Карл Янский, отец радиоастрономии
Приветствую, друзья!
Этим постом я начинаю на сайте новую рубрику «Биографии ученых физиков и астрономов».
В ней мы подробно будем рассказывать вам биографии великих ученых физиков и астрономов, исследования которых повлияли не только на науку, но и на всю картину мира в целом.
Сегодня я расскажу вам об отце радиоастрономии — Карле Янском.
4 мая 1933 года лаборатория Белла (Bell Labs) объявила, что одному из ее ученых, работавших на установке в Холмделе (Holmdel), удалось обнаружить радиоволны из галактики Млечный Путь.
Это прорыв, который ознаменовал рождение новой области науки, теперь известной как «радиоастрономия».
И человеком, которому приписывают это открытие, является Карл Янский (Karl G. Jansky), и он был еще одним гением, жившим среди остальных из нас, простых людей, в Литтл-Сильвер, штат Нью-Джерси.
Влияние открытия Карла Янского практически не поддается измерению.
В то время его упускали из виду как радиоучёные, так и астрономы, и лишь немногие знали, что делать с радиосигналами, исходящими из Галактики Млечный Путь.
Но эксперты в конечном итоге признали важность работы Янского, подготовив почву для «некоторых из самых революционных событий в современной науке, включая такие открытия, как квазары, пульсары и свечение огненного шара, в котором родилась Вселенная».
Сегодня Янский удостоен чести за свою работу в BellWorks, бывшем подразделении Bell Labs, где он проводил свои исследования и проработал на протяжении всей своей карьеры.
Возможно, еще более впечатляющим является участок посреди пустыни Нью-Мексико, пустошь площадью 35 400 квадратных километров (22 квадратных мили), населенная 27 огромными тарельчатыми антеннами, установленными на Y-образных железнодорожных путях, где их можно перемещать и фокусировать в любой точке неба.
Это радиотелескоп с очень большой антенной решеткой имени Карла Янского, построенный в конце 1970-х годов и введенный в эксплуатацию в 1981 году.
Ранняя жизнь Карла Янского
Карл Гуте Янский родился в 1905 году на территории тогдашней Оклахомы.
Его отец, Сирил М. Янский, родился в Висконсине в семье чешских иммигрантов, начал преподавать в возрасте шестнадцати лет и был учителем на протяжении всей своей активной жизни.
Он был деканом инженерного колледжа Университета Оклахомы в Нормане и вышел на пенсию с должностью профессора электротехники в Университете Висконсина.
Он был инженером с сильным интересом к физике, и эта черта передалась его сыновьям.
Карл Янский был назван в честь доктора Карла Ойгена Гуте (Karl Eugen Guthe), профессора физики Мичиганского университета, который был важным наставником его отца.
Мать Карла Янского, урожденная Нелли Моро, имела французское и английское происхождение.
Брат Карла, Сирил М. Янский-младший, на десять лет старше, с раннего возраста проявлял большой интерес к радио.
Он помог создать одни из первых радиопередатчиков в стране и, будучи студентом колледжа, помог запустить экспериментальную радиостанцию 9XM.
С 1922 по 1925 год Сирил Янский-младший был участником четырех конференций, которые помогли установить государственное регулирование радио и заложили основу для Закона о радио 1927 года, в соответствии с которым была создана Федеральная комиссия по радио, предшественник нынешней Федеральной комиссии связи.
Это также был первый закон, согласно которому радиостанции должны были доказать, что они действуют «в общественных интересах, удобстве или необходимости», чтобы получить лицензию.
Сирил-младший также помог создать Национальную ассоциацию вещателей.
В 1930 году он и Стюарт Бейли (Stuart Bailey), бывший студент, построили, а затем управляли W3XO, первой FM–радиостанцией в Вашингтоне, округ Колумбия, и только третьей в США.
Сирил использовал свой опыт и влияние, чтобы помочь своему брату Карлу реализовать свой потенциал ученого.
Карл был спортсменом с самого раннего возраста и любил играть в хоккей, бейсбол и теннис, несмотря на болезнь почек, которая преследовала его большую часть жизни.
Став взрослым, он был конкурентоспособным игроком в настольный теннис, выиграв награды округа Монмут и государственные награды.
Янский учился в Висконсинском университете, где в 1927 году получил степень бакалавра физики.
Он остался еще на год в Мэдисоне, выполнив всю аспирантуру для получения степени магистра по физике, за исключением диссертации.
