Роберт Криз «Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки» - рецензия П. Можейко
«Ученый изучает природу не потому, что извлекает из этого какую-то пользу. Он исследует ее потому, что получает от этого удовольствие, а получает удовольствие потому, что она прекрасна. Если бы природа не была прекрасна, ее не было бы смысла изучать, и если ее не было бы смысла изучать, то и наша жизнь лишилась бы всякого смысла». (Анри Пуанкаре)
НАЗВАНИЕ: Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
АВТОР: Роберт Криз
ОРИГИНАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science
ISBN: 978-5-17-082812-8
ГОД ИЗДАНИЯ: 2014
ИЗДАТЕЛЬСТВО: «АСТ»
СЕРИЯ: «Пространство идей»
КОГДА МНОЙ ПРОЧИТАНО: Февраль 2025
ИСТОЧНИК: Оригинальная книга
О КНИГЕЯ помню, как в детстве у нас в доме откуда-то появился довольно крупный магнит, причем еще и той самой U-образной формы. Мне нравилось экспериментировать с ним, притягивая различные металлы или пытаясь прикоснуться друг к другу одинаковыми полюсами двух разных магнитов. Также я пробовал прокладывать между магнитом и металлической деталью книги постепенно увеличивая их толщину, чтобы проверить, насколько у того хватит «силы». Эта сила притяжения и отталкивания казалась тогда настоящей магией. Наука, к слову, не разрушает волшебство, а просто превращает его в полезное знание, и краеугольным процессом этого преобразования является эксперимент.
В нашем детстве, которое еще успело пройти не за мониторами и экранами мобильных устройств (ну тетрис же не в счёт?), первые пробы в физике отнюдь не ограничивались играми с магнетизмом. В плотинах у водонапорной колонки мы опробовали физику потока и гидравлику, выжигая послания на лавке с помощью увеличительного стекла – силу оптики, перебирая моторчики электрических катеров – знакомились с азами электродинамики, попутно пробуя приложить язык к клеммам 9-ти вольтовой батарейки, неплохо горела селитра, убеждая в скоротечности химических реакций, и весело было прилепить силами электростатики натертый об волосы воздушный шарик к потолку. Все наше детство само по себе было большим экспериментом сразу во всех областях знаний. Но вырастая, мы сосредотачиваемся на значительно более узком круге деятельности, и начинаем тонуть в рутине. Какое же восхищение при этом вызывают люди, которые не теряют азарта и открывают в этом мире что-то новое, то, что порой в корне меняет нашу картину мира!
Лично я, хоть всю жизнь и увлекался музыкой и литературой, «скомпенсировал» эту гуманитарную половину себя тем, что получил специальность инженера-конструктора и до сих пор занимаюсь проектированием объектов энергетики, попутно много читая обо всем и иногда сочиняя акустические композиции. Отдельным моим интересом является научно-популярная литература, меня вдохновляет наука и особенно, яркие эксперименты в различных ее областях. Чем-то они мне напоминают элегантно решенные сложнейшие шахматные этюды, где интересно не только то, ЧТО сделано, но и то, КАК это сделано. Те, кто следит за моими книжными страницами не первый год, знает, что я прочитал уже множество книг о науке, и конечно, в них мне попадались описания самых разных экспериментов. И это натолкнуло меня на мысль поискать книги, посвященные самым выдающимся из них. Таких я нашел две: книгу американского популяризатора науки Джорджа Джонсона «Десять самых красивых экспериментов в истории науки» (2008) и книгу американского философа, писателя и научного журналиста Роберта Криза «Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки» (2003). Сегодня рецензия на вторую, но в целом позже будет интересно сравнить 10-ки двух авторов и то, как каждый из них расскажет о тех опытах, которые попадут в оба тома.
Красота очень субъективная вещь. И если применительно к людям, поступкам, произведениям искусства, видам природы это еще с некоторой долей объективности применимо, то в чем же заключается «красота» научного эксперимента? Вот, как ответил для себя на этот вопрос сам Роберт Криз:
«Эксперимент в отличие от картины или скульптуры динамичен. Он больше похож на драматическое представление, так как люди планируют его, организуют и наблюдают – с тем, чтобы получить те результаты, в которых они заинтересованы. Как узнать длину земной окружности, не протянув рулетку вдоль всего экватора? Как узнать, что Земля вращается, не взлетев в космос и не увидев этого собственными глазами? Откуда мы знаем, что находится внутри атома? Тщательным образом имитируя то или иное природное явление в лабораторных условиях – порой с использованием таких простых предметов, как призма и маятник, – мы добиваемся того, что ответы сами вырисовываются перед нашими глазами. Форма возникает из хаоса не чудесным, непредсказуемым образом – как кролик, появляющийся из шляпы фокусника, – а благодаря тому, что мы правильно организовали ее появление. Мы заставляем говорить величайшие загадки природы. Красота эксперимента заключается в том, каким образом он дает новую информацию».
Автор выделяет три главных компонента красоты эксперимента:
«Три компонента красоты – фундаментальность, эффективность и определенность – постоянно встречаются в наиболее глубоких и систематизированных аналитических описаниях понятия прекрасного, которые на протяжении столетий выходили из-под пера философов и художников».
Безусловно, можно не согласиться с Робертом Кризом, и придумать свои критерии научной красоты, но как мне кажется, озвученные автором эти три пункта – тот минимум, который должен быть в любом случае у каждого эксперимента, претендующего на красоту. Также Роберт Криз предостерегает от того, чтобы путать в эксперименте эстетическое с научным, внешнее с сущностным:
«Самый простой способ утратить правильное понимание того, что такое красота в науке, – это начать эстетизировать эксперимент, обращая внимание лишь на его внешние проявления. Но подлинная красота эксперимента заключается в том, как он демонстрирует свою идею. Как мы увидим в дальнейшем, красота experimentum crucis Ньютона не имеет никакого отношения к цветам, получаемым с помощью призмы, но заключена в изяществе, с которым этот эксперимент раскрывает структуру света. Красота эксперимента Кавендиша со взвешиванием мира не имеет отношения к внешнему облику его чудовищного инструментария, но воплощена в предельной точности результата. А красота эксперимента Юнга проистекает не из банального узора черных и белых полос, а из того, каким образом он раскрывает сущностные характеристики света».
