Жизнь и идеи инженера Ярковского

Иван Осипович Ярковский родился 12 мая (24 мая по н. с.) 1844 г. в Витебской губернии, в местечке Освей, на берегу одноименного озера (ныне г. Освея на берегу Освейского озера у северной границы Белоруссии). Его отец, Осип Янович, состоял домашним врачом у графа Яна Шадурского, влиятельного землевладельца. Ивану было 3 года, когда он потерял отца. Его мать, оставшись без средств, переселилась в Москву, где получила место гувернантки с правом держать при себе сына. Начальное образование Иван получил в школе при католической Петропавловской церкви в Москве, а затем был принят на казенный счет в Московский Александринский сиротский кадетский корпус.

С детства Иван 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 выпущен прапорщиком артиллерии на Кавказ, где прослужил шесть лет. Атмосферу воинской службы он характеризовал так: «Среда была интеллигентная, всех интересовала литература, много читали». Тем не менее такая жизнь не могла удовлетворить пытливый ум Ивана Осиповича; он страстно желал продолжить свое образование и хлопотал о поступлении в Военно-инженерную академию. Но оставлять военную службу молодому офицеру не хотелось: за шесть лет он привык к известному положению, к вполне обеспеченной и самостоятельной жизни. Однако хлопоты успехом не увенчались.

Получив отказ, Ярковский решается бросить все и пытается собственными силами пробить себе дорогу: едет в Петербург и поступает в Технологический институт. Оставшись без средств, он торопится с окончанием института и поступает на второй курс механического отделения. За время учебы перебивается случайными заработками, вроде изготовления проектов, а также издает таблицу умножения до 1000, которая в то время, при отсутствии счетных линеек и механических приборов, представляла немалое удобство при вычислениях. Весной 1869 г. Ярковский блестяще сдает все экзамены первого и часть второго курса, а осенью того же года — остальные экзамены второго курса и за весь третий курс, так что к началу учебного года он становится уже стипендиатом четвертого курса. В 1870 г. он кончает Институт технологом 1-го разряда и сразу же по поручению частной фирмы едет в Берлин для знакомства с машиностроительными заводами. Осенью 1870 г. он поступает на Киево-Брестскую железную дорогу обер-машинистом, а затем начальником депо в Казатин.

В 1872 г. Ярковский возвращается в Петербург, где в мае защищает диссертацию «Проект машины для водоснабжения...», за что получает звание инженера-технолога и командировку за границу на год для знакомства с механическими заводами Германии, Бельгии и Франции. В июле 1872 г. Ярковский женится и вместе с женой уезжает за границу.

Рис. 4.25. И.О. Ярковский.

В 1873 г. Иван Осипович возвращается в Петербург, готовит для «Журнала Министерства путей сообщения» отчет о своей поездке и поступает на Московско-Брестскую железную дорогу: сперва в Минск на должность сборного мастера, затем в Смоленск начальником депо, наконец, в 1876 г. в Москву начальником вагонных мастерских, а затем начальником всех мастерских. В Москве он прослужил около 20 лет, выполнив за это время много технических и исследовательских работ. Он устраивает особые печи для сжигания нечистот, вводит нефтяное отопление для сварочной печи и разрабатывает парообразователь оригинальной системы. Для сравнения смазочных масел строит прибор, на котором попутно производит опыты над сопротивлением воздуха движению крыльев (работа напечатана в «Трудах отделения физических наук Императорского общества любителей естествознания»). Принимая активное участие в работе Московского отделения Императорского русского технического общества, он делает много интересных докладов и избирается председателем механической группы.

В 1893 г., во время путешествия в Америку на выставку в Чикаго, Ярковский перенес в океане несколько сильных бурь. При виде громадных волн он задался мыслью использовать их энергию для движения парохода и, вернувшись из путешествия, изготовил модель такого «волнохода», хорошо поясняющую полезное действие волн. Кроме того, он предполагал воспользоваться подобным устройством, укрепленным на якоре, для выработки электроэнергии. Из позднейших изобретений Ярковского интересна его оригинальная ротационная паровая машина, которая была запатентована. Много внимания Иван Осипович уделял и воздухоплаванию; кроме упомянутых уже опытов над сопротивлением воздуха, он разработал подробный план и проект испытательной станции для изучения подъемных винтов.