Он подал заявку на работу в Bell Labs, но ему отказали из-за болезни почек.
Но его брат Сирил, к тому времени уже признанный эксперт в области радиотехники, имел связи в Bell Labs и смог гарантировать, что его брат физически готов к суровым профессиональным научным исследованиям на самом высоком уровне.
По словам Сирила-младшего:
Случилось так, что десять лет назад я был сотрудником лабораторий Bell system, а совсем недавно, будучи членом профессорско-преподавательского состава Университета Миннесоты, проводил лето в этих лабораториях.
Поэтому, по чистой случайности, я оказался в состоянии поспорить с сотрудниками отдела кадров, с которыми я был хорошо знаком, что Карл Янский — это хороший риск.
Благодаря Сирилу в июле 1928 года Bell Labs предложила Карлу работу.
Из-за своего состояния 22-летний Карл был отправлен в более здоровую среду полевой станции Bell Labs в Клиффвуде, недалеко от Матавана в округе Монмут, а затем переведен в учреждение в Холмделе.
В 1929 году Карл женился на Элис Ларю Кнапп (Alice Larue Knapp) из Эвансвилля, штат Индиана, в доме семьи Янских в Мэдисоне, штат Висконсин.
Молодожены сначала жили в Ред-Бэнке, а затем переехали в Литтл-Сильвер.
Карл поехал на машине работать с другими учеными Bell Labs, включая Рассела С. Ола, человека, получившего 132 патента и обычно считается изобретателем кремниевого солнечного элемента.
О, и, кстати, Ол был начальником Янского.
Во время совместного использования автомобилей Ол и Янский делились прогрессом, которого они достигли в выполнении своих заданий, и служили ценным собеседником друг для друга, так что Карл и Элис переехали в дом на Сильвертон-авеню, 57, в районе Фоксвуд-Парк в Литтл Сильвер, сразу за домом Ола на Вудбайн-авеню, 52. Сразу за домом своего начальника.
Карл Янский впоследствии зарегистрировал пять собственных патентов — трудно представить два более совершенных и блестящих ума, живущих по соседству.
Очевидно, что в период расцвета лабораторий Белла по всему округу Монмут жили гении высочайшего уровня.
Рассел Ол сказал о своем друге и коллеге: «Янский был очень скромным человеком. Он был ужасно милым парнем, и он мне очень нравился».
Карл активно выступал за общественный клуб «Литтл Сильвер» и молодежный хоккей, в то время как Элис была членом женского клуба «Ред Бэнк».
У Янских было двое детей: сын Дэвид Б. Янский и дочь Анн Моро Янская.
Работа Янского в Bell Labs: устранение радиошума
Помимо того, что они были соседями и друзьями, Рассел Ол также был начальником Карла Янского, но он был достаточно умен, чтобы понимать, что не стоит соваться туда, где он не нужен.
«Карл Янский сообщил мне, когда впервые пришел в лабораторию», — сказал Ол.
«Но мне не потребовалось много времени, чтобы понять, что он не нуждается в присмотре. Он был одним из тех людей, которые могли стоять на своих ногах, и если вы попытаетесь таким образом руководить человеком, вы разрушите его добродетели».
Янскому было поручено выявить источники помех, мешающих передаче голоса по радио.
Bell Labs хотели, чтобы он исследовал свойства атмосферы и ионосферы, используя «короткие волны» (длины волн около 10–20 метров) для использования в трансатлантической радиотелефонной службе.
Он построил направленную антенну, предназначенную для приема радиоволн на частоте 20,5 МГц (длина волны около 14,6 метра).
Она была примерно 30 метров в диаметре и 6 метров в высоту.
Антенна была установлена на поворотной платформе на четырех колесах Ford Model-T, что позволяло ей вращаться, за что она получила прозвище «карусель Янского».
Позже выяснилось, что она стоила менее 1000 долларов.
Вращая антенну в азимутальном направлении, можно было точно определить местоположение принятого сигнала.
Интенсивность сигнала регистрировалась автоматизированной системой регистрации, расположенной в небольшом навесе сбоку от антенны.
После записи сигналов со всех направлений в течение нескольких месяцев Янский в конце концов разделил их на три типа помех: ближайшие грозы, далекие грозы и слабые помехи или «шипение» неизвестного происхождения.
Он потратил больше года на исследование источника статики третьего типа.
Место максимальной интенсивности поднималось и опускалось один раз в день, что заставило Янского сначала предположить, что он обнаруживает радиацию Солнца.
