10 найкрасивіших фізичних експериментів
Десятки і сотні тисяч фізичних экспериментів було поставлено за тисячолітню історію науки. Непросто відібрати декілька "самих-самих", щоб розповісти про них.
Глядачі: експерименти минулого
Не всі представники роду людського присвячують своє життя пізнанню законів природи. Тільки невелика частина, вчені. Про те, як вони це роблять, допоможе зрозуміти розповідь про найкрасивіші фізичні експерименти минулого.
Земля - куля радіусом близько 6400 км. Ядро атома гелію складається з двох протонів і двох нейтронів. Сила гравітаційного тяжіння між двома тілами прямо пропорційна твору їх мас і обернено пропорційна квадрату відстаней між ними. У наший Галактиці приблизно 100 мільярдів зірок. Температура поверхні Сонця близько 6 тисяч градусів. Ці прості фізичні факти складаються з десятка тисяч інших, самих різних, - таких же простих для розуміння, або не дуже простих, або зовсім складних, - утворюючи фізичну картину миру.
У людини, яка тільки починає знайомитися з фізикою, неминуче виникає як мінімум два серйозні питання.
Щоб зрозуміти, потрібно запам'ятати все?
Питання перше: невже для того, щоб зрозуміти пристрій Всесвіту і закони, по яких він існує, потрібно дізнатися і запам'ятати всі накопичені до цих пір фізичні факти?! Звичайно, ні. Це неможливо. Фактів дуже багато. Невимірно більше, ніж змогло б уміститися не тільки в людському мозку, але навіть на магнітному диску найсучаснішого суперкомп'ютера.
Тільки об'єм інформації про розміри, температуру, спектральний клас і місцеположення всіх зірок наший Галактики складає 2-3 терабайта. Якщо додати сюди інші характеристики зірок, то цей об'єм виросте в декілька десятків або навіть сотень разів. Ще в мільйони разів збільшиться кількість даних, якщо розглядати і зірки в інших галактиках. А ще відомості про планети, газовопильові туманності. А ще інформація про елементарні частинки, їх властивості і розподіл за об'ємом Всесвіту. А ще... А ще... А ще...
Абсолютно неможливо запам'ятати або навіть просто записати абикуди таку кількість цифр. На щастя, це і не потрібно. У тому і полягає невимовно гармонійна краса нашого миру, що нескінченне різноманіття фактів витікає з дуже невеликої кількості базових принципів. Зрозумівши ці принципи, можна не тільки зрозуміти, але і передбачити величезну безліч фізичних фактів.
Наприклад, система рівнянь електродинаміки, запропонована 150 років тому Дж. Максвелом, включає всього чотири рівняння, що займають від сили 1/10 сторінок підручника. Але з цих рівнянь можна вивести, на перший погляд неосяжну, сукупність явищ, пов'язаних з електромагнетизмом. В принципі сучасна фізика якраз і ставить собі за мету побудувати єдину теорію, яка включала б всього декілька рівнянь (у ідеалі - одне), що описують всі відомі і правильно прогнозуючі нові фізичні факти.
Звідки ми знаємо?
Питання друге: а звідки ми знаємо і чому ми упевнені в тому, що все це дійсно так? Що Земля має форму кулі. Що в ядрі гелію два протони і два нейтрони. Що сила тяжіння між двома тілами прямо пропорційна їх масам і обернено пропорційна квадрату відстаней. Що рівняння Максвела правильно описують електромагнітні явища. Ми знаємо це з фізичних експериментів. Колись, давним-давно, люди від простого споглядання природних явищ поступово перейшли до їх вивчення за допомогою свідомо поставлених експериментів, результати яких виражаються числами. Приблизно до XVI-XVII століть склався той принцип фізичного пізнання природи, який до цих пір перебуває на озброєнні у науки і який можна схематично проілюструвати от так:
Явище ?Гіпотеза ?Прогноз ?Експеримент ?Теорія.
Для пояснення якого-небудь природного явища фізики формулюють гіпотезу, яка могла б це явище пояснити. На підставі гіпотези роблять прогноз, який, в загальному випадку, уявляє з себе деяке число. Останнє перевіряють експериментально, проводячи вимірювання. Якщо число, отримане в результаті експерименту, узгоджується з передбаченим, гіпотеза отримує ранг фізичної теорії. Інакше все повертається на другу стадію: формулюється нова гіпотеза, робиться новий прогноз і ставиться новий експеримент.