Любая подборка, тем более включающая в себя слово «самых» обречена быть субъективной. Отобранные в эту книгу 10 экспериментов – не исключение. Роберт Криз не стал сильно заморачиваться с критериями отбора, а сделал ставку на большую выборку мнений, которая и позволила через голосование «размазать» его субъективность до вменяемой степени объективности профильного сообщества. Правда, учитывая область интересов самого автора и то место, где он проводил опрос, субъективизм остался в выборе области, к которой принадлежат все эксперименты сборника – это физика.
«Одной из самых сложных задач при организации любой галереи является отбор экспонатов. Я решил эту проблему следующим образом. В 2002 году, вдохновленный разговором с очередным ученым, рассказывавшим мне о красивом эксперименте, и вспомнив не только слова Глэшоу, но сотни подобных формулировок, которые я слышал на протяжении многих лет, я решил провести голосование. Я попросил читателей международного научного журнала Physics World, для которого я систематически пишу статьи, ответить на вопрос, какие эксперименты, по их мнению, являются самыми красивыми. К моему удивлению, читатели выбрали более трехсот кандидатов. Среди них, кроме действительно имевших место экспериментов, были также мысленные эксперименты, проектируемые эксперименты, а также теоремы и модели практически во всех научных областях – от физики до психологии. Мой опрос поддержали также блогеры и участники дискуссионных групп в Интернете, и это дало мне еще несколько сотен кандидатов. В свой шорт-лист самых красивых экспериментов я включил десять наиболее часто упомянутых кандидатов».
Конечно, это недостаток, что в книге не уделено внимания другим областям науки. Например, я считаю очень важным эксперимент Соломона Аша, ярко и пугающе показывающий наше стремление к конформизму в группах. Его советский вариант с черными и белыми пирамидками провела профессор Валерия Мухина (смотрите документальный фильм «Я и другие», 1971).
https://www.youtube.com/watch?v=6gZoH8WnI5E&t=518s
Давайте теперь кратко перечислим эксперименты, описанные в этой книге:
1) С помощью тени Эратосфен вычисляет размеры Земли.
2) Скидывая разные предметы с высоты, Галилей показывает контринтуитивное воздействие гравитации на предметы разной плотности.
3) С помощью изящно выстроенного эксперимента, снова же Галилей открывает закон движения с ускорением, тем самым низвергая принципы, заложенные Аристотелем.
4) С помощью призмы Ньютон доказывает, что белый свет является составным, открывая тем самым законы восприятия цвета.
5) Генри Кавендиш с помощью хитрого коромысла с гирями с большой точностью определяет плотность планеты, тем самым косвенно определяя постоянную G.
6) Томас Юнг своим щелевым экспериментом доказывает волновую природу света и дает наглядный пример интерференции.
7) Жан Бернар Леон Фуко своим маятником показывает вращение Земли.
8) Роберт Милликен используя метод «уравновешенной капли» определяет заряд электрона.
9) Эрнест Резерфорд исследуя излучение альфа-частиц проникает в сердце атома и открывает его строение, тем самым снова низвергая постулаты Аристотеля о «неделимости» этой элементарной частицы вещества.
10) Группа ученых модернизируя щелевой эксперимент Юнга для расстреливания экрана электронами, открывают явление квантовой интерференции, что в физике знаменует собой смену парадигмы с классической на квантовую.
Думаю, вы уже заметили, что эксперименты расположены в хронологическом порядке. По задумке автора это позволит в должной мере оценить «величественную картину гигантского пути, пройденного наукой за 2500 лет».
«Эта история начинается во времена простейших самодельных измерительных приборов типа солнечных часов или наклонных плоскостей и завершается эпохой сверхточных приборов. Она начинается во времена, когда ученые, как правило, работали в одиночестве (или в лучшем случае в компании одного или двух помощников), и завершается в эпоху, когда персонал научной лаборатории может составлять несколько сотен человек».
У каждой главы похожая структура. Сначала Роберт Криз знакомит читателя с предысторией данной области науки и с той проблемой, которую пытались решить ученые. Далее следует описание самого эксперимента, после чего следуют его результаты и местами, сравнение с уточненными данными, полученными уже в ХХ веке. В конце автор рассказывает, про значение того или иного эксперимента и какие у него ключевые особенности (точность, простота, построение выверенной модели, глубокий анализ данных, сложность построения модели и т.д.). Эту же структуру я сохранил в своем КОНСПЕКТЕ-ЦИТАТНИКЕ, который можно увидеть ниже.
Описанные в книге эксперименты удивляют прежде всего тем, как через простые вещи, такие как тень на земле или груз, подвешенный на тросе, могут раскрываться вещи глобального масштаба, будь то шарообразность планеты или ее стремительное и непрерывное движение вокруг своей оси. Интересно и то, как на первый взгляд простые результаты переворачивают понимание физики нашего мира (волновая природа света, делимость атома, квантовая природа электрона). Но конечно, это еще и портретная галерея удивительных людей, может быть не самых приятных в быту и общении, но безусловно обладающих тем упорством, смелостью и интеллектом, которым можно только позавидовать и которыми можно вдохновляться.
У человека не отнять стремление к красоте, и, хотя каждый из нас понимает ее по-своему, мы не может отказать себе в удовольствии видеть красивое вокруг себя. Науку делают люди, а не машины, а значит она всегда будет пронизана человеческими чувствами, одно из которых – чувство прекрасного.
«Если изъять из науки человеческие чувства, на ее месте останется роботизированный процесс создания, проверки и переформулирования гипотез – грандиозная интеллектуальная игра».
И не больше…
КОНСПЕКТ-ЦИТАТНИК «ЭКСПЕРИМЕНТЫ»Глава 1. Измеряя Землю.
Эратосфен и земная окружность:
«В третьем веке до нашей эры греческий ученый Эратосфен Киренский (ок. 276 – ок. 195 до н. э.) произвел первое известное в истории измерение размеров Земли. Его инструменты были очень просты: он следил за тенью, отбрасываемой гномоном (центральным стержнем солнечных часов), делая довольно естественные предположения и проводя очень простые измерения. Эксперимент был произведен настолько изящно, что его результаты на протяжении нескольких столетий приводились в качестве наиболее авторитетных. Этот простой и поучительный опыт и поныне, 2500 лет спустя, ежегодно воспроизводят школьники по всему миру. Принцип данного измерения так элегантен, что стоит понять его, как у вас тут же возникает желание измерять тени всего вокруг».
