Запасные части для коммунальной и дорожно-строительной техники

Физмат

2007. Витковски Н., "Поезд для Кристиана Доплера".


Поезд для Кристиана Доплера.

Витковски Никола, «Сентиментальная история науки», М.: КоЛибри, 2007, стр.287-295.

        Поезд для Кристиана Доплера.

        Фризские коровы, собравшиеся вдоль дороги Утрехт-Маарсен в тот морозный октябрьский день 1844 года, были вне себя от удивления: как, сегодня нет поезда? О, да вот же он! Только без обычных вагонов, а на единственной открытой платформе трясутся какие-то люди, причем некоторые из них пытаются играть на трубе. По возвращении на вокзал Утрехта вся группа признала свою неудачу, но её руководитель Кристоф Бейс Баллот (1817-1890), профессор физики в университете, пообещал повторить эксперимент весной.
        3 июня 1845 года. На этот раз погода хорошая. Иными словами, уточняет Бейс Баллот, температура 20,8С, а давление 750,8 мм рт.ст. Всё готово: линия, соединяющая Утрехт с Маарсеном, перекрыта в научных целях по приказу министра внутренних дел, трое музыкантов, расположившись в открытом вагоне, настраивают свои корнет-а-пистоны, и несколько групп наблюдателей, обладающих абсолютным слухом и снабженных карандашом и блокнотом, распределены вдоль путей через четко определенные интервалы. Как только поезд разовьет свою максимальную скорость в 70 км/ч., музыканты заиграют в унисон и что есть мочи, чтобы перекрыть шум локомотива, ноту ля, а наблюдатели вдоль путей будут стараться оценить в половинах и четвертях тона её искажение, возникающее из-за движения поезда. Но чем проще принцип, тем сложнее его проверить. Бейс Баллот собрал не менее четырнадцати человек и поделил их на четыре группы: три – вдоль путей на расстоянии 400 метров одна от другой, а четвертая – в самом вагоне. Две основные трудности: во-первых, инструменты должны быть точно настроены, во-вторых, играть нужно начать вовремя, не слишком далеко, но и не слишком близко от слушателей, чтобы они смогли распознать отклонение в одну восьмую долю тона, но чтобы при этом им не мешал шум локомотива. Эксперимент будет повторен ещё раз через два дня с немного измененными правилами (на всякий случай), с другой скоростью поезда и другими музыкальными инструментами (трубами), так же придирчиво настроенными, и даст результат, ожидаемый миром – а точнее, не ожидаемый никем. Проверка, проводимая с такими затратами, была бесполезной: никто и не сомневался в «эффекте Доплера». В конце концов на своем локомотиве Бейс Баллот докажет – и с какой помпой! – то, что все и так уже считали доказанным.
        Если сегодня изменение частоты издаваемого движущимся источником звука очевидно – для наблюдателя, находящегося у края дороги, шум автомобиля кажется более высоким, когда автомобиль приближается, и более низким, когда он удаляется, - то во времена, не знавшие быстрых средств передвижения, это было не так. Но в действительности Бейса Баллота интересовал не сам звуковой эффект Доплера. Стоило только исторические завывания корнет-а-пистонов перевести в цифры и математически обработать, как пошел серьезный разговор: приложение эффекта к цвету двойных звезд... Основополагающая статья Кристиана Доплера («О свете двойных звезд и некоторых других небесных явлениях», 1842) даже в самом своем названии содержит упоминание этого любопытного феномена (большинство звезд, имеющих компаньона, показывают различные цвета) как одного из проявлений эффекта, названного его именем. Вот так, через звезды, Кристиан Доплер (1803-1853) привлек внимание к своей теории звука. Сын каменотеса из Зальцбурга (что бы подумал Моцарт о железнодорожном концерте?), Доплер родился хилым, чтобы продолжать дело своего отца, зато с явными способностями к языкам, математике и вырезанию силуэтов из бумаги. В 1830-е годы он не мог найти преподавательскую работу и чуть было не уехал в Америку. Но в конце концов Пражский университет, а потом и Институт физики в Вене предложили ему хотя и очень изнурительные (курс в 400 студентов в Праге), но престижные должности с жалованием, не способствовавшим улучшению болезненного состояния его легких. Именно в Праге ему подмигнули двойные звезды. Для того, чтобы объяснить изменение их цвета, он выписал уравнение  для вариации высоты звука, носящего его имя, и обобщил его для источников света: если две звезды одинакового цвета (например, желтые) вращаются вокруг друг друга, то та звезда, которая к нам приближается, должна казаться излучающей свет бОльшей частоты, а другая – меньшей. Иначе говоря, первая покажется посиневшей или позеленевшей, а вторая покраснеет... Опубликованная им статья поначалу не получила никакого отклика, кроме вялых прений, в которых он отказался принимать участие. И последующие статьи не принесли ему славы. Зато он запомнился как декан университета, отказавший в зачислении будущему основателю генетики Грегору Менделю (1822-1884) («Очевидно, что у кандидата хорошее образование, но в физических науках он не поднялся выше самого элементарного уровня»), а потом сделавший его одним из своих самых любимых учеников. Между тем проблемы с дыханием усугублялись, и он, бросив в Вене жену и двоих детей, уехал умирать в Венецию.
        За восемь лет до этого, едва покинув поезд, Бейс Баллот открыл огонь по теории двойных звезд, пользуясь аргументами, которые заставляют вспомнить о парадоксе светофора. Этот парадокс заключается в следующем: если ехать на машине очень быстро, даже очень-очень быстро, со скоростью, которой нельзя пренебречь в сравнении со скоростью света (равной примерно миллиарду километров в час), то красный свет светофора (приближающегося с той же самой скоростью) покажется из-за эффекта Доплера зеленым... А значит нет причин тормозить! Рассуждая  аналогичным образом, Бейс Баллот утверждал, что действительно быстро движущаяся звезда должна была бы так посинеть или так покраснеть, что стала бы совсем невидимой. Это возражение довольно веское, оно указывает на одну из слабых сторон рассуждения Доплера, считавшего, что все звезды белые, а цвет всегда указывает на их приближение или удаление. В действительности же цвет прямо связан с температурой звезды, причем он представлен не одной световой частотой, а целым спектром, простирающимся от инфракрасного излучения до ультрафиолетового. Но нельзя сказать, что Доплер совсем неправ: среди различных типов двойных звезд спектрально-двойные и в самом деле распознаются только с помощью эффекта Доплера, значение которого признано во всех разделах астрономии. Более того: после кардинального улучшения методов измерения смещения линий светового спектра благодаря работам Армана Ипполита Физо (1819-1896), Леона Фуко (того самого, который маятник; 1819-1868) и Луи Клемана Брегета (того самого, который часы; 1804-1883), астрофизики начала ХХ века смогут с помощью эффекта Доплера определять скорости галактик, сделать вывод об их общем разлете по отношению друг к другу, чтобы затем мысленно «обратив» это движение вспять, заключить: в определенный момент в прошлом (около пятнадцати миллиардов лет назад) Вселенная находилась в сверхплотном и перегретом состоянии, которое едва ли адекватно описывается ономатопеей Big Bang (Большой взрыв).
        Так что Доплер, говоря без преувеличений, учуял крупную дичь. Бейс Баллот не получил своего шанса, но благодарные потомки чтят его за устроение первой общеевропейской метеорологической сети, что позволило ему до конца жизни заполнять таблицы и вычерчивать кривые (см. Приложение). Любой уважающий себя моряк, наконец, знает закон Бейса Баллота, согласно которому стоящий лицом к ветру (Для Северного полушария; для Южного – наоборот) почувствует понижение давления воздуха слева и повышение справа. Но для объяснения этого явления достаточно учесть вращение Земли, эффект Доплера здесь ни при чем...