Експеримент - ключ до розуміння всесвіту
Не дивлячись на простоту схеми, процес, описаний п'ятьма словами і чотирма стрілками, на справді іноді може займати тисячоліття. Хорошим прикладом служить модель світу. На початку нашої ери затверділась геоцентрична модель Птолемея, згідно якої в центрі світу розташовувалася Земля, а навколо неї оберталися Сонце, Місяць і планети. Ця модель була загальновизнана протягом півтора тисяч років, проте, стикалася зі все більш серйозними складнощами.
Уважно спостерігаючи положення на небі Сонця, Місяця і планет, кмітливі дослідники все частіше приходили до висновку що їх положення не відповідало прогнозам геоцентричній моделі і така суперечність ставала все більш непереборною, оскільки точність спостережень росла. Це примусило Миколу Коперника запропонувати в середині XVI століття геліоцентричну модель, згідно якої в центрі знаходиться не Земля, а Сонце. Геліоцентрична гіпотеза отримала блискуче підтвердження завдяки безпрецедентним по точності (для того часу) спостереженням Тихо Бразі, результати яких співпали з прогнозами геліоцентричній моделі. Остання стала загальноприйнятою, отримавши, таким чином, статус теорії.
Цей приклад, так само як і розглянута нами схема, показують ключову роль експерименту в процесі наукового пізнання навколишнього світу. Тільки за допомогою експерименту можна перевірити фізичну модель. Надзвичайно важливий той факт, що результати експерименту, так само як і прогнози фізичної моделі, не якісні, а кількісні. Тобто є набором найзвичайніших чисел. Тому порівняння обчислених і зміряних результатів - цілком однозначна процедура. Тільки завдяки цьому фізичний експеримент зміг стати ключем, що відкриває шлях до розуміння всесвіту.
Десять найгарніших
Який повинен бути критерій відбору?
Чотири роки тому в газеті "The New York Times" була опублікована стаття Роберта Кріза і Стогни Буку. У ній розповідалося про результати опиту, проведеного серед фізиків. Кожен опитаний повинен був назвати десять найкрасивіших за всю історію фізичних експериментів. На наш погляд, критерій краси нічим не поступається іншим критеріям. Тому ми розповімо про експерименти, що увійшли до першої десятки за наслідками опитування Криза і Бука.
1. Експеримент Ератосфена Киренського
Один з найстародавніших відомих фізичних експериментів, в результаті якого був зміряний радіус Землі, був проведений в III столітті до наший ери бібліотекарем знаменитої Александрійської бібліотеки Ерастофеном Киренським. Схема експерименту проста. Опівдні, в день літнього сонцестояння, в місті Сієні (нині Асуан) Сонце знаходилося в зеніті і предмети не відкидали тіні. Того ж дня і в той же час в місті Александрії, що знаходилося в 800 кілометрах від Сієна, Сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7°. Це складає близько 1/50 повного кола (360°), звідки виходить, що коло Землі рівне 40 000 кілометрів, а радіус 6300 кілометрів. Майже неймовірним представляється те, що зміряний таким простим методом радіус Землі опинився всього на 5% менше значення, отриманого найточнішими сучасними методами.
2. Експеримент Галілео Галілея
В XVII столітті панувала точка зору Арістотеля, який учив, що швидкість падіння тіла залежить від його маси. Чим важче тіло, тим швидше воно падає. Спостереження, які кожен з нас може виконати в повсякденному житті, здавалося б, підтверджують це. Спробуйте одночасно випустити з рук легку зубочистку і важкий камінь. Камінь швидше торкнеться землі. Подібні спостереження привели Арістотеля до виводу про фундаментальну властивість сили, з якою Земля притягає інші тіла. Насправді на швидкість падіння впливає не тільки сила тяжіння, але і сила опору повітря. Співвідношення цих сил для легких предметів і для важких різне, що і приводить до спостережуваного ефекту.
Італієць Галілео Галілей засумнівався в правильності виводів Арістотеля і знайшов спосіб їх перевірити. Для цього він скидав з Пізанської башти в один і той же момент гарматне ядро і значно легшу кулю мушкета. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму, тому і для ядра, і для кулі сили опору повітря були настільки малі в порівнянні з силами тяжіння, що ними можна знехтувати. Галілей з'ясував, що обидва предмети досягають землі в один і той же момент, тобто швидкість їх падіння однакова. Результати, отримані Галілеєм. - наслідок закону усесвітнього тяжіння і закону, відповідно до якого прискорення, що випробовується тілом, прямо пропорційно силі, що діє на нього, і обернено пропорційно до маси.
3. Другій експеримент Галілео Галілея
Галілей заміряв відстань, яку кулі, що котяться по похилій дошці, долали за однакові проміжки часу, зміряного автором досвіду по водяному годиннику.
