деления разделены на десятые доли, соответствующие объему 1/10 мл. К нижнему концу трубки бюретки припаян стеклянный кран. Если крана нет, то нижний конец трубки оттянут и на него надевается небольшая соответствующего диаметра резиновая трубочка, конец которой заканчивается стеклянной вытянутой трубочкой (пипеткой). На резиновую трубку надевается зажим для регулирования количества вытекающего раствора щелочи. Бюретку следует устанавливать вертикально на какой-либо держалке или подвесить;
3) чанный стакан или фарфоровая чашка;
4) стеклянная палочка;
5) титровальная жидкость, то есть раствор 5,97 г сухого едкого натрия в 1 л дистиллированной воды. Такого раствора надо примерно 0,25 л. Хранят его в стеклянной бутылке с притертой стеклянной или резиновой пробкой;
6) несколько листков лакмусовой бумажки, которая от кислоты краснеет, а от щелочи синеет.
Определение содержания кислоты
В вертикально установленную чистую сухую бюретку наливают щелочную (титровальную) жидкость, затем открывают зажим, чтобы удалить из вытянутой части трубки пузырьки воздуха. Иначе может произойти ошибка. Верхний уровень жидкости устанавливают на нулевом делении бюретки. Затем берут пипетку, заполняют ее соком до нулевого деления и отмеренное количество сока выпускают в стакан (чашечку), касаясь вытянутым кончиком ее о стенку стакана выше уровня жидкости. Тогда в стакане будет 10 мл сока. Так как фруктово-ягодные соки сильно окрашены, то перед определением кислотности их следует разбавить дистиллированной водой или обычной, прокипяченной 3–6 раз, т. е. той же пипеткой набрать 2–5 раз подготовленной воды и выпустить в стакан с отмеренным соком, затем хорошо размешать. Такое разбавление не влияет на показатель кислотности, так как мы определяем количество кислоты в 10 мл сока, а при разбавлении сока в стаканчике с водой количество кислоты не изменяется, изменяется лишь объем, и сок становится менее окрашенным.
Затем стакан с соком ставят под бюретку с щелочью и осторожно, понемногу открывая зажим, выпускают в стакан по каплям щелочной раствор. После каждой прибавки щелочи содержимое стакана перемешивают стеклянной палочкой или осторожно взбалтывают и наносят каплю на лакмусовую бумажку стеклянной палочкой. Если бумажка все еще краснеет, значит, кислота еще не нейтрализована и в стакан необходимо прибавить щелочной жидкости из бюретки. Так делают до тех пор, пока лакмусовая бумажка перестанет краснеть и начнет синеть при нанесении на нее капли сока, то есть вся кислота уже соединилась со щелочью. При этом известно, что 1 мл щелочи соответствует 0,1 % кислоты в соке.
Так, например, на нейтрализацию 10 мл сока крыжовника израсходован 21 мл щелочного раствора. Это означает, что в 1 л сока содержится 21 г, или 2,1 % яблочной кислоты. Такое простое вычисление возможно только в том случае, если сока отмерено точно 10 мл и щелочной раствор приготовлен выше указанного титра, т. е. 5,97 г сухого химически чистого едкого натрия на 1 л воды.
Если необходимо определить кислотность бродящего сока или сусла, то отмеренное количество сока необходимо прогреть до кипения для удаления углекислоты, которая образовалась в процессе брожения и может исказить данные определения.
Определение количества сахара в соке.
Общее количество сахара можно определить физическим способом, основанным на зависимости плотности сока от содержания в нем сахара, т. е. по удельному весу сока. Удельный вес определяют путем взвешивания некоторого объема сока на точных весах или при помощи ареометра. Пробу сока для анализа необходимо профильтровать через холст или бумажный фильтр. Сок должен иметь температуру 19–20 °C.
Удельный вес сока определяют следующим образом: пипеткой на 10 мл, которой пользовались при определении кислотности, промытой и просушенной, отмеривают в чистый сухой, предварительно взвешенный стакан 10-100 мл фильтрованного сока и взвешивают на точных весах. Вес отмеренного сока делят на вес воды того же объема и в частном получают удельный вес сока. Зная удельный вес, легко вычислить и процентное содержание сахара в соке. Для этого из значения удельного веса надо вычесть 1,0, а оставшуюся разность разделить на 5. В частном получается цифра, указывающая процентное содержание сахара.
Например, 100 мл сока весит 104 г, а 100 мл воды весит 100 г. Определяют удельный вес сока: 104/100 = 1,040. От удельного веса отнимаем единицу: 1,040 — 1,00 = 0,040, или для упрощения расчетов просто 40. Эту разность делят на 5 и получают процентное содержание сахара в соке, т. е. 40/5=8.
Гораздо быстрее и проще определить процентное содержание сахара с помощью ареометра. Фильтрованный сок доводят до температуры 20 °C, наливают в высокий узкий сосуд (высотой до 30 см), цилиндр, двух- или трехлитровую стеклянную банку или в другую высокую посуду. Причем лить надо осторожно, чтобы не образовалась пена. В сок вертикально опускают чистый сухой ареометр, не допуская его ныряния. Если это не выполнить, показания ареометра будут неверными, так как часть его корпуса, находящаяся над жидкостью, будет смочена и ареометр вследствие этого станет тяжелее. Если же это произойдет, ареометр нужно вынуть, обмыть, вытереть досуха и осторожно, держа за верхнюю часть двумя пальцами, снова опустить в сок до нужного деления. Наблюдение за показаниями ареометра нужно вести так, чтобы глаз был на уровне поверхности сока, и записать деление.
Если температура сока не соответствует 20 °C, то в показание ареометра необходимо внести поправку. При температуре выше 20 °C к показанию ареометра надо прибавить величину, полученную от умножения разности градусов температуры на 0,0002. Например, при 25 °C показания ареометра — 1,052, а действительный вес будет: 1,052 + (5 х 0,0002) = 1,053. И, наоборот, если температура сока была ниже, то разность температур, умноженную на 0,0002, нужно отнять от показания ареометра.
Например, показания ареометра — 1,042 при 16 °C. Истинное же значение равно 1,042 — (4 х 0,0002) = 1,0412.
После внесения температурной поправки в показание ареометра по удельному весу сока определяют содержание в нем сахара.
В составе сока, помимо сахаров, имеются еще и другие экстрактивные вещества, и содержание их сильно колеблется. А так как в показатель удельного веса входят все экстрактивные вещества, не только сахара, то приведенный простой способ определения сахара в соке или сусле дает не совсем точные результаты, допуская отклонения в пределах +1. Поэтому при исследовании менее экстрактивных соков (культурных сортов яблок, груш) к показателю сахаристости по удельному весу надо прибавить 1. Расчет ведут по следующей формуле:
С = (У/5) + 1,
где С — содержание сахара в соке в % или в г на 100 мл сока;
У — показатель удельного веса, в котором исключены впереди стоящие единицы и нули. Например, удельный вес 1,042, то У = 42, тогда С = (У / 5) + 1 = 9,4 %.
Определяя количество сахара в соках средней экстрактивности (красная и белая смородина, малина, земляника садовая и др.), следует пользоваться формулой:
С = (У/5).
Содержание сахара в более экстрактивных соках (черная смородина, слива, крыжовники др.), особенно если они были прогреты перед прессованием, вычисляют по формуле:
С = (У/5) — 1.
Таковы главнейшие исследования сока, которые желательно проводить даже в домашнем виноделии, особенно, если нужно иметь вино всегда определенного вкуса.
Если же винодел-любитель не стремится получить вино определенного вкуса и качества, то можно обойтись и без вышеописанных исследований, а руководствоваться собственным вкусом или использовать таблицу «Химический состав плодов и ягод» (см. соответствующий раздел).
Причины порчи свежеотжатого сока
Изменения, которые происходят в соке при его порче, имеют биохимическую и микробиологическую природу.
Биохимические процессы в соке, связанные с деятельностью ферментов самих плодов, активизируются благодаря присутствию кислорода воздуха, действию света, тепла и других факторов, причем скорость протекания этих реакций находится в определенной зависимости от температуры сока.
Под воздействием этих факторов происходят изменения, которые отражаются даже на внешних признаках сока: окрашенный сок теряет цвет, как будто линяет, светлый сок, наоборот, темнеет, ухудшается его вкус, появляются кислые, острые, горькие тона, которые резко снижают качество сока. В соке может почти полностью исчезнуть натуральный аромат и появиться неприятный посторонний запах.
Причиной микробиологической порчи сока является воздействие размножающихся микроорганизмов, которые могут иметь различное значение в производстве соков, напитков и вин.
На поверхности плодов и ягод поселяются микроорганизмы, способные возбуждать брожение сока. По мере созревания плодов количество этих микроорганизмов все увеличивается. Большая часть их находит все благоприятные условия для развития в соке плодов. Рядом с почкующимися грибами (дрожжи и дрожжеподобные грибки) на плодах всегда находятся бактерии и плесени, среди которых часто преобладают вредные виды. Так, например, на плодах нередко винные дрожжи вытесняются другими видами дрожжей. На плодах и ягодах поселяются также в больших количествах уксуснокислые и молочнокислые бактерии. Среди плесеней на плодах всегда имеется обыкновенная зеленая плесень со своими многочисленными спорами. Она играет такую же роль, как некоторые другие, встречающиеся на плодах грибки, и ведет к большим потерям при порче плодов.
Резкое увеличение количества почкующихся грибков и бактерий происходит при условии, когда через нарушенные участки кожицы обнажается плодовая мякоть или когда плоды перезревают и размягчаются. При этом возникает большая опасность быстрого развития болезнетворных микроорганизмов, как менее требовательных к условиям размножения.
Исследования наличия микроорганизмов на кожице разных плодов показали, что на 200 г плодов приходится от 400 тыс. до 12 млн. спор и клеток.
Ввиду того, что среди этих микроорганизмов могут быть отрицательно влияющие в дальнейшем на качество соков и вин, необходимо тщательно мыть плоды, идущие в переработку.
Большую роль при переработке пледов играют встречающиеся на их поверхности следующие представители микроорганизмов:
— винные дрожжи;
— плодовые дрожжи;
— пленочные грибы;
— слизистые дрожжи;
— плесневые грибы;
— бактерии (уксуснокислые и молочнокислые).
Полезными или необходимыми для брожения из всех почкующихся грибов (дрожжей) являются только винные дрожжи. Все другие формы вредят брожению, и развитие их должно быть во время выработки сока или вина прекращено.
Винные дрожжи принадлежат к роду Saccharomyces и к близко родственному роду Zygosaccharomyces. Оба эти рода обладают способностью образовывать споры, могущие долго сохраняться. В жидкостях большей частью встречаются эллиптические, яйцеподобные или продолговатые отдельные клетки, достигающие обыкновенно 5-10 нм в длину и 4–8 нм в ширину. Продолговатые клетки могут достигать до 12–15 нм, а при известных благоприятных условиях даже до 20–30 нм в длину.
В сбраживании плодовых и ягодных соков могут принимать участие различные виды дрожжей из рода Saccharomyces. При этом число различных рас и форм, в которых эти виды встречаются на плодах и в соках, значительно превышает число самих видов.
По форме клеток и другим морфологическим признакам отдельные расы различаются между собой немного, и нет возможности их отличить таким образом. Существенно и практически важно знать физиологические признаки, которые включают в себя сбраживающую силу, устойчивость против спирта и сернистой кислоты, образование янтарной и уксусной кислот, отношение к высоким и низким температурам.
Плодовые дрожжи — это группа небольших слабосбраживающих почкующихся грибов, клетки которых в типичных случаях на обоих концах заострены. По этой лимоноподобной форме грибы легко распознаются, хотя они довольно часто, особенно в стадии интенсивного брожения, встречаются также и в форме эллиптических клеток. В основном они принадлежат к виду Kloeckera apiculata и некоторым другим близко родственным видам. Эти дрожжи могут образовать только 40–50 г алкоголя в 1 л. Некоторые расы прекращают свою сбраживающую деятельность уже при 20–30 г алкоголя в 1 л. Сахароза этими дрожжами не сбраживается, так как они не имеют фермента инвертазы. Эти дрожжи при брожении образуют вещества, сильно понижающие качество вина. Кроме того, они выделяют некоторые вещества, которые задерживают развитие и сбраживающую силу винных дрожжей. Осаждаются плодовые дрожжи хуже, чем более крупные винные, и поэтому вино мутнеет, если при сбраживании сока плодовые дрожжи успели размножиться. Развитие этих дрожжей задерживается легкой сульфитацией сока и сбраживанием его чистыми культурами. Нередко достаточно сильно сбраживающей чистой культуры без сульфитации сока. Одно сульфитирование без чистой культуры не достигнет цели, так как плодовые дрожжи выдерживают до 75 мг SO2 на 1 л сока.
Так как плодовые дрожжи прекращают свое развитие уже при 30–40 г алкоголя в 1 л, очень важно быстро поднять содержание алкоголя до этой величины. Натуральные легкие яблочные вина особенно легко могут поражаться этими дрожжами, а потому вначале брожение требует большого внимания.
Лимоноподобную форму кроме заостренных дрожжей из рода Kloeckera имеют представители рода Saccharomycodes. Клетки этих дрожжей крупней, чем у заостренных, а их сбраживающая способность значительно выше. Они очень устойчивы против сернистой кислоты и могут развиваться в соках даже при содержании, до 600 мг сернистой кислоты на 1 л. Поэтому они часто встречаются в пересульфитированных соках, где обыкновенные винные дрожжи жить не могут. Возможно, что эти дрожжи могут иметь значение для сбраживания очень сульфитированных соков, но их действие в этом отношении не апробировано. Некоторые формы очень устойчивы и против высокого содержания уксусной кислоты.
Пленочными грибами называют разнородные, преимущественно продолговатые, но часто также шаровидные или яйцевидные почкующиеся грибы, которые образуют на поверхности соков и вин грибную пленку беловатого, желтоватого или грязно-белого цвета (цвель вина).
Пленочные грибы могут находиться повсюду: на плодах и ягодах, в соках и винах. Развиваются же они только там, где имеется достаточно кислорода. Эти грибы потребляют алкоголь, который через различные промежуточные ступени разрушают до углекислоты и воды. Из сахара образуют кислоты, одновременно потребляя их. Не щадят они и остальные экстрактивные вещества, в том числе и глицерин, и образуют эфир с неприятным запахом прогорклого масла. Вино под действием пленочных грибов делается всегда беднее алкоголем, разжижается и приобретает неприятный вкус.
Устойчивость отдельных рас пленочных грибов к алкоголю различна. При содержании алкоголя приблизительно 40–50 г на 1 л они развиваются особенно хорошо, поэтому сброженные в натуральном состоянии соки легко ими поражаются. В винах при содержании алкоголя 100 г на 1 л и большие пленочные грибы развиваться не могут. Сернистую кислоту они переносят в относительно высоких концентрациях.
Слизистые дрожжи, принадлежащие к роду Torulopsis Berlese, относятся к формам почкующихся грибов, которые обладают слабой сбраживающей способностью или совсем ее не имеют. Это маленькие шаровидные или яйцевидные грибы, клетки которых часто объединены в плотные скопления. Спорообразование у этих грибов не наблюдается. В нормальных условиях брожения эти грибы вытесняются сильно бродящими винными дрожжами и развиваться не могут.
Плесневые грибы способны образовывать в большом количестве маленькие споры, которые благодаря своей незначительной величине (3–6 нм в диаметре), легко переносятся ветром и насекомыми. Это свойство, а также способность многих форм в присутствии следов органических веществ образовывать новые споры, обусловливают широкое распространение плесневых грибов. Их споры отшнуровываются цепочками или на концах спороносцев в виде так называемых конидий, как, например, у видов родов Penicillium и Aspergillus, или возникают внутри особых шаровидных спороносов, так называемых спорангиев, как, например, угловчатая плесень рода Mucor.
Обыкновенная зеленая плесень является очень распространенной. Немного реже, но тоже часто, встречается плесень Penicillium glaucum. Часто на плодах встречаются также мукоры и другие виды, которые могут быть названы также головчатыми плесенями по причине шарообразного споровместилища. Некоторые виды мукоров развивают почкующийся мицелий, называемый «мукоровыми дрожжами», и способны вызывать также алкогольное брожение.
На стенах подвалов, бутылочных пробках, бутылках и других местах поселяется так называемая подвальная плесень, которую легко узнают по темно-зеленому сухому мицелию. По внешнему виду на нее похож гриб, который развивает, как и другие грибы, длинные гифы, но имеет также и дрожжеподобные клетки, размножающиеся, как и винные дрожжи, почкованием. Появляется обыкновенно в форме беловатых, желтовато-белых, а также темно окрашенных масс. Соки, в которых развивается этот гриб, могут стать слизистыми. Однако он прекращает свое развитие с началом брожения, потому что чрезвычайно нуждается в кислороде и чувствителен к алкоголю. Клетки остаются в винах жизнеспособными еще долгое время, но на качество вина в дальнейшем не оказывают никакого влияния.
Плесневые грибы являются вредными в производстве соков и вин и должны полностью удаляться из подвалов, так как эта плесень придает воздуху помещения очень неприятный запах, который сообщается также сокам и винам. Соки и вина с сильным привкусом плесени очень трудно исправить.
Бактерии могут также образовывать необычайно устойчивые споры. Однако у бактерий, которые встречаются в соках и винах, такие споры пока неизвестны. Многие бактерии, например гнилостные, очень чувствительны к кислоте, поэтому они не могут развиваться в соках и винах.
В соках и винах встречаются в основном две группы бактерии: уксуснокислые и молочнокислые. Эти бактерии способны развиваться в более или менее богатых кислотами плодово-ягодных соках, а также сами образуют органические кислоты. Однако они, и в первую очередь молочнокислые бактерии, имеют определенную чувствительность к кислотам и в общем хуже переносят высокие концентрации кислот, чем все другие сбраживающие организмы. Винные бактерии требуют более высоких температур и менее устойчивы против сернистой кислоты, чем большинство почкующихся грибов. Эти свойства позволяют угнетать развитие бактерий при выработке соков и вин без существенного влияния на сбраживающую способность дрожжей.
Уксуснокислые бактерии обладают свойством в присутствии кислорода воздуха окислять алкоголь в уксусную кислоту. При этом на 1 г алкоголя получается приблизительно 1,3 г уксусной кислоты. Уксуснокислые бактерии развиваются только при доступе воздуха. При этом они образуют на поверхности вина грубую слизистую или же тонкую бумаговидную морщинистую пленку. Известен целый ряд различных видов уксуснокислых бактерий, которые различаются между собой по внешнему виду образуемой ими пленки, силе кислотообразования, устойчивости против алкоголя и др. Вина с содержанием алкоголя приблизительно 40–50 г в 1л (например, легкие яблочные) представляют для уксуснокислых бактерий особенно благоприятные условия развития. Если же вина содержат 120–130 г алкоголя в 1 л и больше (крепкие ягодные вина), то они устойчивы против развития уксуснокислых бактерии даже при доступе воздуха.
Молочнокислые бактерии оказывают разнообразное влияние на качество вина. Яблочно-молочнокислое брожение в сильнокислотных винах улучшает их вкус, делая его более мягким и гармоничным. Молочнокислые бактерии участвуют в вине в процессе яблочно-молочнокислого брожения. При этом снижается титрируемая кислотность и выделяется углекислый газ. Помимо разложения яблочной кислоты бактерии частично используют сахар.
Микроорганизмы не являются единственными специфическими виновниками порочных изменений вин. Способность вызывать определенные незначительные изменения в вине не является достаточным основанием для выделения таких организмов в отдельный вид.
Так, свойством разлагать глицерин с образованием уксусной, молочной и пропионовой кислот, углекислого газа и остро пахнущего акролеина обладают отдельные представители всех видов молочнокислых палочек и кокков.
Разложение фруктозы с образованием маннита свойственно молочнокислым бактериям.
Возникновение вязкости, ожирения, ослизнения вина связано с процессом кислотопонижения, однако природа веществ, вызывающих эти изменения, мало выяснена.
Образование летучих кислот, в основном уксусной, а также небольших количеств пропионовой и муравьиной, связано с деятельностью молочнокислых бактерий.
С целью предупреждения яблочно-молочнокислого брожения в процессе хранения сброженных натуральных яблочных соков особое внимание должно быть обращено на предотвращение инфицирования свежеотжатого яблочного сока. Для этого необходимо строго соблюдать санитарные условия обработки яблок перед дроблением и последующими операциями сокодобывания и сбраживания.
Предотвращение порчи свежеотжатого плодового сока, а также сброженного натурального заключается в соблюдении правил санитарии при переработке плодов. В свою очередь, существующие способы переработки соков позволяют максимально сохранить их вкусовые достоинства и пищевую ценность.
Свежеотжатые соки являются исходным сырьем для приготовления легких малоалкогольных натуральных фруктовых и ягодных вин.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ СУСЛА
Почти все плоды, за исключением культурных сортов яблок, груш, имеют состав, не соответствующий получению желаемого вина. Большинство плодов содержит кислоты больше, а сахара меньше, чем нужно для хорошего вина. Поэтому вино из чистого сока большинства фруктов и ягод получается слишком кислым и малоалкогольным.
Только из винограда и некоторых сортов яблок и груш можно готовить вино, ничего не добавляя. Соки же всех прочих плодов необходимо исправлять, улучшать для того, чтобы впоследствии вино получилось желаемой крепости и вкуса. Это улучшение сока и называется приготовлением сусла.
Помимо повышенной кислотности, некоторые фруктово-ягодные соки (рябиновый, вишневый, черносмородиновый, сливовый и др.) содержат также много экстрактивных веществ, 5–6 % вместо необходимых 2–3 % для получения гармоничного вина.
Для получения однородного сусла, с определенной кислотностью, сахаристостью, ароматом и вкусом, его купажируют, т. е. смешивают разные соки, прибавляя необходимое количество сахара и воды.
Исправление кислотности сока можно выполнять тремя способами, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Проще всего для уменьшения кислотности разбавить сок чистой водой.
Первый способ. Первый способ как раз и заключается в том, что сок разбавляют водой (сырой или кипяченой). Вода должна быть совершенно чистой, без запаха, мягкой. Жесткая вода снижает кислотность сока ниже желаемого значения, а железистая может вызвать почернение вина.
Для приготовления столовых вин разбавление сока следует доводить до титруемой кислотности 0,8–1,0 %, а для сладких и крепких вин — до 1,0–1,2 %. Но ни в коем случае не следует разбавлять сок ниже 0,6 % кислотности. Сильно разбавленный сок, даже смородиновый, плохо бродит, вино легко портится и нередко приобретает неприятный запах.
Чтобы определить количество воды, необходимое для разбавления того или иного сока, нужно знать, сколько кислоты содержится в соке и какова желаемая кислотность вина. Эта задача решается чисто арифметически. Предположим, что титруемая кислотность сока 2,4 %, а желаемая для вина — 0,8 %. В таком случае нужно кислотность сока разделить на кислотность вина, и частное покажет, во сколько раз необходимо разбавить сок водой.
Необходимое количество воды для разбавления сока определяется по следующей формуле:
В = (Кс/Кв) — 1
где В — количество необходимой воды, Кс — кислотность сока, Кв — кислотность вина. В нашем примере В = (2,4/0,8) — 1 = 2. Следовательно, к 1 л сока нужно прибавить 2 л воды. Из этого количества воды надо вычесть часть, расходуемую на настаивание выжимок при вторичном прессовании (если оно производилось). Кроме того, из общего объема воды вычитают и объем прибавляемого сахара, имея в виду, что 1 кг сахара занимает в растворе объем, равный 0,6 л. Из общего количества воды необходимо также оставить часть ее для растворения сахара. Если сахар будет вноситься в несколько приемов, то вся вода, расходуемая на растворение сахара, должна быть учтена для приготовления сусла.
Недостаток этого способа заключается в том, что сок сильно разжижается и вино получается жидким, неэкстрактивным. Однако, несмотря на это такой способ применяют чаще других, так как он не сложен и выполняется быстро. В сильно разбавленные соки (клюква, брусника и др.), бедные азотистыми веществами для нормального питания дрожжей на 1 л сока вносят 0,2–0,4 г хлористого или фосфорнокислого аммония или 0,5–1,0 мл водного (25-процентного) раствора аммиака.
Второй способ. В части сока нейтрализуют всю содержащуюся кислоту, а затем этот бескислотный сок добавляют в оставшийся кислый. Для нейтрализации кислотности к части сока прибавляют молотый чистый мел, хорошо размешивают и дают отстояться. На дно сосуда оседают кальциевые соли нейтрализованных кислот и избыток мела. Лишенный кислоты сок осторожно сливают с осадка и смешивают с соком, который не подвергался нейтрализации.
Количество сока, в котором нужно нейтрализовать кислоту, и количество мела определяют арифметическим путем, исходя из того, что для нейтрализации 1 г кислоты необходимо 1 г мела.
Предположим, что у нас имеется 10 л сока с титруемой кислотностью 2,2 %, которую нужно снизить до 0,9 %. Необходимо решить, сколько сока нужно отлить для нейтрализации в нем кислоты и сколько нужно израсходовать для этого мела.
В 10 л сока содержится 22 х 10 = 220 г кислоты, а нам нужно 0,9 %, т. е. 9 х 10 = 90 г. Следовательно, количество излишней кислоты составит 220 — 90 = 130 г, которые содержатся в 130/22 = 5,9 л сока. Для нейтрализации 130 г кислоты потребуется 130 x 1,0 = 130 г мела. При этом способе снижения кислотности сок не разжижается, сохраняя экстрактивность, и вино получается полным, экстрактивным. Недостаток способа в том, что сок и вино приобретают очень неприятный привкус лекарственного снадобья. Поэтому он применяется гораздо реже, чем первый.
Третий способ. Третий способ снижения кислотности самый эффективный, но не всегда возможный. Он состоит в том, что сок с большим содержанием кислоты смешивают с другим соком, гармонирующим по вкусу и аромату и содержащим меньше кислоты. В каких пропорциях необходимо смешивать соки, поясним на примере. Предположим, имеется 10 л сока с кислотностью 2,2 %, но нужно получить сусло с кислотностью 0,9 %. Чтобы уменьшить кислотность исходного сока, мы должны добавить к нему сок слабокислых плодов, например, грушевый, где содержание кислоты в среднем 0,1 %.
Расчет: в 10 л сока кислого содержится 220 г кислоты, а нам нужно 90 г, т. е. излишек составляет 220 — 90 = 130 г. В каждом литре низкокислотного сока содержится кислоты всего 1 г и не хватает до нормы 9 – 1 = 8 г. Таким образом, если мы к 10 л кислого сока прибавим 130/8 = 16,25 л низко кислотного, то получится 10 + 16,25 = 26,25 л смеси соков. В ней будет содержаться (10 x 22) + (16,25 х 1) = 236,25 кислоты, а в 1 л будет 236,25/26,25 = 9 г, т. е. средняя кислотность смеси составит 0,9 %. Сусло, приготовленное по этому способу, обеспечит получение более экстрактивного, ароматного и вкусного вина, чем из разбавленного водой сусла.
Увеличить кислотность можно прибавлением более кислого сока или необходимого количества винно-каменной или лимонной кислоты.
Кислотность сусла должна быть несколько выше, чем предполагается для вина, так как во время брожения сусла и подсахаривания она несколько снижается. Биологические потери кислоты при брожении составляют примерно 4 % от титруемой кислотности.
Для низкоградусных белых сухих вин кислотность должна быть ниже, для красных крепких и сладких — выше. Исходя из этого правила и собственного вкуса необходимо устанавливать кислотность сусла и вина в пределах от 0,7 до 1,1 %.
Большинство плодовых и ягодных соков содержит недостаточное количество сахаров для получения устойчивого вина. После разбавления сока водой для снижения кислотности при составлении сусла в него вводят по расчету определенное количество рафинированного сахарного песка. Для определения количества добавляемого сахара нужно знать, сколько сахара содержится в данном сусле и какое количество спирта желательно иметь в вине. При этом следует помнить, что из 1 кг сахара получается 0,6 л спирта и 1 кг сахара, растворяясь в воде (соке), увеличивает ее объем на 0,6 л. Поэтому при разбавлении сока водой для снижения кислотности необходимо предусмотреть в расчетном объеме воды и объем сахара в растворе. Если этого не принять во внимание, то сок может быть разбавлен больше, чем рассчитывали.
Следует помнить и то, что значительное количество сахара и образующегося из него спирта затрудняет, а иногда и прекращает работу дрожжевых клеток. Считается, что в среднем дрожжи обыкновенно набраживают до 14 % об. спирта. Для получения такой количества алкоголя потребуется 24 % сахара. Если содержание сахара в 1 л сусла вначале было доведено до 160 г, то остается прибавить еще 60 г на 1 л сока. Если в сусло прибавлен сразу весь расчетный сахар, то оно выбраживается медленно и зачастую часть сахара остается. Поэтому если готовят легкое столовое вино с содержанием спирта 7—10 % об., то можно сразу положить весь сахар. Если же предусматривают получить вино крепкое, десертное или ликерное, то необходимое количество сахара делят на несколько частей и при приготовлении сусла кладут столько сахара, чтобы сахаристость сусла была около 15–18 %. Спустя 5–7 дней прибавляют еще половину оставшегося сахара, а остальной — через 5–7 дней. При этом способе, хотя брожение продолжается дольше, дрожжевые клетки работают энергично, выбраживают весь сахар, а вино получается более устойчивым.
Количество сахара, которое следует прибавить к соку, рассчитывают следующим образом. Предположим, что у нас имеется 10 л сока с кислотностью 2,2 % и сахаристостью 7 %, из которого мы хотим приготовить вино с содержанием спирта 17,5 % об., кислоты 1,1 % и сахара 3 %. Прежде всего необходимо рассчитать, сколько воды нужно прибавить в сок, чтобы снизить кислотность с 2,2 % до 1,1 %.Для этого поделим 2,2/1,1 = 2, отсюда вычитаем 1 и получаем разность — 1. Следовательно, на 1 л сока следует прибавить 1 л воды или на 10 л сока 10 л воды. При этом сахаристость сока снизится с 7 до 3,5 %. Поэтому прежде чем прибавить всю воду, необходимо рассчитать введение сахара.
Для получения вина с содержанием в 100 мл 14 г спирта и 3 г сахара нужно, чтобы в сусле содержалось (14 х 2) + 3 = 31 % сахара, или в 20 л разбавленного сусла должно быть 310 х 20 = 6,2 кг сахара. В исходных 10 л сока при сахаристости 7 % было 700 г сахара, следовательно, с сусло необходимо добавить 6,2–0,7 = 5,5 кг сахара. Чтобы излишне не разжижать сок, нужно прибавить воды не 10 л, а 10 - (5,5 x 0,6) = 6,7. Воду сразу добавляют к соку, растворив в ней столько сахара, чтобы в сусле его содержалось 15 %. Количество сока и воды составит 10 + 6,7 = 16,7 л. Сусло должно содержать 15 % сахара, или 16,7 х 15 = 2,5 кг. С соком поступило в сусло сахара 0,7 кг, следовательно, первое внесение сахара составит 2,5–0,7 = 1,8 кг. Остальной сахар в количестве 5,5 – 1,8 = 3,7 кг делят на 4 порции, которые вносят в бродящее сусло через каждые 5–7 дней, причем последнюю порцию 0,7 кг — после окончания брожения.
Для улучшения сусла вносят и белковые (азотистые) вещества, необходимые для питания дрожжей. В особенности эта прибавка необходима для вин из ягод, бедных белковыми веществами (например, черника, клюква, брусника) и в тех случаях, когда сок сильно разбавлен водой для уменьшения его кислотности. Кроме вышеуказанных способов улучшения и сдабривания приходится иногда производить смешивание соков различных плодов и ягод. Это смешивание, называемое виноделами кулажем или купажированием, производится с той целью, чтобы недостатки сока одного фрукта подправить или дополнить достоинствами другого. Дело в том, что некоторые плоды и ягоды дают сок жидкий, не экстрактивный, не ароматный, но в то же время очень кислый и требующий сильного разбавления водой, от этого и вино из него получается жидкое, безвкусное, без аромата. Такова, например, красная смородина. Другие ягоды или фрукты, наоборот, дают сок очень густой, слишком душистый и хотя и кислый. Таковы, например, малина, черная смородина и прочие. Если смешать соки таких фруктов, т. е. недушистого и душистого, то вино получится лучшего качества, чем из каждого в отдельности. Поэтому обыкновенно выгоднее бывает готовить вино не чисто сортное, т. е. не из одного какого-либо фрукта, а из смеси разных.
При приготовлении сусла нужно иметь в виду, что из каждых 100 литров (или 100 кг) приготовленного сусла получается всего 80 л вина, а 20 л составляют потерю на осадки, розлив и прочее. Таким образом, если приготовляется 160 л вина, то сусла следует заготовить 200 л. При более крупном производстве вина эти потери меньше и не превышают 10–15 % — на осадки, усушку и пр.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЗАКВАСКИ
Итак, спиртовое брожение, т. е. превращение сока в вино, вызывается микроорганизмами, называемыми дрожжами. Спирт является продуктом жизнедеятельности дрожжей, и когда его в бродящем вине накапливается около 15–16°, большинство их видов погибает и только очень немногие могут выносить дозы спирта до 18°. Таким образом, в домашних условиях вино крепче 15–16° получить невозможно.
Для получения качественного и кондиционного десертного вина брожение плодово-ягодного сока необходимо проводить на винных дрожжах чистой культуры. Такие дрожжи изготовляют (в пробирках на твердой или в жидкой среде) специальные лаборатории.
За неимением винных дрожжей брожение можно проводить и на диких дрожжах, находящихся на поверхности ягод (хлебные дрожжи непригодны), но в этом случае спирта накапливается не больше 14–15°. Разводят дикие дрожжи следующим образом. За 10 дней до начала приготовления вина собирают спелые ягоды ранних культур (малина, белая смородина, земляника).
Ягоды не моют, чтобы не смыть дрожжи, находящиеся на их поверхности. Вбутылку наливают стакан воды, кладут полстакана сахарного песка, 2 стакана разутых ягод. Смесь взбалтывают, закрывают ватной пробкой и ставят в темное место при температуре 22–24 °C.
После того как сок перебродит 3–4 дня, его отделяют через марлю от мезги и употребляют вместо селекционных дрожжей. Для приготовления десертного вина необходимо 3 % такой закваски, сухого и полусладкого — 2 %, т. е. при одновременном приготовлении 10 л вина закваски берут 300 или 200 г. Закваску готовят 1 раз в сезон. В дальнейшем, если необходимо получить вино из поздно созревающих плодов и ягод (крыжовник, яблоки, сливы и т. д.), пользуются вместо закваски осадком, образующимся во время брожения сока более ранних культур. Осадка требуется меньше, чем закваски. На 10 л сусла расходуют 100 г осадка, то есть 1 %.
Хранить закваску больше 10 дней нельзя. При комнатной температуре она легко скисает и может внести инфекцию в сусло.
Не всегда можно приготовить сильную закваску в — домашних условиях. После обильного дождя дрожжи бывают смыты с ягод, закваска долго не начинает бродить, при ее использовании сусло может заплесневеть. В этом случае закваску нужно приготовить заново.
Неудачи бывают и при сухой погоде. В районах, где летние температуры поднимаются очень высоко, развиваются нежелательные формы диких дрожжей (апикулатус). Также трудно бывает вызвать брожение зимой при приготовлении закваски для рябинового вина. Но в средней полосе России при нормальных метеорологических условиях закваску описанным выше способом приготовить довольно легко. При неблагоприятных условиях приготовления разводки из свежих ягод можно воспользоваться в качестве исходного сырья изюмом. Для этого берут горсть изюма, кладут его в молочную бутылку и заливают 2 стаканами теплой (30 °C) воды с содержанием 10 % сахара. С разбродившейся разводкой поступают так же, как и в случае получения ее из свежих ягод.
БУРНОЕ БРОЖЕНИЕ И УХОД ЗА НИМ
Приготовленное фруктово-ягодное сусло заливают для брожения в соответствующую посуду, качество которой нередко сказывается на качестве вина. В домашнем виноделии используют деревянные бочонки и стеклянные бутыли разного размера (см. рис.).
Бутыли новые и бывшие в употреблении необходимо хорошо вымыть раствором кальцинированной соды с последующим тщательным прополаскиванием чистой водой, чтобы они не имели какого-либо постороннего запаха. Стеклянная посуда удобна для переноски и наблюдения. Однако стекло пропускает свет и не защищает вино от колебаний внешней температуры. Для устранения в какой-то мере указанных недостатков рекомендуется бутыли ставить в плетенные корзины, а также закрывать от света.
Суть брожения заключается в том, что под влиянием ферментов дрожжей сахар сусла превращается в спирт, углекислый газ, небольшое количество глицерина, органических кислот и ряд ароматических веществ. Для выхода воздуха отверстие сосуда необходимо закрыть не просто пробкой, а специальным бродильным шпунтом-затвором (см. рис.).
Наиболее простой бродильный затвор можно сделать самому. Для этого подбирают корковую или резиновую пробку по размеру горла сосуда. По центру вдоль пробки просверливают отверстие диаметром 5–6 мм, вставляют в него стеклянную ком устройстве ведро затвора (бродильного шпунта) газ из сосуда может свободно выходить через слой воды, а наружный воздух не сможет попасть внутрь сосуда. Кроме того, по пузырькам газа, выходящим из трубки через воду, судят об интенсивности процесса брожения сусла.
Бродильный шпунт особенно необходим, когда сусло подвергается самопроизвольному брожению на диких дрожжах без введения культурных рас, а также при приготовлении легких столовых вин. В тех случаях, когда брожение вызывается введением в сусло разводки чистой культуры винных дрожжей и при получении десертных и ликерных вин, можно вместо бродильного шпунта отверстие сосуда закрыть тугой пробкой из гидроскопической ваты.
Иногда, несмотря на то, что сусло приготовлено правильно и в него внесены дрожжи, брожение все же не начинается.
Это происходит от недостатка для жизни дрожжевых грибков тепла и питания. Дрожжевые грибки плохо себя чувствуют и плохо размножаются, если температура самого сусла слишком низка. С другой стороны, если в помещении чрезмерно тепло, тогда легче развиваются, не только дрожжевые, но и вредные грибки и другие организмы. Практикой виноделия выяснено, что чем меньше в сусле разных трубочку соответствующего диаметра. Она должна быть заделана герметично, для чего по верхней плоскости пробки отверстие вокруг трубочки заливают сургучом, воском или заклеивают пластилином. Нижний конец трубочки не должен выступать из пробки. На верхний конец надевают резиновую трубку соответствующего диаметра, в свободный конец которой вставляют стеклянную пипетку для закапывания глаз. Кончик пипетки опускают в бутылочку емкостью 20-100 мл с прокипяченной водой. Чтобы вода не портилась, в нее добавляют несколько капель сернистой (но не серной) кислоты или водку. При таком устройстве ведро затвора (бродильного шпунта) газ из сосуда может свободно выходить через слой воды, а наружный воздух не сможет попасть внутрь сосуда. Кроме того, по пузырькам газа, выходящим из трубки через воду, судят об интенсивности процесса брожения сусла.
Бродильный шпунт особенно необходим, когда сусло подвергается самопроизвольному брожению на диких дрожжах без введения культурных рас, а также при приготовлении легких столовых вин. В тех случаях, когда брожение вызывается введением в сусло разводки чистой культуры винных дрожжей и при получении десертных и ликерных вин, можно вместо бродильного шпунта отверстие сосуда закрыть тугой пробкой из гидроскопической ваты.
Иногда, несмотря на то, что сусло приготовлено правильно и в него внесены дрожжи, брожение все же не начинается. Это происходит от недостатка для жизни дрожжевых грибков тепла и питания.
Дрожжевые грибки плохо себя чувствуют и плохо размножаются, если температура самого сусла слишком низка. С другой стороны, если в помещении чрезмерно тепло, тогда легче развиваются, не только дрожжевые, но и вредные грибки и другие организмы. Практикой виноделия выяснено, что чем меньше в сусле разных вредителей, тем выше (но не более 25 °C) можно поднимать температуру сусла и в помещении. В тех случаях, когда обходятся без внесения дрожжей или когда их вносят мало, выгоднее, чтобы температура не была выше 20 °C, по крайней мере в течение первых 6–7 дней. При температуре ниже 16 °C замедляется работа дрожжевых грибков.
Наиболее благоприятна для спиртового брожения температура 18–20 °C. При этом температура в помещении, где происходит брожение, должна быть ровной, одинаковой и днем и ночью, без резких и частых колебаний, которые каждый раз задерживают брожение и замедляют работу дрожжевых грибков. Если фруктовое вино готовится осенью, в холодное время, то посуду с бродящим суслом следует держать в отапливаемой комнате, но не вблизи печи, не на сквозняке и не на солнечном месте.
Лучше всего посуду с суслом загородить со всех сторон деревянными щитами. Если вино готовится в холодную погоду или из сильно охлажденных фруктов, или в воду для разбавления сока добавляют холодную ключевую, то сусло может получиться очень холодным и брожение в нем не начнется. В таком случае нужно согреть сусло. Для этого отбирают часть его, подогревают, но не до кипения, горячим вливают в посуду с суслом и сейчас же все хорошо перемешивают, чтобы жидкость равномерно согрелась. Оптимальная температура сусла — 16–20 °C. Соблюдение температурного режима, как в помещении, так и сусла является главным условием возникновения и продолжения брожения.
Второе условие — наличие питания для дрожжевых грибков. В сусле, даже сильно разбавленном водой, оно есть. Но для того чтобы процесс брожения протекал правильно и был доведен до конца, следует при приготовлении сусла не забыть прибавить какую-нибудь питательную добавку[43].
Брожение сусла начинается обычно через 6-12 часов. Жидкость сильно пенится, мутится, через бродильный шпунт с каждым днем вес сильнее и быстрее выделяется углекислый газ.
Первое брожение, при котором сусло пенится, называется бурным. Оно продолжается от 10 до 100 дней в зависимости от того, какой крепости вино приготовляется. Чем дольше продолжается бурное брожение, тем больше спирта будет в вине, так как во время его происходит превращение сахара в спирт и углекислый газ. При этом в бурном брожении различают два периода: 1) собственно бурное брожение и 2) главное брожение.
При собственно бурном брожении, продолжающемся обычно 3–7 дней, сусло сильно пенится, пузырьки углекислого газа проходят через бродильный шпунт сплошным потоком и подсчитать их почти невозможно (в 1 минуту, примерно до 150–200 пузырьков). Сусло сильно волнуется, вздувается, и пена заполняет все оставшееся в посуде над суслом свободное пространство, а если посуда наполнена суслом доверху, то оно забивает трубку бродильного шпунта, выбивает пробку и может даже разорвать посуду. Это первое брожение называется также иногда верхним, так как дрожжи в это время работают главным образом в верхних слоях сусла.
Затем сусло успокаивается, выделение пузырьков газа уменьшается, пена начинает оседать — это значит, бурное брожение закончилось, и началось главное брожение, называемое также нижним, которое продолжается до тех пор, пока дрожжевые грибки не переработают в спирт весь сахар или не выработают столько спирта, существовать в котором уже не смогут. При главном брожении сусло уже не сильно пенится, пузырьки газа с каждым днем выделяются все реже и реже. К этому времени на дно посуды выпадает довольно большой осадок, состоящий главным образом из дрожжей. Цвет молодого вина гораздо прозрачней, чем цвет сусла. На этой стадии считается, что бурное (и главное) брожение закончилось и можно приступать к первой переливке вина.
Во время бурного брожения уход за бродящим суслом состоит в следующем.
Взмучивание дрожжевого осадка производится для лучшего разложения всего сахара. Дело в том, что хотя бродящее вино мутно от плавающих в нем дрожжей, поднимаемых со дна посуды выделяющимся газом, однако не все дрожжи находятся в таком плавающем состоянии. Большая часть их покоится на дне, образуя многослойный «пирог». Верхние слои, находясь в соседстве и с сахаром, и с питательными веществами, могут беспрепятственно размножаться, и работать. Для нижних же слоев это несравненно труднее. И чем меньше остается сахара в сусле, чем легче оно, тем полнее оседают дрожжи, тем плотнее слои и тем больше затруднена их работа. Для того чтобы повысить работоспособность дрожжей, и необходимо взбалтывать дрожжевой осадок чистой палкой или продувать через него струю воздуха из какого-либо меха.
Кратковременный доступ воздуха значительно оживляет работу дрожжей и способствует размножению. Поэтому все плохо бродящие вина полезно, во второй половине главного брожения, когда уже образовалось 7–8 % (весов) спирта, проветривать вдуванием туда воздуха при помощи меха. Можно бродящее вино вместе с дрожжами перелить в чистую кадку или другую посуду и оставить 3–4 часа.
Добавление сахара производят в том случае, когда готовят вино наибольшей крепости, т. е. содержащее до 16 весовых процентов спирта. В этом случае в сусло сахар кладут не сразу и весь, а лишь 1/6 — 1/5 часть его (чтобы сахаристость сусла была не выше 10–15 %), остальной же равными частями прибавляют к бродящему уже суслу через каждые 5–7 дней. Хотя при таком способе бурное брожение продолжается очень долго (до 100 дней), зато дрожжевые грибки сильнее развиваются и смогут переработать весь сахар и приготовить из него наибольшее количество спирта. Если же мы сразу зададим в сусло весь необходимый сахар, т. е. для образования 16 вес. процентов спирта — 32 вес. процента сахара, то грибкам будет очень трудно его переработать полностью и вино получится крепостью всего в 11–12 вес. процентов, а часть сахара останется не перебродившей. Каждый раз, добавляя сахар (сахарный песок), следует сусло хорошо перемешивать.
Наблюдение за температурой в помещении и бродящего сусла весьма важно для правильного хода брожения. Для благоприятного бурного брожения температура в помещении должна быть 18–20 °C. И за этим нужно старательно наблюдать, если вы хотите приготовить хорошее вино. Важно, чтобы и температура сусла не поднималась выше 25 °C, что, легко может произойти во время бурного брожения. Дело в том, что при превращении сахара в спирт дрожжевые грибки выделяют часть теплоты. Благодаря этому сусло само нагревается и чем сильнее, тем энергичнее идет бурное брожение. Однако при температуре выше 25 °C дрожжевые грибки уже начинают страдать и жизнедеятельность их замедляется, поэтому виноделу следу ет заботиться о том, чтобы бродящее сусло не слишком сильно нагрелось. Чрезмерное нагретое сусло следует охладить, добавив в него небольшие кусочки льда или окутав посуду мокрым холстом и выставить на сквозняк, пока не охладится. Такое же охлаждение можно произвести и при проветривании сусла на сквозняке или в холодную погоду. Однако не следует и чрезмерно охлаждать сусло, так как это тоже может вредно повлиять на брожение.
Проверка хода брожения производится по окончании главного брожения или если брожение почему-либо прекратилось. В этих случаях следует испробовать молодое вино на вкус, чтобы узнать, много ли в нем осталось сладости и не будет ли прекращение брожения преждевременным. Если брожение прекратилось, а сладость вина еще значительна, нужно произвести его проветривание. Сохранение чрезмерной сладости бывает в тех случаях, когда не был соблюден температурный режим в помещении, неправильно произведено подслащивание сусла, либо от недостаточной бродильной способности дрожжей или от неправильного их применения.
Если же по прекращении брожения сладость или отсутствует или чувствуется мало, а выступает лишь приятная кислотность вина, то винодел может быть доволен, ибо достигнуто самое главное — значительнейшая часть сахара переброжена, чем обеспечены крепость и прочность молодого вина.
Когда главное брожение дошло до возможного предела, дрожжи перестали усваивать и перебраживать сахар, а на дне посуды осел слой дрожжевого осадка и молодое вино стало почти прозрачным, приступают к 1-ой переливке вина.
СНЯТИЕ ВИНА С ОСАДКА
Осевший на дне посуды толстый слой рыхлого осадка состоит главным образом из умерших дрожжевых грибков и быстро может разложиться или загнить, причем вину сообщатся неприятный вкус и горечь, а также муть, от которых впоследствии избавиться не всегда удается. Поэтому не следует держать молодое вино на осадке дольше 2 недель. В особенности это важно для малокислых легких столовых вин, которые портятся быстрее, чем более крепкие и кислые вина. Для удаления из вина этого осадка и производят переливку вина.
Для этого дня за 2–3 до переливки посуду с вином устанавливают повыше, например, на столе, табуретке, скамье и т. п. К переливке приступают лишь тогда, когда вино после этой перестановки совершенно успокоится. Для переливания вина нужно приобрести 1–1,5 метра резиновой трубки толщиною в палец (рис). Затем, сняв с посуды бродильный шпунт и пробку, опускают в вино один конец трубки так, чтобы он не коснулся осадка. Другой конец опускают в ведро, миску, иную посуду или вставляют в горло другой бутыли (рис). Подсасывают вино через трубку и переливают его так, чтобы слитого вина было чуть меньше, чем перебродившего.
Для того, чтобы вино лучше проветрилось, следует сливать его из трубки тонкой, возможно более длинной струйкой (для этого- то посуду с вином и нужно поставить повыше) или даже слегка разбрызгивая. Осадок, оставшийся в посуде после переливания, содержит в себе довольно значительное количество вина. Чтобы его использовать и очистить от мути, весь осадок взбалтывают и выливают в мешок, сшитый из фланели или из толстого салфеточного холста и укрепленный на козелках или между ножками перевернутой табуретки (рис).
При этом вино будет процеживаться и стекать в подставленную внизу миску довольно чистым и прозрачным.
Это процеженное вино присоединяют к вину, перелитому с помощью трубки. Пока вино процеживается с осадка, нужно подготовить новую посуду для перелитого вина. Если нет посуды меньшей по размерам, то перелитое вино помещают в прежнюю, конечно, тщательно ее отмыв от пены на стенках и остатков осадка, несколько раз выполоскав и окурив серой.
Но лучше и безопаснее, в особенности, если готовится вино слабое столовое, во избежание порчи, слить его в посуду меньшего размера. Дело в том, что, как мы уже сказали, при постановке сусла для брожения посуда заполняется не полностью, а лишь на 4/5 — 6/7 объема, кроме того, на осадок уходит часть вина. Таким образом, после переливки его оказывается меньше и занимает оно в прежней посуде уже около 3/5 — 5/7 ее объема. Следовательно, увеличивается площадь свободного соприкосновения вина с воздухом и возрастает опасность заболевания вина уксусным брожением, цветением и др. болезнями. Поэтому лучше перелитое вино поместить в посуду меньшего размера, наполнив ее доверху, до самого горла и даже до пробки, чтобы уменьшить опасность соприкосновения с воздухом. Крепкие вина заболевают реже, поэтому и их можно вливать и в прежнюю посуду.
Если винодел имеет несколько сосудов с вином одного сорта то, конечно, он может соединить перелитое из нескольких посудин вино, которое следует слить в отдельную небольшую емкость и сберегать про запас для доливки усыхающего вина в других больших посудинах.
Наполненную вином бутыль или бочку закупоривают опять пробкой с бродильным шпунтом и переносят в более прохладное место для вторичного, тихого, брожения.
ТИХОЕ БРОЖЕНИЕ И УХОД ЗА НИМ
Перелитое вино еще не совсем прозрачно. Оно содержит еще часть дрожжей и небольшое количество сахара, не разложившегося во время бурного брожения. Кроме того, от соприкосновения с воздухом во время переливки из вина начинают выпадать до тех пор растворенные в нем белковые вещества, которые следует удалить, иначе вино впоследствии может замутиться и будет непрочным. Все это и происходит во время тихого брожения, называемого также дображиванием вина. Оно продолжается 3–4 месяца и оканчивается обычно к весне следующего года. Внешне тихое брожение проявляется лишь тем, что в первое время, 1–2 месяца, изредка выделяются пузырьки углекислого газа, по одному в 5—10 и более минут. Постепенно выделение газа все более и более уменьшается и, наконец, прекращается вовсе. В то же время на дне посуды оседает тонкий коричневый слой порошкообразного осадка, вино становится все более прозрачным, грубый вкус его заменяется приятным, в нем начинает развиваться букет.
Уход за вином во время этого дображивания состоит, главным образом, в наблюдении за температурой и в частых переливках вина.
Температура в помещении, в котором поставлено вино для такого брожения, должна быть ровной, без резких колебаний и держаться всего около 10–12 °C. Поэтому при промышленном виноделии для дображивания вина устраивают особые дорогостоящие подземные подвалы, заботясь, главным образом, о том, чтобы в них всегда была ровная температура. При домашнем же виноделии, конечно, не приходится быть слишком требовательным в этом отношении и довольствоваться тем, что имеется в хозяйстве. Так, например, можно поставить вино для дображивания в неотапливаемую комнату, в сухое подполье, в сухой подвал или погреб, если в них не слишком холодно и нет опасности, что вино замерзнет. В очень холодном (но не в промерзающем) подполье вино сохранится хорошо, только дображивание его будет продолжаться дольше, чем это было бы, если бы температура была указанных норм. Так как в большинство случаев в домашних условиях ощущается недостаток в соответствующем помещении, поэтому выгоднее изготовлять вина более крепкие или сладкие, которые более прочны и выносливы к недостатку температуры. Конечно, в помещении, где дображивает вино, воздух должен быть чистый, и не должны храниться кислая капуста или другие сильно или неприятно пахнущие продукты, т. к. вино приобретает их запах и портится.
Переливки вина во время дображивания производятся для очистки вина от оседающего на дне посуды осадка, который мог бы придать вину горечь, и для проветривания вина. Последнее очень важно, ибо ускоряет выпадение растворенных в вине веществ, способных впоследствии замутить его. Поэтому, чем чаще вино переливают и проветривают, тем более оно очищается и становится прозрачным. Если вино готовится в деревянной посуде (бочках), то всегда в ней находится в легком соприкосновении с воздухом, проходящем через поры дерева. Поэтому проветривать его приходится реже — примерно через 2 месяца. Если же вино готовится в посуде стеклянной, то переливки и проветривание следует производить — через 1 месяц и даже чаще. Чем больше будет сделано переливок, тем полнее вызреет вино и выпадет из него осадок. Переливки в этом случае производятся таким же способом, как это описано в предыдущей главе, Причем стараются, чтобы вино лилось тонкой, длинной, сильно разбрызгивающей струйкой для лучшего проветривания его, слитое при переливках вино вливается в чисто вымытую посуду, по возможности до самой пробки.
Если готовится десертное или ликерное вино, то по окончании тихого брожения производят его подслащивание.
ПОДСЛАЩИВАНИЕ ДЕСЕРТНЫХ И ЛИКЕРНЫХ ВИН
Когда вино совершенно добродило и стало совсем прозрачным, можно приступить к подслащиванию его для превращения в сладкое десертное или ликерное.
Подслащивание производится очень просто: отвешивают то количество сахара, которое необходимо, кладут его в холщовый мешочек и подвешивают в верхней части вина, налитого в кадушку, большой горшок или в иной сосуд, и держат до тех пор, пока сахар не растворится. После этого подслащивания молодое вино становится уже настолько прочным, что не боится никаких вредителей и не может заболеть от них. Если приготовлено десертное вино с 12,25 вес.% спирта и 15 вес.% сахара, то его способность сохраняться равна 12,25 х 6 + 15 = 88,5 сахарным единицам, в то время как уже при 78 единицах вино хорошо предохраняется от порчи. Еще прочнее будет ликерное вино, содержащее при 13 % спирта 40 % сахара. Его способность сохраняться равна 13 х 6 + 40 = 118 сахарным единицам, т. е. много более того, что необходимо для прочности вина.
Но подслащенное вино пока еще не гармонично, грубовато на вкус и имеет характерные свойства молодого вина. Поэтому с целью округления и улучшения букета его следует подвергнуть выдержке, во время которой прибавленный сахар постепенно изменится по вкусу, превратясь из свекловичного в так называемый инвертированный (или превращенный). Затем уже вино можно признать вполне созревшим.
СОЗРЕВАНИЕ И ВЫДЕРЖКА ВИНА
Вина столовые и крепкие считаются вполне созревшими, когда в них совершенно закончилось тихое брожение, прекратилось выпадение белковых веществ и осадка, а сам напиток стал совершенно прозрачным или сохранил муть, которая не оседает. Такое вино уже совсем выбродило и пригодно, если оно прозрачно, для розлива в бутылки; если оно мутновато, то его нужно подготовить к розливу так, как это описано в следующей главе. Вино может быть на глаз совершенно прозрачным, но это не означает, что оно вполне созрело. Если разлить такое вино в бутылки, то в нем может опять начаться брожение. Чтобы узнать, созрело вино вполне и окончилось ли в нем брожение, применяют в домашнем виноделии следующий простой способ. Наполняют вином 1–2 бутылки из белого стекла, закупоривают их ватными пробками и ставят в теплой комнате дней на 10. Если по прошествии этого времени вино останется таким же, каким оно было при розливе в бутылки, т. е. прозрачным, без всякой мути или мутноватым, но без усилившейся мути, это значит, что брожение вполне закончилось и вино вполне созрело. В противном случае оно должно еще дображивать.
Созревшее молодое вино все еще имеет грубоватый вкус и сильный запах того фрукта, из которого оно приготовлено. Для того, чтобы улучшить вино, сделать вкус тоньше, деликатнее, а запах фруктов превратить в букет, его следует подвергнуть выдержке.
Выдержка производится в той же посуде, в которой вино дображивало, но налитой до самой пробки и закупоренное наглухо деревянными или корковыми пробками. Посуду с вином следует держать в том же подвале, где оно дображивало, при температуре 10–12 °C и заботиться о том, чтобы не было резких ее колебаний. Выдержка вина продолжается 2–3 и более года Постепенно ароматические вещества сильно изменяются и превращаются в различные эфиры и другие вещества, образующие то, что называется букетом вина. Чем дольше выдерживается вино, тем тоньше и лучше получается его букет и более дорогим становится вино. При этом количество спирта постепенно уменьшается. Происходит это потому, что спирт превращается в различные эфиры, поэтому старое, выдержанное долгое время, вино опьяняет гораздо сильнее, чем вино невыдержанное.
Во время выдержки вино постепенно усыхает, если хранится в деревянной посуде. Ежегодно на усушку теряется от 2 до 4,5 % вина, в зависимости от размера посуды. А так как важно, чтобы вино не соприкасалось с воздухом, приходится взамен усыхающего всегда подливать другое, такого же качества или даже лучше, но не хуже и не моложе. В этом и заключается неудобство выдержки вина в бочках. Поэтому в домашних условиях обычно вино разливают в бутылки и в них уже выдерживают желаемое время. Для этого очень полезно бутылки с вином зарыть в сухую песчаную почву, не заливаемую ни весенними, ни подпочвенными водами. Во время такой выдержки в земле сохраняется одинаковая температура и вино получается удивительно высоких качеств. Ягодные вина, сохраненные в земле 20–25 лет, по своим качествам не уступают самым дорогим старым виноградным винам.
Конечно, выдержку вина желательно производить, но это вовсе не обязательно, если не особенно хотеть получить лучшего вкуса и качества напиток. Однако десертные и ликерные вина все же лучше всегда выдерживать, хотя бы 6 месяцев, после их подслащивания.
Выдержку подслащенных десертных и ликерных вин лучше производить не в подвале, а в комнате (например, в кладовой) с более высокой температурой. Замечено, что при выдержке таких вин в тепле (20 °C и более) превращение сахара и образование букета значительно ускоряются. Таким образом, подслащенное весною вино выдерживают в комнате все лето и к осени оно уже вполне готово для розлива в бутылки. Вкус его достаточно тонкий. Если затем разлить его в бутылки и подвергнуть выдержке, то с каждым годом качество такого вина будет вес улучшаться. Перед розливом в бутылки всякое вино следует соответствующим образом подготовить.
ОБРАБОТКА ВИНА
Одним из важных показателей качества вина является его прозрачность. Некоторые вина сами становятся прозрачными по окончании брожения (черная смородина), другие же плохо самоосветляются (слива, груша, морошка) и требуют дополнительной обработки — фильтрования и осветления. Перед розливом в бутылки вино следует очистить от мути, которая бывает иногда почти незаметной на глаз, поэтому каждое выбродившее вино нужно профильтровать. В домашних условиях лучше всего фильтровать через матерчатый фильтр — конусообразный мешок, сшитый из куска белой фланели (мохнатой стороной наружу) или холста, плотной бязи или бумазеи. Мешок подвешивают к концам ножек опрокинутой табуретки и подставляют под него посуду (эмалированную кастрюлю). Первые порции фильтрованного вина еще мутные, поэтому очистку повторяют до тех пор, пока через фильтр не начнет вытекать совершенно прозрачный напиток. Доливать новые порции вина в фильтр нужно часто, не допуская большого оголения мешка. Долив производят осторожно, чтобы не нарушить слой осадка на фильтре, в противном случае снова пойдет мутное вино.
Если в вине сеть тонкая муть, которая проходит через поры мешка, то его надо пропустить через фильтрованный слой асбеста. Для этого в эмалированное ведро или кастрюлю наливают такое же количество вина, которого хватило бы для заполнения фильтровального мешка, затем всыпают туда горсть асбеста, размешивают и выливают смесь в мешок. Прошедшее через фильтр еще мутноватое вино выливают обратно в мешок. Так повторяют до тех пор, пока внутри мешка не образуется плотный слой асбеста и вино не начнет вытекать из фильтра совершенно чистым и прозрачным. Новые порции вина следует приливать в фильтр очень осторожно, чтобы не нарушить фильтровальный слой асбеста. Лучше всего приливать сифоном через резиновую трубку, конец которой должен быть опущен ниже уровня вина в мешке. В новые порции доливаемого вина нужно добавлять по щепотке асбеста. Таким фильтрованием удается добиться полной прозрачности вина.
Иногда вино, несмотря на то, что вполне созрело, вес же остается мутным. В таком случае необходимо произвести осветление (склеивание) его. Некоторые фруктово-ягодные вина, например клюквенное, брусничное, смородиновое и вишневое, не требуют оклейки и осветляются сами. Осветление осуществляется различными веществами, вызывающими оседание мути на дно посуды. Для этого используют желатин, танин, рыбий клей, яичный белок, казеин, уголь, бентонит, а также вино, содержащее много дубильных веществ. В домашнем виноделии для белых вин чаще применяют желатин, танин, а для красных — белок куриного яйца.
При добавлении одного из вышеперечисленных веществ в надлежащем количестве в вине образуются хлопья, которые медленно, в течение нескольких дней, оседают на дно посуды и увлекают за собой частицы мути. Чтобы точнее определить, какое вещество и в каком количестве лучше применить для осветления имеющегося вина, делают несколько пробных осветлений малых количеств его. Если добавлено недостаточное количество осветителя, то образования хлопьев не происходит. При избытке осветлителя вино иногда совсем не осветляется, и даже наоборот, становится еще более мутным.
Осветление желатином
Оклейка желатином — одно из лучших средств осветления вина, содержащего с трудом устраняемую фильтрацией муть и дубильные вещества. К таковым относятся грушевые и яблочные.
На 10 л вина отвешивают 1–1,5 г желатина, опускают его в стакан с холодной водой и замачивают в течение суток, сменяя воду 2–3 раза. Затем набухший желатин растворяют в стакане теплой воды или подогретого вина. Раствор желатина разбавляют 3–4 раза вином, выливают в бутыль, хорошо размешивают и оставляют в покое на 10–15 суток, пока вся муть не осядет на дно. Осветлившееся вино снимают с осадка осторожно, так как он может разложиться, а вино опять помутнеть.
Бывают вина (черешня, вишня, клубника, некоторые яблочные), в которых недостаточно дубильных веществ, и при внесении желатина хлопья не образуются или образуются слабо. В такие вина необходимо за 2–3 дня до оклейки добавить танин в количестве 0,3–0,5 г на 10 л вина.
Осветление танином
Вина, в которых мало кислоты или нет терпкости, можно осветлять танином. Для этого 10 г чистого танина растворяют в 10 л дистиллированной воды. Дают раствору отстояться, затем фильтруют и хранят до употребления.
Перед осветлением всего вина необходимо сделать пробу. Для этого берут четыре детские молочные бутылочки с делениями, пронумеровывают их, наливают по 150 мл вина, которое собираются осветлять, и добавляют по чайной ложке раствор танина в каждую бутылочку. Количество ложек должно соответствовать номеру бутылочки: в первую — 1 ложку, во вторую — 2 и т. д. Бутылочки встряхивают, чтобы танин хорошо размешался, потом доливают вином до метки 200 мл, размешивают и оставляют возле бутыли с вином. По истечении 6–8 суток осматривают их и определяют при какой дозе получился наибольший эффект. Пользуясь пробным показателем, отмеривают нужное количество раствора танина на все количество вина, подлежащего осветлению. Отмеренное количество раствора вливают в бутыль (бочонок), хорошо размешивают и оставляют в покое на 8-12 дней, до полного осветления.
Осветление яичным белком
Яичный белок, соединяясь с дубильными и другими веществами вина, осветляет его подобно желатину. Для осветления 50 л вина берут 1–2 (в зависимости от величины) свежих яйца и тщательно отделяют белок от желтка. Белок взбивают в пену с добавлением в несколько приемов полстакана кипяченой холодной воды. Размешивают пену с небольшим количеством вина, затем вливают тонкой струйкой в посуду с осветляемым напитком и все хорошо перемешивают. Вино оставляют в покое на 10–15 дней. Затем быстро снимают с осадка, так как белковый осадок легко разлагается.
Вино, осветленное одним из вышеописанных способов и снятое с осадка сифоном в чисто вымытый сухой сосуд, кажется, на глаз, совершенно прозрачным, однако в действительности в нем находятся еще многочисленные взмученные частицы, которые затем оседают в бутылке и образуют налет на стенках. Поэтому после осветления вину необходимо постоять еще 3–4 недели до розлива в бутылки. Для ускорения процесса вино можно отфильтровать через фланель с прибавкой асбеста, как было описано выше.
Осветление казеином
С этой целью на каждый литр вина добавляют чайную ложку коровьего молока, лучше обезжиренного, тщательно перемешивают и оставляют на несколько дней. Затем фильтруют и снимают с осадка.
Обработка теплом
Один из эффективных способов осветления вина. Для этой цели используют герметичные сосуды — чтобы не испарялся спирт. Готовое вино разливают по бутылкам, закупоривают, закрепляя пробки проволокой. Затем ставят бутылки на подставку в кастрюлю с холодной водой, налитой до уровня вина, медленно нагревают до температуры 45–50 °C и оставляют в воде до полного охлаждения. Обработка теплом, помимо всего прочего, улучшает вкусовые качества вина.
Обработка холодом
Эффективный способ осветления вина. Понижение температуры до -2 °C для столовых вин и до -5 °C для некрепленых вызывает выпадение в осадок коллоидов, которые адсорбируют взвешенную муть, осветляя напиток. Вино следует охлаждать быстро и также быстро фильтровать при той же температуре через фланелевый мешочек.
ИССЛЕДОВАНИЕ ГОТОВОГО ВИНА
Каждому виноделу, приготавливающему дома даже небольшое количество вина по рецепту или по своему вкусу, хочется знать результат своего труда, т. е. выявить достоинства и недостатки напитка.
Недостатки эти могут возникнуть в первую очередь по причине неправильного приготовления или дефектного сырья. К ним относятся завышенное либо заниженное содержание кислот, сахара и спирта. Причем определить сахаристость и кислотность вина можно теми же способами, которые были описаны ранее.
Недостатки вина по кислотности или сахаристости исправляют прежде всего купажированием — смешиванием. Однако к смешиванию вин необходимо прибегать только в тех случаях, если оно улучшает качество напитка. Купажированием пользуются, прежде всего, смешивая кислые вина с некислыми. В этом случае их следует подбирать в таком сочетании, чтобы они соответствовали вкусовым качествам приготовляемого типа. Для этого делают сначала пробное купажирование в небольших количествах и находят то соотношение, которое является лучшим, не забывая, однако, о том, что вкус и аромат основного плода в вине должен сохраняться. Поэтому для исправления недостатка можно добавлять другое вино в количестве, не превышающем 20 %.
При смешивании вин может произойти помутнение, поэтому при пробном купаже проверяют, устойчива ли смесь к помутнению. Для этого пробу выдерживают несколько дней.
Недостаток кислоты можно устранить простым добавлением в вино лимонной или молочной кислоты. Ощущение в вине кислоты на вкус не всегда соответствует действительности, так как на это влияет количество сахара и спирта, т. е. в сладких крепких винах кислота меньше чувствуется. При купажировании это необходимо учитывать.
Недостаток сахара легко устраняют путем добавления соответствующего количества сахара, растворенного в небольшой порции теплого вина.
После купажа следует выдержать вино некоторое время до розлива в бутылки.
Содержание спирта характеризует тип и стабильность вина и выражается в объемных процентах. Объемные проценты показывают, сколько миллилитров чистого спирта содержится в 100 мл вина. Это же выражают и градусы крепости.
Домашнему виноделу можно рекомендовать следующий простой способ определения спирта в вине. На чашку весов ставят сухую градуированную на 200 мл детскую молочную бутылочку и взвешивают. Наливают в нее 200 мл воды комнатной температуры (20 °C) и снова взвешивают. Записывают точный вес. После этого взвешенную воду выливают, дают остаткам ее стечь, наливают 200 мл вина (температура его должна быть тоже 20 °C) и взвешивают. Полученный вес вина делят на вес воды и получают удельный вес вина. Затем подготавливают вино, лишенное спирта. Для этого отмеривают в ту же бутылочку 200 мл вина и кипятят его около 30 минут, охлаждают, выливают в ту же бутылочку и доводят до метки водой. Лишенное спирта вино взвешивают. Вес вина без спирта делят на вес воды и получают удельный вес вина, лишенного спирта. Из удельного веса вина без спирта вычитают удельный вес вина со спиртом, разность вычитают из единицы (удельного веса воды) и получают число, указывающее удельный вес смеси воды со спиртом, взятой в том же количестве, что и исследуемое вино. Полученное число находят в табл., там же — какому содержанию спирта оно соответствует.
Предположим, что стакан воды весит 250 г, вина — 24 9 г, а вино после удаления спирта — 254 г. Удельный вес вина равен 249 / 250 = 0,996, а удельный вес вина без спирта — 254 / 250 = 1,016. Теперь вычитают из второго удельного веса первый 1,016—0,996= 0,020. Эту разность вычитают из единицы 1–0,020=0,980. По табл. в графе «Удельный вес смеси спирта с водой при 15 °C» находят число 0,980, которому соответствует 12,81 г спирта в 100 мл, т. е. весовой процент, а объемный процент спирта в следующей графе соответствует 16,14 мл, или 16,14 °C крепости.
Низкое содержание спирта в вине бывает при наличии остаточного сахара от преждевременного прекращения брожения вина. В таком случае в него снова вносят разводку дрожжей и дают забродить.
Если же содержание спирта в вине невелико и весь сахар сброжен, значит, его в сусле было меньше, чем требовалось. В такое вино добавляют сахар из расчета 170 г на 10 л вина для наброда 1 % об. спирта и возобновляют брожение, добавив разведку дрожжей.
РОЗЛИВ И ХРАНЕНИЕ ВИНА В БУТЫЛЯХ
Бутылки перед наполнением их вином надо особенно тщательно вымыть горячей водой и питьевой содой, а затем несколько раз ополоснуть, чтобы устранить какой-либо запах.
Наполнение бутылок при домашнем виноделии производят просто — вино вливают в каждую бутылку с помощью стеклянной воронки. Бутылки должны быть наполнены так, чтобы между вином и пробкой оставалось пространство в 1–2 пальца (т. е. 1–2 см).
Наполненные бутылки должны быть закупорены совершенно новыми, не бывшими в употреблении пробками. Ни в коем случае не следует употреблять для этого старые, подержанные пробки, так как они могут в короткое время испортить хорошее вино. Для кратковременного хранения вина можно использовать более дешевые пробки, употребляемые для закупорки бутылок с пивом. Но для более долговременного хранения и выдержки вина в бутылках следует приобретать более длинные винные пробки.
Перед закупоркой пробки следует распарить в кипятке до размягченного состояния и затем вогнать в бутылку с помощью купора[44].
После закупорки поверхность пробки и горло бутылки нужно насухо обтереть тряпкой и затем залить закупорку расплавленным сургучом, парафином или воском для того, чтобы через отверстия пробки вино не испарялось[45].
На каждую бутылку вина, в особенности сохраняемого на долгий срок, следует наклеить ярлык с указанием сорта, времени изготовления и розлива в бутылки, чтобы впоследствии легче было находить желаемый сорт.
Разлитое в бутылки вино до употребления следует сохранять в сухом прохладном подвале или подполье с температурой 6–8 °C (для красных вин). Не повредит сохраняемому вину и более низкая температура, лишь бы оно не промерзло. Более высокая температура, в особенности для легких столовых вин, довольно опасна, ибо вино может забродить и испортиться. Вина крепкие, десертные и ликерные можно сохранять и в более теплом помещении.
Хранить бутылки с вином всегда необходимо в лежачем положении, чтобы пробки смачивались с внутренней стороны. Только при этом условии они остаются вполне упругими и плотно закупориваютбутылки. При хранении же вина в бутылках в стоячем положении пробки быстро пересыхают, съеживаются и укупорка становится неплотной.
Температура в подвале имеет особенно важное значение для образования в вине букета. В случае если нет в хозяйстве подвала или иного помещения с соответствующей температурой, или она там не всегда одинаковая, то для выдержки и долговременного хранения вина выкапывают яму глубиною в 1–1,5 метра и достаточных размеров, чтобы поместить все бутылки. Выбирают сухое место, которое не заливается вешними или почвенными водами.
БОЛЕЗНИ И ПОРОКИ ВИНА
При приготовлении фруктово-ягодных вин, особенно в домашних условиях, возможны случайности и промахи, которые могут вызвать болезни вина и даже порчу или же привести к нежелательным изменениям вида и вкуса. Заболевания вина (цветение, ожирение, уксусное скисание, яблочно-молочнокислое брожение) связаны с деятельностью различных вредных микроорганизмов, которые могут попасть в сусло вместе с дикими дрожжами. Излечить вино в этом случае очень трудно, а порой даже невозможно. Пороки же вина, вызванные неправильной работой или небрежностью винодела, обычно легко исправимы. К ним относятся: помутнение, побурение, почернение, запах и вкус тухлых яиц, плесневый вкус, горький вкус ит. п.