Через несколько месяцев следования за сигналом точка максимальной статики отодвинулась от положения Солнца.
Янский определил, что сигнал повторялся с циклом в 23 часа 56 минут.
Он обсудил загадочные явления со своим другом, астрофизиком Альбертом Мелвином Скеллеттом (Albert Melvin Skellett), который отметил, что наблюдаемое время между пиками сигнала было точной продолжительностью звездного дня, то есть времени, которое требуется неподвижным астрономическим объектам, таким как звезда, чтобы проходить перед антенной каждый раз, когда Земля вращается.
В этот момент Янский понял, что сигналы исходят из-за Солнца и остаются фиксированными в звездном поле.
Янский сравнил свои наблюдения с оптическими астрономическими картами, а затем в 19:10 16 сентября 1932 года Янский пришел к выводу, что излучение исходило от Млечного Пути и было наиболее сильным в направлении центра галактики, в созвездии Стрельца.
Янский продолжал свою работу в тайне еще шесть месяцев и написал статью о своих исследованиях «Электрические помехи, по-видимому, внеземного происхождения», которые он представил на заседании Международного научного радиосоюза, профессиональной организации в Вашингтоне, округ Колумбия, в апреле 1933 года.
Затем, 4 мая 1933 года, лаборатория Белла объявила, что Янскому удалось обнаружить радиоволны из галактики Млечный Путь.
Несмотря на то, что мало кто имел какое-либо представление о том, что означает это открытие (поначалу его считали потенциальным новым источником энергии), оно все равно было достаточно захватывающим, чтобы заслужить национальное освещение в газетах США.
Сирил Янский-младший был одним из немногих людей, которые полностью понимали важность прорыва своего брата:
16 мая 1933 года Карл Янский обратился к нации, продемонстрировав свои открытия «радиослушателям по всей территории Соединенных Штатов» через «сеть WJZ от побережья до побережья», то есть Национальную радиовещательную компанию (NBC).
Янский рассказал аудитории, что они слышат звуки, которым нужно около 40 000 световых лет, чтобы достичь планеты Земля.
Газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила: «Звук, создаваемый волнами, достигающими сверхчувствительного приемного устройства, которым управляет доктор Карл Янский… звучал как пар, выходящий из радиатора».
Янский написал еще две статьи о своих исследованиях, которые были опубликованы в инженерных журналах — три его статьи того времени были признаны Университетом Висконсина достаточными для того, чтобы наконец присудить Карлу степень магистра.
Таким образом, Карл Янский получил полную заслугу за это открытие, но, как это обычно бывает, он опирался на работы других, вклад которых не получил должного признания.
Например, по словам Ола, два других исследователя Bell Labs, Луи Лоури (Louis Lowry) и Эд Брюс (Ed Bruce), поделились результатами своей работы с Олом и Янским, что помогло подготовить почву для революционной работы Карла:
Брюс обнаружил в небе места, в которых присутствовал радиошум.
В результате, по моей оценке, он был первым, кто распознал звездный шум, раньше Янского.
Он не использовал острые антенны, которые использовал Янский, и не сканировал небо так тщательно, как Янский.
Он позволил земле вращаться и позволил движению земли переносить звук по небу.
Янский этого не сделал. Он [Янский] заставил антенну вращаться.
Карл раз за разом проверял небо в одном и том же месте, прежде чем прийти к выводам.
Он [Янский] действительно был основоположником радиоастрономии. Брюс и Лоури сделали первые наблюдения.
После выхода на пенсию в серии интервью Рассел Ол описал лабораторию Bell Labs, которая была далеко не идеальной рабочей средой.
В частности, существовала междоусобная политика, при которой именно высшее руководство и руководители по связям с общественностью в основном решали, чьи исследования достойны заявки на патент, чьи исследования достойны публикации и демонстрации, а чья работа достойна публичного объявления и гласности.
Для Карла Янского наличие прочных связей за стенами Bell Labs оказалось плодотворным. По словам Ола:
Янский получил полную заслугу в этом [открытии радиоволн из космоса], потому что его брат имел влияние в радиобизнесе.
И… его брат сообщил редактору журнала Электроника, [который] подумал, что это замечательное открытие и его следует предать гласности, и он пошел к [высшему руководству Bell Labs и сказал] что, если Bell Laboratories не опубликует эту работу, он опубликует ее без каких-либо дополнительных полномочий в Электронике.
В результате… она была опубликована, и Карлу Янскому разрешили провести демонстрацию по радио, когда она транслировалось.
