VIVOS VOCO: В.Г.Сурдин, "Эффект инженера Ярковского"

Эффект инженера Ярковского

В.Г.Сурдин,
кандидат физико-математических наук
Государственный астрономический институт им.П.К.Штернберга (МГУ)

В последнее время в связи с астероидной опасностью, грозящей нашей планете, астрономы все чаще используют новый термин - эффект Ярковского. Суть эффекта проста - об этом я расскажу ниже, - но кто такой Ярковский? Авторы по-разному называют его имя, специальность и даже национальность: “польский ученый”, “русский инженер”. Заинтересовавшись, я нашел труды и жизнеописание И.О.Ярковского (1844-1902) и был очарован личностью этого самобытного человека, талантливого инженера и вдумчивого естествоиспытателя.

Иван Осипович Ярковский родился в Витебской губернии, в местечке Освей, где отец его состоял домашним врачом у графа Шадурского. Ивану было три года, когда он потерял отца. Его мать, оставшись без средств, переселилась в Москву, где нашла место гувернантки. Начальное образование Иван получил в школе при Католической Петропавловской церкви в Москве и был принят на казенный счет в Московский Александринский сиротский кадетский корпус.

С детства Иван Ярковский проявлял способности к математике и механике: еще в кадетском корпусе он изобрел дальномер, за что получил от Великого князя Михаила Николаевича золотые часы. По окончании Корпуса в 1862 г. Ярковский был отправлен прапорщиком артиллерии на Кавказ, где и прослужил шесть лет. Атмосфера воинской службы характеризовалась им весьма любопытно: “среда была интеллигентная, всех интересовала литература, много читали”. Тем не менее Иван Осипович страстно желал продолжить образование и хлопотал о поступлении в Военно-инженерную академию. Разумеется, молодому офицеру не хотелось оставлять военную службу, сулившую вполне обеспеченную жизнь. Однако хлопоты не увенчались успехом. Получив отказ, Ярковский пытается собственными силами пробить себе дорогу: едет в Петербург и поступает в Технологический институт.

И.О.Ярковский (1844-1902).

Оставшись без средств, он торопится с окончанием института и поступает на второй курс механического отделения. За время учебы перебивается случайным заработком вроде изготовления проектов, а также издает таблицу умножения до тысячи, которая в то время, при отсутствии счетных линеек и иных механических приборов, представляла немалое удобство при вычислениях. Весной 1869 г. Ярковский сдает все экзамены за первый и часть второго курса. Совет института разрешает ему держать осенью того же года остальные экзамены за второй и за весь третий курсы, что он и исполняет блестяще, и к началу учебного года становится уже стипендиатом четвертого курса. В 1870 г. он кончает институт технологом первого разряда и сразу же по поручению частной фирмы едет в Берлин, где знакомится с машиностроительными заводами. Осенью того же года он поступает на Киево-Брестскую железную дорогу обер-машинистом, а затем - начальником депо в Казатине.

В 1872 г. Ярковский возвращается в Петербург, где в мае защищает диссертацию “Проект машины для водоснабжения и теоретическое исследование механизма”, за что получает звание инженера-технолога и командировку за границу на год. Вступив в июле 1872 г. в брак с Еленой Александровной Шендзиковской, он с женой уезжает за границу, чтобы ознакомиться с механическими заводами Германии, Бельгии и Франции.

В 1873 г. Иван Осипович возвращается в Петербург и поступает на Московско-Брестскую железную дорогу, сначала в Минск на должность сборного мастера, затем, год спустя, переводится в Смоленск начальником депо, наконец, в 1876 г., в Москву начальником вагонных мастерских. Здесь он прослужил около 20 лет, выполнив за этот период много технических и научных работ. Он устраивает особые печи для сжигания нечистот, вводит нефтяное отопление для сварочной печи и разрабатывает парообразователь оригинальной системы. Для сравнения смазочных масел Ярковский строит особый прибор, на котором попутно производит многочисленные опыты, изучая сопротивление воздуха движению крыльев. Он делает много интересных докладов в Московском отделении Императорского русского технического общества и избирается председателем его механической группы.