Помутнение часто наблюдается у вин с малым содержанием дубильных веществ (из груш, слив). Но бывает, что и прозрачное вино начинает мутнеть. Это может произойти из-за более высокой температуры хранения (20–25 °C), при которой дрожжи, оставшиеся в вине, опять начинают работать. Такое помутнение наблюдается у легких столовых вин или у вин, не вполне выбродивших и еще сладковатых. В первом случае вино проветривают и снимают с осадка. Если желаемый эффект не достигнут, то вино подвергают осветлению и профильтровывают. Во втором случае необходимо дать вину добродить окончательно, тогда оно само осветлится.
Побурение вина происходит при доступе воздуха в период тихого брожения (дображивания). Буреет вино постепенно, начиная с поверхности, с последующим образованием мути. Этот порок может пройти и сам по себе вся муть осядет на дно в виде желто-бурого порошкообразного осадка. Исправление порока можно ускорить путем переливания вина в чистую посуду фильтрованием. Но лучше к вину добавить немного сахара, поставить в теплое темное место и вызвать вторичное брожение.
Почернение вина может произойти в том случае, когда сок или вино соприкасается с железом. Дубильные вещества сока в этом случае образуют темноокрашенные таннаты железа, которые при низком содержании свободных кислот выделяются в виде черной мути и окрашивают вино в темный цвет. Это почернение особенно нежелательно для белых вин (грушевое и яблочное). Со временем таннаты железа постепенно осаждаются на дно и вино отчасти исправляется. Для ускорения этого процесса его проветривают, добавляют 0,5 г танина и 10 л вина, размешивают, снова проветривают и осветляют. Через 2–3 недели вино очищается, и его снимают с осадка.
Запах и вкус тухлых яиц появляется в вине, если посуду подвергали сильному окуриванию серой, если вино долгое время не было снято с осадка после бурного брожения, а мертвые дрожжи разложились. При этом образуются не только сероводород, но и другие соединения серы с неприятным запахом.
Разложение дрожжей особенно легко возникает в винах, содержащих мало спирта и кислоты. Наконец, этот запах может возникнуть при самопроизвольном заражении сусла дикими дрожжами, которые способны вырабатывать, кроме спирта, и сероводород. Этот порок вина в случае, если запах незначительный, проходит сам собой, но его можно устранить проветриванием и перемешиванием.
Запах плесени в вине появляется вследствие использования заплесневелой посуды или плесневелых плодов. Этот порок трудно устранить. При слабом запахе и вкусе плесени вино несколько раз проветривают, переливают сифоном и добавляют водку. Оклейка вина может ускорить исправление этого порока. Более надежно — обработать вино древесным углем. Для этого древесный (березовый) уголь (50 г на 10 л вина) дробят на кусочки величиной с лесной орех и вносят в вино, размешивают ежедневно (несколько дней подряд). Затем профильтровывают. Но уголь извлекает из вина и другие ценные вкусовые и ароматические вещества, так что восстановить качество такого вина практически невозможно.
Болезни вина трудно излечимы и более опасны, чем пороки. Они вызываются исключительно деятельностью болезнетворных микроорганизмов. Рассмотрим наиболее распространенные болезни вина.
Цветение вина вызывают попавшие в него пленчатые дрожжи, которые, размножившись, образуют на поверхности прозрачную пленку, похожую на плесень. Пленчатые дрожжи в присутствии кислорода воздуха разлагают спирт на углекислый газ и воду. Вино становится все слабее, даже теряет аромат. Этой болезнью заболевают чаще всего молодые легкие столовые вина, особенно яблочные и грушевые. Иногда образуются пахучие вещества, не свойственные вину. Крепкие и сладкие вина заболевают цветением очень редко.
Если на поверхности вина образовалась пленка цвели, вино переливают в чистую посуду сифоном, стараясь при этом не разорвать и не затронуть пленку, добавляют водку и не оставляют большого воздушного пространства в сосуде над вином. В дальнейшем следят за тем, чтобы сосуд был полностью заполнен и по мере надобности доливают. Такое вино можно исправить и другим способом. Больное вино осторожно переливают сифоном в чистые сухие бутылки, ставят в водяную баню, нагревают до 60 °C и выдерживают при этой температуре 15–20 минут с последующим охлаждением.
Ожирение вина. Вино начинает мутнеть, становится слизистым и при переливании тянется, как масло. В этом случае на 10 л ожирелого вина прибавляют 1–1,5 г танина, затем тщательно перемешивают и проветривают его. Через несколько дней вино оклеивают и дают отстояться, а затем снимают с осадка.
Уксуснокислое скисание вина вызывают уксуснокислые бактерии, которые размножаются в присутствии кислорода воздуха и окисляют спирт в уксусную кислоту. Уксуснокислое брожение может появиться в самом начале спиртового брожения. По мере образования спирта из сахара уксуснокислые бактерии успевают переработать его в уксусную кислоту (только при доступе к вину воздуха).
Малоградусные плодово-ягодные вина (из малины, черники, земляники и ежевики) склонны к уксуснокислому скисанию, особенно при температуре 25 °C и выше. Наличие в бродящем вине даже небольшого количества уксусной кислоты отрицательно сказывается на жизнедеятельности винных дрожжей и задерживает их развитие. При этом на поверхности образуется светлая, прозрачная пленка, как при цветении. Напиток становится неприятного острокислого вкуса и теряет свою крепость.
Если уксуснокислое скисание замечено в начале брожения, то вино подвергают пастеризации и после добавки (вторично) разводки дрожжей продолжают брожение. Если же уксусной кислоты накопилось много, то устранить ее из вина невозможно. Для предупреждения уксуснокислого брожения необходимо строго соблюдать санитарные требования к сырью и условиям его переработки. Не допускать замедления в начале брожения сусла.
Яблочно-молочнокислое брожение вина происходит вследствие попадания молочнокислых бактерий, которые разлагают яблочную кислоту с образованием молочной и углекислого газа. Для предупреждения всех видов заболевания необходимо следить, чтобы к вину не было доступа воздуха, особенно после спада бурного брожения.
При брожении сусла, кроме спирта, образуется и углекислый газ, избыток которого выходит через бродильный шпунт. Часть углекислоты остается растворенной в вине. Присутствие углекислоты в вине имеет важное значение. Даже небольшое количество ее (0,5–1,0 г/л) придает вину приятную свежесть, что особенно заметно в молодых винах. По количеству образующихся на внутренней поверхности пузырьков можно установить возраст вина: чем больше пузырьков, тем моложе вино.
Вино из винограда
СЫРЬЁ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВИНОГРАДНЫХ ВИН
Качество виноградного вина зависит в основном от сортов перерабатываемого винограда, климата данной местности, агротехники и времени сбора.
Большинство сортов винограда пригодно для изготовления из них вина, но лучше готовить вино из винных сортов, имеющих сочную мякоть и накапливающих большое количество сахара.
СБОР ВИНОГРАДА ДЛЯ ВИНОДЕЛИЯ
Время сбора имеет важное значение в виноделии. Плоды необходимо собирать в то время, когда они достигли возможно полной зрелости, т. е. когда их сок содержит большое количество сахара при наименьшем количестве кислоты. В более северных местностях винодельческого района, где плоды менее богаты сахаром, для прочности получаемого из них вина важно, чтобы оно содержало больше спирта, образующегося из сахара. В более южных местностях, наоборот, для приготовления обыкновенных, легких столовых вин вынуждены собирать виноград не совсем зрелым, так как при полной зрелости здесь он содержит много сахара и даст слишком крепкие столовые вина.
Лучшие кондиции винограда для изготовления вина приведены в таблице.
Тип вина ∙ Сахаристость, % ∙ Кислотность, %
Столовое белое ∙ 16–18 ∙ 7-9
Столовое красное ∙ 17–19 ∙ 7-8
Десертное ∙ 21–22 и выше ∙ 6-7
Полусладкое ∙ 22–23 и выше ∙ 7-8
При определении времени сбора винограда для виноделия прибегают к периодическим исследованиям плодов на сахар и кислоту. Определяют содержание их в созревающем винограде через известные промежутки времени (например, через день) и, когда количество первого перестает возрастать, а количество второй уменьшается или будет близким к среднему содержанию кислот в сусле (0,5–0,8 %), приступают к сбору урожая. Содержание сахара определяется при помощи ареометров-сахарометров.
Выжатый из пробных гроздей сок (сусло) вливают в узкий, высокий цилиндр и погружают сахарометр; совпадающее с поверхностью жидкости деление последнего показывает сколько % сахара содержится в сусле. Если температура сока ниже или выше 20 °C, приходится вносить в показание поправку (приблизительно 0,1 % на каждый градус разницы от 20), и, если температура выше, поправка прибавляется, если ниже — снимается с показания сахарометра.
Для определения кислотности сусла пользуются свойством кислот и кислых солей при прибавке к ним щелочей образовывать средние соли. При этом для образования соли из известного количества кислоты требуется определенное количество щелочи. По нему можно судить о количестве кислоты в определенном объеме испытуемой жидкости. Зная, что на 75 частей винной кислоты нужно 56 частей едкого кали (щелочи), чтобы образовать среднюю соль винной кислоты, и употребив, например, одну часть кали, будем знать, что она соответствует:
75/56 = 1,304 кислоты.
Едкое кали растворяют в дистиллированной воде так, чтобы в литре её содержалось 5,6 граммов; такое количество может перевести в среднюю соль 7,5 граммов винной кислоты. Этот раствор наливают в бюретку до верхнего деления её, обозначенного нулем. От нулевой точки вниз идут деления, соответствующие 0,001 литров (куб. см). Открывая кран или зажим бюретки, жидкость по каплям приливают в известный, отмеренный предварительно объём испытуемого сусла и по количеству прилитого раствора кали вычисляют, сколько кислоты в сусле. Чтобы знать, когда прекратить приливание раствора щелочи из бюретки, пользуются лакмусовой бумажкой. Если в данной жидкости кислоты и щелочи ровно столько, сколько нужно для образования средней соли, т. е. нет избытка ни кислоты, ни щелочи, прибавленный туда настой лакмуса приобретает фиолетовый цвет. Допустим, что к определенному объему сусла — 10 куб. см, — подкрашенному лакмусом в красный цвет, прибавили из бюретки вышеуказанного раствора щелочи, пока жидкость не приобрела фиолетовый цвет, 7 куб. см; зная, что 1000 куб. см раствора щелочи соответствуют 7,5 граммам винной кислоты, легко вычислить, сколько кислоты соответствует 7 куб. см. щелочи, по следующей пропорции:
1000: 7,5 = 7: X
X = (7 х 7,5)/1000 = 0,0525
т. е. в 10 куб. см, взятого сусла содержится 0,0525 граммов кислоты, или в 100 = 0,525 граммов кислоты. Если исследуемое сусло сильно окрашено в красный цвет, вместо прибавки к нему при исследовании на кислоту настоя лакмуса пользуются бумажками, окрашенными лакмусом же в синий цвет; причем после каждой прибавки из бюретки щелочи пробуют жидкость (испытуемую) такой бумажкой, пока она перестанет окрашиваться жидкостью в красный цвет.
Если нет возможности провести анализ винограда для определения количества сахара и кислоты, то можно руководствоваться пробой на вкус. Для приготовления столовых вин, как белых, так и красных, нужно собирать виноград более кислый по вкусу и менее сахаристый, чем для приготовления вина десертного. Это особенно важно учитывать, используя виноград, выращенный в южных районах России. Он быстро теряет кислотность.
Но в то же время виноград необходимо собирать вполне зрелый, так как из недозрелых ягод получаются вина с неприятным травянистым привкусом. Для приготовления десертных и полусладких вин, наоборот, виноград лучше собирать в перезрелом состоянии, так как он имеет больше сахара. Кроме того, некоторые сорта вин из перезрелого винограда получаются с приятным изюмным тоном.
Для исследования на сахар и кислоту берут средний образчик плодов винограда, снимая кисти с различных мест виноградника и различно расположенных на кустах, например, с северной и южной сторон их, наверху и внизу кустов, так как кисти созревают не одновременно по всему винограднику. Сок выдавливают руками или маленькими прессами и процеживают через полотно. В более южных местностях, где производят десертные вина виноград оставляют на кустах и после достижения им полной зрелости, до полного или частичного завяливания ягод. Для этой цели грозди на кустах даже прикручивают, чем прекращают доступ в них влаги и питательного материала; испарение воды из ягод идёт при таких условиях быстрее, что увеличивает концентрацию сока.
Сбор винограда надо производить только по достижении ягодами полной зрелости. Не следует собирать виноград в дождливую погоду, в туман и слишком рано утром, пока не сошла роса. Вообще от времени сбора, равно как и от времени дня, зависит качество вина. Как замечено, виноград, собранный по возможности рано, до полудня, даст больше аромата. Виноград надо собирать не сразу, а в несколько приёмов, по мере созревания гроздей, т. е. производить выборочный сбор. Он несколько дороже, но даст лучшие результаты и применяется для получения высоких, тонких вин.
При сборе всегда следует производить сортировку плодов, отделяя плохо вызревшие, загнившие или попорченные кисти.
Для срезания винограда используют садовые или обыкновенные ножи или ножницы; кисти складывают в корзины, ведра и т. п. посуду. При получении красных вин следует помнить, что незрелый черный виноград придаст вину кислый и грубый вкус; перезрелый уменьшает количество красящего вещества.
Гнилые ягоды делают красящие вещества нерастворимыми и потому должны быть удалены. Не следует также брать бочки и вообще деревянную посуду, имеющую гнилые клепки. Гребни должны быть удалены почти все, если вино полагается пустить в употребление; если оно должно храниться долго, то гребни отделять не нужно. Это основано на том, что гребни содержат много дубильных веществ, придают молодому вину грубый вкус, но способствуют получению более темного цвета и лучшей сохраняемости продукции.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ СУСЛА
Собранный виноград переносится в винодельню — помещение, в котором производятся первые работы по приготовлению сусла. Для этой цели может быть отведена любая комната или чистый, не очень холодный сарай. Здесь виноград подвергается сортировке, причём отделяются испорченные, подгнившие, заплесневевшие грозди и ягоды. Отсортированный виноград подвергается «затиранию» или раздавливанию ягод, при котором сок освобождается и приходит в соприкосновение с воздухом. Делается это при помощи особых виноградных дробилок[46], в которые виноград поступает через приёмник и проходит между двумя вращающимися, большею частью с рифленой поверхностью, цилиндрическими или коническими вальцами, где ягоды и раздавливаются. Этой работе часто предшествует другая, весьма важная: отделение ягод от гребней. Гребни винограда содержат большое количество терпких, вяжущих веществ, которые при раздавливании ягод и последующей переработке легко переходят в сусло, а затем в вино и придают ему грубость. Отделение гребней в небольших хозяйствах производится на так называемых терках — деревянных кругах с продырявленными в них отверстиями, величиной несколько больше величины ягод. На круги накладываются грозди винограда и протираются руками. Ягоды проваливаются в отверстия, а гребни остаются наверху (рисунок потерян). Пользуются также для отделения ягод решетками, деревянными или металлическими, через которые ягоды протираются особыми щетками или скребками.
При приготовлении белых вин раздавленная масса винограда сейчас же поступает в прессы для возможно полного отделения жидкой части (сусла) от твердой и только для некоторых сортов винограда, заключающих в кожуре ягод ароматические начала (как мускаты, рислинг и др.), для лучшего извлечения последних, мезгу некоторое время настаивают, иногда до начала брожения массы. При приготовлении красных вин жидкая часть отделяется от твердых частей ягод только после окончания брожения всей раздавленной массы винограда, когда все красящие вещества, заключающиеся в кожице ягод, благодаря присутствию алкоголя, образующегося при брожении, и повышенной температуре, перешли в раствор.
При прессовании сусло разделяют по качеству. Стекающее в самом начале, еще до действия пресса (самотек), оно представляет лучшую часть сусла, самую богатую сахаром, затем при первом давлении получают хотя несколько менее сахаристое сусло, но все же высокий продукт; при втором давлении (после перемешивания массы в корзине пресса) получают продукт более грубый и менее сахаристый и т. д. Обыкновенно при выделке столовых вин больше трех давлении не практикуют. Самотек и первое давление соединяют вместе, остальное идет во второй сорт.
Прессование не должно вестись ни слишком медленно, ни слишком быстро: в первом случае мезга может нагреться под прессом, а во втором — получится меньше сока.
После прессования сусло получается мутным от частиц мякоти и кожицы. В нем содержится большое количество слизи и вся пыль, бывшая на поверхности ягод. Все эти вещества при брожении могут оказать влияние на вино и задержать его осветление. Чтобы освободиться от примесей, сусло подвергают в течение 1–3 суток отстаиванию в бочках. Последние перед наполнением закупоривают сжиганием в них серных фитилей (от 10 до 15 серных фитилей на 40-ведёрную бочку), наполняют суслом и закрывают шпунтом. Сернистый газ, образующийся при сгорании фитилей, не дает суслу забродить, приостанавливает развитие различных микроорганизмов, способствующих выделению слизи. Жидкость находится в покое, и все взвешенные частицы легко выделяются и собираются в нижней части бочки. По отстаивании осветленное сусло сливается с осадка в другое бочки, которые не доливают приблизительно на 1/6 — 1/5 ёмкости; в них оставляют сусло бродит. Остатки после отстоя сливают в одну общую бочку, где они отдельно перебраживают.
БРОЖЕНИЕ СУСЛА
После отстаивания сусло разливается для брожения в бочки[47], которые устанавливаются правильными рядами на брусьях (лежнях) в бродильне. В этом помещении должна поддерживаться благоприятная для брожения вина температура — не ниже 12 °C. Очень важно также, чтобы оно проветривалось. Бочки недоливаются суслом на 1/6 — 1/8 емкости во избежание потери вина при подъеме жидкости.
Брожение виноградного вина имеет три периода:
1. Первое и главное — бурное брожение. Оно начинается через несколько часов после помещения сусла в бродильные чаны, продолжительность 3–4 недели.
2. Тихое брожение молодого вина продолжается несколько месяцев, до весны.
3. Послеброжение, подвальное брожение, продолжается до трех лет.
Брожение сусла, т. е. превращение содержащегося в нем сахара в спирт, происходит под влиянием микроскопически малых растительных микроорганизмов — дрожжей, разлагающих сахар на спирт и углекислый газ выделяющийся из жидкости и вызывающий бурление ее. Микроорганизмы эти поступают в сусло с поверхности ягод. Исследования показали, что существуют несколько пород этих дрожжей, обладающих различным внешним видом и отличающихся между собой по силе и быстроте вызываемого ими брожения, а также по тому, до какого предела они способны довести разложение сахара. Есть виды, доводящие брожение только до 5 % спирта, вследствие чего остается сахар, благодаря присутствию которого могут развиться разные болезни вина. Другие виды придают вину неприятный вкус, третьи весьма трудно выделяются из вина, вследствие чего оно остается мутным. Из всех видов дрожжей оказалась только одна раса, обладающая желательными свойствами, способная довести брожение до довольно высокого процента спирта и дать, таким образом, более прочный продукт. Обыкновенно, когда сусло винограда предоставлено само себе, микроорганизмы, попавшие в него с кожицы и из воздуха, найдя здесь удобную для своего развития среду и достаточно питательных веществ, начинают проявлять свою жизнедеятельность и размножаться, между ними очень скоро разгорается борьба за существование, каждый вид старается подавить все другие.
Тот вид, который осилит, продолжает развиваться и дает определенный характер и направление изменениям в сусле, подавляет остальные микроорганизмы. Если более сильной окажется полезная раса дрожжей, способная довести брожение до конца, получится прочное и здоровое вино, и наоборот, если возьмет перевес вид со слабой перебраживающей способностью или болезнетворный грибок, получится продукт больной, негодный. Изложенное показывает, как важно вести брожение при содействии не случайной смеси различных микроорганизмов, а определенной расы их — вида, и поэтому надо способствовать только его развитию. Для этого вводят в подготовленное для брожения сусло некоторое количество чистых дрожжей, находящихся в полном: развитии, чтобы не дать времени развиться другим возбудителям брожения.
Чистые дрожжи известной породы высеваются в небольшое количество сусла (примерно в 0,01 часть ожидаемого сбора), приготовленного за несколько дней, до сбора винограда из отборных и обмытых ягод. Брожение этой порции стараются обставить наиболее благоприятными условиями (в отношении температуры и пр.), чтобы вызвать быстрое размножение чистых дрожжей. Когда брожение этой порции в полном разгаре, вливают закваску в свежеприготовленное сусло, в котором сейчас же начинается брожение и предупреждается развитие микроорганизмов другого рода.
Практика показала, что при сбраживании на чистых дрожжах этот процесс идет гораздо успешнее, скорее заканчивается, и разложение сахара полнее, вследствие чего и качество получаемого вина улучшается. Даже не обращаясь к применению чистой культуры дрожжей, можно с успехом улучшить выделку вина, если прибавить к суслу (затору) закваску из местных дрожжей в полном развитии в чистом виде. Нужно для этого приготовить заранее, при благоприятных условиях закваску из вполне зрелых, чистых гроздей и влить эту бродящую массу в сусло до начала в нем брожения.
Закваска готовится следующим образом. За 7–8 дней до начала сбора винограда, в сухую погоду, собирают самые спелые ягоды. Их отделяют от гребней вручную или на терке, раздавливают и отжимают сок руками через мешочек из редкой ткани (ягоды не моют).
Отжатый сок наливают в бутылку или баллончик на 3/4 объема. Посуду закрывают ватной пробкой и ставят в темное помещение, где температура около 20–24 °C. Если температура сока была ниже 20 °C, его предварительно подогревают в эмалированной посуде. На второй или третий день начинается брожение. Как закваску сок употребляют на шестой день во время бурного брожения. Количество закваски приготовляют в зависимости от количества сусла, предназначенного к сбраживанию. Для приготовления столовых вин требуется 1–2 % закваски, десертных — 2–3 % от поставленного на брожение сусла. Хранить закваску более 8—10 дней нельзя. Оставшуюся закваску необходимо вылить, в дальнейшем ее может заменить осадок хорошо бродящего вина.
В районах средней полосы России закваску для получения виноградного вина готовят из ягод, которые поспевают на 10–12 дней раньше винограда, но лучше использовать осадок бродящего плодово-ягодного вина.
Для правильного хода брожения имеет значение известное постоянство температуры в бродильном помещении. Значительные повышение и понижение температуры сказываются весьма неблагоприятно на ходе брожения. Низкая температура его ослабляет, дрожжи оседают на дно, высокая температура вызывает очень бурное брожение, температура бродящей жидкости слишком повышается, и брожение может приостановиться. Лучшая температура для брожения — 12 °C.
Наблюдение за бродящим суслом должно быть очень внимательно. При бурном брожении отверстие бочек прикрывается чистым виноградным листом, и, если происходит выбрасывание жидкости из бочки, потеки необходимо смывать с бочки и пола, если он асфальтовый или деревянный, а если земляной — снимать слоем земли. Вылившаяся пена очень легко закисает или со слоем загнивает и, если, попав в вино, даст неприятный привкус, развивает уксусное скисание. Как только бурное брожение начнет ослабевать, надо доливать бочку таким же вином, чтобы не оставлять слишком большого пустого пространства. Чем слабее становится брожение, тем полнее доливают бочку. Пока вино бродит и выделяющийся углекислый газ покрывает поверхность вина, оно в безопасности, но с ослаблением брожения воздух получает доступ, и на поверхности молодого вина с особенной быстротой развивается винная плесень, а иногда и уксусное скисание. Вот почему необходимо возможно полнее доливать вино, чтобы, когда брожение приостановится, вино совершенно наполняло бочку. Чтобы не дать доступа воздуху во время окончания брожения и, одновременно, дать выход углекислому газу, бочки закрывают так называемыми бродильными шпунтами. Таковы стеклянные шпунты Костеровых, имеющие внутренний канал, выходное отверстие которого закрывается каучуковым кольцом, обхватывающим шпунт по круговому желобку, и гидравлические шпунты.
Молодое вино вследствие быстрого выделения насыщающего его углекислого газа обнаруживает сильную усушку, потому доливки его следует делать часто.
Когда вино осветлится и дрожжи осядут на дно бочки, производят снимание с дрожжевого осадка. Оставлять вино на этом осадке дольше 2–3 недель не следует, так как мертвые дрожжи начинают разлагаться и сообщают вину неприятный вкус.
При приготовлении вина из винограда, испорченного грибными болезнями, брожение обязательно должно вестись на чистых дрожжах; закваска, приготовленная из них, должна быть внесена в сусло, сильно закупоренное предварительно се рой, в котором таким: образом убиты попавшие туда нежелательные ферменты.
На практике часто приготовляют белое вино из красных сортов винограда. Выделка его основана на том, что сок виноградных ягод у громадного числа красных сортов не окрашен, красящие же вещества заключены в кожуре. Ясно, что все операции по переработке винограда должны совершаться так, чтобы по возможности меньше разрывать кожицу и препятствовать соку извлекать красящие вещества из нее.
Обыкновенно отделение от гребней и раздавливание ягод не производят, начинают виноделие прямо прессованием целых гроздей. В корзину пресса накладывают их невысоким слоем и сильного давления не производят. При отстаивании сусло подвергают сильному закуриванию серой, чтобы избавиться от слабой окраски в розовый цвет, которая, несмотря на указанные предосторожности, все-таки приобретается напитком. В остальном выделка этих вин почти не отличается от обыкновенного производства белых вин.
БЕЛОЕ СУХОЕ ВИНО
Это вино готовят из винограда белых сортов: Рислинг, Алиготе и др.
Если ягоды имеют сахара меньше, чем нужно, то в начале брожения в сусло добавляют сахар, чтобы общее количество его было около 18 %.
Сусло для приготовления белого столового вина получают обычным способом. Его можно сразу ставить на брожение или предварительно дать ему отстояться. Для получения высококачественного вина отстаивание сусла обязательно. Во время отстаивания сусло осветляется: муть, обрывки ткани ягод и большая часть содержащихся микробов осядут на дно.
Чтобы во время отстоя сусло не забродило, его надо засульфитировать, т. е. окурить серными фитилями. Количество сжигаемых серных фитилей зависит от температуры воздуха и состояния винограда, из которого готовили сусло. При температуре ниже 15 °C и здоровом винограде сжигают фитилей меньше и наоборот. В среднем при температуре 20 °C и неповрежденном винограде на каждые 10 л сусла сжигают от 0,5 до 1 г фитиля. Рассчитанное количество серных фитилей отвешивают и делят на 3 части, 1/3 часть скручивают и помещают в закурник. Фитилек зажигают. В посуду, предназначенную для брожения (деревянный бочонок или стеклянный баллон), быстро опускают до середины закурник с горящим фитилем. Необходимо следить, чтобы горящая сера не прикасалась к стенкам баллона, иначе он лопнет. Когда фитилек сгорит, закурник вынимают и в баллон наливают 1/3 предназначенного для брожения сусла. Баллон закрывают шпунтом и раскачивают несколько раз для растворения сернистого газа. После этого шпунт открывают, в баллон опускают закурник со второй третью зажженного фитиля и повторяют всю процедуру сначала. Так делают 3 раза, пока баллон не будет наполнен суслом на 0,75 объема. Затем баллон наливают суслом доверху, закрывают пробкой и оставляют отстаиваться. Отстаивание лучше проводить при возможно более низких температурах. Затем с помощью резиновой трубки прозрачное сусло снимают с осадка. Если температура воздуха высокая, сусло может забродить. В этом случае отстой необходимо прекратить. Гущу, оставшуюся после снятия сусла с осадка, используют для приготовления вина второго сорта.
Подготовленное для брожения сусло наливают в баллоны или бочки на 0,75 объема и немедленно добавляют 2 % четырехдневной закваски винных дрожжей. Если сусло не сульфитировали, то достаточно 1 % закваски (т. е. 100 г закваски на 10 л сусла). Баллон закрывают бродильным шпунтом. За неимением бродильного шпунта баллон закрывают ватой.
Брожение рекомендуется проводить при температуре не менее 18 и не более 24 °C тепла. Одним из важных факторов получения хорошего столового вина является брожение при оптимальной температуре. На сусло, в котором недавно началось брожение, резкое похолодание действует слабо. Но если брожение подходит к концу, то похолодание может полностью его остановить, несмотря на то, что еще не весь сахар выбродил. При низкой температуре дрожжи остаются живыми, но не могут работать, как только температура в сусле вновь повысится, дрожжи смогут продолжать работу и доведут брожение до конца, а для этого предварительно необходимо взмутить их в баллоне перемешиванием.
Высокая температура брожения гораздо более опасна, так как она может настолько ослабить жизнедеятельность дрожжей, что возобновить их работу не удастся. В этом случае сусло снимают резиновой трубкой с дрожжей, ставят в помещение с температурой не выше 20 °C и добавляют свежую закваску. Если закваски нет, то можно к недобродившему вину добавить гущу из баллона, в котором брожение прошло нормально.
При нормальной температуре бурное брожение с выделением пены идет 5–6 дней. Когда оно начнет затихать, баллоны с вином нужно доливать вином того же сорта. После окончания бурного идет тихое. В этот период баллон доливают доверху. В дальнейшем баллон доливают через каждые 2 дня.
Тихое брожение продолжается обычно недели 3–4, после чего вино пробуют на вкус. Если сахар не ощущается, бродильный шпунт заменяют обыкновенным и плотно забивают. Если хотя бы немного сахара осталось в вине, то закрывать отверстие шпунтом плотно нельзя, так как баллон может лопнуть от образующегося га-
После окончания тихого брожения вино оставляют в покое 2 недели. За это время дрожжи оседают на дно и вино осветляется, после чего его снимают с осадка, как обычно, и ставят на хранение при температуре ниже 15 °C.
Не следует задерживаться со снятием вина и осадка, так как дрожжи начнут разрушаться, придавая вину очень неприятный запах и привкус дрожжей. Снятое с дрожжей вино уже готово к употреблению. Вино, которое хотят употреблять зимой и весной, лучше разлить в бутылки после двухмесячного хранения в баллоне. За время хранения в баллоне в вине может выпасть осадок, и перед разливом прозрачное вино вторично снимают с осадка. Вино наливают в бутылки до половины горлышка, плотно укупоривают распаренными пробками, а пробки заливают сургучом.
КРАСНОЕ СУХОЕ ВИНО
Красное столовое вино готовят из сортов винограда с черной и темно-красной окраской кожицы — Каберне, Матраса, Сенсо и др.
Ввиду того, что у большинства сортов с красной и черной кожицей мякоть и сок не окрашены, технология приготовления красного сухого вина резко отличается от технологии приготовления белого сухого вина.
Вся технология приготовления красного сухого вина направлена на получение напитка с густой темной окраской, достаточной полнотой и необходимой для красного вина терпкостью. Терпкость вина зависит от дубильных веществ, которые находятся в кожице и семенах, поэтому брожение сусла необходимо проводить вместе с мезгой. Во время брожения клетки кожицы винограда отмирают, а красящие вещества и танин из них легко переходят в сусло.
Мезгу помещают в эмалированное ведро или кадочку на 3/4 объема. Туда же немедленно добавляют 2 % закваски винных дрожжей от загруженной мезги. Мезгу перемешивают, и кадочку прикрывают куском фанеры или деревянным кружком. Во время брожения мезга всплывает кверху, образуя над суслом шапку. Одновременно температура сусла и шапки повышается. В верхних слоях мезги под влиянием кислорода воздуха красящие вещества разрушаются и буреют. В это время необходимо несколько раз в сутки перемешивать мезгу, опуская шапку в сусло.
Если этого не делать и не поддерживать нужную температуру, то сусло под действием аэробных уксусных бактерий может превратиться в уксус. При соблюдении всех условий к концу бурного брожения, т. е. через 3–4 дня, сусло приобретет интенсивную темную окраску, достаточную полноту, терпкость и аромат. Если окраска недостаточно интенсивна, суслу дают побродить на мезге еще.
После окончания бурного брожения вино необходимо отделить от мезги. В этом случае поступают так же, как и при отделении сока от мезги у белых сортов винограда. Мезгу или отжимают на прессе, или откидывают на дуршлаг. Вино сливают в баллон, а мезгу отжимают через мешочек руками, и полученное вино присоединяют к первоначальному. Прессовать сброженную мезгу гораздо легче, чем несброженную.
Вино наливают в баллоны или бочки почти до горлышка, и в дальнейшем уход за красным сухим вином такой же, как и за белым столовым. Молодые красные вина грубы на вкус, поэтому их нужно выдерживать 2–3 месяца.
ПОЛУСЛАДКОЕ ВИНО
Для приготовления натурального полусладкого вина используются сорта винограда, способные накапливать 23 % и больше сахара и обладающие приятным сортовым ароматом. Для этих целей годятся сорта Мускат гамбургский, Саперави, Рислинг, Ркацители, Красностоп золотовский, Каберне, Долгий, Пухляковский, выращиваемые на Дону и Кубани.
Кондиции полусладкого вина: спирта — 8-12 % (объемных), сахара — 4–8 %, кислоты — 7–8 %. Полусладкие вина имеют нежный, свежий, чрезвычайно приятный вкус, они гармоничны и легки и поэтому пользуются у населения большим спросом. Из-за низкого содержания спирта они непрочны, легко забраживают при комнатной температуре, при этом теряют прозрачность и вкусовые качества. Как уже было сказано, дрожжи прекращают работу в вине с крепостью 16–17 % (объемных), а в полусладком вине с крепостью до 12 % и наличием сахара продолжают работать. Для получения стабильного полусладкого вина необходимо подавить жизнедеятельность дрожжей.
Требования, предъявляемые к винограду для приготовления полусладкого вина, несколько отличаются от требований, предъявляемых к сортам, предназначенным для приготовления столового сухого вина. Виноград собирают тогда, когда он накопил максимальное количество сахара, — в сухую погоду. Обработка винограда, т. е. отделение гребней, дробление и прессование, то же, что и при приготовлении белого сухого вина.
Для приготовления полусладкого вина определенно сахаристости обязательно. Она определяется ареометром (денсиметром) по удельному весу сока. Определение сахаристости необходимо потому, что в отдельные годы некоторые сорта винограда накапливают сахара не менее 23 %. Для доведения сахаристости сока до нужных кондиции к нему следует добавить или уваренное виноградное сусло (бекмес), или сахар. Например, если сахаристость винограда 19 % (в 1 л сока содержится сахара 190 г), то, чтобы поставить на брожение сусло с сахаристостью 25 %, на каждый его литр необходимо добавить 60 г. сахара (250–190 г). Вместо сахара лучше добавить уваренное сусло (бекмес). Бекмес добавляют небольшими порциями. После каждой добавки бекмеса сусло нужно перемешать и определить ареометром сахаристость.
Из многочисленных схем приготовления полусладкого вина, применяемых в промышленности, в домашних условиях рекомендуются две.
Первая схема
Полусладкое вино готовят путем смешивания сухого вина и пастеризованного сока.
Сухое вино готовят обычным способом, как описано выше, и хранят в бутылках лежа до момента употребления.
Отдельно приготавливают, как обычно, виноградный сок. Его разливают в бутылки, пастеризуют при температуре воды 85 °C и хранят до употребления. Перед самым употреблением открывают бутылки с вином, бутылки с виноградным соком и смешивают содержимое: на 700 г вина добавляют 300 г виноградного сока. Полусладкое вино готово к употреблению. В таком вине содержится около 8,5 % (объемных) спирта и около 6 % сахара.
Превосходное вино получается, если его подслащивать медом — на 1 л вина добавить от 50 до 100 г липового или цветочного меда. В этом случае виноградный сок не добавляют.
Употреблять полусладкое вино нужно в день смешивания с соком или медом.
Вторая схема
Виноград собирают с максимальной сахаристостью — не менее 23 %.
Сбор винограда, дробление, отделение гребней и прессование производят как обычно. Сок сульфитируют серными фитилями и ставят на отстой, который проводят 12 часов при возможно более низких температурах. Через 12 часов сок снимают с осадка и ставят на брожение как при приготовлении белого сухого вина, но при температуре более низкой. Оптимальная температура брожения около 15 °C.
Уход за бродящим полусладким вином такой же, как и за сухим. Если температура брожения 15 °C, то через 7–8 дней, а при температуре выше 15 °C — через 4–5 дней надо вино попробовать на вкус. С каждым днем брожения сахаристость вина будет уменьшаться. Необходимо уловить такой момент, когда в вине останется такое же количество сахара, которое наиболее желательно. В этот момент необходимо прекратить брожение, т. е. подавить жизнедеятельность дрожжей. Если этого не сделать, дрожжи будут продолжать работу, доведут брожение до конца и вино потеряет сахар. Подавить жизнедеятельность дрожжей можно путем нагревания.
Перед этим вино снимают с осадка резиновой трубкой, затем наливают в стеклянные 3—10-литровые баллоны, закрывают очень плотной ватной пробкой, сверху обвертывают ее пергаментной бумагой и обвязывают веревочкой. Баллоны ставят в бак с водой, под баллоны подкладывают деревянный кружок, чтобы они не лопнули, и начинают нагревать воду в баке, постоянно измеряя температуру. Когда она достигнет 75–80°, огонь убавляют и продолжают нагревать 3-литровые баллоны 30 минут, а 10-литровые — 45–50 минут. Баллоны с вином оставляют при комнатной температуре до следующего дня. На другой день их выносят в погреб и оставляют на 2 месяца. За этот период вино должно осветлиться. Во время хранения необходимо следить за состоянием поверхности вина в баллоне. Если не обнаружено никаких пленок и вино не забродило, его выносят из погреба, снимают с осадка, разливают в бутылки до горлышка, плотно укупоривают распаренными корковыми пробками, которые обвертывают пергаментной бумагой и обвязывают веревочкой. Вино вторично пастеризуют при более низкой температуре (70–72 °C). Бутылки емкостью 0,5 л пастеризуют 25 минут. После остывания вино готово к употреблению. Хранить его рекомендуется при температуре около 10 °C.
Если во время выдержки в баллонах будет обнаружено, что вино забродило или наповерхности появилась пленка, то его необходимо срочно слить с осадка, разлить по бутылкам и подвергнуть пастеризации.
ДЕСЕРТНОЕ ВИНО
Десертное вино должно быть ароматным, густым, экстрактивным, хорошо окрашенным, с невысокой кислотностью, с количеством сахара от 10 до 15 % и выше. В домашних условиях вино с таким содержанием сахара можно приготовить, если к нему добавить концентрированное виноградное сусло или сахар. Вино это рекомендуется изготовлять из белого и красного винограда, обладающих сортовым ароматом. Для приготовления десертного вина очень хороши мускаты: на Дону — Мускат венгерский и Мускат белый (ладанный), на Кубани, в районе Геленджика, — Мускат гамбургский.
Для приготовления десертного вина собирают виноград с максимальной сахаристостью. Ягоды от гребней отделяют руками или на терке и раздавливают. Для придания вину большей полноты, аромата и окраски мезгу подготавливают одним из трех способов, настаивают, подогревают и подбраживают.
Вино, приготовленное путем настоя мезги, намного мягче и гармоничнее, чем вино, сброженное на мезге. В домашних условиях осуществить настой мезги труд-
Настой на сульфитированнои мезге
Если мезгу оставить при комнатной температуре настаиваться, то она на другой же день забродит. Для предохранения от забраживания необходимо мезгу засульфитировать.
Прежде всего подготавливают посуду, в которой будет осуществляться настои. Это может быть стеклянный баллон с широким горлом или кадочка. Измеряют количество предназначенной для настоя мезги. Затем отвешивают серные фитили. На 1 кг мезги берут 1 г серных фитилей. Один фитиль весит 5 г. поэтому на 10 кг мезги берут приблизительно 0,2 фитиля. Фитиль помещают в закурник, зажигают и быстро опускают в баллон. Баллон немедленно закрывают плотным мешком, чтобы не вышел газ. Когда сера сгорит, закурник вынимают и баллон наполняют мезгой, непрерывно ее перемешивая. Наполнение нужно проводить очень быстро, чтобы сернистый газ не успел улетучиться. Если в баллоне после наполнения мезгой осталось свободное пространство, его также закуривают. Затем баллон плотно закрывают и ставят в подвал или в другое место с температурой не выше 10 °C.
Срок настоя зависит от температуры помещения и состояния мезги. Если температура достаточно низкая и мезга не забраживает, то рекомендуется настаивать ее 7-10 дней. Если в хозяйстве нет помещения с достаточно низкой температурой и мезга начинает забраживать, необходимо настаивание немедленно прекратить. Настаивать рекомендуется и белую, и красную мезгу, но особенно важен этот прием для приготовления вин из мускатов и белых сортов винограда.
Подогревание мезги
Этим способом можно подготавливать к прессованию любую мезгу.
Для подогревания в мезге должно быть достаточно сока, чтобы она не пригорела. Мезгу откидывают на дуршлаг, чтобы отделить немного сока.
Сок подогревают в эмалированной посуде (ведре или тазу) до 75 °C. Затем в этот же сок выливают оставшуюся мезгу и при непрерывном помешивании продолжают нагревание, пока вся мезга не нагреется до 75 °C. После этого нагревание прекращают, а мезгу остужают, помешивая, до 24–22 °C.
Брожение мезги
Раздробленную мезгу помещают в баллон с широким горлом или кадочку, добавляют 2 % закваски винных дрожжей, перемешивают и оставляют для брожения на 3–4 дня. Во время брожения поднявшуюся шапку мезги несколько раз в день перемешивают. Этот способ подготовки мезги рекомендуется для приготовления вин из красного винограда.
Подготовленную тем или иным способом мезгу прессуют. Сок наливают в баллоны, наполняя их на 3/4 объема. Немедленно добавляют закваску винных дрожжей в количестве 2 %. В сусло из сброженной мезги закваску добавлять не нужно. На 4-й день брожения на 1 л сусла добавляют 50 г сахара или 80 г бекмеса. Брожение, доливки и уход за вином обычные.
После окончания брожения вино должно быть на вкус сухим. Ему дают отстояться. Вино снимают с осадка обычно через 2 месяца после начала брожения, когда оно осветлится. В прозрачное вино для придания ему сладости добавляют сахар или бекмес.
Если хотят приготовить десертное вино, то сахара добавляют от 160 до 200 г на 1 л вина. В мускаты рекомендуется добавлять от 200 до 250 г сахара на 1 л.
Готовое вино разливают в бутылки до половины высоты горлышка и укупоривают.
Десертное вино для придания ему мягкости и бархатистости рекомендуется подвергнуть тепловой обработке. Для этого укупоренные бутылки с обвязанными веревочкой пробками ставят в бак, на дно которого укладывают деревянную решетку или солому. В бак наливают воду и медленно подогревают до 55 °C. Эту температуру поддерживают в течение нескольких часов. Если есть возможность, то лучше прогревать десертные вина в течение двух дней. Ликерные вина рекомендуется нагревать 3–4 дня. Этим ускоряется созревание вина. Оно приобретает большую гармоничность и бархатистость.
ВИНО ИЗ ВИНОГРАДА СРЕДНЕЙ ПОЛОСЫ РОССИИ
Опытные садоводы-любители на практике доказали возможность выращивания винограда в средней, северной и восточной зонах России. В Брянской, Орловской, Тамбовской, Пензенской, Куйбышевской, Смоленской, Московской, Ивановской, Владимирской, Нижегородской областях в иные годы виноград не вызревает полностью. Вино из невызревшего винограда из-за высокой кислотности приготовить обычным способом нельзя. Его можно приготовить по способу, рекомендуемому для плодово-ягодных культур, снижая кислотность разбавлением водой. В этом случае виноград для переработки нужно собирать в максимальном для данного района состоянии зрелости. Совсем зеленый, невызревший виноград, твердый на ощупь, для этого непригоден, так как вино из него имеет неприятный травянистый привкус.
Чтобы приготовить вино из не совсем вызревшего винограда, нужно в каждом отдельном случае определить содержание в нем сахара и кислоты.
Из винограда, выращенного в северных районах, рекомендуется готовить только десертное вино.
Собранный виноград отделяют от гребней, дробят. Мезгу подогревают до 60 °C в течение получаса, остуживают до 25 °C, откидывают на дуршлаг, отжимая сок, замеряют его количество и определяют содержание в нем сахара и кислоты (в пересчете на винную). На основании анализа разбавляют сок водой, добавляют к нему сахар до нужных кондиций и закваску.
Брожение нужно проводить при температуре около 20 °C; при данной температуре оно будет протекать около месяца. Через 2 месяца после постановки на брожение прозрачное вино снимают с осадка. Вино в этот период будет жгучим и неприятным. Сахар не должен ощущаться на вкус. Для придания сладости к прозрачному вину добавляют от 100 до 150 г сахара на 1 л. Вино перемешивают до полного растворения сахара, разливают в бутылки и закрывают корковыми пробками. Для придания вину мягкости бутылки с вином прогревают при температуре 45–50 °C в течение 3 часов. Десертное вино рекомендуется перед употреблением выдержать при комнатной температуре в течение 2 месяцев.
БОЛЕЗНИ ВИНА
Болезни сухих и полусладких вин вызываются аэробными микроорганизмами: винной плесенью и уксусными бактериями. Эти микроорганизмы и их выделения не вредны для человека, но, развиваясь в вине, могут полностью его испортить. И винная плесень, и уксусные бактерии могут развиваться при обильном доступе воздуха и температуре выше 15 °C в винах с крепостью ниже 15°… Десертные вина не подвержены этим заболеваниям. Винная плесень развивается в неполно налитых емкостях в виде сероватой складчатой пленки и разрушает кислоты вина до углекислоты и воды. Уксусные бактерии в этих же условиях могут превратить вино в уксус.
Чтобы предохранить вино от заболевания, нужно точно соблюдать все технологические условия.
Винная цвель (микодерма)
Если на поверхности вина в неполно налитом бочонке появилась пленка винной цвели, то ее необходимо немедленно удалить, так как вино после длительного воздействия пленки становится водянистым.
Пленка, разросшаяся на поверхности вина, представляет собой огромное скопление пленчатых дрожжей. По внешнему виду она похожа на плесень, которая появляется на кислой капусте, находящейся в теплом помещении. Рекомендуется вначале убить пленчатые дрожжи, а затем удалить пленку. Для этого в закурник помещают серный фитиль, зажигают его и опускают в шпунтовое отверстие. Последнее плотно прикрывают шпунтом. Если серный фитиль сгорел, то сжигают еще один или два. Если фитили перестанут горсть, значит, кислород в бочонке над пленкой израсходован и пленчатые дрожжи погибнут.
Удалить пленку можно следующим образом. В баллон с вином, на котором образовалась пленка, опускают ниже пленки конец резинового шланга. Затем через другой конец наливают вино. Пленка с вином будет подниматься, и, наконец, когда вино перельется через край, пленка выльется вместе с вином. Для полноты отделения пленки рекомендуется постукивать колотушкой вокруг шпунтового отверстия. Остатки пленки удаляют чистой тряпкой, смоченной в горячей воде с содой, обтирают шпунтовое отверстие и шпунт.
Уксусное скисание
Это заболевание вызывается уксусными бактериями. Развиваясь в слабоалкогольном вине при доступе воздуха и температуре выше 25 °C, бактерии окисляют спирт до уксусной кислоты. Вино приобретает сначала запах уксуса, затем при большом накоплении кислоты само превращается в уксус. Заболевшее уксусным скисанием вино исправить нельзя.
В начальных стадиях заболевания вино необходимо пастеризовать. При температуре 60–65° литровые бутылки прогревают в течение 20 минут. При далеко зашедшем заболевании вино можно использовать только как уксус.
УХОД ЗА ВИНОМ
Уход за вином состоит в применении к нему ряда работ, имеющих целью улучшить и развить его качества и сделать его более устойчивым, прочным. Молодое вино, только что закончившее главное (бурное) брожение, как бы тщательно оно ни было приготовлено, не совсем приятно на вкус: при пробе резко выделяются некоторые составные части — спирт, кислота, горечь. Но стоит этому вину пробыть некоторое время (иногда достаточно несколько месяцев) в бочках при подходящих благоприятных условиях, как оно делается приятнее, мягче, гармоничнее, резкостей меньше, наоборот, выделяется больше свойственный сорту винограда аромат, а иногда начинает проявляться и букет, вино, как говорят, "созревает". Вино, следовательно, для созревания, улучшения качества нуждается в более или менее продолжительной выдержке, умелом сохранении, в результате дающем продукт вкусный и стойкий, удовлетворяющий потребителя и требования торговли.
Приемы (работы), имеющие место при уходе: переливка вина, доливка, закуривание серой, осветление вина, розлив в бутылки.
Сохраняется вино в подвале — помещении, устроенном в земле и отвечающем некоторым условиям, весьма важным и почти обязательным при выдержке. Условия эти — более или менее равномерная температура в течение года, достаточная сухость и хорошая вентиляция. Температура в подвале не должна претерпевать большие колебания, лучше всего, если она будет в пределах между 18 и 12 градусов по Цельсию и не будет опускаться ниже 3, а также подниматься выше 14. В противном случае созревание вина очень замедляется или идет слишком быстро, в то время как при более равномерной невысокой температуре вино приобретает тонкость и букет.
Типы домашних вин
ДЕСЕРТНОЕ ВИНО
Вино из натурального сока непрочно. Оно кислое и невкусное. Для уменьшения кислотности и увеличения сахаристости сок разбавляют водой, добавляют к нему сахар, который необходим также и для получения спирта в вине. В домашних условиях спирт в винах накапливается путем естественного сбраживания сахара дрожжами. Вина, полученные без спиртования (добавления спирта), намного мягче и гармоничнее, так как спирт в них полностью ассимилирован с другими элементами. Они не имеют грубого, жгучего, обусловленного спиртом привкуса, от которого крепленые вина избавляют лишь путем многолетней выдержки.
После отжатия мезги количество сусла замеряют и подсчитывают выход чистого сока (вычитая количество соды, прибавленной до и во время прессования).
Для исправления сусла в него немедленно после прессования добавляют воду и сахар.
В табл. указано количество воды и сахара, которые необходимо добавить к 1 л чистого сока для получения десертного вина приблизительно с 16 % спирта (объемных) и около 0,8 % кислоты
* Как точно определить количество воды и сахара, добавляемых к соку при изготовлении плодово-ягодного вина, описано в Приложении № 1.
** Вместе с водой, добавленной в мезгу до и во время прессования.
Для получения более экстрактивных и кислых вин (около 0,9 % кислоты) к суслу надо добавить другое количество воды и сахара (см. табл.). Крепость вина в этом случае будет та же.
Сливовый сок в зависимости от сорта и района произрастания плода имеет различную кислотность, поэтому его разбавляют водой по вкусу, а сахара до брожения добавляют по 200 г на 1 л сусла (смеси сока и воды) и по 20 г на 1 л сусла на 5-й и 10-й дни брожения.
* Вместе с водой, добавленной в мезгу до и во время прессования.
В сусле, исправленном водой и сахаром, измеряют температуру. Если она низкая, то сусло подогревают до 22 °C. Затем разливают в стеклянные бутыли или деревянные (хорошо пропаренные) бочонки, наполняя их на 3/4. Если сусло не подвергалось брожению вместе с мезгой, то к нему необходимо добавить закваску дрожжей в количестве 3 % от объема сусла. В сусло из сброженной мезга закваску не добавляют, для питания дрожжей вносят хлористый аммоний (0,3 г на 1 л). Содержимое посуды путем раскачивания тщательно перемешивают до полного растворения сахара. Затем посуду закрывают ватной пробкой и ставят в помещение с температурой 20–22 °C. Остальной сахар примерно равными долями вносят на 4-й, 7-й и 10-й дни брожения, растворяя в небольшом количестве отлитого в кастрюльку бродящего вина.
Чтобы сохранить в вине аромат и предупредить возможные процессы окисления, чрезвычайно ухудшающие вкус, необходимо его доливать. Очень важно во время доливок следить, чтобы вино, используемое для этого, было совершенно здоровым. Если баллон со здоровым вином долить хотя бы небольшим количеством больного, то все вино заболеет. Вино для доливок следует хранить в небольшой посуде, например, налитых доверху бутылках. Чтобы всегда было вино для доливок, необходимо ставить сусло на брожение не менее чем в двух баллонах. Один из них должен быть гораздо меньше, чтобы вино из него использовать для доливок. В период тихого брожения баллон доливают доверху, а вино из меньшего баллона переливают в еще меньшую тару до горлышка. Ватную пробку заменяют водяным затвором. Для его изготовления стеклянную изогнутую трубку вставляют одним концом в шпунт, а другим — в стакан со слабой сернистой кислотой (нельзя вместо сернистой кислоты употреблять серную. Серную кислоту готовят путем закуривания воды серными фитилями.), водкой или прокипяченной водой.
Тихое брожение продолжается обычно 3–4 недели. Окончание его определяют по отсутствию сахара, которое определяется на вкус. В это же время вино начинает осветляться. На дне посуды образуется осадок. Вино надо отделить от него, не замутив. Слив вино, оставшийся дрожжевой осадок переливают в бутыль, дают ему еще раз отстояться, после чего опять сливают прозрачный напиток. Гущу фильтруют через матерчатый фильтр.
Снятым с осадка вином наполняют чистые баллоны до горлышка, укупоривают пробками и ставят в холодное помещение для отстоя. Через месяц вино снова снимают с осадка так же, как и в первый раз.
Такое вино называется виноматериалом. Оно не выдержано по кондициям сахара, а потому негармонично. Чтобы придать виноматериалу мягкость, полноту вкуса и сладость, в него добавляют сахар: для ликерных вин 200 г на 10 л, для десертных — от 100 до 160 г на 1 л. Сахар вносят в виде сиропа, растворяя его при подогревании в небольшом количестве отлитого вина. Готовое сладкое десертное вино наливают в баллоны на 3 см ниже края баллона или разливают по бутылкам также на 3 см ниже края бутылки, плотно закупоривают пробками и, если пробки корковые, заливают смолкой. На бутылки наклеивают этикетки с названием вина и года его изготовления.
Десертное вино — напиток прочный. Правильно приготовленное, оно не подвержено уксусному скисанию, не плесневеет при любой температуре хранения. Но при хранении в условиях температуры выше 15 °C в неполно налитой посуде мутнеет, буреет, окисляется и приобретает очень неприятный вкус, поэтому посуду вином надо наливать полно. Вина из разных культур приобретают максимально хороший вкус при разных сроках выдержки. Так, вина из белой, красной и черной смородины, малины, вишни готовы к употреблению через 2–3 месяца. Вина из крыжовника, земляники становятся гармоничнее и мягче по вкусу через полгода, а вина из земляники, пораженной серой гнилью, и из рябины приобретают лучшие качества через год. Хранить их рекомендуется в укупоренной посуде при температуре 15 °C и ниже.
СТОЛОВОЕ ВИНО
Натуральные плодово-ягодные вина в зависимости от технологии изготовления подразделяются на несодержащие избытка углекислоты (столовые, вина некрепленые сладкие, вина крепленые медовые, ароматизированные) и с избыточным содержанием углекислоты (шипучие вина, сидр). В таблице дана характеристика натуральных плодово-ягодных вин как домашнего, так и промышленного производства.
Столовые вина получают путем полного или неполного сбраживания подсахаренного плодово-ягодного сусла. Вина некрепленые сладкие приготовляются сбраживанием подсахаренного сусла до содержания спирта естественного наброда не менее 15 % с последующим добавлением сахара в купаж. Вина крепленые изготовляются сбраживанием плодово-ягодного сусла с последующим добавлением этилового спирта и сахара в купаж вина. Это относится к приготовлению и медовых, и ароматизированных крепленых вин. Отличие состоит в том, что после выбраживания сусла и его спиртования в купаж вина вводят натуральный мед, водный, винный или спиртовой настой пряноароматических растений.
Как правило, столовые вина готовят из яблок, вишен, ревеня, всех видов смородины. Не рекомендуется готовить домашние столовые вина из малины, рябины, земляники, сливы, облепихи, то есть из ягод с сильным и резким ароматом, так как такие вина получаются в большинстве случаев тяжелыми и грубыми.
При изготовлении столовых вин брожение сока ведут до накопления спирта 100–130 мл/л. Для этого необходимо, чтобы 1 л сока содержал 210 г сахара, который вводят в два приема: до брожения и на 8-12 день. Процесс длится 4–6 недель. Затем сухое вино снимают с дрожжевого осадка, разливают по бутылкам. Вино хранят при температуре не выше 2 °C в хорошо закупоренной посуде. Полусухое и полусладкое вино готовят из сухого вина с добавлением сахара: 30 г на 1 л для полусухого, 50–80 г — для полусладкого.
Столовые вина не предназначены для долгого хранения. Чтобы их сохранить длительное время, необходимо провести пастеризацию до температуры 70–75 °C с выдержкой 15–20 минут. Для этого вино разливают в бутылки по горлышко, закрывают пробкой, ставят в кастрюлю с холодной водой, налитой до уровня вина, и медленно нагревают до температуры 70 °C. После остывания бутылки с вином хранят при температуре 8-10 °C.
Сухое вино
Процесс изготовления столового вина имеет много общего с приготовлением десертного, что изложено в отношении сбора, мойки, дробления плодов, нагревания мезги, прессования и осветления относится и к столовым винам. Брожение на мезге не рекомендуется. Подготавливать к прессованию мезгу культур, трудно отдающих сок, лучше по второму способу (нагревание мезги).
В столовом виноделии для улучшения состава плодовых и ягодных соков путем разбавления водой с целью понижения кислотности необходимо сообразовываться с условиями приготовления вина. Нужно учесть, что вина из яблок при брожении теряют до 2 г кислоты на 1 л. Вина из крыжовника теряют меньше кислоты во время брожения, а в винах из смородины кислотность не падает. Нельзя сильно снижать кислотность столовых вин, так как малоградусные вина и с низкой кислотностью плохо бродят и легко портятся (табл.).
* Вместе с содой, в мезгу до и во время прессования.
Все необходимое количество сахара растворяют в воде и вносят в сок до начала брожения. Сок с водой и сахаром наливают в баллон или бочонок на 3/4 их объема, туда же немедленно добавляют 2 % закваски дрожжей и 0,3 г на 1 л смеси хлористого аммония[48].
Очень важно проследить, чтобы закваска была в стадии бурного брожения. После внесения закваски посуду с соком, оставленным на брожение, закрывают ватным шпунтом и изолируют от прямых солнечных лучей. На второй или на третий день после внесения закваски сок начинает бурно бродить.
Брожение является главнейшим процессом при изготовлении столовых вин. Качество получаемого вина во многом зависит от правильности проведения брожения. Одним из главных факторов, влияющих на качество вина, является температура брожения. Температуру сусла, поставленного на брожение, необходимо довести до 18–20 °C. В продолжение всего периода необходимо следить, чтобы она не повышалась. Более высокая температура способствует развитию уксусных и молочных бактерий.
Бурное брожение обычно продолжается 4–5 дней, после окончания его необходимо сменить ватный шпунт на водяной затвор и сразу же начать долив посуды, в которой бродит вино. Доливать нужно вином того же сорта каждые 2–3 дня с таким расчетом, чтобы за 10 дней посуда была долита полностью. При доливе водяной затвор снимают, а затем вновь устанавливают на место. В дальнейшем вино доливают по мере надобности, но не реже 1 раза в неделю.
Вино, которое используют для доливок, должно быть совершенно здоровым на вкус.
Если вино не доливать, а оставлять в неполной посуде, то оно может испортиться, покрыться винной цвелью или превратиться в уксус.
После бурного идет тихое брожение (около 1,5 месяцев). В течение этого времени остатки сахара превращаются в спирт и углекислый газ. Сахар на вкус не должен ощущаться. В этот же период вино постепенно осветлится, и его необходимо снять с осадка. Если продержать вино долго на осадке, оно может приобрести неприятный дрожжевой привкус. Фильтрации лучше избежать. Вино наливают в бутылки или баллоны до половины горлышка. Посуду плотно укупоривают распаренной корковой пробкой, заливают смолкой и наклеивают этикетку с названием сорта и года изготовления. Если вино разлито в бутылки, то их хранят лежа при температуре от 2 до 15 °C. При более высокой температуре оно легко подвергается порче и заболевает.
Полусладкое вино
Полусладкое вино характеризуется меньшим количеством алкоголя, сахара и меньшей экстрактивностью, чем десертное. Это легкий приятный напиток. Для его приготовления плоды и ягоды с грубым вкусом (рябина) или с очень высокой кислотностью (клюква, айва японская) использовать не рекомендуется. Отжатый (так же, как и для десертного вина) сок разбавляют водой и сахаром (табл.).
Все процессы: брожение, доливка, снятие с осадка — проводятся также, как и при приготовлении десертного вина.
* Вместе с водой, добавляют в мезгу до и после прессования.
Готовый выброженный сухой виноматериал для придания напитку кондиций в отношении сахара обрабатывают двумя способами.
Первый способ. В готовый, осветленный и снятый с осадка, виноматириал добавляют сахар (50 г на 1 л вина). Полусладкое вино, обладая низкой спиртуозностью, непрочно, легко забраживает. Для придания прочности его пастеризуют.
Готовое подслащенное вино разливают в бутылки до половины высоты горлышка и укупоривают пробками, которые обвязывают веревочкой, чтобы во время пастеризации их не вытолкнуло. Бутылки ставят в кастрюлю с водой на подставку. Вода в кастрюле должна быть на уровне вина. Ее подогревают до 75 °C и поддерживают эту температуру в продолжение 30 минут. Затем бутылки вынимают. Когда вино остынет, веревочки с пробок снимают, пробки плотнее прижимают и заливают сургучом или смолкой[49].
Второй способ. Готовый материал, не подслащивая, разливают по бутылкам, укупоривают, пробки заливают сургучом и хранят до употребления. Перед употреблением к готовому виноматериалу для придания сладости добавляют сахарный сироп.
Сироп готовят из сока ягод, из которых делают вино. Для приготовления сиропа к 1 л сока ягод добавляют 800 г сахарного песку. Затем сок нагревают до растворения сахара, разливают в маленькие бутылочки, закрывают прокипяченными корковыми пробками, обвязывают веревочкой и пастеризуют 15 минут при температуре 75 °C. Затем пробки заливают парафином или смолкой. Чтобы сироп был ароматным, раздавленные ягоды перед отжатием из них сока следует слегка прогреть в эмалированной кастрюле. За неимением сахарного сиропа из ягодного сока можно приготовить сироп на воде, но лучше на этом же вине. В последнем случае сироп пастеризовать не нужно.
В вино перед употреблением добавляют готовый сироп (полстакана на 1 л).
Очень вкусное вино получается, если вместо сиропа к нему добавить от 50 до 100 г на 1 л липового или цветочного меда. Мед добавлять необходимо перед самым употреблением. Особенно выигрывают от этого яблочные и крыжовниковые вина.
Десертное и полусладкое вино лучше хранить при температуре ниже 15 °C, так как при более высокой температуре вкус его ухудшается.
Столовые вина лучше готовить из смеси соков. В результате смешивания их улучшаются цвет и аромат вина. В большинство вин желательно добавлять в небольшом количестве сок из рябины или груши, которые содержат много дубильных веществ. В результате вина лучше осветляются, приобретают приятную терпкость.
Следует помнить, что приготовить вино из смеси соков значительно труднее, чем из сока одного вида. Наиболее доступно приготовление следующих вин: столовое белое — из соков яблок, крыжовника или белой смородины; столовое розовое — из смеси разных соков (яблок, крыжовника, белой смородины, вишен, красной смородины или малины); столовое красное — из смеси различных соков с преобладанием темно-окрашенных (смородины, вишни).
В табл. приводятся рецептуры различных по цвету столовых вин, как смешанных, так и приготовленных из сока одного вида.
ИГРИСТЫЕ И ШИПУЧИЕ ВИНА
Имеются отдельные виды вин, в которых углекислота содержится в избытке. При наливании такого вина в бокал оно сильно пенится, «играет» вследствие энергичного выделения пузырьков углекислого газа, дополняя вкусовое и зрительное впечатление. Это игристые и шипучие вина.
Шипучим называется вино, искусственно насыщенное углекислым газом путем сатурирования. Игристое вино насыщается углекислым газом в результате вторичного брожения в закрытом герметично резервуаре или бутылке. Слабоалкогольные и шипучие вина называются сидрами, а более крепкие — винами.
Сидр игристый и шипучий содержит 5–7 % об. спирта, кислотность его 0,6–0,9 %. По сахаристости различают сухой сидр — с содержанием сахара до 0,5 %, полусухой — 5 % и сладкий — 10 % сахара. Давление углекислоты в бутылке достигает 1,5 атм (При растворении 1 л углекислого газа или 5,7 г твердой углекислоты, сухого льда, в 1 л вина давление на стенки сосуда будет равно приблизительно 1 атм. Новая шампанская бутылка выдерживает до 5 атм).
Вино игристое и шипучее содержит 10–12 % об. спирта, кислотность его 0,6–0,8 %, а по содержанию сахара делится на сухое — 0,5 % сахара, полусухое — 5 %, %, а по содержанию сахара делится на сухое — 0,5 % сахара, полусухое — 5 %, полусладкое — 7 % и сладкое — 10 %. Давление углекислоты в бутылке достигает 1,5–2 атм.
Игристые и шипучие вина, сидры могут быть сортовыми и купажными.
Сидр получается при полном или частичном сбраживании яблочного сока. Это приятный освежающий напиток с небольшим содержанием спирта. В ряде зарубежных стран (Франция, Австрия, Швейцария, США) он получил широкое распространение.
Франция занимает первое место в мире по производству и потреблению сидра.
Игристое вино в домашних условиях может быть приготовлено двумя способами — простым и более сложным (французским).
Простой способ
Вино получается несколько мутноватым. Как только закончилось бурное брожение некрепленого вина и оно начало осветляться, его разливают в шампанские бутылки и закрывают полиэтиленовыми шампанскими пробками, которые затем перевязывают накрест проволочкой или шпагатом, прикрепляя к горлышку бутылки. Затем бутыли: с вином укладывают в 2–3 ряда в помещение с температурой 7-12 °C, переслоив их соломой или древесной стружкой, чтобы не касались одна другой. Вино в бутылках продолжает бродить (т. е. проходит тихое брожение). Образующийся углекислый газ будет оставаться в бутылках и насыщать газом вино. К концу брожения в бутылках образуется много углекислого газа, который создаст определенное давление. Если сахара оставалось в вине перед розливом более 3 %, то при благоприятных условиях брожения в бутылке может развиться высокое давление и разорвать ее.
Через 2–4 месяца брожение заканчивается и на стенках бутылки образуется заметный осадок. При брожении в течение 4 месяцев обеспечиваются более высокие вкусовые, а также пенистые и игристые свойства вина. За 1–2 недели до употребления бутылки нужно охладить до 0–2 °C (можно в холодильнике), поставить на дно и, осторожно постукивая деревянным молоточком или встряхивая их, перевести осадок со стенок на дно. Но при наливании в бокал часть осадка все же поднимается со дна бутылки, поэтому вино будет несколько мутноватым.
Французский способ
Хотя и более хлопотный, но дает лучшие результаты: игристое плодово-ягодное вино по внешнему виду, прозрачности и вкусу не уступает виноградному шампанскому. Для приготовления плодово-ягодного игристого вина по этому способу в домашних условиях берут вполне выбродивший виноматериал, лучше 1—2-годичный, с 9-11 % об. спирта, из хороших осенне-зимних сортов яблок (Кальвиль белый, Боровинка, Антоновка), крыжовника, белой смородины, и другие светлые вина. Приготовление игристого вина нужно начинать в конце лета, чтобы закончить его к концу зимы.
Подготовленный сухой виноматериал разливают в шампанские бутыли, причем в каждую прибавляют по 50 мл приготовленного сахарного сиропа и по 1 чайной ложке разводи дрожжей чистой культуры холодостойкой расы или 1 чайную ложку бурно бродящего сусла на дрожжах чистой культуры. Доливаемый в бутылки сироп должен содержать в 50 мл 12–15 г сахара. Вместо сиропа можно засыпать в бутылку 12–15 г сахарного песка и растворить его в вине. При брожении этот сахар повысит содержание спирта на 0,9–1,1 % об., а углекислоты образуется столько, что ее будет вполне достаточно для игристого вина.
Поглощение углекислого газа, образующегося в бутылке при брожении, происходит по-разному, в зависимости от свойств взятого виноматериала. Более крепкие вина обладают большей способностью поглощать углекислоту, экстрактивные — меньшей. С понижением температуры поглотительная способность вина повышается.
Бутылки заполняют на 1–1,5 см ниже пробки (полиэтиленовой или длинной корковой), которую обвязывают накрест мягкой проволокой или шпагатом.
В дальнейшем поступают так же, как описано в первом случае. При законченном брожении уже зимой вино осветлится и станет прозрачным. На нижней части боковой стенки бутылок образуется осадок. В это время желательно температуру вина снизить на 2–5 °C.
Чтобы игристое вино получилось прозрачным, осадок надо удалить. Для этого бутылки с вином устанавливают вниз горлом, втыкая их в кучу песка или в дырки в доске, положенной горизонтально. Это делается для того, чтобы осадок переместился в горло бутылки и осел на пробку. С этой же целью по несколько раз в день каждую бутылку необходимо осторожно встряхивать или слегка постукивать по ней деревянным молоточком. Весь осадок соберется на пробке, а если пробка полиэтиленовая, какой закупоривают бутылки с шампанским, то в углублении ее, как в чашечке, и вино станет чистым и прозрачным. Перенесение осадка на пробку называется ремюажем. Теперь приступают к удалению образовавшегося осадка. При выполнении этой работы следует быть очень внимательным и осторожным. Предварительно запасаются хорошими пробками и мягкой проволокой для их обвязки, а также вином лучшего качества или ликером специального приготовления для долива бутылок и подслащивания готового игристого вина.
Сбрасывание осадка выполняют следующим образом. Взяв в левую руку предварительно охлажденную до 0–1 °C бутылку с осевшим на пробке осадком, осторожно переворачивают ее так, чтобы она приняла несколько наклонное положение — горлом слегка кверху. Держа бутылку над эмалированным тазом или широкой кастрюлей, ножом подрезают обвязку. Пробка под напором газа сейчас же вылетает из бутылки, а с ней вместе и осадок, немного проливается в таз и вино[50]. Бутылку тут же ставят горлом вверх, быстро доливают ее ликером (чтобы получить игристое сладкое вино), немедленно закупоривают пробкой и крепко обвязывают ее проволокой накрест. После этого бутылку укладывают в горизонтальное положение в более холодном помещении и хранят там до употребления.
Ликеры для добавления к вину могут быть различного состава, в зависимости от того, какое игристое вино желают приготовить: сладкое, полусладкое, полусухое или сухое. Для сладкого приготавливают ликер из 0,7 кг сахара, 0,5 л вина и 50 мл водки. Такой ликер содержит 65 % сахара, для полусладкого — 0,6 кг сахара, 0,55 л вина и 50 мл водки, этот ликер содержит 60 % сахара. Для несладкого (сухого) — 0,5 кг сахара, 0,65 л вина и 50 мл водки, содержание сахара в таком ликере — 50 %.
Для приготовления ликера берут розовое или белое вино хорошего качества, рафинированный сахарный песок и хорошую водку. В теплом вине растворяют сахар, а когда остынет сироп, добавляют водку и, хорошо перемешав, выливают в бутылки, закупоривают для хранения. Вместо ликера в игристое вино можно прибавлять фруктовые или ягодные настойки или наливки, но тогда в вине будет ощущаться фруктовый вкус. Подслащивают вино в этом случае по вкусу.
Этот способ пригоден и для получения сидра высокого качества. Разница лишь в том, что сидр подслащивают без добавления в ликер водки.
Шипучее вино и сидр
Соответствующий виноматериал насыщают углекислым газом, внесенным извне путем сатурирования при помощи автосифона. Газирование в автосифоне производится непосредственно перед употреблением. Для этого вино охлаждают до 5-10 °C и заливают в автосифон. Насыщение газом в автосифоне производится согласно инструкции.
Насыщать вино или сидр углекислым газом можно в обычном сифоне с использованием твердой пищевой углекислоты (сухой лед). Для этого с сифона снимают головку, заправляют его охлажденным вином, опускают твердую углекислоту в количестве 5,7 г на 1 л вина, быстро закрывают сифон головкой и потряхивают в течение 3–5 минут (только в горизонтальном положении) до полного растворения кусочков твердой углекислоты. Приготовленные таким способом шипучие вина или сидры могут с успехом храниться 1–2 месяца.
Насыщение вина твердой углекислотой можно произвести и в шампанских бутылках при наличии шампанской пробки и мюзле (проволочки).
Яблочный сидр
Для сидра берут яблоки летних, осенних и зимних сортов, преимущественно кисло-сладкие, с небольшим содержанием сахара. При использовании высокосахаристых яблок сок следует немного разбавить водой.
Существуют несколько способов приготовления яблочного сидра. Во всех случаях яблоки тщательно сортируют и моют, вырезают места повреждения и порчи, а при измельчении удаляют плодоножки и остатки чашелистиков.
Первый способ. Спелые, хорошо вылежавшиеся свежие яблоки измельчают, закладывают в чистую эмалированную посуду с крышкой (в деревянный бочонок или стеклянные бутыли), слегка смачивают водой и оставляют в теплом помещении для сбраживания. Перед брожением рекомендуется добавить разводку сухих яблочных дрожжей чистой культуры (1 стакан на 1 кг яблок). Через 2–3 дня сброженную мезгу отжимают (лучше на ручном прессе) и полученный сок сливают в чистую эмалированную посуду или пропаренный бочонок, закупоривают и ставят на ледник, в погреб или холодильник.
Второй способ. Спелые, свежие, но кислые яблоки измельчают и закладывают в чистые стеклянные бутыли, эмалированную посуду с крышкой или в бочонок, заливают холодной водой, добавляют свежую или сушеную цедру с цитрусовых плодов (лучше лимонную), закупоривают и ставят на ледник на 1–3 дня для настаивания и сбраживания. Предварительно вводят разводку яблочных дрожжей чистой культуры. Когда сидр настоится и сбродит, его сцеживают или сливают, вторично заливают мезгу кипяченой водой в количестве, равном по объему слитому сидру, и так до 3 раз. Перед употреблением в сидр по желанию добавляют сахар или сладкий сок.
