Джордж Джонсон «Десять самых красивых экспериментов в истории науки» - рецензия П. Можейко
«Правда в том, что Естествознание слишком долго оставалось полем деятельности Мозга и Воображения; ему уже давно пора вернуться к простоте и убедительности Наблюдений того, что материально и очевидно». (Роберт Гук «Микрография»)
НАЗВАНИЕ: Десять самых красивых экспериментов в истории науки
АВТОР: Джордж Джонсон
ОРИГИНАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: The Ten Most Beautiful Experiments
ISBN: 978-5-389-00586-0
ГОД ИЗДАНИЯ: 2009
ИЗДАТЕЛЬСТВО: «КоЛибри»
СЕРИЯ: «Galileo»
КОГДА МНОЙ ПРОЧИТАНО: Май 2025
ИСТОЧНИК: Оригинальная книга
О КНИГЕЕсли много читаешь научно-популярной литературы, то неизменно сталкиваешься с описанием многочисленных экспериментов. Некоторые из них поражают своей утонченностью, хитростью схем и однозначностью трактовки данных. И поэтому, постепенно возникает желание прочитать книгу именно о них. Задавшись целью, я обнаружил две подходящие книги с почти одинаковым названием:
1) «Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки» (2003) Роберта Криза.
2) «Десять самых красивых экспериментов в истории науки» (2008) Джорджа Джонсона.
На книгу Роберта Криза мою рецензию можно прочитать ВОТ ТУТ, и, как вы уже, наверное, догадались, отдельный интерес представляет сравнение этих двух подборок выдающихся экспериментов.
Обе книги написаны американцами. И Роберт Криз и Джордж Джонсон профессиональные журналисты, пишущие о науке (к слову, оба в «Нью-Йорк Таймс», а также в других изданиях). Только сфера интересов Роберта Криза касается физики, и потому именно этой областью знаний была ограничена его выборка. Джордж Джонсон подошел к теме шире, и это одно из немногих преимуществ его подборки.
Книги отличаются объемом (у Криза она в два раза толще), но при этом обе хорошо проиллюстрированы. На иллюстрациях в «Призме и маятнике» даны только схемы экспериментов и некоторые их результаты (интерференционные картины и т.д.). В книге Джонсона также присутствуют портреты каждого из ученых.
Важный вопрос, касающийся темы книги: что считать КРАСИВЫМ экспериментом? Как быть объективным в таком субъективном вопросе? Через выбор критериев.
Роберт Криз:
«Красота эксперимента заключается в том, каким образом он дает новую информацию».
Джордж Джонсон:
«Совсем недавно самые потрясающие научные открытия делались учеными в одиночку. Великие эксперименты, существенно расширявшие границы познанного, ставились одним или двумя учеными на лабораторном столе. Расчеты, если в них возникала необходимость, делались на листе бумаги, а позднее — с помощью логарифмической линейки. Эти эксперименты задумывались и проводились с такой безупречной элегантностью, что заслуживают, чтобы их называли красивыми. Причем красивыми в классическом понимании этого слова — логическая простота оборудования наряду с логической простотой анализа кажутся столь же безупречными и естественными, сколь и линии древнегреческой статуи. Они не оставляют места сомнениям и неоднозначности, расширяя и углубляя наши знания о природе».
Надо сказать, что Роберт Криз в «Призме и маятнике» все же более последователен и действительно сделал подборку таких красивых экспериментов, которые при относительной простоте реализации имеют огромное значение для науки и в свое время даже меняли парадигму в физике.
Подборка экспериментов Джонсона интересна и выходит за рамки физики, но далеко не все эксперименты в ней можно назвать красивыми и с «безупречными результатами».
Тут самое время сравнить «десятки» в каждой из книг.
Полностью совпадают у обоих авторов три эксперимента:
1) Галилей открывает закон движения с ускорением с помощью наклонной плоскости и скатываемых шариков;
2) Ньютон с помощью призмы открывает секрет смешанного света и природы цвета;
3) Роберт Милликен используя метод «уравновешенной капли» определяет заряд электрона.
Еще два эксперимента, которые в книге Криза заняли отдельные главы, у Джонсона упоминаются мельком:
1) Сбрасывание Галилеем грузов различной массы с высоты;
2) Щелевой эксперимент Юнга.
Оригинальные эксперименты из книги Криза:
1) Эратосфен с помощью Солнца и колодца измеряет радиус Земли;
2) Генри Кавендиш с помощью хитрого коромысла определяет плотность планеты;
3) Жан Бернар Леон Фуко своим маятником показывает вращение Земли;
4) Эрнест Резерфорд исследуя излучение альфа-частиц проникает в сердце атома;
5) Группа ученых модернизируя щелевой эксперимент Юнга для расстреливания экрана электронами, открывает явление квантовой интерференции.
А вот оригинальные эксперименты из книги Джонсона:
1) Уильям Гарвей открывает тайны сердца и циркуляцию крови;
2) Анутан Лавуазье определяет состав воздуха;
3) Луиджи Гальвани открывает «животное» электричество;
4) Майкл Фарадей находит взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и светом;
5) Джеймс Джоуль показывает, как может проявляться работа;
6) Альберт Майкельсон измеряет скорость света;
7) Иван Павлов исследует условный рефлекс.
Как видно из последнего списка, в книге Джонсона можно прочитать про эксперименты не только в физике, но и в области медицины, физиологии и химии.