Особенность эксперимента:
«Эратосфен выступил с довольно дерзким для своего времени предположением, что те же самые методы, которые были уже разработаны для строительства домов и мостов, для прокладывания дорог и межевания полей, для прогнозирования ливней и наводнений, можно использовать для получения информации о размерах Земли и других небесных тел. Эратосфен исходил из предположения, что Земля представляет собой некое подобие шара».
Суть эксперимента:
«Главным было то, что в момент, когда солнце стоит прямо над головой в Сиене, оно не находится в зените ни в одном другом месте к северу и к югу от нее, включая и Александрию. Во всех остальных местах гномон солнечных часов отбрасывает тень. Длина же тени должна зависеть от кривизны земной поверхности. Чем больше кривизна, тем длиннее будет тень в таком месте, как, например, Александрия. Эратосфен обладал достаточными познаниями в геометрии, чтобы разработать весьма изящный эксперимент, на основе которого он смог вычислить меру названной кривизны и, исходя из этого, определить протяженность земной окружности. <…> Угол между лучом солнца в тот момент, когда оно находится в зените в Александрии, и вертикальным шестом (гномоном) в Сиене (х) равен углу между земными радиусами (y), проведенными к Александрии и Сиене. Следовательно, отношение длины дуги окружности EF к полному кругу таково же, что и отношение длины дуги AE (расстояние от Сиены до Александрии) к окружности Земли».
Результат эксперимента:
«Эратосфен выяснил, что сектор, занимаемый тенью, составляет 1/50 полной окружности (мы бы сейчас сказали: составляет 7,2 градуса). Таким образом, расстояние между Александрией и Сиеной равнялось пятидесятой части протяженности всего меридиана. Умножив 5000 стадий на 50, он получил 250 000 стадий для длины земной окружности. Позже, внеся некоторые уточнения, Эратосфен увеличил цифру до 252 000 стадий (в переводе на современные меры длины и то и другое число – это чуть больше 25 000 миль). <…> Результат, полученный Эратосфеном, лишь незначительно отличается от величины, которая считается правильной сегодня, – 24 900 миль».
Значение эксперимента:
«Эксперимент Эратосфена стал причиной настоящего переворота в географии и астрономии. Во-первых, теперь любой географ мог определить расстояние между любыми двумя точками на земной поверхности известной широты, например между Афинами и Карфагеном или между Карфагеном и дельтой Нила. Эратосфен определил размеры и положение известной ему обитаемой части Земли, а его преемники получили в свое распоряжение измерительную методику для определения космических расстояний – например, расстояний до Луны, Солнца и звезд. Короче говоря, благодаря эксперименту Эратосфена полностью преобразились представления тогдашнего человечества о Земле, ее положении во Вселенной (или, по крайней мере, в Солнечной системе) и о месте человека во всем этом».
О красоте этого эксперимента:
«Умно организованный эксперимент с использованием доступных и, в принципе, весьма элементарных инструментов может заставить даже такую эфемерную и неуловимую вещь, как тень, раскрыть для нас самые сокровенные и неизменные тайны небес».
Глава 2. Бросая мяч с башни.
Переход к другой картине мира, где есть движение с ускорением.
«Какой-то один эпизод становится символическим обобщением целого ряда важных событий. В картине перехода от Аристотелевой к современной картине мира «эксперимент на Пизанской башне» идеально исполняет такую роль, хотя оборотной стороной этого становится некоторое тушевание всего контекста событий: создается ложное впечатление, что один лишь этот эксперимент явился причиной пересмотра Галилеем теории движения и что именно проблема движения была главной в конфликте двух систем мироздания».
Про опыт Галилея:
«Опыт Галилея отвечает на вполне фундаментальный вопрос: как различные тела – от пушечного ядра до перышка – ведут себя под воздействием силы, которая так или иначе влияет на всех нас. Организация этого эксперимента предельно проста, для его проведения не нужно ни сложного оборудования, ни даже простых часов. И он не оставляет никаких вопросов, в результате мы переживаем тот особый вид удовольствия, который можно было бы назвать «ожидаемым удивлением». Хотя разумом мы понимаем истинность галилеевского представления о мире, интуитивно мы живем в аристотелевском мире».
Глава 3. Альфа-эксперимент с наклонной плоскостью.
Предыстория:
«Преподаватели естественных наук называют его альфа-экспериментом или первичным экспериментом. Часто именно он оказывается самым первым экспериментом, который ставят в средней школе на уроках физики. Во многих отношениях он был и первым современным научным экспериментом – то есть таким, в ходе которого исследователь систематически планировал, организовывал и соблюдал некую последовательность действий с тем, чтобы наблюдать результат и в конце концов прийти к открытию нового закона. Благодаря этому эксперименту, который Галилей успешно провел в 1604 году, в науку вошло понятие ускорения – меры изменения скорости относительно времени. Если эксперимент на Пизанской башне стал частью изучения Галилеем феномена свободного падения тел (и это изучение доказало, что тела разного веса в случае, если сопротивление их движению незначительно, упадут на землю одновременно), то эксперимент с наклонной плоскостью стал результатом анализа Галилеем математического закона, на котором основан феномен свободного падения. Этот эксперимент также окружает определенная тайна, так как на том оборудовании, которым располагал Галилей, он просто не мог достичь той точности, о которой заявлял. Но так же, как и в случае с экспериментом на Пизанской башне, недавние изыскания историков науки обнаружили новые удивительные факты, которые в определенной степени изменили наше представление о Галилее как об экспериментаторе».