Третий способ. Кислые лесные или садовые яблоки разрезают на 4 части каждое и 8 кг плодов кладут в чистый холщовый или полотняный мешок, завязывают его и помещают в чистую эмалированную посуду с крышкой или деревянный бочонок с ложным дном. Сверху накрывают деревянным, лучше сетчатым, кругом, придавливают грузом, чтобы яблоки не поднимались, и наливают 6 л сиропа из кипяченой воды и меда или сахара (1,6 кг). Посуду накрывают тканью и оставляют для сбраживания в погребе пли леднике. Через 4–5 недель, убедившись, что сидр сброжен, его осторожно сливают в чистую посуду и оставляют в леднике.
Мезгу заливают таким же сиропом в объеме слитого сидра и через 4–5 недель снова сливают сброженный сидр в чистую посуду, а мезгу заливают в третий раз. Сидр всех сливов смешивают и отстаивают в холодном месте до тех пор, пока он не перебродит хорошенько (обычно 6–9 месяцев). Выбродивший, отстоявшийся, прозрачный яблочный сидр разливают в бутылки, укупоривают и выдерживают еще 3–4 недели на холоде.
Четвертый способ. Лесные яблоки, собранные в августе, тщательно перебирают, удаляют испорченные и поврежденные плоды и дают хорошо вылежаться. Снова перебирают, удаляют испортившиеся, а здоровые моют и просушивают.
На дно подготовленного бочонка с отверстием для втулки диаметром 10–14 см кладут немного сушеных яблок и наполняют его свежими на 3/4 объема.
Заливают яблоки холодной кипяченой водой, укупоривают бочонок и ставят в погреб на 4–5 недель для брожения. Слив готовый сидр, снова заливают мезгу кипяченой водой и так повторяют в течение всей зимы, весны и даже лета, пока яблоки не вымокнут.
Слитый яблочный сидр хранят в погребе. Такой сидр стоек, но бывает очень кислым, поэтому перед употреблением в него можно добавить сахар или сок и немного питьевой (двууглекислой) соды, получается вкусный шипучий напиток.
Оставшиеся яблоки тоже вкусны и выбрасывать их не стоит.
Пятый способ. Можно приготовить сидр из сушеных яблок или смеси их с грушами. Сидр лучше получается из очищенных перед сушкой плодов (без кожицы и семенной коробочки), нарезанных ломтиками и высушенных на солнце, а не в печи или сушилке. В подготовленный бочонок или стеклянную бутыль насыпают сушеные плоды и наливают холодную кипяченую воду (на 1 кг 10 л) Закрывают тканью и, не укупоривая, ставят на 3–4 дня в прохладное помещение, а затем переносят в погреб или ледник, где выдерживают, пока напиток не забродит
В начале брожения бочку с сидром забивают пробкой (шпунтом) и оставляют в погребе на 3–4 недели Качество такого сидра повысится, если в начале брожения разлить его в бутылки, положив в каждую по изюминке. Плотно укупоренные бутылки укладывают в подвале или погребе в песок в лежачем положении и хранят до употребления.
Шестой способ. Яблокам дать полежать, пока они не станут мягкими, но не гнилыми. Изрубить, как рубят капусту, кислые и сладкие отдельно. Выжать сок, дать ему отстояться в холодном месте три дня, чтобы гуща осела, осторожно слить и смешать сладкий сок с кислым по вкусу.Разлить в бутылки, положив в каждую по две изюминки, закупорить, поставить в холодное место. Этот сидр может стоять около года.
Грушевый сидр
Грушевые сидры готовят так же, как и яблочные — третьим, четвертым и пятым способами, но они сохраняется не так долго. Вкус сидра зависит от сорта фруктов.
Шиповка
Делается из любых спелых ягод или фруктов. Возьмите стеклянный баллон, налейте в него 8 л чистой сырой воды, насыпьте 2,5 кг сахара и тщательно размешайте, чтобы он полностью растаял. Потом засыпьте в баллон 2,5 кг свежих и зрелых ягод или фруктов, влейте 1 л водки и несколько раз взболтайте баллон. Горлышко сосуда перевяжите холстом и поставьте на солнечное место дней на 12. Все это время взбалтывайте емкость.
На вторую неделю ягоды в баллоне начнут понемногу переходить снизу вверх и наоборот. Это говорит о завершении первого этапа приготовления. Тогда профильтруйте шиповку через холст. Перелейте жидкость в другую бутыль и поставьте на три дня в погреб на лед или в холодильник при самой низкой температуре (но не замораживая).
Когда через трое суток шиповка устоится, еще раз процедите через плотную ткань и разлейте по бутылкам. Это обязательно должны быть бутылки из-под шампанского и наливать их следует до начала горлышка или даже на два пальца ниже. Пробки перед закупоркой выварите в кипятке и забивайте в бутылки деревянным молотком, а затем привяжите тонкой проволокой, как закупоривают шампанское. Заройте бутыли горлышками вниз в песок, лучше всего в погребе, или хотя бы просто в темном прохладном месте, и оставьте так на полтора-два месяца. После этого шиповка уже полностью готова, но хранить ее рекомендуется не более полутора лет, иначе она может скиснуть.
ДОМАШНИЕ КРЕПКИЕ ВИНА
Домашние вина имеют множество рецептов приготовления, однако, зная общие принципы и технологию приготовления вин, каждый любитель может создать свои неповторимые вкусные и ароматные напитки.
Традиционный способ получения вин основан на сбраживании соков ягодных культур с добавкой сахара, посредством культурных или собственных дрожжей. При этом весь сахар преобразуется в спирт, и в результате получают вина с со держанием спирта 10–14°. При такой крепости сладкие вина из-за наличия свободного сахара недостаточно стойки. Повысить крепость напитка можно добавив спирт или водку.
Существует группа вин, называемых крепкими. Технология приготовления их включает ряд операций, которые выполняются в определенной последовательности. В число их обязательно входит спиртование, так как получить вино с высокой концентрацией спирта путем сбраживания сладкого сусла не представляется возможным.
Крепкие вина готовят следующими способами:
а) спиртованием соков;
б) спиртованием бродящего сусла;
в) спиртованием молодого вина.
Спиртование останавливает брожение и сохраняет в вине необходимое количество сахаров. В ряде случаев для получения сладких десертных вин к молодому вину прибавляют вместе со спиртом сахарный сироп и ароматические вещества, полученные из ароматических или лекарственных растений. Такие вина содержат 14–20° спирта, 5-16 % сахара и 0,6–0,8 % кислот.
При спиртовании пользуются очищенной водкой или спиртом, которые добавляют в необходимом количестве для получения желаемого состава вина.
Определенные сложности представляет способ спиртования бродящего сусла, в частности, спиртование сбраживаемого сусла на мезге. Особенность состоит в том, что сок из ягод и плодов не отжимают, а дробят, добавляя сахарный сироп, и сбраживают в неполных закрытых резервуарах с «плавающей шапкой» мезги при температуре не выше 2 6 °C. Через 3–5 дней, когда концентрация сусла снизится до 1,035-1,045 (6–9 % сахара), его прессуют, добавляют крепкий спирт (90°) и настаивают 7–8 дней. Затем фильтруют, осветляют и оставляют для созревания.
Созревание вина происходит в закрытых сосудах в присутствии небольшого количества кислорода (60—300 мг/л). Выдержка его сопровождается несколькими открытыми переливаниями из одной емкости в другую. При этом вино соприкасается с кислородом воздуха который в дальнейшем обеспечивает биохимические процессы в герметично закрытом сосуде. В результате созревания в вине формируется сложный вкус и тонкий аромат с различными нежными оттенками. Температура созревания вина находится в пределах 14–16 °C, а длительность составляет два года и более.
При спиртовании молодого вина главная сложность состоит в правильном определении количества вносимого в него спирта.
При расчете потребного количества спирта или водки грубо можно считать, что с добавлением к вину крепостью в 10° 1 % спирта или 2 % водки крепость повышается на 1°
Возьмем, к примеру, водку. Расчет потребного количества ее очень прост: допустим, имеется 30 л сладкого вишневого вина крепостью 10°. Крепость его необходимо повысить до 14°, то есть увеличить на 4°. Тогда водки потребуется:
(30 х 2 х 4)/100 = 240 / 100 = 2,4 л.
Если крепость этого вина нужно довести до 16°, то водки потребуется:
(30 х 2 х 6)/100 = 360 / 100 = 3,6 л.
Потребное количество водки необходимо добавить в сбродившее вино, тщательно перемешать до получения однородной крепости и оставить на 4–5 суток для ассимиляции, т. е. для того, чтобы водка полностью соединилась с вином.
Следует помнить, что после внесения водки и перемешивания виноматериал теряет прозрачность. В нем образуется опалесценция (помутнение), снова выпадает некоторое количество осадка. Поэтому жидкость нужно выдерживать в баллоне до розлива в бутылки 15–20 дней, после чего снять с осадка с помощью резинового шланга, профильтровать, разлить в бутылки, укупорить, но пастеризовать уже не нужно. Спирта в нем достаточно. Все микроорганизмы подавлены. Дрожжи размножаться уже не могут. Спирт — хороший консервант, когда его содержится не менее 17 %.
Приведенные ниже рецепты крепких вин являются лишь примерами и показывают возможности применения описанных способов для получения новых видов вин с высоким вкусовыми качествами и хорошим ароматом.
Вишневое вино
Вишни сладких сортов отделяют от косточек, ссыпают в бутыль и заливают сахарным раствором 10 % концентрации. Добавляют дрожжей и оставляют для брожения на 3–5 дней. После этого сливают и спиртуют, добавляя 300–350 мл спирта на 1 л вина. Вино выдерживают в течение 5–6 месяцев и, когда оно осветлится, снимают с осадка. Вино имеет приятный вкус и может долго храниться в прохладном месте.
Красное смородиновое вино
Красная смородина дает высокие урожаи, обладает — хорошей сокоотдачей, легко осветляется и поэтому эти ягоды широко применяют для приготовления различных вин.
Единственный недостаток красной смородины — отсутствие аромата, но это можно легко исправить введением в вино ароматических добавок.
Для приготовления: вина путем спиртования забродившего сусла берут зрелые ягоды, отделяют от плодоножек, моют и дают обсохнуть. Затем ссыпают в деревянную или эмалированную посуду и дробят деревянным пестом. После этого в мезгу добавляют сахарный сироп, расходуя 100–120 г сахара и 250–300 мл воды на 1 л мезги.
Полученное сладкое сусло сбраживают, для этого в него добавляют 3 % винных дрожжей и оставляют в теплом месте на 2–3 дня. В процессе брожения мезгу тщательно перемешивают деревянным веслом 3–4 раза в день для лучшего извлечения питательных веществ и во избежании закисания «шапки» мезги на поверхности.
Затем мезгу прессуют и полученное сусло спиртуют, добавляют ароматические вещества и настаивают в закрытой посуде 7—10 дней. В зависимости от вида будущего вина на 1 л сусла берут 250–350 мл спирта 70–80°.
При настаивании проводят осветление вина, добавляя по 1 столовой ложке молока на 1 л вина. Когда вино осветлится, его снимают с осадка. В результате получают ароматное вино, содержащее 15–18° спирта, 10–12 % сахара с кислотностью 0,6–0,8 %.
Крыжовниковое вино
Приготовляют способом сбраживания сладкого сусла без отделения мезги, аналогично вину из красной смородины.
Малиновое вино
Делают из малинового сока совершенно зрелых ягод. На 10 л сусла берут 6 л малинового сока, 2,6 л воды, 2,4 кг сахара (1,6 кг вносят до начала брожения, остальные — после). Брожение после внесения закваски длится 10–12 дней, после чего вино спиртуют: на 10 л вина — 1 л водки. Вино выдерживают 5 суток, затем фильтруют, вносят остаток сахара и закупоривают в бутылки. Вино получается красивого малинового цвета с ароматом свежих ягод.
Вино типа «Портвейн»
Приготавливается без добавления сахара при спиртовании, поскольку спиртуется сусло, перебродившее лишь наполовину. Виноматериал считается перебродившим наполовину, если в нем есть не менее 3–5° спирта. Градусы определяются спиртометром или на вкус. На вкус пробуют вино уже на вторую неделю активного брожения. Рекомендуем самим подобрать необходимое содержание сахара в продукте. Спирт вносится в сусло с расчетом, чтобы в готовом вине его было 17–20 % об. Сусло отделяют от мезги, процеживают и доливают спиртом. Брожение в течение суток прекращается. Остается только укупорить вино и дать ему отстояться до полного осветления. После чего перелить в бутылки до половины горлышка и укупорить окончательно.
Рябиновое вино
Для этого вина используют ягоды сладких сортов рябины: Невеженская, Гранатная и другие. Можно использовать и ягоды лесной рябины при условии предварительной обработки в соляном растворе описанным способом.
Ягоды рябины отделяют от гребней, моют и дробят в деревянной посуде. В мезгу добавляют сахарный сироп (1 л 20 % сиропа на 1 кг), азотистое питание (0,3 г хлористого аммония на 1 л сусла) и разводку дрожжей. Сусло сбраживают 5–7 дней, затем прессуют, добавляют настой ароматических веществ и 350–500 мл спирта на 1 л вина.
В результате получают молодое вино готовое к употреблению. Оно содержит 16–18° спирта и 6–8 % сахара. Для созревания вино хранят в прохладном месте 6–8 месяцев, при этом улучшается вкус и аромат напитка.
Таким образом, можно приготовить вино из ирги, вишни и других ягод.
Сливовое вино
Ягоды сливы обладают плохой сокоотдачей и требуют специальной обработки для лучшего отделения сока. Для приготовления вина отбирают спелые, неповрежденные ягоды, моют и укладывают в стеклянную посуду. Загодя готовят сахарный сироп (200 г сахара на 1 л воды). Его нагревают до кипения и заливают ягоды кипящим, потом закрывают крышкой и выдерживают под теплой шубой в течение 8 часов. Затем сливают сироп, вновь нагревают до кипения и заливают ягоды вторично. На 1 кг слив берут 2 л сиропа.
Остывший ягодный настои спиртуют, добавляют ароматические вещества, закрывают крышкой и настаивают 10–15 дней. После этого аккуратно снимают с осадка и разливают для хранения. Вино содержит 15–18° спирта и 14–16 % сахара, имеет приятный вкус и может долго храниться. Выдержка улучшает вкус и аромат напитка. Таким же способом готовят вино из вишни, терна.
Фруктово-ягодное вино
Ягоды черной смородины моют, дробят, засыпают сахаром, и, поместив в стеклянную посуду, оставляют для отделения сока в теплом месте на 1–2 дня. После этого отжимают сок из свежих яблок и добавляют к соку черной смородины. На 1 л яблочного сока берут 500 мл смородинового сока. Смесь соков настаивают 4–6 дней в закрытом сосуде, потом прессуют, добавляют сахар (60–80 г на 1 л) и 300–350 мл спирта на 1 л смеси. Настаивают 7–9 дней, осветляют и снимают с осадка. В результате получают ароматное десертное вино, содержащее 16° спирта и 12–14 %. сахара. Оно хранится в прохладном месте, выдержка улучшает вкус напитка.
Яблочное крепкое вино
Это вино приготовляют из натурального яблочного сока. Хорошее вино получается, если на 9 л яблочного сока добавить 1 л рябинового сока. Сусло устанавливают на брожение, добавляют сахар и закваску. На 11-й день крепость его достигает 10°. Тогда и спиртуют: на 10 л вина — 1 л водки. Цвет вина будет золотистый, а вкус — освежающе кисло-сладкий, с ароматом свежих яблок.
Вино из сушеных яблок
Взять сушеные яблоки сладких и кислых сортов, положить в деревянную или эмалированную посуду, залить горячей водой 80–90 °C и настаивать в течение суток. На 1 кг яблок берут 800 мл воды. Затем яблоки прессуют, добавляют сахарный сироп и дрожжи, после чего оставляют для брожения. Через 5–6 дней сусло спиртуют, добавляя 500 мл спирта 70° на 1 л, и дают настояться 3–5 дней. Затем вино аккуратно снимают с осадка и оставляют для созревания в плотно закрытом сосуде, которое длится 6–8 месяцев. При этом делают одну-две переливки. Готовое вино повторно снимают с осадка и хранят в прохладном месте.
Таким же способом можно приготовить вино из свежих яблок.
Вермут
Вермут — это купажное, крепленое, десертное вино, ароматизированное настойкой из различных трав со специфическим горьковатым вкусом полыни. Оно прекрасно возбуждает аппетит. Для приготовления вермута в домашних условиях удобно заготавливать виноматериалы в отдельности, а смешивать их после снятия сусла с дрожжей так же, как это описано при приготовлении купажных вин. Готовят виноматериалы для вермута так же, как и для десертного вина. Вермут бывает белый и красный в зависимости от входящих в него виноматериалов.
Состав вермута красного (1 способ):
- клюквенный виноматериал… 3 л
- черничный… 7 л
- мед… 1 л
- настой трав… 1 чайная ложка
Состав вермута красного (2 способ):
- клюквенный виноматериал… 8 л
- рябиновый виноматериал… 2 л
- мед… 1,5 л
- настой трав… 1 чайная ложка
Состав вермута белого:
- яблочный виноматериал… 8 л
- виноматериал из дикой рябины… 2 л
- мед… 8 л
- настой трав… 1 чайная ложка
Приготовление душистой настойки для вермута. Настой трав готовят на водке. На 250 г водки добавляют: 4 г тысячелистника, 3 г корицы, 3 г мяты, 1 г мускатного ореха, 2 г кардамона, 1 г шафрана и 3 г полыни. Можно приготовить настой из чабреца, богородской травы, корневища фиалки, минника душистого, полыни.
Травы измельчают, помещают в бутылочку с водкой и дают настояться в продолжение недели, ежедневно взбалтывая бутылочку с настойкой. Если не нашлось одной из трав — не беда. Главное — чтобы была полынь, которую можно заменить экстрагоном.
На 1 л вермута надо 50 г настойки (если на спирту), и, соответственно, — 120 г если на водке. Кроме того, нужно 100 г сахара. Все компоненты тщательно перемешать, разлить в бутылки до середины горлышка. Через 2–3 недели вермут приобретет свой неповторимый букет. Напиток хорошо хранится.
КУПАЖИРОВАНИЕ
Применяя смешивание соков различных фруктов, удается приготовить вино приятное на вкус, которое вполне заменяет виноградное.
Смешиванием разных соков улучшается вкус, свойственный тем или иным фруктам: резкость одного умеряется безвкусностью другого, который этим улучшается, кислотность одного уменьшается другим, специфический, характерный, свойственный иным фруктам вкус или привкус заглушается или ослабляется. В результате вино получается более вкусное, чем приготовленное из каждого отдельно взятого фрукта.
Сок с высокой экстрактивностью в 5–6 % (вишневый, сливовый, рябиновый, черносмородиновый и др.) снижается до нормы 2–3 % за счет смешивания с соками малоэкстрактивными. Сок густоокрашенный можно использовать для улучшения цвета слабоокрашенных соков и т. д. Иногда добавляют воду для снижения кислотности и почти всегда сахар до нормы того типа вина, которое намерены приготовить.
При составлении купажей сусел титруемая кислотность должна быть несколько выше нормы для готового вина, ибо при подсахаривании и возможном спиртовании сброженного виноматериала кислотность снизится, так как объем его увеличится, а количественное содержание кислоты останется таким же. Для крепких и сладких вин кислотность должна быть свыше 1 % (1,1–1,4 %), а для столовых — около 1 %(0,8 %-1%).
В отношении того, какие плоды и ягоды следует смешивать, в какой пропорции, никаких установленных правил нет, ибо все зависит от вкуса и требований винодела, от имеющихся фруктов, от их качества и т. п. условий. Каждому необходимо выработать тот рецепт смеси, который дает наилучшее в данных условиях вино.
Смешанные вина можно приготавливать по одному из нижеприведенных способов.
Первый способ. Подобранные и подготовленные для составления смеси плоды отвешивают в нужном количестве по отдельности, затем смешивают и измельчают. Отжимают сок и определяют в нем содержание кислоты и сахара. Исправляют сок добавлением сахара, воды и кислоты, если в этом есть необходимость. Затем сусло подвергают брожению. Но этот способ, кажущийся очень простым, имеет ряд недостатков: во-первых, нужно, чтобы имелись все плоды, из которых предполагают делать вино, чего часто не бывает, так как фрукты и ягоды созревают не одновременно и постепенно; во вторых, фрукты обладают различной способностью отдавать сок, и в мезге остается много его не отжатого. Мезгу смеси можно подвергнуть предварительному подогреву или подбраживанию, но не для всех видов плодов эти меры подходят. Так, некоторые из плодов могут образовать слизь, а сок других может начать подкисать.
Второй способ. Он состоит в том, что из плодов сок отжимают по отдельности в нужном количестве. Каждый сок исследуется на сахаристость и кислотность. Затем сок сдабривают, исправляют и готовят сусло соответственно тому типу вина, которое намерены получить (столовое, крепкое, сладкое). Все отдельные виды сусла соединяют, перемешивают и ставят на брожение. В этом случае не имеет значения, что в настоящее время нет какого-либо сока. Из плодов, созревших позже, приготавливают сусло и добавляют в уже бродящее, можно даже в конце бурного брожения. Но важно, чтобы бурное брожение еще не закончилось.
Введение свежего сусла возобновляет затухающее бурное брожение, вредные грибки не успевают развиться и угнетаются полезными дрожжами, поэтому новое сусло выбраживает энергичнее, быстрее. Дополнительного внесения разводки дрожжей не требуется. Рецептура для составления 10 л сусла из смеси соков различных плодов и ягод приводится в Приложении № 3.
Третий способ. Состоит в том, что смешивают в желаемой пропорции не соки или сусла отдельных фруктов, а вполне готовые вина, закончившие уже свое дображивание. Никаких преимуществ этот способ не имеет, наоборот, отличается весьма многими неудобствами и недостатками, в особенности тем, что отдельные вина плохо смешиваются, т. е. вкус и аромат каждого долгое время слышен в отдельности. Требуется выдержка вина в течение 3–5 лет, а иногда и дольше, для получения нужного букета.
Приведем примеры смеси готовых виноматериалов.
Рябиновое вино:
- рябиновый виноматериал… 8 л
- яблочный виноматериал… 2 л
- сахар… 1,6 кг
Рябиново-смородиновое вино:
- рябиновый виноматериал… 5 л
- красносмородиновый виноматериал… 5 л
- сахар… 1,6 кг
Медово-рябиновое вино:
- рябиновый виноматериал… 7 л
- яблочный виноматериал… 5 л
- сахар… 1,6 кг
Рябиново-смородиновое вино:
- рябиновый виноматериал… 5 л
- красносмородиновый виноматериал… 5 л
- сахар… 1,6 кг
Медово-рябиновое вино:
- рябиновый виноматериал… 7 л
- яблочный виноматериал… 2 л
- мед… 1,6 кг
Черносмородиновое ликерное вино:
- черносмородиновый виноматериал… 8 л
- черничный виноматериал… 2 л
- сахар… 2 кг
Красное сладкое:
- клюквенный виноматериал… 2,5 л
- яблочный виноматериал… 5 л
- черничный виноматериал… 2,5 л
- сахар… 1 кг
Яблочно-смородиновое:
- яблочный виноматериал… 7 л
- черносмородиновый… 4 л
Яблочно-крыжовниковое:
- яблочный виноматериал… 6 л
- крыжовниковый… 4 л
Малиново-яблочное:
- малиновый виноматериал… 6 л
- яблочный виноматериал… 2 л
- красносмородиновый виноматериал…2 л
Вишнево-смородиновое:
- вишневый виноматериал… 6 л
- красно смородиновый виноматериал… 2 л
- черничный виноматериал… 2 л
Смородиновое вино:
- черносмородиновый виноматериал… 5 л
- красносмородиновый виноматериал… 3 л
- черничный виноматериал… 2 л
Следует помнить, что важным показателем качества вина является его прозрачность. Для этого осветлившиеся виноматериалы в большинстве случаев нужно не только снимать с осадка, но и фильтровать с помощью стеклянной воронки, положив в нее марлю и вату так, чтобы жидкость вытекала медленно.
Осветленные виноматериалы купажируют только после того, как они сняты с осадка. После купажирования им дают отстояться 2 недели, вторично снимают с осадка, разливают в бутылки, укупоривают и хранят, как и десертное вино.
Купажирование открывает перед каждым виноделом широкие просторы для творчества.
Подбирать кулажи можно и нужно каждому садоводу, сообразуясь с теми культурами, из которых он готовит вина. Для этого готовые виноматериалы отмеривают стаканчиком в 100 г в различных сочетаниях в бутылки, записывают эти компоненты, перемешивают содержимое и пробуют на вкус. Отмечают комбинацию с наилучшим вкусом, и в этом сочетании смешивают приготовленные вина в нужном количестве.
Приложения
ПРИЛОЖЕНИЕ № 1
Точное определение количества сахара и воды, прибавляемых к соку при изготовлении плодово-ягодных вин
Точно рассчитать количество воды и сахара, которое нужно добавить к соку перед брожением для получения разных вин можно только определив в нем содержание кислоты и сахара.
Подготовка сока к анализу.
Сок для анализа из вишни, малины, белой и красной смородины, винограда получают следующим образом. Из плодов и ягод, предназначенных для переработки, отбирают среднюю пробу весом 500 г, затем их раздавливают и отжимают сок через марлю. Сок наливают в цилиндр емкостью 250 мл и дают ему отстояться около часа. После этого чистый прозрачный сок берут для анализа.
Подготовить вышеописанным способом сок таких культур, как крыжовник, черная смородина, слива, для анализа невозможно. Для получения сока крыжовника, черной смородины, сливы 800 г ягод раздавливают руками в маленькой эмалированной кастрюльке и быстро нагревают мезгу до кипения, постоянно помешивая, чтобы она не пригорела. Кипятить мезгу не нужно. После нагревания мезгу снимают с огня и через марлевый мешочек отжимают сок в стеклянный цилиндр. Сок, охладившийся до комнатной температуры и отстоявшийся, берут для анализа.
Определение кислотности сока.
Содержание кислоты в соке определяют путем нейтрализации кислоты щелочью определенной концентрации. Для определения кислотности нужны едкий натрий (химически чистый: 5,97 г на 1 л дистиллированной воды) и лакмусовая бумага.
Из посуды и приборов требуются: две конические колбочки емкостью 200 мл, одна бюретка емкостью 50 мл, стеклянная палочка, одна мерная колба емкостью 1 л, одна пипетка емкостью 10 мл и штатив для бюретки.
Раствор едкого натрия готовят так. Отвешивают на аптекарских весах 5,97 г едкого натрия и растворяют его в дистиллированной воде, налитой в коническую колбочку. Когда щелочь растворится, раствор переливают в мерную колбу. Коническую колбочку несколько раз ополаскивают водой. Воду сливают в ту же мерную колбу. Затем в нее до отметки наливают воду и тщательно перемешивают.
Раствором едкого натрия, приготовленного таким образом, заполняют бюретку с делениями (точность до десятых долей миллилитра). Нужно следить, чтобы кончик бюретки был наполнен раствором щелочи. Затем пипеткой отмеряют 10 мл сока. Придерживая рукой, верхний конец пипетки, нижний опускают в сок и всасывают ртом сок выше указанной черточки. Затем отнимают ото рта пипетку и быстро закрывают верхний конец указательным пальцем, после чего осторожно приподнимают палец и выпускают часть жидкости, уравнивая ее с намеченной чертой. Отмеренное количество сока выливают в колбочку, добавляют к нему 20 мл горячей прокипяченной воды и размешивают. После этого из бюретки в колбочку с соком постепенно прибавляют раствор едкого натрия: после каждого прибавления щелочи сок тщательно перемешивают стеклянной палочкой и наносят каплю раствора на лакмусовую бумагу сиреневого цвета. Вначале от нанесения капли лакмусовая бумага покраснеет, затем, по мере того как жидкость нейтрализуется, цвет лакмусовой бумаги постепенно меняется: вместо ярко-красного становится розовым, затем сиреневым. А если щелочи к соку добавлено с избытком — синим. При нейтрализации надо уловить момент, когда цвет лакмусовой бумаги от капли нейтрализуемого раствора будет такой же, как от капли воды, нанесенной на лакмусовую бумажку.
Количество раствора едкого натрия, пошедшего на нейтрализацию 10 мл ягодного сока, показывает, сколько граммов яблочной кислоты содержится в 1 л сока. Если на нейтрализацию сока крыжовника пошло 18 мл щелочи, следовательно, в 1 л сока содержится 18 яблочной кислоты, или 1,8 %.
При вычислении кислотности виноградного сока вес кислоты принимаются за винную, т. е. условно допускается, что в соке находится только винная кислота. Поэтому, чтобы перечислить яблочную кислоту в винную надо количество щелочи, пошедшей на нейтрализацию 10 мл виноградного сока, умножить на коэффициент 1,119. Например, на нейтрализацию виноградного сока пошло 9 мл щелочи, следовательно, 1 л сока, содержит 10 г кислоты (9 x 1,119), или 10 %.
Определение сахаристости сока.
Точно определить содержание сахара в соке ягод простым физическим методом (ареометром) не представляется возможным, так как ареометрический метод при анализе плодово-ягодных соков дает в цифрах большие отклонения. Ареометрический метод успешно применяется при определении сахара в виноградном соке.
Для точного определения количества сахара в плодово-ягодном соке необходимо сделать его химический анализ, что в домашних условиях сложно. Потому мы рекомендуем пользоваться средними данными содержания сахара в плодово-ягодных соках, тем более что содержание сахара в пределах одной культуры и района подвержено меньшим колебаниям, чем содержание кислоты (см. Приложении № 2).
Определение сахара и воды, прибавляемых к соку.
Допустим, что мы ищем сок черной смородины с кислотностью 27 г на 1 л и сахаристостью 8 % (т. е. 80 г на 1 л) хотим приготовить вино с кислотностью 9 г на 1 л. Следовательно, каждый литр сока мы должны разбавит в 3 раза (27:9). Иначе говоря, к каждому литру сока нужно было бы добавить 2 л (или 2000 мл) воды. Но сок будет разбавляться не только за счет воды, но и за счет сахара объем которого необходимо вычесть из объема рассчитанной воды. Для получения вина крепостью около 16° необходимо добавлять 280 г сахара на 1 л сока (учитывая, что 1 г сахара даст 0,6° спирта), включая в это число сахар, находящийся в 1 л сока.
Следовательно, ко всему объему сусла (в нашем примере 3 л) необходимо было бы добавить 840 г сахара (280 x 3 = 840), но из этого количества нужно вычесть сахар, находящийся в 1 л сока (в данном примере 80 г). Таким образом, надо добавить 760 г сахара. Затем устанавливаем, какой объем занимает этот сахар. Килограмм сахара имеет объем 0,6 л, значит, 760 г будут занимать объем 456 мл (0,6 х 760).
Следовательно, для приготовления вина к 1 л сока черной смородины добавляют 760 г сахара и 1544 мл воды.
Таким образом, количество воды, добавляемой к 1 л сока, можно определить по формуле:
X = (А/Б — 1) — (У*0,6)
где X — количество воды, добавляемой к 1 л сока (в мл);
А — количество кислоты в 1 л сока (в г);
Б — количество кислоты, которое мы хотим оставить в 1 л сока (в г);
У — количество сахара (в г).
Количество сахара можно рассчитать по формуле:
У = (280 х В) — Г
где У — количество сахара (в г);
В — отношение А/Б;
Г — количество сахара в 1 л сока (в г).
Объем сахара в растворе вычисляют по формуле:
С = У х 0,6
Количество сахара, вычисленное по формуле, вносят в четыре приема: 2/3 всего сахара до брожения, а остальной равными дозами на 4, 7 и 10 день брожения.
Если точно выполнить все указания, не пренебрегая никакими мелочами, можно получить прекрасные, ароматные и тонкие вина.
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2
Среднее количество сахаров, кислот и дубильных веществ в соке из плодов различных культур (в %).
ПРИЛОЖЕНИЕ № 3
Рецептуры для составления сусла из смеси соков различных плодов и ягод (купажные вина).
ЛИТЕРАТУРНЫЕ СТРАНИЦЫ
Рог изобилия
Владимир Григорьев
Взрослые и дети!
Вы за утиль в ответе!
(Из старинных реклам Главутиля)
В одном из старинных московских переулков и по сей день висит эта покоробленная временем, грубой рыночной работы реклама. Много лет назад ее прикрепили к забору, старому замшелому забору, рассчитывая, что невзрачный фон его как нельзя лучше оттенит игру красок рекламы. И действительно, первое время она бросалась в глаза прохожим, некоторые замедляли шаг, крутили головами и бормотали: "Надо же!.
На картине был схематично изображен большой, из чистой листовой меди рог. Человек в спецовке сыпал в узкий конец его какую-то труху, отбросы, а из широкого конца стремительным потоком вырывались полезные, нужные всем вещи. Шерстяные отрезы, хлебобулочные изделия, перочинные ножи, полуботинки, гармоники и даже поллитровка блестела своим неоткупоренным горлышком среди всего этого великолепия.
Няньки и молодые мамаши, прогуливая детишек по переулку, как правило, останавливались перед живописным изображением и говорили своим крепышам: "Рог изобилия".
Но прошло время. Лютые морозы погнули геометрически правильный овал, палящие лучи солнца заметно обесцветили надраенную медь, а ветры унесли с картины мусор, лопату и многие из вещей. Сюжет картины крайне упростился. Из жерла рога вырывается теперь один лишь патефон да стеклянное горлышко с изломанными краями. А человечек, лишенный лопаты, стоит, согнувшись, над рогом, всматривается внутрь его через узкий конец. Скоро, скоро понесется человечек с ветрами вслед за своей лопатой. Недолго осталось. И вся его горестная поза как бы говорит: "Вот ведь какая хреновина получилась. Сломалась машина. А ведь как работала, как работала!"
Словом, от былой обаятельности блистающего меднобокого рога не осталось и следа. Он обезличился, слился с забором. Прохожие не замедляют теперь шага в этом переулке. И постовой Петров, последние пятнадцать лет простоявший почти напротив рекламы, невидящим взглядом скользит по ее закопченной поверхности, оглядывая просторы переулка. Спроси постового прямо, без затей: "Висит ли напротив твоего пункта рог изобилия?" — он не сумеет ответить.
И в общем-то ничего, конечно, от этого не менялось. Висит ли плакат, нет ли его, что толку? Из тысяч людей, прошедших за многие годы мимо, лишь несколько поддались его призыву и снесли свой хлам в утильсырье. Да и то в жизни поддавшихся этот случай не превратился в правило, и они постарались забыть о нем, как стараются забыть о фактах мелких, не относящихся к числу тех, которые излагаются в биографиях.
Но тем не менее рог висел. Забытый, слившийся с забором, он будто ждал того единственного, кто мог бы по достоинству оценить значимость замысла художника, вдохновиться на великие дела.
Был ранний вечер холодного осеннего дня, когда человечек небольшого роста, в драповом пальто давно вышедшего из употребления фасона шел как раз по этому переулку. Видавшая лучшие времена фетровая шляпа была глубоко нахлобучена, руки засунуты в карманы, а локоть прижимал растрепанные тонкие книжки: "Самоучитель игры на семиструнной гитаре" и "Самоучитель языка". На месте, отведенном под название языка, чернела жирная клякса.
Человек, видимо еще не выучивший все языки и не умеющий пока играть на семиструнной гитаре, шел вдоль забора прогулочным шагом. Спешить было некуда, дневные хлопоты кончились, а дома ждала взятая напрокат гитара. Отчего не пройтись по улице, поглядывая по сторонам?
Вот он и шел вдоль забора с описанной выше рекламой. Она попалась ему на глаза. Прохожий придержал и без того медленный шаг и даже остановился. Он постоял, переступил с ноги на ногу, подошел поближе. Потом протер рукавом часть изображения, еще раз взглянул, вздохнул и собрался было идти дальше. Но вдруг лицо его просияло, он хлопнул себя по лбу. "Мать честная!" — сказал он негромко, выхватил записную книжку, что-то записал и чуть ли не бегом помчался к выходу из переулка.
Дома он даже не посмотрел на гитару, блестевшую нежно-желтыми боками. Сразу же стал искать бумагу. Затем откуда-то извлек почти новый химический карандаш — и работа закипела!
Он работал с упоением. Писал какие-то формулы, умножал, набрасывал схемы и рисунки. Нотная бумага вскоре кончилась, тогда из-за шкафа был торжественно вынут большой лист плотной бумаги и кнопками прикреплен прямо к стене. Химический карандаш замер в некотором отдалении от листа, потом р-раз! — и на листе появилась первая точка.
Через час таких точек было уже множество. Тогда человек маленького роста отошел в сторону, что-то прикинул, снова подошел к стене и ловким движением соединил точки одной плавной линией. Потом опять отошел, оглядел чертеж, крякнул, радостно потер руки. На стене красовался рисунок рога изобилия — ни дать ни взять как тот, что и по сей день висит в старинном московском переулке.
— Степан Онуфриевич, мне бы примус починить, — раздался голос из приоткрытой двери.
— Примус? Некогда, некогда сейчас, соседушка, — рассеянно отозвался он, все еще любуясь своим произведением. — Видишь, изобретаю…
— Ах, голова, голова, опять изобретает! — посочувствовала соседка и закрыла за собой дверь.
Степан Онуфриевич Огурцов был известен у себя во дворе как большой чудак. Но все соседи любили его. "Золотые руки!" — говорили они и несли чинить примусы, дверные замки, швейные машинки. Ребятишкам он мастерил силки, клетки для птах; бывало, помогал ремонтировать карманные приемники. Мог запросто сменить перегоревшую пробку — монтера в этот дом не вызывали. Старенькие дешевые телевизоры он ремонтировал так, что смотреть передачи приходили из соседних домов.
— Сам Огурцов чинил! — хвастались соседи. — Навек!
А домоуправской дочке он исправил куклу. После ремонта кукла вдруг стала говорящей, начала махать руками-ногами, а ровно в восемь вечера всегда закатывала глаза и валилась на бок — до восьми утра. "Будильника не надо!" — восхищался домоуправ и после этого случая стал приходить к Огурцову пить чай.
Постовой Петров ничего этого, конечно, не знал. Поэтому, когда Степан Онуфриевич зачастил в переулок, постовой насторожился. Нельзя сказать, что Петрову не понравился этот загадочный человек, который битый час мог проторчать около полустершейся рекламы, — он всегда был трезв, выбрит и опрятен. Но за всем этим постовой профессиональным чутьем чувствовал какую-то тайну, нечто детективное. И когда маленький человек в драповом пальто устаревшего фасона снова появлялся в переулке, грудь Петрова, стянутая ремнями, начинала вздыматься, а сердце учащенно стучать.
Что привлекало прохожего к плакату? Ответить на этот вопрос было невозможно. Спросить же в лоб и проверить документы Петров не решался: поведение незнакомца в общем-то оставалось в рамках законности и пристойности.
Однажды, выбрав время поудобней, Петров огляделся, увидел, что переулок пуст, сошел с поста и осторожно подкрался к изображению. Он пристально, детально изучал сначала низ, потом середину, наконец верх картины, но ничего такого, что могло бы привести человека в состояние уныния или радости, не нашел.
Огурцов приходил теперь в переулок часто. Лил ли на улице дождь, пекло ли солнышко, обжигал ли мороз — он все равно возникал и подолгу созерцал плакат. Он смотрел на него и так и эдак, отбегал в одну сторону, в другую, прицеливался.
Иногда, казалось, дело шло как по маслу. Тогда Петров видел изобретателя радостным, насвистывающим всякие веселые мотивчики. Стоптанные каблуки его туфель выбивали легкую, танцующую дробь. Он что-то нашептывал, приборматывал, и настороженное ухо постового улавливало: "Прямоточного действия… из медной обшивки… красотища-то, красотища какая!.."
Были и другие дни. Когда ничего не получалось. И постовой видел Огурцова притихшим, нахохлившимся. Тогда маялся он против плаката, сгорбив спину, не вынимая рук из карманов.
Да, нелегко, нелегко было Степану Онуфриевичу Огурцову изобретать рог изобилия. Это ведь не телевизор починить или перегоревшую пробку вывернуть.
Но Огурцов знал себя. Никогда еще в жизни не брал он дел не по плечу. Бывало и с телевизором. Посмотрит, обдумает. "Нет, — скажет, — не возьмусь". Знал свою силу Степан Онуфриевич. Оттого-то и не сдавался. "Раз пришла такая идея в голову, — размышлял он, — значит, могу".
Сначала он сделал рог во всех сечениях идеально круглым. Смонтировал вокруг сильные магниты. Заряжал статическим электричеством. Рог искрил, но только и всего. "Разряд слаб, слабо шибает", — верно подсказала интуиция, и рог был переделан в четырехугольный. Рог стал похож на большую, сильно изогнутую граммофонную трубу. Искрило еще сильней, маленькие шаровые молнии то и дело сыпались из нутра. Но до настоящего рога было еще очень далеко.
Соседи постепенно перестали таскать сломанные машинки и утюги. Только домоуправ по-прежнему заходил пить чай. Они пили помногу, чайниками, и Огурцов, как сквозь сон, слышал:
— Ах, какая штука! Будильника не надо.
"Не надо, не надо, — стучало в голове изобретателя, — круглой формы не надо, может, и квадратной не надо? Может, пустить на овал?"
Вскоре рог стал овальным. Он стоял на больших деревянных распорках посреди комнаты, укрытый от случайного взгляда широкими складками мешковины. Изобретатель приходил вечером домой, наскоро ужинал, убирал со стола и принимался за работу. "Ну, дорогой мой рожок, — говорил он вслух, — сейчас мы прочистим ваше брюшко. Сейчас послушаем, как поет ваше горлышко".
Мешковина снималась, и комната наполнялась рыжим сиянием. Зеркальные бока медного раструба вспыхивали искорками, играли радугой. Отбрасывая мешковину, Степан Онуфриевич каждый раз замирал от восторга и подолгу, не мигая, созерцал свое великолепное детище. Рядом с ним он казался себе значительным, большим, почти великим. Было чем гордиться изобретателю. Ведь не секрет, что многие пытались создать подобную конструкцию. Но нет, не выходило! А вот здесь, в этой комнате, из кратера рога уже сыпались реальные вещи; один раз вылетеликирзовые сапоги, сразу три и почему-то на одну ногу; другой раз выполз персидский ковер.
"Ты на верном пути, Степан, — сказал себе тогда Огурцов, — еще немного повозиться, и машину можно будет, не краснея, передать в эксплуатацию". И воображение изобретателя услужливо подносило всякие приятные сцены. Будто бы стоит он, Огурцов, на высоком помосте рядом с рогом, откашливается в кулак и говорит собравшимся:
— Вот, граждане, изобрел. Теперь забирайте на доброе здоровье. Действует в лучшем виде. Смазывать только не забывайте. А если у кого что сломается, телевизор или велосипед, приходите, в починке помогу…
Это были не праздные мечты. Со дня на день рог работал лучше и лучше. Перебои случались все реже.
И вот однажды Степан Онуфриевич расправил поля шляпы, надел выходной костюм, как следует почистил ботинки и отправился в учреждение. Без малейшей робости переступил он порог этого большого, наполненного занятыми людьми дома. Прошел мимо зеркальной торжественной вывески, отрекомендовался изобретателем, и его направили на третий этаж, в кабинет Молоткова. Огурцов поднялся, скромно вошел в обозначенный кабинет и увидел Молоткова. Молодой человек в щеголеватом, может быть даже модном, костюме сидел за рабочим столом и трудился. Он листал какие-то книги, что-то записывал, поминутно доставал из стола разные папки и курил, курил. То и дело звонил телефон, он снимал трубку, говорил: "Молотков слушает".
Вот к такому перегруженному работнику попал изобретатель. И даже подумал, не зайти ли в другой раз — уж больно занят товарищ. Но тот вдруг положил трубку, приветливо улыбнулся и спросил:
— Вы ко мне? — И, увидев замешательство на лице посетителя, добавил: — Садитесь, садитесь, пожалуйста, рассказывайте.
Огурцов посмотрел в окошко, потом на телефонный аппарат, подобрался и как-то сразу сказал:
— Вот, изобрел. Такую машину… как бы это сказать? Одним словом, рог изобилия. — И набросал схему.
Глаза Молоткова прямо засверкали, когда Степан Онуфриевич кончил объяснение. Он затянулся папиросой, покрепче устроился в кресле. Потом, сощурившись, посмотрел прямо в глаза Огурцова и вместе с клубами табачного дыма коротко выдохнул:
— Каков кпд?
— Восемьдесят-девяносто, — прикинул Огурцов.
— Едемте, едемте прямо к вам! — сразу и решительно произнес Молотков. Он тут же снял телефонную трубку и бросил: — Совещание отложить. Подать машину!
Новенький лимузин мчал на предельной скорости, а Огурцова брали сомнения. Перед одним из светофоров, когда машина резко затормозила, он вдруг вспомнил, что весь запас мусора и утиля израсходован. Как же демонстрировать рог?
Надо сказать, что совсем недавно изобретатель со всем своим имуществом переехал на новую квартиру. Теперь он жил на седьмом этаже с видом на красивую, идеально подметенную улицу. Каждый час по ней на малой скорости проезжал мусороподборщик и забирал весь случайный хлам. Отсутствие необходимого для эксперимента сырья выводило изобретателя из себя. Драгоценное время приходилось тратить на поездки в неблагоустроенные кварталы. В особо экстренных случаях приходилось бежать к дворнику и буквально вымаливать хотя бы ведро мусора. С условием отдачи.
Иначе дворник не соглашался: чем бы он иначе отчитывался перед начальством? Именно поэтому пришлось ухлопать несколько дней на реконструкцию рога. Теперь машина приобрела реверсивность: поворот рукоятки влево означал переработку утиля в ценности, вправо — наоборот.
Но так или иначе в данный момент утиля под рукой не было, а дворник ушел с женой в консерваторию. И, пропуская Молоткова в комнату, Огурцов имел совсем убитый вид. "Не поверит мне товарищ Молотков, ах, не поверит!", — сверлило у него в голове.
Молотков, как только увидел рог, сразу скинул пиджак, жилетку, засучил рукава и полез в потроха машины. Степан Онуфриевич стоял рядом и послушно давал объяснения. "Волнопровод, значит, заземлен?" — доносилось из чрева. "Точно, заземлен", — отвечал Огурцов, удивляясь смекалистости инженера. "Характеристика крутопадающая?" — снова неслось из раструба. "Так и есть", — подтверждал изобретатель.
Наконец Молотков вылез наружу, привел себя в порядок, закурил, еще раз обошел вокруг рога, подошел к окну, выбросил сигарету и снова закурил. Он волновался, а Огурцов молча стоял и ждал приговора.
Инженер стоял у окна, внизу широким потоком мчались автомобили. Там, за рулем и на сиденьях, проносились еще ни о чем не подозревающие люди. Сегодня они еще и не знают, какие дела творятся здесь, на высоте седьмого этажа, а завтра будут знать все. Он повернулся, подошел к изобретателю и крепко пожал руку.
— Поздравляю, Степан Онуфриевич. Здорово у вас получилось. Как говорят студенты, непонятно, но здорово. Жаль, конечно, что не можем сейчас осмотреть в работе. Но когда соберем комиссию, утильсырья привезем столько, сколько потребуется.
И, еще раз пожав взволнованному изобретателю руку, Молотков помчался по лестнице вниз, прыгая через ступеньки.
Рабочий день еще не кончился, а впереди оставалось отложенное совещание и много других дел.
Стоял безоблачный, сухой день, когда Огурцов должен был демонстрировать изобретение. В любимой ковбойке, пахнущий тройным одеколоном, он вышел на улицу и отправился в переулок. В такой день нельзя было не прийти туда, где случай помог родиться великому замыслу.
Огурцов вошел в переулок — все было на местах. На заборе по-прежнему желтело тело рога, по-прежнему на своем посту выстаивал Петров. Огурцов подошел к плакату, остановился и торжественно замер, как перед присягой. Его торжественность была чисто деловой, к ней не примешивалось суетное желание дать плакату рамку из золота и выставить на видное место или построить в переулке монумент. Изобретатель и плакат замерли друг против друга, как старые, видавшие виды бойцы, знающие, почем фунт лиха, но сделавшие свое дело! И ни грохот проезжающих грузовиков, ни быстрый бег прохожих не могли нарушить праздничной приподнятости встречи победителей, сумевших превратить пыльные будни в прямой путь к победе.
Постовой Петров, как всегда, все свое внимание отдавал уличному движению и сутолоке. Но, несмотря на это, дневной визит старого знакомого не ускользнул от него. Не прошло мимо и то новое, что появилось в облике завсегдатая переулка: неуловимая легкость, спокойствие в движениях, раскованность. Как будто бы человек нес тяжелый груз, дошел до места, сбросил и стоит, свободный, легкий, хоть лети. А когда Огурцов подошел к постовому, Петров посмотрел в его веселые, торжествующие глаза и сразу понял, что произошло что-то важное и что сейчас вся тайна откроется.
— Ну, сержант, закурим, что ли, — сказал Огурцов, доставая из кармана коробку отличных папирос. — Два года как хожу в твой переулок, а вот не поговорили.
Петров взял одну папиросу, поднес к невиданной, диковинной зажигалке и тут услышал всю историю от начала до конца. Изобретатель рассказывал не торопясь, обдумывая детали изложения, пропуская моменты, невозможные для объяснения без бумаги и карандаша. Иногда взгляд его затуманивался, уходил в прошлое, а по лицу бродила загадочная улыбка — в эти секунды проплывали самые сокровенные моменты последних лет.
— Правильное, большое дело подняли, — сказал ему на прощание сержант.
Ни тот, ни другой в этот момент и не подозревали, что сегодня они встретятся еще раз и совсем в другом месте. Огурцов поехал к своему другу — домоуправу, а Петрова срочно вызвали в отделение и сказали, что ему дается ответственное, большое задание — дежурить во время испытаний машины изобретателя Огурцова. Случаются же такие поистине фантастические совпадения и дела!
— Как же, знаю, — не сплоховал сержант, — непрерывного действия, из медной обшивки, с рычагом реверсивного хода. Лично знаком с изобретателем, — добавил он еще.
"Золото у меня в отделении, а не народ", — радостно и легко подумал начальник, выписывая наряд на дежурство.
Для испытаний был отведен небольшой загородный участок на опушке веселого березового лесочка. Солнце заливало площадку щедрыми прямыми лучами, в березовой листве, шурша, ворочались редкие порывы ветра. В ожидании начала члены комиссии расхаживали среди молоденьких березок, пользуясь лесной прохладой. Молотков, прибывший первым с группой молодых научных сотрудников, нашел подходящую полянку и играл в бадминтон. Он бил сильно и точно, почти не сходя с места. Тугие мышцы так и катались под смуглой кожей, когда он резким взмахом встречал летящий волан.
"Молодежь у нас! — одобрительно говорили более пожилые члены комиссии, поглядывая на игроков. — На дворе жара египетская, а им хоть бы хны".
Огурцов бегал по площадке и распоряжался. Нужно было за всем уследить. Он отдавал распоряжения с удовольствием. У него было хорошее настроение. Во-первых, рог был доставлен в полной сохранности, по дороге ни разу не тряхнуло. Во-вторых, он вдруг опять встретил Петрова — все же знакомый.
— А ты как здесь? — спросил он его.
— Вот прислан охранять вас от всяких случайностей. — Петров вдруг почему-то заробел и перешел на "вы".
— Ну, брат, за случайностью не уследишь, — шутливо запротестовал Огурцов. Вот, например, как и с рогом-то получилось. Шел по переулку, гляжу — плакат. Другой бы раз и внимания не обратил, а тут бац! — осенило. Случайность!
— Нет, это хорошая случайность, — не сдавался Петров.
— Ну ладно, охраняй, — согласился Огурцов и побежал принимать самосвал с утилем.
Оказалось, что прислали всего один грузовик.
— Мало! — замахал руками изобретатель.
— Неужто мало? — усомнился член комиссии, ответственный за доставку утиля.
— Так ведь непрерывного же действия. Сколько ни клади — все мало будет.
— Сколько же надо? — спросили его, и все замерли, чтобы услышать ответ.
— Десять! — твердо ляпнул Огурцов и аж вспотел от радостного волнения: такого количества сырья еще ни разу не случалось у него под рукой.
Когда десятый грузовик отвалил от площадки, комиссия собралась вокруг рога, а Молотков, успевший выкупаться и оттого имевший особенно свежий вид, произнес короткую речь.
— В истории уже бывали случаи, — начал он, — когда отдельные изобретатели опережали свою эпоху на сто, сто пятьдесят и даже большее количество лет. Они делали такие открытия и механизмы, которые, не родись этот изобретатель, оказались бы под силу лишь далеким потомкам. Это замечательное качество, я бы сказал, человеческой природы. Там, где пасует интегральная мысль общества, выручает локальная вспышка первооткрывателя; где не тянет вспышка, выручает интегральная мысль! Получается: один за всех, все за одного.
К этому типу изобретателей принадлежит и смелый экспериментатор Степан Онуфриевич Огурцов. По нашим расчетам, такую машину можно было бы разработать не раньше чем через сто шестьдесят лет. Даже имея построенный образец, разобраться в тонкостях его действия с багажом современной науки почти невозможно. Но тем не менее образец стоит перед нашей комиссией и готов к работе.
Под бурные аплодисменты Молотков сошел с трибуны. Наступил черед Огурцова. Он последний раз проверил электрические контакты, сам наложил лопатой в узкое горлышко рога утиля — для затравки — и тогда повернул рычаг влево. Рог вздрогнул всей своей медной обшивкой, тихо заурчал, и серая масса утиля сама собой поползла внутрь рога.
Некоторое время из другого конца трубы ничего не показывалось — шел внутренний таинственный процесс переработки. Но вдруг рог присвистнул, вздохнул, и прямо на землю покатились предметы. Трудно было даже уследить, какие именно: не успевала вещь появиться на свет, как ее заваливало чем-то еще. Пирамида готовой продукции росла прямо на глазах. "Шерстяные носки пошли", — успел разглядеть кто-то. "А вот самовар", — раздалось из гущи комиссии. Но то были отдельные голоса. Подавляющее большинство, потрясенное, молчало. А продукция шла и шла, удивляя своим разнообразием. Даже один подростковый велосипед подкатил к пирамиде наваленных вещей. Конструкция рога не была еще доведена до идеала, и изобретатель сам не мог сказать, чего в точности следует ожидать.
Огурцов тоже стоял потрясенный. Да и на кого бы не подействовало то, что творилось на площадке. Глубокое молчание сохранялось даже после того, как последние щепки из десятисамосвальной кучи пронеслись сквозь медный овал, превратившись в длинную гирлянду канцелярских скрепок. Так бывает после последнего взмаха дирижерской палочки великого маэстро.
Потом все разом пришли в движение, бросились обнимать друг друга и изобретателя. "Качать, качать его", — понеслось с разных сторон, и Огурцов первый раз в жизни взлетел в воздух.
Только один человек сохранял полное спокойствие среди этого шума и гама. В большом, широком пиджаке, он стоял, о чем-то усиленно думая. Большое напряжение отражалось на его лице. "Проверки, конечно, требует. Большой проверки", — шептали его губы. Среди сослуживцев он славился незаурядной скрупулезностью и великой усидчивостью. И еще: никакие самые исключительные случаи не могли вывести его из состояния полного душевного покоя. Рассказывали, будто во время одного из землетрясений, когда кругом ломались дома, в метре от него разверзлась зияющая пропасть. А он только и сказал: "Велика сила природных явлений. Приеду домой — расскажу".
Паровозов была его фамилия. К его мнению прислушивались многие.
Как только первая радость поутихла, Паровозов выступил вперед и спросил:
— А учетчик материальных ценностей предусмотрен конструкцией?
— Нет, этого не изобрел, — виновато развел руками Степан Онуфриевич, некогда было.
— Доделайте, доделайте, дорогой, — приятельским тоном указал Паровозов. — Теперь второе. Видимо, эта машина представляет известную ценность для хозяйства. Но чтобы ее принять, комиссия должна проверить все пункты действия. Вот тут написано, — он помахал бумажкой, — что конструкция имеет реверсивность хода, то есть способна переработать полученные вещи в обратном порядке. Как бы это увидеть своими глазами?
— Это уж как пить дать, в обратную сторону, — ухмыльнулся Огурцов. Только зачем?
— Порядок есть порядок, — объяснил Паровозов.
— Ну, уж ради такого случая… — И Огурцов повернул рычаг вправо.
Члены комиссии, возбужденные всем виденным, легко отнеслись к этой маленькой полемике. "Ладно, уж чего там. Посмотрим". Все равно победа была налицо.
А гора вещей между тем начала таять. Предметы со звоном влетали в раструб, все в больших и больших количествах.
Второй срез рога был гораздо шире и мог принимать гораздо большие потоки, чем узкий конец. Много предметов, поднявшись в воздух, витало вокруг рога, сталкивалось друг с другом — так притягивал широкий срез. Тучи пыли поднялись над площадкой. Загуляли небольшие смерчи, иногда сплетаясь в один мощный вихрь. И когда у одного из наблюдателей сорвало соломенную шляпу и понесло высоко к тучам, вся комиссия, не сговариваясь, бросилась на землю. Только несгибаемый Паровозов остался стоять. Он схватился за поля шляпы и уже хотел было сказать что-то о силе природных явлений, как вдруг могучий поток воздуха поднял Паровозова с места и понес прямо к ревущему жерлу горловины. Тело его легко покружило над землей, оттеснило несколько менее крупных предметов и плавно пошло вместе с основным потоком. Паровозов так и не отнял рук от полей шляпы.
Кроме Огурцова, никто не видел этого. Все лежали, плотно прижавшись к площадке, обняв голову руками. Изобретатель отчаянно, изо всех сил тянул рычаг к нулевому положению, но рычаг заело. Всем своим легким весом навалился он на проклятый рычаг — ни с места! "Скандал, скандал!" — шептали его трясущиеся губы, по лбу катились капли пота.
Огурцов оглянулся — Паровозов уже наполовину пребывал внутри рога.
— Выгребай, руками выгребай, так твою растак! — не своим голосом завопил Огурцов, бросил рычаг и ринулся в самую гущу, туда, где в хороводе пружинных стульев, умывальников, рулонов материи уже виднелись одни лишь ноги Паровозова. Мертвой хваткой вцепился в эти ноги Огурцов. Обоих окружило облако пыли.
Увидев, что дело плохо, постовой Петров одним тигриным прыжком одолел половину расстояния до рога, а через опасную зону завихрений пополз по-пластунски. Но тут рог крякнул, медно, по-колокольному загудел и остановился сам собой.
Через некоторое время люди пришли в себя и сгрудились вокруг машины. Нечего и говорить, как тяжело все переживали катастрофу. К тому же без Огурцова никто толком и не знал, как подступиться к рогу. Пробовали повернуть рычаг переработки в левое положение — рычаг свободно повернулся, но только и всего. Лишь струйка расплавленного металла вылилась наружу, да так и застыла. Тогда все вытащили папиросы и молча задымили.
Несколько дней бились инженеры и техники, чтобы оживить рог. Усилия их оказались почти безрезультатными. Молотков осунулся и похудел — все эти дни он не отходил от рога. Кто-то начал было ругать Паровозова — Молотков резко оборвал его:
— Сами виноваты! Таких Паровозовых на версту нельзя подпускать к новому. А мы вот с вами…
Тогда кто-то упрекнул самого Огурцова: что, мол, не оставил никаких толковых объяснений, когда еще было время.
— Попробуй объясни, — устало возразил Молотков, — на уровне будущих столетий. Загадочно, как люди-счетчики. Ворочают в уме миллионами, а как? Пойми-ка!
Постовой Петров переживал тяжелую утрату вместе со всеми. К тому же ему казалось, что он один за все в ответе. И Петров не смотрел в глаза членам комиссии. Как он мог допустить такое безобразие! Такую нелепую просьбу заставить машину работать наоборот! Паровозов представлялся ему теперь злостным хулиганом, из тех, кто в широких штанах. И он почти уверил себя, что однажды — был такой случай! — приводил Паровозова в участок за дебош в нетрезвом состоянии. Но из жалости отпустил и не просигналил по месту работы.
На самом деле такого случая, конечно, не было. Паровозов вел правильный образ жизни, не придерешься.
А рог передали в одну из научных групп на восстановление. Но во время катастрофы он пришел в такое состояние, что "восстановить" значило теперь изо брести заново. Пойди, поищи того, кто способен на изобретение, которое по плечу лишь далеким потомкам!
ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
Размышления на вечную тему (переработка домашнего мусора)
Проблема домашних отходов беспокоила еще неандертальцев и кроманьонцев. Решали они ее очень просто — замусорив все вокруг, меняли свою пещеру на другую, в соседнем районе. Ну а в замусоренных местах сейчас копаются археологи. Они почему-то называют такие древние мусорки культурным слоем. Шло время. Все изменялось. Изменялся состав отходов. Только проблема их утилизации оставалась неизменной. Нет, кое-какие подвижки в этой области конечно были и есть. С приручением огня мусор стали сжигать, по возможности. Так, например, возле древнего Иерусалима был овраг, Геенна, в котором сжигали мусор. «Гореть тебе в Геенне огненной» стало распространенным ругательством. Видимо в той местности огнепоклонники не были в почете. Равно как и обычай предания огню умерших. Так скромный овраг по сжиганию мусора попал сначала в Библию, а затем сделал неплохую карьеру, став адом в паре-тройке религий. Его менее известные собратья до сих пор трудятся, в дыму и пламени, по всему миру. Правда, в большинстве развитых стран их сменили заводы по сжиганию мусора, но суть от этого ведь не меняется, не правда ли. Альтернативный способ погребения умерших — захоронение их в земле, тоже был использован для разрешения мусорной проблемы. Мы так и говорим: «Захоронение мусора». Плохо горит мусор, и не всякий мусор горит. Это еще неандертальцы знали. Что не сгорит, то сгниет. Даже в самых развитых странах, вы обязательно обнаружите, невдалеке от завода по сжиганию мусора, его скромного напарника — мусорный овраг. Туда сваливают мусор. Затем его засыпают грунтом. А что будет, когда вся доступная земля окажется уже использованной для захоронения мусора. Такая ситуация кажется чем-то знакомой. Голос предков о чем-то таком бубнит.
А нельзя ли получить от мусора хоть какую-нибудь ощутимую пользу. Или прибыль. Заветная мечта человечества. Давайте абстрагируемся от проблем больших городов, с их мусоросжигающими заводами и свалками, и ограничимся рамками одного дома. Коттеджа, дачи или мичуринского участка. Нашим маленьким миром. Для начала давайте посмотрим, а что придумали для обработки хозяйственного мусора в мире большом.
Реферат «Проблема утилизации и переработки промышленных отходов»
3. Термическое обезвреживание токсичных промышленных отходов
На современном этапе открывается всё больше возможностей существенно сократить количество не утилизируемых отходов, которые имеют сложный химический состав, и, как правило, их переработка в полезные продукты или весьма затруднительна современном этапе, или экономически нецелесообразна.
3.1. Жидкофазное окисление
Жидкофазное окисление токсичных отходов производства используется для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть его заключается в окислении кислородом органических и элементоорганических примесей сточных вод при температуре 150–350 °C и при давлении 2-28 МПа [4, 23].
Интенсивность окисления в жидкой фазе способствует высокая концентрация растворенного в воде кислорода, значительно возрастающая при высоком давлении. В зависимости от давления, температуры, количества примесей и кислорода, продолжительности процесса органические вещества окисляются с образованием органических кислот (в основном СН3СООН и НСООН) или с образованием СО2, Н2О и N2 [4].
Элементоорганические соединения в щелочной среде окисляются с образованием водных растворов хлоридов, бромидов, фосфатов, нитратов и оксидов металлов, а при окислении азотосодержащих веществ, помимо нитратов, образуется значительное количество аммонийного азота [23].
Для жидкоплазменного окисления требуется меньше энергетических затрат, чем другие методы, но является более дорогостоящим, кроме этого к недостаткам метода относится высокая коррозионность процесса, образование накипи на поверхности нагрева, неполное окисление некоторых веществ, невозможность окисления сточных вод с высокой теплотой сгорания [4].
Применение метода целесообразно при первичной переработке отходов.
Это явно не для нас. Как-то не очень хочется связываться с жидкими отходами домашнего хозяйства и тем более с их осадками. Особенно из туалета.
3.2. Гетерогенный катализ
Метод применим для обезвреживания газообразных и жидких отходов. Существуют три разновидности гетерогенного катализа промышленных отходов.
Термокаталитическое окисление можно использовать для обезвреживания газообразных отходов с низким содержанием горючих примесей. Процесс окисления на катализаторах осуществляется при температурах меньших, чем температура самовоспламенения горючих составляющих газа. В зависимости от природы примесей и активности катализаторов окисление происходит при температуре 250–400 °C и в установках различных размеров [4].
В термокаталитических реакторах успешно окисляются СО, Н2, углеводороды (УВ), NH3, фенолы, альдегиды, кетоны, пары смол, канцерогенные и др. соединения с образованием СО2, Н2О, N2. Степень окисления вредных веществ 98–99.9 %. Для увеличения удельной поверхности катализации используется пористые керамические устройства из Аl2О3 и оксидов других металлов, тоже обладающих каталитической активностью [24].
Современные промышленные катализаторы глубокого окисления при температуре до 600–800 °C не следует применять при большом содержании пыли и водяных паров. Неприменим метод и для переработки отходов, содержащих высококипящие и высокомолекулярные соединения, вследствие неполноты окисления и забивания поверхности катализаторов. Нельзя применять термокаталитическое окисление при наличии в отходах даже в небольших количествах Р, Pb, As, Hg, S, галогенов и их соединений, так как это приводит к дезактивации и разрушению катализаторов [4].
Термокаталитическое восстановление используется для обезвреживания газообразных отходов, включающих в себя нитрозные газы — содержащие NOx [4].
Профазное каталитическое окисление применимо для перевода органических примесей сточных вод в парогазовую фазу с последующим окислением кислородом. При содержании в сточных водах неорганических и нелетучих веществ возможно дополнение данного процесса огневым методом или другими видами обезвреживания отходов [4].
В целом методы гетерогенного катализа нецелесообразно использовать в качестве самостоятельного способа обезвреживания токсичных отходов, а только как отдельную ступень в общем, технологическом цикле.
Аналогично.
3.3 Пиролиз промышленных отходов
Существует два различных типа пиролиза токсичных промышленных отходов.
3.3.1 Окислительный пиролиз
Окислительный пиролиз — процесс термического разложения промышленных отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Данный метод применим для обезвреживания многих отходов, в том числе "неудобных" для сжигания или газификации: вязких, пастообразных отходов, влажных осадков, пластмасс, шламов с большим содержанием золы, загрязненную мазутом, маслами и другими соединениями землю, сильно пылящих отходов. Кроме этого, окислительному пиролизу могут подвергаться отходы, содержащие металлы и их соли, которые плавятся и возгорают при нормальных температурах сжигания, отработанные шины, кабели в измельченном состоянии, автомобильный скрап и др.[4].
Метод окислительного пиролиза является перспективным направлением ликвидации твердых промышленных отходов и сточных вод.
Насчет шин и пластмасс надо подумать, но в другой раз.
3.3.2 Сухой пиролиз
Этот метод термической обработки отходов обеспечивает их высокоэффективное обезвреживание и использование в качестве топлива и химического сырья, что способствует созданию малоотходных и безотходных технологий и рациональному использованию природных ресурсов.
Вот это уже что-то.
Сухой пиролиз — процесс термического разложения без доступа кислорода. В результате образуется пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкий продукт и твердый углеродистый остаток.
В зависимости от температуры, при которой протекает пиролиз, различается [4]:
1. Низкотемпературный пиролиз или полукоксование (450–550 °C). Данному виду пиролиза характерны максимальный выход жидких и твердых (полукокс) остатков и минимальный выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания. Метод подходит для получения первичной смолы — ценного жидкого топлива, и для переработки некондиционного каучука в мономеры, являющиеся сырьем для вторичного создания каучука. Полукокс можно использовать в качестве энергетического и бытового топлива.
2. Среднетемпературный пиролиз или среднетемпературное коксование (до 800 °C) дает выход большего количества газа с меньшей теплотой сгорания и меньшего количества жидкого остатка и кокса.
3. Высокотемпературный пиролиз или коксование (900-1050 °C). Здесь наблюдается минимальный выход жидких и твердых продуктов и максимальная выработка газа с минимальной теплотой сгорания — высококачественного горючего, годного для далеких транспортировок. В результате уменьшается количество смолы и содержание в ней ценных легких фракций.
А вот это совсем хорошо.
Метод сухого пиролиза получает все большее распространение и является одним из самых перспективных способов утилизации твердых органических отходов и выделении ценных компонентов из них на современном этапе развития науки и техники.
3.4 Огневая переработка
В основу огневого метода положен процесс высокотемпературного разложения и окисления токсичных компонентов отходов с образованием практически нетоксичных или малотоксичных дымовых газов и золы. С использованием данного метода возможно получение ценных продуктов: отбеливающей земли, активированного угля, извести, соды и др. материалов. В зависимости от химического состава отходов дымовые газы могут содержать SОX, Р, N2, H2SO4, НСl, соли щелочных и щелочноземельных элементов, инертные газы.
Огневой метод переработки токсичных промышленных отходов классифицируется в зависимости от типа отходов и способам обезвреживания [4]:
1. Сжигание отходов, способных гореть самостоятельно — наиболее простой способ; горение происходит при температурах не ниже 1200–1300 °C. (следует отметить, что данный способ не является целесообразным ввиду некоторой (большей или меньшей) ценности горючих отходов и возможности их использования в данное время или в будущем).
2. Огневой окислительный метод обезвреживания негорючих отходов — сложный физико-химический процесс, состоящий из различных физических и химических стадий. Огневое окисление применимо в большей степени по отношению к твердым и пастообразным отходам.
3. Огневой восстановительный метод используется для уничтожения токсичных отходов без получения каких-либо побочных продуктов, пригодных для дальнейшего использования в качестве сырья или товарных продуктов. В результате образуются безвредные дымовые газы и стерильный шлак, сбрасываемый в отвал. Так можно обезвреживать газообразные и твердые выбросы, бытовые отходы и некоторые другие.
4. Огневая регенерация предназначена для извлечения из отходов какого-либо производства реагентов, используемых в этом производстве, или восстановления свойств отработанных реагентов или материалов. Эта разновидность огневого обезвреживания обеспечивает не только природоохранные, но и ресурсосберегающие цели.
Для достижения требуемой санитарно-гигиенической полноты обезвреживания отходов необходимо, как правило, экспериментальное определение оптимальных температур, продолжительности процесса, коэффициента избытка кислорода в камере горения, равномерности подачи отходов, топлива и кислорода [1]. Протекание процесса обезвреживания в неоптимальных условиях приводит к появлению компонентов в продуктах сгорания и, в первую очередь, в дымовых газах.
При сжигании на свалках пластмасс, синтетических волокон, хлороуглеводородов в дымовых газах могут образовываться токсичные вещества: СО, бензапирен, фосген, диоксины.
По мнению авторов [15] огневое обезвреживание (чисто термическое или с применением катализаторов) промышленных отходов приводит к уничтожению органических веществ, которые могли бы явиться ценным сырьем целевых продуктов.
Короче, та же «Геенна огненная».
3.5. Переработка и обезвреживание отходов с применением плазмы
Для получения высокой степени разложения токсичных отходов, особенно галоидосодержащих, конструкция сжигающей печи должна обеспечивать необходимую продолжительность пребывания в зоне горения, тщательное смешение при определенной температуре исходных реагентов с кислородом, количество которого также регулируется. Для подавления образования галогенов и полного их перевода в галогеноводороды необходим избыток воды и минимум кислорода, последнее вызывает образование большого количества сажи. При разложении хлорорганических продуктов снижение температуры ведет к образованию высокотоксичных и устойчивых веществ — диоксинов [7, 26]. Как утверждает автор работы [15], недостатки огневого сжигания стимулировали поиск эффективных технологий обезвреживания токсических отходов.
Применение низкотемпературной плазмы — одно из перспективных направлений в области утилизации опасных отходов. Посредством плазмы достигается высокая степень обезвреживания отходов химической промышленности, в том числе галлоидосодержащих органических соединений, медицинских учреждений; ведется переработка твердых, пастообразных, жидких, газообразных; органических и неорганических; слаборадиоактивных; бытовых; канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве и др.
Плазменный метод может использоваться для обезвреживания отходов двумя путями [12]:
— Плазмохимическая ликвидация особо опасных высокотоксичных отходов;
— Плазмохимическая переработка отходов с целью получения товарной продукции.
Наиболее эффективен плазменный метод при деструкции углеводородов с образованием СО, СО2, Н2, СН4. Безрасходный плазменный нагрев твердых и жидких углеводородов приводит к образованию ценного газового полуфабриката в основном водорода и оксида углерода — синтез-газ — и расплавов смеси шлаков, не представляющих вреда окружающей среде при захоронении в землю, а синтез-газ можно использовать в качестве источника пара на ТЭС или производстве метанола, искусственного жидкого топлива. Кроме этого, путем пиролиза отходов возможно получение хлористого и фтористого водорода, хлористых и фтористых УВ, этанола, ацетилена [15]. Степень разложения в плазмотроне таких особо токсичных веществ как полихлорбифенилы, метилбромид, фенилртутьацетат, хлор- и фторсодержащие пестициды, полиароматические красители достигает 99.9998 % [12] с образованием СО2, Н2О, НСl, HF, Р4О10.
Разложение отходов происходит по следующим технологическим схемам:
— Конверсия отходов в воздушной среде;
— Конверсия отходов в водной среде;
— Конверсия отходов в паро-воздушной среде;
— Пиролиз отходов при малых концентрациях.
Выбор того или иного способа переработки, возможность вариаций по количественному соотношению реагентов позволяют оптимизировать работу установки для широкого спектра отходов по их химическому составу.
Существуют самые разнообразные модификации плазмотронных установок, принцип их конструкции и порядка работы заключается в следующем: основной технологический процесс происходит в камере, внутри которой находятся два электрода (катод и анод), обычно из меди, иногда полые. В камеру под определенным давлением, в заранее установленных количествах поступают отходы, кислород и топливо, может добавляться водяной пар. В камере поддерживается постоянное давление и температура. Возможно применение катализаторов. Существует анаэробный вариант работы установки [15]. При переработке отходов плазменным методом в восстановительной среде возможно получение ценных товарных продуктов: например, из жидких хлорорганических отходов можно получать ацетилен, этилен, НСl и продуктов на их основе [4]. В водородном плазмотроне, обрабатывая фторхлорорганические отходы, можно получить газы, содержащие 95–98 % по массе НСl и HF [27].