Теперь от «О ЧЕМ» перейдем к «КАК».
У Роберта Криза каждая глава посвящена одному (!) конкретному эксперименту. Причем автор сначала пишет небольшую предысторию, чтобы показать состояние науки в этой области на момент эксперимента и потребность в нем. Затем Криз подробно описывает то, как проводился эксперимент. Потом делится его результатами, дает оценку этим результатам и сравнивает с современными данными (отсюда видно, насколько были точны экспериментаторы). В конце каждой главы Криз акцентирует внимание на том, какое значение имеют результаты того или иного эксперимента, а также подчеркивает его особенности.
Джордж Джонсон пишет, что:
«Я старался выделять самое главное и так, чтобы эксперимент, а не экспериментатор становился героем моей книги».
Действительно, у обоих авторов на первом месте сам эксперимент, а не персоны экспериментаторов. Но, к сожалению, даже несмотря на то, что главы у Джонсона короче, он «растекается» по теме, и может подряд описать сразу несколько экспериментов, потом может «отвлечься» на спор ученого со своими коллегами, а потом резко оборвать главу, так и не сделав каких-то обобщающих выводов. От чтения каждой главы создается ощущение «вырванного куска», интересного, но все-таки незавершённого. И в этой части книга Джонсона очень сильно проигрывает книге Криза.
Большой вопрос вызывает и «красота» некоторых экспериментов. Например, пресловутые лягушачьи лапки, которые сокращались от удара током в исследованиях Гальвани. Джонсон сам пишет о том, в какой тупик ставило это сначала самого Гальвани, а затем и его главного конкурента Алессандро Вольта. В книге много места уделено отстаиванию каждым из них своей точки зрения на природу электричества. Наука позже покажет, что в целом правы были оба. Но что красивого в отсутствии консенсусного мнения двух главных специалистов в области электричества той эпохи, и что красивого в установке, состоящей из молниеотвода, связанного проводом с полутрупом лягушки?
В главе про Майкла Фарадея автор описал аж три эксперимента! Несколько их и в главе про Джоуля… так какой считать «красивым», все?
А можно ли назвать «экспериментом» результаты Уильяма Гарвея? Ведь это не столько конкретный эксперимент, сколько сумма накопленных за долгие годы анатомической практики знаний. К слову, циркуляция крови косвенно определялась простой арифметикой (выходило, что за сутки сердце прокачивает столько крови по массе, что человек столько не съедает и никогда не съест, чтобы ежеминутно вырабатывать ее вновь). Но это же не эксперимент, а аналитика.
Нельзя сказать, что книга Джорджа Джонсона неинтересна и бесполезна. Она рассказывает о смелых ученых, ярких первооткрывателях, целеустремленных исследователях, продвигающих науку и наше знание о самих себе вперед. Проблема этой книги в том, что она не слишком соответствует своему названию, и стало быть, вводит читателя в заблуждение. Как чтение об истории науки она хороша, а как сборник с подборкой отличных экспериментов и их подробным описанием – не очень. Поэтому, читать ее или нет – решать вам, в зависимости от того, что вы хотите получить.
Ниже я привожу свой иллюстрированный цитатник, благодаря которому вы можете кратко ознакомиться с сутью каждого эксперимента и оценить стиль изложения автора.
КОНСПЕКТ-ЦИТАТНИКГлава 1. Галилей. Правда о движении.
Предыстория:
«По-настоящему великим Галилея сделала работа, которую он выполнил задолго до того, как у него возникли проблемы с Ватиканом. Тогда он изучал движение не огромных звезд и планет, а обычных, земных предметов, которое оказалось намного загадочней, чем это можно себе представить. И тут нам совершенно не важно, проводил ли Галилей свои опыты на Пизанской башне или нет. Этот эксперимент он изложил в другом своем шедевре — «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», которые написал в последний год ссылки. Как и более ранняя его работа, эти «Беседы» представляют собой разговор трех знатных итальянских граждан, Сальвиати, Сагредо и Симпличио, которые хотят понять, как устроен мир. Сальвиати — это, по сути, сам Галилей. С самого начала общей беседы он утверждает, что пушечное ядро весом 100 фунтов и мушкетная пуля весом один фунт достигнут земли почти одновременно, если их сбросить в один и тот же момент с одной и той же высоты. Правда, в эксперименте более тяжелый предмет опережал более легкий «на толщину двух пальцев», но Сальвиати объяснял это действием других факторов, которые искажают результаты, например сопротивлением воздуха. Главным было то, что оба предмета двигались «почти в унисон». Когда пушечное ядро достигло уровня земли, мушкетная пуля прошла не одну сотую расстояния или один локоть, как мог бы подсказать здравый смысл. Под двумя «пальцами» не скроешь 99 локтей, на которых настаивал Аристотель, описывая подобные опыты. Но если обращать внимание на такую крохотную погрешность, то и значительно большую ошибку Аристотеля тоже замолчать не удастся. При всех равных условиях скорость, с какой тело падает на землю, не зависит от его веса».
Описание эксперимента с наклонной плоскостью:
«Галилею нужен был аналогичный эксперимент, но с меньшей скоростью падения, которая позволяла бы делать наблюдения. Ну, например, шарик, который катится по гладкой наклонной плоскости. То, что справедливо для движения при небольшом наклоне, будет справедливым и при большом, и при самом максимальном, т. е. при падении. Он нашел способ правильно задать вопрос. Случилось это, наверное, в 1604 году.
