Физика - моя профессия

Широка твоя дорога Глава 14

…повествует о том, что к физикам относятся благосклонно не только лица, любящие науку, но и директора фабрик и заводов, озабоченные выполнением производственных планов. Выясняется также, что занятие физикой превосходно совмещается с участием в экспедициях.

Нам не удастся рассказать читателям о физиках, возглавляющих разработку прикладных проблем первой государственной важности и взваливших огромную ответственность на свои плечи. Чтобы успешно работать, этой группе ученых надо обладать всеми свойствами лучших физиков и, плюс к этому, выдающимися организаторскими способностями. Когда-нибудь будет написана книга, посвященная исследователям такого склада характера и рабочего стиля, как у Курчатова и Вавилова, рассказывающая о роли физиков в укреплении военной мощи нашего государства. Большой и важный разговор о деятельности этих исследователей – за пределами нашего повествования. Но было бы несправедливо не посвятить хотя бы одну главу тем девяти десятым, а то и девяноста девяти сотым физиков, которые работают в отраслевых лабораториях.

Не надо думать, что мы обнаружим резкие различия в таланте и знаниях физиков-прикладников и тех, кто занимается естественными науками.

При желании и их можно поделить на теоретиков, экспериментаторов и аппаратурщиков. Правда, специалисты по измерениям в оркестре прикладников играют первую скрипку: очень значительная доля прикладных исследований направлена на создание новой аппаратуры, усовершенствование существующих приборов, придумывание новых способов измерения самых различных физических величин.

Многие физики-прикладники не занимаются исследованием. Они управляют сложными приборами и выполняют с их помощью каждодневную аналитическую или контрольную работу.

Бурный рост прикладной физики приводит к отпочкованию от нее отдельных дисциплин. И электроника, и автоматика, и энергетика, по сути дела, разделы прикладной физики. Но эти области разрослись так широко, что подготовку специалистов в них взяли на себя отраслевые вузы. И тем не менее четкую линию раздела провести между ними крайне затруднительно. Сплошь и рядом над одной проблемой работают как выпускники физического факультета университета, так и факультета электроники технического вуза. Поэтому я надеюсь, что читатель, пробегая глазами эти страницы, не станет пререкаться с автором на тему – прикладная это физика или какая другая наука?

…промышленности. Представим себе современный завод авиационных моторов. Это гигант, тысяч на двадцать рабочих. В нем цехи по производству картеров, коленчатых валов, вкладышей, шатунов… К центру завода – сборочному цеху – стекаются потоки деталей, которые, соединяясь вместе, превращаются в двигатель. Готовый мотор испытывается на стенде, подписывается акт, свидетельствующий о безупречном качестве, и мотор можно монтировать на самолет.

Конечно, успешные стендовые испытания двигателя не плохая гарантия. Но не сто процентов. А ведь речь идет об авиационном моторе, поломка которого может стоить многих человеческих жизней. Чтобы это было так же невероятно, как землетрясение в Москве, гарантию качества должен дать каждый цех, а не только сборочный. Тот, кто делает шатуны, обязан поручиться за каждый из них; немыслим дефектный вкладыш; недопустимы царапины на коленчатых валах и внутренние пустоты в картерах.

Чтобы с полной ответственностью объявить абсолютную бездефектность детали, нужен контроль. Самые различные физические методы приходят контролю на помощь. Просвечивание рентгеновыми лучами позволяет найти в металле неоднородности любого сорта. Самые маленькие трещины и включения будут обнаружены придирчивым взором физика, рассматривающего рентгеновскую пленку или наблюдающего за светящимся экраном, на котором четко обрисовывается тень детали.

Рядом со станком, на котором точат коленчатые валы, расположен прибор для нахождения мельчайших поверхностных трещин методом магнитной дефектоскопии. Вал намагничивается и в этом состоянии обливается жидким маслом, в котором взвешены магнитные частицы. Масло стекает, а частицы прилипают к тем местам металлической поверхности, где есть не видимые глазом трещинки.

