Десять найгарніших експериментів
Оригінал із сайту «Известия Науки»
Десятки й сотні фізичних експериментів було поставлено за тисячолітню історію науки. Нелегко відібрати кілька «най-най», щоб розповісти про них. Яким має бути критерій відбору?
Чотири року тому в газеті The New York Times була опублікована стаття Роберта Кріза та Стоні Бука. У ній розповідалося про результати опитування, проведеного серед фізиків. Кожний опитаний мав назвати десять найгарніших за всю історію фізичних експериментів. На наш погляд, критерій краси нічим не поступається іншим критеріям. Тому ми розповімо про експерименти, які ввійшли до першої десятки за результатами опитування Кріза і Бука.
1. Експеримент Ератосфена Кіренського
Один з найстародавніших відомих фізичних експериментів, у результаті якого було виміряно радіус Землі, був проведений у III тисячолітті до н. е. бібліотекарем знаменитої Александрійської бібліотеки Ератосфеном Кіренським. Схема експерименту проста. Опівдні, в день літнього сонцестояння, в місті Сієні (нині Асуан) Сонце перебувало в зеніті і предмети не відкидали тіні. У той же день і в той же час у місті Александрії, розташованому за 800 км від Сієни, Сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7°. Це становить приблизно 1/50 повного кола (360°), звідки виходить, що окружність Землі становить 40 000 км, а радіус 6300 км. Майже неймовірним видається те, що виміряний настільки простим методом радіус Землі виявився лише на 5% меншим від значення, отриманого найточнішими сучасними методами.
2. Експеримент Галілео Галілея
У XVII ст. панувала думка Арістотеля, що швидкість падіння тіла залежить від його маси: що важче тіло, то швидше воно падає. Спостереження, які кожний з нас може проробити у повсякденному житті, здавалося б, підтверджують це. Спробуйте одночасно випустити з рук легку зубочистку і важкий камінь. Камінь швидше досягне землі. Схожі спостереження привели Арістотеля до висновку про фундаментальну властивість сили, з якою Земля притягує інші тіла. Насправді на швидкість падіння впливає не тільки сила тяжіння, а й сила опору повітря. Співвідношення цих сил для легких і для важких предметів різне, що й приводить до ефекту, який спостерігається.
Італієць Галілео Галілей засумнівався у правильності висновків Арістотеля і знайшов спосіб їх перевірити. Для цього він кидав з Пізанської вежі одномоментно гарматне ядро і значно легшу мушкетну кулю. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму, тому і для ядра, і для кулі сили опору повітря, порівняно із силами тяжіння, були настільки малими, що ними можна було знехтувати. Галілей з’ясував, що обидва предмети досягають землі в один і той самий момент, тобто швидкість їх падіння однакова.
Результати, отримані Галілеєм, – наслідок закону всесвітнього тяжіння і закону, відповідно до якого прискорення тіла прямо пропорційне силі, що діє на нього, і обернено пропорційне масі.
3. Інший експеримент Галілео Галілея
Галілей вимірював відстань, яку кулі, що котяться похилою дошкою, долали за рівні проміжки часу.
Учений з’ясував, що, коли час збільшити вдвічі, кулі прокотяться в чотири рази далі. Ця квадратична залежність означала, що кулі під дією сили тяжіння рухаються з прискоренням. А це суперечило твердженню Арістотеля, яке приймали на віру впродовж 2000 років, про те, що тіла, на які діє сила, рухаються зі сталою швидкістю, а тіла, до яких не прикладено силу, перебувають у стані спокою. Результати цього експерименту Галілея, як і результати експерименту з Пізанською вежею, у подальшому послугували основою для формулювання законів класичної механіки.
4. Експеримент Генрі Кавендіша
Після того як Ісаак Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння (два тіла з масами M та m притягуються одне до одного із силою F, прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними: F = γ(mM / r2), залишалося визначити значення гравітаційної сталої γ. Для цього треба було виміряти силу притягання між двома тілами з відомою масою. Зробити це не так просто, тому що сила притягання дуже мала. Ми відчуваємо силу тяжіння Землі, але відчути притягання навіть дуже великої гори, поблизу якої ми опинилися, неможливо, оскільки воно дуже слабке.