Через тридцать лет он, а точнее, Сальвиати, так описал эксперимент:
Берем деревянную болванку или брус длиной 12 локтей, в локоть шириной и толщиной в три пальца, Прорежем в нем желоб шириной чуть более одного пальца. Сделав эту канавку очень прямой, ровной и отполированной и выстелив ее пергаментом, тоже гладким и отполированным настолько, насколько это возможно, начнем катать по ней твердый, гладкий и очень круглый шар. Флорентийский локоть равен двадцати дюймам, поэтому можно представить, как Галилей прилаживал под определенным углом шестиметровую доску шириной двадцать пять сантиметров. Установив доску наклонно путем поднятия одного ее конца на два локтя над другим ее концом, мы пускали шарик, как я уже говорил, по желобу, отмечая, как будет описано отдельно, время, необходимое шарику для спуска. Мы повторяли этот эксперимент несколько раз, чтобы измерить время с точностью, не хуже одной десятой сердечного ритма. <…>
Мы взяли большой сосуд с водой и установили его на некотором возвышении. К днищу этого сосуда была припаяна трубка небольшого диаметра, через которую протекала тонкая струйка воды. В течение каждого спуска вода собиралась в стеклянный кувшин, как за время преодоления всего желоба, так и прохода отдельных частей пути. Собранная после каждого скатывания вода затем взвешивалась на очень точных весах. Разница в весе и соотношение весов давали нам разницу и соотношение времени, причем с такой точностью, что, несмотря на многократное повторение действия, заметного расхождения результатов не наблюдалось. Вес воды был эквивалентом продолжительности времени. Гениально! <…>
Дрейк, сомневался в том, что при полном неведении можно было обнаружить эту зависимость с помощью такого примитивного инструментария. Дрейк посчитал, что метод Галилея был более совершенным и удивительным. Он понял, что Галилею было не обязательно считать время так, как это делается сегодня, т. е. в секундах, полусекундах или в любых других удобных для него единицах. Нужно было лишь разделить время на равные отрезки, а это — талант, присущий любому хорошему музыканту. <…>
«Если ударник позволит себе вступить в оркестре с опозданием всего на некоторую долю секунду, скажем, на 1/64 музыкального размера, то это заметят многие, и не только дирижер». «Поэтому, — рассуждал Дрейк, — Галилей так и поступал: прежде чем пустить шарик по наклонной плоскости, он мог задавать ритм, исполняя простую мелодию*. Дрейк использовал в эксперименте гимн «Вперед, Христово воинство!» с темпом примерно два удара в секунду. Отпустив шарик на самом верху наклонной плоскости, он мелом отмечал положение шарика при каждом ударе».
Так колокольчики или водяные часы?
«Дрейк считал, что после того, как Галилею удалось установить закон, другим он показывал уже не сам эксперимент, а его упрощенный вариант, заранее разметив путь шарика на отрезки 1, 4, 9,16, 25, 49, 64 и используя водяные часы для обеспечения хронометража. Но это была уже демонстрация, а не эксперимент. Почему Галилей не написал о своем первоначальном методе? Дрейк позволил себе предположить, что Галилео просто боялся показаться смешным: «Даже в те дни нельзя было заявить, не прослыв глупцом, что ты открыл закон, напевая песенку в то время, когда шарик катился по наклонной плоскости, причем справедливость закона удалось подтвердить довольно точно».
Глава 2. Уильям Гарвей. Тайны сердца.
Сердце как насос:
«Возможно, никто и никогда до Гарвея не исследовал столько всевозможных сердец — сердца собак, свиней, лягушек, жаб, змей, рыб, улиток и крабов. У некоторых креветок, обитающих в океане и в водах реки Темзы, тело абсолютно прозрачно, и Гарвей со своими друзьями наблюдал за работой сердца — «словно через оконное стекло». Иногда он вынимал сердце и наблюдал, как замедляются его сокращения до тех пор, пока рука не почувствует последний удар. <…>
Ум Гарвея был столь же остр, как и его скальпель. И при своих обходах в больнице, и при чтении лекций над трупом во Врачебном колледже, он не упускал ни одной особенности человеческой анатомии. Если внутренний орган не совпадал с тем, что предписывал канон Галена, Гарвей дипломатично замечал, что, вероятно, со времен Галена человеческое тело успело измениться. В узком кругу он бывал гораздо более откровенным. Начав свои исследования с простейших существ, он пришел в изумление: сердца у них бьются так быстро, что эти движения практически неразличимы! Он знал, что существует два сердечных движения: систола, когда сердце сжимается, и диастола, когда оно расширяется. <…> Если сердце представляет собой насос, рассуждал Гарвей, то можно понять принцип его работы. <…>
Анатомы уже знали, что сердце разделено на четыре камеры. Сверху были левое и правое ушки предсердия, ниже находились левый и правый желудочки. Однажды во время вскрытия Гарвей нажал пальцем на левый желудочек. Он расширился и наполнился кровью, а ушко над ним сократилось. Мгновение спустя желудочек самопроизвольно сократился, вытолкнув кровь из камеры в артерии. То же самое произошло и с правой частью сердца. <…> «Эти два движения — одно желудочка, а другое — ушка — происходят последовательно, — писал Гарвей, — но таким образом, что между ними сохраняется определенная гармония, или ритм, причем в каждый момент времени обнаруживается только одно движение». Он сравнивал движение сердца с движением станка. <…>
Приводимые здесь цитаты взяты из прекрасной работы «О движении сердца и крови у животных». Небольшая книжечка, опубликованная в 1628 году после двух десятилетий исследований, несмотря на некоторые повторы, до сих пор представляет собой достойное чтение».