Не довольствуясь только технической деятельностью, Ярковский посвящает свой досуг научным вопросам. В 1887 г. он выдвигает “кинетическую гипотезу всемирного тяготения”. В ней тяготению дается чисто механическое толкование: Ярковский полагал, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. Всем прочим физическим явлениям также дается “кинетическое” объяснение. Ярковский представлял эфир (гипотетическую среду, переносящую световые колебания) как вполне материальный газ из микроскопических твердых частиц. Атомы же химических элементов он считал значительно более крупными агрегатами эфирных частиц. Каждое физическое тело, по мысли Ярковского, постоянно поглощает частицы эфира, которые внутри него объединяются в химические элементы, увеличивая тем самым массу тела - таким образом звезды и планеты растут. А эффект гравитации, как легко понять, сводится к простому экранированию: присутствие рядом с вами массивного тела, поглощающего поток эфирных частиц, вызывает асимметрию действующего на вас “эфирного давления”, что и проявляется как притяжение к этому телу.

Ярковский вполне сознавал, что его гипотеза вызовет массу возражений. Но будучи человеком основательным и преданным науке, он отнюдь не желал явить миру сырой материал и навсегда остаться непризнанным гением. Напротив, он хотел получить критические отзывы ученых, чтобы иметь возможность полнее разработать гипотезу, прежде чем выносить ее на широкую аудиторию. Поэтому он издает свою работу на французском языке под названием “Hypothese cinetique de la gravitation universelle, en connexion avec la formation des elements chimiques” (1888) и не пускает ее в продажу, а рассылает персонально только ученым разных стран. Предисловие к французскому изданию начинается так:

“В руках ваших, читатель, книга, которая, вероятно, возбудит в вас недоверие. Имя автора вам неизвестно, а в заголовке вы находите связанными две вещи, между которыми, я уверен, вы не усматриваете никакого соотношения. В самом деле, что может быть общего, между всемирным тяготением и образованием химических элементов”. Далее следует просьба “вооружиться терпением и прочесть эту книгу ранее, чем будет произнесен приговор”.

Получив ответы и отзывы на книгу, Иван Осипович заканчивает разработку своей идеи и через год издает уже более обширный и полный труд по-русски под заглавием “Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза” (1889). Затем он выпускает “Новый взгляд на причины метеорологических явлений” (1891), “Строение материи и молекулярные силы” (1894) и несколько полемических брошюр в защиту своих идей. Последний его прижизненный труд - “Плотность светового эфира и оказываемое им сопротивление движению” (1901).

Титульный лист второго (посмертного) издания книги Ярковского.

В 1893 г., направляясь в Америку, Ярковский перенес в океане несколько сильных бурь. Стоя на палубе и наблюдая громадные волны, он задался мыслью утилизировать их энергию для движения парохода, чтобы удешевить стоимость его пробега. Вернувшись из путешествия, Иван Осипович изготовил модель такого “волнохода”, хорошо поясняющую полезное действие волн. Он предполагал также воспользоваться таким волноходом, укрепленным на якоре, для утилизации энергии волн и переработки ее в электрическую энергию.

Из позднейших изобретений Ярковского интересна его ротативная паровая машина, весьма простой и оригинальной конструкции, которая была запатентована, но которую он не успел применить на деле. В течение своей жизни Иван Осипович посвятил много времени и труда воздухоплаванию; им разработан подробный план и проект испытательной станции для предварительного изучения подъемных винтов.

Богато одаренный, обладавший живостью ума, Ярковский не мог по своей натуре отдаться чему-либо одному. Да и обстоятельства его жизни не способствовали этому. Обязательные занятия, необходимые для содержания его многочисленной семьи, поглощали большую часть времени, и только досуг он посвящал побочным захватывающим его работам. Кстати, для более полной характеристики личности Ярковского отметим, что он был убежденным спиритом и много лет состоял членом спиритического кружка.

В 1894 г. Иван Осипович оставляет службу на железной дороге и переезжает в Петербург управляющим Невским механическим заводом, а последние пять лет проводит в провинции, в Дятькове Орловской губернии, помощником управляющего заводами Мальцовского акционерного общества. В то время он продолжал свои научные труды, намереваясь издать их на русском, польском и немецком языках. Весной 1901 г. занемог, врачи послали его за границу; несколько месяцев он провел в Верисгофене (Бавария), а затем в октябре его перевезли в Гейдельберг, где он скончался от саркомы 9 января 1902 г. и был похоронен. Спустя 10 лет сыновья Ярковского, оба ставшие инженерами, выпустили второе дополненное издание главной книги отца [1].