Учений з'ясував, що якщо час збільшити в два рази, то кулі прокотяться в чотири рази далі. Ця квадратична залежність означала, що кулі під дією сили тяжіння рухаються прискорено, що суперечило затвердженню Арістотеля, яке приймалося на віру протягом 2000 років про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, тоді як якщо сила не прикладена до тіла, то воно покоїться. Результати цього експерименту Галілея, як і результати його експерименту з Пізанською вежею надалі послужили основою для формулювання законів класичної механіки.
4. Експеримент Генрі Кавендіша
Після того, як Ісаак Ньютон сформулював закон усесвітнього тяжіння: сила тяжіння між двома тілами з масами Міт, віддалених один від одного на відстань r, дорівнює F=?(mM/r2), залишалося визначити значення гравітаційної постійної ?
Для цього потрібно було зміряти силу тяжіння між двома тілами з відомими масами. Зробити це не так просто, тому що сила тяжіння дуже мала. Ми відчуваємо силу тяжіння Землі. Але відчути тяжіння навіть дуже великої гори, що опинилася поблизу, неможливо, оскільки воно дуже слабке.
Був потрібен дуже тонкий і чутливий метод. Його придумав і застосував в 1798 році співвітчизник Ньютона Генрі Кавендіш. Він використовував крутильні ваги - коромисло з двома кульками, підвішене на дуже тонкому шнурку. Кавендіш вимірював зсув коромисла (поворот) при наближенні до кульок вагів інших куль з більшою масою. Для збільшення чутливості зсув визначався по світлових зайчиках, відображених від дзеркал, закріплених на кулях коромисла. В результаті цього експерименту Кавендішу вдалося досить точно визначити значення гравітаційної константи і вперше обчислити масу Землі.
5. Експеримент Жана Бернара Фуко
Французький фізик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 році експериментально довів обертання Землі навколо своєї осі за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного до вершини куполу паризького Пантеону. Площина гойдання маятника зберігає незмінне положення по відношенню до зірок. Спостерігач, який знаходиться на Землі і обертається разом з нею, бачить, що площина обертання поволі повертається убік, протилежний напряму обертання Землі.
6. Експеримент Ісаака Ньютона
В 1672 році Ісаак Ньютон виконав простій експеримент, який описаний у всіх шкільних підручниках. Зачинивши віконниці, він зробив в них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя була поставлена призма, а за призмою - екран. На екрані Ньютон спостерігав "веселку": білий сонячний промінь, пройшовши через призму, перетворився на декілька кольорових променів - від фіолетового до червоного. Це явище називається дисперсією світла.
Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження володіють властивістю розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла в дослідах з скляною трикутною призмою ще до Ньютона виконали англієць Харіот і чеський природодослідник Марци.
Проте до Ньютона подібні спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а виводи, що робилися на їх основі, не перевірялися додатковими експериментами. І Харіот, і Марци залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що відмінність в кольорі визначається відмінністю в кількості темноти, що "домішується" до білого світу. Фіолетовий колір, по Арістотелю, виникає при найбільшому додаванні темноти до світла, а червоний - при найменшому.
Ньютон же виконав додаткові досліди з схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, проходить потім через іншу. На підставі сукупності виконаних дослідів він зробив вивід про те, що "ніякого кольору не виникає з білизни і чорноти, змішаних разом, окрім проміжних темних; кількість світла не міняє виду кольору". Він показав, що білий світ потрібно розглядати як складений.
Основними ж є кольори від фіолетового до червоного.
Цей експеримент Ньютона служить чудовим прикладом того, як різні люди, спостерігаючи одне і те ж явище, інтерпретують його по-різному і лише ті, хто ставить під сумнів свою інтерпретацію і ставить додаткові досліди, приходять до правильних виводів.
7. Експеримент Томаса Юнга
До початку XIX століття переважали уявлення про корпускулярну природу світла. Вважали, що світло складається з окремих частинок - корпускул. Хоча явища дифракції і інтерференції світла спостерігав ще Ньютон ("кільця Ньютона"), загальноприйнята точка зору залишалася корпускулярною.
Розглядаючи хвилі на поверхні води від двох кинутих каменів, можна відмітити, як, накладаючись один на одну, хвилі можуть інтерферувати, тобто взаємогасити або взаємо посилювати одна одну.
Грунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг виконав в 1801 році досліди з променем світла, яке проходило через два отвори в непрозорому екрані, утворюючи, таким чином, два незалежні джерела світла, аналогічних двом кинутим у воду каменям. В результаті він спостерігав інтерференційну картину, що складається з темних і білих смуг, які чергувалися, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасять одна одну. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі взаємопосилювались. Таким чином була доведена хвильова природа світла.