Не довольствуясь лишь технической деятельностью, Ярковский посвящал свой досуг научным вопросам. В 1887 г. он создал «кинетическую гипотезу всемирного тяготения» и через год опубликовал ее. В этой работе тяготению дается чисто механическое толкование: Ярковский полагал, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. Всем прочим физическим явлениям он также дает чисто «кинетическое» объяснение.

Напомню, что эфиром в то время называли гипотетическую среду, переносящую световые колебания. В том, что свет — это колебательный процесс, сомнений ни у кого уже не было, но трудно было понять, какая именно среда переносит эти колебания. Условно ее называли эфиром, но о его природе имелись самые разные суждения. Ярковский представлял эфир как вполне материальный газ из микроскопических твердых частиц. Атомы же химических элементов он считал значительно более крупными агрегатами эфирных частиц. По мысли Ярковского, каждое физическое тело постоянно поглощает частицы эфира, которые внутри него объединяются в химические элементы, увеличивая тем самым массу тела — за счет этого звезды и планеты растут. А гравитация, как легко понять, сводится к простому эффекту экранирования: присутствие рядом с вами массивного тела, поглощающего поток эфирных частиц, вызывает асимметрию действующего на вас «эфирного давления», что и проявляется как притяжение к экранирующему телу.

Ярковский сознавал, что его гипотеза благодаря ее новизне, или, как он любил выражаться, «еретичности» в отношении общепринятых положений в науке, вызовет массу возражений. Будучи человеком основательным и преданным науке, он отнюдь не желал явить миру сырой материал и навсегда остаться в позе непризнанного гения. Напротив, он желал 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, наиболее распространенном в науке тех лет, и не пускает ее в продажу, а рассылает персонально ученым разных стран. Предисловие к этому 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 никакой взаимосвязи. 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. Завершается предисловие скромно: «Если я буду настолько счастлив, что мою книгу прочтут, что она возбудит прения, даже если бы мои идеи и были опровергнуты, то и тогда мои старания не окажутся напрасными, мое время не будет потрачено бесцельно, так как для доказательства, что я неправ, необходимо будет работать в том направлении, которое до настоящего времени было заброшено, и таким образом научным исследованиям дан будет новый толчок».

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» (М., 1889). Затем следует еще ряд работ с развитием гипотезы. Последний его прижизненный труд — брошюра «Плотность светового эфира и оказываемое им сопротивление движению» (Брянск, 1901).

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 последовательным защитником идеи сложного строения атома, 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». Стремясь объяснить скачкообразный характер изменения атомных масс, Ярковский полагает, что атомы состоят из более мелких дискретных частиц материи («Разве в этом не видна причина периодичности?» — пишет он), и замечает: «Я вынужден принять на себя странную роль — именно защищать периодический закон от несправедливых нападок его творца, старающегося сузить его значение».

Идя далее, Ярковский поддерживает идею превращения элементов. Он с одобрением цитирует лекцию В. Крукса «О происхождении химических элементов» (пер. под ред. А.Г. Столетова. М., 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 объединяет со своей гипотезой: «Великая лаборатория, о которой говорит Крукс, есть всякое тело больших размеров, плавающее в мировом пространстве. В нем элементы образуются из эфира».

Рис. 4.26. Титульный лист второго (посмертного) издания книги Ярковского.

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...

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 было ослабляться, если между ними располагалось третье тело. Пытаясь проверить это опытным путем, Иван Осипович создал чувствительный измеритель силы тяжести — гравитоскоп — и в продолжение нескольких лет ежедневно по 5—6 раз в день проводил с ним измерения, 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 прибора он фиксировал температуру и давление воздуха. Заметив регулярные вариации силы тяжести, Ярковский решил, что эффект экранирования обнаружен, но с выводами не спешил: «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». И побудило: такие опыты проводились весь XX век как профессиональными учеными, так и любителями науки.