Для удобства возможно брикетирование твердых отходов и нагрев пастообразных до жидкого состояния [15].
Высокая энергоемкость и сложность процесса предопределяет его применение для переработки только отходов, огневое обезвреживание которых не удовлетворяет экологическим требованиям.
Этот способ надо посоветовать Вельзевулу, на замену «Геенны огненной».
Вот и все. Не густо. Самое разумное — высокотемпературный пиролиз с получением пиролизного газа. А каков состав пиролизного газа?
3. Пиролизный газ. Представляет собой горючее топливо с теплотой сгорания от 8 до 27 МДж/кг (в зависимости от технологического процесса). Примерный состав: метан — 30…60 %, этан — 3… 14 %, пропан — 1…5 %, водород — 17…25 %, азот — 5…40 %, оксид углерода — 4… 15 %, диоксид углерода — 5… 10 %.
Понятно. Его можно его накапливать в самодельном газгольдере и позже использовать для целей отопления. До эры электричества таким газом питались газовые фонари на улицах больших городов. Производился он на газовых заводах.
Газгольдер (англ. gasholder, от gas — газ и holder — держатель), стационарное стальное сооружение для приёма, хранения и выдачи газов в распределительные газопроводы или установки по их переработке и применению. Различают Г. переменного (мокрые) и постоянного (сухие) объёма. Г. переменного объёма состоит из цилиндрического вертикального резервуара (бассейна), наполненного водой, и колокола (цилиндрический вертикальный резервуар без нижнего днища). Сверху этот резервуар снабжён сферической крышей. Через дно бассейна под колокол подводится газопровод. При заполнении внутреннего пространства Г. газом колокол поднимается; при отборе газа — опускается.
Большие расходы металла, увлажнение газа, переменный режим давления и трудности эксплуатации в зимнее время — основные недостатки мокрых Г. Этих недостатков в значительной степени лишены так называемые сухие, или поршневые, Г., которые представляют собой неподвижный корпус с поршнем. Как и в мокром Г., при наполнении газом поршень поднимается, а при выдаче газа опускается.
Для чего еще можно использовать пиролизный газ? В Интернет нашлась любопытная статья. Вот выдержка из нее.
КОНВЕРСИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО
Н. И. Курбатов, А. К. Зайцев
Метод Фишера — Тропша по превращению метана в более тяжелые углеводороды был разработан в 1923 г. и реализован в промышленности Германии в 1940-х го-
Почти все авиационное топливо в этой стране во время второй мировой войны производилось с помощью синтеза Фишера-Тропша из каменного угля. Впоследствии от этого способа изготовления моторных топлив отказались, так как топливо, получаемое при переработке нефти, до последнего времени было экономически более выгодным.
Сегодня конверсия природного газа в жидкие продукты (моторное топливо и более ценные продукты тонкого органического синтеза) — одна из наиболее динамично развивающихся областей химической и газохимической промышленности.
При получении жидкого топлива на основе синтеза Фишера-Тропша разнообразные соединения углерода (природный газ, каменный и бурый уголь, тяжелые фракции нефти, отходы деревообработки) конвертируют в синтез-газ (смесь СО и Н2), а затем он превращается в синтетическую «сырую нефть» — синтнефть. Это — смесь углеводородов, которая при последующей переработке разделяется на различные виды практически экологически чистого топлива, свободного от примесей соединений серы и азота. Достаточно добавить 10 % искусственного топлива в обычное дизельное, чтобы продукты сгорания дизтоплива стали соответствовать экологическим нормам.
Еще более эффективной представляется конверсия газа в дорогостоящие продукты тонкого органического синтеза.
Конверсию газа в моторное топливо можно в целом представить как превращение метана в более тяжелые углеводороды:
2nСН4 + 1/2nO2 = СnН2n + nН2О (реакция 1)
Из материального баланса брутто-реакции следует, что массовый выход конечного продукта не может превышать 89 %.
Реакция (1) напрямую неосуществима. Конверсия газа в жидкое топливо (КГЖ) проходит через ряд технологических стадий (рис. 1). При этом в зависимости от того, какой конечный продукт необходимо получить, выбирается тот или иной вариант процесса.
ПОЛУЧЕНИЕ СИНТЕЗ-ГАЗА
Все технологически реализованные процессы КГЖ объединяет первая стадия — стадия получения синтез-газа, который представляет собой смесь оксида углерода СО и водорода Н2. Такое название он получил потому, что служит ценным сырьем для синтеза разнообразных продуктов. Критерием качества синтез-газа являются объемное (мольное) соотношение СО и Н2 и наличие примесей (азота, углекислоты, сернистых соединений и др.).
Синтез-газ из природного газа получают с помощью технологических процессов, которые можно разделить на две большие группы:
парциальное окисление метана
СН4 + 1/2O2 = СО + 2Н2 — 10,62 ккал/моль (реакция 2)
и паровой риформинг
СН4 + Н2O = СО + 3Н2 + 54,56 ккал/моль (реакция 3)
Реакции (2) и (3) могут протекать в термическом и термокаталитическом режимах. Как правило, термокаталитические процессы дают более качественный конечный продукт с меньшим числом таких побочных продуктов, как вода и диоксид углерода.
В каждой из этих реакций образуется СO2, который вступает вреакцию с мета-
СН4 + СO2 = 2СО + 2Н2 + 62,05 ккал/моль (реакция 4)
Этот процесс, с одной стороны, позволяет использовать избыток СO2, образующийся в других технологических процессах, и, с другой стороны, служит рычагом управления составом синтез-газа, получаемого при реакциях (2) и (3).
Для производства ценных продуктов на следующих стадиях необходим синтез-газ с соотношением оксида углерода и водорода, равным приблизительно 1:2, и минимальным количеством балластных газов (СО2, азота и др.).
СИНТЕЗ ФИШЕРА-ТРОПША
Синтез Фишера-Тропша можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию моноксида углерода в результате сложной комбинации реакций, которая в брутто-форме имеет следующий вид:
nСО + (2n + 1)Н2 = СnН2n + 2 + nН2O; (реакция 5)
2nCO + nН2 = СnН2n + nСO2
Состав конечных продуктов зависит от катализатора, температуры и соотношения СО и Н2.
На металлоокисном катализаторе получают метанол с примесью этанола и диметилового эфира. Это основной процесс получения метанола в мире, обычная мощность метанольных заводов составляет около 0,5 млн. т в год (Новомосковское ПО «АЗОТ»; кобальтовый катализатор). Для производства моторных топлив метанол перерабатывается в диметиловый эфир и далее в смесь разветвленных предельных углеводородов (процесс Mobil GTG в Мауи, Новая Зеландия; кобальтовый катализатор).
На кобальтово-цинковых катализаторах, обладающих гидрирующей активностью, получают смесь линейных алканов (процесс AGC-211 в Бинтулу, Малайзия).
На железном катализаторе получают смесь линейных и разветвленных алканов и алкенов (перспективный процесс Рентех).
На кобальтовых или родиевых катализаторах при давлении выше 10 МПа и температуре в диапазоне 140–180 °C алкены взаимодействуют с синтез-газом и превращаются в альдегиды — важнейшие полупродукты в производстве спиртов, карбоновых кислот, аминов, многоатомных спиртов и др. Мировое производство альдегидов по такой технологии (оксо-синтез) достигает 7 млн т в год.
Одно из важных современных направлений научного поиска в области синтеза Фишера-Тропша состоит в получении кислородсодержащих продуктов. Введение таких соединений в количестве 1 % в дизельное топливо снижает содержание сажи в продуктах сгорания на 4-10 %.
Обратите внимание, что все необходимые газы для этого синтеза, как исходный метан, так и основные компоненты синтез-газа, содержатся в пиролизном газе. И даже соотношение их подходит. Собственно говоря, во время войны, в Германии, синтез-газ и получали пиролизом древесины и угля, поскольку в конце войны Германия была отрезана от источников нефти и природного газа. Ну, уголь, не уголь, а куски древесины, опилки, сучья, обрезки кустарника, являются составной частью отходов многих домашних хозяйств и мичуринский участков. Топить ими неудобно, их в основном сжигают. Бумажные отходы и упаковочный картон тоже не повредят, поскольку изготовляются из древесины. Пойдут в дело все отходы, содержащие ткани из природных волокон, например хлопчатобумажных. С прочими отходами, в том числе и пищевыми, по-видимому, следует поэкспериментировать, добавляя их в той или иной пропорции к древесным отходам. Сомнения вызывают только пластмассы, поскольку трудно предсказать какие компоненты они могут добавить в состав пиролизного газа. Для пиролиза мусора и получения пиролизного газа потребуется кое-какой агрегат, газогенератор.
Газогенератор, аппарат для термической переработки твёрдых и жидких топлив в горючие газы, осуществляемой в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в Г. газы называются генераторными[51]. Горение твёрдого топлива в Г. в отличие от любой топки осуществляется в большом слое и характеризуется поступлением количества воздуха, недостаточного для полного сжигания топлива (например, при работе на паровоздушном дутье в Г. подаётся 33–35 % воздуха от теоретически необходимого). Образующиеся в Г. газы содержат продукты полного горения топлива (углекислый газ, вода) и продукты их восстановления, неполного горения и пирогенетического разложения топлива (угарный газ, водород, метан, углерод). В генераторные газы переходит также азот воздуха. Процесс, происходящий в Г., называется газификацией топлива.
Рис. 1. Схема прямого процесса образования газа в газогенераторе.
Г. обычно представляет собой шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом. Сверху этой шахты загружается топливо, а снизу подаётся дутьё. Слой топлива поддерживается колосниковой решёткой. Процессы образования газов в слое топлива Г. показаны на рис. 1. Подаваемое в Г. дутьё вначале проходит через зону золы и шлака О, где оно немного подогревается, а далее поступает в раскалённый слой топлива (окислительная зона, или зона горения 1), где кислород дутья вступает в реакцию с горючими элементами топлива. Образовавшиеся продукты горения, поднимаясь вверх по Г. и встречаясь с раскалённым топливом (зона газификации II), восстанавливаются до окиси углерода и водорода. При дальнейшем движении вверх сильно нагретых продуктов восстановления происходит термическое разложение топлива (зона разложения топлива III) и продукты восстановления обогащаются продуктами разложения (газами, смоляными и водяными парами). В результате разложения топлива образуются вначале полукокс, а затем и кокс, на поверхности которых при их опускании вниз происходит восстановление продуктов горения (зона II). При опускании ещё ниже происходит горение кокса (зона 1). В верхней части Г. происходит сушка топлива теплом поднимающихся газов и паров.
В зависимости от того, в каком виде подаётся в Г. кислород дутья, состав генераторных газов изменяется. При подаче в Г. одного воздушного дутья получается воздушный газ, теплота горения которого в зависимости от перерабатываемого топлива колеблется от 3,8 до 4,5 Мдж/м3 (900—1080 ккал/м3). Применяя дутьё, обогащенное кислородом, получают т. н. парокислородный газ (содержащий меньшее количество азота, чем воздушный газ), теплота горения которого может быть доведена до 5–8,8 Мдж (м3 (1200–2100 ккал/м3).
При работе Г. на воздухе с умеренной добавкой к нему водяных паров получается смешанный газ, теплота сгорания которого (в зависимости от исходного топлива) колеблется от 5 до 6,7 Мдж/м3 (1200–1600 ккал/м3). И, наконец, при подаче в раскалённый слой топлива Г. водяного пара получают водяной газ с теплотой сгорания от 10 до 13,4 Мдж/м3 (2400–3200 ккал/м3.
Несмотря на то, что идея Г. была выдвинута в конце 30-х гг. 19 в. в Германии (Бишофом в 1839 и Эбельманом в 1840), их промышленное применение началось после того, как Ф. Сименсом (1861) был предложен регенеративный принцип отопления заводских печей, позволивший эффективно применять генераторный газ. Изобретателями первого промышленного Г. были братья Ф. и В. Сименс. Их конструкция Г. получила повсеместное распространение и просуществовала в течение 40–50 лет. Только в начале 20 в. появились более совершенные конструкции.
В зависимости от вида перерабатываемого твёрдого топлива различают типы Г.: для тощего топлива — с незначительным выходом летучих веществ (кокс, антрацит, тощие угли), для битуминозного топлива — со значительным выходом летучих веществ (газовые и бурые угли), для древесного и торфяного топлива и для отбросов минерального топлива (коксовая и угольная мелочь, остатки обогатительных производств). Различают Г. с жидким и твёрдым шлакоудалением. Битуминозные топлива обычно газифицируются в Г. с вращающимся водяным поддоном, а древесина и торф — в Г. большого внутреннего объёма, т. к. перерабатываемое топливо имеет незначительную плотность. Мелкое топливо перерабатывается в Г. высокого давления и во взвешенном или кипящем слое.
По назначению Г. можно разделить на стационарные и транспортные, а по месту подвода воздуха и отбора газа на Г. прямого, обращенного и горизонтального процесса. В Г. прямого процесса (рис. 2) движение носителя кислорода и образующихся газов происходит снизу вверх. В Г. с обращенным процессом (рис. 3) носитель кислорода и образующийся газ движутся сверху вниз. Для обеспечения обращенного потока средняя часть таких Г. снабжается фурмами, через которые вводится дутьё. Так как отсасывание образовавшихся газов осуществляется снизу Г., то зона горения 1 (окислительная) находится сразу же под фурмами, ниже этой зоны следует зона восстановления II, над зоной горения 1 располагается зона III — пирогенетического разложения топлива, происходящего за счёт тепла раскалённого горящего кокса зоны 1. Сушка самого верхнего слоя топлива в Г. происходит за счёт передачи тепла от зоны III. В Г. с горизонтальным процессом носитель кислорода и образующийся газ движутся в горизонтальном направлении.
Рис. 2. Газогенератор прямого процесса для получения смешанного газа:
1 — загрузочное устройство; 2 — шахта; 3 — водяная рубашка; 4 — колосниковая решётка; 5 — фартук; 6 — чаша с водой, образующая гидравлический затвор; 7 — выгребной нож; 8 — конвейер для удаления золы; 9 — дутьевая коробка.
При эксплуатации Г. соблюдается режим давления и температуры, величина которых зависит от перерабатываемого топлива, назначения процесса газификации и конструкции Г.
Бурное развитие газовой промышленности в СССР привело к почти полной замене генераторных газов природными и попутными, т. к. себестоимость последних значительно ниже. В зарубежных странах, где мало природного газа, Г. широко применяются в различных отраслях промышленности (ФРГ, Великобритания).
Рис. 3. Схема газогенератора с обращённым процессом газификации топлива.
Раз мы коснулись истории этого агрегата, то не помешает сделать более подробный экскурс в прошлое. Не любопытства ради, а с целью знакомства с различными конструкциями газогенераторов. Путь вас не смущает, что речь в нижеследующей статье идет о транспортных газогенераторах. Едет газогенератор на автомобиле ГАЗ-42 или не едет на нем, газ он все равно производит.
СТАНОВЛЕНИЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ РАЗВИТИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ
Н. М. Цивенкова, а. А. Самылин
Транспортный газогенератор и автомобиль — почти ровесники. Но история газогенератора начинается значительно раньше. Когда начали строить транспортные газогенераторы, традиции стационарной техники были полностью перенесены на новую установку, надолго определив характер ее развития. Способы охлаждения и очистки газа, теория процесса, методика теплового расчета, оптимальное соотношения основных размеров — все, что было получено в результате опыта почти вековой эксплуатации, было использовано при конструировании новых машин.
Такая преемственность имела как свои положительные, так и отрицательные стороны. Специфические требования к транспортным газогенераторам (малые габариты, неустойчивость процесса газификации, переменный режим и необходимость более тщательной очистки и охлаждения газа) очень скоро заставили конструкторов выйти за рамки стационарной техники. Ряд вопросов, связанных с переводом двигателей с жидкого топлива на генераторный газ, потребовал дополнительных нестандартных решений. Однако сама методология расчета и конструирования автомобильных газогенераторных установок существенно не менялась с середины прошлого века. Она уже морально устарела и требует всестороннего анализа и доработки для дальнейшей конструктивной оптимизации газогенераторов.
Интересно исследовать историю конструктивного развития стационарных, силовых и транспортных газогенераторных установок, чтобы определить направления для их дальнейшей оптимизации.
Еще в средние века было замечено, что при ограничении доступа воздуха под угольный слой из твердого топлива получается газ. Этот газ может быть сожжен после выделения его из топлива путём подвода вторичного воздуха. Газодобывание и собственно газогенератор, однако, возникли только тогда, когда использование газа было полностью отделено от процесса его добывания.
Создателем первого газогенератора принято считать французского инженера Филиппа Лебона, родившегося в Браше 29 мая 1767 г. Однажды, в 1788 г., бросив горсть древесных опилок в стоявший перед ним на огне сосуд, Лебон увидел, что из сосуда поднялся густой дым, который вспыхнул на огне и дал яркое светящееся пламя. Лебон понял, что случай помог ему сделать открытие чрезвычайной важности. Продолжая свои опыты, он создал в миниатюре первый газовый завод, на постройку которого в 1799 г. получил патент. Он принялся за дело с величайшей энергией, разрабатывая проекты самого разнообразного использования генераторного газа. Был придуман проект газового двигателя, на который Лебон в 1801 г. получил патент. Этот двигатель должен был работать по принципу парового двигателя. Вместо пара подавался газ, зажигаемый поочередно поту и другую сторону поршня. После трагической гибели Лебона в декабре 1804 г. его работы были продолжены В. Мурдохоми в Англии и С. Минкедерсом в Бельгии.
В первые десять лет XIX века число полученных в Англии и Франции патентов на газогенераторные установки и двигатели было совсем незначительным. Ни одна из изобретенных установок этого рода не нашла практического применения, хотя в общих чертах они были близки к последующим разработкам. Особо стоит отметить интересные работы французов Фабер де Фор и Оберто (1837–1839). Они предложили пользоваться колосниковыми газами доменных печей для нагревательных целей. Их опыты относились скорее к работам по утилизации отходов доменного процесса и могут рассматриваться лишь как рационализаторские мероприятия. Хотя они были весьма близки к идее самостоятельной газогенераторной установки.
Вероятно, первый промышленный газогенератор был построен в начале 1839 г. в Лаухгаммере инженером Бишофом. Поданным самого Бишофа, он пытался создать пламенную печь с полугазовой топкой. Бишоф хотел достичь экономии в расходовании кокса и угля путём обращения необработанного топлива (в первую очередь торфа) непосредственно в газ, чтобы использовать его для плавильного процесса. На рис. 1 показан усовершенствованный газогенератор Бишофа, применявшийся им в Мегдешпрунге в 1844 г. Устройство представляло собой простой шахтный генератор.
Рис. 1. Газогенератор Бишофа
Рис. 2. Газогенератор Эдельмана
В газогенераторе, построенном в 1840 г. в г. Аудикурт (Австрия) на заводе С.-Стефан инженером Эбельманом, впервые был применен принцип обратного горения (рис. 2). Впоследствии этот принцип получил широкое распространение на транспортных установках. Эбельман чрезвычайно удачно разрешил вопрос о разложении паров воды и сжигании смолистых веществ, которые образуются при газификации древесного топлива. Однако появление первого газогенератора промышленного типа и прочное внедрение его в заводскую практику произошло после изобретения регенеративной печи Ф.Сименсом в 1856 г. (рис. 3).
Рис. 3. Газогенератор системы Сименса
Ф.Сименс в сотрудничестве со своим братом В. Сименсом сумел дать своей идее настолько совершенное для того времени практическое оформление, что газогенератор, названный его именем, получил почти повсеместное распространение за последующие 40–50 лет. Изобретенный Сименсом газогенератор стал необходимым элементом стеклоплавильных, пудлинговых, сталеплавильных (Сименс-Мартеновских), сварочных и нагревательных печей, работающих на основе регенеративного принципа.
Стоит отметить также такие важные конструктивные усовершенствования газогенератора, как косая реторта Гребе-Лермана (1877 г.) и газогенераторы Незе (1878 г.) и Ольшевского (1880 г.). По сути, они представляли собой газогенераторы с обратным горением. Но их конструкция приводила к полному разложению дистилляционных составных частей генераторного газа. На практике они применялись редко, так как для печного отопления разложение дистилляционных составляющих не было необходимым, а разложение смол было желательно лишь для уменьшения нагара.
Только после появления газомоторов Лангена-Отто (1867 г.) и усовершенствований газогенераторов Твайдом (1880 г.) и Сетзерлендом (1883 г.) последние получили большое значение для использования газа в силовых целях. Бурное развитие силовых газогенераторных установок началось после награждения золотой медалью газогенераторного двигателя немецкой фирмы «Отто Дейц» на Парижской всемирной выставке в 1867 г. В результате фирма получила большое количество заказов. Но заказчики хотели использовать эти двигатели в других отраслях промышленности, требуя от фирмы выпуска дешевого и не громоздкого газогенератора. Особенно остро вопрос усовершенствования газогенераторных установок стал после Парижской всемирной выставки 1878 г. Фирмой «Отто Дейц» был представлен первый четырехтактный газогенераторный двигатель, имевший огромный международный успех. После этого развитие двигателей и газогенераторов шло параллельно по пути увеличения мощности. Причем резко возросший выпуск газогенераторных двигателей инициировал всестороннее усовершенствование газогенераторных установок. Стоимость газогенераторов с увеличением мощности превышала стоимость двигателей. Кроме этого, распространению газогенераторных двигателей препятствовала необходимость обзаводиться громоздкой газогенераторной установкой. Поэтому уже с самого начала появления двигателей внутреннего сгорания зародилось стремление к созданию легких, удобных и простых газогенераторов. Таким образом, развитие двигателей внутреннего сгорания шло параллельно с развитием стационарных газогенераторов, эти процессы дополняли друг друга, эволюция одного стимулировала эволюцию другого. Решающими в этом развитии были работы Даусона (1883 г.), впервые создавшего концепцию сочетания газогенератора и двигателя внутреннего сгорания в одной установке, которую можно было применить на практике, (рис. 4). Значение этой работы было столь велико, что в течение какого-то времени генераторный газ назывался газом Даусона.
Рис. 4. Газогенераторная система Даусона
Воспользовавшись опытами Даусона, завод Крослей в 1889 г., аза ним и Отто-Дейц взялись за разработку установки, сочетающей газогенератор с двигателем. Обе эти фирмы были пионерами в применении газ-моторов. Существенное нововведение осуществил Бенье (1892 г.), присоединивший к мотору насос. С помощью насоса всасывался генераторный газ, и подача воздуха при этом происходила под давлением. Таким образом, был придуман способ получения газа с всасыванием, который оказался особенно пригодным для установок малой мощности. С реализацией этой идеи все устройство упростилось, стало дешевле, и процесс стал саморегулируемым.
С момента появления силовых газогенераторов их разработка велась в двух направлениях — газификация твердых и жидких топлив. Однако в 1883 г. Готлиб Даймлер опубликовал два патента. Один из патентов был на простейший газогенератор жидкого топлива под названием «Калильная трубка для зажигания горючей смеси в моторе», другой — на мотор для экипажа, где эта калильная трубка была уже усовершенствована до прибора. Прибор был назван карбюратором и впоследствии получил широчайшее распространение. В усовершенствованном виде разработка Даймлера используется до сих пор, являясь, по сути, газогенератором для жидких топлив.
В последующие 15 лет разработки автомобильных газогенераторов для газификации твердых топлив были практически полностью прекращены.
На выставке в 1892 г. в Париже О. Дизель представил свой новый двигатель, непосредственно использовавший твердое топливо в высоко дисперсном состоянии. Подавляющее большинство исследовательских работ после этого было сосредоточено на разработке технологии использования измельченного твердого топлива в моторах. Путем очень тщательного измельчения удавалось превратить топливо в столь тонкую пыль, что скорость её сгорания была достаточна высока, а стоимость получения приемлемой. Неразрешимой проблемой, вставшей на пути этого направления развития дизельных двигателей, стала проблема удаления золы. Золы даже в самых лучших сортах твердого топлива содержится во много раз больше, чем в любом жидком топливе. Присутствие в золе каменных углей, соединений железа и кремния, сплавляющихся в твердые силикаты, способствовало быстрому накоплению в цилиндре двигателя шлифовального порошка. Образующийся при этом порошок не удавалось удалить ни самым энергичным продуванием, ни промывкой. Непрерывное истирание стенок цилиндра и поршня, а также проникновение зольных частей в картер приводило к быстрому износу наиболее ответственных деталей и выходу двигателя из строя. Подобная же картина наблюдалась при попытках сжигать коллоидальный раствор угля и нефти. С тем лишь отличием, что меньшее содержание твердого компонента в горючем пропорционально уменьшало скорость износа. Возникшую проблему пытались решить путем изготовления гильзы цилиндра двигателя из сверхтвердых или специально обработанных материалов, а также поиском соответствующего состава топлива. Были предприняты попытки измельчения дерева в порошок, пригодный для непосредственного использования его в двигателе внутреннего сгорания. Но технология не получила широкого распространения, т. к. получаемый таким образом порошок имел очень высокую себестоимость. В результате это направление было признано тупиковым, а применение твердого топлива для двигателей внутреннего сгорания стали изучать лишь в аспекте проведения его предварительной газификации. В прошлом столетии было изобретено несколько синтетических твердых топлив, пригодных для такого применения, но все они были намного дороже горючего нефтяного происхождения. Проблема же ожижения твердых топлив активно изучается и ныне.
Кроме того, именно в прошлом веке начались активные исследования, направленные на создание синтетического аналога бензина. Первые автомобили на этаноле появились еще в 20-х гг. прошлого столетия. Но такое топливо, как «Агрол» (90 % бензина + 10 % безводного спирта), впервые было создано в США лишь в 1935 г. Тогда и началось его массовое использование. В 40-е годы в Германии теоретические исследования школы Фишера-Троппа позволили создать целую отрасль промышленности. Объёмы производства измерялись миллионами тонн горючего для танков и самолетов. В 1936 г. правительство Бразилии издало постановление о введении спиртовой добавки к импортному бензину. Это было сделано в качестве меры спасения сахарной промышленности, переживавшей тогда спад. С тех пор Бразилия — признанный лидер в такой технологии. В соответствии с государственной программой 5 % сельскохозяйственных угодий страны используются под сахарный тростник, который выращивается специально для производства топливного спирта.
Другим важным моментом в историческом процессе конструктивного развития газогенераторов явилась задача удаления золы. Опуская первые попытки удаления золы (в виде расплавленного шлака), основными применявшимися ранее типами решеток надлежит считать плоские и слабонаклонные. Сименс впервые предложил сильно наклоненную ступенчатую решетку, которая предшествовала изобретению ступенчатых решеток Одельстьена. Примерно в 1880 г. в качестве новой формы подвода дутья появился центральный дутьевой колпак. Это вскоре привело к созданию Бруком (1884 г.) и Тейлором (1889 г.) газогенераторов с вращающимся дутьевым колпаком и зольной тарелкой. Эти механизмы послужили исходными пунктами для новых конструкций. Из многочисленных последующих предложений для удаления золы следует упомянуть шнеки для золоудаления Зикеля (1877 г.) и Геринга (1879 г.).
Причём последний предложил ещё и шнек для дозированной подачи топлива. Были ещё подвижные зольные тележки Сетзерленда (1883 г.), передвижная лестничная решетка Гребе (1878 г.), вращающийся поддон Гопкрафта (1889 г.) и сдвоенный вращающийся поддон Кетхума (1893 г.), а также своеобразная конструкция для удаления золы Китсона (1893 г.).
Стоит отметить газогенератор Мюллера (1895 г.), который можно считать предшественником газогенератора с вращающейся решеткой, и детальные работы Р. Аккельмана (Швеция), посвященные газификации торфа и дров в газогенераторах с плоской решеткой.
Важным этапом в деле развития конструкции газогенератора был переход на цилиндрическую шахту с конусным затвором шуровочной коробки, а также водяным поддоном и центральным принудительным подводом дутья. Роль колосниковой решетки в этом случае играли куски частично оплавленной золы топлива, заполнявшие нижнюю часть шахты. Представителем этого типа устройств является газогенератор системы Моргана (1896 г.) (рис. 5). Это было большим шагом вперед, а основные особенности его конструкции (водяной затвор, цилиндрическая шахта, центральный подвод дутья, принудительная подача воздуха) сохранились и во всех последующих типах газогенераторов того времени.
Рис. 5. Газогенератор Моргана
В газогенераторах системы Сименса и Моргана совершенно отсутствовала механизация, ставшая впоследствии основой автоматизации газогенераторного процесса. Особо следует отметить конструкцию вращающейся решетки, предложенную де-Лавалем (1896 г.). Это разработка стала отправной точкой для изобретения в 1904 г. первой, удачной в практическом отношении конструкции, решающей вопросы механического измельчения и удаления золы (шлака). Эта задача была блестяще разрешена Керпели (1905 г.), который предложил газогенератор с вращающимся водяным поддоном и с эксцентрично расположенной полигональной колосниковой решеткой (рис. 6).
Рис. 6. Газогенеротор Керпели
Керпели первый предложил делать нижнюю часть шахты газогенератора в виде цилиндрического охлаждаемого водой кессона. Это позволило устранить износ огнеупорной кладки и образование на ней шлаковых настылей, а также предоставило возможность простого получения пара для нужд газогенератора. Такой полумеханизированный газогенератор в то время был крупным шагом вперед и произвел целый переворот в области газогенераторостроения. В различных своих конструктивных видоизменениях он продержался до двадцатых годов прошлого века, пока на смену ему не пришёл полностью механизированный газогенератор.
Последним, важным историческим моментом в развитии газогенераторов является изобретение охлаждения шахтной стенки для предотвращения присадки шлаков. Охлаждаемые стенки были довольно дороги, и их старались не приобретать. Однако при газификации очень многих многозольных топлив охлаждение стенок обеспечивает не только получение лучшего по качеству газа, но и гораздо лучшее выгорание золы, т. к. предотвращается зашлаковывание. Первая разработка такого рода была сделана Кнаудом (1881 г.), продолжена Штапфом (1905 г.) и Турком (1906 г.). Интересные практические разработки были сделаны Сепюлькром и Вюртом (газогенератор с плавлением золы), Бамагом и Колером (веерная зольная решетка), Шавваном (1907-13 гг.), Рамбушом и Лайманом (вращающиеся зольные решетки), Юзом и Чемпманом (шуровочные устройства), а также теоретические решения предложены К. Бунте и Ф. Тренклером и др.
Дальнейшее развитие конструкций газогенераторов шло в направлении их полной механизации при одновременном повышении производительности. Путем увеличения их размера и повышения интенсивности работы. Но этот путь хорош лишь при наличии качественного, правильно сортированного и тщательно подготовленного топлива.
Первый газогенераторный автомобиль был построен Тейлором в 1900 г. во Франции (патент № 5666 выдан в России в 1901 г.). (Рис. 7.). Этот первый патент на автомобильный газогенератор, представляющий в настоящее время лишь чисто исторический интерес, уже предусматривал особую систему регулирования присадки водяного пара к воздуху. Воздух и пар поступали снизу, из-под колосниковой решетки, в снабженную огнеупорной керамической футеровкой (а) шахту.
Генератор работал по принципу прямого процесса газификации топлива. Газ отбирался по трубе (g) и направлялся через охладители (h) и (L) и скруббер (очиститель) (m) к автомобильному двигателю.
Охладитель генераторного газа (h) одновременно служил парообразователем.
Вследствие разрежения, создаваемого автомобильным двигателем в шахте генератора, воздух поступал под колосниковую решетку из атмосферы в трубу (р) через отверстие (s). Отверстие (s) регулировалось краном (t). Через него подсасывался пар из парообразователя (h) через трубку (j) в смеси со вторичным воздухом, поступающим через отверстие (г).
При полностью закрытом кране (t) весь вырабатываемый в парообразователе (h) пар увлекался в генератор воздухом, входящим снаружи через отверстие (г).
При полностью открытом кране (t) воздух поступает через трубку (s) в генератор, а весь пар выходил наружу через трубку (j) и отверстие (г).
В 1905 г. Торникрофтом в Англии была построена первая газогенераторная моторная лодка.
За четырнадцать лет, с 1900 по 1914 гг., с момента появления первого газогенераторного автомобиля в мире было построено несколько десятков газогенераторных автомашин.
Началом развития и широкого применения транспортных газогенераторов можно считать 1914 г., когда экономические предпосылки, вызвавшие к жизни эту новую отрасль техники, стали выступать особенно остро. Рост мирового автотракторного парка в начале прошлого века сильно увеличил потребление жидкого топлива. Неравномерное распределение нефти по земной поверхности поставило ряд стран перед необходимостью искать заменители этого сравнительно редкого ископаемого. В особо тяжелых условиях оказалась Франция. Её энергетические ресурсы были наиболее ограничены по сравнению с другими странами Европы. Успешное применение газогенераторов в металлургии натолкнуло французских инженеров на мысль использовать подобного рода установки для обеспечения автомобильного транспорта дешевым и не дефицитным газообразным топливом. Переход с бензина на национальное топливо во Франции предполагался на следующих условиях: новое горючее в экономическом отношении должно было быть в состоянии конкурировать с бензином; переход на новое топливо не должен вызывать крупных переделок в двигателе.
Исследование первого условия — достаточной дешевизны суррогата — показали, что ни бензол, ни другие углеводороды не могут быть получены достаточно экономично. А лишь генераторный газ из дров, древесного угла и карбонита может дать необходимый экономический эффект. Что касается второго требования — не вносить значительные изменения в двигатель — то оно было вызвано тем обстоятельством, что Франция, располагавшая большим автотракторным парком, не считала реальным решением вопроса путь, требующий крупных конструктивных изменений.
В начале I мировой войны во Франции был организован первый пробег грузового автомобиля с газогенераторной установкой. Пробег состоялся между Парижем и Руаном (126 км.) и не дал положительных результатов. Интересно отметить, что по этому же маршруту в 1894 г. (за 20 лет до пробега грузовика с газогенератором) состоялись первые гонки автомобилей, больше известных тогда как «экипажи без лошадей». Автомобиль Пежо с бензиновым мотором Даймлера также потерпел тогда поражение, уступив первое место паровой коляске Серполе.
В 1916 г. между Парижем и Руаном совершал регулярные рейсы опытный газогенераторный автобус.
Целый ряд конкурсов и пробегов газогенераторных автомобилей, организованный в Европе с 1922 г., очень содействовал развитию нового вида транспорта. Франция и ряд других стран поощряли производство газогенераторных автомобилей правительственными постановлениями, способствующими переводу работающих бензиновых машин на местное топливо. Так, правительство Японии для поощрения введения газогенераторных автомобилей избрало путь материальной заинтересованности владельцев, выдавая им по 300 иен при покупке такого автомобиля. В Италии был издан правительственный закон о переводе автотранспорта к концу 1937 г. на «национальное горючее». Кроме того, автомобили, переводимые с жидкого топлива на генераторный газ, освобождались от государственного налога на 5 лет. Позже для владельцев газогенераторных автомобилей в зависимости от тоннажа были установлены государственные субсидии размером до 9000 лир на покупку автомашины. Германия аналогично поощряла перевод автотранспорта на «национальное топливо», назначив государственную субсидию до 1000 марок при покупке газогенераторных автомобилей и 300 марок при переоборудовании старых бензиновых машин под газогенераторы. Одновременно владельцам бесплатно выдавалась 1 т. топлива и предоставлялись льготы по уплате налогов. Для обслуживания автопарка с газогенераторными установками во Франции и Германии были организованны древесно-угольные и дровяные раздаточные станции.
В 1924 г. во Франции впервые был предложен (герм, патент № 407054 Французского общества сельхоз и пром продукции) способ газификации топлива с малым содержанием летучих компонентов (древесный уголь, антрацит, кокс и т. п.). Суть этого способа в том, что в газогенераторе происходит т. н. опрокинутый процесс горения. Основное же отличие его в том, что присадка водяного пара, необходимого для хорошей газификации топлива, производится за счет добавки к основному топливу определенного количества влажного древесного. Этот способ до сих пор довольно широко распространён ввиду своей простоты и высокой эффективности. В том же году военное министерство Франции испытывало газогенераторные автомобили на манёврах. Особо следует отметить работы В. Фойта (1933 г.) и Е. Розера (1938 г.), посвященные усовершенствованию процесса газификации в транспортных газогенераторах.
Однако на пути массового применения автомобильных газогенераторов встала техническая сложность: генераторный газ содержал большое количество примесей (в первую очередь смолы). Следовательно, перед подачей в двигатель его надо было фильтровать. Но эту проблему довольно быстро решили в Германии. В 1940 г., когда вермахт оккупировал Францию, в составе его тыловых частей находились грузовики, которые не имели потребности в бензине. Нововведение пришлось весьма кстати — бензин в оккупированных районах в свободную продажу не поступал. А вот угля, дров и других органических отходов хватало: стратегическими материалами они не считались. Осенью 1944 г., когда Советская Армия захватила нефтяные верфи Плоешты (единственного источника моторного топлива Германии), еще полгода там, где это было возможно, функцию моторного топлива в немецкой армии выполнял генераторный газ.
Дальнейшее своё развитие транспортные газогенераторы получили во Франции, Германии и Швеции. Эти страны не имели своих запасов нефти и после второй мировой войны испытывали острую нехватку топлива. Поэтому очень большое значение в послевоенные годы специалисты французской и шведской автомобильной промышленности придавали использованию газового топлива. Наиболее практичным представлялось использование машин не с запасом сжатого или сжиженного газа на борту, а с газогенераторной установкой для газификации органического сырья (дерева, угля, торфа). Организация сети газонаполнительных станций требовала значительных капиталовложений, а производство высокопрочных баллонов для сжатого газа требовало применения легированных сталей, которые в то время были дефицитны. Отсутствие необходимой производственной базы сделало эти причины решающими и поставило в центр внимания создание мобильных транспортных газогенераторов.
Рис. 8. Автомобиль ГАЗ-42 с газогенератором.
Рис. 9. Урал-ЗиС 354. Наиболее известный советский газогенераторный автомобиль.
Забавно то, что автомобили и тракторы с транспортными газогенераторами до сих пор используются, хотя и являются редкостью. Есть самоделки, но в ходу и промышленно выпускаемые образцы газогенераторов.
Рис. 10. Современный газогенераторный грузовой автомобиль (Франция, 2005 г.)
Рис. 10. Прицепная газогенераторная установка типа «Имберт» фирмы VOLVO (Швеция, 2002 г.)
Несомненно, что с настройкой газогенератора на нужный выход придется повозится. Впрочем, управляющих параметров немного — это поток воздуха и его влажность. Необязательно сразу строить большой аппарат, для прикидочных экспериментов, можно сделать небольшой, такой как показанный на следующей фотографии.
Рис. 11. Мотовелосипед с самодельным газогенератором!!!
Что дальше? Дальше было бы неплохо провести синтез ФИШЕРА-ТРОПША. К сожалению, мне не удалось найти в Интернет готовую мини-технологию по конверсии генераторного (пиролизного) газа в жидкое топливо. Это не значит, что ее нет. Просто встретить «не пришлось». Нашлась технология по выработке метилового спирта из метана. Ранее уже упоминалось, что пиролизный газ содержит, как метан, так и уже готовые компоненты синтез-газа: водород и окись углерода. Выход же продуктов синтеза зависит, от применяемого катализатора, температуры, давления и соотношения водорода к окиси углерода. Можно попробовать самостоятельно состыковать процесс получения генераторного газа с процессом получения метанола.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА
По материалам автора-изобретателя Г.Вакса.
МЕТАНОЛ
Для улучшения антидетонационных свойств метанол стали использовать с 80-х годов прошлого века — в качестве 15 %-й добавки к бензинам низких сортов.
Краткие сведения о метаноле.
Метанол, метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, СН3ОН — простейший алифатический спирт, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим запах этилового спирта. Температура кипения +64,5 °C, температура замерзания — 97,8 °C, плотность — 792 г/л. Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 6,7-36 % по объему. Октановое число больше 110. Температура воспламенения 467 °C, Теплота сгорания 24000 кдж/кг — меньше, чем у бензина (44000 кдж/кг), поэтому расход метанола (в литрах) будет выше примерно в два раза. Как топливо применяется в гоночных машинах, например в "Формуле-1".
МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ смешивается в любых концентрациях с водой, органическими растворителями и ЯДОВИТ, выпитые 30 миллилитров метанола могут быть СМЕРТЕЛЬНЫ, если не принять срочных мер! Пары также ядовиты!
Традиционно метанол получали возгонкой древесины. Но более перспективен способ получения метанола — из природного газа. В дальнейшем по мере совершенствования этой технологии возможны и другие источники сырья, например биомасса (навоз). Промышленные способы получения метилового спирта пока недостаточно эффективны для использования метанола в качества топлива, но в ближайшие десятилетия цена на нефть будет только подниматься и ситуация может изменится в пользу спиртового топлива (особенно при использовании автомобилей на топливных ячейках). Природный газ, как известно, почти на 100 % состоит из метана — СН4. Ни в коем случае не надо его путать с баллонным газом пропанбутаном, последний является продуктом крекинга нефти и используется напрямую в качестве автомобильного топлива. Впрочем, это и делают многие автомобилисты, устанавливая соответствующее оборудование. А при использовании метанола никакого дополнительного оборудования не требуется. Используя метанол в качестве топлива, как можно существенно повысить мощность двигателя. Это достигается увеличением диаметра главных жиклеров или уменьшением количества воздуха в топливной смеси.
Итак, о химии процесса получения метанола из природного газа.
Метан при неполном окислении превращается в окись углерода и водорода, реакция эта выглядит следующим образом:
2СН4 + О2 —> 2СО + 4Н2+ 16,1 ккал.
Более простой технологически способ проходит пореакции конверсии метана с водяным паром:
СН4 + Н2О —> СО + 3Н2 — 49 ккал.
В первом уравнении стоит +16,1 ккал. Это означает, что реакция идет с выделением тепла. Во втором — с поглощением. Тем не менее, мы остановимся на втором способе получения окиси углерода и водорода. При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле:
СО + 2Н2 <=> СНЗОН.
Сложность в том, что конечный продукт получается лишь при высоком давлении и высокой температуре (Р > 20 атм., Т = 350 градусов), но при наличии катализатора этот процесс смещается вправо и при низком давлении. Полученный метанол выводится из реакции охлаждением до конденсации, а не сконденсировавшие газы будем сжигать. При правильном сжигании остатков водорода и СО никаких вредных веществ не выделяется (отходы СО2 и Н2О — безвредны), так что никаких вытяжных устройств не требуется. Дальше метанол заливается через трубку, обязательно с герметизацией (!), в канистру. Как видите, химический процесс очень прост, он основывается на двух реакциях. Сложности есть только технологические и по мерам безопасности. Мы ведь имеем здесь дело с сильно горючими и ядовитыми веществами. Нужно опасаться как взрыва, так и утечки этих газов. Поэтому — необходимо строжайше соблюдать технологию и правила обращения, которые мы будем описывать. Для сборки установки нужно будет приобрести: лист нержавеющей стали (1 мм), трубку из "нержавейки" бесшовную, наружным диаметром 6–8 мм, толщиной стенок не менее 1 мм и длиной около 2 метров, компрессор от любого бытового холодильника (можно со свалок, но рабочий). Ну, и само собой разумеется, нужна будет аргоновая электросварка.
ТЕПЛООБМЕННИКИ
Теплообменники обычно состоят из трубок, окруженных охлаждающей средой. В обиходе их называют "змеевиками". Для жидкостей, теплопроводность которых велика, такой теплообменник может быть приемлем. Но с газами ситуация совершенно другая. Дело в том, что на небольших скоростях поток газа движется ламинарно и практически не обменивается теплом с окружающей средой. Посмотрите на дымок, поднимающийся от горящей сигареты. Эта стройная струйка дыма и есть ламинарный поток. Сам факт, что дымок поднимается вверх, говорит о его высокой температуре. А то, что он остается цельным прутком примерно на высоту до 20 сантиметров подъема, свидетельствует о сохранении им тепла. То есть на этом расстоянии даже при совсем малых скоростях поток газа не успевает охладиться, обменяться теплом с воздухом. Именно вследствие ламинарности потока газовые теплообменники приходится конструировать громоздкими. Внутри их трубок появляются "сквозняки", которые даже на десятках метров практически не дают теплообмена. Это хорошо известно тем, кто когда-либо гнал самогон. (Всякий опыт полезен!) Длинная, интенсивно охлаждаемая трубка, из неё вытекает конденсат, но при этом обязательно идет и пар. Значит, теплообмен недостаточно эффективен. Проблема, однако, имеет решение, и оно может быть несложным. Наполнить трубку, например, медным порошком (см. рис. 1). Для производительности 10 л/час теплообменник может быть длиной 600 мм, а для 3 л/час должно хватить и 200 мм, высота h — 20 мм. Размеры частиц могут варьироваться, оптимум где-то в пределах 0,5–1 мм. Учитывая задачи теплообмена, материалом корпуса могут быть и железо, и медь, и алюминий, материалом набивки — медь, алюминий, — что найдется.
Тогда вокруг каждой частички металла струйка газа будет образовывать завихрения. Тем самым сразу ликвидируются сквозняки, и поток становится турбулентным. Ну и одновременно увеличивается в огромной степени контакт газа с охлаждаемой поверхностью. Набитый в трубку порошок меди постоянно принимает или отдает тепло стенкам, и поскольку теплопроводность меди примерно в 100 тысяч раз выше теплопроводности газа, то газ сравнительно быстро примет температуру стенок, если мы будем их интенсивно охлаждать. Нужно учесть, что с уменьшением размеров частиц и увеличением их количества растет также и сопротивление газовому потоку. Поэтому вряд ли удастся использовать для теплообменника частицы мельче 0,5–1 мм. Проточную охлаждающую воду, конечно, целесообразно пропускать навстречу потоку газа. Это дает возможность в каждый точке теплообменника иметь свою определенную температуру. Поскольку тепловой контакт у нас близок к идеальному, температура на выходе конденсируемой жидкости будет равна температуре охлаждающей жидкости. Вот каков по идее обсуждаемый здесь теплообменник. Приведенный эскиз есть не что иное, как дистиллятор, он же самогонный аппарат, он же теплообменник. Производительность такого дистиллятора прикидочно 10 литров в час.
Его также можно применять практически в любых целях, включая установку для получения обычного этилового спирта. Такие теплообменники при огромной производительности в сотни раз меньше существующих.
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАСОС (РЕАКТОР, см. рис. 2)
В существующих химических газовых процессах обычный катализатор идет в гранулах довольно значительного размера от 10 до 30 мм. Площадь контакта газа с такими шариками в тысячи раз меньше, чем если бы мы использовали частицы в 1-1000 микрон. Но тогда проходимость газа весьма затруднится. Кроме того, мельчайшие частицы катализатора довольно скоро выйдут из строя вследствие поверхностного загрязнения. Нами найден способ увеличить площадь контакта газа с катализатором, не затрудняя проходимости его в реакторе, и одновременно непрерывно производить очистку от так называемого "отравления" самого катализатора.
Рис. 2, где смесь: катализатор с ферритовым порошком, может быть в соотношении 1:1. Сетки предназначены для фиксации порошков. Песок — фиксирует сетки
Делается это следующим образом.
Порошковый катализатор смешивается с ферромагнитными частицами — железным либо ферритовым порошком, который можно получить, разбивая магниты от неисправных громкоговорителей (прим. — ферриты теряют магнитные свойства при температуре выше 150 град. С), а так как ферриты очень твёрдое вещество — это их полезное свойство пригодится в дальнейшем (читайте ниже — чтобы специально не добавлять абразивный порошок). Смесь ферромагнитного порошка с катализатором помещается в немагнитную трубку, например, из стекла, керамики, можно и в алюминиевую или медную. Теперь смотрите, какая может быть схема. Снаружи трубки идут обмотки катушек. Каждая из них включена через диоды, так, например, как дано на рис. 3.
Рис. 3. Рассматривается схема включения обмоток. Сопротивление обмотки 1200 Ом. Диаметр провода 0,15 мм (до заполнения катушки). Диоды любой силы тока, не менее 1 А, напряжение не менее 450 В.
При включении в сеть переменного тока обмотки включаются поочередно с частотою 50 Гц. При этом ферромагнитный порошок непрерывно сжимает и расширяет катализатор, обеспечивая пульсирующую проходимость газа. Если же включать электромагниты в трехфазною сеть (см. рис. 4), то в этом случае обеспечивается поступательная пульсация сжатий, и за счет этого непрерывно газ будет сжиматься в продольном направлении вперед. Таким образом, система работает, как насос. При этом — многократно перемешивая газ, сжимая и расширяя его и тысячекратно увеличивая интенсивность процесса на катализаторе. Попутно частички катализатора трутся друг о друга и о ферритовый абразивный порошок, что приводит к их очистке от загрязняющих пленок.
Рис. 4. Смещение фаз на 120 градусов заставляет катушки работать не попеременно как в предыдущей, а поочередно, по принципу "бегущих огней".
Схема работает следующим образом: с частотой 50 Гц происходит смена полярности на питании. Ток попеременно проходит по обмотке 1,3 и 2,4 (см. рис. 2). При этом в них появляется магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитные частицы и заставляет их взаимодействовать друг с другом, вовлекая в движение частицы катализатора. Таким образом попеременно возникает для газа проходимость сквозь мелкие частицы, сменяемая большим сопротивлением, оказываемым сдавленной массой частиц. И самое главное: активность катализатора, сжимающего и разжимающего реагирующий газ, по еще не изученным причинам повышается дополнительно в 20–50 раз. Работа описанного каталитического реактора эквивалентна реактору размером метров в 20–30. Увеличить производительность реактора можно, включая обмотки в трехфазную сеть. При этом система работает не как клапаны, а как активный насос, совмещая все положительные эффекты первой схемы и дополнительно принуждая газ перемещаться в направлении смещения сдвига фаз. При таком включении важно правильно выбрать фазировку. Итак, в реакторе, приведенном здесь, работают следующие положительные факторы:
1. Увеличение площади катализатора в 300—1000 раз за счет уменьшения размеров частиц.
2. Происходит постоянная очистка катализатора от поверхностного загрязнения.
3. Постоянные пульсации давления реагирующих газов между частицами катализатора, а во второй схеме дополнительно происходит еще и перекачки газа внутри самого реактора.
Недостаток этого реактора — повышенное сопротивление потоку газа — устраняется попеременным уплотнением — освобождением частиц внутри четных — нечетных катушек. Одна важная деталь: необходимо теплоизолировать катушки от корпуса реактора. В связи с этим, а также из практических соображений автором были внесены следующие изменения (см. рис. ниже):
Из болванки (бронзы или латуни) диаметром 50 мм, выточим корпус реактора. Размеры можно взять прежние — 160 мм общая длина, рабочая реакторная длина около 140мм, внутренний диаметр 33 мм, толщина стенок приблизительно 5…8 мм, т. е. внешний диаметр около 50 мм и того же диаметра — заглушки, их толщина по 20 мм и на каждой нарезана резьба М36х1,0 мм и длиной по 10 мм. Всё это должно быть сделано из одного и того же материала! К заглушкам в отверстия вставляются и привариваются переходные штуцера или просто соединительные бесшовные стальные трубки с внутренним диаметром 6…8 мм и толщиной стенок около 2 мм. Данную конструкцию необходимо снаружи теплоизолировать листовым асбестом и разделить по всей длине на четыре секции с помощью пяти перегородок, также вырезанных из листового асбеста. Для фиксации перегородок, — можно промазать их силикатным клеем, после просушки наматывается медная проволока (d = 0,15 мм) в каждую секцию. Сопротивление, измеренное омметром, для каждой секции должно быть около 1200 Ом. Обмотки включаются по схеме рис. 3 через регулятор напряжения (например: лабораторный трансформатор — ЛATP), чтобы избежать перегрева обмоток, их надо охлаждать, для этого можно проложить под обмотки стеклянные трубочки диаметром 6…8 мм, возможен принудительный обдув катушек, с контролем температуры внутри реактора.
Следует отметить, что подобная схема реактора (рис. 2) была заявлена на патент (автор — Г.Н. Вакс), она может работать в любых каталитических газовых процессах. Поэтому для химиков — это не домашняя разработка, а принципиально новый, еще не совсем изученный, но эффективный реактор. По всей видимости, эффекты усилятся при подаче прямоугольных импульсов или колебаний высокой частоты.
Количество отверстий — сколько поместится на круге Ф35 мм. Диаметр отверстий — 5 мм. Размер ячейки сетки тонкой очистки — 0,05 мм. Сетки соединяются в "бутерброд" при помешу заклёпок. Суммарная толщина "бутерброда" равна 2 мм.
ПРОИЗВОДСТВО СИНТЕЗ-ГАЗА
СИНТЕЗ-ГАЗОМ называется смесь Н2 и СО, необходимая для производства метанола. Поэтому вначале рассмотрим технологию синтез-газа. Традиционные методы получения СО и Н2 из метана (СН4) состоят в том, что метан смешивается с водяным паром и в нагретом состоянии поступает в реактор, где к паро-метанной смеси добавляется дозированное количество кислорода. При этом происходят следующие реакции:
[1] СН4 + 2О2 <-> СО2 + 2Н2О + 890 кдж;
[2] СН4 + Н2О <-> СО + 3Н2 — 206 кдж;
[3] СН4 + СО2 <-> 2СО + 3Н2 — 248 кдж;
[4] 2Н2 + О2 <-> 2Н20 + 484 кдж;
[5] СО2 + Н2 <-> СО + Н2О — 41,2 кдж.
Как видно, некоторые реакции эндотермические — с поглощением тепла — а некоторые экзотермические — с выделением. Наша задача создать такой баланс, чтобы реакции шли с контролируемым выделением тепла. Итак, вначале требуется дозированное смешение Н2О и СН4. Традиционные методы ведения этого процесса сложны и громоздки. Мы будем насыщать метан водяными парами путем пропускания пузырьков этого газа через нагретую до 100 градусов Цельсия воду, а чтобы пузырьки активно разбивались, размещаем на их пути твердые ферритовые частички размером 1–2 мм. Но в этой массе рано или поздно пузырьки находят дорогу и затем, практически не разбиваясь, проходят по образовавшемуся каналу. Чтобы этого не происходило, частички из феррита и смесительную камеру ставим в соленоид с подачей переменного тока. В этом существенное отличие нашего диспергатора (см. рис 5).
Рис. 5. Диспергатор
Под действием вибрации частиц феррита в пульсирующем магнитном поле пузырьки метана постоянно разбиваются, проходят сложный зигзагообразный путь и насыщаются парами воды. К соленоиду жестких требований нет, поскольку запитывается он от ЛATPa или от регулятора света (в продаже имеются). Регулировка напряжения на соленоиде необходима, чтобы, изменяя магнитное поле, одновременно изменять и степень насыщения метана парами воды. О цели этих изменений будет сказано ниже.
Количество витков в катушке может быть от 500 до 1000. Диаметр провода 0,1–0,3 мм. Труба диспергатора берется из неферромагнитного металла, поэтому в переменном магнитном поле она будет разогреваться. Кроме того, и метан поступает в воду разогретым. Поэтому специального нагревателя для воды не требуется (прим. — ошибочное мнение! Воду предварительно надо нагреть до кипения, например газовой грелкой, иначе не получить нужного количества водяного пара). Ещё необходим бачок для подпитки водой, поскольку она непрерывно расходуется на образование паро-метановой смеси, для этой цели подойдет сливной бачок от стандартного унитаза, чьё сливное отверстие закрывается стальной пластиной, с приваренной сливной трубкой, конец этой трубки вставляется в диспергатор и изгибается вниз на 180°(см. рис. 5), делается это с целью безопасности, чтобы исключить попадание газа-метана в бачок.
Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550–600 градусов в теплообменнике.
ВНИМАНИЕ: необходимо расположить бачок таким образом, чтобы уровень воды в смесителе — диспергаторе не поднимался выше 150 мм, т. е. до половины его высоты, это связано с величиной давления в газовой сети (=150 мм водного столба!), иначе вода будет препятствовать проходу газа-метана в диспергатор.
Также воду перед подачей в бачок необходимо очистить от примесей хлора. С этим справятся стандартные средства очистки воды для бытовых целей.
Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550–600 градусов в ТЕПЛООБМЕННИКЕ. Устройство теплообменника (рис. 6) уже достаточно подробно было описано выше (см. рис. 1). Поэтому приведем только уточнение размеров. Теплообменник изготавливается из нержавеющей стали, обязательно варится в среде инертного газа. Трубки из нержавеющей стали крепятся к корпусу только сваркой. Наполнитель теплообменника изготовляется из 1–2 миллиметровых частиц керамики. Это может быть, например, дробленая фарфоровая посуда. Наполнять емкость надо достаточно плотно, с обязательным встряхиванием. Возможная ошибка: при недостаточном наполнении теплообменника частицами керамики газ найдет себе дорогу, и потоки будут ламинарными, чем ухудшается теплообмен.
ВНИМАНИЕ: ВСЯ СИСТЕМА. ДОЛЖНА БЫТЬ ГЕРМЕТИЧНА. Никаких утечек! В теплообменнике 3.2 (см. рис. 10) температуры высокие! Никакие уплотнители не применять — только аргонная сварка.
Рис 6. Теплообменник
КОНВЕРТОР-РЕАКТОР
Самым сложным и ответственным узлом установки является КОНВЕРТОР-РЕАКТОР (см. рис. 7), где происходит конверсия метана (превращение его в синтез — газ). Конвертор состоит из кислород-паро-метанового смесителя и реакционных каталитических колонн. Вообще, реакция идет с выделением тепла. Однако в нашем случае, чтобы процесс начался, на подводящих трубках проводим нагрев, поскольку мы осуществляем конверсию метана по реакции [2]:
СН4 + Н2О <-> СО + 3Н2 — 206 кдж,
с потерей тепла, а значит нужно обязательно подводить тепло в конвертор. Для этого паро-метановый газ мы пропускаем через трубки, обогреваемые горелками. Конвертор работает следующим образом.
Паро-метановая смесь поступает в камеру, в которой вварены трубки из нержавеющей стали. Количество трубок может быть от 5 до 20 в зависимости от желательной производительности конвертора. Пространство верхней камеры должно быть обязательно плотно набито крупнозернистым песком, дробленой керамикой или крошкой нержавейки, размеры частиц 0,5–1,5 мм. Это необходимо для лучшего перемешивания газов, а самое главное — для пламягашения. При соединении воздуха с горячим метаном может произойти загорание. Поэтому в верхней камере набивка осуществляется с обязательным встряхиванием и досыпкой. Трубки и сборная камера (на рис. 7 — нижняя), как раз и набиваются частицами, содержащими катализатор — окись никеля.
Рис. 7. Конвертор-реактор
Массовая доля никеля в катализаторе при пересчете на NiO, должна составлять не менее 7,5±1,5 %. Остаточное содержание метана при конверсии с водяным паром природного газа (соотношение пар: газ = 2:1), при температуре 500° — 38,5 %, а при 800° — не более 1,5 %. Массовая доля "вредной" серы в пересчете на SО3, должна быть не более 0,005 %.
Изготовить такой катализатор можно самому (но всё же лучше найти готовый, промышленный катализатор). Для этого нужно на воздухе прокалить частицы никеля. Если чистого никеля нет, то можно его приготовить из никель — содержащих 10–15-20-копеечных монет СССР. Сотрите их на грубом абразивном круге или мелкой фрезой. Попадание абразива в набивку допускается. Полученный порошок прокалите и смешайте в пропорции 1/3 объема порошка с 2/3 объема молотой керамики (0,5 мм) или чистого грубозернистого песка.
Промежуток между верхними частями трубок заполняются на 10 см любым высокотемпературным теплоизолятором. Это делается, чтобы не перегревать верхнюю камеру. Есть простой способ получения такого теплоизолятора. Обычный канцелярский силикатный клей смешивают с 10–15 весовыми процентами тонкомолотого мела или талька или глины. Перемешивают тщательно. Наливают смесь тонким слоем и сразу же прижигают огнем паяльной лампы. Вскипевшая в клее вода образует пемзообразную белую массу. Когда она остынет, опять наливают на нее слой клея с мелом и опять обрабатывают пламенем. И так повторяют до тех пор, пока не получат, необходимый слой теплоизолятора. После окончания сборки конвертора его помещают в стальной короб, которой обязательно теплоизолируют материалом, выдерживающим температуру до 1000 градусов, например, асбестом. Горелки инжекционного типа, могут быть любые, от 5 штук до 8. Чем их больше, тем равномернее нагрев. Возможна также система, использующая одну горелку. Пламя ее имеет несколько выходов через отверстия в трубе. Газовые горелки есть в продаже, например, те, что используются для обработки лыж.
Есть в продаже также газовые паяльные лампы, поэтому мы даем только общую схему. Горелки должны соединяться параллельно и регулироваться стандартным газовым краном, например, от газовой плиты, но лучше взять автоматический регулятор от бытовой газовой плиты — дороговат, но надёжен и удобен — с его помощью можно задать нужную температуру внутри конвертора-реактора, повысив тем самым степень автономности установки в целом.
ЭЖЕКТОРНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
Ещё один из ответственных узлов — это эжекторный смеситель подачи воздуха и метана в камеру конвертора (см. рис. 8).
Рис. 8. Эжекторный смеситель воздуха и метана
Эжекторный смеситель воздуха и метана состоит из двух сопел одно подает метан, насыщенный парами воды, а другое — эжектор воздуха. Воздух поступает от компрессора, количество его регулируется клапаном давления (Рис. 9).
Рис. 9. Клапан давления
Компрессор может быть практически от любого бытового холодильника, давление регулируется от "нуля" до необходимого, которое будет не на много выше давления в газовой магистрали (т. е. >= 150 мм. вод. ст.).
Необходимость подачи воздуха (кислорода) в конвертор обусловлена тем, что по реакции [5] часть водорода должна быть поглощена с выделением СО, тем самым увеличивается количество окиси углерода до пропорции СО: Н2 == 1:2, т. е. число молей (объемов) водорода должно быть в два раза большим объемов окиси углерода (прим. — наличие избыточного воздуха приведёт к синтезу побочных продуктов — кислот, высших спиртов — "сивухи" и прочих вредных компонентов). Но возникновение СО2 произойдет по реакции [1] с выделением большого количества тепла. Поэтому вначале процесса компрессор мы не включаем и винт держим вывернутым. Воздух не подаем. И по мере разогрева камеры и включении всей системы будем постепенно, включив компрессор и вворачивая винт клапана давления, увеличивать подачу воздуха и одновременно уменьшать пламя на горелках, Контроль будем вести по количеству излишков водорода на выходе из конденсатора метанола (теплообменник 3. и 3.1) через фитиль (13 — см. рис. 10), сокращая его. Фитиль для дожига излишка синтез — газа представляет собой 8-миллиметровую трубку, длиной 100 мм, набитую медным проводом по всей длине — чтобы пламя не пошло вниз, в канистру с метанолом. Мы разобрали все узлы установки получения метанола. Как ясно из предыдущего, вся установка состоит из двух основных узлов: конвертора для создания синтез-газа (конверсия метана) и синтезатора метанола. Синтезатор (каталитический насос, см. рис. 2) достаточно хорошо описан выше. Единственно, что следует добавить — это необходимость установки теплоизолятора между трубой и катушкой. Как изготовить теплоизолятор, мы сообщали при описании изготовления конвертора (см. рис. 7).
ОБЩАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ
Перейдем к общей схеме установки. Работа общей схемы: из газовой магистрали метан поступает через вентиль (14) в теплообменник (3.1), разогревается до 250–300 °C, затем поступает в фильтрующий реактор (15), который работает по принципу каталитического насоса (см. рис. 2 — только диаметр трубы = 8 см), содержит в себе окись цинка — для очистки газа от примесей серы и лишь затем газ поступает в смеситель — диспергатор (2), где насыщается парами воды. Вода (дистиллированная) добавляется в диспергатор непрерывно из бачка (1). Вышедшая газовая смесь поступает в теплообменник (3.2), где разогревается до 500–600 °C и идет в конвертор (4). На NiO — катализаторе (ГИАП-16) при температуре 800 °C происходит реакция [2]. Для создания этой температуры работают горелки (12). После установления температурных режимов включается компрессор (5) и постепенно подается воздух в смеситель (11). Повышение давления осуществляется путем вворачивания винта в клапане (8). Одновременно уменьшаем пламя на горелках (12) при помощи вентиля (14.2). Полученный на выходе синтез — газ поступает в теплообменники (3.1; 3.2), где охлаждается до температуры 320–350°. Затем синтез — газ поступает в синтезатор метанола (6), где на катализаторе из смеси одинакового количества ZnO, CuO, СоО (например, СМС-4, К-140) происходит превращение его в метанол СН3ОН. Смесь газообразных продуктов на выхода охлаждается в теплообменнике (3.3), который описан выше (см. рис. 1) и поступает в накопительный бачок (10). В верхней его части находится трубка — фитиль (13), где дожигаются продукты, которые не прореагировали в процессах. Поджигание необходимо, обязательно!
Рис. 10. Общая схема установки
НЕСКОЛЬКО СОВЕТОВ
Катализаторы можно готовить самому путем прокаливания порошковых металлов на воздухе. Измерение температуры можно осуществлять при помощи термоиндикаторных красок, которые в настоящее время достаточно распространены. Измерение нужно проводить на входных и выходных трубках. Если термокрасок вы не достанете, можно изготовить сплав олово — свинец — цинк. При определенных, найденных экспериментально пропорциях смешения они будут иметь необходимую температуру плавления. Нанося полученные сплавы на трубки и следя за их плавлением, можно с некоторой погрешностью контролировать температуру. Если вы не допустили образования газовых карманов (т. е. полностью заполнены все полости соответствующей крошкой), если устранили утечки и самое главное — своевременно зажжен и постоянно горит фитиль (11), то установка будет абсолютно безопасна. Подбирая катализаторы можно повышать тепловой КПД, увеличить процент выхода метанола. Для достижения оптимума здесь требуются эксперименты. Они проводят ся во многих институтах разных стран. В России к числу таких НИИ относится, например, ГИАП (Государственный институт азотной промышленности). Следует иметь в виду, что получение метанола из природного газа в компактных установках — новое дело, и многие процессы еще недостаточно изучены. В то же время метанол — одно из самых экологически чистых и практически идеальных топлив. И, самое главное, получение его основано на безграничных и возобновляемых ресурсах — метане.
Вот и все, на этот раз. Выглядит достаточно сложно, но следует помнить, что любую сложную задачу можно решить, разбив ее на маленькие части, решение каждой из которых уже не вызывает проблем. А для чего еще можно использовать метанол? Вот основные синтезы на его основе в промышленности:
ГИПОТЕЗА
Охота на шаровую молнию
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ФИЗИКА
Что такое шаровая молния? Строго говоря, этого никто не знает. Природные шаровые молнии возникают редко в непредсказуемых местах, исследовать их с помощью приборов не удавалось. Наблюдения очевидцев ненадежны: «от страха глаза велики», т. к. где-то в половине случаев шаровая молния исчезает со взрывом. В лабораторных условиях удавалось получать разряды в газе, похожие на шаровую молнию, но утверждать, что это именно она нет оснований.
На русском языке есть несколько книг, в которых описаны наблюдения очевидцев и перечисляются возможные объяснения:
• Имянитов И., Тихий Д. За гранью законов науки. М., Атомиздат, 1980.
• Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М., Энергоатомиздат, 1985.
• Смирнов Б.М. Загадка шаровой молнии. М., Знание, 1987.
Все авторы сходятся в том, что при встрече с шаровой молнией надо вести себя как при встрече с большой злой собакой: все время смотреть на нее и избегать резких движений.
С точки зрения теории — основная проблема объяснить большое время жизни шаровой молнии. Одна из наиболее продвинутых теорий предложена в книге Смирнова Б.М. Проблема шаровой молнии. М., Наука, 1988.
Основным предположением является то, что шаровая молния — фрактальный объект, образованный случайно соединившимися частичками углерода. За счет фрактальности у этого объекта низкая плотность и очень большая площадь поверхности, что обеспечивает возможность легко передвигаться в воздухе и долго поддерживать энерговыделение при не интенсивном окислении.
ВИКИПЕДИЯ
Шаровая молния — светящийся сгусток горячего газа, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях.
Несмотря на то, что это явление пока ещё до конца не понято физикой, не стоит относиться к нему как к чему-то крайне необычному, тем более как к сверхъестественному. Это явление до конца не изучено, но активно изучается. На сегодняшний день ясно, что шаровая молния — просто красочное атмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для его объяснения не потребуется привлечение каких-либо кардинально новых физических концепций.
Основной камень преткновения в этих исследованиях — отсутствие надёжной методики воспроизводимого получения шаровой молнии в управляемых, лабораторных условиях. Если бы это было достигнуто, задача была бы практически решена. Поныне в экспериментах удавалось получить нечто, лишь отдалённо схожее с шаровой молнией. И, изучая это «нечто», экспериментаторы пока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другое явление. Такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигать совершенно разные (а иногда и самые фантастические) предположения и гипотезы о сущности шаровой молнии.
Статистика наблюдений
В отсутствие воспроизводимых экспериментальных данных, вся информация основана на рассказах очевидцев, и лишь в редких случаях — на фото- или киноматериалах. Это наводит на сомнения в самом существовании явления. Однако шаровая молния — явление довольно частое, поэтому такое недоверие может относиться к частным свидетельствам, но не к явлению вообще. Опираясь на статистически усреднённые параметры, мы в самом деле можем исследовать шаровую молнию как физическое явление.
Рассказы о наблюдении шаровой молнии известны уже две тысячи лет. Первое статистическое исследование этих сообщений было проведено французом Ф. Араго 150 лет назад. В его книге было описано 30 случаев наблюдения шаровых молний. Статистика небольшая, и неудивительно, что многие физики позапрошлого века, включая Кельвина и Фарадея, были склонны считать, что это либо оптическая иллюзия, либо явление совершенно иной, неэлектрической природы. Однако с тех времён количество и качество сообщений возросло; на сегодняшний день задокументировано около 10 тысяч случаев наблюдения шаровой молнии.
Появление
Шаровая молния всегда появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводников или порождается обычными молниями, иногда спускается из облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти и из какого-либо предмета (дерево, столб).
Поведение
Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй, довольно хаотично. Имеет тенденцию «заходить» в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, так как по одной из теорий шаровая молния свободно перемещается по эквипотенциальным поверхностям.
Исчезновение
Шаровая молния живёт от 10 до 100 секунд, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.
Размер и форма
Размер (диаметр) шаровых молний варьирует от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.
Свечение и цвет
Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тусклее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения.
Попытки лабораторного воспроизведения
Надо признать, что речь идёт пока только о попытках — нет ни одного случая искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных условиях.
Прежде всего, поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией), то большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавался газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искались условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела.
Первыми такими попытками можно считать опыты Тесла (К.Л. Корум, Дж. Ф. Корум "Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры"//УФН, 1990, т.160, вып.4.) в конце XIX века. В своей краткой заметке он сообщает, что, при определённых условиях, зажигая газовый разряд, он, после выключения напряжения, наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2–6 см[52]. Однако Тесла не сообщает подробности своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.
Первые детальные исследования светящегося безэлектродного разряда были проведены только в 1942 году советским электротехником Г.И.Бабатом: ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением.
Затем были опыты Петра Леонидовича Капицы: он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения.
С тех пор ситуация принципиально не изменилась. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Однако остаётся открытым вопрос о связи этих разрядов с той шаровой молнией, которая встречается в природе.
Например, в недавней работе А.И. Егорова, С.И. Степанова и Г.Д. Шабанова, Демонстрация шаровой молнии в лаборатории, УФН, т.174, вып.1, стр.107–109, (2004) описана схема установки, на которой авторы воспроизводимо получали некие плазмоиды со временем жизни до 1 секунды, похожие на «природную» шаровую молнию. Впрочем, для окончательных выводов требуются независимые проверки других исследовательских групп.
Свойства шаровой молнии
Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:
• Во-первых, шаровая молния как-то связана с электричеством, то есть с электрическими явлениями в газах. В процессе её зарождения или жизни крайне важно присутствие сильного электрического поля, создающего газовый разряд.
• Во-вторых, очевидно, что внутри шаровой молнии есть область очень высоких температур — именно поэтому она и светится. Скорее всего, эта область состоит из плазмы — ведь при температурах в несколько тысяч кельвинов газ переходит в состояние плазмы.
• Наконец, ясно, что шаровая молния — это не устойчивая, а метастабильная система. Это, по-видимому, распад плазменного сгустка, но только почему-то крайне замедленный.
Вопросы и загадки
Можно сформулировать несколько вопросов, ответы на которые должна дать полная теория шаровой молнии:
• Почему шаровая молния столь устойчива? Ведь если это газообразное образование, то при таких температурах этот газ или плазма тут же перемешается с окружающим воздухом. Что препятствует такому перемешиванию?
• Откуда берётся такая устойчивость формы? Это должно означать наличие довольно сильного поверхностного натяжения на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы. Неужели такое возможно на границе раздела двух газов?
• Почему шаровая молния не всплывает? Ведь облако горячего газа должно всплывать под действием силы Архимеда!
• Как шаровая молния умудряется существовать в течение такого длительного времени? Ведь если внутри неё плазма и если нет подпитки энергией извне, то почему плазма моментально не рекомбинирует? Может быть, есть внешняя подпитка энергией, невидимая глазу?
• Откуда в шаровой молнии такие запасы энергии (а ведь по оценкам, типичная шаровая молния содержит десятки и сотни килоджоулей)?
• Как шаровая молния умудряется обходить препятствия, протекать сквозь небольшие отверстия? Ведь если это просто заряд, то он должен притягиваться к окружающим телам. Почему здесь не проявляются простые законы электростатики?
НЕКОТОРЫЕ ГИПОТЕЗЫ О ПРИРОДЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ О ПРИРОДЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Капица П. Л. ДАН СССР 1955. Том 101, № 2, стр. 245–248.
Природа шаровой молнии пока остается неразгаданной. Это надо объяснить тем, что шаровая молния — редкое явление, а поскольку до сих пор нет указаний на то, что явление шаровой молнии удалось убедительно воспроизвести в лабораторных условиях, она не поддается систематическому изучению.