Потребувався дуже тонкий і чутливий метод. Його придумав і застосував у 1798 р. співвітчизник Ньютона – Генрі Кавендіш. Він використав крутильну вагу – коромисло з двома кульками, підвішеними на дуже тонкому шнурку. Кавендіш вимірював зміщення коромисла (поворот) з наближенням до кульок ваги інших кульок більшої маси. Для збільшення чутливості зміщення визначалося за світловими зайчиками, відбитими від дзеркал, закріплених на кульках коромисла. У результаті цього експерименту Кавендішу вдалося досить точно визначити значення гравітаційної константи і вперше обчислити масу Землі.
5. Експеримент Жана Бернара Фуко
Французький фізик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 р. експериментально довів обертання Землі навколо своєї осі з допомогою 67-метрового маятника, підвішеного до вершини купола паризького Пантеону. Площина коливання маятника зберігає незмінне положення відносно зірок. Спостерігач же, який знаходиться на Землі та обертається разом з нею, бачить, що площина обертання повільно повертається у бік, протилежний напряму обертання Землі.
6. Експеримент Ісаака Ньютона
У 1672 р. Ісаак Ньютон проробив простий експеримент, описаний у всіх шкільних підручниках. Закривши віконниці, він зробив у них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя було поставлено призму, а за призмою – екран. На екрані Ньютон спостерігав веселку: білий сонячний промінь, пройшовши крізь призму, перетворився на кілька кольорових променів – від фіолетового до червоного. Це явище називається дисперсією світла.
Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження мають здатність розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла в дослідах зі скляною трикутною призмою ще до Ньютона проводили англієць Харіот і чеський природодослідник Марці.
Проте до Ньютона такі спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а зроблені на їх основі висновки не перевірялися додатковими експериментами. І Харіот, і Марці залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що різниця в кольорі визначається різницею в кількості темноти, «яка домішується» до білого світла. Фіолетовий колір, за Арістотелем, виникає при найбільшому додаванні темноти до світла, а червоний – при найменшому. Ньютон же провів додаткові досліди зі схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, проходить потім через іншу. Із проведених дослідів він зробив висновок, що «ніякого світла не виникає з білизни і чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює вигляду кольору». Він показав, що біле світло треба розглядати як складову. Основними ж є кольори від фіолетового до червоного.
Цей експеримент Ньютона слугує чудовим прикладом того, як різні люди, спостерігаючи одне й те саме явище, інтерпретують його по-різному, і лише ті, хто піддає сумніву свою інтерпретацію і проводить додаткові досліди, приходять до правильних висновків.
7. Експеримент Томаса Юнга
До початку XIX ст. переважали уявлення про корпускулярну природу світла. Вважали, що світло складається з окремих частинок – корпускул. Хоча явища дифракції й інтерференції світла спостерігав ще Ньютон («кільця Ньютона»), загальноприйнятим поглядом залишався корпускулярний.
Розглядаючи на поверхні води хвилі від двох кинутих каменів, можна помітити, як, накладаючись одна на одну, хвилі можуть інтерферувати, тобто взаємогасити або взаємопідсилювати одна одну. Ґрунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг проробив у 1801 р. досліди з променем світла, який проходив крізь два отвори в непрозорому екрані, утворюючи таким чином два незалежні джерела світла, аналогічні хвилям від двох кинутих у воду каменів. У результаті він спостерігав інтерференційну картину з почергових темних і білих смуг, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасили одна одну. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі взаємопідсилювалися. Таким чином було доведено хвильову природу світла.
8. Експеримент Клауса Йонссона
Німецький фізик Клаус Йонссон у 1961 р. провів експеримент, подібний до експерименту Томаса Юнга з інтерференції світла. Різниця полягала в тому, що замість променів світла Йонссон використав пучки електронів. Він отримав інтерференційну картину, аналогічну тій, яку Юнг спостерігав на світлових хвилях. Це підтвердило правильність положень квантової механіки про змішану корпускулярно-хвильову природу елементарних частинок.