Схема эксперимента:
«Наклонная плоскость с желобом, экспонат Музея истории науки во Флоренции. Этот инструмент был изготовлен в конце XVIII века и предназначался для демонстраций во время лекций. Маятник в задней части плоскости снабжен колокольчиком, который звенит при каждом качании, отмечая, таким образом, равные промежутки времени. Вдоль наклонной плоскости также устанавливаются колокольчики, которые звенят всякий раз, когда мимо них прокатывается шар. Эти колокольчики можно передвигать вдоль желоба, и демонстратор путем подбора размещает их таким образом, чтобы катящийся по желобу шар задевал их одновременно с качаниями маятника. Измерив затем расстояния от начала желоба до первого колокольчика, а также между колокольчиками, демонстратор и его зрители обнаружат, что названные расстояния относятся друг к другу как последовательность нечетных чисел, начиная с единицы – то есть, что длины соответствующих отрезков пути по наклонной плоскости от начала движения прямо пропорциональны квадратам времени движения. Данное приспособление позволяет хорошо продемонстрировать справедливость закона Галилея, однако не существует никаких свидетельств того, что установка Галилея была именно такой».
Результаты эксперимента:
«Как свидетельствуют рукописи и письма Галилея, к 1604 году, в результате длительных исследований движения тел по наклонным плоскостям, он наконец открыл закон ускорения: расстояние, пройденное телом, зависит от квадрата времени, в течение которого оно набирает скорость. Если время отмеряется последовательными равными промежутками (1, 2, 3…), это значит, что расстояние, пройденное телом в каждый такой промежуток, увеличивается в соответствии с прогрессией нечетных чисел (1, 3, 5…). В настоящее время приведенная зависимость известна под названием закона Галилея, или закона прямолинейного равноускоренного движения: S ∝ Т2 – расстояние, которое проходит тело, перемещающееся с равным ускорением, от начальной точки движения, прямо пропорционально квадрату временного интервала, отсчитываемого от начала движения (современная формула имеет вид: d = at2/2, то есть расстояние, пройденное телом, равно половине ускорения, помноженной на квадрат величины времени движения)».
Значение эксперимента:
«Во-первых, благодаря Галилею изменилось само представление о естественно-ускоренном движении. Раньше все (в том числе и сам Галилей) предполагали, что скорость при этом испытывает равные приращения на равных отрезках пути, но со временем Галилей нашел доказательство принципиальной невозможности такого движения. Равное ускорение предполагает равные приращения скорости через равные промежутки времени. Сейчас нам кажется, что по-другому и быть не может, но во времена Галилея немногие понимали саму разницу между пространственной и временной зависимостью скорости. Во-вторых, Галилею удалось убедительно продемонстрировать, что не существует принципиальной разницы между «насильственным движением» тяжелых тел, направленным вверх, и их «естественным движением», направленным вниз. В обоих случаях тела движутся с ускорением, следовательно, их движение должно описываться одним и тем же математическим законом. В сочетании с другими открытиями Галилея это стало еще одним свидетельством того, что аристотелевскую систему нельзя просто «подправить», ее нужно было полностью заменить».
Ключевая особенность эксперимента для науки:
«Данный эксперимент Галилея отличался от опыта Эратосфена по измерению земной окружности и от его собственного эксперимента на Пизанской башне. Два первых проводились с помощью средств, предназначенных для абсолютно других целей. Данный же эксперимент, напротив, требовал разработки и создания специального оборудования для выполнения определенных функций. Изобретательность Галилея проявилась не только в организации самого эксперимента, но и в изготовлении необходимого инструментария для него. Этот инструментарий создает некое экспериментальное пространство, в котором определенный феномен – в нашем случае ускорение – может проявиться и стать объектом исследования».
Глава 4. Призма Ньютона.
Про эксперимент с призмой:
«Ньютон взирал на происходящее под целым рядом разнообразных углов зрения. Помимо самих цветов, он обращал внимание также и на форму, которую они принимали. «Меня удивило то, что они имеют продолговатую форму, в то время как, с точки зрения известных законов рефракции света, они должны были быть округлыми». Но что же так удивило Ньютона? Согласно господствовавшей в то время точке зрения Декарта и других авторов, считалось, что призмы каким-то образом модифицируют или окрашивают чистый солнечный свет и тем самым создают спектр. Если это действительно так, то луч, выходящий из призмы, должен иметь то же округлое сечение, с которым он в нее и вошел. Однако, как заметил Ньютон, на деле отсвет луча «имел форму скакового круга с полукруглыми изгибами наверху и внизу, связанными между собой прямыми линиями» (см. рис.). Цвета располагались горизонтальными полосами, с синим цветом на одном краю и красным – на противоположном. Кроме того, Ньютон обратил внимание и на еще одну странную особенность. Если прямые вертикальные линии были достаточно четко очерчены, то горизонтальные изгибы, как верхний, так и нижний, синий и красный, представлялись довольно размытыми. Это плюс «необычайное» несоответствие между длиной и шириной – первая была почти в пять раз больше второй – «пробудило во мне исключительное любопытство и стремление узнать, по какой причине подобное могло воспоследовать».
Результаты эксперимента:
«Ньютон пришел к важному выводу, что белый свет является составным. Он подтвердил это предположение в ряде других экспериментов, в ходе которых использовал дополнительные призмы и линзы, с их помощью восстанавливая расщепленный на спектральные линии свет. <…> Как возникает радуга? Ньютон объясняет ее возникновение тем, что капли дождя действуют подобно облаку крошечных призм, преломляющих свет солнца позади них. А что стоит за «странными феноменами» с цветными стеклами и другими материалами, когда один и тот же материал дает разные цвета? И это тоже «более не загадки», заявляет Ньютон, так как названные материалы отражают и передают различные разновидности света при разных условиях. <…> Теперь Ньютон мог объяснить и цвет материальных тел: каждое из них отражает «одну разновидность света в большем количестве, чем другую».
Глава 5. Взвешивая планету.
Особенности эксперимента:
«Эксперимент Генри Кавендиша, проведенный в 1797–1798 годах для определения плотности Земли, стал одним из шедевров ученого, и его фанатическое стремление к точности достигло здесь своего апогея. Ученый сделал массу других открытий, но именно этот эксперимент вошел в историю под названием «эксперимента Кавендиша». <…> Эксперимент Кавендиша был чисто измерительным экспериментом, главной особенностью которого является высочайшая степень точности».