Было высказано много гипотетических предположений о природе шаровой молнии (1, 2), но то, о котором пойдет речь в этой заметке, по-видимому, еще не высказывалось. Главное, почему на него следует обратить внимание, это то, что его проверка приводит к вполне определенному направлению экспериментальных исследований. Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и таким образом предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает следующее принципиальное затруднение.
Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количественно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию. С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опубликованных данных (3) о времени высвечивания облака после ядерного взрыва. Такое облако сразу после взрыва, несомненно, является полностью ионизованной массой газа, и поэтому его можно рассматривать как заключающее в себе предельный запас потенциальной энергии. Поэтому, казалось бы, оно должно высвечиваться за время меньшее, чем наиболее длительно существующая шаровая молния, но на самом деле этого нет. Поскольку запасенная энергия облака пропорциональна объему (d3), а испускание поверхности ~ d2, то время высвечивания энергии из шара будет пропорционально d, его линейному размеру. Полностью облако ядерного взрыва, при диаметре d, равном 150 м, высвечивается за время меньшее, чем 10 сек. (3), так что шар размером в 10 см высветится за время меньшее, чем 0,01 сек. Но на самом деле, как указывается в литературе, шаровая молния таких размеров чаще всего существует несколько секунд, а иногда даже минуту (1, 2). Таким образом, если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Поскольку шаровая молния обычно наблюдается "висящей" в воздухе, непосредственно не соприкасаясь с проводником, то наиболее естественный, и, по-видимому, единственный способ подвода энергии — это поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн. Примем такое предположение за рабочую гипотезу и посмотрим, как согласуются с ней наиболее характерные из описанных явлении, сопровождающих шаровую молнию (1, 2, 4). Если сравнить поведение шаровой молнии со светящимся облаком, оставшимся после ядерного взрыва, то бросается в глаза следующая существенная разница. После своего возникновения облако ядерного взрыва непрерывно растет и бесшумно тухнет. Шаровая молния в продолжение всего времени свеченияостается постоянных размеров и часто пропадает со взрывом. Облако ядерного взрыва, будучи наполнено горячими газами с малой плотностью, всплывает в воздух и поэтому двигается только вверх. Шаровая молния иногда стоит неподвижно, иногда движется, но это движение не имеет предпочтительного направления по отношению к земле и не определяется направлением ветра. Теперь покажем, что эта характерная разница хорошо объясняется выдвинутой гипотезой.
Известно, что эффективное поглощение электромагнитных колебаний ионизованного газового облака-плазмы может происходить только при резонансе, когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы совпадет с периодом поглощаемого излучения. При тех интенсивностях ионизации, которые ответственны за яркое свечение шара молнии, резонансные условия всецело определяются его наружными размерами. Если считать, что поглощаемая частота соответствует собственным колебаниям сферы, то нужно, чтобы длина l поглощаемой волны была приблизительно равна четырем диаметрам шаровой молнии (точнее, l == 3,65 d). Если в том же объеме ионизация газа слаба, то, как известно, тогда период колебаний плазмы в основном определяется степенью ионизации, причем соответствующая резонансная длина волны всегда будет больше, чем та, которая определяется размерами ионизованного объема и, как мы указали, равна 3,65 d. При возникновении шаровой молнии механизм поглощения можно себе представить так: сперва имеется небольшой по сравнению с (n/6)d**3 объем плазмы, но если ионизация его будет слаба, то все же резонанс с волной длины l = 3,65 d будет возможен и произойдет эффективное поглощение радиоволн. Благодаря этому ионизация будет расти, а с ней и начальный объем сферы, пока она не достигнет диаметра d. Тогда резонансный характер процесса поглощения будет определяться только формой, и это приведет к тому, что размер сферы шаровой молнии станет устойчивым.
Действительно, предположим, что интенсивность поглощаемых колебаний увеличивается, тогда температура ионизованного газа несколько повысится и сфера раздуется, но такое увеличение выведет ее из резонанса и поглощение электромагнитных колебаний уменьшится, сфера остынет и вернется к размерам, близким к резонансным.
Таким образом можно объяснить, почему наблюдаемый диаметр шаровой молнии в процессе свечения остается постоянным. Размеры наблюдаемых шаровых молний лежат в интервале от 1 см до 27 м (4). Согласно нашей гипотезе, эти величины, помноженные на четыре, дадут тот диапазон волн, который ответственен в природе за создание шаровых молний. Наиболее часто наблюдаемым диаметром шаровых молний от 10 до 20 см (1) соответствуют длины волн от 35 до 70 см. Местами, наиболее благоприятными для образования шаровых молний, очевидно, будут области, где радиоволны достигают наибольшей интенсивности. Такие места будут соответствовать пучностям напряжения, которые получаются при разнообразных возможных интерференционных явлениях. Благодаря повышенному напряжению электрического поля в пучностях, их положение будет фиксировать возможные места шаровой молнии. Такой механизм приводит к тому, что шаровая молния будет передвигаться с передвижением пучности, независимо от направления ветра или конвекционных потоков воздуха (1. 2).
Как возможный пример такого фиксированного положения шаровой молнии рассмотрим случай, когда радиоволны падают на проводящую поверхность земли и отражаются. Тогда благодаря интерференции образуются стоячие волны и на расстояниях, равных 1, длине волны, помноженной на 0,25; 0,75; 1,25; 1,75 и т. д., будут образовываться неподвижные в пространстве пучности, в которых напряжение электрического поля удваивается по сравнению с падающей волной. Вблизи этих поверхностей благодаря повышенному напряжению будут благоприятные условия, как для создания начального пробоя, так и для дальнейшего развития и поддержания ионизации в облаке, образующем шаровую молнию. Таким образом, поглощение электромагнитных колебаний ионизованным газом может происходить только в определенных поверхностях, параллельных рельефу земли. Это и будет фиксировать в пространстве положение шаровой молнии. Такой механизм объясняет, почему шаровая молния обычно создается на небольшом расстоянии от земли и часто передвигается в горизонтальных плоскостях. При этом наименьшее расстояние центра шаровой молнии до проводящей поверхности будет равно 1/4 длины волны и, следовательно, зазор между отражающей поверхностью и краем шара должен быть примерно равен его радиусу.
При интенсивных колебаниях вполне возможно, чтобы в ряде пучностей образовывались отдельные шаровые молнии, на расстоянии полудлины волны друг от друга. Такие цепочки из шаровых молний наблюдаются, они носят название "четочных" молний и даже были засняты (2). Наша гипотеза также может объяснить, почему иногда шаровая молния пропадает со взрывом, который не причиняет разрушений (1, 2). Когда подвод мощности внезапно прекращается, то при малых размерах остывание шара произойдет так быстро, что образуется сфера разреженного воздуха, при быстром заполнении которой возникает ударная волна небольшой силы. Когда же энергия медленно высвечивается, гашение будет процессом спокойным и бесшумным.
Выдвинутая нами гипотеза может дать удовлетворительное объяснение, пожалуй, наиболее непонятному из свойств шаровой молнии — ее проникновению в помещение через окна, щели и чаще через печные трубы. Попав в помещение, светящийся шар в продолжение нескольких секунд либо парит, либо бегает по проводам (1, 2, 4). Таких случаев описано столько, что их реальность не вызывает сомнения. С нашей точки зрения, весьма интересен случай (5), когда в аэроплан, пересекающий грозовую тучу на высоте 2800 м, влетела шаровая молния. Нашей гипотезой все эти явления объясняются тем, что проникновение в замкнутые помещения шаровых молний происходит благодаря тому, что они следуют по пути коротковолновых электромагнитных колебаний, распространяющихся либо через отверстия, либо по печным трубам или проводам как по волноводам. Обычно размер печной трубы как раз соответствует тому критическому сечению волновода, в котором могут свободно распространяться волны длиною до 30–40 см, что и находится в соответствии с наблюдаемыми размерами шаровых молний, проникающих в помещение (1).
Таким образом, гипотеза о происхождении шаровой молнии за счет коротковолновых электромагнитных колебаний не только может решать основное противоречие с законом сохранения энергии, но может также объяснить ряд других известных и непонятных явлений, связанных с явлением шаровой молнии, как то: ее фиксированные размеры, малоподвижное положение, существование цепочек, взрывная волна при исчезновении, а также проникновение в помещение. Тут следует поставить вопрос, не происходит ли давно наблюдаемое в природе явление тлеющего кистеобразного свечения, называемого "огни св. Эльма", также за счет электромагнитных колебаний, но более слабых мощностей. До сих пор (6) это свечение объяснялось стеканием зарядов с острия, происходящим благодаря постоянному напряжению, возникающему при больших разностях потенциалов между землей и тучей. Такое объяснение было вполне естественно до тех пор, пока это свечение не наблюдалось на земле, где можно указать замкнутый путь постоянного тока, но теперь описаны случаи, когда "огни св. Эльма" продолжительное время наблюдаются на фюзеляжах летящих самолетов (7). Поэтому возможно, что и тут выдвинутая нами гипотеза может помочь решению трудности.
Хотя выдвинутая гипотеза успешно разрешает ряд основных трудностей понимания процесса шаровой молнии, все же следует указать, что этим еще вопрос до конца не решается, так как нужно еще показать существование в природе электромагнитных колебаний, питающих шаровую молнию. Тут в первую очередь нужно ответить на естественно возникающий вопрос: почему во время грозы излучения электромагнитных колебаний в области той длины волны, которая нужна для создания шаровой молнии, до сих пор не описаны в литературе? Пока еще не было направлено внимание на обнаружение во время грозы этих волн, нам думается, можно предположить следующее. Поскольку шаровая молния — редкое явление, то естественно считать, что возникновение соответствующих радиоволн тоже редко происходит, кроме того еще реже можно ожидать, чтобы они попадали на приемные аппараты в той коротковолновой области радиоволн от 35 до 70 см, которая пока еще сравнительно мало используется. Поэтому как следующий шаг проверки выдвинутых предположений следует выработать соответствующий экспериментальный метод наблюдения, попытаться обнаружить во время грозы радиоизлучения в указанном коротковолновом диапазоне волн. Что касается источника этих радиоволн, то, по-видимому, есть два факта в наблюдениях над шаровыми молниями, которые могут помочь пролить свет на механизм их возникновения. Один из них — то, что шаровая молния наиболее часто возникает к концу грозы, второй — то, что шаровой молнии непосредственно предшествует обычная. Первый факт указывает, что наличие ионизованного воздуха помогает созданию радиоволн, а второй, что возбудителем этих колебаний является грозовой разряд. Это ведет к естественному предположению, что источником радиоволн является колебательный процесс, происходящий в ионизованной атмосфере либо у тучи либо у земли. В последнем случае, если источник находится у земли, то район, захваченный интенсивным радиоизлучением будет ограничен и будет непосредственно прилегать к месту, где находится шаровая молния. Интенсивность радиоколебаний может быстро падать при удалении от этого места, и поэтому на значительных расстояниях для наблюдения будет нужна чувствительная аппаратура. Если радиоволны излучаются самой грозовой тучей, то они будут захватывать большие районы и их обнаружение даже малочувствительным приемником не представит труда. Наконец, как второе возможное направление для экспериментальной проверки выдвинутой гипотезы надо указать на возможность создания разряда, подобного шаровой молнии, в лабораторных условиях. Для этого, очевидно, нужно располагать мощным источником радиоволн непрерывной интенсивности в дециметровом диапазоне и уметь их фокусировать в небольшом объеме. При достаточном напряжении электрического поля должны возникнуть условия для безэлектродного пробоя, который путем ионизационного резонансного поглощения плазмой должен развиться в светящийся шар с диаметром, равным примерно четверти длины волны.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. W. Brand, Der Kugelblitz, Hamburg, 1923.
2. И. С. Стекольников, Физика молнии и грозозащита, Изд. АН СССР, 1943, стр. 145.
3. The Effects of Atomic Weapons, § 2.15, London, 1950.
4. F. Rossmann, Ober den Kugelblitz, Wetter und Klilna, Marz-April, 1949, S. 75.
5. J. Durward, Nature, 563, April (1952).
6. Г. Бенидорф, Атмосферное электричество (пер, с нем.) М., 1934, стр. 51.
7. В. F. J. Schonland, The Flight of Thunderbolts, Oxford, 1950, p. 47.
ШАРООБРАЗНАЯ ЗАГАДКА
Владимир Ацюковский
Что же такое шаровая молния и какова ее природа?
Шаровая молния — это одиночная ярко светящаяся относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха, содержащая в своем теле большую энергию, исчезающая тихо или с большим шумом типа взрыва и не оставляющая после своего исчезновения никаких материальных следов, кроме тех разрушений, которые она успела натворить.
Обычно возникновение шаровой молнии связано с грозовыми явлениями и естественной линейной молнией. Но это не обязательно. Известны случаи, когда шаровая молния выскакивает ни с того ни с сего из обычной штепсельной розетки, из магнитного пускателя, укрепленного на токарном станке. Также были случаи внезапного появления шаровой молнии на крыле летящего самолета, устойчиво перемещающейся по крылу от его конца к фюзеляжу.
Создано значительное количество гипотез о природе и структуре шаровой молнии, такие, как светящееся облако ионов воздуха, подпитываемых извне; плазменные и химические теории; кластерные гипотезы (молния состоит из кластеров — гидратных оболочек ионов) и даже предположение о том, что шаровая молния состоит из антивещества и управляется внеземными цивилизациями. Общим недостатком всех подобных теорий, гипотез и моделей шаровой молнии является то, что они не объясняют всех ее свойств в совокупности.
Каковы же свойства шаровых молний, почерпнутые из наблюдений за их поведением? Попробуем их перечислить:
— размер устойчивой шаровой молнии составляет от единиц до десятков сантиметров;
— форма — шарообразная или грушевидная, но иногда расплывчатая, по форме прилегающего предмета;
— яркая светимость, видимая в дневное время;
— высокое энергосодержание — 103–107 Дж (однажды шаровая молния, забравшись в бочку с водой, испарила 70 кг воды);
— удельная масса, совпадающая практически с удельной массой воздуха в районе появления (шаровая молния свободно плавает в воздухе на любой высоте);
— способность прилипать к металлическим предметам;
— способность проникать сквозь диэлектрик, в частности сквозь стекла;
— способность деформироваться и проникать в помещения через малые отверстия типа замочных скважин, а также сквозь стены, по линиям проводов и т. п.;
— способность взрываться самопроизвольно либо при соприкосновении с предметом;
— способность поднимать и передвигать различные предметы; а также некоторые другие свойства, менее существенные.
С точки зрения эфиродинамики шаровая молния — это тороидальный винтовой вихрь слабо сжатого эфира, отделенный пограничным слоем эфира от окружающего эфира. Энергия шаровой молнии — это энергия потоков эфира в теле молнии.
Численные оценки показывают, что при диаметре 6 см и энергосодержании в 107 Дж, при толщине стенки тороида 1 см и при начальном диаметре эфирного шара 60 м (граница магнитного поля в момент прохождения обычной молнии) общая энергия за счет сжатия шара окружающим эфиром возрастет пропорционально квадрату отношения начального и конечного диаметров, т. е. в миллион раз! То есть для обеспечения энергосодержания шара с энергией в десять миллионов джоулей достаточно, чтобы начальное содержание энергии в потоках эфира было всего десять джоулей. При этом за счет сжатия плотность тела молнии также возрастет в миллион раз и составит 10-5 кг/м3. Общая масса молнии при этом составит 10-9 кг или 1 мкг, в то время как масса воздуха в этом объеме при давлении в 760 мм рт. ст. будет равна 100 мг, т. е. в 100 тысяч раз больше. Вот поэтому шаровая молния и держится в воздухе на любой высоте за счет сцепления эфирных потоков тела молнии с эфирными же потоками тел молекул воздуха.
Высокое энергосодержание молнии будет обеспечиваться соответствующей скоростью потоков эфира в ее теле. Для указанного энергосодержания она должна составить 1,4∙107 м/с, что значительно меньше скорости света.
Свечение воздуха — это несущественное следствие возбуждения молекул воздуха потоками эфира, сопутствующее, энергетически незначительное явление. Таким образом, все эфиродинамические параметры шаровой молнии весьма умеренные. Саму молнию можно трактовать, с определенными натяжками, конечно, как сильно сжатое и локализованное в пространстве магнитное поле.
Несложно видеть, что предлагаемая модель позволяет объяснить все основные свойства шаровой молнии, исключая, разве что, исчезновение браслета с руки человека (действительный случай), — размер, форму, светимость, высокое энергосодержание, удельную массу. Способность прилипать к металлам объясняется наличием градиента скоростей в потоках эфира вблизи металла и снижением в связи с этим давления эфира между телом молнии и металлом. Тем же объясняется и подъемная сила молнии. Случай с летящим самолетом, когда шаровая молния прилипла к крылу, объясняется этим же. Потоки эфира возбуждают молекулы газа, которые прекращают свечение, как только они покидают тело молнии.
Потоки эфира свободно проникают сквозь изолятор аналогично магнитному полю. Поскольку свечение воздуха является попутным явлением, то понятно, что воздух, выйдя из тела молнии, светиться перестанет, а после того, как молния окажется по другую сторону изолятора, например оконного стекла, новая часть воздуха, попавшая в ее тело, начнет светиться, создавая впечатление, что сквозь стекло прошло именно само свечение.
Взрыв автономно существующей шаровой молнии несложно объясняется потерей устойчивости пограничного слоя эфира, что может быть ускорено соприкосновением тела молнии с каким-нибудь предметом.
После взрыва никаких следов от молнии, кроме произведенных разрушений, не должно остаться, реально их и нет.
Таким образом, эфиродинамическая модель шаровой молнии объясняет практически все основные свойства шаровой молнии в совокупности.
Шаровая молния, по мнению автора, является ключом к разрешению энергетической проблемы.
Поскольку при сжатии тела молнии эфиром происходит самопроизвольный переход потенциальной энергии эфира (хаотического движения амеров) в кинетическую (упорядоченное движение амеров), то шаровая молния является природным механизмом получения энергии из эфира. А поскольку эфир распространен повсеместно, то искусственные шаровые молнии позволили бы полностью решить проблему бессырьевого получения экологически чистой энергии в том количестве, которое необходимо в данном месте в данное время.
Как можно получить шаровую молнию? Этого сегодня практически не знает никто. Можно, однако, высказать некоторые предположения.
Если по проводнику пропустить ток, а затем его резко оборвать, то окружающее проводник магнитное поле должно схлопнуться, самопроизвольно сжаться, локализоваться и образовать тело шаровой молнии. Однако такое схлопывание произойдет лишь в том случае, если будут созданы условия образования градиентного течения эфира на поверхности магнитного поля, если форма магнитного поля будет приближена к шаровой и если ток в проводнике будет оборван так резко, чтобы магнитное поле не успело спрятаться обратно в проводник. Все это требует крайне коротких фронтов импульсов, длительность которых не должна превышать десятых долей наносекунд при значениях токов в проводнике в десятки тысяч ампер.
Электронные ключи, которые должны все это обеспечить, должны не только прерывать такие большие токи, но еще и противостоять электродвижущей силе самоиндукции в десятки и даже сотни киловольт, а собственная емкость этих ключей не должна превышать единиц пикофарад. Электронные ключи с подобными параметрами пока не созданы, и неизвестно, можно ли их вообще создать.
Естественно, приходит на ум в качестве таких ключей использовать газовые или вакуумные разрядники. Но и разрядников с такими параметрами тоже не существует. Однако природа как-то умудряется обходиться и без электронных ключей, и без разрядников, и даже без гроз. Как это удается природе? Это одна из загадок, которую наука вынуждена будет решать, если хочет реально обеспечить человечество дешевой экологически чистой энергией в любом количестве в любой точке пространства и в любое время.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Маханьков Ю. П.
Появление шаровой молнии, как правило, связано с грозовой деятельностью протекающей в атмосфере, поэтому прежде чем пытаться понять ее внутреннее строение, необходимо представить те внешние условия, в которых происходит ее образование и существование.
Рассмотрим, каким образом происходит образование обычной молнии, и какие электрические процессы сопутствуют этим явлениям. В результате трения падающих капель воды о воздух происходит их электризация, величина которой определяется относительной скоростью движения в воздухе и энергией связи внешних электронов в атомах составляющих молекулы воды и воздуха. Знак заряда обусловлен тем, какие атомы, воды или встречного потока воздуха, легче отдают свои валентные электроны. В данном случае это будут капли воды, в состав которых входит водород относящийся к группе металлов.
Потеря электронов каплями воды будет происходить при их ускоренном движении относительно воздуха, так как положительный заряд, который образуется на каплях будет притягивать обратно электроны из окружающей среды, таким образом, при постоянной скорости устанавливается равновесие и заряд капли изменяться не будет.
Процесс ускоренного движения происходит в пределах области тучи, когда идет рост массы капли, за счет ее движения в среде насыщенной водяным паром. Ускорение при этом обуславливается за счет ускорения свободного падения минус ускорение, создаваемое за счет присоединения частиц пара и сопротивлением воздуха. За пределами тучи ускорение движения капли происходит под действием сил гравитации и сопротивления воздуха. По мере приближения к земле оно будет отрицательным, так как возрастает плотность воздуха, а за счет испарения уменьшается вес капли.
В результате сложного движения капли, ее заряд будет изменяться в процессе всего полета. При движении в верхней и средней области облака, когда капля испытывает положительное ускорение, а масса ее возрастает, она, теряя электроны, приобретает положительный заряд, в то время как окружающее пространство накапливает отрицательный заряд. При выходе из облака, когда ускорение становится отрицательным, а капля, на которой сосредоточен положительный заряд, испаряется, она теряет часть своего заряда. Но чем больший положительный заряд будет иметь окружающий воздух, в результате своего взаимодействия с потоком предыдущих капель, тем меньший положительный заряд будет терять капля. При падении на землю накопленные каплей положительные заряды заряжают послед-
Таким образом, при прохождении дождя или снега в области облака накапливается избыток электронов, т. е. отрицательный заряд. На поверхности и над поверхностью земли будет иметь место недостаток электронов, что соответствует положительному заряду. При этом над поверхностью земли уровень положительной ионизации воздуха, в основном, определяется температурным режимом и влажностью, так как от них зависит скорость испарения падающих капель. Положительно заряженная масса воздуха, расположенная над поверхностью земли, будет дрейфовать под действием электрического поля между облаком и землей вверх, создавая восходящие потоки. Кроме этого одноименно заряженные молекулы воздуха будут отталкиваться друг от друга с некоторой силой, которая в сумме с барометрическим давлением, существующем в положительно заряженном воздухе, будет равна давлению незаряженной воздушной массы. Таким образом, образуется область пониженной плотности воздушной массы, при неизменном давлении во всем пространстве, которая будет подниматься вверх в среде атмосферы с большей плотностью за счет силы Архимеда.
Рис. 1. Накопление зарядов в облаке.
С другой стороны на отрицательно заряженную часть облака, будет действовать сила притяжения со стороны положительно заряженной массы воздуха и земли, направленная вниз, сила Архимеда направленная вверх, а также сила направленная вверх за счет подъема положительно заряженной массы воздуха. В результате часть облака будет выноситься в верхние слои атмосферы, где в зависимости от высоты будет иметь место отрицательная температура, что может привести к образованию града.
Облако и восходящий поток воздуха при встречном движении образуют область нейтрализации зарядов. В области нейтрализации зарядов возникнет повышенное давление. Растекание нейтрально заряженного воздуха порождает турбулентность движущихся потоков.
Между разноименно заряженными ионами встречно-двигающихся потоков будет находиться своего рода изолятор из нейтрального газа, который все время пополняется за счет нейтрализации положительных и отрицательных ионов при их рекомбинации. За счет турбулентности движения потоков направление движения части массы воздуха и капель воды в туче совпадает в области, где происходит нейтрализация ионов и воздух «неподвижен», а ниже этой области направлен навстречу падающей капле. В результате такого движения капля, попадая в область «неподвижного» воздуха, будет отдавать этой области свои электроны, заряжая ее за счет положительного ускорения относительно окружающего воздуха. Следует учитывать, что капля в начале движения находилась в области с избытком электронов и, отдавая часть своих электронов, осталась отрицательно заряженной. При дальнейшем движении капли в области с положительными ионами, движущимися навстречу, происходит дальнейшая потеря электронов с ее стороны. В результате отрицательные заряды, накапливаемые в верхней и средней частях облака, будут перемещаться к границе раздела между положительно и отрицательно заряженными областями атмосферы. Сама граница раздела, состоящая из нейтрального газа также будет опускаться к земле.
По мере накопления зарядов на земле и в облаке возрастает напряженность электрического поля, а заряды будут сосредотачиваться на обращенных друг к другу поверхностях. Известно, что наибольшая напряженность поля будет на выступающих местах: молниеотводы, деревья, высотные сооружения. Наступает электрический пробой, образуется канал молнии и происходит нейтрализация зарядов накопленных в облаке и положительно заряженной массе воздуха. Пробой наступает не «в землю», а «в положительно заряженную область» воздуха, которая поднимается от земли и находится значительно ближе чем молниеотводы и высотные сооружения. Пробивается промежуток состоящий из «нейтрального» воздуха, который расположен между разноименными зарядами, а для этого не нужна разность потенциалов в миллиарды вольт, которая необходима для пробоя промежутков измеряемых километрами.
Явление пробоя примечательно тем, что плотность отрицательных зарядов изолирующего слоя из «нейтрального» воздуха с одной стороны, значительно превышает плотность положительных с другой, поэтому электроны, попадают при пробое в область с положительными ионами и перезаряжают последние. В результате отталкивания между отрицательными ионами образуется зона пониженного давления. Она обладает высокой электропроводностью и поэтому заполняется свободными электронами. Под действием электрического поля к этой зоне начинают перемещаться положительные ионы воздуха из окружающего пространства. Попадая на границу раздела положительно заряженные ионы частично рекомбинируют, а при дальнейшем перемещении к центру, под действием разницы давлений, перезаряжаются и выталкиваются электрическим полем. В процессе нейтрализации ионов образуется плазма, которая экранирует поле электронов и таким образом уменьшает взаимодействие электронов расположенных в зоне разряжения с окружающими ее положительными зарядами (радиус Дебая). Вокруг ствола молнии образуется достаточное для экранирования «количество» плазмы, препятствуя таким образом его разрушению. Образующаяся таким образом голова ствола молнии, к которой начинают перемещаться положительно заряженные ионы воздуха из окружающего пространства, оказывается слабо экранированной и электроны, стекая к ней, будут стремится к области с большим положительным потенциалом. Перемещение головы ствола молнии будет происходить к ближайшей положительно заряженной области. Последние распределены в пространстве случайно, поэтому перемещение головы выглядит зигзагообразным. В процессе нейтрализации ионы молекул воздуха будут подвергаться действию повышенного давления возникающему за счет встречного перемещения отрицательных и положительных ионов, что в свою очередь будет препятствовать их перемещению, а, следовательно, и разрушению канала молнии.
Об устойчивости существования канала молнии говорит тот факт, что у автора этой гипотезы имеются записи регистрации разрядов под Санкт-Петербургом, длительность которых достигала 7 секунд и это были не единичные явления.
Таким образом, канал молнии в разрезе можно представить моделью, представленной на рисунке. Она являет собой своего рода «вакуумный» проводник, частично изолированный от внешнего пространства слоем ионизированного воздуха под высоким давлением, а также плазмой, которая экранирует электрическое поле. При разрушении этого проводника происходит взрыв — заполнение разреженного пространства и разрушение оболочки канала молнии, что мы и слышим как гром. В конечном итоге перемещение головы молнии заканчивается там, где окажется сосредоточенным ближайший наибольший положительный заряд, который в состоянии нейтрализовать электроны поступающие по каналу молнии. Таким образом, происходит образование канала молнии и разряд накопленного электрического заряда через этот канал.
Рис. 2. Формирование ствола молнии:
1 — пространство насыщенное положительно заряженными ионами;
2 — область высокого давления;
3 — область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами;
4 — область низкого давления занятая электронами.
В результате разряда, заряд земли и облака может значительно уменьшится, однако заряд ионов воздуха практически не меняется. Более того, если учесть, что ток, который протекает по каналу молнии, создает значительные магнитные поля, а сам канал обладает большой протяженностью, следовательно, и индуктивностью, то возможно такое перераспределение, при котором заряд участка земли станет отрицательным, а облака положительным. Ионизированный воздух, который раньше отталкивался от земли, теперь будет к ней притягиваться. В результате положительно заряженное облако воздуха под действие электрических сил будет прижиматься к земле. Таким образом, образуется область, в которой достаточно долгое время существуют два противоположных связанных заряда — один из них сосредоточен в ионизированном воздухе, а другой в земле.
В этом случае разряд молнии будет происходить между отрицательно и положительно заряженными областями. При этом поток электронов будет двигаться вниз до тех пор, пока отрицательный заряд земли не станет его отталкивать. Таким образом поток электронов не доходит до земли, в которой произошло бы его растекание, а сосредотачивается в области положительно ионизированного воздуха, нейтральные молекулы которого являются изолятором. В данном случае речь идет об ионизированном воздухе. Та часть ионов воздуха, которая соприкасается с отрицательно заряженной частью облака рекомбинирует и становясь нейтральными. Таким образом, получается, что в пространстве существуют две области разноименных зарядов изолированных друг от друга. Такая изоляция не является стабильной.
Рис. 3. Устройство шаровой молнии:
1 — область низкого давления, занятая электронами;
2 — область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами;
3 — область высокого давления (около 100000 атм.), в которой происходит рекомбинация положительно и отрицательно заряженных ионов и образуется экранирующий слой плазмы (радиус Дебая) и изоляции из нейтральных молекул воздуха;
4 — окружающее пространство, насыщенное положительно заряженными ионами.
В области с одноименно заряженными зарядами возникает разряженное пространство за счет отталкивания. В то же время на границе, где происходит нейтрализация положительно и отрицательно заряженных ионов будет присутствовать область повышенного давления, за счет их притяжения. Наличие области повышенного давления, в которой в основном находятся нейтральные молекулы, значительно уменьшает скорость перемещения ионов в этой области, а также увеличивает напряжение пробоя, которое определяется для газов способностью организации каналов. При рекомбинации будет происходить выделение энергии, в результате чего образуется плазма, которая в значительной степени экранирует электрическое поле, что так же ограничивает скорость встречного перемещения разноименных ионов воздуха. Эти процессы, в конечном счете, определяют время устойчивого существования структуры зарядов, которая называется шаровой молнией. В положительно ионизированную область пространства отрицательные заряды могут попадать не только в результате разряда в эту область новой молнии, они могут поступить туда по проводящим предметам попавшими хотя бы частично в эту область.
В литературе неоднократно описывалось, что шаровые молнии возникают из розеток. В случае с Рихманом, помощником Ломоносова, шаровая молния возникла из разорванного проводника от молниеотвода. Склонность появляться из дымоходов по всей вероятности объясняется тем, что сажа которая там содержится, является проводником, а сами трубы исполняют роль молниеотводов, причем, так как их нижний конец находится в области насыщенной положительными ионами, а не соединен в данном случае с отрицательно заряженной землей, как у молниеотводов, то, несмотря на свою высоту, они явно имеют преимущество перед последними по притягиванию шаровых молний, особенно если учитывать что разрушение отрицательного заряда в земле, за счет падающих положительно зараженных капель, под строениями происходит намного медленнее, например, если стены выполнены из изолирующих материалов (деревянные, сухой кирпич, и т. д.).
На основании вышеизложенного объясним реальное событие. В «Комсомольской правде» промелькнуло сообщение о том, что произошло поражение молнией девушки стоящей недалеко от дерева, в которое угодила молния. При этом пострадала одна туфля и кофточка, все остальное оказалось целым. В данном случае, после удара молнии в дерево, произошел перезаряд земли относительно окружающего воздуха.
Последующий разряд, но теперь уже из земли в положительно заряженный воздух, произошел через девушку. Через ту туфлю, которая лучше проводила электричество. А кофточка, которая обладала изолирующими свойствами и препятствовала перемещению электронов к положительно заряженным ионам воздуха, пострадала, так как не могла выдержать возникшего напряжения. Кроме этого, наибольшая плотность положительных ионов, вероятно, находилась на высоте этой кофточки.
Случаи обратного удара молнии из выступающих над земной поверхностью проводников в окружающую атмосферу с образованием шаровых молний внешне не отличаются от прямых ударов. Этот факт следует учитывать при проектировании и оценке эффективности действия различных устройств грозовой защиты.
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Николай Носков
На протяжении столетий многие исследователи во всем мире пытались раскрыть секрет шаровой молнии (далее ШМ), однако природа ее пока все еще остается тайной за семью печатями. Так, в монографии Дж. Барри «Шаровая и четочная молнии» [1] (1983) упоминается около четырехсот авторов, которые изучали яв ление ШМ. Среди них Ломоносов и Рихман (1753), Тейт (1880), Риманн (1897), Гезехус (1899). Особый интерес вызывают авторы, в работах которых высказаны более или менее реальные гипотезы природы ШМ: Рабат (высоковольтный электрический разряд в разряженном газе); Капица [2] (ШМ подпитывается невидимым каналом линейной молнии); Смирнов [3] (перезарядка ионов в плазме на многоэлектронных примесях); Барри (горение углеводородов), Стаханов [4] (образование высокотемпературных кластеров — высокомолекулярных пленок в виде пузырей) и др.
В 1975…1977 гг. Стаханов буквально предпринял штурм по попытке вскрыть природу ШМ. Через журнал «Наука и жизнь» он обратился к населению бывшего СССР с просьбой к очевидцам прислать описания явления ШМ. Пришло более тысячи писем. Стаханов провел обработку полученных сведений. Результаты можно выразить его же словами: «материалы опроса населения еще раз подтвердили, что реальность ШМ не вызывает сомнений, как и то, что вопрос о ее происхождении продолжает оставаться открытым». И следует добавить: «…и пока какая-либо из высказанных гипотез не будет реализована в эксперименте».
Анализ описаний очевидцев показал, что ШМ:
• плазменное образование, имеющее температуру в широких пределах 500…1500 °C (судя по следам оплавления металлических вещей, нагреванию воды в сосудах, ожогам деревьев во время разрушения ШМ). Вместе с тем излучение тепла и лучистой энергии до ее разрушения настолько мало, что она не оставляет никаких следов даже при пролете почти вплотную;
• шаровидное светящееся образование с четкой границей, отделяющей ее от окружающей среды. Движение ШМ не приводит к размыванию этой границы в воздухе (как при горении, например). Оболочка ШМ устойчива и упруга в условиях сильной деформации (при проникновении через щели и отверстия), причем шаровидная форма образования немедленно полностью восстанавливается;
• имеет большой разброс величин энергий (разрушены, например, кирпичная дымовая труба, угол кирпичного дома; образовано углубление в асфальте; нагрета вода в ведре и т. д.);
• способна иметь большой величины электрический заряд, какой не может нести обычное тело такого же объема и массы. (Его силы достаточно, чтобы убить человека, животное, расплавить провода в радиоприемнике или в телефоне, как при коротком замыкании большого тока).
• имеет аномально большое время жизни, колеблющееся от 1 сек до 2 мин. У обычной плазмы оно составляет примерно 10-3 сек, а рекомбинация ионов длится всего 10-10 сек (!)
• движется таким образом, что можно сделать заключение: направление ее движения зависит не только от направления ветра, но в большей степени — от напряженности магнитного поля, поскольку она либо выталкивается в область с пониженной напряженностью (закрытое помещение), либо движется по эквипотенциальным линиям магнитного поля (огибает строения, ландшафт на определенном расстоянии). При этом вертикальное электрическое поле на ее движение никак не влияет;
• является продуктом линейной молнии (далее ЛМ), либо другого электрического разряда.
Гипотеза квантовой природы ШМ
Явления, сопровождающие разрушение ШМ, такие как схлопывание, взрыв, большие токи, освобождение тепловой энергии, сохраняющейся при относительно длительном существовании ШМ, — все это принадлежности некой конструкции, долженствующие проявляться естественным образом при соответствующих предпосылках в атмосфере Земли. Анализируя свойства ШМ и характеристики электрических и магнитных полей Земли способом моделирования физических процессов, происходящих при разрядах ЛМ в атмосфере, можно предложить новую гипотезу природы ШМ.
Отклонение ЛМ от вертикального положения наблюдается регулярно. Происходит это из-за того, что проводимость атмосферы неравномерна, поскольку неоднороден химический состав, плотность и влажность воздуха. Можно также часто видеть, как от основного канала молнии отрываются боковые рукава, которые почти мгновенно исчезают в атмосфере. Некоторые из них попадают в благоприятные для появления ШМ условия. Отклонения ЛМ могут произойти и при ударе ее о поверхность Земли, дерево или опору ЛЭП. Что же при этом происходит?
При отклонении ЛМ от вертикального положения в восточном или западном направлениях она попадает под влияние скрещенных магнитного и электрического полей Земли. Электроны плазмы в канале молнии, вращаясь под действием магнитного поля по ларморовскому радиусу (под действием сил Лоренца), одновременно выталкиваются электрическим полем из плазмы за пределы облака положительных ионов. Если при этом силы электростатического притяжения между ионами и электронами оказываются равными центробежным, то электроны попадают на устойчивые квантованные (с квазиклассическим приближением) орбиты вокруг облака ионов и сжимают его в магнитной ловушке.
Такое долгоживущее образование может иметь большой спектр величин запасенной энергии (в нескольких ее видах). Самую существенную ее часть составляет потенциальная электростатическая энергия разделенных зарядов.
Посмотрим, как согласуется предполагаемая модель ШМ с условиями в атмосфере Земли. Силовые линии магнитного поля Земли направлены с севера на юг. Магнитная индукция его колеблется в пределах 3∙10-5…7∙10-5 Тл. Напряженность электрического поля, направленного вертикально — от 2,5 до 130 В/м и может достигать во время грозы гораздо больших величин.
Рассчитывая условие равновесия оболочек на орбитах для наиболее распространенного случая наблюдаемой ШМ диаметром 10 см, получим следующие данные: скорость электронов на орбитах — 80 м/с (сравните, скорость электронов в канале ЛМ — < 105 м/с); магнитная индукция для получения ларморовского радиуса 5 см при скорости электронов 80 м/с должна быть 10-8 Тл (сравните, магнитное поле Земли — 3∙10-5 Тл). Таким образом, для образования ШМ необходимо, чтобы скоростьэлектронов в ЛМ весьма замедлилась, а магнитная индукция Земли была бы сильно ослаблена.
Замедление скорости электронов вполне возможно при отклонении рукава ЛМ от основного канала. Что же касается ослабления магнитной индукции, то оно может произойти лишь вблизи канала ЛМ, как результат влияния ее вихревого магнитного поля, поскольку она представляет собой ток, который может достигать величины 4∙104 А.
Расчет также показывает, что для образования одной электронной оболочки ШМ (принятой величины) необходимо примерно 2∙109 электронов (исходя из принципа Паули). А для того, чтобы конструкция ШМ была устойчива к магнитному полю Земли, таких оболочек необходимо около 103. В этом случае ионизация плазмы составит всего около 1 %, что вполне реально при таких температурах.
Состояние материи, которое достигается разделением зарядов и образованием устойчивой конфигурации с движением электронов в оболочках вокруг облака положительных ионов, уже не может называться плазмой, поскольку нарушена ее квазинейтральность. Вместе с тем, при разрушении ШМ вещество вновь проходит состояние плазмы. При этом выделяется тепловая энергия, которая была законсервирована работой электрического поля в потенциальной энергии разделения зарядов и в движении электронов на орбитах.
Законсервированная энергия магнитного и электрического полей в ШМ может выделяться при ее разрушении не только в виде тепла, но и еще в двух уникальных проявлениях.
Так, если толщина (количество) электронных оболочек значительна, то связь наружных оболочек с «ядром» из ионов ослаблена, и они могут инициировать мощный импульс тока, соприкоснувшись с проводником. При этом ШМ сначала частично разрядится, а затем заберет этот заряд обратно. При полном ее разрушении также возникает двойной импульс тока: разряжается сначала оболочка из электронов, а затем ионы из «ядра» забирают эти электроны назад и рекомбинируют с выделением тепла.
Кроме этого, ШМ может «работать» и как вакуумная бомба. Дело в том, что начальная температура атомов и ионов внутри оболочки из электронов, служащей непроницаемым барьером для атомов и электронов как изнутри, так и снаружи, не может из-за потерь на излучение долго сохраняться. Разряжение, которое появляется при этом внутри оболочки, увеличивается до тех пор, пока она не будет раздавлена разницей давлений и не схлопнется (это и определяет время жизни ШМ). Если толщина оболочки небольшая, то схлопывание произойдет мягко, без особых эксцессов (как в большинстве наблюдаемых случаях), но если эта толщина значительная, то схлопывание приобретает характер взрыва, вызывая сильные разрушения. Взрыв происходит на фоне импульса тока на проводник и выделения тепловой энергии рекомбинации ионов.
Необходимо указать на возможное разнообразие химического состава ШМ (на что явственно указывает цвет излучения). Скорость электронов в ЛМ колеблется в широком диапазоне, следовательно, и температура плазмы также имеет различные значения, что определяет, в свою очередь, атомы каких газов могут участвовать в образовании ШМ.
Итак, поскольку для ее появления требуются особые предпосылки в атмосфере Земли, шаровая молния, во-первых, достаточно редкое явление; и, во-вторых, не получена (хотя бы случайно) в лаборатории. Последнее осуществимо лишь при создании ряда необходимых условий, а именно:
• наличие ослабленного магнитного поля поперек движения плазмы сообразно величине, рассчитываемой ШМ (по количеству атомов и молекул при предполагаемой температуре);
• создание сильного электрического поля, скрещенного с магнитным и с направлением движения плазмы;
• удлинение времени жизни плазмы (например, с помощью перезарядок на многоэлектронных ионах), чтобы оно было больше времени дрейфа электронов до попадания их в оболочку под действием электрического поля;
• создание движущейся плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях. Для этого необходима специальная лабораторная установка (например, по типу описанной в книге В. Г. Чейса и Г. К. Мура «Взрывающиеся проволочки» М. 1963 [5]) и легированный материал (металл с примесями), имеющий малую работу плавления, испарения и ионизации.
Литература:
1. Дж. Барри. Шаровая молния и четочная молния. Пер. с англ., Мир, М., 1983.
2. П.Л. Капица. О природе шаровой молнии. Докл. АН СССР, т. 101, № 2, стр. 245, 1955.
3. Б. М. Смирнов. Процессы в шаровой молнии. Ж. Техн. Физ., т. 47, стр. 814, 1977.
4. И.П. Стаханов. О физической природе шаровой молнии. Энергоатомиздат, М., 1985.
5. Взрывающиеся проволочки. Сб. под ред. В. Г. Чейса и Г. К. Мура, пер. с англ., Изд. ин. лит., М., 1963.
ШАРОВАЯ МОЛНИЯ
Константин Резуев
Начнем с некоторых предположений. Во-первых, шаровая молния (ШМ) существует без подвода энергии извне, т. е. энергия необходима только в начальный момент. После образования (например, в результате электрического разряда) ШМ существует без поглощения дополнительной энергии. Во-вторых, ШМ состоит из плазмы, т. е. из полностью ионизированного вещества.
Как же происходит образование ШМ. Предположим, что за счёт подвода большого количества энергии (например, при мощном электрическом разряде), в некотором объёме образовалась плазма (рис. 1а.).
Рис. 1. Последовательность формирования ШМ
При одной и той же энергии, скорости движения электронов намного больше, скорости ядер. Электроны первыми покидают объём плазмы, ионизируя на своём пути некоторый объём окружающего воздуха. В итоге на этом этапе образуется внутренняя, положительно заряженная область, состоящая из ядер и окружающий эту область, ионизированный газ (рис. 1б). Свободные электроны ионизированного газа ускоряются внутрь положительно заряженной области, достигая в её центре максимальной энергии. В итоге получаем картину, изображенную на рис. 1в. За счёт разлёта ядер, в центре образуется область с очень маленькой концентрацией ядер. Будем считать, что в этой области находятся только электроны. При таком распределении заряда имеем: центральный отрицательный заряд замедляет электроны, движущиеся из области ионизированного газа, и поэтому максимум энергии электронов будет находиться не в центре ШМ а на сфере, обозначенной на рис. 1в пунктирной линией. Этот же центральный заряд замедляет ядра, разлетающиеся от центра ШМ. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам т. к. их скорости намного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования ШМ успевает закончиться, прежде чем атомы воздуха пройдут какое-либо значимое расстояние. В дальнейшем происходит увеличение отрицательного заряда в центре, который уже способен замедлить и ускорить при движении к центру положительные ядра. Через некоторое время наступает равновесное состояние, которое и рассмотрим. Примем такую модель ШМ.
Рис. 2. Разрез шаровой молнии
На рис. 2 представлен разрез ШМ. Движение ядер и электронов, составляющих ШМ — это колебательные движения под действием электрического поля. Все ядра, т. е. практически вся масса ШМ, находятся внутри коричневой сферы с точками В1 и В. В объёме, ограниченном красной и коричневой линиями энергия ядер равна нулю. При движении к центру ШМ ядра ускоряются, приобретая в центре максимальную энергию. Двигаясь от центра они замедляются до нулевой энергии в промежутке между точками А и В. Такое движение положительно заряженных ядер обусловлено центральным отрицательным зарядом. Теперь рассмотрим движение электронов. Они имеют максимальную энергию на сфере с точкой В, а нулевую энергию в центре ШМ между синей и голубой линиями (линии с точками С и D), т. е. электроны ускоряются от точки D до точки В, после чего замедляются при движении к центру ШМ. После этого вновь разгоняются к точке В и замедляются при движении к точке D. Рассмотрим распределение заряда по радиусу ШМ. Такое распределение представлено на рис. 3.
Рис. 3. Распределение заряда по радиусу ШМ
Каким образом получается такое распределение заряда? Частицы в разных точках по радиусу ШМ имеют разные энергии, а значит и разные скорости. Чем больше скорость частицы в какой-то области, тем меньше время её нахождения в этой области и меньший заряд сосредоточивается в данном объёме. И наоборот, чем меньше энергия частиц в каком-то объёме, тем больший заряд сосредоточен в этом месте. Энергия электронов минимальна в центре ШМ и в интервале между точками С и D, а энергия ядер в интервале между точками А и В. Это значит, что в этих местах сосредоточены отрицательный и положительный заряды. Это показано на рис. 3. Положительный заряд в области точки Е обусловлен другими причинами, которые рассматриваются ниже. Эти заряды создают внутри ШМ электрическое поле. Распределение потенциала и напряженность этого поля представлены на рис. 4 и рис. 5.
Рис. 4. Распределение потенциала электрического поля f по радиусу шаровой молнии
Рис. 5. Распределение напряженности электрического поля по радиусу шаровой молнии
Из всех вышеприведённых графиков, можно сделать некоторые выводы. В центре сосредоточен отрицательный заряд, который хоть и меньше, примерно в два раза, положительного заряда с максимумом на сфере с точкой А, тем не менее создаёт возрастание потенциала электрического поля от центра ШМ до точки В, и если максимальная энергия ядра делённая на заряд ядра меньше разности потенциалов между точками О и В, то такое ядро не может проникнуть за точку В и покинуть пределы ШМ.
Для иллюстрации этого утверждения, рассмотрим задачу. Имеем центральный отрицательный заряд в точке О и распределенный по сфере с центром в точке О положительный заряд в два раза больший по величине. В результате на пробный, положительный заряд, помещённый на поверхность сферы, будет действовать результирующая кулоновская сила, направленная в центр сферы, т. е. влияние центрального отрицательного заряда будет больше, чем влияние положительного заряда, распределённого по сфере. Таким образом, центральный заряд удерживает около себя положительно заряженные ядра. С другой стороны, суммарный заряд внутри сферы с точкой В будет положительным. И уже этот положительный заряд не даёт электронам (т. к. они заряжены отрицательно) вылететь дальше точки Е и покинуть пределы ШМ.
Теперь рассмотрим вопрос, как частицы ШМ взаимодействуют с окружающим её атомами воздуха. На периферии ШМ находятся только электроны и чем ближе они к границе, тем меньше их энергия. Основное взаимодействие с атомами газа происходит в той области, где энергия электронов близка к тепловой энергии. Процесс взаимодействия атомов воздуха с электронами ШМ схематично показан на рис. 6.
Рис. 6. Взаимодействие электронов ШМ с атомами воздуха
Атомы воздуха взаимодействуют со встречным потоком электронов. В голубой области (рис. 6) энергия электронов приблизительно равна тепловой и взаимодействие с атомами будет упругим, т. к. энергии электрона не хватает на возбуждение электронных оболочек, а тем более на ионизацию атома. В то же время её хватает для сообщения атому импульса обратного направления. Здесь необходимо отметить, что изменение направления движения частиц в центральном потенциальном поле не приводит к уменьшению средней энергии колебаний. Существует вероятность того, что атом пройдёт эту область, попав в оранжевую область с более высокой энергией электронов (эта вероятность зависит от плотности потока электронов). В этом случае атом ионизируется, электрон переходит в состав ШМ, а ион выталкивается электрическим полем за её пределы. В итоге получаем, что внутри сферы с точкой D (рис. 2) ШМ заряжена отрицательно. Ионы будут накапливаться на сфере с точкой Е (рис. 2). Это та точка, где заканчивается влияние положительно заряженного объёма внутри сферы с точкой В (рис. 2) и сказывается общий отрицательный заряд ШМ, т. е. эти ионы можно считать частью ШМ. С учётом этого положительного заряда ШМ будет электрически нейтральной.
В результате такого взаимодействия электроны теряют небольшую часть энергии, т. к. это взаимодействие происходит в области низких энергий электронов. С другой стороны, потеря электронами энергии, уменьшает радиус ШМ. Это приводит к уменьшению поверхности ШМ и к увеличению плотности потока электронов через неё, что в свою очередь, уменьшает вероятность проникновения атомов воздуха в область электронов с высокой энергией. Таким образом, ШМ всё время старается прийти в равновесное состояние.
Теперь рассмотрим, как эта модель согласуется с описанным наблюдателями, поведением ШМ в естественных условиях.
Свечение ШМ, запах озона легко объяснить проникновением атомов и молекул воздуха в область больших энергий электронов. Вследствие этого, происходит ионизация или возбуждение электронных оболочек атомов, разрушение химических связей.
Если создались условия и ШМ потеряла устойчивость (например, столкновение с твёрдым предметом), то происходит мгновенный выброс энергии, сконцентрированной в ШМ. Это можно расценить, как взрыв. Если же ШМ потеряет всю энергию постепенно, то это будет выглядеть как будто она «растаяла» в воздухе.
Рассмотрим рис. 7, на котором показано взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами. Если при этом взаимодействии ШМ не потеряла устойчивость, то та часть твёрдого предмета (на рис. 7 обозначена жирной линией), которая попала в область высоких энергий электронов, будет ионизирована. При этом ШМ частично будет терять энергию. Так, пролетев вдоль дерева, ШМ может оставить на нём ожоги. Тонкие предметы (листья, тряпку, палатку) она может прожечь насквозь.
Рис. 7. Взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами
Так как по радиусу ШМ заряды распределены неравномерно, то на её движение в пространстве может влиять внешнее электрическое поле (рис. 8). Разная плотность линий напряжённости электрического поля создаёт силу, действующую на ШМ.
Рис. 8. Влияние внешнего электрического поля ШМ на ее движение в пространстве
В конце остановимся на некоторых моментах. Предложенная модель ШМ основана только на кулоновском взаимодействии заряженных частиц. Первоначально разделённые заряды формируют такую колебательную систему, где каждая заряженная частица движется под действием электрического поля, а совокупность всех частиц создаёт это поле. При взаимодействии частиц с атомами воздуха не происходит значительной потери энергии, т. к. это взаимодействие происходит в области малых энергии электронов. В центре ШМ ядра имеют максимальную энергию и, возможно, она больше пороговой энергии термоядерных реакций. Это значит, что если создать ШМ из термоядерных материалов (Т, D или Не3), то возможно получение энергии.
ПОДХОДЫ К ОБЪЯСНЕНИЮ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Иван Чинарев
В декабре 1975 года журнал «Наука и жизнь» обращался к читателям с вопросом о наблюдении шаровых молний. Среди 1400 писем очевидцев 0,3 % из них утверждают, что встретившаяся им молния имела форму тора [1, стр. 103]. Там же высказывается мнение, что в большинстве случаев шаровая молния образуется за счет энергии разряда линейной молнии. Опираясь на эти утверждения, мне думается, я обнаружил подходы к объяснению природы шаровой молнии.
Линейная молния может иметь длину нескольких километров. Разность потенциалов между точками разряда может достигать до 109 В. Продолжительность разряда (молнии) составляет от десятых до тысячных долей секунды. Сила тока разряда находится в пределах 103…105 А. Общий заряд, переносимый молнией, достигает 100 Кл. Количество выделяемой энергии может достигать 109…1010 Дж.
Формирование шаровой молнии
Наблюдая молнию в природе, мы не замечаем, что разряд ее состоит из нескольких, иногда до десятка, последовательных импульсов. Каждый импульс длится порядка 10_3 секунд. Плазма в центральном канале нагревается до 2-104 К, а в промежутках между ними остывает до 103 К. Плазменный центральный канал очень тонкий — не более 1 см в диаметре. Окружающий его внешний канал имеет диаметр около 1 м и холодную температуру плазмы порядка 1000 К. Разряды молнии происходят не только между тучей и землей, но и между разноименно заряженными тучами.
Вокруг высокотемпературного канала молнии, как проводника с током, по всей длине создается поперечное магнитное поле, замкнутые силовые линии которого расположены концентрическими кругами с общим центром в середине канала. Это мощное поперечное круговое поле своим давлением удерживает плазму в центральном канале молнии, несмотря на высокую температуру и соответственно высокое давление внутри нее, то есть круговое поперечное магнитное поле несет в себе более половины энергии линейной молнии.
Здесь следует отметить, что это же мощное магнитное поле, пронизывая плотной сетью своих круговых силовых линий холодную плазму (1000 К) внешнего канала, очень своеобразно удерживает ее внутри себя. Ионы и электроны в холодной плазме движутся в сильном магнитном поле коллективно упорядочено. Это означает, что заряженные частицы, оказавшиеся в сильном магнитном поле и движущиеся поперек его силовых линий, под углом к ним, при этом вращаются вокруг силовых линий поля по так называемым ларморовским спиралям с постоянной скоростью до тех пор, пока не столкнутся с другими частицами или пока не исчезнет магнитное поле [1, стр. 14 9; 2, стр. 69]. Таким образом, вращающиеся вокруг силовых линий поля по ларморовским спиралям ионы и электроны одновременно движутся и вдоль силовых линий [3, стр. 536…537]. Поскольку силовые линии поля замкнуты вокруг центрального канала, то спирали ионов и электронов охватывают центральный канал. Плазма в холодном канале создается воздействием на воздух жесткого ультрафиолетового излучения, образующегося при рекомбинации ионов в горячем центральном канале [4, стр. 231], а также ступенчатым возбуждением и последующей ионизацией атомов воздуха видимым светом большой интенсивности (плотность потока фотонов), излучаемых горячим каналом [3, стр. 229…230]. Газовое давление холодной плазмы Р мало в сравнении с магнитным давлением Рм мощного поперечного кругового поля. При малых отношениях В = Р/Рм роль теплового движения заряженных частиц плазмы невелика. Такая плазма считается замагниченной. Радиус спирального вращения ионов азота и кислорода вокруг (и вдоль силовых линий кругового поля), как видно по ширине канала, не превышает 0,25 м. Похоже, этим и определяются размеры холодного канала.
Радиусы ларморовского вращения ионов воздуха в магнитном поле соответствуют их массе и скорости движения. Следовательно, радиус ларморовских спиралей протонов водорода должен быть раз в десять меньше радиуса спиралей ионов азота и кислорода. Частота вращения по спиральной орбите зависит только от напряженности магнитного поля, заряда и массы иона. Все ионы одного типа в определенном магнитном поле вращаются с одинаковой частотой [2, стр. 71]. Это означает, что их токовые нити почти параллельны, поэтому ближайшие из них, находящиеся на расстоянии магнитного взаимодействия, стягиваются или группируются в одну общую спиральную трубу. Таким образом, внешний канал холодной плазмы представляет собой великое множество коллективных спиральных труб ионов азота, кислорода, протонов водорода и электронов, нанизанных на горячий линейный канал. Ионы азота и кислорода движутся по периметру коллективных труб большого радиуса, а внутри них и между трубами движутся по спиральным трубам малого радиуса протоны и электроны. Повсеместно в холодном канале движутся и нейтральные атомы воздуха, которые могут свободно покинуть его.
Токи намагничивания вращающихся по спиральной трубе объединившихся ионов, суммируясь, образуют собственное продольное поле, которое внутри спиральной трубы направлено навстречу круговому магнитному полю линейной молнии и ослабляет его, а поверх трубы — совпадает с ним по направлению, то есть усиливает его плотность. Собственные продольные поверхностные магнитные поля соседних спиральных ионных труб также усиливают магнитное поле линейной молнии. Следовательно, особенно усиливается плотность магнитного поля линейной молнии в промежутках между соседними спиральными трубами, примыкающими друг к другу. В результате несколько нарушается равномерность кругового магнитного поля линейной молнии. Появляется вероятность пережатия горячего центрального канала молнии в местах увеличения плотности его магнитного поля.
Одновременно с собственным продольным полем возникает еще и собственное поперечное магнитное поле, замыкающееся вокруг ионной спиральной трубы, создаваемое поступательным движением ионизованных частиц вдоль силовых линий поля линейной молнии, находящихся внутри трубы, а также и спиральным движением ионов вокруг и вдоль силовых линий этого же поля (если преобладает движение ионов в одну сторону).
Создают свои собственные магнитные поля и протонные, и электронные спирали, в том числе находящиеся внутри широких ионных спиралей, но там они почти взаимно компенсируются. О них пойдет речь ниже.
Если собственные продольные поля локализуются только вдоль своих собственных спиралей, то собственные поперечные магнитные поля ионных спиральных труб могут объединяться, они суммируются с рядом лежащими ионными спиралями, сцепляются с ними, образуя одно общее магнитное поле, проходящее вдоль периферии холодного канала и замыкающееся через центральный горячий канал, проходя его вдоль (когда преобладающие движения ионов в соседних спиральных трубах совпадают по направлению).
По сути дела, коллективные ионные спиральные трубы большого радиуса с находящимися внутри них тонкими спиралями частиц других типов являются зачатками шаровых молний. Но спирали холодной плазмы, очевидно, не успевают накопить энергии вращения в магнитном поле короткой линейной молнии и по завершении ее разряда быстро разрушаются и ионы с электронами рекомбинируют в атомы.
Круговое поперечное магнитное поле линейной молнии, удерживая горячую плазму от расширения на всей длине центрального канала молнии, однако не удерживает плазму на концах канала со стороны его торцов, благодаря чему и происходит разряд молнии. К торцу канала, упирающемуся в землю, стремительно текут токи проводимости радиально со всех сторон земли, а на противоположном конце токи устремляются из канала во все стороны тучи. Находящаяся в канале под высоким давлением плазма выталкивается через торцы канала наружу и в туче и на стороне земли, преодолевая встречное движение электронов в туче, а ионов — на стороне земли. Наверное, по этой причине, а также из-за падения напряжения на большой длине канала, разряд молнии прерывается несколько раз. Магнитное поле на концах у торцов канала молнии все такое же мощное и должно быть заметно расширенное в виде рупоров, поскольку токи на одном конце сходятся к торцу, а на другом — расходятся от торца во все стороны, то есть плотность поля несколько расширяется. Вполне вероятно, что часть турбулентно выброшенной горячей плазмы может завернуться у торцов канала вокруг магнитного поля при разряде какого-либо очередного импульса молнии. То есть частицы горячей плазмы, разлетаясь в стороны, пересекают поперек или под углом силовые линии кругового магнитного поля молнии и в нем движутся по ларморовским окружностям или спиралям. Электроны вращаются с малым радиусом по часовой стрелке вокруг силовых линий (если силовые линии направлены от нас), а положительные ионы азота, кислорода и протоны — против часовой стрелки с радиусом в сотни раз большим, если они влетели в поле с такой же скоростью, как и электроны [2, стр. 8, 43, 70, 71]. Значительная часть ларморовских спиралей электронов и спиралей протонов оказываются внутри широких спиралей ионов азота и кислорода.
Таким путем холодная плазма у торцов линейной молнии пополняется довольно большой порцией горячей плазмы. Совершая в подогретых спиралях бесчисленные обороты и перемещаясь с большей скоростью вдоль замкнутых силовых линий магнитного поля, электроны и ионы оказываются более прочно связанными собственными магнитными полями взаимно с магнитным полем импульсов продолжающейся линейной молнии. Очевидно, из подогретых спиралей к концу разряда молнии успевает сформироваться плазменно-магнитное образование, имеющее вид тороида, который выталкивается в атмосферу. Возможно, плазменные тороиды образуются на обоих концах молнии, а также и на середине канала, ибо шаровые молнии часто наблюдают падающими сверху.
Здесь необходимо отметить следующее. В процессе формирования плазменного тороида ионизованные частицы плазмы, движущиеся спиралеобразно вокруг и вдоль силовых линий замыкающегося в тороиде магнитного поля молнии, совершают еще и дрейфовые движения под воздействием других сил. Дрейфовые движения ионизованных частиц имеют ту же известную особенность, заключающуюся в том, что постоянная сила, действующая поперек магнитного поля, вызывает движение частицы в направлении перпендикулярном к этой силе и к этому магнитному полю, причем без ускорения, а с постоянной скоростью. В плазменном тороиде характерны дрейфовые движения ионизованных частиц, возникающие в силу неоднородности магнитного поля вдоль и поперек его направления. Поперечная неоднородность заключается в сгущении и разрежении силовых линий поля, продольная — в их искривлении [2, стр. 82, 86].
Ток разряда линейной молнии направлен вверх, следовательно её поперечное магнитное поле направлено по часовой стрелке. Плазменный тороид рассечен вертикальной плоскостью пополам. В правом сечении тороида магнитное поле линейной молнии (изображено маленькими кружочками) направлено от нас, а в левом сечении направлено к нам (изображено точками). Сгущение силовых линий, то есть плотность поля, возрастает в сторону отверстия тороида, а разрежение к внешним его сторонам. В зоне сгущения поля радиус вращения заряженных частиц меньше, а в разряженной зоне больше. В результате спирали протонов дрейфуют вверх, а спирали электронов вниз, то есть из-за градиента поля происходит разделение зарядов. Такой же результат дает и центробежный дрейф. (Ионы азота и кислорода, вращающиеся по большой орбите не изображены).
Для уяснения дрейфовых движений представим себе плазменный тороид лежащим горизонтально. Рассечем его вертикальной плоскостью пополам. Допустим, мы увидели в правом сечении тороида магнитное поле, направленное от нас, то в левом сечении оно направлено к нам. Поперечная неоднородность поля, то есть сгущение силовых линий, наблюдается вокруг центрального отверстия, а разрежение — у наружной стороны тороида. Продольная неоднородность заключается в искривлении силовых линий поля, обращенных выпуклостью от центра тороида к наружной стороне.
Поперечная неоднородность приводит к тому, что радиус кружка спирали ионизованной частицы в области сгущенного поля меньше, чем в области разреженного. Поэтому кружок с частицей будет выталкиваться поперек поля с силой, пропорциональной градиенту магнитного поля. Эта сила вызывает градиентный дрейф, в результате которого протонные спирали перемещаются вверх тороида, а электронные спирали — вниз.
При движении ионизованной частицы по спирали вдоль искривленной силовой линии поля, обращенной выпуклостью к наружной стороне тороида, частица испытывает на себе центробежную силу к наружной стороне тороида. Эта сила увеличивает (растягивает) радиус вращения частицы за чертой выпуклости силовой линии поля и уменьшает (укорачивает) радиус вращения до черты выпуклости силовой линии поля. В результате протонные спирали дрейфуют вверх, а электронные — вниз тороида.
Таким образом, и градиентный, и центробежный дрейфы ионизованных частиц вызывают в плазменном тороиде одинаковые разделения зарядов, приводящие к тому, что некоторая часть протонных спиралей оказывается на верхней половине тороида, а часть электронных спиралей — на нижней его половине.
Такое заметное разделение зарядов приводит к образованию сильного электрического поля. В этом случае плазменный тороид можно рассматривать как заряженный конденсатор.
Образовавшийся плазменный тороид, отделившись от линейной молнии, остается с той энергией, которую ему сообщила линейная молния. Некоторое время 10…20 секунд движение ионизованных частиц происходит по ларморовским спиралям вдоль захваченного магнитного поля линейной молнии, пока оно, сокращаясь к центру, не просочится наружу. Сразу же после отделения от линейной молнии плазменный тороид быстро сжимается. Собственные магнитные поля, обладая упругостью, отграничивают плазму от внешней среды, сжимая тороид, уменьшают его размеры пока не наступит равновесие с противодавлением изнутри со стороны плазмы. С повышением в плазме давления в ней повышается температура, то есть ускоряется движение плазмы, что означает продление жизни тороида. Отверстие в центре тороида, сокращаясь, становится незаметным, а тороид похожим на овал. Коллективные движения ионизованных частиц стабилизируют плазму тем, что их пути по большей части разделены. Электроны реже встречаются с ионами, от чего рекомбинация плазмы замедляется.
Плазма может находится в равновесии без стенок, если ее газовое давление уравновешивается давлением внешнего магнитного поля [2, стр. 56]. У образовавшейся шаровой молнии — поле не внешнее (не постороннее). У нее собственные магнитные поля, благодаря которым плазменный тороид, сжатый в овал, наделен на границе плазма-атмосфера поверхностным натяжением и не смешивается с воздухом. Ближайшие линейные молнии, индуцируя токи в тороиде, поддерживают ионизацию плазмы, продляя этим жизнь тороида. На продление жизни тороида влияет и фотоионизация плазмы ультрафиолетовым излучением, а также видимым светом большой интенсивности и плотности потока фотонов (ступенчатая ионизация) от этих же недалеких молний.
Нужно заметить, что в образующемся в результате разделения зарядов электрическом поле (которое в горизонтальном тороиде направлено вертикально) должен происходить электрический дрейф остальной плазмы к наружным сторонам тороида [2, стр. 74]. Магнитная оболочка тороида испытывает деформации в зависимости от внутреннего давления на нее плазмы. Поэтому может создаться впечатление, что электрический дрейф вызовет раздвигание тороида в ширину. Однако градиентный и центробежный дрейфы — это первичный процесс по отношению к электрическому дрейфу. Дрейфующие вертикально в противоположные стороны спирали протонов и электронов в первую очередь будут растягивать круглое сечение тела тороида вертикально, а электрический дрейф остальной плазмы, вызванный появлением электрического поля, всего лишь будет препятствовать чрезмерному сжатию боков тороида при его вертикальном растягивании. Поэтому иногда наблюдают шаровые молнии в виде пульсирующего по ширине овала (продолжается борьба вертикального и горизонтального дрейфов).
Итак, плазменный тороид в завершающей стадии формирования стянут двумя собственными магнитными полями в овальную форму со сквозным вертикальным отверстием небольшого диаметра на месте центральной вертикальной оси. Центральное отверстие тороида сократилось, потому что упругость силовых линий захваченного магнитного поля линейной молнии и упругость силовых линий собственного продольного поля направлены к центральной оси тороида, а они стремятся сократиться до возможно минимальной длины. Через это отверстие замыкаются все силовые линии другого собственного поперечного магнитного поля тороида, которые также стремятся сократиться до минимальной длины. Стянутый тороид (теперь овал) выглядит в поперечном сечении как два рядом расположенных вертикально удлиненных плосковыпуклых овала, обращенных плоскими сторонами к отверстию. Массивные ионы движутся по периферии овала, то есть по широким спиралям, сжатым в овал, образующим в результате такого движения замкнутую овальную трубу. Внутри вдоль трубы в верхней ее половине движутся с некоторым преимуществом протоны по спиралям меньшего радиуса, а в нижней половине — преимущественно электроны по своим спиралям совсем малого радиуса. Хотя плазменный овал в целом остается квазинейтральным, но поскольку положительные ионы преимущественно движутся по периферии овала, то этим самым они экранируют отрицательный заряд внутренних электронов и внешне у шаровой молнии больше проявляется положительный заряд.
На рисунке изображена в поперечном сечении шаровая молния, представляющая собою плазменный тороид, стянутый двумя собственными магнитными полями. В сечении тороид выглядит как два плосковыпуклых овала, обращенных плоскими сторонами к центральному отверстию. Продольное поле окрашено условно синим цветом, поперечное зеленым и изображены эти поля также условно одно поверх другого, в действительности же они взаимно пронизывают друг друга. Азотные и кислородные ионы, движущиеся по спиралям на периферии тороида, образуют замкнутую саму на себя овальную трубу большого диаметра. Внутри трубы по замкнутому кольцу движутся протоны и электроны по спиралям малого диаметра. При формировании тороида часть протонных спиралей сместились вверх, а часть электронных спиралей сместились вниз овальной трубы. Разделившиеся протоны и электроны образуют электрическое поле, иначе говоря, заряженный электрический конденса-
Наблюдатели сообщают, что иногда из ярко светящегося клубка, возникающего на нижнем конце разряда линейной молнии, выскакивают несколько шаровых молний. Наблюдают шаровые молнии, которые разделяются на несколько мелких молний. Наблюдались шаровые молнии, из которых даже при взрыве выскакивали молнии меньшего размера.
Думается, что предлагаемая идея может объяснить такие явления. При разряде линейной молнии в магнитное поле с холодной плазмой, охватывающей ее торец, влетают несколько пространственно разделенных порций горячей плазмы. Каждая отдельная порция горячих ионов и электронов образуют там с уже имеющимися ионными и электронными спиралями свою обособленную от других подогретую спиральную трубу, замкнутую в тороид. В результате внутри каждой подогретой тороидальной трубы в магнитном поле движутся по своим спиральным дорожкам электроны и протоны и те, что были там и те, что влетели в холодную плазму вместе с порцией горячей плазмы. Двигаясь в неоднородном магнитном поле внутри ионной трубы, протоны и электроны частично разделяются, образуя электрическое поле. Если образовавшиеся автономные тороиды не успели объединиться, сцепившись собственными поперечными магнитными полями, то они выталкиваются в атмосферу по отдельности, а если успели объединиться, то выталкивается одна большая шаровая молния в виде удлиненного овала. В [4, стр. 120] говорится: «М.Т. Дмитриев отмечает, что шаровая молния (точнее, центральная ее часть, окруженная ореолом) представляла собой вытянутый вдоль вертикального диаметра шар». Далее говорится: «Ряд других наблюдателей сообщают о вытягивании молний вдоль вертикального диаметра, изредка довольно значительном, в большинстве же случаев — небольшом».
Таким образом, шаровая молния может включать в себя несколько автономных молний. Автономные тороиды молний нанизаны на одну общую ось, проходящую через центральные отверстия тороидов. Каждый тороид охвачен локально собственным продольным магнитным полем, а собственные поперечные магнитные поля тороидов, складываясь, образуют одно общее поперечное магнитное поле, охватывающее все автономные тороиды и замыкающееся через общее центральное отверстие шаровой молнии. При возникновении неустойчивости объединенная молния может разделиться, иногда с взрывом, то есть взрывается одна из них, а некоторые при взрыве могут и уцелеть.
На рисунке изображено (также в поперечном сечении) сложная шаровая молния, состоящая в частности из трех автономных молний (то есть больших тороидов), из которых каждая локально охвачена собственным продольным магнитным полем, условно окрашенным синим цветом. Поперечные магнитные поля автономных молний суммировались в одно общее поперечное магнитное поле (окрашено зеленым цветом), охватывающее снаружи все три молнии и замыкающееся через общее центральное отверстие молнии. Внутри больших тороидов, а также и между ними могут находиться в движении как одиночные спирали протонов и электронов, так и небольшие тороиды объединившихся спиралей одноименных зарядов этих же частиц. Из-за сложности рисунка они в нем не изображены.
Образования сложных молний возможны и другим путем: импульсы разряда одной и той же линейной молнии, следующие друг за другом, образуют несколько плазменных тороидов, которые, сцепляясь своими вертикальными магнитными полями, могут объединиться в одну шаровую молнию. Если же не успевают объединиться, то вылетают по отдельности.
Распад шаровой молнии
Наблюдались шаровые молнии, которые по несколько штук отделялись и от средней части канала линейной молнии [4, стр. 127]. Такое может случиться при пережатии горячего канала собственным усилившимся магнитным полем. При этом у зоны пережатия резко возрастает давление горячей плазмы, из нее образуется утолщение, раздвигающее магнитное поле, и горячая плазма выбрасывается во внешний холодный канал. Плазменные тороиды холодного канала, пополненные солидной порцией горячей плазмы, выталкиваются в атмосферу, где быстро стягиваются собственными магнитными полями в овальную форму.
Наблюдались и такие случаи, когда две медленно падающие шаровые молнии были как бы связаны между собой нитью светящегося жемчуга. Нить жемчуга вскоре исчезла, а спустя некоторое время растворились и шаровые молнии. Нить жемчуга — это, скорее всего, протонные замкнутые спирали (возможно, с электронными спиралями внутри), которые во время формирования двойной шаровой молнии оказались между молниями. Двойная молния после образования, по-видимому, вскоре разделилась, а протонно-электронные замкнутые спирали, еще не успев растратить вращательной энергии, собственными магнитными полями стянулись в небольшие шарики и были видны между двумя расходящимися овалами шаровых молний.
