Нещодавно в нашому університеті відкрито маятник Фуко, який визнано п'ятим за важливістю фізичним експериментом, що змінив світ. А якими ж є решта? Саме цьому присвячується ця публікація.
Але спочатку про інше: багато передових країн настільки глибоко усвідомили роль нових знань на сучасному етапі розвитку, що ООН стала оголошувати той чи інший рік роками наук. Згадаймо: 2005-й був Роком фізики, 2009-й – Роком астрономії, поточний 2011-й є Роком хімії. Безумовно, це свідчить про підвищення інтересу суспільства до пізнання як процесу і розуміння, що без науки нема майбутнього. Можна сподіватися, що повернуться часи, коли вже на шкільній лаві молодь цікавитиметься науковою і освітньою сферами як справою життя. Маю на увазі передусім фізику. Не всі випускники навіть факультетів фізичного профілю збираються займатися фізикою, вважаючи її складною і неосяжною. Тому, попри сказане, спробую загітувати тих, хто вагається, бо кількість і глибина вже отриманих і відомих фактів часом лякає навіть найздібніших і найспроможніших.
Почну з питання: а чи дійсно у фізиці треба знати і пам'ятати все, що накопичено попередниками? Справді, з різних популярних і навчальних книжок ми багато чого знаємо. Ну, наприклад, що Земля не плоска, як ми начебто бачимо навкруги, а куляста з радіусом близько 6,5 тис. км. На іншому "кінці" розмірів ніколи не бачені безпосередньо людиною ядра атомів, які, як нам відомо, складаються з протонів і нейтронів, а їх радіус складає мізерну, з побутової точки зору, величину 10-13 см. Гравітаційна або кулонівська взаємодії згасають обернено пропорційно квадрату відстаней між тілами або зарядами. В нашій Галактиці приблизно 1011 зірок, а температура на поверхні Сонця оцінюється в 6000оC . Ці прості відомості є лише малою частиною тисяч інших, причому абсолютно різних. А всі вони разом утворюють упорядковану для розуміючих їх мозаїку, що зветься фізичною картиною світу. Але навіть найбільш знані вчені неспроможні вмістити в пам'яті всі накопичені дані про Всесвіт. Відповідні дані в усій сукупності неспроможний вмістити й жодний існуючий суперкомп'ютер.
Стає зрозумілим: не тільки запам'ятати, а й записати куди-небудь таку кількість букв і цифр неможливо. Але, на щастя, робити таке й не потрібно! У цьому й полягає часом незбагненна гармонія навколишньої природи, коли нескінченна різноманітність спостережуваних і принципово дозволених для реалізації природних і штучних ефектів базується на скінченній і досить невеликій кількості основоположних принципів, що звуться законами. Основне завдання фізики і тепер не змінилося – побудувати єдину теорію, яка б в ідеалі містила декілька фундаментальних рівнянь, що описують усі відомі факти, і правильно передбачала б нові.
Допитливу людину цікавить і інше: а звідки ми це знаємо і чому так упевнені, що все відбувається саме так, як стверджує фізика? Скажімо, що в ядрі гелію два протони і два нейтрони, що Земля за формою подібна кулі, що рівняння Максвелла описують електромагнітні хвилі і багато чого ще. Кожний відповість – з експериментів, які людство давно почало проводити, відмовившись від простого споглядання природних явищ і замінивши їх спеціально поставленими, свідомими лабораторними дослідами. Вже давно люди дійшли висновку, що пізнання природи можна і треба робити за приблизною схемою:
спостережуване явище → можливе пояснення → висновки і передбачення → лабораторний експеримент → повна теорія.
Дійсно, після спостереження того чи іншого процесу виникає бажання його пояснити або висловити припущення щодо причини появи; потім йдуть висновки і аналіз можливих наслідків, перевірка яких вимагає нових експериментів; якщо передбачення справдилось, наступним є побудова більш-менш повної теорії із застосуванням найбільш сучасної на відповідний момент математики і можливі узагальнення.