Открытие циркуляции крови:
«Гарвей решил произвести расчеты. В процессе анатомических исследований он обнаружил, что левый желудочек может вмещать не менее 50 граммов крови, лишь часть которой — скажем, 15 граммов, — прокачивается за каждый удар сердца. Поэтому за одну тысячу сердечных ударов (для среднего человека это составляет около 15 минут) сердце должно прокачать 15 литров или в несколько раз больше, чем общее количество крови в организме. Если брать вес крови, то сердце должно перекачивать более тонны крови за сутки. А для этого нужно много есть и много двигаться. Поэтому родилась совершенно новая гипотеза: когда кровь, прокачиваемая левой частью сердца, достигает самого конца артерий, она подхватывается венами и возвращается в сердце. Другими словами, кровь в организме циркулирует».
Глава 3. Исаак Ньютон. Природа света.
Эксперимент с призмой:
«Расщепив свет на цвета с помощью одной призмы, он обнаружил, что их можно соединить с помощью второй призмы. Вторая призма разрушала то, что делала первая, и после нее на стене оставался лишь бесцветный кружок света. Значит, это не призмы окрашивали свет — цвета находились внутри самого светового пучка!
Именно множество таких экспериментов позволили ему сделать удивительный вывод. К тому времени, когда он был готов к проведению того, что он назвал Experimentum Cruris (позаимствовав этот термин у Гука), он, скорее всего, уже знал, что обнаружит. Но это не должно отвлекать нас от сути эксперимента. Как и прежде, пучок света из окна проходил через призму и пересекал комнату, но в этом случае цветовой спектр попадал на деревянную панель. В одном конце панели Ньютон просверлил отверстие и, перемещая соответствующим образом призму, сумел по очереди пропускать через отверстие в панели лучи только одного цвета. После этого они попадали на вторую призму и только потом направлялись на стену. То, что он увидел в тот день, полностью поменяло все тогдашние представления о свете. Начиная с красной части спектра и переходя к синей, каждый цвет отклонялся все больше и больше — эффект, который ему подсказали цветные нити; синие лучи испытывают большее преломление, чем красные. Это объясняло продолговатость спектра. Если бы все цвета отклонялись одинаково, то спектр был бы круглым пятном. Но свет, как сказал Ньютон, «состоит из лучей, преломляющихся по-разному». Преломление, или рефракция, позволило Ньютону понять, что такое цвет: луч света, способный преломляться совершенно особым способом. «Одинаковые цвета характеризуются одинаковой рефракцией», — писал он. Цвет — это способность преломляться».
Вывод из эксперимента Ньютона:
«Именно белый цвет является смешанным, он представляет собой лишь сочетание всех цветов, «гетерогенную смесь различно преломляющихся лучей». Солнце, сияя над миром, не приносит красное яблоку и зеленое листу. Яблоко и лист приобретают цвет из солнечного света. Декарт тоже верил, что цвет является не свойством предмета, а свидетельством того, что свойства влияют на свет. Теперь Ньютон узнал, почему это происходит. Мир многокрасочен, потому что состоит из тел, «которые отражают один тип света значительно больше, чем другие».
Глава 4. Антуан Лоран Лавуазье. Флогистон и кислород.
Что такое флогистон?
«В то время еще верили в алхимические представления о том, что поведение веществ определяется тремя началами: ртутью (которая разжижает), солью (которая сгущает) и серой (которая делает вещество горючим). «Сернистый дух», также называемый terra pingua («жирная» или «маслянистая» земля), занимал умы очень многих. В начале XVIII века немецкий химик Георг Эрнст Шталь стал называть его флогистоном (от греч. phlog — относящийся к огню). Считалось, что предметы горят потому, что в них много флогистона. По мере того как предметы поглощаются огнем, они выделяют эту горючую субстанцию в воздух. Если поджечь кусочек дерева, то он перестанет гореть, оставив после себя всего лишь кучку пепла, только когда израсходует весь свой флогистон. Поэтому считалось, что дерево состоит из пепла и флогистона. Аналогичным образом после прокаливания, т. е. сильного нагрева, металла остается белая хрупкая субстанция, известная как окалина».
Первые опыты:
«Используя увеличительное стекло для нагрева олова, заключенного в герметичный стеклянный сосуд, он обнаружил, что и до опыта, и после вся установка весила одинаково. Медленно открывая сосуд, он слышал, как с шумом воздух врывался внутрь, после чего вес вновь увеличивался. Может быть, предметы горят не потому, что испускают флогистон, а потому, что поглощают какую-то часть воздуха?»