        Метеогадания.

        Пастор и сын пастора Кристоф Бейс Баллот иногда путал науку и предсказания. В любопытном сочинении, датированном 1847 годом, «Периодические изменения температуры, обусловленные природой Солнца и Луны», анализируя вечную неразрешимую проблему влияния звезд на климат, автор проповедует о «предвидении [sic] погоды»:
        «Чернь всё ещё верит в непосредственное воздействие божественного на метеорологические явления – мнение, исключающее возможность всякого предсказания, так как Провидение не укладывается ни в какие наши расчеты: оно посылает дождь или засуху, грозу или штиль, изобилие или бесплодие <...>  Но, рассматривая эти явления как инструменты божественной благодати или божественного гнева, человек опускается до уровня индейцев, постоянно осмеиваемых нами со времен лунного затмения, предсказанного Колумбом как знак гнева их богов и воспринятого ими как таковой! Никто в просвещенной Европе не трепещет при виде затмений. Никто не сомневается в их соответствии с точностью до минут предсказаниям астрономов. Не абсурдно ли, что столько людей пугается при виде метеора, или полярного сияния, или шаровой молнии, тогда как тысячи других взирают с жалостью и чувством превосходства на их пустые страхи, однако сами пытаются молитвой отвести дождь или бурю? Словно эти явления не были тоже упорядочены мудрым и всеблагим Господом...»
        Почти полтора века спустя после этих прекрасных слов и несмотря на появление суперкомпьютеров, метеорология почти не утратила своего божественного характера в силу непредсказуемости погоды, а молитва остается одним из методов управления ею, ничуть не худшим, чем все прочие.

Справка:

Витковски Никола, французский профессор физики, издатель и редактор, известный во Франции своей популяризаторской деятельностью в научной сфере.