Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №11 за 2010 год

Первой в 1911-м изобрели не пузырьковую, а туманную камеру, или камеру Вильсона. Идея в своей основе была на удивление простой. Саму частицу не сфотографируешь, но можно снять шлейф из капелек тумана, который она оставляет за собой в толще перенасыщенной смеси паров (обычно это смесь водяного пара с парами этанола). При температуре ниже точки росы пару достаточно сколь угодно слабого воздействия, чтобы начать конденсироваться. Частица, прилетевшая из космоса или ускорителя, на своем пути возбуждает отдельные молекулы пара, которые становятся центрами конденсации для сотен тысяч других молекул. К слову, примерно таков же механизм образования облака в атмосфере: в разреженном воздухе, где собрался перенасыщенный пар, пылинки диаметром в несколько микрон достаточно, чтобы вокруг нее выросла огромная (по меркам микромира) водяная капля.

Чтобы проследить за движением элементарной частицы, надо заставить ее провзаимодействовать с какой-то средой — перегретой жидкостью или переохлажденным паром. Пролетая сквозь такую среду, частица оставляет след (трек). На снимке, полученном с пузырьковой камеры (она помещена в магнитное поле), видны три типа треков: прямые — их оставили незаряженные частицы, спирали — это следы заряженных частиц , отклонившихся в магнитном поле, и вилки, отвечающие распавшимся частицам Дональд Глейзер, будущий нобелевский лауреат, в 1952-м вывернул эту схему наизнанку: он взял не переохлажденный пар, а перегретую жидкость (жидкость становится перегретой, если резко уменьшить давление, тогда ее температура оказывается выше температуры кипения). Она на порядки плотнее газа, поэтому шансы столкнуться с веществом у частицы, влетевшей в такую камеру, резко возрастали. Она оставляет уже не шлейф из тумана, а дорожку из пузырьков. Пузырьковые камеры заправляли жидким водородом, который кипит при –252,78 °C. Поддерживать в камере такую температуру — сложная техническая задача.

След (или трек) может многое рассказать о частице. Длина трека дает представление о ее энергии. Каждое столкновение уменьшает эту энергию на небольшую порцию, пока наконец частица не потеряет способность ионизировать молекулы — в этом месте трек обрывается. Магнит, спрятанный под камерой, закручивает траектории заряженных частиц в спирали, по кривизне которых можно судить о соотношении массы и заряда. Нестабильные частицы распадаются, а родившиеся при этом новые разлетаются под строго определенными углами, образуя «вилки».

По таким следам в пузырьковой камере Gargamelle, установленной на ускорителе в CERN"е, «выследили» переносчиков слабых взаимодействий — знаменитые W- и Z-бозоны. Несколько Нобелевских премий и создание Стандартной модели напрямую связаны с этим открытием.

Физики-ядерщики по большей части уже отправили туманные и пузырьковые камеры в утиль: на современных экспериментальных установках частицы фиксируют уже с помощью не фотоаппаратов, а суперкомпьютеров, подключенных к полупроводниковым детекторам внушительных размеров. Но приборы вроде туманных камер, простые и эффективные, не умерли окончательно, а перекочевали в любительскую науку. Если современные детекторы частиц поражают размерами и ценой (например, ATLAS, детектор Большого адронного коллайдера, — конструкция высотой с девятиэтажный дом и весом 7000 тонн), то туманную камеру (точнее, ее аналог, работающий по сходному принципу) легко собрать своими руками. Спирт (как источник пара), сухой лед (чтобы этот пар охладить), пластиковый ящик, темная бумага — и можно наблюдать треки космических мюонов, не выходя из дому. 

Геодезический велосипед

Надо обладать незаурядной пытливостью, чтобы увидеть в таком нехитром устройстве, как велосипед, нечто, открывающее новые возможности. В 1912 году Вэннивар Буш, на тот момент студент Массачусетского технологического института, придумал, как превратить двухколесное устройство с цепью в революционный геодезический инструмент. Задача геодезии — строить трехмерные карты местности, для чего нужно знать высоту над уровнем моря каждой точки. Посчитать разность высот между двумя пунктами можно, например, следующим образом: разбить весь путь между ними на малые отрезки и, преодолевая очередной, записывать соответствующее приращение высоты (с обоими знаками) и суммировать его с предыдущими.

Буш решил автоматизировать процесс, для чего приделал к велосипеду ящик со сложным механизмом, который по углу наклона велосипеда к горизонту вычислял и суммировал такие приращения. На ленте самописца отображался высотный срез местности — по сути, зависимость высоты , на которой находится велосипед, от пройденного пути. Действующий образец Буш соорудил своими руками, патент ему выдали в декабре 1912-го,  но в коммерческое производство устройство так и не запустили. Геодезисты не захотели отказываться от теодолитов, а теперь перешли на GPS-технологии: приемник по спутниковым сигналам определяет не только свое положение на карте, но и высоту над уровнем моря.