Эксперимент с разделением кислорода и азота:
«Лавуазье взял с полки сосуд, который назывался плоской колбой. Нижняя часть его была круглой, а высокое горлышко Лавуазье нагрел и изогнул так, что оно сначала выгибалось книзу, а затем снова вверх. Если в его эксперименте 1769 года сосуд напоминал пеликана, то нынешний был похож на фламинго. Лавуазье налил четыре унции чистой ртути в круглую нижнюю камеру сосуда (обозначена буквой А на рисунке). Сосуд был установлен на печи так, чтобы его горлышко оказалось в открытый емкости, также заполненной ртутью, а затем поднималось в стеклянный колокол. Эта часть установки использовалась для определения количества воздуха, который будет потреблен во время эксперимента. Отметив бумажной полоской уровень (LL), он разжег печь и довел ртуть в камере А почти до кипения. Можно считать, что в первый день не произошло ничего особенного. Небольшое количество ртути испарилось и осело на стенках плоской колбы. Образовавшиеся шарики были достаточно тяжелы для того, чтобы вновь стечь вниз. Но на второй день на поверхности ртути стали образовываться красные точки — окалина. В течение нескольких последующих дней красная корочка увеличивалась в размерах, пока не достигла максимальных. На двенадцатый день Лавуазье остановил эксперимент и сделал некоторые измерения. На тот момент ртуть в стеклянном колоколе превышала начальный уровень на то количества воздуха, который был израсходован на образование окалины. Учтя изменения в температуре и давлении внутри лаборатории.
Лавуазье рассчитал, что количество воздуха уменьшилось примерно на одну шестую его первоначального объема, т. е. с 820 до 700 кубических сантиметров. Кроме того, поменялась природа газа. Когда внутрь емкости, где содержался оставшийся воздух, поместили мышь, она сразу стала задыхаться, а «помещенная в этот воздух свеча тут же погасла, как будто ее сунули в воду». Но поскольку газ не вызвал оседания в известковой воде, то его, скорее, можно было отнести к азоту, нежели к «затхлому воздуху». Но что ртуть получила из воздуха при горении?
Сняв красный налет, образовавшийся на металле, Лавуазье стал нагревать его в реторте до тех пор, пока он снова не стал ртутью, выделив при этом от 100 до 150 кубических сантиметров газа — примерно столько же, сколько ртуть поглотила при прокаливании. Внесенная в этот газ свеча «прекрасно горела», а древесный уголь не тлел, а «светился таким ярким светом, что его с трудом выносили глаза». Это был поворотный момент.
Сгорая, ртуть поглощала «живой» воздух из атмосферы, оставляя азот. Восстановление ртути вновь приводило к выделению «живого» воздуха. Так Лавуазье удалось разделить два основных компонента атмосферного воздуха. Для верности он смешал восемь частей «живого» воздуха и сорок две части азота и показал, что получившийся газ обладает всеми характеристиками обычного воздуха. Анализ и синтез: «В этом кроется самое убедительное доказательство из тех, что доступны в химии: разлагаясь, воздух вновь соединяется».
В 1777 году Лавуазье доложил результаты своих исследований членам Академии наук. Флогистон оказался выдумкой. Горение и прокаливание происходили тогда, когда вещество поглощало «живой» воздух, который он назвал кислородом из-за роли в образовании кислот. (Оху по-гречески означает «острый».)
Глава 5. Луиджи Гальвани. Животное электричество.
Странное явление:
«Был некий эксперимент, который Гальвани никак не мог объяснить. Несколько лет назад один из его помощников случайно прикоснулся скальпелем к открытому нерву лягушки как раз в тот момент, когда второй помощник, работавший рядом с генератором, получил электрическую искру. Между генератором и рассеченным животным никаких проводов не было, но мышцы лягушки сократились так сильно, что создалось впечатление, что их свело. С того момента Гальвани не переставал изучать это явление. <…>
Шаг за шагом он удалял из эксперимента все переменные. Когда он подсоединял к мышце не цилиндр, а длинную проволоку, то искра, возникавшая на удалении, заставляла мышцу сокращаться. Ситуация стала проясняться. Ученые уже знали, что электричество может оказывать определенное воздействие на некотором расстоянии. Волосы на затылке человека поднимались, если рядом ударяла молния. Вращение генератора создавало в воздухе некоторое напряжение, которое называлось «электрической атмосферой». И скальпель, и тот, кто держал его в руках, представляли собой определенного рода антенну — громоотвод, разряжавшийся через лягушку. Но Гальвани не исключал, что могло происходить и что-нибудь более странное. Если лягушка просто реагировала на искусственное электричество, передаваемое по воздуху, то интенсивность сокращений должна была зависеть от расстояния между ней и искрой. Прикрепив металлический крючок к спинному мозгу лягушки, а сам крючок — к отрезку проволоки, Гальвани проделал эксперимент несколько раз, меняя это расстояние. В одном эксперименте лягушка находилась в 50 метрах от генератора. Однако реакция мышцы была, как обычно, резкой даже в тех случаях, когда лягушку помещали в защитный оловянный цилиндр или изолировали в вакуумной камере. Меняя условия опытов, Гальвани пришел к выводу, что электричество, производимое машиной, не было причиной сокращения мышцы. Оно лишь являлось своего рода «запускающим механизмом», возбуждавшим «естественное электричество», которое текло по нервам лягушки. <…>
В 1791 году Гальвани опубликовал свои находки в труде под названием «De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius» («О силах электричества при мышечном движении»), высказав предположение, что мышца лягушки ведет себя так же, как лейденская банка, храня и выделяя определенное органическое электричество».