Магнитные приборы имеются и в других цехах. Неправильная термическая обработка, неверная толщина напаиваемого слоя – эти ненормальности сказываются на свойстве, называемом магнитной восприимчивостью. Задача физика – разработать разные способы измерения этой величины, и чтобы они были быстрыми, удобными, точными и сочетались с формой детали, с материалами, из которых она изготовлена. А новая деталь – новая проблема.

За хорошую работу рентгеновских аппаратов, за разработку новой методики просвечивания отвечает рентгеновская лаборатория завода. За налаживание во всех цехах магнитных измерений несет ответственность магнитная лаборатория.

Металлургический завод немыслим и без спектральной лаборатории. Наиболее эффектным является применение спектрального анализа для непрерывного контроля состава сплава, который готовит литейный цех. Сплав должен удовлетворять строгим требованиям. В технических условиях перечислены все нужные добавки, содержание которых должно укладываться в заданные рамки, например не больше 3, но и не меньше 2.5 процента. Указаны также допустимые пределы содержания нежелательных примесей: допустим, не больше 0.01 процента.

Наверное, некоторым читателям представляется такая картина: мастер держит в руках технические условия, перед ним точнейшие весы.

– Отвесить 25.17 килограмма меди, – командует мастер, – а теперь 3.25 килограмма кремния.

Оказывается, такая картина не имеет и отдаленного сходства с действительностью. В плавильную печь загружается различное смешанное сырье и бракованные детали так, что заранее состав не может быть точно известен. Как только шихта расплавилась – немедленно нужны сведения о составе. Пневматической почтой направляется проба в лабораторию. Считанные секунды – и образец зажат в держателях спектрографа. Поворотом ручки подано напряжение, кончик образца нагрет выше температуры Солнца. Металл начинает испаряться. В пламени дуги светятся атомы – каждый сорт атомов по своему неповторимому закону. Свет, излучаемый атомами, падает на стеклянную призму, а она развертывает в спектр заключенное в нем богатство цветов. На экране, на фотопластинке или на телевизионном экране вспыхивают линии.

Своих характерных представителей имеет среди частокола спектральных линий каждый сорт атомов.

– Линия железа слишком сильна! Процент железа надо уменьшить! – командует спектральная лаборатория и сообщает результат анализа по телефону.

Мы описали работу трех лабораторий, в которых успешно трудятся физики. Их может быть и больше. На многих предприятиях физический отдел составляет что-нибудь около половины или трети центральной заводской лаборатории.

Работа в физическом отделе крупного завода с разнообразным и меняющимся ассортиментом продукции требует большой изобретательности, остроумия, широкого образования. И, кроме того, – это уже подчеркивалось в другом месте – надо знать не только физику, но и ту область, которой физика служит.

…медицины. Не знаю, фигурирует ли в официальных документах термин – медицинская физика. Если нет, то не сомневаюсь, что скоро появится. С каждым годом физические методы измерения все шире используются в диагностике. Сложнейшие физические приборы появились в операционных палатах. И лишь не видно заметного прогресса в проникновении физики в лечебную практику. Кварцевая лампа и аппарат д'Арсонваля по-прежнему являются основными орудиями физиотерапевта. Возможно, это мое мнение как неспециалиста неверное, но должен заметить, что обратила на себя внимание лишь одна новинка – электросон. К голове пациента прилаживают электроды, и несложная установка посылает ритмичные импульсы, убаюкивающие человека, страдающего самой злой бессонницей.

Нетрудно понять, почему физические методы заняли передовые посты в диагностике. Крайне разнообразны физические процессы, протекающие в организме, и все они поддаются объективному физическому контролю. Скажем, микрофоны, присоединенные к усилителям, могут измерять все шумы и стуки сердца, специальные же приборы разложат эти колебания в спектр. А известно, что у больного и здорового человека такие спектральные кривые совершенно разные. Я вспоминаю, что в Азии врачи различают до сотни различных пульсов. Длительное и тщательное прощупывание пульса служит основным диагностическим средством. Поскольку такой диагностике, видимо, не легко научиться, то почему бы не поручить эту задачу звуковому анализатору.