В начале статьи говорилось о случаях наблюдений шаровых молний в виде тороидов. По идее, тороидные спирали из ионизованных частиц, вытолкнутые из линейной молнии, могут оставаться какое-то время в таком виде только в том случае, если у них очень слабое или отсутствует собственное продольное магнитное поле, при наличии которого тороидная спираль быстро стягивается в овал. При формировании шаровой молнии, когда происходят дрейфовые движения плазмы, а также ее стремление перемещаться в зону более слабых магнитных полей, не исключаются обстоятельства, при которых более подвижные электронные спирали быстрее протонных перемещаются в зону центральной круговой оси широкого тороидного ионного цилиндра, где магнитное поле слабее, чем на его периферии. В результате вдоль цилиндрической оси плазменного тороида будут сосредоточены в основном электронные спирали. Вследствие этого образуется радиальное электрическое поле по всей длине замкнутого плазменного тороида. В [2, стр. 89] утверждается, что при этом вся плазма в (тороидном) цилиндре должна прийти во вращение вокруг линии цилиндрической оси, что способствует устойчивому удержанию плазмы магнитным полем и в этом случае энергию плазменного цилиндра можно рассматривать либо как энергию заряженного конденсатора, или же как кинетическую энергию вращающейся плазмы. Целиком вращающаяся плазма разрушает спиральное движение заряженных частиц плазмы, от чего собственное продольное магнитное поле не стягивает тороид в овал. Поэтому шаровую молнию иногда наблюдают в виде тороида.
Чтобы иметь представление об электрических полях, образующихся в результате разделения зарядов в плазме, воспользуемся расчетом поля, приведенным в [2, стр. 22…23]. Согласно законам электростатики, если на длине х имеется объемный заряд плотностью q, то он создает электрическое поле Е = 4πqx в абсолютных единицах СГСЭ. Если же измерять поле в вольтах на сантиметр, то оно выразится числом в 300 раз большим. Пусть в 1 см3 имеется Δn электронов сверх тех, которые точно нейтрализуют заряд ионов. Тогда плотность объемного заряда q = еΔn, где е = 4,8∙1010 ед. СГСЭ. Отсюда электрическое поле, возникшее в результате разделения зарядовравно:
Е = 1,8∙106∙Δnх В/см.
Хотя плазменный тороид формируется в разреженной плазме линейной молнии, однако, оказавшись в атмосфере, он сжимается в овал. Сжавшись в овал, шаровая молния чаще всего парит в воздухе, а это говорит о том, что ее плазма в результате сжатия приобретает плотность приблизительно равную плотности окружающего воздуха. Допустим плазма шаровой молнии содержит только однозарядные ионы воздуха, тогда (поскольку число атомов воздухе 5∙1019 атом/см3) концентрация электронов в ней составит:
n = 5∙1019 электрон/см3.
Разделение зарядов в плазменном тороиде начинается в то время, когда он еще находится в канале линейной молнии. Причиной разделения зарядов являются дрейфовые движения спиралей протонов и электронов в мощном магнитном поле линейной молнии вертикально в противоположные стороны внутри широкой ионной спирали азота и кислорода. Представим себе, что в результате разделения зарядов и последующего сжатия в плазме шаровой молнии оказалось, что на длине 1 см концентрация электронов изменилась на 1 %. Тогда Δn = 5∙1017 электрон/см3, х = 1 см, и от этого разделения зарядов возникает электрическое поле:
Е = 9∙1011 В/см.
Как видим, при однопроцентном разделении зарядов, электрическое поле, возникающее в плазме, может быть непомерно большим (если считать, что все атомы плазмы ионизованы). Но даже, если разделение зарядов в шаровой молнии составит миллиардную долю процента на длине 1 см, то и при таком ничтожном проценте в ней возникает электрическое поле 900 В/см. Казалось бы, отсюда можно заключить, что в шаровой молнии возможно образование электрического конденсатора весьма большой энергии. В шаровой молнии разность потенциалов может быть образована не только между разделяющимися при дрейфе спиралями протонов и электронов, но также и между теми же спиралями электронов и нижней половиной спиралей ионов азота и кислорода, составляющих внешнюю оболочку шаровой молнии. Однако емкость этих двух запараллеленных конденсаторов невелика, и в зависимости от размеров молнии может составить по приблизительной прикидке порядка от 1000 пФ до 5000 пФ.
Если предположить, что образовавшийся в молнии конденсатор выдержит разность потенциалов, например, 106 вольт, то и в этом случае его энергия по большей мере составит 2500 Дж, что не так много.
W = S∙cu2 = S∙5∙109∙Ф∙(106 В)2 = S∙5∙103 Дж = 2500 Дж
Но такие большие и значительно меньшие напряжения конденсатор молнии явно не выдержит. Вероятно, взрываются шаровые молнии оттого, что происходит электрический пробой ее конденсатора.
При взрыве шаровой молнии наблюдатели указывают на производимые ею большие разрушения. По-видимому все дело в том, что разрушения производятся не большой энергией, а большой мгновенной мощностью шаровой молнии, так как ее энергия при взрыве высвобождается за доли секунды. (Многие, наверное, видели, как десантники ребром ладони мгновенно рушат стопку из нескольких кирпичей. Но приложите к руке энергию в десятки раз большую и давите на кирпичи ребром ладони медленно — скорее всего будет раздавлена ладонь, а кирпичи останутся целыми.)
Шаровая молния иногда убивает животных и людей. Общеизвестно, что живые организмы хорошо проводят электрический ток. Если взрыв шаровой молнии — это мощный электрический разряд, то, как следствие, в близлежащих проводниках на водятся значительные вихревые токи, которые при неблагоприятных обстоятельствах могут убить живой организм. То же самое происходит и с металлическими проводниками. Если шаровая молния взрывается вблизи проводника или при его касании, то наведенными токами мелкие детальки могут расплавиться, а у больших — возникают оплавленные раковины.
Говорят, что из взрывающейся молнии вылетают маленькие линейные молнии. Такие наблюдения подтверждают электрическую природу шаровой молнии. Очевидно, при взрыве видят вспышку электрического пробоя конденсатора; или же вслед за взрывом действительно между распыленными ионными и электронными облачками или землей возникают небольшие линейные молнии.
По поводу свечения и цвета шаровой молнии. На свечение шаровых молний во многом оказывает влияние наличие в ее плазме возбужденных молекул и атомов воздуха, которые при возвращении в основное состояние испускают дискретное и рекомбинационное излучения. Так, возбужденные атомы кислорода, возвращаясь в основное состояние, высвечивают зеленую и красную линии спектра. Возбужденные молекулы азота высвечиваются темно-красным светом. А ионизованные молекулы азота при рекомбинации высвечиваются синими и фиолетовыми линиями спектра. Поэтому в течение жизни шаровой молнии спектр линейчатого излучения плазмы испытывает изменение от белого цвета до темно-красного. (Основные цвета: красный + зеленый + синий образуют белый цвет; синий + зеленый образуют голубой цвет; красный + зеленый = желтый цвет; красный + синий = пурпурный цвет) [1, стр. 161; 6, стр. 213].
Вихреподобная модель шаровой молнии
Между плазмой и газом (воздухом) нет резкой границы. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Плазменные вихревые кольца в виде тороидов могут образоваться у торцов линейной молнии и без участия ее кругового магнитного поля; то есть так, как они образуются из воздуха, если небольшую порцию воздуха (для наблюдения подкрашенного дымом) вытолкнуть из какой-нибудь полости через небольшое отверстие [7, стр. 13…24]. Такие вихревые кольца, наверное, многие наблюдали при взрывном выхлопе отработанного газа у автомашин или тракторов. Был даже проект забрасывать дымы заводов высоко в атмосферу при помощи таких вихревых колец большого размера, поскольку самые высокие трубы этого не обеспечивают.
Для получения и демонстрации воздушных вихревых колец используют очень простое устройство: обычный ящик, у которого с одной стороны имеется отверстие диаметром 3…5 см, а с противоположной — тугая мембрана из кожи или клеенки. Резким, коротким ударом по мембране сообщают прилегающему слою воздуха некоторую скорость. Этот слой, придя в движение, вызывает уплотнение соседнего слоя, тот — следующего и так далее, когда уплотнение дойдет до отверстия, из него наружу вырвется струя воздуха. В движущейся струе воздуха давление меньше, чем в покоящемся воздухе, находящемся снаружи непосредственно за кромками отверстия, и оттуда произойдет его засасывание в струю. Одновременно движущаяся струя упрется в покоящийся воздух по фронту, несколько уплотнит его, а сама при этом радиально растечется в стороны и далее назад к кромкам отверстия в образовавшееся разрежение воздуха, ушедшего в струю. Таким путем происходит завихрение воздуха в виде тороида. Кроме завихрения тороид получает импульс движения вперед и улетает от отверстия на десятки метров. (Еще раз надо отметить, что удар по мембране должен быть очень коротким, иначе струя воздуха раздвинет впереди покоящийся воздух и тороид не получится.)
Нечто подобное может происходить и при разряде линейной молнии. На торце линейной молнии, упирающейся в землю, возникает клубок из плазмы. При последующих импульсах этого же разряда молнии возникают условия, сходные с условиями образования воздушных тороидальных вихрей. Плазма, вытолкнутая из канала очередного импульса молнии, встретив препятствие со стороны клубка плазмы, заворачивается в тороид. В первые мгновения все тело тороида состоит из вращающихся колец заряженных частиц. Вокруг каждой из них тут же возникает магнитное поле, и, следовательно, вдоль всего тороида возникает продольное магнитное поле. А те кольца заряженных частиц, которые оказались не строго перпендикулярно к полю, а под углом к нему, мгновенно разворачиваются в ларморовские спирали. Столкновения с другими частицами приводят к тому, что вскоре и основная масса заряженных частиц движется по ларморовским спиралям. Вслед за продольным возникает поперечное магнитное поле. Оба магнитных поля стягивают тороид в овал, отграничивают плазму от внешней среды и в результате образуется шаровая молния. И в этом втором варианте образования шаровой молнии ионы кислорода и азота движутся по спиралям большого радиуса, образующим внешнюю оболочку молнии, а протоны и электроны движутся по спиралям малого радиуса внутри широкой ионной спирали. Далее в результате дрейфовых перемещений в образовавшемся магнитном поле может произойти разделение зарядов и образование электрического конденсатора, то есть во втором варианте образования шаровой молнии происходит все так же, как в первом.
Шаровая молния — генератор колебаний
Пожилые связисты, наверное, помнят, что начальный период в развитии радиотехники связан с использованием в ней плазмы. На заре радиотехники главным элементом в радиопередатчиках была плазма. Это она сначала в виде искрового разряда, а затем в виде дугового разряда обеспечивала в те времена работу довольно мощных (до 1000 кВт) радиопередатчиков.
В [3, стр. 864] приведена вольт-амперная характеристика электрического разряда в газах, где имеется участок, приобретающий падающий характер. В этом месте разряд в газе получил название дуговой. Дуговой разряд характерен тем, что при увеличении тока, проходящего через плазму, не увеличивается падение напряжения на ее сопротивлении, а наоборот — уменьшается. То есть при дуговом разряде плазма обладает «отрицательным» сопротивлением. «Отрицательное» сопротивление дугового разряда, включенного в колебательный контур, суммируется с «положительным» сопротивлением контура и в результате общее сопротивление контура оказывается равным нулю или слегка «отрицательным». В этом случае колебания в контуре будут обязательно незатухающими, что и обеспечивало работу старинных радиопередатчиков.
Дуговой разряд хорошо горит при атмосферном давлении. В этой связи возникает мысль: не является ли шаровая молния сама генератором электромагнитных незатухающих колебаний, генерируемых некоторое время по вышеуказанному принципу. Вполне может оказаться, что разряд линейной молнии в землю — это и есть дуговой разряд. Вытолкнутые из дугового раскаленного клубка плазмы шаровые молнии, пока не остыли, сохраняют некоторое время свойства дугового разряда. А по предложенной идее шаровая молния является тороидальным плазмоидом, сжатым в овал, а в нем к этому времени уже образовался конденсатор, появление которого приведет к возникновению незатухающих электромагнитных колебаний, так как колебания не встречают сколько-нибудь заметного сопротивления. Некоторое время стационарность колебаний будет обеспечиваться взаимной компенсацией образования и потерь (рекомбинаций) заряженных частиц в плазме. Если колебания, не затрачивая энергии на преодоление сопротивления, чрезмерно возрастают, то шаровая молния взрывается из-за пробоя конденсатора. В остальных случаях она тихо угасает. Но при этом продолжительность жизни шаровой молнии будет все-таки больше теоретической, на что и указывают их наблюдатели.
Колебательные системы и резонанс
По поводу возникновения шаровых молний или плазмоидов на проводах антенн, в розетках, в телефонах и пр.
По работе мне приходилось участвовать в наладке и настройке (после монтажа) мощных радиопередатчиков от 20 до 100 кВт излучаемой мощности. Самой трудной задачей являлось устранение обнаруженных так называемых паразитных колебаний в выходных (оконечных) усилителях мощности. Их выявление производилось изменением параметров колебательного контура по всему рабочему диапазону. В усилителе мощности устанавливался обычный рабочий режим, но возбуждающий сигнал с предоконечного усилителя на вход мощного не подводился. Иногда почти или при полностью закороченной катушке индуктивности и минимальной емкости в мощном усилителе возникало самовозбуждение и сопровождалось появлением овального плазмоида величиною побольше грецкого ореха бело-голубого цвета. Плазмоид перемещался по закороченным виткам катушки, а также перескакивал и на металлические опорные конструкции.
Эти наблюдения наводят на мысль о том, что в грозу при громадных электрических полях и потенциалах между тучей и землей вполне возможно возникновение мощных электромагнитных колебаний, которые могут вызвать образование плазмоидов, живущих десятки секунд.
Во время грозы в атмосфере создаются все условия для образования параметрических колебательных контуров, которые могут генерировать электромагнитные колебания. Их может быть несколько или один мощный. В параметрическом контуре обкладками конденсатора служат нижняя поверхность тучи и поверхность земли. Роль индуктивности выполняет распределенная проводимость атмосферы. По данным [1, стр. 96…97] емкость атмосферного конденсатора может составить до 0,15 мкФ. Разность потенциалов между тучей и землей бывает порядка 109 В, а энергия, запасенная в конденсаторе, может составить 7,5∙1010 Дж. Во время грозы его емкость непрерывно меняется, поскольку непрерывно меняется по высоте нижняя поверхность тучи, да и электронный слой в туче также меняет свою высоту. Проводимость атмосферы тоже меняется. Таким образом, в грозу параметры в атмосферном параметрическом колебательном контуре (по большей части в конденсаторе) непрерывно изменяются около некоторых средних значений, чем обеспечивается раскачка колебаний в контуре и поддержание в нем параметрического резонанса [3, стр. 520]. Параметрический резонанс возникает в результате малых начальных возмущений, неизбежных во всякой системе флуктуаций, среди которых всегда найдется составляющая с подходящей фазой по отношению к фазе изменения параметров, что приводит к самовозбуждению колебаний. В отсутствии потерь энергии самовозбуждение наступает при сколь угодно малом изменении параметров. Можно ожидать, что в атмосферном параметрическом колебательном контуре потери энергии явно невелики и его самовозбуждение происходит при небольших изменениях параметров контура, то есть накачка энергии заведомо превосходит потери в контуре. По-видимому, не последнюю роль в самовозбуждении параметрического контура играют и разряды линейных молний, вызывающие сильную встряску и атмосферы, и изначально существующего электромагнитного поля, занимающего все пространство, да и физического вакуума, наконец.
Грозовая туча, как правило, не бывает в виде сплошного монолита. Она состоит из нескольких частей грозовых облаков, поэтому в грозу могут образовываться несколько параметрических контуров между землей и этими облаками. Каждый из параметрических контуров возбуждается на своей собственной частоте, ибо у каждого свои отличные от других параметры и изменяются они около некоторых средних значений по своему случайному закону. Однако части грозовой тучи, а следовательно и параметрические колебательные контура оказываются связанными между собой через небольшие емкости (конденсаторы). Значения этих емкостей непрерывно изменяются, поскольку непрерывно меняется скорость перемещения частей тучи относительно друг друга.
Если, например, в грозу образовались два параметрических контура, то благодаря емкостной связи между ними в контурах установятся биения частот и в пространстве будут существовать электромагнитные колебания с собственными резонансными частотами обоих контуров, их разностные, а также и комбинационные частоты. Последние возникают в результате того, что собственные колебания в контурах имеют не чисто синусоидальную, а искаженную форму, поскольку к контурам приложены громадные потенциалы и колебания генерируются в нелинейном режиме. Если же в грозу действуют несколько параметрических контуров, то в пространстве будет существовать довольно широкий спектр мощных электромагнитных колебаний, своего рода электромагнитная буря. В таких условиях проводники электрического тока, например, провода антенн, телефонные и электрические провода и прочие металлические предметы, случайно находящиеся в зоне локализации параметрических колебательных контуров, могут являться как бы частью их рабочих элементов, или служить в качестве рабочей нагрузки, или просто оказались поблизости, то в таких проводниках возможны наведения мощных высокочастотных колебаний, вызывающих ионизацию воздуха с образованием плазмоидов. О таких шаровых молниях или плазмоидах очевидцы сообщают, что они медленно «разгораясь» появляются на проводах антенн, из розеток, электрических патронов, щитков, телефонов и существуют недолго. Рекомбинируют они чаще всего спокойно, очевидно потому, что ослабляется или исчезает электромагнитное поле, создавшее их. Появляются они из упомянутых электроприборов, находящихся в закрытых помещениях, благодаря высокой проводимости электрических проводов.
Температура шаровой молнии
В заключение поговорим о температуре шаровой молнии, а также о нередких случаях непонятно откуда возникающей у нее «сверхэнергии».
Очевидцы шаровой молнии, наблюдавшие их на близком расстоянии, сообщали, что большого тепла молнии не излучали.
По предлагаемой в статье версии в сформировавшейся шаровой молнии частицы плазмы совершают в основном упорядоченные движения, при этом их кинетическая энергия может быть весьма значительной, но о температуре плазмы что-либо определенного сказать нельзя. О большой температуре шаровой молнии можно говорить в начальной стадии ее образования еще при беспорядочном хаотическом распределении скоростей и большом числе столкновений частиц плазмы. Но наибольшая температура плазмы очевидно проявляется в момент электрического пробоя плазменного конденсатора и последующего мощного взрыва шаровой молнии, поскольку энергия электрического разряда, суммируясь с кинетической энергией движущейся плазмы, превращают упорядоченные движения ее частиц в хаотические с бесчисленными взаимными столкновениями; тем более, если шаровая молния образовалась от мощного разряда линейной молнии.
Известно, что в атмосфере содержится небольшой процент тяжелого водорода дейтерия. В атмосфере земли также имеются замедленные мюоны (мю-мезоны) обоих зарядов. «На уровне моря мюоны образуют основную компоненту (~80 %) всех частиц космического излучения» [3, стр. 442]. Возможно, и в плазме шаровой молнии содержатся в таких же долях и дейтроны и мюоны. Отметим, что отрицательные мюоны могут образовывать с протонами и дейтронами мюонные атомы (мю-мезоатомы), либо могут быть захвачены этими же протонами и дейтронами. Вновь возникшие образования — нейтральны, как нейтроны. При катализном участии отрицательных мюонов в ядерных реакциях слияния ядер изотопов водорода происходят в нормальных земных условиях, то есть не требуется сверхвысоких температур для сталкивания реагирующих ядер [3, стр. 441]. Следовательно, можно предположить, что иногда в шаровых молниях случаются ядерные реакции, то есть реализуется некоторое количество актов слияния протонно-дейтронных или дейтронно-дейтронных частиц в ядра гелия с выделением соответствующей энергии, которая и производит те самые необъяснимые большие разрушения.
Источники информации:
1. Л.В. Тарасов. Физика в природе. — М: «Просвещение», 1988.
2. Д.Л. Франк-Каменецкий. Плазма — четвертое состояние вещества. — М: Атомиздат, 1968.
3. Физический энциклопедический словарь. / Под ред. А.М. Прохорова. — М: «Советская энциклопедия», 1983.
4. И.П. Стаханов. Физическая природа шаровой молнии. — М: Атомиздат, 1979.
5. И.М. Имянитов, Д.Я. Тихий. За гранью закона. — Л: Гидрометеоиздат, 1967.
6. И.Д. Артамонов. Иллюзия зрения. — М: Наука, 1969.
7. И.К. Кикоин. Опыты в домашней лаборатории. Библиотечка «Квант», вып. 4. — М: Наука, 1981.
ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ МОДЕЛЬ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
С.Г.Федосин, А.С.Ким
Введение
Практически неослабевающий интерес к шаровой молнии (ШМ) обусловлен по-видимому тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели их внутреннего строения. Точно также нет и экспериментальной техники, которая позволяла бы в любой момент времени создавать искусственные ШМ, не отличающиеся по своим свойствам от природных аналогов. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального исследования. Отсюда основным источником информации об ШМ становятся последствия их взаимодействия с окружающими предметами. Некоторые примеры из [1–2] повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней энергии, содержащейся в ШМ. В работах [3–5] представлены результаты экспериментов, в которых создавались светящиеся плазменные образования, напоминающие по форме ШМ. Здесь же имеются описания различных аварийных ситуаций, при которых спонтанно возникали ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов — при ударе молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов. Представляемая далее электронно-ионная модель ШМ имеет ту особенность, что в ШМ протекают токи значительной величины, а сама модель допускает экспериментальную проверку.
Схема образования и структура шаровой молнии
Если не учитывать появление ШМ при срабатывании мощного электрооборудования постоянного или переменного тока, то практически во всех остальных случаях ШМ наблюдается в связи с обычными линейными молниями или просто в облачно-грозовую погоду. В рамках электронно-ионной модели природная ШМ может быть непосредственным следствием линейной молнии, когда грозовая туча разряжается на землю, передавая ей своё отрицательное электричество (или при разряде соседних облаков). На рис. 1а показаны вторичные ветви и основной канал молнии, наполненные соответственно покоящимися и движущимися электронами. Быстрое движение электронов и основная вспышка молнии начинаются после соединения основного канала с землей; таким образом, светящаяся часть молнии растёт от Земли к туче. Электроны, находящиеся во вторичных ветвях, также движутся к основному каналу и ссыпаются через него на землю. При этом возможен почти замкнутый контур электронного тока (рис. 1б), когда в его центре появляется магнитное поле с индукцией В. В наэлектризованном воздухе вокруг молнии находится много положительных ионов, которые начинают закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля и тем самым фиксируются в центре. В свою очередь ток электронов из канала 2 может перескочить на ветвь 1 через область 3, образуя далее замкнутый ток. Необходимым условием для этого должна быть сила, удерживающая электроны на замкнутой орбите. При достаточном количестве положительных ионов в центре они могут притягивать к себе электроны и тем самым обеспечить их устойчивое вращение.
Рис. 1.
a) 1 — вторичные ветви молнии, 2 — основной канал, в котором движутся электроны (обозначены — q).
b) Движение электронов из вторичной ветви 1 в основной канал 2 молнии может быть замкнуто через область 3. В — индукция магнитного поля от тока электронов. Ионы с зарядом +q вращаются вдоль линий магнитного поля
Исходя из данной картины, на рис. 2 представлено экваториальное сечение модели ШМ в виде осесимметричной конфигурации со сферическим электронным током. Положительные ионы находятся при атмосферном давлении в очень горячем воздухе внутри ШМ, оставшемся после удара линейной молнии. Быстродвижущиеся во внешней оболочке электроны генерируют магнитное поле с индукцией В, которое удерживает положительные ионы на орбитах во внутренней оболочке. Наконец, электрическое притяжение положительных ионов и отрицательно заряженных электронов удерживает электроны во внешней оболочке от разлёта, являясь основной частью центростремительной силы. Исходя из сферической формы ШМ радиус вращения г внешнего электронного облака вокруг общей оси уменьшается по мере перехода от экватора к полюсам. Данная относительно устойчивая конфигурация позволяет объяснить наблюдаемое время жизни ШМ, существенно превышающее время жизни однородной ионно-электронной плазмы при атмосферном давлении. Электронная оболочка эффективно изолирует нагретый до высокой температуры воздух внутри ШМ, замедляя перенос энергии в окружающую среду. Положительные ионы внутри ШМ практически не притягиваются электронами из внешней оболочки, так как электрическое поле от электронов внутри сферы равно нулю из-за уравновешивания всех электрических сил. Поэтому ионы могут распределяться равномерно по всему объёму ШМ, а рекомбинация ионов и электронов существенно замедляется.
Рис. 2. Экваториальное сечение модели шаровой молнии, выделяющее кольцо на электронной оболочке сфероидальной формы.
R — радиус вращения ионов вокруг магнитного поля с индукцией В, r — радиус внешней электронной оболочки
Как видно из рис. 1b, ШМ фактически есть небольшой кусок линейной молнии, закрученный в клубок с характерным размером 10–40 см. Соответственно в обоих типах молний токи и магнитные поля могут быть близки по величине. По данным из [1–3], характерные параметры линейной молнии таковы: сечение основного канала около 10-2 м2; токи в главном разряде от 104 А и вплоть до 5∙105 А; за время короткого разряда порядка 10-3 с может быть перенесено 20 кулон электричества; температура воздуха в канале молнии достигает 25000 К; концентрация электронов в канале линейной молнии до 4∙1018 в 1 см3; скорости теплового движения у ионов не менее 104 м/с, у электронов более 106 м/с.
Вероятность наблюдения ШМ невелика и по статистике одна замеченная ШМ приходится на 1000 обычных молний.
Оценим параметры самых мощных ШМ с помощью данных о линейных молниях. Вблизи основного канала молнии при токе IM = 2∙105 A и радиусе RM = 0.1 м индукция магнитного поля достигает величины:
B = μμ0IM/2πRM ~= 0.4 T
Если электрон вращается в таком магнитном поле с радиусом орбиты, то его скорость должна быть меньше скорости света:
v = Bqre/m < c, re < mc/Bq = 8∙10-3 м
Поскольку то в магнитном поле вблизи канала молнии могут удерживаться и накапливаться даже релятивистские электроны. С другой стороны, при токах более 1000 А в импульсных вакуумных разрядах энергия электронов достигает 1 кэВ, а скорости движения электронов до 107 м/с [6]. В качестве верхнего значения тока в плазме следует по-видимому использовать величину 1.4 106 А согласно [7], так как дальнейшее увеличение напряжённости электрического поля приводит к сжатию токового шнура и увеличению излучения при неизменном токе и температуре частиц.
Обозначим через M, V, R и m, v, r массы, скорости движения и радиусы вращения ионов и электронов соответственно; В — индукция магнитного поля; Ni — количество нескомпенсированных положительных ионов внутри ШМ; Ne — количество свободных электронов во внешней оболочке ШМ; q — элементарный электрический заряд; i — ток электронов на орбите радиуса r; s, s0 — относительная диэлектрическая постоянная и электрическая постоянная; μ, μ0 — относительная магнитная проницаемость среды и магнитная постоянная. Для упрощения расчётов будем считать, что заряды и токи в основном сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости либо расположены наподобие цилиндра, а ионы однозарядны.
Условие равновесия для электронов, движущихся во внешней оболочке, связывает центростремительную и электрические силы:
mv2/r = (Niq2/4πεε0r2) — (Neq2/4πεε0r2). (1)
Первое выражение в правой части (1) описывает силу притяжения между электроном и объемным внутренним ионным зарядом, второе — силу отталкивания электронов во внешней оболочке друг от друга. Баланс сил (1) будет выполняться в том случае, когда общее число нескомпенсированных положительных зарядов Ni будет незначительно превышать число свободных электронов во внешней оболочке Ne. Следовательно, ШМ в целом должна быть заряжена положительно, имея заряд Q = q(Ni — Ne). С другой стороны, общий заряд ШМ не может превышать такой величины, при которой напряжённость электрического поля на её поверхности превышает Е0 = 30 кВ/см во избежание пробоя атмосферного воздуха. Отсюда находим максимальный заряд ШМ:
Q0 = 4πεε0Е0r2. (2)
Наличие большой напряжённости электрического поля возле ШМ и энергичных электронов подтверждается многочисленными наблюдениями их шипения, потрескивания и испускания искр как при электрическом разряде. Кроме этого, в ряде случаев были взяты пробы воздуха после прохождения ШМ, показавшие повышенное содержание озона и окислов азота. По данным из [8], требуемое соотношение концентраций озона и окислов азота можно получить при электрическом разряде в воздухе с напряжённостью поля до 4 кВ/см.
Выражая заряд Q из (1) и приравнивая к (2), получаем:
v2/r = qE0/m. (3)
В правой части (3) находятся постоянные величины. Принимая, что максимально возможная скорость электронов v равна скорости света с, находим наибольший радиус ШМ с предельной величиной электрического заряда:
r = 17 см, Q = Q0 = 9.6∙10-6 Кл (4) при условии v ~= с.
Предположим, что электронный ток во внешней оболочке ШМ настолько большой, что магнитное давление Рm сравнивается по величине с атмосферным давлением Ра
Pa = Pm = B2/2μμ0, где B = μμ0i/2πr. (5)
Из (5) с учётом (4) находим предельные величины индукции магнитного поля, тока и числа электронов во внешней оболочке ШМ:
В = 0.5 Тл, i = 1.4∙105 А, Ne = 3.1∙1015. (6)
Скорость ионов V внутри ШМ можно оценить по средней температуре свечения Т с помощью соотношения между кинетической и тепловой энергиями:
MV2/2 = 3kT/2
Примем согласно [8] в качестве температуры ШМ величину Т = 1,4∙104 К, тогда при средней массе иона М = 4,7∙10-26 кг как у молекулы азота скорость ионов будет равна V = 3,5∙103 м/с. Радиус вращения ионов в магнитном поле найдём из выражения:
MV2/R = qVB,
так что с учётом (6) ионы вращаются по окружностям радиуса R = 2 мм в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. С другой стороны, заряженные частицы беспрепятственно могут двигаться вдоль линий магнитного поля. Следовательно, в модели ШМ с магнитным полем заряженные частицы двигаются по винтовым линиям и периодически отражаются от наружной электронной оболочки.
Кинетическая энергия электронов во внешней оболочке ШМ будет равна:
Ek = Nemv2/2 = 0.13 кДж. (7)
Умножая объём ШМ Vb = 4πr3/3 = 0.02 м3 на плотность магнитной энергии, оценим энергию магнитного поля:
Em = VbB2/2μμ0 =πμμ0ri2/6 = 2 кДж. (8)
Электростатическая энергия ШМ вычисляется как интеграл от плотности энергии электрического поля и по объёму:
Е — напряжённость электрического поля. За пределами ШМ напряжённость поля Е мала из-за частичной компенсации положительного ионного заряда и отрицательного заряда от электронов во внешней оболочке. В самой электронной оболочке поле достаточно большое, но объём оболочки существенно зависит от её толщины; при малой толщине энергия в оболочке может быть невелика. Энергия поля внутри ШМ рассчитывается точно, при равномерном распределении положительных зарядов по объёму с их общим зарядом qNi энергия шара равна:
W+ = q2Ni2/40πεε0r = 1.3 кДж, (9)
Здесь принято Ni|Ne = 3.1∙1015 согласно (6). Полная электростатическая энергия ШМ будет ещё больше, чем величина (9).
По данным из [8], плотность энергии плазмы в ШМ при температуре Т = 1,4 104 К составляет 0,35 Дж/см3. Умножая эту плотность на объём нашей модели ШМ при её радиусе 17 см, находим максимально возможную энергию плазмы, включая кинетическую энергию частиц:
Еi = 7.2 кДж. (10)
Таким образом основная энергия в нашей мощной ШМ согласно (7) — (10) заключена в энергии ионизованных частиц и в энергии электромагнитного поля, причём суммарная энергия величиной 10.6 кДж попадает в диапазон верхних значений энергий у ШМ, вычисляемых по результатам их воздействия на окружающие предметы.
Любопытной особенностью ШМ является то, что её полная энергия положительна, а сама ШМ при этом относительна стабильна. Другой противоположностью являются гравитационно-связанные тела, стабильность которых сопровождается отрицательностью их полной энергии. В обоих случаях полная энергия растёт по модулю при уменьшении объёма объекта при неизменном количестве частиц. В ШМ как в плазменном объекте дополнительное внешнее давление приводит к увеличению токов и магнитного поля (это характерное свойство плазмы), а при уменьшении объёма вырастет и электростатическая энергия.
Благодаря своему заряду (4) ШМ может двигаться под влиянием электрических полей. Как отмечается в [3], ШМ иногда выпадают из облаков и быстро направляются к земле, ударяются об неё и взрываются. Часто это движение происходит вдоль канала только что возникшей линейной молнии. На тесную связь между местами появления ШМ и ударов линейных молний указывает и то, что в некоторых случаях ШМ образуется от одной линейной молнии и уничтожается другой линейной молнией. ШМ, возникшие вблизи земли, обычно двигаются медленно и могут останавливаться у некоторых предметов, перемещаться против ветра или даже подниматься в облака. Эти особенности поведения ШМ вполне могут быть объяснены действием на неё сильных электрических полей между облаками и выступающими предметами на земле, периодически колеблющимися при разрядах линейных молний и движении облаков вплоть до изменения направления напряжённости поля. Известно, что разность потенциалов между облаками и землёй может достигать величины вплоть до 108 В, что при высоте облака над землёй в 1 км даёт напряжённость поля 105 В/м вместо тех 100 В/м, которые наблюдаются при ясной погоде. Кроме этого, вследствие высокой температуры воздуха внутри ШМ её средняя плотность отличается от плотности окружающего воздуха, так что к электрическим силам нужно добавить подъёмную силу Архимеда. Баланс указанных сил осуществляется, по-видимому, у привязанных или прикреплённых ШМ, либо парящих неподвижно, либо связанных с предметами. В течение жизни ШМ её заряд может изменяться из-за взаимодействия с окружением или при частичном распаде, приводя к изменению равновесного состояния. Так, при переходе от прикреплённой ШМ к свободной она обычно взмывает вверх, а затем по наклонной линии уходит к облакам.
Рассмотрим процесс уравновешивания ШМ в атмосфере более подробно. Если воздух внутри ШМ сильно нагрет, то сила Архимеда много больше веса самой ШМ. С другой стороны, при своём образовании ШМ обычно находится в районе вхождения линейной молнии в землю или у высоких предметов, несущих потенциал земли. Благодаря заряду ШМ создаёт в земле как в проводнике наведённые заряды и притягивается к ним. Силу притяжения можно определить с помощью метода изображений из электростатики. Найдём высоту h над землёй, при которой ШМ находится в равновесии, из равенства электрической силы и силы Архимеда:
Q2/4πεε0(2h)2 = ρgVb = 0.25 Н, (11)
где ρ = 1.29 кг/м3 — плотность атмосферного воздуха вокруг ШМ
g = 9.81 м/с2 — ускорение силы тяжести
Vb = 0.02 м3 — объём нашей модели ШМ.
При заряде Q из (4) высота h = 90 см. По мере остывания воздуха в ШМ уменьшается её объём, а при потере электронов с наружной оболочки может увеличиваться и заряд Q. Поэтому ШМ может всплыть над землёй и далее плавно перемещаться в зависимости от рельефа местности, ветра и электрических полей от грозовых облаков. Нетрудно подсчитать электрическую силу, действующую на ШМ при напряжённости поля Е = 105 В/м от сильно заряженного грозового облака: F = QE = 1 Н, что близко к силе Архимеда (11).
Для того чтобы представить устройство ШМ более наглядно, приведем весьма подробное свидетельство М.Т. Дмитриева, специалиста-химика, имевшего опыт работы с низкотемпературной плазмой и ставшего очевидцем явления ШМ [8]:
Светимость молнии была значительной, особенно при расстоянии в несколько метров, тем не менее, её всё же можно было свободно рассматривать, без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром около 6–8 см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминая электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 13000 — 16000 градусов. Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1–2 см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0.1 мм. рт. ст., бомбардируемого электронами с энергией в несколько десятков электрон-вольт. Следующая, наружная оболочка, толщиной около 2 см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков кило-электрон-вольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличением расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет. Оболочки молнии хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. В нижней части они, вероятно, были сжаты и их можно было различить только при сопоставлении с боковыми частями молнии. Над молнией сверху оболочки были значительно толще, но не так резко выражены. Кроме того, в них можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром, только цвет их был с беловатым оттенком). Общий диаметр шара составлял около 11–12 см в горизонтальном направлении и около 14–16 см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, по-видимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок. В молнии, по-видимому, всё время выделялась энергия. На это указывали сплошной шорох и сильные отдельные потрескивания. Вероятно, беспрерывно происходила и утечка её заряда. Выделение энергии резко увеличивалось при соприкосновении молнии с поверхностями (листьями или сучками) и сопровождалось более сильным треском и искрением. Молния оставила после себя сильный запах, по своему характеру почти совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения.
Как видно из приведённого текста, шаровая молния Дмитриева имела вертикальную ось симметрии, совпадающую с осью вращения электронного облака в нашей модели ШМ и с направлением внутреннего магнитного поля. В магнитных полях, на порядок меньших, чем в (6), радиус вращения ионов R вырастает приблизительно до величины половины радиуса ШМ. При этом возникает только одна устойчивая ионная орбита, которая отмечает положение ядра ШМ. Внутреннее ионное облако молнии Дмитриева было вытянуто в вертикальном направлении, а все оболочки хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. О вращении частиц в оболочках с дифференциальной скоростью говорили отдельные яркие конвективные струи. По предположению Дмитриева, светло-голубое свечение внешней оболочки напоминает тихий электрический разряд с энергией электронов в десятки килоэлектронвольт. Найдём потенциал нашей модели ШМ при её радиусе и заряде согласно (4):
φ = Q/4πεε0r = 500 кВ. (12)
Поскольку заряд ШМ положительный, то она будет бомбардироваться электронами и отрицательными ионами из окружающей атмосферы с приобретаемой ими энергией от прохождения разности потенциалов вплоть до величины (12). Известно, что пробег электронов в воздухе ограничивается различными потерями и при начальной энергии электронов в 500 кэВ не превышает 1 м. На самом деле начальная энергия электронов воздуха мала и они в электрическом поле ШМ приобретут существенно меньшую энергию. Если считать, что зона ускорения электронов вблизи равна Δr = 1 см (что соответствует напряжённости электрического поля, пробивающей воздух, от заряда Q нашей модели ШМ), то из (12) следует:
U = qΔφ = qQΔr/4πεε0r2 = 30 кэВ.
что соответствует наблюдениям Дмитриева. Если заряд ШМ велик, то её наблюдаемый радиус может быть больше настоящего за счёт светящейся короны вокруг неё.
Светимость обычной ШМ среднего размера можно объяснить излучательнымипереходами атомов и молекул и постепенной рекомбинацией ионов воздуха внутри ШМ, так что её энергия только за счёт излучения непрерывно убывает со скоростью до 2 Дж в секунду. Отношение площади поверхности к объёму растёт по мере уменьшения радиуса, следовательно, маленькие ШМ израсходуют всю свою энергию на излучение и теплоотдачу в окружающую атмосферу быстрее, за время порядка долей и единиц секунд, и это действительно наблюдают как у природных, так и у искусственных ШМ при коротких замыканиях электрооборудования.
В связи со строением ШМ интересно рассмотреть некоторые случаи из [3]. ШМ довольно редко представляет собой правильную сферу, скорее это масса неправильной формы, иногда с несколькими выступами. Некоторые ШМ кажутся полыми, овальными, сердцевидными, грушевидными, яйцевидными или в виде тора или кольца. В случае в Париже в 184 9 г. у ШМ возникли искры и огненные языки, которые как будто вырывались из отверстия в шаре. При увеличении отверстия ШМ взорвалась с молниеподобным разрядом. После этого наблюдалось ещё некоторое яркое свечение.
В случае 194 9 г. в ФРГ после распада ШМ осталась её часть, напоминающая по форме молодой месяц, повёрнутый рогами вниз. Распад этой ШМ сопровождался искрами длиной до 30 см. Прикреплённые к предметам ШМ исчезают обычно как бы кипя и выбрасывая искры. По статистике до 50 % всех наблюдаемых ШМ оканчивают свою жизнь с небольшим взрывом. В рамках нашей модели описанные свойства ШМ можно объяснить тем, что внешняя оболочка может иметь не только сферическую, но и ступенчатую форму, демонстрируя тем самым некоторую независимость отдельных токовых колец. В течение жизни ШМ отдельные кольца в силу неустойчивости или взаимодействия с окружающими предметами разрываются и из ШМ вылетают потоки быстрых электронов и плазмы в виде искр. Иногда ШМ просто разделяется на несколько маленьких ШМ. Маломощные ШМ в отсутствие взаимодействий с окружением будут просто разряжаться почти беззвучно и без особых эффектов.
Заключение
По данным наблюдений ШМ часто вращаются в воздухе или катятся по предметам. При опускании на рыхлую землю или торф ШМ способны вырыть ямы или разбросать землю. На быстрое движение частиц в ШМ указывает и то обстоятельство, что в некоторых случаях контакта с ней люди получали ожоги как от электрического тока, а предметы нагревались или оплавлялись. Согласно предлагаемой нами модели физическая природа ШМ такая же, как и у обычной молнии.
Так как движение частиц в ШМ в основном вращательное, а в линейной молнии поступательное, то с философской точки зрения оба типа дают ещё один пример действия принципа дополнительности в природе. Следует сказать, что для построения модели ШМ были использованы те же идеи, что ив [9] при описании схемы возникновения электрического заряда у элементарных частиц.
Список литературы
1. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния. М.: Мир, 1983. - 288 с.
2. Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988. - 208 с.
3. Сингер С. Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973. - 239 с.
4. Стаханов И. П. О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 209 с.
5. Капица П. Л. Свободный плазменный шнур в высокочастотном поле при высоком давлении // ЖЭТФ. 1969. Т. 57, вып.6. C.1801v 1866.
6. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Нагрев токового шнура и образование перетяжек в импульсном вакуумном разряде // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24.N18. C.50v 56.
7. Брагинский С.И. О поведении полностью ионизованной плазмы в магнитном поле // ЖЭТФ. 1957. Т.33. Вып. З. С.645–654.
8. Дмитриев М.Т. Природа шаровой молнии // Природа.1967.N6.С.98v 106.
9. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик. Пермь: Стиль-МГ, 1999. - 544 с.
Даже если считать только предложения, опубликованные в серьёзных научных журналах, то количество теоретических моделей, которые с разной степенью успеха описывают явление и отвечают на эти вопросы, составляет десятки. Перечислим некоторые из них.
КРАТКО О НЕКОТОРЫХ ГИПОТЕЗАХ ПРИРОДЫ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Например, гипотеза Петра Леонидовича Капицы (П.Л. Капица. О природе шаровой молнии ДАН СССР 1955. Том 101, № 2, стр. 245–248.): между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигается вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
Принципиально другую гипотезу предлагает Б. М. Смирнов (В.М.Smirnov, Physics Reports, 224 (1993) 151, Смирнов Б.М. Физика шаровой молнии // УФН, 1990, т.160. вып.4. стр.1-45), занимающийся проблемой шаровой молнии много лет. В его теории ядро шаровой молнии — это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса — это нити плазмы, а не твердого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры. Термодинамические расчеты на основе этой модели, в принципе, не противоречат наблюдаемым данным.
Ещё одна теория (D.J. Turner, Physics Reports 293 (1998) 1) — уже из самых новых — объясняет всю совокупность наблюдаемых явлений термохимическими эффектами, происходящими в насыщенном водяном паре в присутствии сильного электрического поля. Энергетика шаровой молнии здесь определяется теплотой химических реакций с участием молекул воды и их ионов. Автор теории уверен, что она дает чёткий ответ на загадку шаровой молнии.
Пермский физик Сергей Федосин в ряде работ [1] представил электронно-ионную модель шаровой молнии в Современные проблемы физики. В поисках новых принципов. М.: Эдиториал УРСС, 2002. (192 стр.). Согласно этой модели, шаровая молния есть сгусток очень горячего ионизированного воздуха с общим положительным зарядом, оболочка которого состоит из быстро вращающихся электронов с общим током до 1,4*105 А. Целостность молнии поддерживается балансом электромагнитных сил, действующих между зарядами. Положительные ионы внутри молнии распределены свободно вследствие сферической симметрии, и притягивают к себе электроны оболочки, удерживая их от разлёта.
Электронные токи в оболочке создают сильное магнитное поле внутри молнии. Эти токи перпендикулярны оси вращения, к полюсам диаметр вращения уменьшается, магнитное поле растёт. Это удерживает положительные ионы от разлёта вдоль оси вращения за счёт эффекта магнитной бутылки. Основное магнитное поле внутри молнии направлено вдоль оси вращения. То есть ионы могут двигаться вдоль оси вдоль линий магнитного поля. С другой стороны, ионы вращаются по окружности перпендикулярно оси под действием силы Лоренца соответственно своей тепловой скорости. В результате на некотором расстоянии от оси молнии возникает пересечение двух потоков ионов, которое наблюдается как светящиеся оболочки внутри молнии. Излучение от оболочек возникает от трения и рекомбинации пересекающихся потоков ионов.
Теория предсказывает максимальный диаметр шаровой молнии 34 см. При большем размере суммарный заряд молнии, имеющий положительный знак, растёт до величины 10-5 Кл и возникает электрический пробой воздуха вблизи молнии. Энергия молнии в этом случае достигает 10,6 КДж. Благодаря своему заряду шаровая молния не всплывает под действием силы Архимеда, а удерживается электрической силой от наведённого заряда на Земле.
Какая из теорий достоверна — проверить нетрудно: критерием будет служить эксперимент. Пусть хоть какая-нибудь теория сможет чётко сказать, как именно можно создать шаровую молнию в лаборатории.
Именно такой теорией, предлагающей способ создания необычного состояния вещества, способного аккумулировать и сохранять значительное время энергию, является предположение, что шаровая молния — это ридберговское вещество. Группа L. Holmlid[53] занимающаяся приготовлением ридберговского вещества в лабораторных условиях пока отнюдь не с целью производства шаровых молний, а в основном с целью получения мощных электронных и ионных потоков, используя то, что работа выхода ридберговского вещества очень мала, несколько десятых электрон-вольта. Предположение, что шаровая молния является ридберговским веществом, описывает гораздо больше ее наблюдаемых свойств, от способности возникать при разных условиях, состоять из разных атомов, и до способности проходить сквозь стены и восстанавливать шарообразную форму.
ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Подборка статей
Vacuum Tube Tesla Coil на лампе 6П45С
(Сталкер)
Схема этого генератора на лампе представляет из себя автогенератор, выполненный по схеме блокинг-генератора на тетроде 6П45С от цветных ламповых телевизоров. Вся схема напитывается от удвоителя, на аноде при этом получается примерно 600. С одной лампы я выжимал 4,5 см стример/искру в предмет. При этом лампа работает в перегруженном режиме, чтобы нормализовать параметры работы лампы воспользуйтесь запараллеливанием нескольких таких ламп. При хорошей настройки резонанса с одной лампы можно выжать 10 см стример, я не смог получить 10 см т. к. у меня нет КПЕ, и мне пришлось перебирать десятки капов. Накал одной лампы берёт 2,3 А. Все резисторы как минимум 10 Вт, Вторичку надо обязательно заземлять, т. к. когда она не заземлена, в генераторе начинают прошиваться близ лежащие между собой провода. Не вздумайте лампу садить на фольгированный текстолит — его прошьёт, у меня из-за этого две сетки склеились. Пока подбираете резонанс — питайте схему от 220 В, когда найдёте — смело подсоединяйте удвоитель… И ещё одно, ПИТАЙТЕ СХЕМУ ЧЕРЕЗ БАЛЛАСТ!!!!!!
Vacuum Tube Tesla Coil на 4x лампах ГУ50
(Сталкер)
Это очередной ламповый генератор, собранный на военных лампах ГУ50. В этом генераторе запаралелены 4 лампы (это сделано для увеличения мощности). Аноды ламп питаются от учетверителя без балласта (на выходе 1200 В). Схема работает стабильно. Нигде ничего не стреляет. С этого генератора я смог выжать только 12 см, из-за того, что у меня нет КПЕ, но в идеале с 4-х ламп можно до 25 см стример получить. Параметры первички/обратной связи стандартные: первичка витков 20, обратная связь ~27.
Vacuum Tube Tesla Coil на ГК-71
(Сталкер)
Это очередной ламповый генератор. На этот раз я использовал лампу ГК71, лампа очень хорошая, при питании в 2 кВ с неё можно выкачать до 30 см искры. У меня не было нормального питания и я спаял умножитель на электролитах, который давал 1.6 кВ 0.6 А, в результате я смог выкачать ~13 см искру, результат плоховатый из-за отсутствия нормального питания (мота) и КПЕ. Теперь к деталям: все резисторы надо брать по мощности как минимум на 10 Вт. Конденсаторы на напряжение в полтора раза большее, чем само питание. Накал надо включать постепенно (последовательно питанию накала подключаем резистор на 5 Ом, затем, когда лампа немного прогреется его коротим), так продлеваем срок службы лампы. Генератор работает устойчиво. Схема включения и параметры обмоток стандартные.
Двухтактный генератор
(Пружина)
На рис. изображена схема автогенератора на 2-х транзисторах.
Питание схемы — трансформатор ТС180, перемотанный на 28 В, с выпрямителем. Включаю через мощный балласт в несколько Ом. Им же регулирую мощность. С максимальным сопротивлением ток при дуге 4. 5 А. Дуга зажигается с 2 см и растягивается почти до 5 см.
В схеме используются транзисторы КТ825 (тот же КТ827, только р-n-р) т. к. более подходящих не было. В принципе можно ставить любые, но мощность схемы будет напрямую зависеть от их параметров. К примеру, КТ825 и КТ827 обладают мощностью 125 Вт. Можно использовать транзисторы структуры n-р-n, но для этого необходимо поменять полярность питания.
Надо сказать что у схемы весьма неплохой КПД. На холостом ходу строчник потребляет около 2.5 А, а при дуге может и более 10 А. Однако транзисторы сильно греются. Их нужно устанавливать на большие радиаторы. При токе 7…10 А необходимо поставить кулера или другие устройства принудительного охлаждения.
Резистор R1 может быть 200…2000 Ом (на требуемую мощность), R2 — 20…100 Ом. Их параметры некритичны и могут быть практически любыми.
В обмотках связи может быть любое (в разумных пределах) число витков, но 2-х вполне достаточно. Их количество не влияет на мощность схемы (хотя незначительно влияет на частоту генерации). Катушки связи можно мотать любым проводом (у меня 0.5 мм).
Питать схему без балласта следует от 12…15 В, а при большем напряжении он необходим. Для данных транзисторов ток схемы не должен превышать 10 А, иначе есть риск загубить транзисторы.
Первичная обмотка содержит 2*5 вит. провода 1.5 мм. Можно подобрать более удачное число под требуемое напряжение.
Вторичные обмотки строчника (их 2 на одном феррите) следует соединять последовательно.
Двухтактник на КТ827
(Пружина)
На рис. изображена схема устройства. Этот строчник позволяет получать дугу, зажигающуюся с 4 см (с 2-мя вторичками) и выдаёт достаточную мощность для питания Лесницы Якова, плазменных шаров, ионных моторов (нужен выпрямитель или умножитель) и др. устройств. Конечно в сравнении со строчниками на полевиках (мосфетах) и тем более ИГБТ он значительно слабее, но для столь простой схемы этого вполне достаточно.
Схема представляет собой стандартный генератор на 3-х триггерах Шмидта — инверторах (можно использовать простые инверторы без гистерезиса переключения например микросхему К155ЛАЗ, но стабильность генератора сильно упадёт и максимальная частота будет ниже. К тому же в этом случае питание микросхем нужно делать не ниже 5.5 В, тогда как с триггерами Шмидта схема работоспособна даже при 3.5 В).
Конденсатор нужно ставить на 5…15 нф (в зависимости от нужной частоты), а резистор желательно не менее 35…40 Ом (т. к. при слишком низком сопротивлении может произойти срыв генерации, что станет причиной выхода из строя транзисторов, и возможно микросхемы). Более 700 Ом его делать тоже не стоит(хотя схема сохраняет работоспособность) из-за слишком низкой частоты.
После генератора на триггерах Шмидта стоят 2 D-триггера. Первый подключён в режиме последовательного счёта (для сдвига фаз на 180 градусов) и он делит частоту генератора на 2. Двухнаправленный светодиод служит для контроля генерации (если горят оба сегмента — всё ОК), а также питания. Он необязателен. Второй D-триггер повторяет сигнал с первого и развязывает его вход от выхода (на всякий случай).
Выходы второго D-триггера подключены к базам КТ827 (они составные и тока микросхемы им вполне достаточно). Дальше строчник (у меня с двумя вторичками от TBC-110ЛA, соединёнными последовательно). Первичка у меня 5 витков, намотана в 2 провода с шагом в несколько мм. Важно правильно сфазировать обмотки, иначе схема работать не будет. Стабилитрон питания микросхемы лучше выбирать с возможно большим током стабилизации и на 5…6 В (я использую КС156, хотя можно и КС147 или вообще заменить его КРЕН-кой). Резистор следует подбирать для требуемого стабилитрона по току стабилизации в зависимости от напряжения питания. Ток стабилизации должен быть больше тока потребления микросхем в 1.5…2 раза (или больше), желательно более 40 мА.
При напряжении более 12 В нужно использовать балласт иначе могут сгореть транзисторы. Ток выше 12 А поднимать опасно.
VTTC на ГУ80
(Пружина)
Здесь я постараюсь подробно описать постройку и работу катушки Тесла на лампе ГУ80, собранной мной.
Для начала скажу что лампы ГУ80, ГУ81, ГУ80М и ГУ81М совершенно одинаковые, отличаются лишь на вид, датой изготовления а также цоколёвкой.
При первом включении возник стример примерно 2 см, потом, когда я поймал резонанс, стример вырос до 6…8 см. Питание 2.4 кВ переменного напряжения (трансформатор поджига ксеноновых ламп, снял с мачты освещения). Контурный конденсатор был составлен параллельно из двух К15-4 (от старых ламповых телеков) 470 пф, 30 кВ. Надо сказать, что К15-4 очень плохие конденсаторы. Они сильно греются при работе и ёмкость у них сильно плавает.
Потом я их заменил на К15-5 (такие оранжевые диски) 4700 пф, 3 кВ, 3 шт последовательно. Резонанс ловил двумя способами:
1. Изменением числа витков первички (она была с отводами от каждого витка);
2. Конденсаторами КВИ-2 (от старых ламповых телевизоров, они припаяны к первичкам строчников TBC-110ЛA) 47, 100 и 150 пф, 10кВ.
Следует заметить, что КВИ-2 хорошие конденсаторы, в контуре работают гораздо лучше К15-4 и К15-5 (греются меньше), только их нужно много.
Вторичка 37x275 мм намотана проводом 0.14 мм (в изоляции 0.155). Резонансная частота примерно 650кГц. Конечно, для такой мощности провод сильно тонкий, но другого просто не было. Каркас от катушки с фольгой, картонный. Сверху вторичка покрыта эпоксидной смолой, она намного лучше всяких лаков держит большую температуру и кратковременно выдерживает дугу.
Первичка была диаметром 68 мм, на каркасе из оргстекла (30 витков провода 1.06 мм (в изоляции 1.3), с отводами от каждого витка), как на фотографии, только с отводами. Катушка обратной связи 17 витков (не особо критично). Располагать первичку и катушку связи нужно на расстоянии 10…15 мм, иначе между ними возникает дуга. Сеточный резистор нужен большой мощности, у меня 8 шт 4.7 кОм, 10 вт, параллельно и все равно они сильно греются. Он не особо влияет на длину разряда (плюс/минус 2…3 см), но от него зависит мощность. Для начала нужно ставить большее сопротивление иначе может расплавится сетка лампы. Ёмкость сеточного конденсатора не особо критична (от 1 нф и более, однако больше 10 нф нет смысла ставить).
Потом подключил диодный мост (составленный из 16 диодов КД206В) и конденсатор на 1 мкф, 3 кВ. Применял небольшой тороид из металрукава. Стример вырос до 10…12 см. Очень жирный. Намотал новую первичку (на пластиковой трубе) 10 см диаметром 25 витков с отводами от каждого (фото), таким же проводом как и у предыдущей (уменьшение коэффициента связи первички со вторичкой увеличивает длину разряда). Обмотка связи аналогична предыдущей. Заменил контурный конденсатор на секцию из КВИ-2 (14 шт) плюс самодельный КПЕ (Конденсатор Переменной Емкости) на 200 пф. Суммарно 1200 пф.
Ёмкость конденсатора выпрямителя влияет на длину разряда. Слишком маленький конденсатор (или его отсутствие) уменьшает длину стримера, а большая ёмкость тоже укорачивает его, но делает мощнее. Для моей катушки оптимальной оказалась ёмкость от 0.33 до 0.6 мкф (я ставил 0.5). Стример увеличился до 15…16 см (фото). Лампа сильно грелась, анод краснел через минуту. При увеличении сеточного резистора перегрузка пропадала, но стример уменьшался на 1.5…2 см.
Строчник на полевиках с самовозбуждением
(Vcoder)
Без дросселя L1 преобразователь работал крайне скверно: огромный ток на холостом ходу, пронзительный свист… Я почти было разочаровался в этой схеме, но решил поставить дроссель — и схема заработала как надо. Дроссель не дает моментально расти току при насыщении трансформатора и это здорово снижает ударные токовые нагрузки на транзисторы.
Частота генерации на холостом ходу — 22.6 кГц, с дугой — вплоть до 88 кГц.
Ток потребления на холостом ходу 2 А, с дугой — до 10 А. Сила тока прямо пропорциональна длине дуги: длиннее дуга — больше ток.
Дуга зажигается примерно с 2. 3 мм и растягивается до 2 см. Дуга белая и горячая. Если поймать дугу на нихром от 1 кВт спирали, он плавится.
Если к выходной обмотке подключить лампочку 220 В, 15 Вт, она светится в полный накал. Это означает, что ток короткого замыкания порядка 60…70 мА. По мере растягивании дуги ток вторичной обмотки уменьшается.
Замеченные недостатки:
• Стабилитроны D1 и D2 сильно нагреваются. Нужно либо увеличивать сопротивление резисторов R1 и R2 (что нежелательно, т. к. замедлит переключение транзисторов), либо применять вместо стабилитронов ограничители напряжения на транзисторах, которые ставить на небольшой радиатор.
• Конденсатор С1 несильно, но греется. В данной конкретной схеме стоит марки К73-17. Желательно поставить более высокочастотный.
Катушка Теслы на радиолампе ГИ-30
(Vcoder)
Когда у меня появилась радиолампа ГИ-30, я решил сделать на ней маленькую катушку Теслы. В качестве каркаса для вторички взял картонную трубку от фольги. Каркас первички — от закончившегося скотча. Схема немудреная — обычный автогенератор:
На рисунке не показан балласт — две осветительные лампочки по 150 Вт в параллель, включенные в разрыв сетевого провода.
Без балласта схему почти не включал. И это спасло лампу: иногда генерация запускается на какой-то паразитной частоте, в результате чего сильно возрастает потребляемый ток (лампочки вспыхивают почти в полный накал) и задыхаются в помехах все теле/радиоприемные устройства в квартире.
Настройку первичного контура в резонанс со вторичным производил путем изменения числа витков первой обмотки: грубо — доматыванием нескольких витков новым куском провода либо отматыванием с обрезанием лишнего провода. Точно — отматывая конец провода с катушки. При этом конец провода складывал зигзагом — это уменьшает его индуктивность, что улучшает работу схемы и уменьшает наводки.
В связи с малой мощностью лампы ГИ-30 (2x20 Вт) больших разрядов мне получить не удалось. Максимум 2–2.5 см.
Строчник на 555 таймере
Антонов А. Ю.
Устройство представляет собой генератор частоты с усилителем мощности на полевом транзисторе (MOSFETe). Частоту можно менять, меняя конденсатор С2. Чем меньше его ёмкость, тем выше частота. Блок питания выполнен по стандартной схеме на мощном диодном мосте VD1-VD4. Он устанавливается на небольшом радиаторе с площадью поверхности около 100 кв. см. Конденсатор фильтра С1 должен иметь ёмкость не менее 10000 мкф, чем больше тем лучше. От него во многом зависит стабильность выходного напряжения генератора.
Теперь к конструкции генератора. Некоторые думают, что MOSFET очень слабо нагревается во время работы. Это не так. Он нагревается слабее биполярного транзистора, но всё равно требует большого радиатора. Поэтому транзистор VT1 необходимо поставить на радиатор с полезной площадью не менее 500 кв. см. Микросхема и резисторы R1, R2, R3 монтируются на печатной плате из стеклотекстолита или гетинакса. Радиатор с транзистором привинчивается к корпусу. Также не рекомендую ставить строчник в один корпус с генератором, ведь применение устройства не ограничивается питанием строчника. От него можно запитать катушку зажигания или любой трансформатор на феррите. Этот прибор может работать только от 12 В, поэтому его можно использовать как источник резервного электропитания. При этом выходная мощность достигает 100 Вт (30Вт у строчника на одном транзисторе). Конечно, надо будет изготовить соответствующий трансформатор с обмоткой на 220 В и выбором конденсатора С2 подобрать частоту генерации.
Если же никакого применения, кроме питания строчника не найдётся, то можно разместить строчник в одном корпусе с генератором. При этом нельзя допускать, чтобы высоковольтные провода от строчника касались низковольтной части — их пробьёт и вся схема выйдет из строя. На этот случай следует предусмотреть установку панели для микросхемы для её быстрой замены.
1) Что понадобится:
2) Трансформатор на 12В 5А (100Вт);
3) Диодный мост;
4) Конденсаторы;
5) Микросхема NE555;
6) Резисторы 1 кОм — 2 штуки и 100 Ом — 1 штука;
7) Транзистор IRF540;
8) Радиатор для транзистора;
9) Радиатор для диодного моста (необязательно, если используются просто мощные диоды типа Д242);
А также провода, винты, гайки и прочая мелочь для сборочных работ, и конечно же, мозги! Надо понимать, что ты собираешь!
В последней версии генератора я использую транс ТН57-220-50 с выходным напряжением 12,6 В при силе тока 5,5 А.
Диодный мост типа КВРС2510 на 25 А, 50 В, конденсатор фильтра 15000 мкф 25 В. Вся схема размещена сзади радиатора, на нём стоят диодный мост и полевик. Радиатор охлаждается вентилятором 80*80*25 мм на 12 В. Строчник типа TBC-110ЛA. Длина дуг около 4,5 см, при этом горячие дуги до 3 см длиной.
В ходе сборки возникали проблемы: полевик часто сдыхал. Выяснилось, что это происходит тогда, когда сердечник разомкнут и отсутствует конденсатор параллельно первичке. При питании от 5 ваттного трансформатора на выходе была хилая искра длиной чуть больше 1 мм. Из-за этого источник питания должен иметь мощность не менее 30 ватт, а сердечник строчника не должен быть разомкнут. Также не стоит ставить кондёр больше 0,1 мкф, возникнет риск выхода из строя транзистора. Самые лучшие результаты у меня были при 0,01 мкф ёмкости, что примерно соответствует частоте 30–40 КГц.
ОБНОВЛЕНИЯ
После испытаний сразу выявились недостатки устройства. Высокий ток холостого хода, сильный нагрев, низкая частота и невозможность регулировки, ненадёжность ключевого транзистора. Транзистор IRF540N, который стоял в приборе, похоже не был расчитан на тот ток, который он должен был держать по паспортным данным. К тому же, его корпус типа Т0-220 не мог обеспечить достаточный отвод тепла на радиатор. После 5 взорванных от перегрева или просто от перенапряжения транзисторов, я начал искать ему замену. По параметрам подошёл IRFP240, расчитанный на 20 А при 200 В, в корпусе типа ТО-247АС. Несмотря на меньший паспортный ток, он имел меньшую ёмкость затвора и меньшее внутреннее сопротивление. Рассеиваемая им мощность в 150 вт, в отличии от IRF540N полностью передовалась на радиатор и транзистор не сдыхал от перегрева. Теперь нужна была регулируемая частота.
Проблему регулировки частоты в широких пределах я решил путём замены времязадающих резисторов R1 и R2 резисторами с меньшим сопротивлением, а последовательно резистору R1 был установлен переменный, посредством которого и регулировалась частота. Таким образом, частота стала регулироваться от 3 до 100 +/- 20 кГц.
Длина дуги увеличилась до 6–6,5 см при максимальной частоте. Однако регулировать частоту при строчнике в качестве нагрузки категорически не рекомендуется, т. к. при попадании в резонанс вынесет вторичку строчника.
ОПЫТЫ СО СТРОЧНИКОМ
1) Плазменный шар. Для этого опыта понадобится обычная лампочка. Один вывод заземляется, другой подсоединяется к лампочке, при этом внутри неё образуются красивые разряды.
ВНИМАНИЕ: При большой мощности разряды могут сильно нагреть лампу и привести к ожогам. Также не следует касаться лампы металлическим предметом, т. к. дуга расплавит стекло и испортит лампу.
2) Лестница Иакова. Это два электрода, расположенные рядом, но расходящиеся к верху. В нижней точке возникает дуга, воздух нагревается и поднимается вверх, дуга тоже поднимается наверх и гаснет, затем процесс повторяется.
3) Умножитель. Он подключается, как на рисунке. Лучше взять умножитель УН 9-27. На выходе умножителя разряд будет ярко-синего цвета и раза в три длиннее, чем без него.
ВНИМАНИЕ: На выходе строчника напряжение высокое, но сила тока небольшая. От него тебя может сильно ударить током и ты получишь ожоги. Тем не менее, тебя никогда не убьёт ток строчника. А вот конденсаторы умножителя выдают ток, достаточный для твоей смерти.
Применение у этого прибора весьма обширное. Оно не ограничивается питанием плазменных шаров и лестниц Иакова. Его можно использовать в качестве зажигалки для газа (при этом не требуется большая мощность), ионизатора воздуха (придётся собрать умножитель для отрицательного напряжения, УН 9-27 не пойдёт, там положительное напряжениё на выходе).
Некоторые говорят, что в этой схеме работают не все строчники. Этоне так. Работать будут не только строчники, но и любые трансформаторы с ферритовым сердечником. Нужно лишь знать, что сейчас продаются строчники со встроенным умножителем. Устройство будет работать, но плазменный шар или лестницу Иакова от него не запитаешь. Но если это и не нужно, то можно использовать этот аппарат в качестве преобразователя 12 В — 220 В небольшой мощности, например для питания электробритвы или лампочек (на случай отключения света). Для этого надо заменить строчниковую обмотку на самодельную. При этом для электробритвы необходим постоянный ток, необходимо поставить диодный мост для выпрямления тока на выходе.
Кроме того, можно использовать генератор для питания индукционного нагревателя — катушки, в которую помещается нагреваемое тело, сделанное из железа.
Строчник на полумосте
Антонов А. Ю.
Это устройство представляет собой полумостовой инвертор с питанием от сети. Он отличается простотой конструкции и не требует налаживания. Задающий генератор инвертора выполнен на микросхеме IR2153, представляющей собой полумостовой драйвер. Напряжение питания на микросхему поступает через резистор R1 и сглаживается конденсатором С2. Напряжение на выводе 1 микросхемы не может быть выше 15,6 вольт, так как внутри микросхемы между выводами 1и 4 установлен стабилитрон. Цепочка R2, С4 задает частоту работы задающего генератора и равна 40–50 кГц, при необходимости может изменяться от 80 гЦ до 1 мГц при условии что минимальные значения R2 и СЗ должны находиться в пределах 10 кОм и 330 пФ соответственно.
Верхний транзистор открывается с выхода 7, нижний — с выхода 5, между включениями одного и другого транзистора выдерживается пауза 1,2 мкс благодаря чему предотвращается протекание сквозных токов через транзисторы. Конденсатор С4 заряжается через диод VD5 при включении VT2.
Теперь к конструкции. Микросхема и малогабаритные детали установлены на небольшой печатной плате из стеклотекстолита. Транзисторы VT1 и VT2 устанавливаются на радиаторы с площадью поверхности, которая зависит от выходной мощности преобразователя. Мощность же зависит от количества витков первичной обмотки трансформатора Т1 и находится в диапазоне от 50 Вт при 100–150 витках до 500 Вт при 15–20 витках.
Площадь радиаторов колеблется от 50 кв. см до 500 кв. см. Строчник лучше взять типа TBC-110ЛA, вместо первички намотать 30–35 витков провода толщиной 0,5 мм. Меньше мотать не рекомендую, если не хочешь сжечь вторичку строчника. Длина дуг от такого преобразователя около 7 см, дуги толстые и горячие. Прибор идеально подходит для питания лестницы Иакова! Если же мало 7 см дуги, то можно намотать самодельную вторичку, состоящую из 500–700 витков провода толщиной 0,35 мм. Дуга с такого трансформатора достигает 15 и более сантиметров в длину!
Стабильность работы полумоста сильно зависит от разводки платы. Вот хорошая разводка платы:
Печатку следует развести именно так, как на рисунке, иначе взрывы вам обеспечены! Полевики прикручиваются к радиаторам площадью не менее 50 кв. см. каждый, хотя я не заметил нагрева даже с дугой.
ВАЖНО! Не мотать в первичку менее 35 витков провода, только с этим числом витков схема работает очень стабильно. Можно уменьшить число витков до 30, но меньше категорически не рекомендуется во избежание взрыва полевиков.
Также это устройство может быть использовано как обычный импульсный БП, для этого наматывается вторичная обмотка на необходимое напряжение и силу тока. Выпрямитель должен состоять из мощных высокочастотных диодов, например Д213 или КД2997, установленных на радиатор.
Строчник на тиристорах
Антонов А. Ю.
Это устройство представляет собой релаксационный генератор. А работает он так. Сетевое напряжение выпрямляется диодами VD1, VD2 и заряжает конденсаторы C1, С2. Конденсатор С3 через резистор R2 заряжается до напряжения срабатывания динистора VS1. Когда конденсатор зарядится, динистор срабатывает и открывает симистор VS2. Конденсаторы С1 и С2, заряженные до напряжения 600 В быстро разряжаются в первичную обмотку трансформатора Т1. Во вторичной обмотке возникает импульс тока высокого напряжения. Затем весь процесс повторяется.
Теперь к конструкции. Вся схема, кроме резистора R1 размещена на печатной плате из стеклотекстолита. Резистор R1 должен иметь мощность не менее 5 вт, иначе он сгорит. Категорически не рекомендуется исключать его, схема может сдохнуть. Симистор не нуждается в теплоотводе. Строчник взят от цветного телевизора, типа ТВС-110ПЦ5, использована одна из его первичных обмоток. Также можно самому намотать первичку — 30 витков провода толщиной 0,3 мм.
В отличие от всех предыдущих схем строчников, эта выдаёт искру, а не дугу, её мощность очень мала (5 вт), она имеет большой уровень шума.
Несмотря на все недостатки, схема может быть использована в качестве зажигалки для газа, для питания плазменных шаров. Ничтожная сила тока делает этот строчник самым безопасным. Однако из-за низкой частоты от него будет ощутимо бить током. Так что лучше не совать пальцы в искру, это хоть и не приведёт к ожогам, но будет неприятно.
Строчник на радиолампе
Антонов А. Ю.
Это устройство представляет собой автогенератор, выполненный по схеме блокинг-генератора на тетроде 6П45С от цветных ламповых телевизоров. Особенностью этого тетрода является довольно большая мощность анода, способность выдерживать в импульсе напряжение до 7 кВ.
Сетевое напряжение подаётся на удвоитель напряжения, выполненный на диодах VD1-VD2 и конденсаторах С1-С2. От полученного напряжения 600 В питаются анодные цепи генератора. Накал лампы питается от отдельного трансформатора на 6,3 вольта, при силе тока не менее 2,5 ампер. Конденсатор С3 задаёт частоту генератора, он должен быть рассчитан на напряжение не менее 1500 вольт. Элементы C4-R2-L2 образуют цепь обратной связи, необходимой для работы генератора.
Строчник использован типа TBC-110Л1, намотаны новые первичные обмотки. Анодное напряжение можно подавать одновременно с накальным. Длина дуги при правильно собранном генераторе составляет 10–12 см, дуги толстые и горячие. При этом выходная мощность устройства 200–300 ватт.
ОБНОВЛЕНИЯ
Был собран нормальный макетный вариант строчника на лампе 6П36С. Схема отличается небольшой мощностью (150–200 ватт), но очень стабильной работой. Без дуги можно гонять часами. Дуга от этого генератора составляет 9-10 см, толстая и горячая. Идеальный БП для лестницы Иакова! Кроме того, конденсатор контура был использован ёмкостью 4700 пФ.
Катушка Теслы на пентоде ГУ-81М
Антонов А. Ю.
Я далеко не первый, кто собрал такое устройство. Само устройство представляет собой мощный высокочастотный автогенератор, выполненный на мощном прямонакальном пентоде ГУ-81М, колебательный контур которого индуктивно связан с вторичным контуром, настроенным в резонанс. Конденсатор С2 задаёт частоту генератора. При данном его значении частота составляет около 400 кГц. Этот конденсатор обязательно должен быть высокочастотным керамическим (КВИ-2, КВИ-3, К15У-1), другие типы не подходят! Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 10 кВ. У меня стоят 2 параллельно соединённых конденсатора КВИ-3 на 16 кв, ёмкостью 470 пф каждый, при этом они сильно греются при длительной работе (вот зачем лучше ставить К15У на многие КВАРы).
Питается генератор от трансформатора от микроволновки (МОТа), к которому подключён удвоитель на конденсаторе С1 и диоде VD1. На выходе получается напряжение около 5 кВ, которое проседает под нагрузкой до 4 кВ.
Вся конструкция собрана на основе из фанеры. Первичная обмотка L1 и обмотка обратной связи L2 намотаны на каркасе из полиэтиленовой трубы диаметром 11 см и высотой 16 см.
Первичная обмотка L1 наматывается первой и находится внизу. Она содержит 35 витков медного провода диаметром 1–1,5 мм и наматывается виток к витку. Обмотка обратной L2 связи наматывается выше на расстоянии от первички не менее 2 см, во избежание пробоя, и содержит 22 витка 0,5 мм провода, намотка также виток к витку. Вторичка L3 намотана на трубе диаметром 5,5 см и высотой 4 0 см проводом 0,16 мм. Наверху вторички необходимо установить разрядный терминал в виде металлического штыря. Можно также поэкспериментировать с формой электрода.
Сначала включают накал лампы и только через 10 секунд подают анодное. Подносят к вторичной обмотке лампу дневного света. Если генератор собран правильно, то с металлического штыря должен бить стример длиной не менее 15 см, а лампа дневного света должна ярко светиться. При отсутствии генерации меняют местами выводы обмотки L2. Для более точной настройки под конкретную вторичку изменяют ёмкость конденсатора и витков первички до получения максимально длинной искры.