Глава 6. Майкл Фарадей. Электричество и магнетизм.
Прообраз электродвигателя:
«Очевидная связь между электричеством и магнетизмом была довольно неожиданной. Удивляло то, что сила могла действовать по окружности, а не по прямой линии. (Один ученый назвал это «вращающимся электричеством».) В ньютоновской механике ничего не предвещало подобного. Фарадею удалось показать, что, используя несложную установку, состоящую из ртути и пробки, можно заставить наэлектризованную проволоку вращаться вокруг магнита или магнит — вокруг наэлектризованной проволоки. Он изобрел электрический мотор. Если из проволоки сделать рамку и присоединить ее к батарее, то она становится слабым магнитом. Если изогнуть проволоку в форме спирали, магнитная сила увеличивается, концентрируясь в центре обмотки».
Динамо-машина:
«Только в 1831 году ему удалось вновь вернуться к своим экспериментам с обмотками и батареями. <…> К тому времени английский естествоиспытатель Уильям Стерджен уже наматывал неизолированную проволоку на покрытый лаком железный сердечник, создавая таким образом электромагнит, достаточно мощный для того, чтобы удерживать груз весом больше его собственного. Используя проволоку с изоляцией, американец Джозеф Генри создал электромагнит, удерживавший груз весом более тонны. Однажды летом Фарадей решил проверить, что произойдет, если рядом поместить две рамки. Он попросил мастерскую при Королевском институте изготовить кольцевую железную рамку толщиной 2 сантиметра и радиусом 15 сантиметров. С одной стороны он намотал 22 метра медной проволоки, изолированной бечевой и ситцем. Это он назвал обмоткой А. С другой стороны кольца он намотал примерно 18 метров проволоки и назвал это обмоткой В. Обмотки эти не имели контактов, однако, когда он прикасался проводами первой обмотки к полюсам батареи, гальванометр, подсоединенный ко второй обмотке, начинал дергаться, колебаться и только через какое-то время успокаивался в первоначальном положении. Думая, вероятно, о возникновении волн в его акустических экспериментах, он поначалу представлял все так, что «волна электричества», возникшая в первой обмотке, пройдя по кольцу, могла породить ток во второй обмотке. В результате он обнаружил электромагнитную индукцию и распахнул окно в совершенно иной мир. <…>
Перемещение бруска магнита вперед и назад внутри полой рамки тоже приводило к образованию электрического тока в проволоке. Эрстед преобразовывал электричество в магнетизм, а теперь Фарадей преобразовал магнетизм в электричество, создав некое подобие динамо-машины, т. е. механическую противоположность мотора, который он изобрел за десять лет до этого».
Связь магнетизма, электричества и света:
«Будучи научным консультантом «Тринити-хаус», организации, учрежденной в 1514 году указом Генриха VIII, «дабы упорядочить проводку судов по водным потокам королевства», Фарадей был занят усовершенствованием масляной лампы Арганда, которая использовалась на маяках по всему побережью Англии и Уэльса. В конце августа 1845 года он зажег один из маяков в своей лаборатории и приготовился к эксперименту, ставшему самым красивым в его научной карьере. Свет, распространяясь, колеблется в двух перпендикулярных направлениях под прямыми углами к вектору движения. Но, отразившись от плоской поверхности или пройдя через обладающий определенными свойствами кристалл, например турмалин, свет становится поляризованным, то есть все его колебания происходят в одном направлении. <…> Вопрос, на который теперь хотел найти ответ Фарадей, сводился к тому, может ли электрический ток повернуть световой пучок, заставив вращаться его плоскость колебаний. <…>
Найдя у себя в лаборатории тяжелый кусок оптического стекла площадью примерно двенадцать квадратных сантиметров и толщиной чуть более сантиметра, он поместил его рядом с полюсами мощного электромагнита. Лампу и поляризующую поверхность он расположил так, что горизонтальные световые волны проходили вдоль стекла. Глядя через призму Николя, он вращал ее до тех пор, пока луч не исчезал. Затем он включал ток. Изображение пламени неожиданно появлялось вновь. Он выключал магнит, и пламя снова исчезало. Магнитное поле заставляло пучок света повернуться! Вся предыдущая работа Фарадея по исследованию электричества и магнетизма приближалась к кульминации. Радость от полученных результатов заставила его продолжить эксперименты с удвоенной силой. «Сейчас у меня нет и минуты ни на что иное, кроме работы, — писал он одному из коллег. — Мне удалось обнаружить прямую связь между магнетизмом и светом, а значит, между электричеством и светом, и это открывает столь широкое и многообещающее поле деятельности, что мне хочется первому на него взглянуть…. У меня действительно нет времени об этом рассказывать, я ни с кем не встречаюсь и всецело занят только работой».
Глава 7. Джеймс Джоуль. Что такое работа?
Эксперимент Джоуля:
«Из Манчестера он привез с собой установку, которую и поместил на столе в аудитории. Это был медный сосуд, изнутри покрытый оловом. Крышка также была оловянной. В отверстие посредине крышки входил вал латунного гребного колеса. Во второе отверстие вставлялся термометр. Джоуль объяснил, как он наполнял сосуд водой и приделывал веса, бечеву и шкивы для того, чтобы колесо вращалось. С внутренней стороны сосуда направляющие лопасти препятствовали свободному вращению воды, увеличивая трение. Поместив на каждую чашу груз весом 29 фунтов (13 кг), он поднял его на высоту 5,25 фута (1,6 м) и позволил ему упасть вниз. Затем он снова намотал бечеву и повторно сбросил груз вниз. Так продолжалось двадцать раз. Это было равносильно тому, что груз весом 58 фунтов (26,3 кг) был сброшен с высоты 105 футов (32 м). Весь эксперимент он проделал девять раз, обнаружив в итоге, что вода нагрелась примерно на 0,668 градуса.