8. Експеримент Клауса Йонссона
Німецький фізик Клаус Йонссон провів в 1961 році експеримент, подібний до експерименту Томаса Юнга по інтерференції світла. Різниця полягала в тому, що замість променів світла Йонссон використовував пучки електронів. Він отримав інтерференційну картину, аналогічну тій, що Юнг спостерігав для світлових хвиль. Це підтвердило правильність положень квантової механіки про змішану корпускулярний-хвильову природу елементарних частинок.
9. Експеримент Роберта Міллікена
Уявлення про те, що електричний заряд будь-якого тіла дискретний (тобто складається з більшого або меншого набору елементарних зарядів, які вже не схильні до дроблення), виникло ще в початку XIX століття і підтримувалося такими відомими фізиками, як М.Фарадей і Г.Гельмгольц. У теорію був введений термін "електрон", що позначав якусь частинку, - носій елементарного електричного заряду. Цей термін, проте, був у той час чисто формальним, оскільки ні сама частинка, ні пов'язаний з нею елементарний електричний заряд не були виявлені експериментально.
У 1895 році К.Рентген під час експериментів з розрядною трубкою виявив, що її анод під дією променів, що летять з катода, здатний випромінювати свої, Х-промені, або промені Рентгена.
У тому ж році французький фізик Ж.Перрен експериментально довів, що катодні промені - це потік негативно заряджених частинок. Але, не дивлячись на колосальний експериментальний матеріал, електрон залишався гіпотетичною частинкою, оскільки не було жодного досвіду, в якому брали участь би окремі електрони.
Американський фізик Роберт Міллікен розробив метод, що став класичним прикладом витонченого фізичного експерименту. Міллікену вдалося ізолювати в просторі декілька заряджених крапельок води між пластинами конденсатора. Освітлюючи рентгенівськими променями, можна було злегка іонізувати повітря між пластинами і змінювати заряд крапель. При включеному полі між пластинами крапелька поволі рухалася вгору під дією електричного тяжіння. При вимкненому полі вона опускалася під дією гравітації.
Включаючи і вимикаючи поле, можна було вивчати кожну із зважених між пластинами крапельок протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися. До 1909 року вдалося визначити, що заряд будь-якої крапельки завжди був цілим кратним фундаментальній величині е (заряд електрона). Це було переконливим доказом того, що електрони - це частинки з однаковим зарядом і масою.
Замінивши крапельки води крапельками масла, Міллікен дістав можливість збільшити тривалість спостережень до 4,5 години і в 1913 році, виключивши один за іншим можливі джерела погрішностей, опублікував перше виміряне значення заряду електрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 електростатичних одиниць.
10. Експеримент Ернста Резерфорда
На початку XX століття стало зрозуміло, що атоми складаються з негативно заряджених електронів і якогось позитивного заряду, завдяки якому атом залишається в цілому нейтральним. Проте, припущень, як виглядає ця "позитивно-негативна" система, було дуже багато, тоді як експериментальні дані, які дозволили б зробити вибір на користь тієї або іншої моделі, явно бракувало. Більшість фізиків прийняли модель Дж.Дж.Томсона: атом як рівномірно заряджена позитивна куля діаметром приблизно 108 см з плаваючими усередині негативними електронами.
У 1909 році Ернст Резерфорд (йому допомагали Ганс Гейгер і Ернст Марсден) поставив експеримент, щоб зрозуміти дійсну структуру атома. У цьому експерименті важкі позитивно заряджені ?- частинки, рухомі із швидкістю 20 км/с, проходили через тонку золоту фольгу і розсівалися на атомах золота, відхиляючись від первинного напряму руху. Щоб визначити ступінь відхилення, Гейгер і Марсден повинні були за допомогою мікроскопа спостерігати спалаху на пластині сцинтилятора, що виникали там, де в пластину потрапляла ? - частинки.
За два роки було злічено близько мільйона спалахів і доведено, що приблизно одна частинка на 8000 в результаті розсіяння змінює напрям руху більш ніж на 90° (тобто повертає назад). Такого ніяк не могло відбуватися в "рихлому" атомі Томсона. Результати однозначно свідчили на користь так званої планетарної моделі атома - масивне крихітне ядро розмірами приблизно 10-13см і електрони, що обертаються навколо цього ядра на відстані близько 10-8см.
Література
1. И.А.Сокальський, к.ф-м.н. "10 найкрасивіших за всю історію фізичних експериментів"
2. www.reshetich.com.ru
3. www.inauka.ru