Казалось бы, “не по чину” инженеру-путейцу публично высказываться по проблемам фундаментальной науки. Однако Ярковский во многих вопросах физики и химии демонстрирует глубокие знания и поразительную интуицию. Например, он был защитником идеи атомарного строения вещества, полемизируя в этом вопросе с самим Д.И.Менделеевым, тогда уже знаменитым автором периодического закона. Как известно, идею строения химических элементов из еще более фундаментальных частиц Менделеев называл “утопией”. Приводя аргументы в пользу закона Дальтона (кратность весов всех элементов весу водорода), Ярковский замечает:

“Я вынужден принять на себя странную роль - именно защищать периодический закон от несправедливых нападок его творца”.

Иван Осипович поддерживает идею превращения элементов. Он с одобрением цитирует лекцию В.Крукса “О происхождении химических элементов” (1886):

“Идею о генезисе элементов весьма важно держать в уме: она дает некоторую форму нашим воззрениям и приучает ум искать физической причины происхождения атомов. Еще важнее при этом иметь в виду великую вероятность того, что существуют в природе такие лаборатории, где атомы формируются, и такие, где они перестают быть”. Эту догадку Ярковский одевает в плоть своей гипотезы: “Великая лаборатория, о которой говорит Крукс, есть всякое тело больших размеров, плавающее в мировом пространстве. В нем элементы образуются из эфира” [2, c.221].

У современного астронома эти слова вызывают ассоциацию с массивными звездами, со сверхновыми. А “эфир”? Ну что же, сегодня теоретики “делают” Вселенную из вакуума, из квинтэссенции, из струн…

“Гравитоскоп” Ярковского -
пружинный прибор для измерения силы тяжести.

Однако вернемся к работам Ярковского. Главной своей идеей он считал кинетическую гипотезу гравитации. Одним из ее следствий был эффект частичного экранирования тяготения: взаимное притяжение двух тел должно ослабляться, если между ними располагалось третье тело. Пытаясь проверить это опытным путем, Иван Осипович создал чувствительный измеритель силы тяжести:

“Я построил прибор, состоящий из рычага, короткое плечо которого было соединено со стальной пластинкой. Рычаг опирался на нож, точно так же, как и соединяющая его короткое плечо с пластинкою сережка была снабжена стальными ножами. Вес длинного плеча рычага, таким образом, уравновешивался упругостью стальной пластинки.
Этот незамысловатый - даже скажу - грубый прибор оказался, однако, довольно чувствительным для того, чтоб убедить меня в изменяемости напряжения силы тяжести. Производя мои наблюдения в продолжении нескольких лет и делая в день по пять-шесть отметок в определенные часы, для меня стало ясно и неопровержимо, что показания прибора изменяются” [2, с.110].

Ярковский пытался обнаружить эффект, связанный с суточным и годичным движением Земли, играющей роль экрана для наблюдателя на ее поверхности. При этом он старался учесть влияние иных причин: вместе с показаниями гравитоскопа фиксировал температуру и давление воздуха. Заметив регулярные вариации силы тяжести, Ярковский не спешил с выводами:

“Для меня лично опыты мои были вполне убедительны и не оставили во мне ни малейшего сомнения в том, что сила тяжести не представляет собой чего-либо постоянного; но для того, чтобы подобное суждение было принято наукой, нужны конечно новые, более точно обставленные опыты, притом не одного человека, а нескольких компетентных лиц, и с более точными приборами. Я буду вполне вознагражден, если мое настоящее заявление побудит к производству этих опытов” [2, с.111].

И побудило: такие опыты проводились весь XX в. как профессиональными учеными, так и любителями.