Изобретателем Буш был неутомимым — во время Второй мировой войны он адаптировал свой механический компьютер для армии и стал первым советником президента США по науке. А в историю он все же вошел как изобретатель устройства MEMEX, которое можно без большой натяжки назвать «механической гипертекстовой системой» (во всяком случае, им вдохновлялись разработчики сегодняшнего гипертекста). Описанный Бушем в одной из статей аппарат работал с фотокопиями статей так, как мы привыкли работать с вебстраницами: одни фотокопии могли содержать ссылки на другие, которые должны были выдаваться при нажатии на кнопку (читай — по «клику по ссылке»).

Отвес внутри укрепленного на раме механического интегратора фиксирует угол наклона. Чем он больше, тем, при равном пути, больше изменение высоты. Интегратор производит соответствующие вычисления и выдает значение высоты на самописец

Жидкие деньги

Даже из бюрократического клише экономист с воображением может извлечь продуктивную идею. Термин «денежные потоки» наводит на мысль, что деньги и жидкость в чем-то схожи — так отчего бы не смоделировать одно при помощи другого? В 1949 году такая мысль пришла в голову экономисту Биллу Филлипсу, который в итоге сконструировал гидравлический компьютер MONIAC. Уроженец Новой Зеландии, Филлипс к своим 35 годам успел поработать охотником на крокодилов в Австралии, пожить в Китае, бежать оттуда после японского вторжения через Россию в Англию. Там он некоторое время учился на инженера-электрика, потом пошел служить в авиацию, попал в плен к японцам и провел три года в лагере для военнопленных в Индонезии.

Аббревиатура MONIAC звучит похоже и на money («деньги»), и на ENIAC (первый в мире электронный компьютер, доступ к которому долгое время имели только военные) и расшифровывается как Monetary National Income Analogue Computer, что в буквальном переводе означает «монетарный аналоговый вычислитель национального дохода». Собранный вручную в гараже аппарат из прозрачных сосудов и трубок, по которым циркулировала подкрашенная вода, предназначался  для анализа британской экономики как единой системы. Большая емкость соответствовала государственной казне, емкости поменьше — разным статьям расходов (к примеру, на здравоохранение и образование). «Сбережения» уменьшали, а «инвестиции» увеличивали денежные потоки. Снизу «налоговый насос» подавал жидкость наверх в «казну». Параметры всех потоков можно было менять с помощью клапанов и кранов и по движению жидкости прогнозировать результаты избранной экономической политики.

Подобно всяким макроэкономическим расчетам особой точностью «жидкие вычисления» не отличались, зато на качественном уровне прекрасно демонстрировали, как те или иные действия правительства влияют на финансовое здоровье страны. Лондонская школа экономики, где MONIAC впервые был продемонстрирован публике, пригласила Филлипса читать лекции, а через несколько лет сделала бывшего летчика и охотника на крокодилов профессором. Копии устройства разошлись по нескольким десяткам университетов — к примеру, в Стамбульском до сих пор всем желающим показывают гидравлический компьютер в действии.

Автоматический учитель

Предшественники нынешних компьютеров — не только разного рода вычислительные устройства. Механический «учитель», придуманный в 1950-е знаменитым психологом, отцом бихевиоризма Берресом Скиннером, вычислений не проводил вовсе, а просто задавал вопросы, оценивал ответ и выдавал правильный.

Механический «учитель» представлял собой деревянную коробку, которая заряжалась карточками с заданиями и вспомогательными материалами. Алгоритм его работы был таков: механизм выдает карточку с заданием, ученик нажимает кнопку с номером (в усовершенствованной версии машины), который, по его мнению, соответствует правильному ответу. Если он ошибается, то получает порцию вспомогательных материалов. Сейчас то же делает компьютер с обучающей программой. Скиннеру и его последователям, занимавшимся психологией поведения, машина позволяла количественно оценить (по числу правильных и неправильных ответов), как повторение помогает усваивать новое. Нечто в этом духе Скиннер проделывал раньше с крысами, которых учил проходить лабиринты и дергать за рычаг нужное число раз, чтобы добраться до пищи. Конструкция для крыс получила название «ящик Скиннера». Само собой, многие злословили по поводу сходства между «ящиком» и машиной для обучения — пусть крыса и сидит внутри, а ученик снаружи, и его никто не бьет током за ошибку.