Здавалося б, усе просто, і ланцюжок послідовних дій зрозумілий і виконуваний. Але так здається лише на перший погляд, і є приклади, коли час від початку до кінця забирав століття. Найвідоміший – загальний устрій Всесвіту, схему якого деякі мислителі почали пропонувати задовго до нової ери літочислення, відколи стала панівною Птоломеєва, або геоцентрична, система. За нею, центром світу була нерухома планета Земля, а навколо неї "літали" Сонце та інші планети. Але під натиском подальших спостережень все почало стикатися з серйозними складнощами, коли передбачення про положення небесних тіл на сферичноподібному небосхилі не узгоджувалися зі спостереженнями. Саме це змусило польського астронома Н. Коперніка у середині XVI століття відмовитись від геоцентричної моделі і висунути принципово іншу – геліоцентричну, за якою центром обиралося Сонце, а Земля визначалася лише як одна з планет, що відрізняються орбітами. В її становленні вирішальну роль зіграв саме експеримент.
За роки розвитку науки було проведено багато експериментів. Про всі розповісти неможливо навіть при великому бажанні. Але серед них завжди є experimentum cricis (лат.) – вирішальні, постановка яких дала відповіді на глибинні питання свого часу. Визначити їх не тільки не просто, це є непосильним завданням для будь-кого. Але відповідний відбір може бути здійснений колективно, що для фізичних експериментів фактично було зроблено впродовж 2006 р. однією з найвідоміших світових газет "New York Times", яка провела опитування кількох тисяч фізиків. Кожний з них мав назвати 10 найбільш важливих для прогресу експериментів попередніх часів. Вважаю за потрібне для розширення ерудиції студентів КПІ розповісти про ці експерименти.
1. Експеримент Ератосфена Кіренського
Цей найдавніший експеримент було проведено у ІІІ столітті до н.е., а присвячений він був вимірюванню радіусу Землі. Схема експерименту є до геніальності простою. Опівдні, в день літнього сонцестояння, у місті Сієні (нині Асуан у Єгипті) Сонце знаходилось у зеніті, а, отже, предмети не відкидали тінь. Точно в такий самий час у місті Олександрії, віддаленому на 800 км від Сієни, Сонце було відхилено від вертикалі приблизно на 7о, що складає близько 0,02 від повного кола. Звідси можна легко обрахувати, що окружність Землі дорівнює 40000 км, а її радіус – 6300 км. Просто неймовірно, що знайдений таким простим способом радіус всього на 5% менше за відомий сьогодні.
2. Експеримент Галілео Галілея
До середини XVII століття правильним вважався висновок Аристотеля, що швидкість падіння тіла залежить від його маси, причому важкіші тіла падають швидше. Спираючись на це, Аристотель припустив, що Земля сильніше притягає більш важкі тіла, а тому падати вони мають швидше. Насправді ж, на падіння впливає не тільки сила тяжіння, а й опір повітря.
Галілей вирішив акуратно перевірити думки Аристотеля, для чого з Пізанської башти кидав гарматне ядро і легку мушкетну кулю. А оскільки обидва предмети мали схожу опуклу форму, то опір повітря був для них практично однаковим. Тим самим досліднику вдалося встановити, що обидва тіла досягають Землі одночасно. Іншими словами, було експериментально, або однозначно, встановлено: швидкість падіння від маси не залежить, що стало одним з основних факторів для розвитку механіки.
3. Ще один експеримент Галілео Галілея
До десятки потрапив і дослід з вимірювання інертних сил. Галілей вимірював відстані, які кулі, що котяться по похилій площині, долали за рівні проміжки часу. Коли час збільшувався вдвічі, то кулі проходили вчетверо більшу відстань. Це, у свою чергу, свідчило, що під дією тяжіння кулі рухаються прискорено. Цей висновок прямо суперечив відомому і такому, що приймалось на віру майже два (!) тисячоліття, твердженню про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, а якщо сили нема, то вони перебувають у спокої.
4. Експеримент Генрі Кавендіша
Закон всесвітнього тяжіння стверджує, що сила притягання між двома тілами прямо пропорційна їх масам і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Але в цьому законі невідомою була гравітаційна константа g. Для її визначення треба було виміряти притягання між двома тілами з визначеними масами і відомою відстанню між ними. Це надзвичайно складна проблема, бо відповідна сила є дуже малою. Наприклад, ми знаходимося в полі тяжіння Землі, відчуваємо його, але як ми притягаємось наповненим самоскидом, не знаємо, бо ніякого впливу на нас немає.