Сам я получил искры сначала 25 см длиной при 25 витках первички. Потом, когда изменил количество витков первички до 35, искра увеличилась до 30–35 см.
!!!ВНИМАНИЕ!!! BO-ИЗБЕЖАНИЕ ОЖОГОВ НЕ ТРОГАЙТЕ ИСКРЫ РУКАМИ! ИСПОЛЬЗУЙТЕ ТОЛЬКО ЗАЗЕМЛЁННЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРЕДМЕТ!!!
ОБНОВЛЕНИЯ
После того, как вторичка развалилась из-за отсутствия нормального покрытия, я решил заодно переделать катушку под более высокую резонансную частоту, около 600 кГц. Сделать это я решил из-за отсутствия нормального контурного конденсатора и у меня был всего один нормальный К15У-1 на 470 пФ, 40 кВар, 15 кВ. Вторичка была перемотана проводом 0,22 мм и покрыта эпоксидкой. Количество витков первичной обмотки после проведения многочисленных экспериментов было заменено на 38 витков 1–1,5 мм эмалированного провода. Конденсатор контура — тот самый К15У-1. При этом стример с катушки составил около 30–35 см, конденсатор контура совершенно холодный при работе! Расположение лампы на макете оказалось довольно неудачным, т. к. она рассеивает очень много тепла и каркас первички немного оплавился. В окончательном варианте я планирую установить лампу на отдельную площадку, отгороженную от первички куском фанеры.
Также китайские конденсаторы удвоителя и диод были заменены советскими конденсаторами К75-53 и диодным столбом КЦ201Е, что значительно улучшило надёжность устройства.
!!!ВНИМАНИЕ!!! ПРИКОСНОВЕНИЕ К НЕИЗОЛИРОВАННЫМ ЧАСТЯМ ГЕНЕРАТОРА СМЕРТЕЛЬНО
Катушка Теслы на пентоде ГК-71
Антонов А. Ю.
Эта катушка, также как и катушка на ГУ-81М, представляет собой LC-автогенератор. Но в отличии от схемына ГУ-81М, лампа тут включена пентодом. Т. е. на 2 сетку через резистор R1 подаётся некоторое напряжение. Такое включение позволяет довольно сильно увеличить эффективность устройства и при относительно низковольтном питании (всего 1800–2000 В) получить весьма внушительные разряды.
Конденсатор С1 нужен для создания мощных импульсов тока. Он состоит из двух последовательно соединённых конденсаторов от микроволновки (1 мкф, 2 кВ каждый). Катушка L4 представляет собой анодный дроссель, защищающий лампу от паразитной генерации. Он намотан проводом 0,5 мм и содержит 10 витков.
Непосредственно в колебательном контуре применён конденсатор типа КВИ-3 номиналом 470 пФ. Катушка L1 намотана проводом 0,5 мм на каркасе диаметром 9-10 см. Катушка обратной связи намотана ниже и содержит 22–25 витков такого же провода. Резистор R2 типа ППБ, переменный, мощностью 25 ватт. Как показали испытания, его мощность может быть даже 5 ватт, он очень слабо греется.
Вторичная катушка L3 намотана на тюбике от силикона размером 5х22 см (ширина намотки 20 см) и содержит ~1300 витков 0,15 провода. Наверху установлен заточенный электрод в виде конуса. Тороид — или отсутствует, или небольшой диск (я использую основу от велосипедного зеркала).
Результат — искра длиной до 23 см, довольно горячая.
!!!ВНИМАНИЕ!!! ВСЕГДА ВКЛЮЧАЙТЕ НАКАЛ ЛАМПЫ ДО ПОДАЧИ АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ!!!
ОБНОВЛЕНИЯ
После сборки макета было решено оформить устройство по нормальному. Из 20 мм фанеры было сделано двухэтажное шасси. При этом на нижнем этаже был расположен блок питания, включающий анодный и накальный трансы и конденсатор С1, а на верхнем этаже сам генератор.
Вторичная обмотка, пострадавшая после бесчеловечных экспериментов с кривыми первичками вследствие пробоя, была перемотана проводом 0,22 мм и покрыта эпоксидкой. Получилось около 900 витков, что соответствовало резонансной частоте около 900 кГц. Немного высоковато, что и сказалось на внешнем виде разряда, он стал более мечеобразным.
Из-за перемотки вторички пришлось перемотать и первичку. Теперь она стала содержать 22 витка 1 мм эмальпровода, намотанного виток к витку на каркасе диаметром 10 см. Обмотка связи была оставлена без изменений, 20 витков.
Т.к. мощности явно не хватало, то в схему катушки были внесены изменения. Эти изменения касаются резистора R1. Он был заменён на резистор ПЭВ-25 сопротивлением 3,9 К, при этом мощность катушки заметно выросла. Перегрева лампы при этом не наблюдается, надёжность осталась на высоте.
ПОДВАЛ
От Антонова А. Ю.
МОТы
МОТ — трансформатор от микроволновки. Представляет собой обычный силовой трансформатор с одной лишь разницей, что его сердечник работает в режиме, близком к насыщению. Это означает, что, несмотря на малые размеры, он имеет мощность до 1,5 кВт. Однако есть и отрицательные стороны у такого режима работы. Это и большой ток холостого хода, около 2–4 А, и сильный нагрев даже без нагрузки, про нагрев с нагрузкой я молчу. Обычное выходное напряжение у МОТа — 2000–2200 вольт при силе тока 500–850 мА.
У всех МОТов первичка намотана внизу, вторичка сверху. Делается это для хорошей изоляции обмоток. На вторичке, а иногда и на первичке намотана накальная обмотка магнетрона, около 3,6 вольт. Причём между обмотками можно заметить две металлические перемычки. Это — магнитные шунты. Основное их назначение — замкнуть на себя часть создаваемого первичкой магнитного потока и таким образом ограничить магнитный поток через вторичку и её выходной ток на некотором уровне. Делается это из-за того, что при отсутствии шунтов при коротком замыкании во вторичке (при дуге) ток через первичку многократно возрастает и ограничивается лишь её сопротивлением, которое и так очень мало. Таким образом, шунты не дают трансу быстро перегреться при подключенной нагрузке. Хотя МОТ и греется, но в печке ставят нехилый вентилятор для его охлаждения и он не сдыхает. Если же шунты удалить, то мощность, отдаваемая трансом, повышается, но перегрев происходит гораздо быстрее. Шунты у импортных МОТов обычно хорошо залиты эпоксидкой и их не так просто удалить. Но сделать это всё-же желательно, уменьшится просадка под нагрузкой. Для уменьшения нагрева могу посоветовать засунуть МОТ в масло.
ВНИМАНИЕ! МОТ ОПАСЕН! НАПРЯЖЕНИЕ НА ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКЕ СМЕРТЕЛЬНО! СОБЛЮДАЙТЕ ОСТОРОЖНОСТЬ ПРИ РАБОТЕ С НИМ!
Напряжение хотя и мало по сравнению со строчником, но сила тока, в сто раз большая, чем безопасный предел 10 мА, сделает шансы остаться живым практически равными нулю.
Могу огорчить некоторых людей, сообщив о том, что МОТ, хотя и идеальный источник питания для катушек тесла (малогабаритный, мощный, не сдыхает от ВЧ как NST), но его цена довольно высока. К тому же даже если вы имеете такие деньги, вам придётся изрядно побегать по радиорынкам и магазинам в его поисках. Легче купить новую микроволновку, старую или новую и распотрошить её.
Лично я так и не нашёл импортного МОТа, не нового, не подержанного. Но я нашёл МОТ от советской микроволновки "Электроника". Он обладает гораздо большими размерами, чем импортные и работает как обычный транс. Называется от ТВ-11-3-220-50. Его примерные параметры: мощность около 1,5 кВт, выходное напряжение ~2200 вольт, сила тока 800 мА. Приличные параметры. Причём на нём кроме первички, вторички и накальной присутствует ещё обмотка на 12 В, как раз для питания кулера на искровик теслы.
Однажды, гуляя по радиорынку, я обнаружил у одного мужика почти такой же МОТ, как и у меня. Недолго думая, я купил его, тем более, что стоил он недорого. Соединив последовательно два транса, я получил дуги значительно длиннее, чем от одного. Дуга стала зажигаться с 3–4 мм и растягиваться до 25 см! Такого питания хватит даже для метровой теслы.
Плазменные шары
Плазменным шаром называется сосуд, наполненный разряженным инертным газом. В центре сосуда расположен электрод в форме шара, иногда изолированный. На него подаётся высокое напряжение при высокой частоте. Типичное напряжение составляет около 10 Кв.
В качестве плазменного шара можно применить обычную лампочку на сколько угодно ватт. Правда, в ней вместо электрода стоит нить накала и эффект будет уже не таким красивым. Но для домашних условий и это вполне приемлемо.
В качестве источника питания можно использовать любой из, описываемых на этом разделе, преобразователей на строчнике. Чтобы в лампочке забегали искры, необходимо один вывод строчника заземлить, а другой подсоединить к лампочке. Если же заземлить строчник нельзя (например, в автомобиле), можно поступить проще. Для этого следует один провод взять в руку, а другой присоединить к лампочке.
Стоит только помнить, что при большой мощности питания плазменный шар перестанет быть таким красивым и безопасным. То есть, он станет ещё красивее, но к нему уже не прикоснешься безнаказанно. При касании рукой дуга прожжёт стекло и поджарит руку, а лампочка либо взорвётся, либо просто наполнится воздухом и сгорит при первом же включении. Если же к ней поднести металлический предмет, то и при небольшой мощности питания лампочка будет испорчена.
Поэтому руку следует держать на расстоянии около 1–2 см от лампочки, стараясь не держать лампочку в руке дольше секунды. Хотя иногда и секунды бывает достаточно, чтобы прожечь стекло. В общем, думайте сами, решайте сами, держать или не держать!
Умножители напряжения
Умножителем напряжения называется выпрямитель, который при выпрямлении ещё и увеличивает напряжение в несколько раз. В самом простом случае он состоит из двух конденсаторов и диодов.
На вход умножителя подаётся переменное напряжение, а на выходе получается постоянное увеличенное. Можно подключать умножитель прямо к 220 В, но при этом он может выйти из строя, да и частота в сети маленькая. Лучше всего подключать умножители к строчнику. Но не советую использовать мощный строчник на 555 таймере или полумосте, т. к. умножитель может сгореть через несколько секунд работы. Чтобы этого не произошло, мощность, подаваемая на умножитель должна быть не больше 4 0 Вт.
На рисунке показано, как подключить к строчнику один из самых распространённых телевизионных умножителей УН 9-27. При этом при правильном подключении на выходе сразу же возникнут коронные разряды, которые можно услышать (характерное шипение), а при сближении электродов будет проскакивать искра ярко синего цвета длиной около 4–5 см.
ВНИМАНИЕ! НАПРЯЖЕНИЕ С УМНОЖИТЕЛЯ ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ! ВСЕГДА РАЗРЯЖАЙТЕ КОНДЕНСАТОРЫ УМНОЖИТЕЛЯ ПОСЛЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ!
Лестницы Иакова
Лестницей Иакова называются два электрода, расположенные как на рисунке. Она скорее всего, является самым красивым применением электрической дуги.
А работает она так: в нижней части электродов возникает дуга, воздух около неё нагревается и поднимается вверх, дуга тоже поднимается вверх и гаснет, затем процесс повторяется. Расстояние между электродами внизу должно соответствовать максимальному расстоянию возникновения дуги, а между электродами наверху — максимальному расстоянию удержания дуги. Сила тока должна быть не меньше 5 мА. Можно использовать преобразователь на строчнике для питания лестницы. Стоит лишь учесть, что строчник на одном транзисторе мало подходит для этой цели, лучше использовать строчник на 555 таймере.
ЛУТ-технология
Лазерно-Утюжная Технология (ЛУТ-технология) изготовления плат — это изготовление печатных плат в домашних условиях путём перевода отпечатанного на лазерном принтере рисунка на фольгированный стеклотекстолит.
Это наиболее простой способ довольно точно изготовить дома печатную плату самых различных размеров. Так как же можно изготовить плату при помощи лазерного принтера?
Для рисования печатных плат рекомендую программу Sprint-Layout. С её помощью можно нарисовать практически любую печатную плату! А когда она нарисована, можно приступать к делу.
1. Необходимо распечатать готовый рисунок с помощью лазерного принтера. При этом необходимо поставить как можно более жирную печать. Используйте только высококачественную бумагу типа "Снегурочка".
2. Отпилите кусок стеклотекстолита, по размерам полностью соответствующего размерам будущей печатки. Зачистить фольгу до зеркального блеска, не оставляя заусенцев по краям.
3. Приложив рисунок напечатанной стороной к фольге, прогладьте бумагу утюгом. Регулятор утюга необходимо установить в положение "Лён". Гладить круговыми движениями, не допуская загибов бумаги и её перемещений. При этом подошва утюга должна быть ровной, без заусенцев и царапин. Я использую утюг "Tefal". Малейший заусенец может поцарапать бумагу, испортив будущие дорожки.
4. Когда бумага уже заметно потемнеет и начнут проглядываться контуры дорожек, немедленно кидайте текстолит с прилипшей бумагой в воду (желательно холодную). Это необходимо для прилипания тонера к фольге.
5. Подержав плату в воде некоторое время (пара минут), осторожно отдерите бумагу. На фольге останутся чёрные "дорожки" с торчащими лохмотьями бумаги. Пальцами осторожно снимите остатки бумаги. Не повредите дорожки, ничего, если вы не уберёте всю бумагу. Удалите наплывы тонера, если они присутствуют.
6. Кидайте в раствор хлорного железа. Тонер защитит нужные места от травления. После завершения травления сотрите тонер при помощи ацетона. Теперь останется только просверлить отверстия и плата готова!
Всё, впаивайте детали!
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ
Расчет дополнительных погрешностей каналов ИИС АСУТИ
Кузнецов Б.Ф., Пинхусович Р.Л., Пудалов А.Д.
В настоящее время большинство технологических процессов в химической и нефтехимической промышленности оснащаются автоматическими системами управления (АСУТП), неотъемлемой частью которых являются информационно-измерительные системы (ИИС). Основной особенностью функционирования измерительных каналов ИИС при работе в составе АСУТП является то, что здесь реализуются динамический режим измерений.
Отклонение значений параметров технологических процессов от заданных может привести к значительным экономическим потерям, т. е. снижению эффективности функционирования АСУТП [1]. При этом одним из основных факторов определяющих эффективность работы систем автоматического управления является точность измерения значений параметров технологических процессов, на основе результатов которых вырабатывается управляющее воздействие. В данных условиях, преобладающими являются такие составляющие как динамическая и дополнительные погрешности измерительных преобразователей (ИП), и в совокупности могут составлять до 90 % от суммарной погрешности измерительного канала ИИС.
Появление дополнительных погрешностей обусловлено воздействием на ИП совокупности неконтролируемых факторов, например, температуры окружающей среды, влажности атмосферного воздуха, изменения параметров питающей сети и др..
Существующие в настоящее время методики расчета дополнительных погрешностей позволяют производить вычисления только для случая, когда измерения осуществляются в установившемся режиме, тогда внесение поправок на результат измерений не представляет трудности. Анализ дополнительной погрешности измерительного канала в динамическом режиме требует иного подхода, разработка которого и является целью данной работы.
Модель измеряемого сигнала на входе канала ИИС x(t) может быть представлена в виде суммы математического ожидания измеряемого параметра μx = M{x{t)}, стационарного центрированного случайного процесса гауссовского типа x0(t) и гармонической составляющей xh(t) [2–4]:
x(t) = μx + x0(t) + xh(t). (1)
Модель влияющих величин ε(t) также может быть описана выражением подобным выражению (1), т. е. [2–4]:
ε(t) = με + e0(t) + eh(t), (2)
где με — математическое ожидание влияющей величины; e0(t) — стационарный центрированный случайный процесс гауссовского типа; eh(t) — гармоническая составляющая.
При учете инерционности измерительного канала и канала влияния необходимо также иметь информацию о таких характеристиках сигналов как спектральная плотность мощности (СПМ) или соответствующая ей автокорреляционная функция (АКФ).
В общем случае выходной сигнал измерительного канала y(t) есть некоторый функционал от измерительного сигнала и влияющей величины (или величин) т. е. y(t) = Ψ{x(t),ε(t)}, но при нормировании дополнительной погрешности обычно сводят к одному из следующих видов:
— мультипликативная погрешность;
— аддитивная погрешность;
— аддитивно-мультипликативная погрешность (при нескольких влияющих величинах).
В зависимости от количества влияющих величин и их взаимной зависимости, а так же зависимости между ними и измеряемой величиной могут быть выделены следующие модели погрешности измерительного канала:
— скалярная модель с независимыми сигналами (одна влияющая величина ε{t), pxε = 0, xh(t) = 0, εh(t) = 0);
— скалярная модель с зависимыми сигналами (одна влияющая величина ε(t), pxε не = 0, xh(t) = 0, εh(t) = 0);
— скалярная модель с учетом гармонических составляющих (одна влияющая величина ε(t), pxε не = 0, xh(t) не = 0, εh(t) не = 0);
— векторная модель с независимыми составляющими (вектор влияющих величин [ε] = [ε1(t),ε2(t),ε3(t)….εn(t)], матрица корреляции вектора [ε] нулевая);
— векторная модель с зависимыми составляющими (вектор влияющих величин [ε] = [ε1(t),ε2(t),ε3(t)….εn(t)] матрица корреляции вектора [ε] ненулевая);
Рассмотрим основные случаи, при этом опустим громоздкие математические выкладки и промежуточные вычисления.
Суммарная погрешность измерительного преобразователя, при статистической независимости между составляющими, может быть определена по формуле [4]:
(3)
где Δосн — основная погрешность средства измерений; Δдин — динамическая погрешность; Δдоп — дополнительная погрешность; n — число влияющих величин.
Выражение (3) также может быть представлено в следующем виде:
(4)
где Ψ(εi) — функция влияния, или коэффициент влияния, когда она линейна, или функция совместного влияния нескольких влияющих величин Ψ(εi,εj); εi— i-тая влияющая величина; μ0i— значение влияющей величины принятое при градуировке ИП; i = 1,2…n; j = 1, 2…n, при i не = j.
Мгновенное значение дополнительной погрешности может быть определено из разности сигнала с выхода преобразователя и входного сигнала:
Δдоп(t) = (y(t) — x(t)) = ax(t)[ε(t) — μ0]. (5)
Так как в выражение (4) дополнительная погрешность входит в виде квадрата своего значения, то более удобно определять сразу ее квадрат, поэтому (5) запишем в виде:
Δ2доп(t) = a2x2(t))[ε(t) — μ0]2.
В технологических измерениях, как правило, интерес представляет не мгновенное, а среднее значение измеряемого параметра, а, следовательно, и расчет дополнительной погрешности необходимо проводить в «среднем» за период времени.
Выражение для расчета математического ожидания квадрата мультипликативной дополнительной погрешности без учета динамических характеристик каналов воздействия измеряемой и влияющих величин имеет вид [10]:
M{Δ2доп} = a2[μ2xμ2ε + σ2xσ2ε(1 + 2p2xε) + μ2xσ2ε + μ2εσ2x + 4μxμεσxσεpxε]. (6)
где pxε — коэффициент корреляции между измеряемой и влияющей величинами.
Здесь и в дальнейшем под обозначением με, будем понимать смещение математического ожидания влияющей величины относительно значения μ0, которое принято при градуировке измерительного преобразователя.
В том случае, когда в сигналах входной и влияющей величин присутствуют гармонические составляющие, определяемые соответственно как:
xh(t) = Cxsin(ωxt),
εh(t) = Cεsin(ωεt).
где Cx и Cε — амплитуды гармонических составляющих соответственно входного и влияющего воздействий; ωx и ωε — их частоты.
Выражение для расчета квадрата мультипликативной дополнительной погрешности с учетом гармонических составляющих коррелированных сигналов измеряемой и влияющей величин имеет вид [5]:
В том случае, когда гармонические составляющие случайных процессов xh(t) и εh(t) коррелированы, т. е. ωx = ωε, выражение (7) усложняется:
где ф — сдвиг фаз между гармоническими составляющими.
При воздействии на измерительный преобразователь n статистически независимых влияющих величин (рис. 1), не коррелированных с входным воздействием, выражение для расчета квадрата мультипликативной дополнительной погрешности имеет вид
где ai — коэффициент влияния i-той влияющей величины.
Рис. 1. Структура модели возникновения дополнительной погрешности при наличии множества влияющих воздействий.
При воздействии на ИП n статистически зависимых влияющих величин, которые коррелированы с входным воздействием, выражение (9) существенно усложняется и принимает вид:
Во всех предыдущих расчетах предполагалось, что тракты прохождения измеряемой и влияющей величин являются безинерционными, или, искажениями формы сигналов за счет инерционности можно пренебречь. В том случае, когда в каналах присутствует инерционность (рис. 2), расчет математического ожидания квадрата мультипликативной дополнительной погрешности осуществляется по иной схеме.
Рис. 2. Структура модели образования динамической и мультипликативной дополнительной погрешностей при учете динамических свойств каналов сигналов входного и влияющего воздействий
При наличии в измерительном канале инерционности в результат измерения помимо дополнительной погрешности вносится еще и динамическая погрешность. Существующие методы расчета позволяют вычислить отдельно каждую составляющую, а затем, произвести геометрическое суммирование. При этом, как правило, предполагается, что эти составляющие статистически независимы. В действительности, это допущение не совсем корректно, т. к. не учитывает наличие корреляционной связи между составляющими суммарной погрешности, возникающей при прохождении измерительного сигнала и сигнала влияющей величины через тракт ИП.
Суммарная погрешность ИП, будет определяться из соотношения:
Δ(t) = x(t) — y1(t) = x(t) — [a∙y(t)e(t) + y(t)].
Определим квадрат суммарной погрешности:
Δ2(t) = [x(t) — y(t) — ay(t)e(t)]2 = [x(t) — y(t)]2 + a2y2(t)e2(t) — 2ay(t)[x(t) — y(t)].
В выражении (11) присутствуют 3 составляющие. Первая определяет квадрат динамической погрешности Δ2дин; вторая — квадрат дополнительной погрешности Δ2доп; третья — член, обусловлен наличием корреляционной связи между дополнительной и динамической погрешностями.
Рассмотрим, в качестве примера, случай, когда случайный процесс на входе измерительного канала имеет спектральную плотность мощности вида:
Sx(ω) = 2σ2xα/π(α2 + ω2),
где α — параметр функции СПМ, а передаточная функция каналов воздействия сигналов ИП описываются инерционным звеном первого порядка:
W(jω) = 1/(1 + jωT))
где Т — постоянная времени.
Дисперсии измеряемой и влияющей величин соответственно равны [12]:
σ2y = σ2x/(1 + αT1),
σ2e = σ2ε/(1 + αT2),
Примем так же, как наиболее характерный случай, что корреляционная матрица входного воздействия и влияющей величины определена как:
где ах, аε и ахε, аεх, с = σxσεpxε — параметры соответственно корреляционных и взаимных корреляционных функций измеряемого и влияющего воздействий.
Математическое ожидание квадрата динамической погрешности равно:
M{Δ2дин} = σxВ1/(1 + B1)
где В1 = аxТ1.
Математическое ожидание квадрата мультипликативной дополнительной погрешности:
где В2 = аεТ2.
Математическое ожидание корреляционной составляющей суммарной погрешности определяется из следующего выражения:
(14)
где B3 = axεT1; B4 = axεT2.
Максимальное увеличение суммарной динамической и дополнительной погрешности, при учете корреляционной связи между этими погрешностями, в рассмотренном примере, не превышает 20 %. Такое увеличение суммарной погрешности является несущественным и, поэтому, во многих случаях, корреляционной составляющей можно пренебречь.
В том случае, если дополнительная погрешность является чисто аддитивной, то математическое ожидание ее квадрата определяется только статистическими параметрами влияющей величины:
M{Δ2доп} = b2[μ2ε + σ2ε]. (15)
где b — коэффициент влияния аддитивной дополнительной погрешности.
На рис. 3 представлена структура модели образования мультипликативно-аддитивной дополнительной погрешности.
Рис. 3. Структура модели образования мультипликативно-аддитивной дополнительной погрешности измерительного преобразователя
Дополнительная погрешность на выходе ИП равна:
Δдоп(t) = ax(t)ε(t) + bε(t).
Математическое ожидание квадрата мультипликативно-аддитивной дополнительной погрешности, при учете корреляции между измеряемой и влияющей величиной, равно:
Выражение (16) состоит из трех частей, образующих три слагаемых суммарной погрешности. Первая часть характеризует мультипликативную составляющую, которая совпадает с (6). Вторая часть — аддитивную, совпадающую с (15). Третья — характеризует статистическую зависимость между аддитивной и мультипликативной составляющими суммарной погрешности:
M{Δp} = 2ab[μxμ2ε + μxσ2ε + 2μεσxσεpxε]. (17)
Максимальное увеличение суммарной дополнительной погрешности, при учете корреляционной связи достигает 100 %. Такое увеличение суммарной погрешности за счет корреляционной составляющей является существенным и поэтому ее следует обязательно учитывать при расчетах аддитивно-мультипликативной дополнительной погрешности.
Рассмотренная в качестве примера структура измерительного канала, имеющая инерционные звенья, является лишь частным случаем более сложных динамических структур. Наличие в каналах измеряемой и влияющей величин сложных динамических структур не позволяет представлять результаты в аналитическом виде. В этих случаях следует использовать численное моделирование.
Литература
1. Миф Н.П. Оптимизация точности измерений в производстве. — М.: Издательство стандартов, 1991. - 136 с.
2. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. Нормативно-технические документы. ГОСТ 8.009-84, методический материал по применению ГОСТ 8.009-84, - М.: Изд-во стандартов, 1985.
3. Волгин В.В. Модели случайных процессов для вероятностных задач синтеза АСУ. Генеральная совокупность реализаций. Эргодичность. Единственная реализация. — М.: Издательство МЭИ, 1998. - 64 с.
4. Волгин В.В., Каримов PH. Оценка корреляционных функций в промышленных системах управления. — М.: Энергия, 1979. - 80 с.
5. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. — М.: Логос, 2000.
6. Пинхусович P.Л, Кузнецов Б.Ф., Пудалов А.Д. Метод расчета дополнительной погрешности измерительных преобразователей при коррелированных воздействиях. // Измерительная техника, 2002, № 9, с. 12–14.
7. Пинхусович P.Л, Кузнецов Б.Ф., Пудалов А.Д. Модель дополнительной погрешности измерительных преобразователей от множества влияющих воздействий. // Математические методы в технике и технологиях: Сборник трудов XV Международной научной конференции. В 10-и т. Том 7. Секция 7/ Под общ. Ред. B.C. Балакирева. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2002, с. 13–16.
8. Пинхусович P.Л, Кузнецов Б.Ф., Пудалов А.Д. Расчет дополнительной погрешности измерительных преобразователей с учетом динамики канала влияния. // Датчики и системы: Сборник докладов международной конференции. Том 3. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002, с. 173–177.
9. Кузнецов Б.Ф., Пинхусович P.Л. Методы расчета дополнительной погрешности измерительных преобразователей стохастических сигналов // Измерительная техника № 4, 2002 г.
10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1968.-720 с.
КОМПЬЮТЕР
Операции под MS Windows
Хорошо ли вы знаете Windows? Я думаю, что да. Знаете ли вы его на 100 %? Вряд ли. Потому что программисты из Microsoft очень постарались, пряча некоторые функции и возможности от пользователей. Речь здесь пойдет о программах: самых обычных стандартных программах операционной системы, которые при установке ставятся по умолчанию и присутствие которых никак не афишируется. Более того, разработчики, как нарочно, пытаются отпугнуть пользователей от работы с этими утилитами. Посудите сами: программы нигде не упоминаются (ну, может быть в справке), на них нет ярлыков в меню "Пуск", а при попытке зайти в каталог Windows, где они, собственно, и находятся, появляется страшная надпись о том, что сюда заходить не надо, дабы не испортить системных файлов. Это может отпугнуть новичков. А ведь там немало полезных программ[54].
СИСТЕМНЫЕ УТИЛИТЫ
• агр. ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP Arp Command
Команда Arp используется для просмотра, добавления или удаления записей в таблицах трансляции адресов IP в физические адреса. Эти записи используются при работе протокола Address Resolution Protocol (ARP)
Синтаксис:
arp -a [inet_addr] [-N [if_addr]]
arp -d inet_addr [if_addr]
arp -s inet_addr ether_addr [if_addr]
Параметры:
-a
Displays current ARP entries by querying TCP/IP. If inet_addr is specified, only the IP and physical addresses for the specified host are displayed.
-d
Deletes the entry specified by inet_addr.
-g
Same as -a
-s
Adds an entry in the ARP cache to associate the IP address inet_addr with the physical address ether_addr. The physical address is given as 6 hexadecimal bytes separated by hyphens. The IP address is specified using dotted decimal notation. The entry is static. It will not be automatically removed from the cache after the timeout expires and will not exist after a reboot of your computer.
-N [if_addr]
Displays the ARP entries for the network interface specified by if_addr.
ether_addr
Specifies a physical address.
if_addr
Specifies, if present, the IP address of the interface whose address translation table should be modified. If not present, the first applicable interface will be used. inet_addr
Specifies an IP address in dotted decimal notation.
• at.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Интерфейс командной строки службы расписаний — Schedule service command line interface
Команда At предназначена для запуска команд и программ в указанное время по определенным дням. Для использования команды АТ необходимо, чтобы была запущена служба расписаний. Возможна работа с удаленными компьютерами. Для запуска задач пользователь должен обладать необходимыми правами.
Синтаксис
АТ [\\имя_компьютера] [[код] [/DELETE] | /DELETE [/YES]]
AT [\\имя_компьютера] время [/INTERACTIVE] [/EVERY: день[….] | /NEXT: день[….]] "команда"
Параметры
\ \имя_компьютера
Имя удаленного компьютера. Если этот параметр опущен, используется локальный компьютер. код
Порядковый номер запланированной задачи.
/delete
Отмена запланированной задачи. Если код задачи опущен, отменяются все задачи, запланированные для указанного компьютера.
/yes
Отмена запроса на подтверждение при отмене всех запланированных задач. время
Время запуска команды.
/interactive
Разрешение взаимодействия задачи с пользователем, работающим на компьютере во время запуска задачи.
/every: день[….]
Запуск задачи осуществляется по указанным дням недели или месяца. Если дата опущена, используется текущий день месяца.
/next: день[….]
Задача будет запущена в следующий указанный день недели (например в следующий четверг). Если дата опущена, используется текущий день месяца, "команда"
Команда Windows NT или имя пакетного файла.
• atmadm.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Диспетчер вызовов ATM — ATM Call Manager Utility
Контроль подключений и адресов, зарегистрированных диспетчером вызовов ATM в сетях с асинхронным режимом передачи (ATM). Вызванная без параметров команда atmadm отображает статистику для контроля состояния активных АТМ-подключений.
Синтаксис
atmadm [/с][/a] [/s]
Описание параметров есть в справке Windows
• attrib.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Attribute Utility
Утилита командной строки позволяет просматривать, устанавливать или снимать атрибуты файла или каталога, такие как «Только чтение», «Архивный», «Системный» и «Скрытый». Выполненная без параметров команда attrib выводит атрибуты всех файлов в текущем каталоге.
Синтаксис
attrib [{+r|-r}] [{+а|—а}] [{+s|-s}] [{+h|-h}] [[диск: ][путь] имя_файла] [/s[/d]]
Описание параметров есть в справке Windows
• bootcfg.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Средство конфигурации загрузки — Boot Config Tool
Программа bootcfg позволяет из командной строки управлять загрузочным меню, редактируя, добавляя или удаляя записи в файле boot.ini. Функции программы аналогичны ручному редактированию файла, однако, позволяют автоматизировать процесс настройки меню загрузки, использовать команды в. bat файлах.
Описание параметров есть в справке Windows
• cacls.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Изменение таблиц управления доступом — Control ACLs Program
Программа служит для просмотра или изменения файлов избирательных таблиц управления доступом (DACL).
Описание программы есть в справке Windows
• calc.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Калькулятор для Windows — Windows Calculator
Калькулятор предназначен для выполнения тех же операций, что и обычный калькулятор: сложение, вычитание, а также функции инженерного калькулятора, например нахождение логарифмов и факториалов
Если в окно Калькулятора вставить из буфера обмена строку чисел, разделенных знаками простейших арифметических действий (+, -, *, /), оканчивающуюся знаком равенства, то калькулятор автоматически вычислит последовательно все действия, и на его "индикаторе" появится результат, который при необходимости можно легко перенести в любое работающее приложение Windows посредством того же буфера обмена. Это очень удобно, когда нужно быстро выполнить вычисления, особенно если их текст уже набран, например, в документе текстового редактора, в который нужно вставить результат вычислений. Пробелов в выражении можно не делать, хотя они обычно не мешают.
В конце обязательно поставьте знак равенства, иначе последнее действие окажется не выполненным и в этом случае придется нажать [Enter] либо щелкнуть на клавише со знаком равенства.
Результат вычислений, выполняемых по такой методике, зависит от того режима, в котором находится Калькулятор. В Обычном режиме строка символов воспринимается как простая последовательность нажатий соответствующих клавиш, не отдавая приоритета операциям умножения и деления.
В Инженерном виде вычисления производятся по всем правилам, можно даже использовать скобки и некоторые специальные последовательности символов-кодов, выполняющих служебные функции:
Последовательности клавиш для вызова функций
Приведенные ниже последовательности нажатий клавиш воспринимаются как функции при вводе данных в калькулятор. Например, откройте блокнот и введите следующий текст: 123:m
Скопируйте в блокноте 123:m и вставьте в окно калькулятора. Число 123 будет отображено и записано в память калькулятора.
Специальные коды
:q - Начало нового вычисления.
:с - Очистка памяти.
:е - Ввод десятичных чисел в экспоненциальной нотации.
:m - Запоминание числа в памяти.
:р - Добавление текущего числа к хранящемуся в памяти.
:r - Вызов числа, хранящегося в памяти.
• charmap.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Таблица символов — Character Мар
Таблица символов служит для просмотра символов, включенных в выбранный шрифт. Она отображает следующие наборы символов: Windows, DOS и Юникод.
Отдельный символ или группу символов можно скопировать в буфер обмена, а затем вставить в любое приложение, в котором они будут отображаться. Многие программы, например WordPad, позволяют копировать символы путем их перетаскивания из таблицы символов непосредственно в открытый документ. Более подробное описание программы есть в справке
• chcp.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Change CodePage Utility
Программа командной строки служит для просмотра номера текущей кодовой страницы или изменение текущей кодовой страницы консоли. Выполненная без параметров команда chcp выводит номер текущей кодовой страницы для окна командной строки.
Синтаксис
chcp [код]
Для русской кодовой страницы используется код 866
Описание программы есть в справке Windows
• chkdsk.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Check Disk Utility
Вывод на экран отчета о состоянии диска в форме, зависящей от используемой файловой системы. Команда chkdsk также составляет список ошибок на диске и исправляет их. Выполненная без параметров команда chkdsk выводит информацию о состоянии текущего диска. Описание программы есть в справке Windows
• chkntfs.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: NTFS Volume Maitenance Utility
Просмотр или задание планирования автоматической проверки системы для томов файловых систем FAT, FAT32 или NTFS при запуске компьютера. Описание программы есть в справке Windows
• cipher.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Программа шифрования файлов — File Encryption Utility
Отображение или изменение шифрование папок и файлов на томах NTFS. Использованная без параметров команда cipher отображает состояние шифрования текущей папки и всех файлов, находящихся в ней. Описание программы есть в справке Windows
• cleanmgr.ехе
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Программа очистки дискового пространства для Windows — Disk Space Cleanup Manager for Windows
Программа очистки диска используется для освобождения пространства на жестком диске с помощью удаления временных файлов Интернета, установленных компонентов и программ, которые больше не используются, и очистки корзины. Программу можно запустить через Пуск-Все программы-Стандартные-Служебные-Очистка диска или через Пуск-Выполнить-cleanmgr
• clipbrd.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Windows NT ClipBook Viewer
Программа папки обмена позволяет вырезать или копировать данные из других программ и хранить их на странице, которую можно сохранить под любым именем, использовать повторно и совместно с другими пользователями. Болееподробное описание программы есть в справке
• Сmd.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Windows Command Processor
В Windows XP имеется так называемая консоль — программа Cmd.exe, которая является командным интерпретатором. При простом запуске, без указания параметров командной строки, консоль отображает версию операционной системы, информацию о защите авторских прав разработчиков ОС и саму командную строку, в которой можно ввести как параметр командной строки самой программы Cmd.ехе, так и любую внешнюю команду, например, команду на запуск другого приложения или стандартную команду, типа mkdir, del и т. п.
Параметры командной строки
Синтаксис для командной строки:
CMD [/А | /U] [/Q] [/D] [/Е: ON | /Е: OFF] [/F: ON | /F: OFF] [/V: ON | /V: OFF] [[/S] [/С | /К] команда]
Можно использовать одновременно несколько команд, используя между ними специальный разделитель — символы &&, при этом все сочетание нескольких команд должно быть заключено в кавычки, например, "команда&&команда&& команда".
/? — вызов справки
/А — вывод результатов выполнения заданной команды в формате ANSI
/С — выполнение заданной команды с последующим закрытием окна консоли
/D — отключение выполнения команд AutoRun (которые первыми автоматически выполняются при вызове cmd.exe), заданных в специальных разделах реестра HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Microsoft\Command Processor\AutoRun и HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\Command Processor\AutoRun
/E: ON (/E: OFF) — разрешение (Запрет) расширений команд. В Windows ХР по умолчанию включена расширенная обработка всех команд cmd.exe, этот параметр служит для включения / выключения расширений конкретного процесса.
Расширенная обработка включает следующие команды: assoc, call, chdir (cd), color, del (erase), endlocal, for, ftype, goto, if, mkdir (md), popd, prompt, pushd, set, setlocal, shift, start (изменен также вызов внешних команд)
/F: ON (/F: OFF) — разрешение (Запрет) завершения имен файлов и папок (по умолчанию выключено) конкретного вызова cmd.exe. Довольно удобная функция, позволяющая не вводить полностью вручную в окне консоли пути к файлам или имена самих папок, а ввести только часть длинного пути и с помощью нажатия специальной комбинации клавиш дать операционной системе найти подходящие варианты и просто выбрать нужный. (Если необходимо включить или отключить завершение имен для всех вызовов cmd.exe, то смотри Автонабор команд). Параметры пользователя имеют приоритет над параметрами компьютера, значение параметра /F командного процессора имеет приоритет над параметрами реестра. Microsoft вносит некоторые разъяснения по поводу использования этой функции: "Если завершение включено с помощью ключа командной строки / F: ON, то используются два управляющих символа: Ctrl+D для имен папок и Ctrl+F для имен файлов. Чтобы отключить конкретный символ завершения в системном реестре, в качестве кода специального символа используется шестнадцатеричное значение символа пробела (0х20). Завершение вызывается при вводе одного из этих двух специальных символов. Функция завершения берет строку пути слева от точки ввода, дописывает к ней символ шаблона, если таковой отсутствует, а затем строит список путей, которые соответствуют полученному определению. После этого выводится первый элемент этого списка соответствующих путей. Если же список пуст, то подается звуковой сигнал, и ничего не выводится. После этого повторный ввод того же самого специального символа приводит к циклическому перебору всех соответствующих путей. Нажатие клавиши Shift при вводе управляющего символа позволяет просматривать список путей в обратном порядке. Если изменить выведенный путь, а затем снова ввести управляющий символ, сохраненный список очищается, и строится новый список путей. То же самое происходит, если переключиться с одного символа завершения на другой. Единственное отличие при использовании символа завершения файла состоит в том, что при этом для построения списка соответствия берется и путь, и имя файла, а при использовании символа завершения папки — только путь. Если символ завершения используется в одной из встроенных команд манипулирования папками (CD, MD или RD), то всегда подразумевается символ завершения папок. Символ завершения правильно работает и с именами файлов, содержащими пробелы или иные специальные символы, если при этом строка соответствия заключена в кавычки. Кроме того, если сместить точку ввода влево, а затем использовать символ завершения внутри строки, оставшийся справа от точки ввода текст будет отброшен. Специальные символы, которые требуют обязательного заключения в кавычки: <пробел>&()[]{}А=;!'+, Все понятно?
/К — выполнение заданной команды без последующего завершения (окно консоли не закроется)
/Q — отключение вывода команд на экран (ECHO OFF).
/R — аналогичен параметру /С
/S — изменение поведения команды после /С или /К
/Т: цвет — задание цвета текста и фона окна консоли. Параметр цвет имеет значение в виде двух шестнадцатеричных чисел: первое определяет цвет фона окна, а второе — текста в окне. То есть результатом выполнения команды "CMD /Т:7С" будут светло-красные буквы на белом фоне.
/U — вывод результатов выполнения команды в формате Unicode
/V: ON (/V: OFF) — разрешение (Запрет) отложенного расширения переменных среды (для конкретного вызова cmd.exe) с применением восклицательного знака"!" в качестве разделителя. Например, /V: ON разрешает использовать!var! в качестве расширения переменной var во время выполнения. Синтаксис var служит для расширения переменных при вводе, что приводит совсем к другим результатам внутри цикла FOR. При включенном отложенном расширении переменных среды символ"!" (восклицательный знак) может использоваться для замены текущего значения переменной среды во время выполнения; /X — означает то же, что и ключ /Е: ON, из соображений совместимости; /Y то же, что и /Е: OFF. И еще несколько замечаний. Если указаны ключи /С или /К, то остальная часть командной строки после такого ключа обрабатывается как командная строка, а обработка символов кавычек (") ведется таким образом. Символы кавычек в командной строке сохраняются, если выполняются все перечисленные ниже условия: ключ /S отсутствует; есть ровно два символа кавычек; между ними нет других специальных символов, как то: &<>()0^|; между ними имеются один или несколько пробелов; строка, заключенная в кавычки, является именем исполняемого файла. В противном случае проверяется первый символ, и если он является символом кавычек, то он удаляется, также удаляется последний символ кавычек в командной строке, а весь текст после этого последнего символа кавычек сохраняется.
Таблица для задания цвета текста и фона окна консоли
0 — черный 1 — синий 2 — зеленый 3 — голубой 4 — красный 5 — лиловый 6 — желтый 7 — белый 8 — серый 9 — светло-синий А — светло-зеленый В — светло-голубой С — светло-красный D — светло-лиловый Е — светло-желтый F — ярко-белый
Кстати, цвет и другие настройки можно изменять и другим способом. Щелкните правой кнопкой мыши по строке заголовка окна и выберите пункт Свойства. Откроется окно с четырьмя вкладками, на которых будут доступны опции изменения настроек программы. Если вам не нравится стандартный черный экран командной строки, то на вкладке Color вам предлагается выбрать цвет экрана и текста либо из 16 стандартных цветов, для которых имеется соответствующие образцы, либо задав числовое значение цвета в формате RGB. На вкладке Layout настраивается размер окна и экранного буфера. Если в ранних ОС MS-DOS и Windows размер экрана оставался неизменным 25 строк в высоту и 80 символов в длину, и для вывода большего количества строк приходилось добавлять команду Imore, то в системах NT и более поздних можно просто задать достаточно большой размер буфера экрана и пользоваться полосой прокрутки, что гораздо удобнее. Текст в окне командной строки Для копирования и вставки текста в окно командной строки обычные для Windows комбинации клавиш, такие как Ctrl+C, Ctrl+V, работать не будут. Для извлечения текста из буфера обмена вам придется вызвать меню, щелкнув правой кнопкой мыши по заголовку окна, и выбрать подменю Edit. Или же просто щелкните правой кнопкой по окну. Для копирования текста из окна выберите пункт Mark и мышью выделите нужный текст. Затем либо нажмите Enter, либо в том же меню выберите Сору. Если надо вставить какой-то текст в окно командной строки, обратитесь к команде Paste. Для повторного выполнения команды воспользуйтесь стрелками «вверх» и «вниз», позволяющими перемещаться по списку выполненных команд. Для очистки экрана от текста служит директива els.
Команды
TITLE — для изменения заголовка строки
TITLE [строка], где строка — это будущий заголовок окна командной строки (записывается без кавычек). После задания заголовка окна он может быть изменен только повторным вызовом команды TITLE. Использование данной команды может быть полезно в командных файлах. Так, выполнение примера, который приведен ниже, будет сопровождаться появлением соответствующей надписи в заголовке окна:
@ЕСНО OFF
TITLE Копируются файлы…
COPY \\Server\Share\*.doc С: \User\Common\*.doc
ECHO Копирование закончено.
TITLE Процесс завершен
Команда АТ — С помощью этой команды можно запускать команды и программы в определенное время.
АТ [\\имя компьютера] [[id] [/DELETE] | /DELETE [/YES]]
АТ [\\имя компьютера] time [/INTERACTIVE] [/EVERY: дата[….] | /NEXT: дата [….]] "команда"
\\имя компьютера указывает на удаленный компьютер, на котором могут быть запущены планируемые задачи. Если этот параметр не указан, то по умолчанию предполагается тот компьютер, на котором запускается команда АТ; id идентификатор, назначенный указанной команде;
/delete отменяет намеченную команду. Если id опущен, все назначенные команды на компьютере отменены;
/yes этот параметр в случае использования с предыдущим параметром (/delete) автоматически включает подтверждение для всех запросов;
time время выполнения команды (в 24-часовом формате часы: минуты); /interactive позволяет команде АТ обмениваться с подключенными на данный момент в системе пользователями;
/every: дата[….] выполняет команду в каждый указанный день (дни) недели или месяц. Если дата опущена, подразумевается текущий день месяца;
/next: дата[…] выполняет указанную команду при следующем наступлении указанной даты (например, в следующий четверг). Если дата не указанна, по умолчанию принимается текущий день месяца;
"команда" указывается команда Windows NT или пакетная программа, которая будет выполнена. Имя файла должно указываться полностью. При этом, если выполняется какая-либо из внутренних команд, например, COPY или DIR, а не исполняемый файл, то необходим запуск командного интерпретатора с ключом / С, например: АТ 10:00 "CMD /С DIR > C: \test.out.
Команда For — Ее возможности обширны, но мы ограничимся демонстрацией лишь одной из них — Копирование по сети на все машины сразу. Допустим, что требуется скопировать файл на двадцать машин. Делается это очень быстро.
Сначала в файл list.txt записываем список всех имеющихся в сети машин. В консоли пишем:
net view > c: \list.txt
Затем, чтобы выполнить, например, копирование файла patch.exe на каждую машину из списка, даем команду:
FOR /F "tokens=1" %i in (c: \list.txt) do copy d: \temp\patch.exe "%i\C$\program files\ICQ"
Переменная %i будет автоматически принимать значение NetBIOS-имени машины из новой строки файла list.txt и на эту машину будет производиться копирование
• cmstp.ехе
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Microsoft Connection Manager Profile Installer
Установка или удаление профиля службы диспетчера подключений. Выполненная без параметров команда cmstp устанавливает профиль службы со стандартными параметрами, соответствующими данной операционной системе и разрешениям пользователя. Описание программы есть в Справке Windows
• comp.ехе
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: File Compare Utility
Побайтное сравнение двух или нескольких файлов. Команда comp позволяет сравнивать файлы, находящиеся на разных дисках и в разных каталогах. При сравнении файлов с помощью команды comp выводятся их имена и расположения. Выполненная без параметров команда comp запрашивает файлы для сравнения.
Описание программы есть в Справке Windows
Синтаксис comp
[файл1] [файл2] [/d] [/а] [/1] [/n=кол_строк] [/с]
Примеры
Чтобы сравнить содержимое каталога С: \Reports с содержимым каталога резервных копий \\Sales\Backup\April, введите следующую команду:
comp c: \reports \\sales\backup\april
Чтобы сравнить первые десять строк файлов в каталоге \Invoice и вывести результат в десятичном формате, введите следующую команду:
comp \invoice\*.txt \invoice\backup\*.txt /n=10 /d
• compact.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Программа сжатия файлов — File Compress Utility
Вывод сведений или изменение уплотнения файлов и каталогов в разделах NTFS. Запущенная без параметров команда compact выводит сведения об уплотнении файлов в текущем каталоге. Описание программы есть в Справке Windows
Синтаксис
compact [{/с|/и}] [/s[: каталог]] [/a] [/i] [/f] [/q] [имя_файла[…]]
• control.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Панель управления Windows — Windows Control Panel
Данная команда служит для запуска апплетов Панели управления
• convert.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: File System Conversion Utility
Утилита командной строки служит для преобразования томов с файловой системой FAT и FAT32 в тома с файловой системой NTFS.
Синтаксис
convert [том] /fs: ntfs [/v] [/cvtarea: имя_файла] [/nosecurity] [/х]
Описание параметров есть в справке Windows
• cscript.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Microsoft (r) Console Based Script Host
Сервер сценариев cscript.exe является консольным вариантом, предназначенный для взаимодействия с пользователем через командную строку (в отличии от GUI-приложения wscript.exe).
Синтаксис
cscript [имя_сценария] [параметры_сервера] [аргументы_сценария]
Описание параметров есть в справке Windows
• defrag.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Disk Defragmenter Module
Поиск и объединение фрагментированных файлов загрузки, файлов данных и папок на локальных томах.
Синтаксис
defrag том
defrag том [/а]
defrag том [/a] [/v]
defrag том [/v]
defrag том [/f]
Описание параметров есть в справке Windows
• diskpart.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Diskpart Application
Программа DiskPart.exe — это работающий в текстовом режиме командный интерпретатор, который позволяет управлять объектами (дисками, разделами или томами) с помощью сценариев или команд, вводимых с командной строки.
Синтаксис
diskpart [/add | /delete] [имя_устройства | имя_диска | имя_раздела] [размер]
Описание программы есть в справке Windows
• driverquery.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Опрос драйверов — Driver Query
Утилита командной строки для вывода списка всех установленных драйверов устройств и их свойств
Синтаксис
driverquery [/s компьютер] [/и домен\пользователь /р пароль] [/fo {TABLE|LIST|CSV}] [/nh] [/v] [/si]
Описание параметров есть в справке Windows
• drwtsn32.exe (Доктор Ватсон в Windows)
Местонахождение: Windows\system32
Описание: DrWatson Postmortem Debugger
Программа Доктор Ватсон (Drwtsn32.exe) устанавливается в системную папку при установке Windows. Параметры, используемые по умолчанию, задаются при первом запуске программы «Доктор Ватсон», который выполняется при возникновении программной ошибки или по команде пользователя.
При возникновении программной ошибки в Windows система выполняет поиск обработчика программных ошибок. Он обрабатывает ошибки по мере их возникновения во время выполнения программы. Если найти обработчик не удается, система проверяет, чтобы приложение не находилось в режиме отладки, после чего рассматривает ошибку как не подлежащую обработке. Далее система ищет отладчик программных ошибок в системном реестре и обрабатывает такие ошибки.
Более подробное описание программы ищите в справке Windows
• explorer.exe
Местонахождение: Windows
Описание: Проводник — Windows Explorer
Одна из основных программ Windows для навигации по папкам и дискам
Ключи командной строки Проводника
/е — Вид Проводника по умолчанию (двухпанельное), иначе выводится как однопанельное (как Папка).
/е, object — Открывается Проводник с видом по умолчанию и с фокусом на заданной папке (Explorer /е, С: \Windows)
/n — Открытие однопанельного нового окна на диске, на котором установлена система (С: \). Иначе информация выводится в существующем окне Проводника, если оно открыто.
/root, object — Указывает на то, что корнем будет object — это дисковод (сетевой или локальный) или папка. Иначе корнем считается Рабочий стол. (Explorer /root, C: \Windows\Cursors)
/select, object — Указывает на необходимость открытия Родительской папки объекта object и выделит object (Explorer /select, C: \Windows\Cursors\banana.ani).
• fс.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: DOS 5 File Compare Utility
Утилита командной строки для сравнения двух файлов и вывода различий между ними
Синтаксис
fc [/а] [/Ь] [/с] [/l] [/lbn] [/n] [/t] [/u] [/w] [/ nnnn]
[диск1:][путь1]имяфайла1 [диск2:][путь2]имяфайла2
Описание параметров есть в справке Windows
• find.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Find String (grep) Utility
Поиск заданной строки текста в файле или нескольких файлах. После поиска в заданных файлах команда find выведет на экран все строки из этих файлов, содержащие заданный образец.
Синтаксис
find [/v] [/с] [/n] [/i] "строка" [[диск: ][путь]ИмяФайла[…]]
• fsutil.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: fsutil.ехе
Fsutil является служебной программой командной строки, которая используется для выполнения связанных задач файловых систем FAT и NTFS, таких как управление точками повторной обработки, управление разреженными файлами, отключение тома или расширение тома. Поскольку программа fsutil является весьма мощной, ее должны применять только опытные пользователи, имеющие опыт работы с Microsoft Windows ХР. Для использования программы fsutil необходимо войти в систему с помощью учетной записи администратор или члена группы администраторов.
Описание программы и ее подкоманд есть в справке Windows.
Для отображения справки о подкомандах утилиты используйте команду fsutil подкоманда help
Применение.
С помощью утилиты командной строки fsutil можно создать файл с заданным размером. Например, вам надо создать файл sample.txt размером 1 кб, не заботясь о его содержании. Делаем так:
fsutil file createnew FileName Size
где FileName — имя файла (sample.txt, или c: \folder\sample.txt), a Size — размер файла в байтах.
• ftp.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: File Transfer Program
Позволяет передавать файлы с компьютера и на компьютер с помощью программ, поддерживающих протокол FTP (File Transfer Protocol)
Синтаксис
ftp [-v] [-d] [-i] [-n] [-g] [-s: имя_файла] [-a] [-w: paзмep] [-A] [Ведомый компьютер]
Описание параметров есть в справке Windows
• hostname.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Hostname АРР
Утилита командной строки hostname выводит имя системы, на котором была запущена эта команда Синтаксис hostname
У данной команды нет параметров
• iexpress.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Wizzard
В Windows XP есть простейший инстяллятор файлов IExpress. Удобный диалог, упаковывает файлы в ехе-файлы, один минус: не руссифицирован. Причем, например, 2 десятка картинок сжимаются даже лучше чем в WinRAR 3.0
• ipconfig.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: IP Configuration Utility
Утилита командной строки ipconfig служит для отображения всех текущих параметров сети TCP/IP и обновления параметров DHCP и DNS. При вызове команды ipconfig без параметров выводится только IP-адрес, маска подсети и основной шлюз для каждого сетевого адаптера
Синтаксис
ipconfig [/all] [/renew [адаптер]] [/release [адаптер]] [/flushdns] [/displaydns] [/registerdns] [/showclassid адаптер] [/setclassid адаптер [код_класса]]
Например, для очистки кэша разрешений DNS используется команда ipconfig /flushdns
Описание параметров есть в справке Windows
• logonui.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Интерфейс входа в Windows — Windows Logon UI
Программа, запускающая при входе в Windows. Именно в этом файле содержится внешний вид экрана приветствия. Существует ряд программ, позволяющих модифицировать внешний вид экрана приветствия путем изменения данного файла. Если вам хочется просто изменить внешний вид экрана приветствия без модификации файла, то можете воспользоваться более безопасным способом настройки экрана через реестр. (Смотри параметр UIHost в Справочнике по реестру).
• lpq.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP Lpq Command
Служит для отображения состояния очереди печати на компьютере, использующем программное обеспечение сервера печати Line Printer Daemon (LPD). При вызове команды lpq без параметров в командной строке отображается справка по этой команде
Синтаксис
lpq -S имя_сервера -Р имя_принтера [-1]
Описание параметров есть в справке Windows
• makecab.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Microsoft® Cabinet Maker
Утилита командной строки makecab.exe служит для создания саЬ-файлов
Для получения списка параметров используйте ключ makecab /?
• migwiz.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32\usmt
Описание: Мастер переноса файлов и параметров — Files and Settings Transfer Wizard
Очень удобная утилита для переноса файлов и параметров различных программ с одного компьютера на другой. Например, вы легко перенесете все настройки и письма из Outlook Express. Программу можно запустить через Пуск-Все программы-Стандартные-Служебные-Мастер переноса файлов и параметров или через Пуск-Выполнить-migwiz
• mmc.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Консоль управления (MMC) — Microsoft Management Console
Консоль MMC (Microsoft Management Console) группирует средства администрирования, которые используются для администрирования компьютеров, служб, других системных компонентов и сетей. Впервые она появилась в Windows 2000. Чтобы запустить ее, проделайте следующее:
Пуск->Выполнить->mmc. Перед вами откроется окно.
Дальше необходимо добавить групповую политику "Локальный компьютер", где и будут проводиться все настройки. Для этого выберите пункт меню Консоль->Добавить или удалить оснастку…, в появившемся окне нажмите кнопку "Добавить", и из появившегося диалога "Добавить изолированную оснастку" выберите "Групповая политика". Нажмите последовательно кнопки "Готово", "Закрыть", "ОК".
Давайте попробуем убрать пункт "Выполнить" из меню "Пуск" с помощью этого инструмента. В левой части окна консоли перед вами древовидная структура настраиваемых параметров операционной системы. Откройте пункт меню Конфигурация пользователя->Административные шаблоны->Панель задач и меню "Пуск". В расширенном варианте отображения данных вы сможете почитать описание настраиваемого пункта. Если вы знаете что именно вам надо настроить, то лучше переключиться в стандартный режим, чтобы не занимать лишнее место на экране монитора ненужной вам информацией. Итак, найдите строку Удалить команду "Выполнить" из меню "Пуск".
Дважды кликните по ней левой кнопкой мыши, отметьте пункт "Включен" и нажмите "ОК". Теперь если вы выберите Пуск->Выполнить, то увидите сообщение, что операция отменена вследствие действующих для компьютера ограничений.
После перезагрузки этот пункт вообще пропадет из меню "Пуск". Аналогичным образом можно настроить и другие параметры меню "Пуск" и не только. Значения "Включен" и "Отключен" показывают действует или нет данная политика, а значение "Не задан" возвращает настройку политики в значение по умолчанию, заложенное в операционной системе. Вы наверняка уже обратили внимание на большое количество параметров, которые можно настроить с помощью оснастки ММС. Действительно, здесь можно настроить очень многие параметры операционной системы без использования дополнительных инструментальных средств. Описывать их все нет смысла, так что если вас заинтересовал этот способ твикинга, ознакомьтесь с ними самостоятельно, тем более описание настраиваемых параметров дает более чем исчерпывающую информацию. Ну, а для начального знакомства с оснасткой ММС приведенных сведений должно хватить.
• mplayer2.ехе
Местонахождение: Program Files\Windows Media Player
Описание: Проигрыватель Windows Media — Windows Media Player
Оказывается вместе с навороченной версией Универсального проигрывателя Windows Media (wmplayer.exe) существует и более простая старая версия 6.4. Причем, данный проигрыватель менее требователен к ресурсам памяти и отлично справляется с проигрыванием звука и видео.
• msconfig.ехе
Местонахождение: WINDOWS\PCHealth\HelpCtr\Binaries
Описание: Настройка системы (System Configuration Utility)
После загрузки появляется окно с шестью вкладками:
— Общие
— System.ini
— Win.ini
— BOOT.INI
— Службы
— Автозагрузка — здесь перечислены все программы, которые запускаются при загрузке системы.
Очень удобно то, что все собрано в одном месте. Не надо лазить по реестру и файлам, чтобы посмотреть, что загружается на компьютере. Можно отключить загрузку любой программы или выполнение строки одного из перечисленных файлов, не правя ничего вручную. При этом комментарии будут расставлены автоматически, а программы, запускаемые из реестра, например, из раздела "Run", будут перенесены в раздел "Run-" (в конце соответствующего раздела добавляется символ "-").
Более подробное описание программы есть в справке самой программы Изменения в программе 11 октября 2005 года вышло обновление 906569, которое добавляет новую вкладку Сервис (Tools) к этой программе. С помощью этой вкладки вы можете запускать различные утилиты. Вы можете самостоятельно настроить список программ на этой вкладке Tools, а также модифицировать имеющиеся записи. Для этого вам нужно отредактировать файл Mscfgtlc.xml. Данный файл должен находиться в той же папке, что и Msconfig.exe. Так как этот файл является системным, то вам необходимо иметь привилегии администратора для изменения файла.
Вот пример формата файла Mscfgtlc.xml:
<?xml version="2.0"?>
<MSCONFIGTOOLS>
<a NAME="Remote Assistance" PATH="%windir%\\system32\\rcimlby.exe" DEFAULT_OPT="-LaunchRA" ADV_OPT=""
HELP="Receive help from (or offer help to) a friend over the Internet"/>
<b NAME="Koнфигурация IP-протокола" PATH="%windir%\system32\cmd.exe" DEFAULT_OPT="/k %windir%\system32\ipconfig.exe" ADV_OPT="/k %windir%\system32\ipconfig.exe /all"
HELP="IPCONFIG — это команда, использующаяся для управления сетевыми подключения компьютеров, работающих под управлением Windows."/> </MSCONFIGTOOLS>
In this example, entry "a" shows an entry that contains no advanced functionality. No advanced functionality is available because of the null argument for the ADV_OPT element. Entry "b" contains an entry that has advanced functionality. In entry "b," the whole command is repeated together with the addition of a switch. Additionally, the tool is started in a Command Prompt window.
You do not have to provide a tool description in the Mscfgtlc.xml file. However, if you use incorrect path, syntax or option information, you receive an error message. Additionally, if you use incorrect path, syntax or option information, the tools that you want to display are not visible on the Tools tab in this situation.
Обновленная версия программы доступна на Microsoft Download Center: http://www.microsoft.com/downloads/details.aspx?FamilyId=9689F6E9-ADED-44B8-BBBB-BEAE1B4A4BC9)
Обновление доступно только для Windows ХР SP2
Данное обновление планируется включить в Windows ХР Service Pack 3 (SP3).
• msinfo32.exe (Сведения о системе)
Местонахождение: C: \Program Files\Common Files\Microsoft Shared\MSInfo
Описание: System Information
Программа Сведения о системе собирает и отображает данные о конфигурации системы как для локальных, так и для удаленных компьютеров. Сюда входит информация о конфигурации оборудования, компонентах компьютера, а также программном обеспечении, в том числе о подписанных и неподписанных драйверах. При устранении неполадок, связанных с конфигурацией системы, сотрудникам службы технической поддержки необходимы определенные данные о компьютере. Программа «Сведения о системе» позволяет быстро собрать необходимые данные.
Для хранения данных о системе предназначены файлы с расширением. nfo. Кроме того, программа «Сведения о системе» работает с файлами форматов. cab и. xml. Содержимое открытого файла. cab можно просматривать средствами меню Сервис.
Синтаксис
msinfo32 [/?] [/pch] [/nfo имя_файла] [/report имя_файла] [/computer имя_компьютера] [/showcategories] [/category код_категории] [/categories код_категории]
Описание программы есть в справке Windows
• msoobe.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32\oobe
Описание: Microsoft Out of Box Experience
Программа активации Windows. Если ваша Windows еще не активирована, то запустите ее через Пуск-Выполнить oobe/msoobe /а
Далее следуйте дальнейшим указаниям
• mspaint.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Paint
Оказывается, в Microsoft Paint можно быстро увеличить картинку аж в 10 раз. Для этого активизируйте инструмент Лупа. В нижней части поля, где фиксируется степень увеличения, находится тонкая белая линия. Аккуратно щелкните по ней. Как себя чувствует ваша картинка?
Если при работе в Paint, во время рисования линии удерживать нажатой клавишу Shift, то будет рисоваться прямая линия. Если проводить линию под углом, то при этом угол будет составлять 45 градусов.
А если удерживать нажатой клавишу Shift при рисовании фигур, то будет рисоваться квадраты и круги, вместо прямоугольников и эллипсов.
• net.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Net Command
В утилите net.ехе реализовано множество команд для управления различными сетевыми компонентами, такими, как разделы, сессии, службы и учетные записи пользователей. Например, с помощью команды net User можно получить информацию о группах, к которым принадлежит пользователь. Пожалуй, это наиболее часто используемая утилита из арсенала любого системного администратора. Описание синтаксиса команды может занять больше десятка страниц.
Например, для отключения учетной записи можно использовать команду net user имя_пользователя /active: no
Для более подробной информации наберите в командной строке:
net /?
• netsh.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Оболочка сетевых команд — Network Command Shell
Netsh представляет собой поддерживающую сценарий программу с командной строкой, позволяющую локально или удаленно отображать и изменять параметры сети текущего компьютера. Netsh также обеспечивает средства написания сценариев, которые позволяют запускать группу команд в пакетном режиме на определенном компьютере. Программа Netsh может также сохранять сценарии конфигурации в текстовом файле для помещения в архив или для настройки других серверов.
Описание параметров есть в справке Windows. После выхода Пакета обновлений 2 (SP2) в программу были добавлены новые параметры для брандмауэра Windows
* netsh firewall
* netsh firewall show allowedprogram
* netsh firewall show config
* netsh firewall show currentprofile
* netsh firewall show icmpsetting
* netsh firewall show logging
* netsh firewall show multicastbroadcastresponse
* netsh firewall show notifications
* netsh firewall show opmode
* netsh firewall show portopening
* netsh firewall show service
* netsh firewall show state
Чтобы узнать конкретно о параметре команд, введите этот параметр, затем пробел и знак вопроса. Например, netsh firewall show?
• netstat.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP Netstat Command
Отображение активных подключений TCP, портов, прослушиваемых компьютером, статистики Ethernet, таблицы маршрутизации IP, статистики IPv4 (для протоколов IP, ICMP, TCP и UDP) и IPv6 (для протоколов IPv6, ICMPv6, TCP через IPv6 и UDP через IPv6). Запущенная без параметров, команда nbtstat отображает подключения TCP.
Синтаксис
netstat [-а] [-е] [-n [-о] [-р протокол] [-г] [-s] [интервал]
Описание программы есть в справке Windows
Чтобы вывести все активные подключения, отсортированные по возрастанию номера порта, необходимо набрать:
netstat -n
Чтобы получить список ожидающих портов, введите следующую команду и нажмите клавишу ВВОД:
netstat -аnо > netstat.txt
notepad.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Блокнот — Notepad
Простейший текстовый редактор, известный как Блокнот. Используется для создания и просмотра простых текстовых документов. Многие веб-дизайнеры используют Блокнот в качестве инструмента для создания интернет-страничек, не доверяя более навороченным программам! В каждой новой версии Windows приобретал новые возможности. В Windows ХР текстовый редактор уже научился понимать некоторые кодировки. В Windows традиционно используется в качестве просмотра HTML-кода, lод-файлов и т. п.
• nslookup.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: nslookup APP
Предоставляет сведения, предназначенные для диагностики инфраструктуры DNS. Для использования этого средства необходимо быть знакомым с принципами работы системы DNS. Средство командной строки Nslookup доступно, только если установлен протокол TCP/IP
Синтаксис
nslookup [-подкоманда…] [{искомый_компьютер| [-сервер]}]
Описание параметров есть в справке Windows
• ntbackup.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Архивация данных Windows — Windows Backup Utility
Программа архивации позволяет защитить данные от случайной утери в случае, если в системе возникнет сбой оборудования или носителя. Например, с помощью программы архивации можно создать резервную копию данных на жестком диске, а затем создать архив на другом устройстве хранения данных. При случайном удалении или замене исходных данных на жестком диске из-за его сбоя данные могут быть легко восстановлены из архивной копии. Программа архивации создает снимок состояния тома, представляющий собой точную копию содержимого жесткого диска на определенный момент времени. В справке Windows есть подробное описание работы программы
• ntoskrnl.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Системный модуль ядра NT — NT Kernel & System
Данный файл интересен прежде всего тем, что содержит в себе загрузочную картинку (boot screen). Существуют программы, которые изменяют содержимое данного файла. Используется любителями украшений Windows под свой вкус.
• openfiles.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Открыто файлов — Open Files
Утилита командной строки, которая запрашивает или отображает открытые файлы. Также запрашивает, отображает или разъединяет файлы, открытые сетевыми пользователями.
Синтаксис
openfiles.exe /query [/s компьютер [/и домен\пользователь [/р пароль]]] [/fo {TABLE|LIST|CSV}] [/nh] [/v]
Описание параметров есть в справке Windows
• pathping.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP PathPing Command
Утилита командной строки pathping.exe в течение некоторого периода времени отправляет многочисленные сообщения с эхо-запросом каждому маршрутизатору, находящемуся между исходным пунктом и пунктом назначения, а затем на основании пакетов, полученных от каждого из них, вычисляет результаты. Поскольку pathping показывает коэффициент потери пакетов для каждого маршрутизатора или связи, можно определить маршрутизаторы или субсети, имеющие проблемы с сетью. Команда Pathping выполняет эквивалентное команде tracert действие, идентифицируя маршрутизаторы, находящиеся на пути. Затем она периодически в течение заданного времени обменивается пакетами со всеми маршрутизаторами и на основании числа пакетов, полученных от каждого из них, обрабатывает статистику. Запущенная без параметров, команда pathping выводит справку.
Описание программы и ее подкоманд есть в справке Windows.
Для отображения справки о подкомандах утилиты используйте команду pathping без параметров в командной строке pathping
Синтаксис
pathping [-n] [-h максимальное_число_переходов] [-g список_узлов] [-р период] [-q число_запросов [-w интервал] [-Т] [-R] [имя_конечного_компьютера]
Параметры
-n
Предотвращает попытки команды pathping сопоставить IР-адреса промежуточных маршутизаторов с их именами. Это позволяет ускорить вывод результатов команды pathping.
-h максимальное_число_переходов
Задает максимальное количество переходов на пути при поиске конечного пункта назначения. Значение по умолчанию равно 30.
-g список_узлов
Указывает для сообщений с эхо-запросом использование параметра свободной маршрутизации в IP-заголовке с набором промежуточных мест назначения, указанным в списке_компьютеров. При свободной маршрутизации последовательные промежуточные места назначения могут быть разделены одним или несколькими маршрутизаторами. Максимальное число адресов или имен в списке равно 9. Список_адресов представляет собой набор IP-адресов (в точечно-десятичной нотации), разделенных пробелами.
-р период
Задает время ожидания между последовательными проверками связи (в миллисекундах). Значение по умолчанию равно 250 миллисекунд.
-q число_запросов
Задает количество сообщений с эхо-запросом, отправленных каждому маршрутизатору пути. По умолчанию — 100.
-w интервал
Задает время ожидания каждого отклика (в миллисекундах). Значение по умолчанию равно 3000 миллисекунд.
-Т
Присоединяет тег приоритета уровня 2 (например 802.1р) к сообщениям с эхо-запросом, отправляемым каждому сетевому устройству на маршруте. Это помогает обнаружить сетевые устройства, для которых не настроен приоритет уровня 2. Он предназначен для проверки соединений, использующих спецификации QoS.
-R
Проверяет, все ли сетевые устройства вдоль маршрута поддерживают протокол RSVP (Resource Reservation Setup Protocol, протокол настройки резервирования ресурсов), который позволяет главному компьютеру резервировать определенную часть пропускной способности для потока данных. Этот параметр предназначен для проверки соединений, использующих спецификации QoS. имя_конечного_компьютера
Задает пункт назначения, идентифицированный IP-адресом или именем узла.
/?
Отображает справку в командной строке.
Примечания
Параметры команды Pathping вводятся с учетом регистра.
Во избежание перегрузки сети пакеты должны передаваться через довольно большие интервалы времени.
Чтобы минимизировать эффект потери пакетов, не нужно слишком часто выполнять проверку связи.
После запуска pathping сначала выводится путь. Это тот же путь, который выводится командой tracert. Далее в течение 90 секунд команда выдает сообщение о том, что она занята (это время варьируется в зависимости от числа переходов). В течение этого времени происходит сбор сведений со всех маршрутизаторов, перечисленных выше, и со всех соединений между ними. По завершении этого периода выводятся результаты проверки.
• ping.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP Ping Command
Утилита командной строки Ping проверяет соединение на уровне протокола IP с другим компьютером, поддерживающим TCP/IP, с помощью отправки сообщений с эхо-запросом по протоколу ICMP. После каждой передачивыводится соответствующее сообщение с эхо-ответом. Ping — это основная ТСР/IР-команда, используемая для устранения неполадки в соединении, проверки возможности доступа и разрешения имен. Команда ping, запущенная без параметров, выводит справку.
Синтаксис
ping [-t] [-а] [-n счетчик] [-l размер] [-f] [-i TTL] [-v тип] [-r счетчик] [-s счетчик] [{-j список_узлов | -к список_узлов}] [-w интервал] [имя_конечного_компьютера]
Описание параметров есть в справке Windows
Команда Ping лежит в основе диагностики сетей TCP/IP. Например, чтобы быстро получить значения параметров конфигурации TCP/IP на своем компьютере, следует набрать: C: \>ping 127.0.0.1
• powercfg.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Power Settings Command-Line Tool
Эта команда позволяет администратору управлять параметрами электропитания системы.
Получить более подробную информацию о программе и ее параметрах можно через команду powercfg /?
Пример:
Например, чтобы отобразить текущую конфигурацию схемы электропитания, нужно ввести команду powercfg /Q
• progman.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Program Manager (Диспетчер программ)
Из Windows 3.1 нам достался такой замечательный продукт, как PROGMAN.EXE.
Он представляет из себя панель, которая с успехом может заменить Рабочий Стол, поскольку позволяет завести внутри себя неограниченное количество Групп, каждая из которых может содержать произвольное количество ярлыков (команды "Создать группу" и "Создать элемент" соответственно). Ярлык PROGMAN.EXE имеет смысл или помещать в стартовую папку с параметром "Свёрнутое в значок" (Windows 95, NT), или выводить на панель Quick Launch.
В результате можно существенно разгрузить Рабочий Стол, оставив на нём только необходимое. Остальные рабочие ярлыки можно разместить по группам Прогмана. В результате получится что-то вроде свёртываемого Рабочего Стола с рядом Рабочих Подстолов внутри!
P.S. К сожалению, PROGMAN.EXE обладает одним "родимым пятном" Windows 3.1: он не понимает длинных имён файлов, которые надо преобразовывать в короткие. Однако это неудобство не сильно умаляет его достоинства.
• reg.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Утилита редактирования системного реестра из командной строки
Данная утилита позволяет просматривать, добавлять, удалять различные данные из реестра. Дополнительную информацию можно получить, запустив в командной строке reg /?