Измерение кровяного давления сейчас не сложнее измерения температуры градусником. Но результат такого измерения весьма груб. А почему не придумать иной способ измерения скорости движения крови по различным артериям и венам, который показывал бы любое малейшее отклонение от нормы!

Варварским способом анализируют врачи желудочный сок. Признаюсь, мне делали такой анализ один раз в жизни и… я больше делать не буду. Заглатывание длинной резиновой кишки слишко ярко запечатлелось в памяти.

А нельзя ли добиться следующего: предложить пациенту проглотить маленький приборчик, который, путешествуя по пищеводу, стал бы по дороге проводить анализ и радиосигнализацией сообщать о том, что там внутри делается. Фантастика? Ничуть! Уже имеются такие предложения и как будто выполнены они не только на бумаге.

Исключительные возможности для диагностики дает применение меченых атомов. Счетчики превосходно ощущают на расстоянии ничтожные количества радиоактивного вещества, столь ничтожные, что они не оказывают организму ни малейшего вреда. Быстрота усвоения и движение того или иного элемента по организму успешно прослеживаются этим методом.

Сокращения сердца сопровождаются токами, которые меряет электрокардиограф. Многолетние наблюдения позволили врачам установить соответствие между видом электрокардиограммы и болезненным состоянием организма. Для извлечения из этого метода всех его возможностей нужна теория – картинки пиков и зазубрин должны получить свое объяснение.

Кривые электрической активности мозга, которые получаются прикладыванием электродов к черепной коробке, могли бы многое рассказать нам о состоянии нервной системы. Могли бы, если бы мы научились расшифровывать их загадочные волны. А нам далеко еще до этой цели. Правда, накопление и обработка опытного материала идут полным ходом. Токи мозга немедленно отзываются на все ощущения – вкус соленого или сладкого на языке, музыка или шум, световой сигнал разной яркости и цвета. Любое ощущение сказывается на этом пока что таинственном носителе информации. Различные места головы по-разному реагируют на внешние раздражения. У больных и здоровых людей кривые разные.

Сначала наблюдатель токов мозга приходит в уныние от бесконечного разнообразия кривых. На экране осциллографа бьется, как в лихорадке, запутанная причудливая кривая. Видно только, что она меняет свой вид, когда мозг отзывается на какое-нибудь событие. Но как разобраться в ворохе пиков?

Недавно был достигнут существенный прогресс в анализе загадочных кривых. Электрические токи, прежде чем поступить на рассмотрение исследователя, подвергались обработке быстродействующей электроносчетной машиной. Остроумно составленная программа позволяла отсеивать «случайные» беспорядочные пики. Была поставлена задача вытащить из кривой тока только те пики, которые регулярно повторяются. В результате удалось сопоставить внешнему раздражителю характерное изменение токов мозга. Эти исследования (они только-только начались) представляются чрезвычайно многообещающими. Хочется думать, что через десятилетия станет возможным прямой «расспрос» нервной системы о ее самочувствии.

Целый ряд замечательных успехов хирургии был бы невозможен без привлечения к работе физиков. Многие слыхали, конечно, о замечательных операциях на сердце. В ряде случаев они возможны лишь при существенном снижении температуры тела. Это достигается разными методами. Например, можно отвести кровяной поток от его обычного русла, пропустить через охладительную установку и вернуть телу, охладив на несколько десятков градусов.

Хорошо известные физикам приемы регулирования температуры были поставлены на службу медицины.

Физики в медицине заняты сегодня творческим трудом. Приборы и аппараты, придумываемые ими, должны быть предельно просты в эксплуатации и хорошо работать в руках врачей, которые имеют право не разбираться в их принципе действия и устройстве.

В медицине работают обычно физики, входящие в отряд аппаратурщиков. Широкое значение экспериментальной физики, свободное знакомство с техникой всех физических измерений, техническая сметка, хорошие руки и специфическая интуиция, позволяющая из многих решений, ведущих к цели, выбрать самое эффективное и простое, – вот те требования, которым должен удовлетворять этот исследователь.