Метод вимірювання притягання і запропонував співвітчизник Ньютона Генрі Кавендіш у 1798 р. Він узяв крутильні ваги з двома кульками, що висять на тонкій легкій нитці. Далі вимірювалося зміщення кульок при наближенні до них більш важких предметів. Так, ваги реагували на збурення, але внаслідок малості прямо виміряти його було важко. Тому Кавендіш зробив спеціальні дзеркальця, приєднав їх до кульок і спостерігав за світловими зайчиками на площині, що суттєво підняло чутливість пристрою. Цим самим вдалося достатньо точно встановити величину і знайти значення маси Землі.
5. Маятник Фуко
Хоча про нього "КП" вже писав, повторю, що французький експериментатор Жан Бернар Фуко в 1851 р. зумів запропонувати експеримент, який наочно продемонстрував добове обертання Землі. Виходячи з положення, що площина фізичного маятника під час його коливного руху залишається в системі відліку, пов'язаній із зорями, постійною, він за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного під куполом паризького Пантеону, зумів довести спостерігачу, який стоїть на Землі і обертається разом з нею, що площина коливань поступово відходить від вихідного свого положення у бік, протилежний напрямку обертання Земної кулі. З того часу подібні маятники, що повсюдно стали зватися маятниками Фуко, були побудовані у багатьох країнах, а один з них – в КПІ.
6. Експеримент Ісаака Ньютона
У 1672 р. Ньютон здійснив просте спостереження. Затемнивши приміщення, він зробив отвір так, щоб у ньому сонячний промінь був видним, мав чітко окреслену форму, і поставив на його шляху скляну призму, за якою знаходився екран. У результаті на екрані виникла "райдуга", що свідчила про перетворення так званого білого, або сонячного, світла на декілька кольорових – від червоного до фіолетового. Такий розклад білого пучка світла на декілька інших отримав назву дисперсії.
Серією дослідів із схрещеними призмами Ньютон довів, що біле світло є складеним, а складові – усі кольори від червоного до фіолетового.
7. Експеримент Томаса Юнга
Упродовж багатьох століть, аж до XVII, існували уявлення, що світло є нічим іншим, як потоком окремих частинок – так званих корпускул. І хоча явища дифракції та інтерференції спостерігав ще Ньютон, загальноприйнятою була точка зору про корпускулярну природу світла.
Водночас для хвиль було добре відоме явище інтерференції, яке полягає в періодичному підсиленні або послабленні амплітуди коливань двох хвиль, що одночасно існують у просторі. Англійський фізик Юнг у 1801 р. вирішив перевірити, чи притаманне явище інтерференції світлу. Для цього він розпочав експериментувати з його променем, який направлявся на непрозору площину з двома щілинами. В результаті на наступному за площиною екрані дослідник доволі несподівано вперше спостерігав світлову інтерференційну картину, що складалася з переміжних світлих і темних смуг і не могла бути створеною потоком корпускул. Темні смуги відповідали зонам взаємного гасіння хвиль від різних джерел-щілин, а світлі – зонам їх (хвиль) додавання. Таким чином, Юнгу вдалося незаперечно довести хвильову природу світла.
8. Експеримент Клауса Йонсона
Цей дослід був поставлений німецьким фізиком-експериментатором відносно нещодавно, у 1961 р., коли було відтворено вимірювання Юнга, але для справжніх частинок. Йонсон, пропускаючи електрони через дві щілини, також спостерігав картину, аналогічну тій, яку бачив Юнг, що яскраво свідчило на користь квантової механіки, яка стверджує корпускулярно-хвильовий дуалізм, або змішану природу елементарних частинок.
9. Експеримент Роберта Міллікена
Цей експеримент був здійснений у 1913 р. і стосувався природи електричного заряду – дискретна вона або неперервна. У фізичний ужиток було введено слово "електрон", що позначало деяку частинку – носія елементарного електричного заряду. Проте це означення залишалося формальним, оскільки ні сама частинка, ні приписаний їй елементарний електричний заряд не були відомі. На рубежі ХІХ-ХХ століть, а конкретно – у 1895 р., німецький фізик Конрад Рентген відкрив, що аноди розрядних трубок під дією падаючих на них променів від катодів генерують деяке випромінювання, яке ми називаємо рентгенівським. У тому ж році француз Жан Батист Перрен зумів експериментально довести, що катодне випромінювання нічим іншим, як потоком невідомих негативно заряджених частинок. Проте, незважаючи на наявність експериментальних свідчень щодо таких частинок, електрон був гіпотетичним об'єктом.