Ол отметил, что Янский получил признание в астрономическом сообществе, но по крайней мере один руководитель из высшего руководства Ball Labs пытался заявить, что на самом деле это он открыл это открытие, но Ол сказал: «Это неправда».
Трудно считать Карла Янского заслуживающим единоличной похвалы за свое открытие, но он это получил.
Как это произошло?
Брат Янского Сирил и другие связи за пределами Bell Labs позволили Карлу, по сути, обойти своего главного руководителя, человека по имени Харальд Т. Фриис (Harald T. Friis).
Рассел Ол сказал: «Результатом всего этого, когда Янский получил известность, стало то, что его работа была прекращена. Они прекратили ее. Они поручили ему разработку малошумящих усилителей».
Янский стремился продолжить исследование этих загадочных космических сигналов и хотел построить для этой цели 30-метровую параболическую антенну.
Поскольку работа Янского показала, что шипящие статические помехи не должны создавать проблемы для трансатлантической связи, его начальство сочло проект завершенным.
Янский был занят в других проектах и больше к этой теме не возвращался.
Он оставался в Bell Labs до конца своей карьеры, трудясь в относительной безвестности, несмотря на то, что стал пионером в новой области науки.
В конце 1930-х годов Янский стал все активнее участвовать в секретных оборонных работах, особенно связанных с электронным обнаружением подводных лодок, за что он получил награду армии и флота.
Во время Второй мировой войны Янский подал заявку на получение трех патентов, касающихся радиопеленгации: высокочастотный пеленгатор, поданной 17 февраля 1942 года; Трехмерный радиопеленгатор, подан 30 августа 1943 г. и Фазовращатель, поданная 15 ноября 1943 года.
После окончания Второй мировой войны он работал над новой сетью микроволновых ретрансляторов AT&T для междугородной телефонной связи и с интересом следил за быстро развивающейся областью радиоастрономии.
После изобретения транзистора в лаборатории Белла в 1947 году Янский был одним из первых, кто использовал транзисторы для создания малошумящих предусилителей, и получил несколько патентов на радиопеленгатор или секстант, основанный на радиоизлучении Солнца, который позже был разработан Collins Radio Co. для Военно-морской исследовательской лаборатории.
В начале 1950 года Карл Янский вошел в кабинет Рассела Ола, и Ол подумал, что Янский, похоже, заболел.
Карл сказал ему: «Мне придется с тобой попрощаться. Я очень серьезно болен и должен лечь в больницу».
Ол обнял его и сказал: «Надеюсь, ты скоро сможешь вернуться и увидеть нас. Это был один из самых печальных моментов в моей жизни».
Карл Янский умер 14 февраля 1950 года в возрасте 44 лет от осложнений, возникших из-за продолжавшейся у него болезни почек.
Наследие Карла Янского
Конечным результатом исследований Янского стало открытие того, что радиоастрономия может использоваться для сбора информации об астрономических объектах, недоступных визуальной астрономии.
Как позже вспоминал Сирил-младший, «Проблема ученого состоит в том, чтобы распознать основные факты, даже если они скрыты огромным количеством постороннего материала, а затем применить творческое воображение при их интерпретации. Это сделал Карл Янский».
Когда первая статья Янского 1933 года была перепечатана в «Proceedings of the IEEE» в 1984 году, редакторы отметили, что работа Янского, скорее всего, получила бы Нобелевскую премию, если бы ученый не умер таким молодым.
Ученые продолжали опираться на прорывную работу Карла Янского.
В качестве лишь одного примера, 17 октября 1978 года Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Уилсон (Robert Wilson), исследователи из Bell Labs в Холмделе, были удостоены Нобелевской премии по физике за открытие космического микроволнового фонового излучения.
Используя мощную «рупорную антенну Холмделя», Пензиас и Уилсон собрали первые экспериментальные данные, подтверждающие модель происхождения Вселенной «Большого взрыва«.
Сегодня «Янский» является единицей измерения «плотности потока», то есть интенсивности внеземных радиоволн.
В его честь назван кратер на Луне, и, конечно же, там находится «Очень большой массив» (Very Large Array).
Очень большой радиотелескоп Карла Янского в Нью-Мексико — это самый совершенный радиотелескоп на земле, «настраиваемый интерферометр диаметром до 36 километров (22 миль)».
Это знакомое зрелище киноманам как одно из основных мест съемок фильма Джоди Фостер «Контакт» (Contact) 1997 года.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!