Схема эксперимента:
«Джон Мичелл намеревался измерить притяжение между двухдюймовыми металлическими сферами, размещенными на обоих концах подвешенного к потолку бруса (получилось нечто похожее на громадную гантель), и двумя восьмидюймовыми сферами, которые можно было приблизить к двухдюймовым шарам. Мичелл планировал медленно приближать сферы большего веса к меньшим, прикрепленным к брусу. Таким образом, если вы, предположим, смотрите с потолка на брус и меньшие шары находятся, скажем, в точке 0° и в точке 180°, большие шары будут находиться, соответственно, в точках 30° и 210°. Притяжение между каждой парой шаров (одним большим и другим меньшим) приведет брус в движение. А так как проволока, на которой подвешен брус, подвижна, то названное движение приобретет характер едва заметного покачивания бруса. Измерение характеристик этого покачивания позволило бы Мичеллу высчитать силу притяжения между шарами. А эта информация (вкупе с известной уже силой притяжения между шарами и Землей) позволила бы определить среднюю плотность Земли. <…>
Кавендиш разместил модифицированное устройство Мичелла в небольшом садовом домике у себя в Клэпхеме и изолировал помещение от всяких внешних воздействий. Чтобы можно было проводить эксперимент, не входя в комнату, потребовались дополнительные усовершенствования. Кавендиш водрузил большую пару гирь на систему блоков, чтобы ими можно было медленно и постепенно манипулировать, не входя внутрь. К каждому концу «гантели» он прикрепил стрелки из слоновой кости – с их помощью Кавендиш смог определять положение шаров с точностью, превосходящей тысячную долю дюйма. В стены были встроены телескопы, позволявшие наблюдать за стрелками снаружи. Чтобы можно было проводить эксперименты также и в темноте, Кавендиш установил над каждым телескопом лампу с линзами, фокусировавшими свет на стрелках через крошечные стеклянные оконца».
Результаты эксперимента:
«Кавендишу была известна плотность шаров в обеих парах и сила притяжения между шарами и Землей. В том случае, если бы ему удалось определить силу притяжения между двумя парами шаров, он мог бы воспользоваться отношением величины притяжения между данными объектами к величине их плотности для установления средней плотности Земли. «С помощью экспериментов, – заключает Кавендиш, – выясняется, что плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды», а затем добавляет с нескрываемым удовлетворением, что «результат определен с очень большой точностью». <…> Хотя Кавендиш не знал ньютоновского закона в такой форме и важнейшая константа G не упоминается в его статье, физики спустя некоторое время поняли, что она относительно легко выводится из удивительно точного эксперимента Кавендиша. И в дальнейшем этот эксперимент проводился именно с этой целью, а не с целью определения плотности Земли».
Глава 6. Свет и волна.
Эксперимент Томаса Юнга:
«В первом из экспериментов Юнг иглой проделал крошечную дырочку в листе плотной бумаги, закрывавшем окно, так, чтобы на противоположную стену падал тонкий лучик света. Когда в этот луч вводили «кусочек картона шириной примерно в одну тридцатую дюйма», то с обеих сторон тени, которую этот кусочек бросал на стену, возникала еще одна небольшая тень с окрашенными краями. Дифракция света – серия параллельных черных и белых полос – наблюдалась и на самой тени. В настоящее время этот эксперимент рассматривается как самое явное доказательство наличия интерференции. В лекциях Юнга, опубликованных в 1807 году, особенно поражают диаграммы и демонстрации. В двадцать третьей лекции («О теории гидравлики») концепт интерференции применяется к волнам на воде. Для ее сопровождения Юнг изготовил неглубокий сосуд с двумя источниками волн. Вершины и впадины обеих групп волн создают устойчивую структуру, благодаря которой отчетливо виден сам процесс интерференции. Это устройство стало прототипом волнового бассейна, знакомого большинству студентов, изучающих физику».
Доказательство волновой природы света:
«В лекции номер 39 («О природе света») Юнг рассказывает о явлении интерференции в оптике. Для сопровождения этой лекции он ставил эксперимент, который не только самым ярким способом демонстрирует интерференцию света, но и служит классическим доказательством его волновой природы. Юнг описывает свой опыт так: ... «Луч однородного света падает на экран, в котором проделаны два маленьких отверстия или прорези, каковые могут рассматриваться как центры расхождения, от которых свет распространяется во всех направлениях». Два отверстия или прорези становятся, таким образом, двумя источниками волн, подобно таковым в волновом бассейне. И если в волновом бассейне мы наблюдаем структуру процесса интерференции в виде двух групп перекрывающихся окружностей с линиями, исходящими из точки между двумя источниками, то зритель упомянутого эксперимента должен был наблюдать ту же самую структуру при падении лучей света на экран. <…> «В этом случае, когда два практически сформировавшихся луча оказываются на поверхности, размещенной у них на пути, их свет разделяется темными полосами на почти равные участки, которые, однако, становятся шире по мере удаления поверхности от отверстий… и, соответственно, также шире пропорционально близости отверстий друг к другу».
Результаты эксперимента:
«Из-за неумения Юнга пропагандировать собственные идеи волновая теория света распространялась крайне медленно. Лет через пятнадцать после первых демонстраций Юнга французский ученый Огюстен Френель независимо от Юнга открыл феномен интерференции и представил свой вариант юнговского эксперимента, в котором луч света разделялся на два источника при помощи плоской призмы, в настоящее время именуемой «бипризмой Френеля». (С тех пор, как мы убедимся в этом снова в десятой главе, эксперимент Юнга проводится в двух классических вариантах: варианте самого Юнга и в варианте с бипризмой Френеля.) Энтузиазм французских ученых по поводу открытия Френеля наконец-таки заставил бо́льшую часть научного сообщества принять волновую теорию света и с громадным опозданием воздать должное Юнгу. Феномен интерференции не только подтвердил волновую природу света, но и стал полезным инструментом научного исследования в принципе, так как сама интерференционная картина довольно проста и легко узнаваема. Если какой-то феномен ее демонстрирует – значит, он имеет волновую природу».
Значение эксперимента Юнга:
«В XIX столетии эксперимент Юнга, перенесший волновую аналогию с акустики на оптику, ознаменовал собой начало смены научной парадигмы – с корпускулярной теории света к волновой. В XX веке произойдет еще более значимое расширение эксперимента Юнга – будет проведен его третий вариант, в котором будут участвовать не волны (водяные и световые), а частицы. Это дальнейшее развитие волновой аналогии станет, вероятно, самой потрясающей и удивительной в своей простоте демонстрацией тайн квантовой механики, экспериментом, который многие ученые считают самым красивым во всей истории науки. В этой книге ему посвящена последняя глава».