Мы не будем здесь детально обсуждать теорию гравитации Ярковского. Скажем только, что она относится к тем механистическим моделям тяготения, которые были порождены в XIX в. успехами кинетической теории газов. На определенном этапе эти модели были весьма популярны, в их разработке принимали участие корифеи теоретической физики — Максвелл, Пуанкаре и др. Упорные попытки создать на смену феноменологической модели Ньютона более наглядную «физическую» модель гравитации продолжались еще в начале XX в. Например, крупнейший нидерландский физик Хендрик Лоренц (1853—1928) в статье «Размышления о тяготении» (1900 г.) рассматривал практически тот же механизм экранирования, что и Ярковский, но как источник давления предполагал не частицы эфира, а цуги электромагнитных волн, равномерно заполняющих пространство. Но в конце концов история физики зафиксировала это направление как тупиковое, и профессиональные физики более к нему не обращались.

Рис. 4.27. Гравитоскоп Ярковского — пружинный прибор для измерения силы тяжести.

Тем не менее, хотя механистическая теория гравитации не получила развития, имя Ярковского не кануло в Лету. Рассматривая следствия своей идеи о гравитации, он пришел к по-настоящему оригинальной идее, которая оказалась практически забыта на его родине, но нам о ней напомнили из-за рубежа. Речь идет о так называемом эффекте Ярковского. Сам 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 ума, 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 тормозящей движение погруженных в нее 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 точнейших наук, астрономия, доказывает нам неопровержимо, что подобного замедления в движении небесных тел совершенно не замечается».

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 вы 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 поясняет 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 температуре могут освободиться и покинуть тело (так, для очистки активированного угля, использованного в фильтре противогаза, уголь прокаливают). 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: Петр Николаевич Лебедев (1866—1912) опытным путем доказал 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. Следовательно, полагал Ярковский, указанный эффект будет противодействовать сопротивлению эфира!

Ярковский пишет: «Как бы ни был мал каждый толчок эфирного атома, взятый в отдельности, но, суммируя бесконечно большое число бесконечно малых усилий, мы получим некоторую конечную силу, стремящуюся двигать планету вперед. Выражаясь языком термодинамики, можно сказать, что теплота лучей солнца, скопленная планетою около полудня, превращается около 6 часов вечера в механическую работу, которая расходуется на то, чтобы преодолеть сопротивление, оказываемое с той стороны, где часы показывают 6 часов утра. Разве это не калорическая машина? Разве это не достойный планеты двигатель?.. Все изложенное здесь не есть плод досужей фантазии. Тот, кто признает... что теплота есть форма энергии и что она способна превращаться в механическую работу, тот должен признать безусловно, что при движении вращающейся планеты изложенный мною процесс необходимо должен иметь место... Итак, двигатель планет — это солнечные лучи».

Рис. 4.28. Рисунок Ярковского, поясняющий предсказанный им термомеханический эффект.

Многое изменилось за прошедшее столетие 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, впрочем, и сам отдал немало сил изучению гипотезы эфира. Чтобы почувствовать, насколько привлекательной и долгоживущей была эта гипотеза, достаточно посмотреть, что писал крупный физик Джозеф Лармор в 1910 г. на страницах авторитетной энциклопедии «Britannica» в статье «Эфир»: «Наиболее фундаментальным подтверждением, которое теория эфира получила со стороны оптики в последние годы, было оправдавшееся указание Максвелла, что излучение оказывает механическое давление на материальную систему, на которую оно падает». И далее он поясняет, что имеет в виду... опыты Лебедева 1900 г.!

Позже теория квантов сделала световое давление вполне «ощутимым» на уровне здравого смысла. Эфир был изгнан из физики. 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.