…филологии. Не хочет ли автор сказать, что в институте, где изучают грамматику и синтаксис, анализируют строение фраз, сопоставляют корни разноязычных слов, описывающих одно понятие, будет действовать физическая лаборатория? Зачем же вести речь о будущем! Загляните, например, в Московский институт иностранных языков – там давно уже работают физики.

Давайте прежде всего вспомним, что в число языковых дисциплин входит фонетика – учение о произношении слова. Каждый изучавший иностранные языки прекрасно знает, что за орешек чужое произношение. Если не выучиться правильно выговаривать иностранные слова, тебя не поймут. Впрочем, самое главное – это приучить ухо к чужому произношению. Совершенное знание языка состоит прежде всего в свободном понимании речи иностранца.

Чтобы научиться понимать чужую речь со слуха и открыть тайны правильного произношения, учитель иностранных языков должен знать фонетику. Не трудно понять, что обучение фонетике может быть вознесено на совершенно новый уровень, если привлечь на помощь спектральный анализ звука.

Частоты колебаний звуковых волн, которые создают в окружающем воздухе оживленно болтающие собеседники любых стран и народов, лежат примерно в пределах от 300 до 5000 герц. Как известно, любое звучание объективно обрисовывается спектральным составом звука. На холодном языке физики различие между паническим криком, мелодично пропетой нотой или возгласом восторга лишь в том, что разные частоты колебания представлены в звуковой волне с разными интенсивностями.

Существуют великолепные и далеко не простые физические приборы – анализаторы звука, которые позволяют перевести на язык цифр шипящее английское «th» или колокольчиковое французское «en».

Конечно, у различных людей разный тембр голоса. Поэтому наиболее интересной задачей является поиск тех общих признаков, которые характерны для «усредненного» произношения иностранца.

На спектральную звуковую кривую влияет и интонация, которая может быть весьма различной у одного и того же человека. После консультации у врача больной язвой желудка возвращается домой.

– Доктор сказал резать! Резать? – спрашивает бедняга у жены.

Одинаковые слова звучат по-разному. Изменением одной лишь интонации меняется смысл фразы. Как отражается интонационная окраска на звуковом спектре? Это интересный для филолога вопрос, который только в последнее время начали исследовать.

Много новых проблем в языкознании всплыла наружу, когда начались систематические работы по машинному переводу с одного языка на другой. Прежде чем научить машину производить какие-либо операции, надо до самого донышка понять сущность задачи тому, кто составляет программу для машины. Кстати говоря, не только в филологии, но и во множестве других областей эта необходимость привести в строжайший порядок свои собственные мысли приносила и будет приносить исследователям пользу.

Занявшись обучением машины переводу, математики-филологи обнаружили, что раньше надо получше самим разобраться в том, как и почему мысль находит свое выражение словами. Надо ответить, почему мы говорим так, а не иначе, почему порядок следования слов в одних случаях фиксирован, а в иных – произволен. Скажем, «он взял чашку со стола», но не «чашку он взял стола». В то же время ничуть не хуже первого варианта – «он взял со стола чашку». Машина должна знать, что второй вариант плохой. Но в процессе ее обучения перед нами, естественно, встает вопрос, а чем же хуже второй вариант?

В поисках удобного языка, обладающего исчерпывающими возможностями для передачи самых сложных мыслей, филологи установили, что правила такого языка могут быть во много раз проще правил живой речи. Сразу же возник вопрос, имеются ли основания для бесконечного числа оттенков, которые могут быть приданы одной и той же мысли игрой словами?

Изучая законы конструирования фраз, филологи приходят к заключению, что природу нельзя упрекнуть в расточительстве. Богатство языка, гибкость речи и многообразие представлений одной мысли являются, как оказывается, способом разгрузки памяти. В ряде последних работ показано, что упрощение языка привело бы к необходимости увеличения «глубины» памяти. Как бы это пояснить?