Особенности эксперимента:
«Красота эксперимента Юнга заключается в его удивительной ясности: ученый заставил одно явление (свет) выступать в качестве другого (волна). Этот эксперимент является классическим примером успешного использования аналогии в науке».
Глава 7. Вращение Земли.
Появление маятника Фуко:
«Жан Бернар Леон Фуко возродил некогда отброшенную идею и изготовил похожее на часы устройство, управляемое маятником, с помощью которого можно удерживать камеру направленной на звезду в течение достаточного для экспозиции времени. Правда, вместо обычного диска на подвесе он использовал металлический стержень, который раскачивался подобно маятнику. Бо́льшая часть этого оборудования была сделана в лаборатории, которую Фуко устроил в своем парижском доме на Рю-д’Асса. Однажды он вставил упругий длинный стержень в патрон ручного токарного станка. Заставив стержень колебаться, он медленно повернул ручку станка и с удивлением обнаружил, что стержень продолжает колебаться в той же плоскости, что и первоначально. Это пробудило в Фуко любопытство ученого, и он начал экспериментировать с более традиционным маятником – грузом сферической формы, подвешенным вертикально на рояльной струне. Он зажал струну в вертикально направленный патрон сверлильного станка, качнул маятник и включил станок. Маятник также продолжал колебаться в прежней плоскости. <…> Вскоре Фуко понял, что, если маятник увеличить до более внушительных размеров, обнаруженное явление можно использовать для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Позднее он довольно элегантно подытожил тот процесс рассуждений, результатом которого стал прославленный маятник».
Значение эксперимента:
«В зависимости от того, на какой широте между полюсом и экватором находится маятник, вращение сферы по-разному отобразится в повороте плоскости колебаний маятника. И, наоборот, в зависимости от широты местонахождения сфере надо поворачиваться на разные углы, чтобы плоскость колебаний маятника совершила полный оборот. Проделав соответствующие расчеты, Фуко пришел к выводу, что число градусов, на которые повернется плоскость колебаний маятника за двадцать четыре часа, составит 360, помноженное на синус широты (это один из способов определения широты местонахождения наблюдателя на земной поверхности). Однако здесь важны не детали вычислений, а сама возможность наглядной демонстрации следствий вращения Земли».
Особенности эксперимента:
«Эксперимент Фуко завораживает и удивляет совсем не потому, что доказывает нам факт вращения Земли, и не потому, что на основе маятника Фуко впоследствии был изобретен гироскоп – незаменимый навигационный инструмент. Он завораживает нас по сей день потому, что открывает глубокие и подчас непостижимые истины о самом феномене восприятия. Действительно ли, «видя», как смещается плоскость колебаний маятника, мы «понимаем», что на самом деле движется Земля? Или же благодаря маятнику и объяснительной табличке рядом с лестницей мы начинаем – в самом прямом смысле слова – «видеть» движение Земли? В любом из этих двух вариантов наука побеждает восприятие, как бы вытесняя его в первом случае и корректируя во втором».
Глава 8. Заряд электрона.
Метод «уравновешенной капли» Роберта Милликена:
«…Внезапно Милликен обратил внимание на то, что кардинальным образом преобразило его подход к эксперименту, а именно – на небольшое количество неиспарившихся капель: <…> «Это были капли, по случайности имевшие именно то отношение заряда к массе, или весу, которое было необходимо, чтобы направленная вниз сила тяготения, действовавшая на каплю, уравновешивалась направленной вверх силой, обусловленной воздействием поля на электрический заряд, который переносила капля… Так возникло то, что я назвал определением е [заряда электрона] „методом уравновешенной капли“». <…>
Oн сразу же заказал новый аппарат специально для методики «уравновешенной капли», но с использованием масла. Как и раньше, он собирался создать отрицательные электрические заряды в камере, заполненной каплями (на сей раз масла), выбрать одну из них и позволить ей падать под влиянием только одной силы притяжения. На основании этого он смог бы вычислить радиус капли. Затем он намеревался подключить ток к пластинам и направить крошечную каплю вверх, затем вниз, затем снова вверх. Милликен наблюдал за каплями через небольшое окошечко, освещенное с противоположной стороны специальной подсветкой. Измерение времени подъема и падения капель позволило бы ему вычислить их заряд».
Особенности эксперимента:
«В лаборатории с помощью надежных инструментов и технологий можно создать особую ситуацию, в которой новое проявит себя. Одним из примеров такой особой ситуации был аппарат Милликена. Внутри него был создан новый, особый мир, и Милликен его очень хорошо изучил. Он знал все законы этого мира и возможные нарушения этих законов. Ему были понятны типичные процессы, происходящие в этом мире, и ситуации, которые там возможны, и он сразу опознал бы нетипичный процесс или ситуацию, если бы они возникли».
Глава 9. Атомное ядро.
Предыстория:
«В первом десятилетии двадцатого века английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937), проведя талантливо разработанный эксперимент, открыл внутреннюю структуру атома. К удивлению других ученых, он обнаружил, что атом состоит из центрального положительно заряженного ядра (где заключена почти вся масса атома), окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. До того момента внутренняя структура материи оставалась одной из тех загадок – наряду с рождением и смертью Вселенной, происхождением жизни и существованием жизни на других планетах, – которые были интересным предметом для рассуждения и всякого рода предположений и гипотез, но не могли стать объектом экспериментального научного исследования».