Справедливость своей теории Ярковский пытался проверить и во время полного солнечного затмения 7 августа 1887 г., когда роль гравитационного экрана играла Луна:

“Я отправился в местность близ Москвы, где фаза полного затмения продолжалась около 30 с (деревня Владыкино), захватив с собой термометр, барометр и мой прибор. По всем трем приборам я делал отметки каждые 5 мин. Как известно, окрестности Москвы в это утро были покрыты густым, совершенно непроницаемым туманом. Во все время затмения ни термометр, ни барометр не показали ровно ни малейшего изменения <…>. Совершенно другое показал мне мой прибор. С момента первого контакта рычаг прибора, находившийся до тех пор в абсолютном покое, начал понижаться; по мере надвигания Луны на Солнце опускание продолжалось все более и более и достигло своего maximum’а 8 мин спустя после полного затмения, после чего рычаг стал подниматься <…>. Такое показание убедило меня окончательно, что изменение показаний рычага не есть результат изменения ни температуры, ни барометрического давления” [2, с.112].

Вероятно, этот последний опыт убедил Ярковского в необходимости опубликовать его теорию гравитации. Она относится к тем механистическим моделям тяготения, которые были порождены в XIX в. успехами кинетической теории газов. На определенном этапе такие модели стали весьма популярны, в их разработке принимали участие корифеи теоретической физики - Дж.Максвелл, А.Пуанкаре и др. Упорные попытки создать на смену феноменологической модели И.Ньютона более наглядную “физическую” модель гравитации продолжались и в начале XX в. В конце концов это направление было признано тупиковым, и профессиональные физики более к нему не обращались [3].

Однако теория гравитации Ярковского еще долго возбуждала (и до сих пор еще возбуждает!) энтузиазм некоторых ученых, идущих, как они утверждают, своей дорогой, часто не вписываясь в традиции “официальной” науки. После провала теории светоносного эфира на роль частиц, обеспечивающих своим импульсом эффект гравитации, предлагались иные кандидаты. Последними из них, если не ошибаюсь, были нейтрино, обладающие, как теперь известно, массой покоя. Но какие бы частицы ни предлагались на роль гравитонов, важнейшей привлекательной стороной теории Ярковского для нетрадиционной науки служит идея о поглощении этих частиц космическими телами и их превращении в нормальные химические элементы. В результате этого масса и объем космического тела должны возрастать. А это замечательно вписывается в идею некоторых геологов о расширении Земли и взаимном раздвижении материков, конкурирующую, как им кажется, с идеей вегенеровского мобилизма, предполагающей дрейф материков.

Любопытно, что именно несостоятельные идеи Ярковского нашли своих подвижников. В 1933 г. мысль о расширении Земли высказал немецкий геофизик Отто Христоф Хильгенберг. Он предположил, что несколько миллиардов лет назад земной шар имел вдвое меньший диаметр, так что материки сплошь покрывали поверхность Земли, смыкаясь своими границами. Эту идею развивали венгерский геофизик Л.Эдьед, американский геолог Б.Хейзен и другие, включая и наших энтузиастов [4]. Сейчас в России существует целое направление паранауки, основная идея которого состоит в превращении физических полей в вещество при комнатных условиях. Рассматриваются геологические следствия этой гипотезы - рост массы планет, возрастание их объема, рост силы тяжести на поверхности (для объяснения гигантизма животных в прошлом), раздвижение материков (для объяснения молодости океанической коры и взаимного подобия континентальных границ), ну и т.п. Энтузиасты этого направления не забывают о гравитационной теории Ярковского, а некоторые считают себя его прямыми идейными приемниками. А вот по-настоящему оригинальная идея Ярковского оказалась практически забыта на его родине, недавно нам о ней напомнили из-за рубежа.

Речь идет о так называемом “эффекте Ярковского”. Иван Осипович пришел к этой идее в поисках ответа на вопрос: “Почему движение планет не тормозится сопротивлением эфира?”. Само существование светоносного эфира он не подвергал сомнению, как и большинство физиков той эпохи. Но, как человек технического склада, он не разделял точку зрения сторонников нематериальной среды, переносящей свет и при этом не участвующей в механических взаимодействиях. Ярковский считал эфир тонкой, но вполне ощутимой средой, состоящей из микроскопических частиц и тормозящих движение погруженных в него тел:

“Если эфир есть материальный газ, то как бы он ни был упруг и тонок, все же он должен оказывать известное сопротивление движению <…>. Между тем, одна из точных наук, астрономия, доказывает нам неопровержимо, что подобного замедления в движении небесных тел совершенно не замечается” [1, с.249].