В языке с упрощенными и однозначными правилами речи нужное слово находится в ящичке мозга, к которому ведет один-единственный путь. Где-то в одном из тупиков лабиринта лежит нужная вещь. Путь к ней только через один вход, остальные ворота не ведут к цели; и, следуя по первому коридору, надо сделать поворот направо, в третий переулок, другие повороты к цели не приведут.

В реальном языке нужное слово спрятано не глубоко; к ящичку, где оно хранится, ведет множество путей. Насколько упрощается поиск нужной вещи, если можно войти в лабиринт через несколько ворот и наткнуться на нужную вам вещь сразу!

Глубина памяти здесь – отрицательное свойство (лучше было бы филологам изменить терминологию, со словом «глубина» ассоциируются комплименты). Она характеризуется «числом поворотов», которые приходится сделать, чтобы добраться до нужного слова. Теория, с которой я познакомился, утверждает, что наш язык (таков, как он есть) позволяет обходиться наименее глубокой памятью.

– Чрезвычайно увлекательные исследования, но при чем здесь физики? – спросит читатель.

Право, чтобы разобраться в проблеме, надо обладать хорошим физическим мышлением. Математическая филология может быть отнесена к естествознанию по той причине, что эти исследования неразрывно связаны с проблемами параллелей в работе мозга и электронно-счетной машины.

…науки о Земле. Он рассказывает о тропических закатах и полярных сияниях, о необитаемых атолловых островах и живописных оазисах в пустыне. Его слушают, ему завидуют. Шутка ли, где только человек не побывал, чего только не видел этот географ-путешественник! А что интересного может рассказать физик, если он ограничен стенами лаборатории?

Такая точка зрения казалась,вполне естественной. И правда, еще не так давно географы-путешественники были монополистами в описаниях сказочных красот земли и необыкновенных и загадочных явлений природы. Но времена переменились! Теперь физики подымаются на аэростатах, плавают на подводных лодках, опускаются в кратеры вулканов. Они зимуют на Северном полюсе, проникают в глубь Антарктиды, совершают кругосветные плавания. А географы? Им приходится проводить время в тиши научных кабинетов, для того чтобы усиленно изучать физику. Иначе они рискуют тем, что физики не будут брать их с собой в милые их сердцу экспедиции.

Пришло время, когда лабораторией физика стал весь земной шар. И опыты в этой лаборатории иногда связаны с такими экзотическими путешествиями, которым могут позавидовать знаменитые первооткрыватели. Пожалуй, морская геофизика в этом отношении вне конкуренции.

На гребнях океанских волн показалось маленькое деревянное судно под парусами! Нет, это не остатки пиратской флотилии XIX века. Чтобы изучить магнитное поле нашей планеты, физики на антимагнитной шхуне «Заря» бороздят Мировой океан. Физика, проплававшего на «Заре», не удивишь никакими рассказами о диковинках заморских стран, о тропических ливнях и тропической жаре, о нравах туземцев на островах Полинезии.

А не заманчивы ли кругосветные путешествия «Витязя» – этой огромной плавучей лаборатории? Физики являются обычно не только участниками походов «Витязя», но диктуют капитану маршруты в соответствии со своими научными планами. Планы же эти многообразны и увлекательны.

Ограничусь лишь одним примером.

Океанские глубины «достигают» высот Эвереста. Покоится или движется вода на дне океана, отдаленном на многие километры от земной поверхности? Может ли частица воды из таких глубин подняться на поверхность или нет? А если может, то сколько времени на это ей понадобится?

«Что за странные вопросы? – спросит читатель. – Кому это нужно знать?»

Еще в сороковых годах отходы атомной промышленности было предложено сбрасывать в глубины океана. Но что, если воды вынесут эту радиоактивную отраву с глубин на поверхность? Что случится с рыбой? А с человеком, съевшим эту рыбу?

Очевидно, вопрос о времени, нужном на такой подъем с глубины на поверхность, является решающим. Если это время оказалось бы значительно больше времени распада радиоактивных атомов, то отходы, достигшие поверхности, были бы уже безвредными. А если нет? Кто отважится тогда сбрасывать радиоактивные отходы в океан?