Предпосылки:
«Измерение характеристик альфа-частиц было утомительной и однообразной работой. Резерфорду и Гейгеру было известно, что при столкновении альфа-частиц с определенными химическими веществами – например, с фосфоресцирующим сульфидом цинка – возникают мгновенные вспышки, называемые сцинтилляцией, которые можно разглядеть в микроскоп. Так впервые отдельные атомы (альфа-частицы рассматривались как атомы гелия) были зарегистрированы наглядно. Рассматривая экран, окрашенный подобными веществами, исследователи могли точно установить, в каком месте на него попадали альфа-частицы, и таким способом определяли их траектории. Но чтобы увидеть слабые, эфемерные сцинтилляции, Гейгеру приходилось сидеть в полной темноте по крайней мере минут пятнадцать, чтобы его зрение смогло адаптироваться. На это утомительное ожидание уходило много времени. Оборудование, которое использовал Гейгер для измерения рассеивания, с современной точки зрения было очень простым. В небольшой металлический сосуд помещали крошечную бусинку радия – крайне радиоактивного элемента, почти непрерывно испускающего альфа-частицы. Сосуд был снабжен специальными отверстиями, которые позволяли пропускать тонкий луч альфа-частиц вдоль стеклянной трубки в четыре фута длиной. Из трубки был выкачан весь воздух, чтобы альфа-частицы не вступали во взаимодействие с его молекулами. С упомянутой трубкой была соединена еще одна, похожая на нее, также без воздуха, по которой альфа-частицы проходили прежде, чем попасть на экран, покрытый сульфидом цинка. Глядя на экран через микроскоп, Гейгер наблюдал вспышки и определял их положение. Практически без исключений вспышки происходили в одном и том же месте. Затем Гейгер поместил тонкие листы металлической фольги между первой и второй стеклянными трубками. Теперь вспышки начали «плясать» по всему экрану. Гейгер дал объяснение описанному феномену в докладе, представленном на заседании Лондонского королевского общества в июне 1908 года. Бо́льшая часть альфа-частиц проходила сквозь фольгу, но время от времени некоторые частицы отражались ею. Подобно бильярдному шару, катящемуся по столу от удара другого шара, альфа-частица отлетала назад. <…>
Резерфорду и его сотрудникам было трудно представить себе, что реально происходит при рассеянии. Им было известно, что альфа-частицы вылетали из кусочка радия с огромной скоростью, порядка 10 000 миль в секунду. Было трудно вообразить, как атомы тонкой фольги могли «сбить с пути» частицы с такой колоссальной энергией. По правде говоря, у Резерфорда и его сотрудников не было современного представления об альфа-частицах. Им было известно только, что альфа-частицы по своей сути являются атомами гелия, но о структуре этих атомов исследователи ничего не знали. Открытие того, что некоторые атомы излучают положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы, заставило некоторых ученых задуматься о внутренней структуре атома (с включением альфа-частиц / атомов гелия). Атомы, без сомнения, содержали электроны. А так как обычные атомы электрически нейтральны, значит, они обязательно должны были содержать также и положительный заряд».
Дальнейшие исследования:
«Упрощения, внесенные в теорию рассеяния, помогли Резерфорду понять, что поведение альфа-частиц нельзя объяснить концепцией множественного рассеяния: альфа-частицы отскакивали не в результате множественных столкновений, а из-за одного конкретного столкновения. Это могло произойти только в том случае, если почти вся масса атома сконцентрирована в одном заряженном узле в центре атома. Что же такого увидел Резерфорд в своем воображении? Он увидел, что атом состоит из массивного заряженного ядра, окруженного в основном пустым пространством – еще более пустым, чем Солнечная система. Если бы атом можно было бы увеличить до размеров футбольного стадиона, его ядро имело бы размеры мухи в самом центре арены, а электроны представляли бы собой еще более мелкие крупинки, разбросанные по этой громадной площади. При этом практически вся масса такого стадиона будет содержаться в крошечном ядре».
Значение эксперимента:
«В официальном представлении результатов своих исследований он писал: ... «Принимая во внимание всю имеющуюся информацию, проще всего предположить, что атом содержит центральный заряд, распределенный по довольно небольшому объему». Став одной из наиболее революционных научных публикаций за всю историю европейской цивилизации, статья Резерфорда, по словам физика Эдварда Невилла да Коста Андраде, повлекла за собой «величайший переворот в нашем представлении о материи со времени Демокрита… жившего за четыре столетия до Христа». Считалось, что атомы являются базовыми строительными кирпичиками материи – само слово «атом» происходит от греческого «неделимый», – в статье же Резерфорда приводилось описание составных частей и структуры атома. Модель Резерфорда не только открыла новые перспективы для решения многих проблем атомной физики. Альфа-частицы, к примеру, на самом деле были частями ядра, которые каким-то образом выбрасывались или откалывались от него. Они имели положительный заряд, подобно остальной части ядра; однако когда их скорость снижалась, они обретали способность притягивать электроны, после чего становились электрически нейтральными, как обычные атомы гелия. В то время ни Резерфорд, ни кто-либо другой не рассматривал данное открытие как невероятное или эпохальное».
Развитие идеи Нильсом Бором:
«Нам, людям XXI века, до боли остро осознающим драматические последствия открытия атомного ядра, это кажется очень странным. Однако модель Резерфорда в момент своего появления никак не соотносилась с огромным объемом информации, имевшимся об атоме в тогдашней химии и физике. Более того, его модель, согласно существовавшим в то время представлениям, не могла работать, так как была механически нестабильна. Модель обрела стабильность лишь в 1912 году, когда в Манчестер прибыл датский физик Нильс Бор и применил к модели Резерфорда идею кванта, состоявшую в том, что излучение и поглощение энергии электронами на атомных орбитах может происходить только конечными, хотя и очень небольшими, порциями. Кроме того, Бор продемонстрировал, как Резерфордова модель, обновленная в свете квантовой теории, объясняет многие другие явления, например частоту излучения света атомами водорода. Немного позднее Генри Мозли, еще один ученик Резерфорда, показал, что с помощью модели атома Резерфорда – Бора можно объяснить излучение рентгеновских лучей переходами с одного энергетического уровня на другой внутренних электронов более тяжелых элементов и рассчитать его частоту. Только после этого модель атома, почти вся масса которого сосредоточена в небольшом по относительным размерам ядре, стала очевидной для тех, чья интуиция не была столь развита, как у Резерфорда».
Глава 10. Квантовая интерференция.