Наглядный пример равномерного движения при наличии сопротивления среды инженер Ярковский находит… на речном фарватере:

“Положим, вы смотрите на быстро двигающийся по воде пароход. Вы видите, что он идет совершенно равномерно, вы не замечаете никакого замедления в его движении; разве вы вправе из этого заключить, что пароход не встречает никакого сопротивления? Нет, подобного заключения вы и не сделаете, потому что знаете, что в пароходе имеется паровая машина, работа которой идет на постоянное преодоление этого сопротивления.
Но нет ли подобной машины и в каждой из планет? Нетрудно убедиться, что в каждой планете существует двигатель, работа которого тратится постоянно на преодоление сопротивления эфира поступательному движению планеты. Я скажу более, двигатель этот есть калорическая машина, построенная по всем правилам механики, и в которой источником теплоты служат лучи солнца”.

Далее Иван Осипович объясняет суть эффекта. Взаимодействие планеты с окружающим ее эфиром подобно взаимодействию пористого тела с окружающим его газом: частицы газа, проникшие в поры тела, при низкой температуре адсорбируются веществом, но при высокой могут освободиться и покинуть тело. По мнению Ярковского, планета поглощает эфир, который в ее недрах частично превращается в химические элементы, а частично - покидает планету. Чем выше температура поверхности планеты в данном месте, тем интенсивнее частицы эфира устремляются наружу, создавая эффект отдачи.

Если планета не имеет суточного вращения, то наиболее теплой является полуденная часть ее шара; в этом случае эффект отдачи действует вдоль линии притяжения к Солнцу, немного ослабляя его. Сегодня мы назвали бы это “давлением солнечного света”. Но вспомним: П.Н.Лебедев доказал опытным путем давление света на твердые тела лишь в 1899 г., а на газы - в 1907 г. Поэтому Ярковский в своих рассуждениях вполне оригинален. Наиболее остроумная его догадка касается вращающейся планеты: суточное движение переносит нагретый участок поверхности к вечерней стороне шара, следовательно, эффект отдачи будет сильнее всего именно там и станет подталкивать планету вдоль орбиты в направлении утреннего терминатора. В конце XIX в. данные астрономии указывали, что все планеты, исключая Уран, движутся утренним терминатором вперед. Значит, указанный эффект будет противодействовать сопротивлению эфира. “Итак, - заключает Ярковский, - двигатель планет - это солнечные лучи”.

Рисунок Ярковского,
поясняющий предсказанный им термомеханический эффект.

Эффект Ярковского в современной трактовке,
в терминах механической реакции теплового излучения.

Многое изменилось за прошедшие 100 лет в наших представлениях о свете. Сегодня мы уже не нуждаемся в эфире, чтобы описывать распространение света и перенос им импульса. Это свойство электромагнитных колебаний следует из волновых уравнений Максвелла, который и сам отдал немало сил изучению гипотезы эфира. Теория квантов сделала световое давление вполне “ощутимым” на уровне здравого смысла. Эфира нет. Казалось бы, это лишает оснований все рассуждения Ярковского. Однако подмеченный российским инженером небесномеханический эффект все же имеет место и играет роль в жизни планетной системы.

Знакомство с жизнью и работами Ивана Осиповича Ярковского оказалось для меня весьма поучительным. Я еще раз увидел, сколь высок был культурный уровень дореволюционного российского инженера, сколь привлекательна фундаментальная наука для специалистов технического профиля и, наконец, сколь ошибочен обывательский взгляд на науку как на цепь революционных переходов от одной теории к другой. Наука - это, прежде всего, преемственность; это процесс, в котором ни одна хорошая идея не исчезает бесследно, на какой бы почве она ни произрастала.

Литература

1. Ярковский И.О. Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза и вытекающие из нее следствия в области физики, химии, геологии, метеорологии и космогонии. СПб., 1912.

2. Ярковский И.О. Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза. М., 1889.

3. Визгин В.П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование. 1900-1915 гг.). М., 1981.

4. Нейман В.Б. Расширяющаяся Земля. М., 1962.