Примеры:
Для получения номера версии Internet Explorer из реестра введите в командной строке:
reg query "HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Microsoft\lnternet Explorer" /v Version
• regedit.exe
Местонахождение: Windows
Описание: Редактор реестра — Registry Editor
Редактор реестра позволяет модифицировать данные в реестре. Реестру посвящен отдельный Справочник по реестру Windows
• regsvr32.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Сервер регистрации, (С) Microsoft — Microsoft(С) Register Server
Данная команда регистрирует в реестре файлы. dll как компоненты команды. Данная утилита весьма активно используется программистами для регистрации различных собственных компонентов
Синтаксис
regsvr32 [/u] [/s] [/n] [/i[: cmdline]] имя_dll
Параметры
/u Отменяет регистрацию сервера
/s Задает запуск regsvr32 без вывода сообщений на экран.
/n Указывает не вызывать D1IRegisterServer. Этот параметр можно использовать с параметром /i.
/i: cmdline Вызывает DllInstall с помощью дополнительной передачи [cmdline]. При использовании с параметром /и вызывает удаление dll. dllname
Задает имя файла dll для последующей регистрации.
/? Вывод справки в командной строке.
Примеры:
Для регистрации файла. dll для схемы Active Directory введите:
regsvr32 schmmgmt.dll
route.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP Route Command
Эта команда нужна для редактирования или просмотра таблицы маршрутов IP из командной строки. Ключ /? выводит все доступные ключи при работе с Route.
• rstrui.ехе
Местонахождение: Windows\system32\Restore
Описание: Приложение восстановления системы — System Restore Application
Программа Восстановление системы служит, как видно из названия, для восстановления системы. Программа позволяет вернуть настройки компьютера в более раннее состояние (контрольная точка). Обратите внимание, что восстановление конфигурации системы происходит без потерь текущих данных (документы, почтовые сообщения, ссылки). Об этой программе достаточно много говорится в справке Windows.
Управление восстановлением системы через скрипты
Для программы восстановления системы можно создавать различные скрипты, позволяющие создавать контрольные точки восстановления, перечислять имеющиеся точки, включать или выключать возможность восстановления системы для заданных дисков. При использовании данных скриптов задействованы WMI и файл srclient.dll, которая является клиентской DLL для программы восстановления системы и пользователь должен иметь права администратора системы Создание контрольной точки
Используем WMI и класс SystemRestore set SRP = getobject("winmgmts: \\.\root\default: Systemrestore")
CSRP = SRP.createrestorepoint ("Создание тестовой контрольной точки", 0, 100)
Отключение или включение Восстановления системы для заданного диска onoff = InputBox ("Вы хотите включить (вкл) или отключить (выкл) Восстановление системы? Введите слова вкл или выкл", "Восстановление системы")
Drive = InputBox ("Выберите нужный диск. Вы должны использовать формат 'с: \'", "Работа с диском")
set SRP = GetObject("winmgmts: \\.\root\default: SystemRestore")
If onoff = "вкл" then
eSRP = SRP.enable(drive)
end if
If onoff = "выкл" then
eSRP = SRP.disable(drive)
end if
Перечисление контрольных точек восстановления системы
' Перечисление контрольных точек
set SRP = getobject("winmgmts: \\.\root\default").InstancesOf ("systemrestore")
for each Point in SRP
msgbox point.creationtime & vbcrlf & point.description & vbcrlf & "Порядковый номер= " & point.sequencenumber
next
• rundll32.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Запуск библиотеки DLL как приложения — Run a DLL as an App
Windows имеет в своем составе утилиту командной строки rundll32.exe, которая позволяет запускать некоторые команды-функции, заложенные в DLL-файлах.
Вообще-то данная утилита была разработана для внутреннего пользования программистами Microsoft. Но богатые возможности этой программы дало повод на всеобщее использование пользователями.
Область применения данной утилиты довольно широк. Вы можете вводить приведенные ниже команды в окне Запуск программы (Пуск-Выполнить), также создать ярлыки с заданнами параметрами запуска, использовать в коде на программируемом вами языке (C++, Delphi, Visual Basic и т. д.)
Список команд слишком обширен. Приведем список наиболее значимых команд. SHELL32.DLL
• rundll32 shell32.dll,Control_RunDLL hotplug.dll — диалоговое окно Отключение или извлечение аппаратного устройства
• rundll32 shell32, Control_FillCache_RunDLL — запустить начальную инициализацию Панели управления.
• rundll32 shell32,Control_RunDLL — открыть в Проводнике папку "Панель управления"
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL access.cpl,1 — апплет Специальные возможности (вкладка Клавиатура)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL access.cpl,2 — апплет Специальные возможности (вкладка Звук)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL access.cpl,3 — апплет Специальные возможности (вкладка Экран)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL access.cpl,4 — апплет Специальные возможности (вкладка Мышь)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL access.cpl.,5 — апплет Специальные возможности (вкладка Общие)
• rundll32 shell32,Control_RunDLL appwiz.cpl,1 — вызов диалогового окна "Установка и удаление программ"(вкладка Установка программ).
• rundll32 shell32,Control_RunDLL appwiz.cpl,2 — вызов диалогового окна "Установка и удаление программ"(вкладка Установка компонентов Windows).
• rundll32 shell32,Control_RunDLL appwiz.cpl,3 — вызов диалогового окна "Установка и удаление программ"(вкладка Выбор программ по умолчанию).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL desk.cpl,0 — апплет Экран (вкладка Рабочий стол).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL desk.cpl,1 — апплет Экран (вкладка Заставка).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL desk.cpl,3 — апплет Экран (вкладка Параметры).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inetcpl.cpl,0 — апплет Свойства обозревателя (вкладка Общие).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inetcpl.cpl,1 — апплет Свойства обозревателя (вкладка Безопасность).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inetcpl.cpl,2 — апплет Свойства обозревателя (вкладка Конфиденциальность).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inetcpl.cpl,3 — апплет Свойства обозревателя (вкладка Содержание).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inetcpl.cpl,4 — апплет Свойства обозревателя (вкладка Подключения).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inetcpl.cpl,5 — апплет Свойства обозревателя (вкладка Программы).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inti.cpl,0 — апплет Язык и региональные стандарты (вкладка Региональные параметры)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inti.cpl,1 — апплет Язык и региональные стандарты (вкладка Языки)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL inti.cpl,2 — апплет Язык и региональные стандарты (вкладка Дополнительно)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL joy.cpl — апплет Игровые устройства
• rundll32 shell32,Control_RunDLL main.cpl @ 0 — открыть диалог "Свойства мыши".
• rundll32 shell32,Control_RunDLL main.cpl @1 — открыть диалог "Свойства клавиатуры".
• rundll32 SHELL32,SHHelpShortcuts_RunDLL PrintersFolder — открыть папку "Принтеры" (другой способ).
• rundll32 SHELL32,SHHelpShortcuts_RunDLL FontsFolder — открыть папку "Шрифты" (другой способ).
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL mmsys.cpl,0 — апплет Звуки и аудиоустройства (вкладка Громкость)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL mmsys.cpl,1 — апплет Звуки и аудиоустройства (вкладка Звуки)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL mmsys.cpl,2 — апплет Звуки и аудиоустройства (вкладка Аудио)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL mmsys.cpl,3 — апплет Звуки и аудиоустройства (вкладка Речь)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL mmsys.cpl,4 — апплет Звуки и аудиоустройства (вкладка Оборудование)
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL modem.cp,l — апплет Телефон и модем
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL ncpa.cpl — открытие окна Сетевые подключения
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL odbccp32.cpl — апплет ODBC Data Source Administrator
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL sysdm.cpl,0 — апплет Система (вкладка Общие). Параметры от 1 до 6 — остальные вкладки
• rundll32.exe shell32.dll,Control_RunDLL telephon.cpl — апплет Телефон и модем
• rundll32 shell32,Control_RunDLL timedate.cpl — открыть диалог "Дата и время".
• rundll32 shell32,Control_RunDLL timedate.cpl,/f — открыть вкладку Часовой пояс диалогового окна свойств времени Панели управления
• rundll32 shell32,OpenAs_RunDLL — вызвать диалог "Открыть с помощью…".
• rundll32 shell32,ShellAboutA WHATIS.RU — информация о версии Windows.
• rundll32 shell32,SHExitWindowsEx 0 — закрыть все программы, перегрузить оболочку.
• rundll32 shell32, SHExitWindowsEx 1 — выключить ПК.
• rundll32 SHELL32, SHExitWindowsEx -1 — перегрузить оболочку Windows.
• rundll32 shell32, SHExitWindowsEx 2 — перегрузить ПК.
• rundll32 shell32,SHExitWindowsEx 4 — принудительно закрыть все программы.
• rundll32 shell32,SHExitWindowsEx 8 — выход из Windows и выключение ATX-совместимого ПК.
• rundll32 shell32,SHFormatDrive — вызов диалога форматирования диска А:.
• rundll32 SHELL32,SHHelpShortcuts_RunDLL AddPrinter — запуск "Мастера установки принтера".
• rundll32 shell32,SHHelpShortcuts_RunDLL Connect — Запуск мастера подключения сетевого диска.
• rundll32 SHELL32,SHHelpShortcuts_RunDLL PrintTestPage — распечатать тестовую страницу.
URL.DLL
• rundll32 url.dll,FileProtocolHandler %1 — открыть веб-страницу, где %1 — URL сайта (включая http://).
• rundll32 url.dll,MailToProtocolHandler %1 — создать новое письмо, где %1 — e-mail адресата.
• rundll32 url.dll, NewsProtocolHandler %1 — произвести подключение к новостному серверу, где %1 — URL сервера.
• rundll32 url.dll, TelnetProtocolHandler %1 — осуществить подключение telnet, где %1 — адрес сервера.
• rundll32 user,CASCADECHILDWINDOWS — расположить все окна каскадом.
• rundll32 user,TILECHILDWINDOWS — расположить все окна по экрану.
• rundll32 user,disableoemlayer — сбой системы (!) — выключить все функции ввода-вывода (клавиатура, дисплей, мышь). В результате будет черный экран с курсором и ни на что не реагирующая система, однако Windows продолжает работать.
• rundll32 user,enableoemlayer — включить и загрузить OEM Layer, если есть возможность выполнить эту команду дистанционно.
• rundll32 user,ExitWindowsExec — быстрая перезагрузка Windows.
• rundll32 user,RepaintScreen — выполнить команду "Обновить".
• rundll32 user,SetCaretBlinkTime n — задать частоту мигания курсора, соответствующую значению параметра n.
• rundll32 user,SetCursorPos — переместить курсор мыши в верхний левый угол экрана.
• rundll32 user,SetDoubleClickTime n — задать скорость двойного нажатия левой кнопки мыши (Double Click), соответствующую параметру n.
• rundll32 user,SwapMouseButton — поменять местами клавиши мыши (обратная смена невозможна).
• rundll32 user,WNetConnectDialog — вызов диалога "Подключение сетевого диска".
• rundll32 user,WNetDisconnectDialog — вызов диалога "Отключение сетевого диска".
Разное
• rundll32 diskcopy,DiskCopyRunDll — вызов диалога "Копирование диска".
• rundll32 keyboard,disable — отключение клавиатуры, действует до следующей перезагрузки.
• rundll32 mouse,disable — отключение мыши вплоть до перезагрузки.
• rundll32 krnl386.ехе, exitkernel — выгрузить ядро системы, выход из Windows.
• rundll32 mshtml.dll,PrintHTML "HtmlFileNameAndPath" — распечатать документ HTML, где "HtmlFileNameAndPath" — путь к файлу и его имя.
• rundll32 Mcprint2.dll,RUNDLL_PrintTestPage — распечатать тестовую страницу на принтере.
• rundll32 netplwiz.dll,AddNetPlaceRunDll — вызов мастера подключения нового сетевого ресурса "Добавление в сетевое окружение".
• rundll32.exe ntlanui.dll,ShareCreate — вызов окна Новый общий ресурс
• rundll32.exe ntlanui.dll,ShareManage — вызов окна Общие папки
• rundll32 shell,ShellExecute — открыть Проводник (папка "Рабочий стол").
• rundll32 sysdm.cpl,InstallDevice_Rundll — вызов мастера установки оборудования.
• rundll32 AppWiz.Cpl,NewLinkHere %1 — Запуск мастера создания нового ярлыка, где %1 — путь к исходному файлу.
• rundll32 syncui.dll, Briefcase_Intro — вызов мастера по работе с "Портфелем"
• rundll32 SYNCUI.DLL, Briefcase_Create — создать новую папку "Портфель", если эта функция установлена в системе.
• rundll32 msgina,ShellShutdownDialog — вызов диалога "Завершение работы Windows".
• rundll32 tcpmonui.dll, LocalAddPortUI — Запуск мастера установки ТСР-порта принтера.
• rundll32 shdocvw.dll,DoOrganizeFavDlg — вызов окна "Упорядочить избранное"
• rundll32 shdocvw.dll,OpenURL filename — Запуск. url файла с именем filename
• rundll32 user32.dll LockWorkStation — блокировка компьютера
• rundll32 desk.cpl, InstallScreenSaver [filename.scr] — задать файл скринсейвера в диалоговом окне свойств дисплея.
• rundll32 IEdkcs32.dll, Clear — сброс некоторых настроек Internet Explorer, полезно использовать при некоторых сбоях в работе обозревателя.
• rundll32.exe powrprof.dll,SetSuspendState — ввести компьютер в спящий режим
• SFC.EXE
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Windows 2000 System File Checker
Утилита SFC.EXE предназначена для проверки всех версий защищенных системных файлов и восстановления их из специального кэша в случае подмены или повреждения.
В Windows ХР она запускается только из командной строки — в отличие от Windows 9х, где подобная утилита имеет графический интерфейс. Запуск утилиты возможен только с правами администратора, синтаксис такой:
sfc [/scannow] [/scanonce] [/scanboot] [/revert] [/cancel] [/enable] [/purgecache] [/cache size=x] [/quiet]
Параметры командной строки, которые можно задавать для программы SFC, следующие:
/scannow — немедленная проверка всех защищенных системных файлов
/scanonce — проверка защищенных системный файлов при следующей загрузке системы
/scanboot — проверка всех защищенных системных файлов при каждой загрузке системы
/revert — восстанавливает все настройки по умолчанию (Windows ХР)
/cancel — отменяет все проверки защищенных системных файлов (Windows Ме/2000)
/purgecache — очистка кэша защищенных файлов программы и немедленная проверка всех защищенных системных файлов
/cachesize=x — установка размера кэша защищенных файлов в мегабайтах (по умолчанию 50 мГб)
/enable — включение защиты системных файлов Windows (Windows Me/2000)
/quiet — замена поврежденных файлов без предупреждения (Windows Ме/2000)
/? — вызов справки
Давайте рассмотрим практическое применение утилиты.
Папка dllcache
Если вас не устраивает, что Windows ХР занимает слишком много места и восстанавливает удалённые из его директории файлы, то может удалить папку dllcache, но после следующей проверки системных файлов Windows снова заполнит эту папку. Для устранения этого "греха", после удаления или до удаления файлов (но не папки), нужно запустить команду sfc /cachesize=4ncno. Числом будет количество мегабайт которое должно резервироваться для папки windows\system32\dllcache. Можно поставить = 0.
Поврежденные файлы
Предположим, вы обнаружили, что на вашем компьютере отсутствуют некоторые файлы, например, шрифты (шрифты — тоже системные файлы). Проверяем наличие системных файлов с помощью команды sfc.exe /scannow
Windows проверит файлы и при необходимости переустановит недостающие или поврежденные
• SHUTDOWN.ЕХЕ
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Windows Remote Shutdown Tool
Утилита Shutdown позволяет выключать или перегружать локальный или удаленный ПК, используя командную строку или специально созданный ярлык. Простой ее вызов без каких-либо параметров обеспечивает завершение сеанса текущего пользователя. Для использования всех возможностей этой утилиты необходимо задействовать параметры командной строки, синтаксис которых таков:
shutdown [{-1|-s|-r|-а}] [-f] [-m [\\Computer Name]] [-t xx] [-с "message"] [-d[u] [p]: xx: yy]
Подробнее о параметрах.
-l — завершение сеанса текущего пользователя. При наличии параметра — m последний имеет приоритет, то есть завершение сеанса производится для удаленного ПК
-s — выключить локальный ПК — r — перезагрузка
-а — отмена выключения ПК, игнорируются все параметры, кроме -1 и ComputerName. Данный параметр может использоваться только в тот момент, когда длится так называемый период тайм-аута, то есть когда программа Shutdown выделяет пользователю время на отмену своих действий
-f — разрешить принудительное закрытие всех работающих приложений
-m [\\ComputerName] — задать удаленный компьютер, который необходимо выключить
-t хх — задает временную задержку до вызова процедуры выключения компьютера в секундах — хх. По умолчанию используются 20 секунд
-с "message" — эта команда позволяет задать любое сообщение, которое будет отображаться в окне программы Shutdown. Максимальная длина сообщения — 127 символов. Текст сообщения необходимо заключать в кавычки
-d [u][р]: хх: уу — активирует некий специальный код выключения: и — отображение пользовательского кода, р — отображение запланированного кода, хх — задает основной код (0-255), уу — задает дополнительный код (0-65536)
/? — отображает справочную информацию по программе
• sndvol32.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Громкость — Volume Control
Данная программа позволяет управлять регулятором громкости звука Советы
Чтобы одним щелчком открыть эту программу (а не десятью, как это предусмотрено разработчиками), достаточно создать ярлык с командой "c: \windows\system32\sndvol32.exe — rес". Эту же команду можно использовать в окне Выполнить из меню Пуск
• sol.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Пасьянс "Косынка" — Solitaire Game Applet
Одна из встроенных игр Windows, представляющих собой карточную игру
• systeminfo.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: System Information
Выводит на экран подробные сведения о конфигурации компьютера и операционной системы, сведения о безопасности, код продукта и параметры оборудования, такие как ОЗУ, дисковое пространство и сетевые карты
Синтаксис
systeminfot.exe] [/s компьютер [/и домен\пользователь [/р пароль]]] [/fo {TABLE|LIST|CSV}] [/nh]
Описание параметров есть в справке Windows
• taskkill.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Принудительное завершение процесса — Kill Process
Завершает одно или несколько заданий или процессов. Процессы могут быть уничтожены кодом процесса или именем образа.
Синтаксис
taskkill [/s компьютер] [/u домен\пользователь [/р пароль]]] [/fi имя_фильтра] [/pid код_процесса]|[/im имя_образа] [/f][/t]
Описание параметров есть в справке Windows
• tasklist.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Задачи — Task List
Отображает список приложений и служб с кодом процесса (PID) для всех задач, выполняющихся на локальном или удаленном компьютере.
Синтаксис
tasklist[.exe] [/s компьютер] [/u домен\пользователь [/р пароль]] [/fo {TABLE|LIST|CSV}] [/nh] [/fi фильтр [/fi фильтр2 […]]] [/m [модуль] | /SVC | /v]
Описание параметров есть в справке Windows
Чтобы получить список идентификаторов запущенных процессов, введите следующую команду и нажмите клавишу ВВОД:
tasklist > tasklist.txt
Примечание. Если программа выполняется в виде службы, добавьте в команду параметр /svc, чтобы составить перечень служб, которые загружаются каждым процессом:
tasklist /svc > tasklist.txt
• taskmgr.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Диспетчер Задач Windows — Windows TaskManager
Описание программы есть в справке Windows.
Советы
Запустить программу можно как по имени файла taskmgr.exe, так и одновременным нажатием трех клавиш (Ctrl+Alt+Del).
Откройте Диспетчер задач, дважды щелкните левой кнопкой мыши по серой области окна чуть ниже меню и она развернется на все окно. Чтобы вернуть все назад, кликните еще два раза по бортику окна.
• tracert.exe
Местонахождение: Windows\system32
Описание: TCP/IP Traceroute Command
Определяет путь до точки назначения с помощью посылки в точку назначения эхо-сообщений протокола Control Message Protocol (ICMP) с постоянным увеличением значений срока жизни (Time to Live, TTL). Выведенный путь — это список ближайших интерфейсов маршрутизаторов, находящихся на пути между узлом источника и точкой назначения. Ближний интерфейс представляют собой интерфейс маршрутизатора, который является ближайшим к узлу отправителя на пути. Например, чтобы вывести трассу маршрута к http://www.microsoft.com, нужно набрать:
C: \>tracert www.microsoft.com
Запущенная без параметров, команда tracert выводит справку
Синтаксис
tracert [-d] [-h максимальное_число_переходов] [-j список_узлов] [-w интервал] [имя_конечного_компьютера]
Описание параметров есть в справке Windows
• whoami.exe
Местонахождение: Support\Tools
Описание: Whoami — queries user information
Утилита командной строки позволяет получать информацию о пользователе (учетная запись, SID, привилегии)
Синтаксис
whoami [/option] [/option]
Используйте параметр /help для получения информации о параметрах программы Например, для получения идентификаторов безопасности используйте строку whoami /all /sid
• winmsd.ехе
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Сведения о системе — System Information
Программа Сведения о системе собирает и отображает данные о конфигурации системы как для локальных, так и для удаленных компьютеров. Сюда входит информация о конфигурации оборудования, компонентах компьютера, а также программном обеспечении, в том числе о подписанных и неподписанных драйверах При устранении неполадок, связанных с конфигурацией системы, сотрудникам службы технической поддержки необходимы определенные данные о компьютере. Данная программа позволяет быстро собрать необходимые данные.
К программе прилагается справка, в которой вы найдете дополнительную информацию.
• wmiс. ехе
Местонахождение: WINDOWS\system32\wbem
Описание: командная строка wmi — wmi command line
Утилита командной строки wmic.exe собирает информацию из Инструментария управления Windows WMI (Windows Management Instrumentation) для локального администратора
Описание параметров есть в справке Windows. Вот небольшой скрипт для определения имени компьютера, версии операционной системы и номера сервиспака:
@echo off
setlocal
for /f %%v in ('wmic os get version /value^|find "Version"') do set %%v
if "%Version:~0,4 %" NEQ "5.1." goto finish
for /f %%v in ('wmic os get servicepackmajorversion /value^|find "ServicePackMajorVersion"') do set %%v
if "%ServicePackMajorVersion%" LSS "2" goto finish
@echo %computername% %Version% %ServicePackMajorVersion%
:finish endlocal
В справке Windows есть несколько статей о данной программе.
wscript.ехе
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Microsoft (r) Windows Based Script Host
Сервер сценариев wscript.exe является GUI-вариантом, предназначенный для взаимодействия с пользователем через диалоговые окна Windows (в отличии от консольного приложения cscript.exe). С помощью сервера сценариев можно изменять реестр без вывода диалоговых окон, удалять и создавать файлы, многое другое.
Уникальная возможность — можно удалить файл скрипта до завершения его работы. То есть, скрипт сидит в памяти, а самого файла уже давно нет. Используя эту возможность можно создать так называемый скрипт-призрак.
Чтобы запустить написанный скрипт, можно просто дважды щелкнуть левой кнопкой мыши по нему в окне проводника. При этом сценарий запустится с настройками по умолчанию. Чтобы сценарий работал с другими параметрами, нужно в командной строке указать имя сервера сценариев, имя самого сценария и параметры запуска.
Синтаксис
wscript имя_сценария. расширение [параметры…] [аргументы…]
Чтобы получить полный список параметров, используйте wscript /?
Однако, такой вариант запуска изменит параметры по умолчанию для всех запускаемых впоследствии сценариев. Если в этом нет необходимости, есть возможность задать свои параметры для каждого отдельного файла сценария, более того, можно задать несколько вариантов запуска одного и того же сценария. Для этих целей служит файл с расширением wsh. Он представляет собой обычный текстовый файл и по своей структуре очень похож на inf или ini файл. Чтобы создать простейший *.wsh файл откройте свойства любого скрипта и на вкладке "Сценарий" измените любой параметр. После нажатия на "ОК" в том же каталоге появится файл с аналогичным именем и расширением wsh. Вот пример одного из таких файлов:
[ScriptFile]
Path=G: \files\p010.js
[Options]
Timeout=0
DisplayLogo=1
В секции [ScriptFile] есть только один параметр — Path, который указывает на запускаемый скрипт, в секции [Options] перечисляются параметры для запуска этого скрипта.
Если теперь запустить созданный нами файл, он будет выполняться с настроенными параметрами.
Возможность указания параметров при старте сценариев является, безусловно, очень полезной и позволяет более тонко контролировать процесс работы скрипта
• wscui.cpl
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Центр обеспечения безопасности Windows — Security Center
Новый апплет панели управления, появившийся после выхода Пакета обновления 2 (Service Pack 2)
Центр обеспечения безопасности помогает управлять параметрами безопасности Windows.
Пример разрешения выполнения программы с помощью брандмауэра Windows
1. Откройте апплет Центр обеспечения безопасности Windows — Пуск | Выполнить I wscui.cpl
2. Нажмите на ссылку Брандмауэр Windows.
3. В диалоговом окне Брандмауэр Windows откройте вкладку Исключения и нажмите кнопку Добавить программу.
4. В диалоговом окне Добавление программы выберите программу в предложенном списке или нажмите кнопку Обзор и найдите ее самостоятельно.
5. Выбрав программу, нажмите кнопку ОК.
6. Убедитесь, что на вкладке Исключения флажок напротив названия нужной программы установлен, и нажмите кнопку ОК.
Примечание. Если в будущем возникнет необходимость удалить программу из списка исключений, снимите этот флажок.
Добавление программы в список исключений имеет следующие преимущества:
• не нужно знать номер сопоставленного программе порта
• порт, который используется программой из списка исключений, открывается только в том случае, когда программа ожидает получения данных извне.
Открытие портов вручную с помощью брандмауэра Windows
1. Откройте апплет Центр обеспечения безопасности Windows — Пуск | Выполнить I wscui.cpl
2. Нажмите на ссылку Брандмауэр Windows.
3. На вкладке Исключения нажмите кнопку Добавить порт.
4. В диалоговом окне Добавление порта введите в поле Номер порта номер открываемого порта и выберите вариант TCP или UDP.
5. Введите название порта и нажмите кнопку ОК (например, Игровой порт).
6. Чтобы просмотреть или изменить область исключения для порта, нажмите кнопку Изменить область, а затем — ОК.
7. Убедитесь, что на вкладке Исключения указана новая служба. Чтобы открыть порт, установите флажок рядом с новой службой и нажмите кнопку ОК
СЛУЖБЫ В WINDOWS
Ускорить работу системы, попутно освободив немного памяти, можно запретив загрузку ненужных системных служб. Отключить ненужные службы можно через оснастку Службы (Services). Здесь надо быть предельно осторожным, потому как последствия необдуманных действий могут быть непредсказуемы. Многие службы для своей работы требуют работы других служб, поэтому если Вы отключите слишком много лишнего, то можете столкнуться с такой ситуацией, что не сможете включить всё обратно. Какая служба от какой зависит можно посмотреть через закладку Dependencies из свойства службы. Но чтобы полностью избежать проблем при экспериментах со службами, мы бы советовали вам перед тем как производить эксперименты с службами сохранить ветку реестра отвечающую за запуск системных служб. Для этого в реестре найдите раздел HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services. Не рекомендуется отключать службы через утилиту msconfig.exe.
Список служб в Windows
• Служба шлюза уровня приложения (Application Layer Gateway Service)
Ниже мы приведём несколько служб, которые могут быть отключены. Используйте эти советы на свой страх и риск, авторы не несут никакой ответственности за возможные последствия (список служб дан для ХР Pro).
• Print Spooler: Спулер печати, ускоряет печать; если принтера нет, то его можно отключить.
• Automatic Updates: Автоматическое обновление. Если у вас нет постоянного соединения с Интернетом, или если вы просто хотите контролировать всё что делает компьютер, то обновлять программное обеспечение входящее в состав ХР можно и вручную. Выключая эту службу не забудьте выключить Automatic Updates в одноименной закладке System Properties.
• Cryptographic Service: Отвечает за безопасный обмен ключами и шифрование. Используется для установки защищённых соединений, как в локальной сети, так и в интернет, играет важную роль в поддержке шифрования файловой системой. Если вам не надо шифровать файлы находящиеся на NTFS разделах, и вы не планируете использовать защищённые соединения в интернет (что использует, например, Windows Update), можете эту службу отключить. Используется она и во время проверки системных файлов (команда sfc), поэтому перед такой проверкой не забудьте включить её обратно.
• Portable media serial number: Обеспечивает получение серийного номера переносного музыкального устройства подключаемого к компьютеру. Очередное нововведение Microsoft в рамках борьбы с музыкальным пиратством. На сегодняшний день для большинства из нас эта служба не актуальна.
• SSDP Discovery service: обеспечивает автоматических устройств подключаемых к сети устройств, поддерживающих UPnP. Пока что это редкость.
• Terminal Service: Раньше эта служба была доступна только в серверных вариантах ОС. Она позволяет подключаться к Вашей машине про сети, и удалёно работать на ней. В ХР Pro эта служба предназначена для удаленного администрирования Вашей машины, чтобы IT специалисту не приходилось бегать самому чинить всё что Вы там натворили, а можно было сделать это удалённо. Кроме этого, через эту службу работает переключение пользователей на одной машине (Switch User). Если Вам эти возможности не нужны, можете отключить эту службу.
• Windows time: синхронизирует время на локальной машине и сервере. Нет time-сервера — служба не нужна.
• Messenger: Принимает и отправляет сообщения, посланные администратором. Если нет сети и администратора, то можно отключить.
• Protected Storage: Служит для защиты важных данных, ключей пользователей. Запрещает неавторизированный доступ. Если нет сети (в том числе Интернет), или безопасность не волнует, то данный сервис можно отключить.
• Computer Browser: Обновляет список компьютеров в сети. Если у вас нет локальной сети, то можно отключить.
• Server: Обеспечивает общий доступ к принтерам, папкам и файлам, а также обеспечивает поддержку Remote Procedure Call. В случае, если у вас нет ни сетевой карты, ни модема, он вам не нужен.
• Network Connections: Занимается управлением объектами в директории Network and Dial-Up Connections, то есть всеми сетевыми соединениями. Если нет сети, то он становится не нужным.
• DHCP client: Отвечает за автоматическое распределение IP-адресов. Если нет сети (ни локальной, ни модема), то он не нужен.
• Telephony: Работает с модемом. Если модема нет, то он не нужен.
• Telnet: Обеспечивает возможность соединения и удалённой работы с хостами по протоколу telnet. Если уверены, что это не пригодится, то данный сервис можно отключить.
Этот список можно ещё продолжить, необходимость того или иного сервиса определяется задачами, которые выполняются на конкретной машине, и установленным аппаратным обеспечением. Поэтому каждый должен сам решать, что можно отключить.
Оповещатель (Alerter)
Посылает выбранным пользователям и компьютерам административные оповещения. Если служба остановлена, программа, использующая административные оповещения их не получит. Если данная служба неразрешена, не удастся запустить любые явно зависимые службы, например, не будет работать команда net send
Установки по умолчанию: Вручную
Рекомендации: Данная служба нужна для посылки сообщений по локальной сети. В большинстве случаев можете ее отключить.
• alg.ехе
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Служба шлюза уровня приложения (Application Layer Gateway Service)
Оказывает поддержку протоколов третьей стороны протоколов РпР для общего доступа к подключению к Интернету и подключений к Интернету с использованием брандмауэра. Эта служба нужна при использовании Брандмауэра Интернета/Общего доступа к Интернету для подключения к интернету.
Значение по умолчанию: Вручную
Рекомендуемое значение: Вручную
Зависимости от данной службы: Брандмауэр Интернета (ICF) /Общий доступ к Интернету (ICS) (Internet Connection Firewall/Internet Connection Sharing)
• clipsrv.exe
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: Windows NT DDE Server
Сервер папки обмена (ClipBook) позволяет хранить информацию и делить ее с удаленными компьютерами. Если данная служба остановлена, то такой возможности не будет.
Значение по умолчанию: Автоматически
Рекомендуемое значение: Вручную
Зависимости данной службы: Network DDE Network DDE DSDM
Системное приложение: COM+ (COM+ System Application)
Управление настройкой и отслеживанием компонентов СОМ+. Если данная служба остановлена, большинство компонентов СОМ+ не будет работать правильно.
Установки по умолчанию: Вручную
Рекомендации: Нет необходимости менять настройки по умолчанию[55]
Службы криптографии (Cryptographic Services)
Предоставляет три службы управления: службу баз данных каталога, которая проверяет цифровые подписи файлов Windows; службу защищенного корня, которая добавляет и удаляет сертификаты доверенного корня центра сертификации с этого компьютера; и службу ключей, которая позволяет подавать заявки на сертификаты с этого компьютера. Если эта служба остановлена, все эти службы управления не будут работать. Если эта служба отключена, любые службы, которые явно зависят от нее, не могут быть запущены."
Установки по умолчанию: Авто
Рекомендации: Нет необходимости менять настройки по умолчанию. Иначе будут проблемы при установке драйверов, автоматического обновления, сервис-паков, DirectX и т. д.
• ciadv.msс
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Служба индексирования
Служба индексирования извлекает сведения из набора документов и собирает их в структуру, обеспечивающую быстрый и удобный доступ к этим сведениям с помощью команды Найти Windows ХР, формы запроса службы индексирования или обозревателя. Эти сведения могут включать текст (содержимое) документа, характеристики и параметры (свойства) документа, такие как имя автора. После создания индекса можно запросить в нем документы, содержащие ключевые слова, фразы или свойства. Например, можно запросить все документы, содержащие слово «продукт», либо все документы Microsoft Office, созданные определенным автором. Служба индексирования возвращает список всех документов, соответствующих указанным условиям поиска.
• compmgmt.msс
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Управление компьютером (Computer Management)
Оснастка Управление компьютером — это инструмент, предназначенный для управления локальным и удаленным компьютерами. Эту оснастку можно вызвать из контекстного меню значка Мой компьютер командой Управление
• devmgmt.msс
Местонахождение: Windows\system32
Диспетчер устройств (Device Management)
Диспетчер устройств используют для обновления драйверов (или программного обеспечения) оборудования, изменения настроек оборудования, а также для устранения неполадок.
• diskmgmt.msс
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Управление дисками — Disk Management
Оснастка Управление дисками предназначена для таких задач, как создание и форматирование разделов и томов и назначение букв дисков
• eventvwr.msc
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Просмотр событий (Event Viewer)
В окне просмотра событий ведутся журналы программных, системных событий, а также событий безопасности на компьютере. Окно просмотра событий используется для просмотра журналов событий и управления ими, получения сведений о неполадках аппаратного и программного обеспечения, а также для наблюдения за событиями безопасности Windows.
• fsmgmt.msc
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Общие папки (Shared Folders)
Компонент «Общие папки» может быть использован для управления общими ресурсами по сети. При помощи компонента «Общие папки» можно осуществлять контроль над разрешениями учетных записей пользователей, сеансами и свойствами общих ресурсов.
• gpedit.msc
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Групповая политика
Оснастка: Групповая политика используется для определения параметров политики, которые будут применяться к компьютерам или пользователям. С помощью данной оснастки можно запретить доступ пользователя котдельно взятым оснасткам консоли. Очень подробную информацию можно почерпнуть из справки.
• lusrmgr.msc
Местонахождение: Windows\system32
Локальные пользователи и группы — Local Users and Groups
Оснастка: Локальные пользователи и группы — это инструмент, предназначенный для управления локальными пользователями и группами. В Windows ХР Ноmе Edition данная оснастка отсутствует.
Будьте осторожны с неиспользуемыми пользовательскими учетными записями. Например, на вашем компьютере была учетная запись сотрудника фирмы. После увольнения сотрудника неиспользуемую учетную запись лучше сразу же отключить. Запустите оснастку и в появившемся окне из соответствующей папки выберите «отслужившего» пользователя. Щелкнув правой кнопкой мыши в свойствах учетной Записи активируйте пункт Отключить учетную запись. Читатели могут удивиться: а зачем отключать, если можно удалить? Можно и удалить, но при удалении учетной записи безвозвратно теряется ее идентификатор безопасности SID (даже если вы потом снова создадите новую запись с тем же именем и паролем, идентификатор все равно будет уже другим). А с потерей SID вы потеряете доступ ко всем закодированным файлам и паролям, которые использовал прежний пользователь.
Обладатели ХР Home Edition оснастка могут воспользоваться утилитой net для отключения пользователя.
net user имя_пользователя /active: no
• ntmsmgr.msс
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Съемные ЗУ
Служба «Съемные ЗУ» упрощает отслеживание съемных носителей и управление библиотеками, например устройствами смены дисков.
• perfmon.msc
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Производительность (Performance Monitor)
Огромное количество счетчиков производительности компьютера (в т. ч. компьютера в сети). Загруженность процессора, памяти, кэша, логических дисков. Большое количество настроек и возможностей. Можно, например, узнать активность жесткого диска, его загруженность или отследить сколько байт занимает отдельно взятая программа в файле подкачки и т. д.
• services.msc
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Службы (Services)
Оснастка: «Службы» используется для управления службами на локальном или удаленном компьютерах
ФАЙЛЫ
• AppEvent.Evt
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл AppEvent.Evt является журналом событий приложений, используемого реестром Windows
• DBX-файлы
В файлах с расширением DBX хранятся записи программы Outlook Express. В этих файлах, называемых Банком сообщений, находятся письма, сообщения новостных групп и т. п. При желании, можно скопировать эти файлы на носитель информации для переноса данных в другой компьютер.
• filelist.xml
Местонахождение: WINDOWS\system32\Restore
Скрытый файл filelist.xml содержит список файлов и настроек, за которыми следит программа восстановления системы rstrui.exe. Вы можете просмотреть данный файл в Internet Explorer. Изучив внимательно XML-файл, можно заметить, что он дает указание программе восстановления системы следить за файлами определенных расширений, заданными папками и ветвями реестра
• hosts
Местонахождение: WINDOWS\system32\drivers\etc
Специальный файл hosts (обратите внимание, что файл без расширения) предназначен для сопоставления IP-адресов и имен серверов. Наиболее распространенное использование — Блокировка рекламных сайтов.
• mydocs.dll
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Пользовательский интерфейс папки "Мои документы"
Windows ХР сама создает свои подпапки в папке Мои документы (My Pictures,
My Video и др.). При удалении этих папок они создаются заново! Если вам не нравится подобное поведение, то надо лишь выполнить команду regsvr32 /и mydocs.dll и подпапки создаваться не будут. А если захотите вернуть все обратно, то введите в командной строке следующее: regsvr32 mydocs.dll
• ntshrui.dll
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Расширения оболочки, обеспечивающие доступ к ресурсам — Shell extensions for sharing
Файл, в котором содержатся различные данные, необходимые для работы с ресурсами. В частности в этом файле содержится изображение ладошки, используемое в значках расшаренных ресурсов. Чтобы удалить эту ладошку, можно воспользоваться правкой реестра (смотри Справочник по реестру Windows)
• ntuser.dat
Местонахождение: C: \Documents and Setting\ИмяПользователя
Файл ntuser.dat является кустом реестра Windows HKEY_USERS/SID
• oeminfo.ini
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Если создать текстовый файл oeminfo.ini и поместить его в системную папку Windows (как правило Windows\system32), то в апплете Система Панели управления, появится кнопка Сведения о поддержке
Файл oeminfo.ini имеет следующую структуру:
[General]
Manufacturer=Haзвание компании
Model=Ha3BaHne модели
[Support Information]
Line1=3a поддержкой обращайтесь по телефону 03
Line2=Бла-бла-бла
Line3=Часы работы:
Line4=Понедельник-Пятница 08.00–16.00
Line5=Суббота-Воскресенье 11.00–12.00!
Line6=Bcero шесть строчек
Строго говоря, данный файл не присутствует на чистом инсталяционном диске Windows, но может входить в Windows, который предустановлен на компьютерах различных производителей, имеющих соответствующую лицензию.
• oemlogo.bmp
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Чтобы добавить собственную картинку в апплет Система Панели управления, надо создать или модифицировать картинку, которая находится в файле oemlogo.bmp и поместить файл в системную папку Windows (как правило Windows\system32)
Файл oemlogo.bmp создается в любом графическом редакторе (напр. Paint) с размером 172 на 100 пикселов (русская версия Windows ХР). Надо сказать, что размеры картинки в разных версиях Windows постоянно менялись. Как правило, слишком большая картинка просто обрезается. Также необходимо иметь в этой же папке файл oeminfo.ini, иначе картинка не будет выводиться вообще
Строго говоря, данный файл не присутствует на чистом инсталяционном диске Windows, но может входить в Windows, который предустановлен на компьютерах различных производителей, имеющих соответствующую лицензию.
• pfirewall.log
Местонахождение: WINDOWS
В файл pfirewall.log записывается информация, которую впоследствии можно использовать для устранения неполадок. По умолчанию, данный файл находится в папке Windows. Вы можете изменить местонахождение данного файла. Для этого выбираем Пуск Панель управления Брандмауэр Windows Допольнительно Ведение журнала безопасности кнопка Параметры. В диалоговом окне вы можете изменить имя файла и его местоположение. А также управлять размером данного файла. Если вы уберете галочки с двух верхних кнопок, то данного файла на компьютере не будет.
• SAM [56]
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл SAM (обратите внимание, что файл без расширения) содержит раздел реестра HKLM\SAM
• SecEvent.Evt
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл SecEvent.Evt является журналом событий безопасности, используемого реестром Windows
• SECURITY
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл SECURITY (обратите внимание, что файл без расширения) содержит раздел реестра HKLM\SECURITY
• shmedia.dll
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Извлечение свойств медиа-файлов — Media File Property Extractor Shell Extension
Эта библиотаек отвечает за сбор информации об AVI-файлах. На некоторых компьютерах при щелчке правой кнопкой по файлу с расширением AVI выскакивает окно с ошибкой "Explorer.exe Обнаружена ошибка…". В этом случае попробуйте отключить библиотеку
Пуск | Выполнить | regsvr32 /и %SystemRoot%\system32\shmedia.dll
• software
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл software (обратите внимание, что файл без расширения) содержит раздел реестра HKLM\Software
• srclient.dll
Местонахождение: WINDOWS\system32
Описание: SRCLIENT DLL
Файл srclient.dll является клиентской DLL для программы восстановления системы rstrui.exe и используется при написании скриптов
• Svcpack.log
Местонахождение: Windows
Описание: Файл Svcpack.log является протоколом хода установки сервис-пака. Исследуя лог установки, вы можете найти причины неудачной установки. Например, если вы увидите такие записи: "There is not enough space on the disk. Service Pack 2 installation did not complete", то станет ясно, что программе установки не хватает места на жестком диске. Попробуйте освободить диск от лишних файлов и повторите попытку.
• SysEvent.Evt
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл SysEvent.Evt является журналом событий системы, используемого реестром Windows
• system
Местонахождение: WINDOWS\system32\config
Файл system (обратите внимание, что файл без расширения) содержит раздел реестра HKLM\System
• UsrClass.dat
Местонахождение: C: \Documents and Settings\ИмяПользователя\Lосаl Settings\Application Data\Microsoft\Windows
Файл UsrClass.dat является кустом реестра Windows HKEY_USERS/SID_Classes
• WindowsUpdate.log
Местонахождение: Windows
Файл, содержащий историю автоматического обновления
• wpa.dbl
Местонахождение: Windows\system32
Описание: Как известно, лицензионная Windows ХР при переустановке системы требует по вторной активации. Чтобы этого избежать, достаточно перед переустановкой системы скопировать файл wpa.dbl, расположенный в папке windows\System32, напри мер, на дискету — именно в этом файле хранится код активации. После переустановки системы, естественно, нужно будет заменить файл wpa.dbl на тот, что за писали на дискету.
ПАПКИ
• C: \Documents and Settings\(имя пользователя)\Local Settings\Application Data\ Microsoft\CD Burning
В папке C: \Documents and Settings\(имя пользователя)\Local Settings\Application Data\ Microsoft\CD Burning Windows создает файл образа будущего компакта-диска.
• Windows\system32\config
В папке Windows\system32\config содержатся файлы, которые работают с реестром
Возможный список файлов
* AppEvent.Evt
* default
* default.LOG
* default.sav
* SAM
* SAM.LOG
* SecEvent.Evt
* SECURITY
* SECURITY.LOG
* software
* software.LOG
* software.sav
* SysEvent.Evt
* system
* system.LOG
* system.sav
* TempKey.LOG
* userdiff
* userdiff.LOG
Обратите внимание, что некоторые файлы не имеют расширения
C: \Documents And Settings\All Users\Application Data\Microsoft\User Account Pictures\Default Pictures
В папке C: \Documents And Settings\All Users\Application Data\Microsoft\User Account Pictures\Default Pictures содержатся картинки-пиктограммы, используемые на странице приветствия для идентификации пользователей. Вы можете модифицировать имеющиеся картинки, либо добавить свои. Когда вы воспользуетесь апплетом Учетные записи пользователей, то войдите в любую имеющую запись и выберите команду Изменение изображения, и вы увидите ваши собственные картинки в этом окне
• Windows\system32\dllcache
В папке Windows\system32\dllcache находится кэш защищенных системных файлов, которые используются для автоматического восстановления в случае повреждения системы. По умолчанию размер этой папки — 50 мб (он задается в реестре параметром SFCQuota, находящемся в ключе
HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon). Изменить размер папки до нуля можно командой sfc:
sfc /cachesize=0
Если поставить, например, 10, то размер папки уменьшится до 10 мб.
• C: \Documents and Settings
В папке C: \Documents and Settings находятся профили пользователей, работающих с системой Windows ХР. Например, если вы входите в систему под учетной записью Alexandr, то в папке C: \Documents and Settings будет создана папка Alexandr, в котором будет содержаться различные ваши данные. Например, в этой папке Alexandr будет содержаться файл ntuser.dat
• Windows\Driver Cache\i386
В папке Driver Cache\i386 находится кэш драйверов. Некоторые пользователи рекомендуют удалять эту папку после установки всего оборудования. Имейте в виду, что при добавлении любого нового оборудования Windows будет запрашивать установочный диск.
• Windows\Media
В папке Windows\Media хранятся звуковые файлы WAV для озвучивания системных событий. Если у вас осталось слишком мало места на жестком диске, а звуковыми колонками не пользуетесь, то можете удалить эти файлы (почти 2 мегабайта).
Также отключите звуковые схемы в апплете Звуки и аудиоустройства Панели управления, что разгрузить немного оперативную память.
• Windows\Minidump
Малый дамп памяти — это специальная запись минимального набора сведений, необходимых для определения причины неполадок. Windows каждый раз при возникновении неустранимой ошибки будет автоматически создавать новый файл в данной папке. Данная папка задается в диалоговом окне Загрузка и восстановление (апплет Система | вкладка Дополнительно | кнопка Параметры рамки Загрузка и восстановление | Папка малого дампа).
• Windows\msagent
Папка msagent содержит подпапки и файлы, необходимые для работы с технологией MS Agent 2.0. В частности, подпапка Chars служит для хранения анимированных персонажей. По умолчанию, Windows ХР уже имеет одного такого персонажа. Более подробно о технологии MS Agent 2.0 вы сможете прочитать в книге А.Климова MS Agent. Графические персонажи для интерфейсов, выпущенной издательством BHV.
• Windows\system32\Restore
В папке Windows\system32\Restore содержатся программа восстановления системы rstrui.exe и сопутствующие файлы. В частности здесь находится интересный файл filelist.xml
• SendTo
Папка SendTo является папкой, в которой находятся ярлыки программ для команды Отправить контекстного меню Проводника. Когда вы щелкаете правой кнопкой на файле или папке выбираете пункт Отправить и там выбираете, куда хотите отправить, то выбранный вами файл копируется (перемещается) в ту папку, которую вы выбрали. В отличие от старых версий Windows, в Windows ХР папка находится в C: \Documents and Settings\HMH пользователя. По умолчанию в этой папке уже есть несколько ярлыков. Можно добавить самому свои ярлыки, которые будут отображаться в контекстном меню. Порядок работы с папкой следующий:
• Создаёте ярлык программы для папки SendTo
• Копируете этот ярлык в папку SendTo
• Выбираете из контекстного меню выбранного файла пункт Отправить и ищете нужный вам подпункт
Например, я использую эту возможность для отправки обновлений в папку программы Ad-Aware SE Personal.
• Windows\ShellNew
В папке Windows\ShellNew хранятся файлы-шаблоны, которые используются при выборе пункта меню Создать контекстного меню Проводника. О том как создавать новые команды в данном пункте меню можно прочитать в справочнике по реестру.
• WINDOWS\SoftwareDistribution
В папке WINDOWS\SoftwareDistribution хранятся папки и файлы, закачанные с помощью автоматического обновления. В принципе, эту папку можно удалить. В этом случае Windows заново создаст эту папку. На различных форумах некоторые пользователи утверждали, что удаление этой папки иногда помогало решить проблему сбоев при автоматическом обновлении.
• System Volume Information
В папке C: \System Volume Information находится кэш службы восстановления системы. Для его удаления сначала отключить восстановление системы (Панель управления | Система | Восстановление системы | Отключить восстановление системы на всех дисках). Но лучше воспользоваться кнопкой Параметры и ограничить объем дискового пространства, резервируемого системой.
По умолчанию, данная папка является скрытой. Программа восстановления системы создает копии реестра в данной папке. Данная папка содержит один или несколько подпапок вида _restore{GUID}RPx\Snapshot. По своей сути, они являются каталогами точек восстановления системы. Обычным способом Windows не позволяет просматривать содержимое этой папки. Существуют способы обойти эти ограничения, но данная операция небезопасна и не рекомендуется для использования на собственном рабочем компьютере.
• Windows\Temp
Папка Temp предназначена для хранения временных файлов. Очень многие программы при своей установке временно копируют в эту папку свои файлы для дальнейшей инсталляции. К сожалению, порой эти программы забывают самостоятельно удалить свои временные файлы. Рекомендуется регулярно заглядывать в папку для очистки мусора.
• WinSxS
WinSxS, или Windows Side by Side (бок о бок), является еще одним новшеством Windows ХР. Microsoft создала систему, позволяющую сохранять несколько версий одинаковых библиотек (DLL) и использовать при необходимости именно ту, что требует конкретная программа. Дело в том, что некоторые программы перезаписывают при инсталляции даже более новую версию библиотеки, что может привести ко всякого рода неприятностям, поэтому, если какая-нибудь программа вздумает беспричинно заменить уже имеющуюся в системном каталоге DLL, операционная система поместит сомнительную библиотеку в специальную папку (WinSxS), а программа так и останется уверенной, что сделала свое дело…
Объявления
ИНФОРМАЦИЯ К РАЗМЫШЛЕНИЮ
Интернет-журналу "Домашняя лаборатория" требуются редакторы разделов. Если вы увлекаетесь какой-нибудь идеей или темой, то можете попробовать себя в качестве редактора. В вашу задачу будет входить формирование материала по этой теме, то есть поиск его в Интернет или литературе, и компоновка в соответствии с какой-либо идеей. Можно добавлять свои комментарии и статьи. Каких-либо рамок и ограничений нет, требование одно — чтобы было интересно. Обычно по таким разделам сообщается, кто его ведет. Окончательное оформление остается за редакцией. Все предложения направлять на адрес редакции: domlab@inbox.com. Поторопитесь, пока поезд не ушел(снимок слева).
* * *
НА ОБЛОЖКЕ
Виноград. Какие ассоциации он вызывает у нас? В немалой степени — винные. Вот, например:
Уменье пить не всем дано,
Уменье пить — искусство.
Тот не умен, кто пьем вино
Без смысла и без чувства.
Вино несет и ад, и мед,
И рабство, и свободу.
Цены вину не знает тот,
Кто пьет его, как воду.
(Мирза-Шафи Вазех)
Ну, а чтобы полнее узнать цену вина, следует самому попытаться изготовить вино из винограда или других плодов. Подробности в разделе «Технологии».
notes
Примечания
1
Здесь и далее в квадратных скобках приводятся разъяснения переводчика.
2
Старейшая национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли, основанная изобретателем циклотрона Эрнстом Орландо Лоуренсом в 1931 году. Находится в ведении Министерства энергетики США. — Здесь и далее примечания переводчика.
3
Оккама, бритва — принцип, согласно которому всему следует искать наиболее простое истолкование; чаще всего этот принцип формулируется так: «Без необходимости не следует утверждать многое» (pluralitas non est ponenda sine necessitate) или: «То, что можно объяснить посредством меньшего, не следует выражать посредством большего» (frustra fit per plura quod potest fieri per pauciora). Обычно приводимая историками формулировка «Сущностей не следует умножать без необходимости» (entia non sunt multi plicandasine necessitate) — в сочинениях Оккама не встречается (это слова Дюрана из Сен-Пурсена, ок. 1270–1334 — французского богослова и доминиканского монаха; очень схожее выражение впервые встречается у французского монаха-францисканца Одо Риго, ок. 1205–1275).
4
Тэ(й)т (Те(й)т) (Tait) Питер Гатри (1831–1901) — шотландский математик, механик и физик; основные труды посвящены теории кватернионов и математической физике.
5
Цистралсизомерия (геометрическая изомерия, от лат. cis — по одну сторону, и trails — напротив) — один из видов пространственной изомерии химических соединений, заключается в возможности расположения заместителей по одну (цис-изомер, например формула I) или по разные стороны (транс-изомер, формула II) плоскости двойной связи (С = С, С = N).
6
Сиксика. (самоназвание — «черноногие», от окраски мокасин), англ. блэкфут — индейский народ группы алгонкинов в США (резервация Блэкфут на Среднем Западе, штат Монтана) и Канаде (три резервации в провинции Альберта). Относятся к американской расе большой монголоидной расы. Язык — блэкфут, вытесняется английским языком. Католики. (Народы мира: Историкоэтнографический справочник. М.: Сов. энциклопедия, 1988. С. 505.)
7
Голдберг Рубен Лушес (1883–1970) — американский карикатурист, скульптор. Лауреат Пулитцеровской премии (1948) за политические карикатуры. Всемирную славу и увековечение в словарях английского языка Голдбергу принесли рисунки странных механизмов (inventions), построенных по принципу «Зачем делать просто, если можно сделать сложно?». «Изобретения» эти призваны «помогать» человеку в его повседневной жизни, однако выглядят они совсем не повседневно, поскольку собирались из самых непредсказуемых элементов. Например, прибор для автоматического мытья магазинных витрин состоит из последовательно действующих банановой кожуры, грабель, подковы, лейки, швабры, скотч-терьера, рекламного щита и пепельницы. Любопытно, что, впервые появившись на страницах «Evening Mail» в качестве картинок для рассматривания, «руб голдберги» со временем начали строиться и в мире физическом. Необычные механизмы стали достоянием музеев, антуражем авангардных фильмов и детских «мультиков» и даже предметом для спортивных состязаний. Существуют специальные мастерские, где остроумные техники изготавливают разного рода «руб голдберги» для коллекционеров и эксцентричных богачей, многие из которых используют забавные машины… по прямому назначению.
8
Хопкинс Джонс (1795–1873) — американский квакер, финансист, филантроп. Сделал состояние на оптовой торговле продуктами питания, банковском деле, железных дорогах. Завещал около 7 млн долларов на создание университета и медицинского центра в г. Балтиморе, штат Мэриленд, названных его именем: Johns Hopkins University, Johns Hopkins Hospital.
9
«Джелло» (Jell-O) — полуфабрикаты желе и муссов, выпускаемые в порошке крупнейшим в США производителем пищевых продуктов Kraft Foods Inc., дочерней компанией Philip Morris Cos.
10
Соли Джонас Эдварде (1914–1995) — американский иммунолог. Первым разработал противополиомиелитную вакцину на основе инактивированного формалином вируса, выращенного на клетках обезьяньей почки, так называемую инактивированную полиовакцину (ИПВ), которая с 1954 года широко применялась в США, а также противогриппозную вакцину с двухгодичным сроком действия.
В 1963 году основал в пригороде Сан-Диего (штат Калифорния) Институт биологических исследований, названный его именем.
11
В данном случае могут получаться не полные последовательности генов, а только отдельные их участки (как бы «ярлычки», маркирующее эти гены), которые заносят в банк данных и по которым в дальнейшем можно идентифицировать эту последовательность, если она будет выделена из других источников. Отсюда этот метод получил название «экспрессируемые ярлыки последовательностей» — Expressed Sequence Tags (ESTs).
12
Один из крупнейших в Англии фондов, поощряющий исследования в области медицины. Создан в 1936 году на средства, завещанные выходцем из Америки, получившим британское подданство и возведенным (1932) в рыцарское звание фармакологом Генри Соломоном Уэллкомом, одним из основателей (1880) знаменитой фармацевтической компании Burroughs Wellcome & Со (с 1924 года Wellcome Foundation Ltd), в 1995 году включенной в состав Glaxo (с 2000 года Glaxo Smith Kline).
13
История религиозного движения раэлитов началась много лет назад, когда французский журналист Клод Ворильон взял себе псевдоним Раэль (13 декабря 1973 года ему явился маленький зеленый человек с другой планеты и сообщил, что Клод — дитя инопланетянина (к тому же родной брат Христа), и его настоящее имя — Раэль) и создал секту, члены которой верят, что людей методом клонирования создали инопланетяне. На пожертвования членов секты в 1997 году была создана фирма Clonaid., которая объявила себя «первой в мире» коммерческой фирмой по клонированию человека. В 1999 году Ворильон передал ее своей духовной дочери, доктору химии Брижитт Буасселье.
14
Old. Farmer' s AJjna.na.ch — ежегодный американский журнал, содержащей прогноз погоды, план посевных работ, астрономические таблицы, астрологические сведения, рецепты, касающиеся жизни земледельца, занимательные истории. Впервые был издан в 1792 году Робертом Бейли Томасом, став «долгожителем» среди американских журналов.
15
Вуддс Тайгер (р. 1975; настоящее имя — Элдрик — профессиональный игрок в гольф, считается одним из лучших за всю историю игры. В 15 лет стал самым молодым победителем Национального чемпионата юниоров Ассоциации гольфа США. В 1994 году выступил за команду США на Всемирном любительском чемпионате в Версале (Франция). В 1994–1996 годах три сезона подряд побеждал на чемпионате США среди любителей. В 1996 году перешел в категорию профессионалов и на март 2004 года одержал сорок побед на турнирах Ассоциации профессиональных игроков в гольф. В 2000–2001 годах первым в истории гольфа выиграл подряд все четыре турнира «Большого шлема» (всего на его счету восемь побед). В 2003 и 2004 годах становится победителем неофициального чемпионата мира по матчевой игре.
16
Шведский математик Ларе Эдвард Фрагмен обнаружил в готовящейся к печати статье ошибку, и на издание отложенной на год исправленной статьи Пуанкаре пришлось выложить 3585 крон, зато ошибка помогла математику обнаружить аттрактор (гомоклинические точки), что заложило фундамент теории хаоса (катастроф).
17
Численный прогноз погоды всего на 6 часов, сделанный Ричардсоном, оказался не просто плох — было предсказано появление фантастической бури, а реальная погода оказалась вполне нормальной. Причину ошибки отыскали через несколько лет. А Ричардсон честно, не испугавшись насмешек, опубликовал и результат, и алгоритм расчета. Оказывается, шаг по времени may не должен быть произвольно большим, он ограничивается отношением длины шага по пространству к максимальной скорости. Более полные модели (например, система, которую использовал Ричардсон) описывают процессы с различными скоростями; в частности, нужно учесть и скорость звука. Ограничение на may (условие Куранта-Фридрихса-Леви) было получено спустя пять лет после публикации книги Ричардсона. В разностной схеме Ричардсона условие КФЛ нарушалось, и она была неустойчивой.
18
Хэнди Чарльз (р. 1932) — английский специалист по менеджменту, автор книг: Время безрассудства: Искусство управления в организации будущего (СПб., 2001), По ту сторону уверенности. О новом мире внутри и вокруг организаций (СПб., 2002). Само выражение приводится в кн.: Бодди Д., Пэйтон Р. Основы менеджмента. СПб., 2000.
19
Star Trek («Звездный путь») — научно-фантастический телесериал 1965–1969 годов, ставший особенно популярным во время повторного показа в 1970-е годы. В 1979 году вышел фильм «Звездный путь» («Star Trek: The Movie»), а затем и второй телесериал («Звездный путь: Следующее поколение (Next Generation)», 1987–1994). Автором и создателем мира «Звездного пути» является писатель, сценарист, продюсер, режиссер Джин (полное имя Юджин Уэсли) Родденберри (1921–1991). Этот сериал положил начало суперпопулярной фантастической эпопее. Уже снято четыре телевизионных сериала, всего более 500 серий (скоро начнутся съемки пятого сериала), девять художественных фильмов (десятый появился на экранах в 2001 году), написано более 300 крупных повестей и романов и бесчисленное количество рассказов.
20
Ни «линзовидных дисков», ни «островных вселенных» у Канта в его «Всеобщей естественной истории и теории неба…» (1755) нет. Вот его слова: «Все неподвижные звезды, доступные глазу в неизмеримой глубине неба, где они кажутся рассеянными с какой-то расточительностью, представляют собой солнца и центры подобных же систем… Скопление звезд, расположенных возле одной общей плоскости, составляет такую же систему, как планеты нашего солнечного мира вокруг Солнца. Млечный Путь представляет собой Зодиак этих миров высшего порядка… Разве нельзя на основании столь полного сходства в строении прийти к заключению об одинаковой причине и одинаковом способе образования? Но если неподвижные звезды образуют одну систему, размеры которой определяются сферой притяжения центрального тела, то разве не могут возникать еще иные системы солнц и, так сказать, еще иные млечные пути в безграничном мировом пространстве? Мы с изумлением увидели на небе фигуры, которые представляют собой не что иное, как именно подобные системы неподвижных звезд, ограниченные общей плоскостью, — млечные пути, если можно так выразиться, которые представляются нашему глазу при различном положении относительно его в виде эллиптических образований, мерцающих слабым светом из-за бесконечной удаленности от нас…» (Кант И. Докритические произведения). Далее встречается выражение «рассеянная масса мирозданий» (там же).
21
официальное наименование этого учреждения звучало несколько напыщенно: Федеральное ведомство духовной собственности. Оно возникло в 1888 году. Вначале его штат насчитывал всего 7 сотрудников. В 1908 году их было уже 33, в том числе 18 технических экспертов. В русских дореволюционных изданиях это пользовавшееся широкой известностью учреждение именовалось как Федеральное ведомство умственных ценностей.
22
См. Пайc А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М., 1989 (из статьи «Gmndgedanken und Methoden der Relativitatstheorie in ihrer Entwicklung dargestellt», подготовленной в 1920 году для издающегося с 1869 года британского журнала Nature, но так и не напечатанной).
23
Престижный частный колледж высшей ступени гуманитарного направления для девушек в Кембридже, штат Массачусетс. Основан в 1879 году. Около 2,7 тыс. студенток. Входит в ассоциацию учебных заведений «Семь сестер». Организационно связан с Гарвардским университетом (до 1999 года имел отдельную администрацию, но общие помещения и профессорско-преподавательский состав). В октябре 1999 года официально слился с Гарвардом и преобразован в Радклифский институт перспективных исследований. Выпускницы колледжа получают дипломы Гарвардского университета. Назван в честь меценатки Энн Моулсон, урожд. Радклиф (ум. ок. 1661), учредившей (1643) первую стипендию для Гарвардского университета (основан пуританами в 1634) в 100 фунтов.
24
Стипендия Родса для студентов из США, стран Содружества и Южной Африки; дает право учиться в Оксфордском университете. Фонд учрежден в 1902 году английским политическим деятелем Сесилом Джоном Родсом (1853–1902), активно проводившим колониальную политику.
25
Стипендия Фонда Рокфеллера, филантропической организации, основанной в 1913 по инициативе промышленника и нефтяного магната Джона Дэвисона Рокфеллера. Это самый крупный из фондов семейства Рокфеллеров и второй по величине в США после Фонда Форда. Выплачивается стипендия с 1919 года (сначала американским, а с 1923 года и иностранным учащимся).
26
Относительное изменение длины волны линий в спектре излучения небесных тел Z равно отношению разности лабораторной длины волны линии спектра и длины волны смещенной линии к лабораторной длине волны линии спектра.
27
Обсерватория в штате Нью-Мексико (США), находящаяся в собственности и эксплуатируемая сообществом университетов (Университетом штата Нью-Мексико, Вашингтонским, Чикагским, Принстонским университетами и Университетом штата Вашингтон). Основной инструмент — 3,5-метровый альтазимутальный телескоп для наблюдений в оптическом и инфракрасном диапазонах. Главное зеркало имеет сотовую структуру и изготовлено методом вращательного литья, что делает его в 5 раз легче сплошного зеркала того же размера. В 1997 году для работы по проекту «Цифровой обзор неба» введены в строй 2,5-метровый телескоп и телескоп поддержки с зеркалом диаметром 0,6 м. Цель проекта состоит в том, чтобы собрать изображения и спектроскопические данные о сотнях миллионов астрономических объектов, в том числе слабых галактик. Имеется также телескоп с зеркалом диаметром 1 м, принадлежащий Университету штата Нью-Мексико. Обсерватория начала работу в конце 1990 года.
28
Независимое федеральное ведомство, основанное по инициативе Конгресса в 1950 году с целью содействия развитию фундаментальных и прикладных научных и научно-технических исследований в государственных интересах. Поддерживает и финансирует перспективные разработки в университетах и научно-исследовательских учреждениях. Во главе фонда стоит правление из 24 видных научных и общественных деятелей, назначаемых наряду с директором президентом США с согласия Сената на шестилетний срок и работающих на общественных началах. Его годовой бюджет в 1990-е годы составлял более трех миллиардов долларов. На его долю приходится примерно четверть всех средств, отпускаемых правительством на поддержание фундаментальной науки.
29
Так называемые топологические туннели. Другие названия этих гипотетических объектов — мосты Эйнштейна — Розена (1909–1995), Подольского (1896–1966), горловины Шварцшильда (1873–1916). Туннели могут связывать как отдельные, сколь угодно отдаленные области пространства нашей Вселенной, так и области с различными моментами начала ее раздувания. В настоящее время продолжается дискуссия о реализуемости туннелей, об их проходимости и эволюции.
30
Койпер Джерард Петер (1905–1973) — нидерландский и американский астроном. Открыл спутник Урана — Миранду (1948), спутник Нептуна — Нереиду (1949), углекислый газ в атмосфере Марса, атмосферу у спутника Сатурна Титана. Составил несколько детальных атласов фотографий Луны. Выявил много двойных звезд и белых карликов.
31
Спутник, названный в память об инициаторе данного эксперимента — астрофизике Дэвиде Т. Уилкинсоне. Вес 840 кг. Был запущен в июне 2001 года на околосолнечную орбиту, в точку Лагранжа L2 (1,5 млн км от Земли), где гравитационные силы Земли и Солнца равны друг другу и условия прецизионных наблюдений всего неба наиболее благоприятны. От Солнца, Земли и Луны (наиболее близких источников тепловых шумов) приемная аппаратура защищена большим круглым экраном, на освещенной стороне которого размещены солнечные батареи. Такая ориентация сохраняется в течение всего полета. Два приемных зеркала площадью 1,4*1,6 м2, поставленные «спина к спине», просматривают небо в стороне от оси ориентации. В результате вращения станции вокруг собственной оси за сутки просматривается 30 % небесной сферы. Разрешающая способность WMAP в 30 раз выше, чем у предыдущего спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer), запущенного НАСА в 1989 году. Размер измеряемой ячейки на небе равен 0,2x0,2°, что сразу сказалось на точности небесных карт. Во много раз повысилась и чувствительность приемной аппаратуры. Например, массив данных СОВЕ, полученных за 4 года, в новом эксперименте набирается всего за 10 дней.
32
В течение нескольких секунд наблюдался ослепительный яркий болид, перемещавшийся по небу с юго-востока на северо-запад. На пути движения болида, который был виден на огромной территории Восточной Сибири (в радиусе до 800 км), остался мощный пылевой след, сохранявшийся в течение нескольких часов. После световых явлений был слышен взрыв на расстоянии свыше 1000 км. Во многих селениях ощущалось сотрясение почвы и построек, подобное землетрясению, раскалывались оконные стекла, с полок падала домашняя утварь, качались висевшие предметы и т. д. Многие люди, а также домашние животные были сбиты с ног воздушной волной. Сейсмографы в Иркутске и в ряде мест Западной Европы зарегистрировали сейсмическую волну. Воздушная взрывная волна была зафиксирована на барограммах, полученных на многих сибирских метеорологических станциях, в Петербурге и ряде метеорологических станций Великобритании. Эти явления наиболее полно объясняет кометная гипотеза, согласно которой они были вызваны вторжением в земную атмосферу небольшой кометы, двигавшейся с космической скоростью. По современным представлениям, кометы состоят из замерзших воды и различных газов с примесями включений никелистого железа и каменистого вещества. Г. И. Петров в 1975 году определил, что «тунгусское тело» было весьма рыхлым и не более чем в 10 раз превышало плотность воздуха у поверхности Земли. Оно представляло собой рыхлый ком снега радиусом 300 м и плотностью менее 0,01 г/см3. На высоте около 10 км тело превратилось в газ, рассеявшийся в атмосфере, что объясняет необычайно светлые ночи в Западной Сибири и в Европе после этого события. Упавшая на Землю ударная волна вызвала повал леса.
33
Стайн Гертруда (1874–1946) — американская писательница, теоретик литературы. Модернист. Формально-экспериментальная проза («Становление американцев», 1906–1908, издана 1925) в русле литературы «потока сознания». Биографическая книга «Автобиография Элис Б. Токлас» (1933). Стайн принадлежит выражение «потерянное поколение» (на рус. яз.: Стайн Г. Автобиография Элис Б. Токлас. СПб., 2000; Стайн Г. Автобиография Элис Б. Токлас. Пикассо. Лекции в Америке. М., 2001).
34
Намек: на слова there is no there, there из 4-й главы повести 1936 года (опубликована в 1937 году) «Биография всех», являющейся продолжением ее знаменитого романа «Автобиография Элис Б. Токлас».
35
Поиску подлежат видимые или инфракрасные сигналы (пульсирующие или постоянные) со сверхузкими спектральными линиями, то есть сигналы, источниками которых, скорее всего, являются лазеры или аналогичная инопланетная техника.
36
Обыгрывание слова serendipity, означающего «везение на счастливые находки» и вошедшего в английский язык с легкой руки писателя XVIII века, родоначальника жанра «готического романа» Горация Уолпола (1717–1797) после его знакомства с персидской сказкой «Три царевича из Серендипа», в которой героям необыкновенно везло на неожиданные открытия. Серендхб, как называли Цейлон арабы, представляет собой искаженное заимствование от санскритского составного слова суварна-випа («Золотой остров»).
37
Фибриллярные белки образованы полипептидными цепями, которые расположены параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют длинные волокна (фибриллы), или слои. Нерастворимы в воде и растворах солей. Основные структурные элементы соединительной ткани (коллаген (сухожилия, связки, хрящ), кератин (волосы, ногти) и др.).
38
По имени известного американского биохимика родом из Германии Майкла Россманна (р. 1930), открывшего ее в 1974 году.
39
Шаперонины обеспечивают сворачивание, а шапероны — разворачивание белка. В названии обыгрывается значение английского слова chaperon (провожатая при молодой особе). К настоящему времени описано несколько классов шаперонов, различающихся по структуре и специфическим функциям. Все шапероныотносятся к так называемым белкам теплового шока, синтез которых резко увеличивается в стрессовых для клетки ситуациях. Поэтому сокращенное название этих белков — hsp.
40
По имени американского биохимика Леонарда Хейфлика, открывшего в 1962 году явление старения клетки. Он обнаружил, что при культивировании в питательной среде вне организма in vitro нормальные диплоидные (соматические) клетки человека способны делиться лишь ограниченное число раз. Предельное число делений зависело от возраста того, кому принадлежали клетки, взятые в культуру. Так, клетки от новорожденных детей могли пройти 80–90 делений, в то время как клетки от 70-летних стариков делились только 20–30 раз. Максимальное число клеточных делений было названо пределом Хейфлика (на рус. яз.: Хейфлик Л. Как и почему мы стареем? Советы специалиста. М., 1999; он же. Смертность и бессмертие на клеточном уровне // Биохимия. 1997. Т. 62. № 11).
41
Флавивирусы — семейство вирусов, насчитывающее около 70 представителен и получившее свое название от лат. flaws (желтый), по имени типичного представителя данного семейства — вируса желтой лихорадки.
42
Служит газообразным изолятором для высоковольтных установок, поэтому еще называется элегазом.
43
В оригинале рекомендовался нашатырь (устаревшее название NH4Cl), очевидно как источник азота. По-видимому, легче найти, и разумнее использовать, нашатырный спирт (10 % раствор аммиака в воде, NH4OH).
44
Рисунок удален, сейчас в ходу другие.
45
Уже давно используются пластиковые колпачки, которые осаждаются нагреванием.
46
Смотрите «Получение сока из плодов и ягод» выше.
47
Или большие бутыли с бродильным затвором.
48
Лучше нашатырного спирта, поскольку хлор не потребляется дрожжами, только аммоний. А еще лучше вообще это не добавлять.
49
Еще раз напоминаю, что это устарело. Есть готовые пластмассовые колпачки. В крайнем случае, можно облить парафином.
50
Можно приморозить осадок к пробке льдом или снегом и, затем, без особых ухищрений заменить пробку.
51
Еще одно название пиролизного газа, на этот раз не по процессу, не по назначению, а по устройству.
52
Снимки высоковольтного линейного разряда показывают, что перед самым исчезновением шнур разряда распадается на отдельные шарообразные образования, которые уплывают в электрод. Теория этого процесса изложена в работе: Попов А. Ф. Электричество в атмосфере. Шаровая молния.
53
Кажется, об этом было в журнале Nature, № 1 за 2001 г.
54
В тексте местами употребляется английский язык — документация по английскому языку может быть найдена в интернете.
55
Очень мало программ (примерно 5 %) используют эту службу, зато ее активно используют хакеры для проникновения на компьютер.
56
Этот файл хранит в зашифрованном виде все пароли. Под Windows к нему нет доступа, но под DOS есть.
Последние комментарии
1 час 40 минут назад
5 часов 54 минут назад
8 часов 13 минут назад
10 часов 2 минут назад
15 часов 48 минут назад
15 часов 53 минут назад