Так родился интерес к проблеме глубинной циркуляции вод в океанах. Потрудиться пришлось как физикам-экспериментаторам, так и теоретикам.

Экспериментаторам надо было учиться измерению скорости течений на глубинах в несколько тысяч метров да к тому же заранее учитывать, что эти скорости очень невелики – всего лишь несколько сантиметров в секунду. Так как точные измерения трудны, а то и невозможны, сотрудничество теоретиков в расчетах тех же скоростей глубинных вод необходимо. Ответы физиков на поставленный вопрос были жизненно важны для судьбы океана.

Экспериментаторы изобрели поплавки нейтральной плавучести, которые опускались на большие глубины. По их перемещению в течение длительного периода времени удалось определить, что на больших глубинах возможны интенсивные движения вод. Так был впервые зажжен красный свет сбросу радиоактивных отходов в глубь океана. Теоретики хотя и не пришли к вполне согласующимся между собой результатам, однако получили следующий наиболее важный вывод: частицы воды могут подняться с глубин океана на его поверхность за время, сравнимое с временем распада наиболее активных элементов в продуктах отходов.

Итак, теоретики и экспериментаторы установили такой неоспоримый факт: опасность заражения океана в случае использования его как кладбища для радиоактивных отходов существует.

Вот видите, какими важными проблемами занимаются путешествующие физики.

Но для профессии физика не заказана и земная бродячая профессия – геологическая разведка.

В геофизике есть раздел – гравиметрия. Это учение об измерении тяжести. В разных местах земного шара одна и та же граммовая гирька весит (то есть притягивается землей) по-разному. Различия обнаруживаются с помощью на редкость точных приборов, скажем, кварцевыми крутильными весами. Устроены и работают они так. Горизонтально натягивается кварцевая нить, к ней приваривается рычаг. Взвешиваемый груз заставляет рычаг слегка закрутить нить. Силы в миллионные доли грамма измеряются подобными весами.

Со своими приборами физики отправляются в далекие путешествия и там наблюдают за поведением гравитаций. Изменение силы тяжести против «нормы данного места» говорит о том, что под землей есть руда. Местные аномалии (отклонения) силы тяжести служат физику так, как маленькому Муку из сказки Гауфа служила волшебная палочка, стучавшая о землю там, где находилось золото или серебро.

Практическое значение подобные методы разведки имеют для поисков нефти. Гравитационные методы легко обнаруживают подземные соляные купола (сила тяжести понижается в этих местах), а очень часто в местах, где есть соль, оказывается и нефть. Так было открыто «черное золото» в Казахстане.

Конечно, интересно быть геофизиком и иметь возможность много путешествовать. Но ведь в конце концов может надоесть разъезжать по белу свету. Что же тогда? Менять профессию? Нет, геофизик может трудиться и в лаборатории.

Возможно, сочетание слов «геофизик» и «лаборатория» покажется странным. Ведь геофизик исследует природу, его инструменты должны быть установлены на воле и улавливать закономерности в течениях рек, в порывах ветров, в сверкании молний, а это не установишь, работая в четырех стенах. И все же это не совсем верно. Не говоря уже об изготовлении и изучении действия сложной аппаратуры, геофизик может посвятить свою жизнь изучению вселенной путем моделирования природных процессов. Более того, в некоторых случаях такой путь является основным. Конечно, интересно ловить приборами настоящую молнию в грозовых районах. Но грозы бывают не так часто, да и природа предоставляет в наше распоряжение не «чистое» явление, а осложненное массой побочных случайных факторов, затемняющих главное. Поэтому в законах молний не разобраться, если не изучать в лабораторных условиях искусственную молнию. На модельной установке можно по очереди испытать роль разных факторов и лишь потом попытаться проверить установленные правила, изучая природное явление, в котором все факторы действуют одновременно.

Сверхвысокие температуры, царящие на солнце, сверхвысокие давления, которые действуют в сердцевине земного шара, высокий вакуум, сильно ионизированный воздух можно осуществить в лабораторных условиях, изучить особенности этих необычных условий и таким образом подобраться к важным выводам для науки о Земле.