Предпосылки:
«В своих «Лекциях по физике» американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что «вещи предельно малого масштаба ведут себя совершенно не так, как то, к чему вы привыкли». Тем не менее, как прекрасно понимал Фейнман, даже самому знающему физику легко проигнорировать сложности квантовой механики и, несмотря на глубокое понимание предмета, представить, что электроны, протоны, нейтроны и другие частицы «там, внизу» подобны телам «здесь, наверху» – то есть отдельным твердым телам, которые проходят от точки А к точке В по совершенно определенному пути, и что, если мы по какой-то причине теряем их на пути, они все равно никуда не исчезают и пребывают в определенный момент времени в определенном месте. Впрочем, можно поставить эксперимент, демонстрирующий, что в квантовом мире все происходит совсем иначе. Это принципиальным образом противоречит предположению, которое с давних времен составляет основу научного восприятия мира: мы так или иначе можем вообразить фундаментальные вещи. Наиболее зримой и впечатляющей демонстрацией, подтверждающей, что наша убежденность в силе человеческого воображения есть заблуждение и что жизнь квантового мира невозможно вообразить, является вариант эксперимента с двумя щелями, проведенного Томасом Юнгом, но на этот раз с использованием не света, а элементарных частиц – электронов. Из-за технических сложностей, связанных с подготовкой данного эксперимента, и из-за того, что он проходит в несколько этапов, он – единственный из десяти самых красивых экспериментов – не связан с именем определенного ученого. О нем просто говорят как о двухщелевом эксперименте или об эксперименте с квантовой интерференцией».
Мысленный эксперимент Ричарда Фейнмана:
«В своем лекционном курсе и в других книгах Фейнман элегантно описал странную природу поведения квантов, сравнивая три «двухщелевых» эксперимента: один – с использованием пуль (частиц), второй – с использованием воды (волн) и третий – с использованием электронов (того и другого и ни того, ни другого) – чтобы в каждом случае продемонстрировать сходство и различие «путем сравнений и противо-поставлений». <…> Как и в первом эксперименте, мы сразу же отмечаем то, что в отличие от колебания поверхности воды электроны считываются детектором по одному и целиком: детектор издает специфический «щелчок», свидетельствующий о попадании электрона. Однако, как и во втором эксперименте, характер распределения электронов при открытых двух отверстиях отличается от суммы соответствующих распределений, когда отверстия открыты по отдельности. В результате мы имеем классическое явление интерференции. Поразительным является то, что электроны ведут себя как волны, проходя сквозь отверстия, но как частицы – «отмечаясь» на детекторе. <…> Так как отдельные электроны сложно получить и наблюдать за ними по отдельности с использованием описанного инструментария, физики долгое время полагали, что названный эксперимент невозможно реализовать».
Эксперимент Клауса Йонссона:
«Летом 1955 года Молленштедт и Дюкер продемонстрировали сотрудникам института первые интерференционные картины, полученные с помощью бипризмы. Вскоре после этого у Йонссона появилась идея заменить бипризму небольшой двойной щелью, как в эксперименте Юнга, чтобы на основе прохождения пучков электронов через два отверстия получить интерференционную картину. Препятствия на этом пути были грандиозные. Ученому нужно было проделать щели сверхмалого размера в специальной металлической фольге. Но если оптические отверстия могли располагаться на любом прозрачном материале (например, на стеклянном слайде), то для эксперимента с электронами подобное было невозможно, так как любой такой материал рассеивал бы электроны. Следовательно, фольга должна была быть механически стабильной или достаточно прочной, чтобы выдержать удар электронов. <…>
Первая часть проекта заключалась в создании инструмента, который проделывал бы щели размером меньше восьмисот миллиардных метра (800 нанометров), – устройство, которое намного опережало бы свое время. Таким образом, Йонссона можно назвать пионером нанотехнологии. Вторая часть проекта относилась к разработке специальной пленки, которую можно было бы применять даже при небольшой активности электронов. Возникла необходимость каким-то образом избавиться от механических и магнитных возмущений, препятствующих интерференции. Йонссон получил первую фотографию интерференционной картины в 1959 году (рис. 24), и за эту работу в 1961 году ему была присуждена докторская степень».
Значение эксперимента:
«Двухщелевой эксперимент в применении к электронам характеризуется тремя ключевыми качествами красивого эксперимента. Он фундаментален и демонстрирует своеобразное поведение материи на атомарном уровне, противоречащее нашим интуитивным представлениям о мире. Электрон, испущенный источником, через какое-то время достигает детектора на определенном расстоянии от него. Но где он находится по пути? Эксперимент с квантовой интерференцией (как с использованием двух щелей, так и бипризмы) показывает, что квантовый объект, в отличие от объекта макромира, не имеет четко определяемого местонахождения в пространстве и во времени. «Где ты был?» – вот вопрос, который не имеет смысла по отношению к электрону. Он был везде и нигде. И если эксперимент Юнга с двумя щелями и светом стал важнейшим обоснованием необходимости смены научной парадигмы и перехода от восприятия света как потока частиц к восприятию его как волны, то двухщелевой эксперимент с отдельными электронами является столь же убедительным основанием для другой смены парадигмы – с классической на квантовую».
МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ:
Качественное иллюстрированное издание в традиционном для нонфикшн-литературы оформлении.
Формат стандартный (145x215 мм), твердый переплет, без суперобложки, 351 страница, иллюстрации.
Достоинства издания: отличное качество печати; белая плотная бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; хорошо выделенные заголовки; подробное оглавление; многочисленные черно-белые иллюстрации; информация об авторе.
Недостатки издания: нет предметно-именного указателя.
ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ:
Больше да, чем нет. Книга доступно и увлекательно показывает красоту науки и широту человеческого разума, элегантность достигнутых трудолюбием решений и счастье случайной удачи в истории научных исследований.
КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ:
Тем, кому интересна история науки в целом, и физики в частности. Тем, кто интересуется экспериментами и хочет кратко познакомиться с наиболее знаковыми из них.
ТЕГИ: Нон-фикшн, науч-поп, история науки, исследования, эксперимент, физика.
ВИДЕО В ТЕМУ: Попробуйте провести эксперимент Томаса Юнга дома и докажите прямо на кухне волновую природу света. Инструкция в видео.
https://www.youtube.com/watch?v=nHA02VfWDHU
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
https://t.me/pavelmazheikabooksreview
Другие мои рецензии на страницах:
Группа "ВКонтакте":
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
Канал в "Телеграм":