9. Експеримент Роберта Міллікена
Уявлення про те, що електричний заряд будь-якого тіла дискретний (тобто складається з більшого чи меншого набору елементарних зарядів, які вже не підлягають дробленню), виникло ще на початку XIX ст. і підтримувалося такими відомими фізиками, як М. Фарадей і Г. Гельмгольц. У теорію було введено термін «електрон», який означав деяку частинку – носій елементарного електричного заряду. Цей термін, проте, був на той час чисто формальним, оскільки ні сама частинка, ні пов’язаний з нею елементарний електричний заряд не були виявлені експериментально. У 1895 р. К. Рентген під час експериментів з розрядною трубкою виявив, що її анод під дією променів, що летять з катода, здатний випромінювати свої X-промені, або промені Рентгена. Того ж року французький фізик Ж. Перрен експериментально довів, що катодні промені – це потік негативно заряджених частинок. Проте, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, електрон залишався гіпотетичною частинкою, оскільки не було жодного досліду, в якому були б задіяні окремі електрони.
Американський фізик Роберт Міллікен розробив метод, який став класичним прикладом вишуканого експерименту. Міллікену вдалося ізолювати в просторі між пластинами конденсатора кілька заряджених краплин води. Освітлюючи рентгенівськими променями, можна було злегка іонізувати повітря між пластинами та змінювати заряд крапель. При ввімкнутому полі між пластинами крапля повільно рухалася вгору під дією електричного притягання. При вимкнутому полі вона опускалася під дією гравітації. Вмикаючи і вимикаючи поле, можна було вивчати кожну з підвішених між пластинами крапель протягом 45 с, після чого вони випаровувалися. До 1909 р. вдалося визначити, що заряд будь-якої краплі завжди був цілим кратним фундаментальній величині e (заряд електрона). Це було переконливим доказом того, що електрони являють собою частинки з однаковими зарядом і масою. Замінивши краплі вони краплями масла, Міллікен отримав можливість збільшити тривалість спостережень до 4,5 год і в 1913 р., виключивши один за іншим можливі джерела похибок, опублікував перше виміряне значення заряду електрона: е = (4,774 ± 0,009) × 10-10 електростатичних одиниць.
10. Експеримент Ернста Резерфорда
До початку XX ст. стало зрозуміло, що атоми складаються з негативно заряджених електронів і деякого позитивного заряду, завдяки якому атом залишається в цілому нейтральним. Проте припущень щодо того, як виглядає «позитивно-негативна» система, було занадто багато, у той час як експериментальних даних, які дали б змогу зробити вибір на користь тієї чи іншої моделі, було явно недостатньо. Більшість фізиків прийняли модель Дж. Дж. Томсона: атом як рівномірно заряджена позитивна куля діаметром приблизно 10-8 см з плаваючими всередині негативними електронами.
У 1909 р. Ернст Резерфорд (йому допомагали Ганс Гейгер та Ернст Марсден) провів експеримент, щоб зрозуміти справжню структуру атома. У цьому експерименті важкі позитивно заряджені α-частинки, які рухаються зі швидкістю 20 км/с, проходили крізь тонку золоту фольгу і розсіювалися на атомах золота, відхиляючись від попереднього напряму руху. Щоб визначити ступінь відхилення, Гейгер і Марсден повинні були за допомогою мікроскопа спостерігати спалахи на пластині сцинтилятора, які виникали в місці потрапляння на пластину α-частинок. За два роки було підраховано близько мільйона спалахів і доведено, що приблизно одна з 8 тисяч частинок у результаті розсіювання змінює напрям руху більш ніж на 90° (тобто повертає назад). Такого ніяк не могло відбуватися в «пухкому» атомі Томсона. Результати однозначно свідчили на користь так званої планетарної моделі атома – масивне крихітне ядро розміром приблизно 10-13 см та електрони, які обертаються навколо цього ядра на відстані близько 10-8 см.
Джерело: «Химия и жизнь»