Он понимал, что часть силы падающего груза расходуется на преодоление трения между шкивами и струной. Чтобы определить, какая именно часть силы расходуется на это, он взял валик такого же диаметра, что и шпиндель, и, обмотав вокруг него бечевку, подвесил с обеих сторон по грузу. Постепенно добавляя небольшие веса с одной стороны, он обнаружил, что требуется примерно 7,2 унции (примерно 2оо г), чтобы нарушить равновесие и заставить валик шевельнуться. Учтя этот и другие факторы, он уточнил свои предыдущие измерения; итак, чтобы нагреть один фунт воды на один градус, требуется 108 «килограмм-метров». Раньше он считал, что для этого необходимо 106,7, а один градус разницы в температуре имеет потенциал, необходимый для подъема 106,7 кг на один метр, и надо только понять, как этот градус использовать. В тот раз, чтобы не затуманивать основной смысл, в эксперименте не использовались ни обмотки, ни гальванические элементы; тепло и работа не только оказались взаимосвязанными, но и, по сути, одним и тем же: два разных способа преобразования «усилия», или «жизненной силы», или, как мы теперь говорим, энергии, в движение. Выходит, работа — это результат приложения силы, смещающей тело на определенное расстояние».
Глава 8. Альберт Абрахам Майкельсон. Измерение скорости света.
Постановка эксперимента:
«Майкельсон знал, что если путь светового пучка многократно удлинить, то время его распространения тоже возрастет. Отраженный пучок достигнет зеркала позднее, отклонение станет больше, и скорость света можно будет измерить с большей точностью.
Он начал с того, что установил два зеркала — одно вращающееся и одно стационарное, разнеся их на 600 метров по северной набережной кампуса. Чтобы точно измерить расстояние между зеркалами, он использовал рулетку, градуированную по эталону ярда. Протянув ленту рулетки вдоль пирса и выровняв ее свинцовыми гирями, а также обеспечив ее равномерное натяжение, он сделал несколько замеров. Введя поправки на тепловое расширение и сжатие, Майкельсон определил, что расстояние между зеркалами равно 605,4 метра. Такая точность нужна была везде. Для определения положения стационарного зеркала, которое должно было отражать световой луч на длинной его траектории, он взял телескоп и геодезический прибор, известный как теодолит. Для определения скорости вращающегося зеркала он использовал электрический камертон, который тщательно настроил по эталону. Небольшое стальное зеркало крепилось к одному из элементов вилки камертона. Оно должно было отражать вращающееся устройство. Когда частота вибрации совпадала со скоростью вращения, стробоскопическое изображение замирало. Используя паровую воздуходувку для вращения зеркала со скоростью 256 оборотов в секунду и направив через линзу солнечный свет, он определил, что, пройдя весь путь, солнечный луч отклонился на 133 миллиметра. После определенных вычислений удалось обнаружить, что скорость света равна 299 940 км/с, т. е. несколько выше, чем принятая сегодня скорость света в 299 792,8 км/с. (Ученые настолько уверены в правильности своих расчетов, что ныне измеряют длину метра, используя скорость света, а не наоборот)».
Интерферометр Майкельсона:
«Но что, если два источника света поставить под прямым углом друг к другу — один в направлении орбиты Земли, а второй — строго перпендикулярно? Теперь, как выразился Майкельсон, «один пловец будет преодолевать реку вверх и вниз по течению, а другой проплывет то же расстояние сначала к противоположному берегу, а потом назад». Второй пловец будет всегда показывать лучшее время, «если только в реке есть течение», а в случае со светом — если существует эфирный ветер. Переехав в том же году в Берлин, Майкельсон приступил к сборке своей установки. Сделанная вручную оптика была дорогой, но с помощью коллег на родине ему удалось получить грант от Александера Белла. В его эксперименте свет от фонаря должен был направляться на частично покрытое амальгамой зеркало, которое расщепит пучок на два «карандаша» света, направленных под прямым углом друг к другу. Пройдя через тщательно обработанные латунные кронштейны длиной один метр каждый, они отразятся от зеркал и вместе вернуться назад. Если скорость пучков будет отличаться, то они разойдутся по фазе и максимумы их волн не совпадут. В результате получится эффект интерференции наподобие того, который был описан Томасом Юнгом: череда темных и светлых полос. Если повернуть установку на девяносто градусов по отношению к «эфирной реке», то полосы подвинутся. Учитывая скорость движения Земли по отношению к эфиру, а также длину волны, Майкельсон предсказывал, что смещение будет равно одной десятой ширины интерференционной полосы, причем он был уверен, что это расстояние сможет измерить без труда».
К слову, по похожей схеме позже создадут лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и впервые зафиксируют на ней гравитационные волны. Подробнее об этом читайте в моей рецензии на книгу Говерта Шиллинга «Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии» ВОТ ТУТ.
Глава 9. Иван Павлов. Рефлекс и пищеварение.
Исследование слюны:
«Для измерения количества и состава слюны Павлов подвергал собак небольшой операции. Пока животное оставалось под наркозом, на его щеку или подбородок делался вывод (фистула), идущий от слюнных желез и фиксированный несколькими хирургическими стежками. После того как шов от хирургического вмешательства заживал, выделенная жидкость собиралась и анализировалась. Ученый обнаружил, что кусочки кварца практически не вызывали появления жидкости, тогда как при наличии песка выделялась вода, помогавшая собаке вымыть его из пасти. Следуя такой же физиологике, собака выделяла больше жидкости при наличии корочки хлеба, чем при появлении сочного куска мяса. Эволюция идеально настроила каждый рефлекс, приспосабливая животное к внешним воздействиям».
Изучение условного рефлекса:
«В одном из своих опытов Павлов заметил, что для того, чтобы началось слюноотделение, наличие пищи в пасти животного совсем не обязательно. Запах, вид миски, даже скрип двери, когда наступает время кормления, иногда достаточен, чтобы запустить реакцию. Он называл это «психической секрецией». В отличие от врожденных рефлексов, т. е. инстинктов, рефлексы приобретенные, или «условные», можно изменять. <…> Нервные соединения оказались столь пластичны, что их можно было коммутировать, как линии связи на АТС. При достаточном обучении положительный стимул, например кусок мяса, можно связать с отрицательным стимулом. Так, собака при ударе током не отскочит, а начнет выделять слюну. Методы эксперимента становились все более изощренными, что дало возможность исследовать чувство времени у собак. После того как собака научилась выделять слюну на вспышку света, положительный стимул задержали на три минуты. Через какое-то время собака привыкала к задержке — ее пасть наполнялась слюной через три минуты после сигнала. В других экспериментах само время становилось стимулом. Собака получала пищу через каждые тридцать минут. При отмене кормления собака все равно усиленно выделяла слюну каждые тридцать минут».
Глава 10. Роберт Милликен. Заряд электрона.
Описание эксперимента:
«Милликен начал с повторения эксперимента, в котором один из ученых группы Томсона в Кавендишской лаборатории определил время, за которое заряженный туман из водяных паров, ионизированный либо рентгеновскими лучами, либо излучением радия, полностью оседает на стенках герметичного сосуда. Туман находился между двумя металлическими пластинами, подключенными к полюсам гальванического элемента. Заметив, как скорость осаждения пара меняется в зависимости от величины электрического поля, можно определить общий заряд облака. Если же величину этого заряда разделить на количество заряженных частиц, которые, по вашему предположению, содержатся в облаке, можно рассчитать примерную величину заряда одного электрона. Этот метод, использующий так называемую камеру Вильсона, не устранял неопределенность и возможность разных интерпретаций. Пар возникал постоянно, верхний край облака был неровным и нечетким, отчего наблюдение за его движением было делом весьма нелегким. Милликен увеличил напряжение в надежде устойчиво зафиксировать мишень между положительным и отрицательным полюсами. Тогда удастся, полагал он, измерить скорость испарения и учесть ее в дальнейших расчетах. <…>
Вместо этого после включения рубильника облако исчезло, и эксперимент не получился. По крайне мере, так казалось до тех пор, пока ученый не заметил, что несколько водяных капель остались висеть в воздухе. Значит, их вес и заряд оказались такими, при которых сила притяжения полностью уравновешивалась действующим в противоположном направлении электрическим полем. Милликен понял, что это позволит поставить более точный эксперимент. Вместо того чтобы изучать поведение целого облака капель в массе, он сможет наблюдать капли по одной. Глядя через небольшой телескоп, установленный на расстоянии чуть более полуметра от установки, он выберет зависшую каплю, а затем выключит электричество! С хронометром в руке он рассчитывал время падения капли между отдельными делениями окуляра телескопа. <…> В 1913 году он опубликовал окончательную величину единицы электрического заряда: 1,5924 х 10-19 кулона. Десять лет спустя он получил Нобелевскую премию».
МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ:
Иллюстрированное издание в традиционном для нонфикшн-литературы оформлении.
Формат стандартный, зауженный (125x205 мм), твердый переплет, без суперобложки, 224 страницы, иллюстрации.
Достоинства издания: белая плотная бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; подробное оглавление; многочисленные черно-белые иллюстрации; информация об авторе; примечания и библиография.
Недостатки издания: нет предметно-именного указателя; плохо отпечатанные фотографии (схемы при этом напечатаны хорошо); у издания нет научного редактора.
ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ:
Больше нет, чем да. Книга не совсем соответствует своему названию, и является лишь кратким экскурсом в историю науки.
КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ:
Тем, кому интересна история науки в целом. Тем, кто интересуется экспериментами и хочет кратко познакомиться с некоторыми из них.
ТЕГИ: Нон-фикшн, науч-поп, история науки, исследования, эксперимент, открытие.
ВИДЕО В ТЕМУ: Самым специфическим, пожалуй, в подборке является эксперимент Милликена. Ниже видео с подробным видео-объяснением.
https://www.youtube.com/watch?v=LSSJO3SBEh8
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
https://t.me/pavelmazheikabooksreview
Другие мои рецензии на страницах:
Группа "ВКонтакте":
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
Канал в "Телеграм":