Американський експериментатор Роберт Міллікен розробив метод крапель, за яким навчився ізолювати в проміжку між пластинами конденсатора відносно малу кількість заряджених крапель рідини. Далі, шляхом дії на повітря між пластинами рентгенівськими променями, можна було його іонізувати, що змінювало заряд крапель. Коли конденсатор був зарядженим, то електричним полем можна було викликати і спостерігати за рухом завислих крапель угору, коли ж конденсатор виключався, вони рухалися вниз. Почавши експериментувати з краплями у 1906 р., Міллікен продовжував робити це з граничною ретельністю впродовж кількох років. До 1909-1910 рр. він з великою точністю впевнився, що заряди крапель змінюються виключно дискретно, причому зміни завжди є кратними деякій фундаментальній величині e, яка і була зіставлена заряду електрона. Отримані результати вперше доводили дискретний характер заряду, а електрони утверджувалися як реально існуючі частинки. Перше виміряне значення стверджувало, що за модулем e ~ 4,89 Х10-10 електростатичних одиниць, або CGSE.
Без усякого перебільшення дослідження Міллікена стали етапними в розвитку фізики ХХ століття, і в 1923 р. він був відзначений за них Нобелівською премією. Тепер точним значенням елементарного заряду електрона вважається величина e ~ 4,8032 Х 10-10 CGSE.
10. Експеримент Ернста Резерфорда
Початок ХХ століття відзначився бурхливим розвитком різних напрямів фізики, в активі якої було вже не тільки розуміння атомної будови матерії, а й певні знання про будову самих атомів. Вони вважалися неділимими і такими, що складаються з двох сортів частинок – негативно заряджених електронів і позитивного заряду невідомої природи, так що в цілому атоми були нейтральними утвореннями. Такі уявлення про позитивно-негативну і по суті змішану природу розподілу заряду в атомній системі були на той час досить поширеними, але не було жодних експериментальних свідчень ні про його просторову густину, ні про фактичні розміри атомів. Переважна більшість фізиків поділяла погляд видатного англійського фізика Джозефа Томпсона, який у 1903 р. запропонував модель атомної будови. За нею, атом – це позитивно заряджена сфера, що має діаметр приблизно 10-8 см, з плаваючими всередині електронами.
Так тривало до 1909 р., коли, мабуть, перший фізик-ядерник Резерфорд вирішив перевірити, а яка ж насправді структура атома. Для цього він використовував відкриті ним відносно важкі і позитивно заряджені a-частинки (їх заряд ea=4e), які прискорювались до швидкості 20 км/с і спрямовувались на тонку золоту фольгу, розсіюючись у ній на атомах золота, що обумовлювало їх (частинок) відхилення від первісного напрямку руху. Воно вимірювалося за спалахами на пластині сцинтилятора, які зумовлювалися падінням на неї розсіяних a-частинок. У цих вимірюваннях Резерфорд спостеріг безліч спалахів і переконливо довів, що десь одна з у середньому майже 10000 a-частинок відхиляється на кут, більший за 90о. Останнє свідчило, що в таких актах розсіяння частинка фактично повертає назад, що не могло відбуватися, якщо б атом відповідав нейтральній структурі Томпсона.
Проаналізувавши свої результати, Резерфорд зупинився на моделі, яка найкраще описувала отримані ним дані. Тим самим він висунув планетарну модель атома, що певним чином нагадувала геліоцентричну. За запропонованою Резерфордом планетарною моделлю, атом – це крихітне масивне ядро з розмірами, що не перевищують 10-13 см, з електронами, які обертаються навколо нього на орбітах з радіусами 10-8 см.
Такими сучасні фахівці побачили найвизначніші експерименти минулого, які обумовили наш поступ на важкому шляху до правильного пізнання, правильних поглядів на світобудову і природу речей.
І останнє, що хотілося б сказати, думаючи про читачів "Київського політехніка" і студентів природничих факультетів КПІ. Треба твердо знати: фізика – наука молодих, тому починати займатися нею, цікавитись навколишнім світом краще якомога раніше. "Правила гри" у фізиці, взагалі кажучи, складні, а оволодіти ними можна і треба лише завдяки наполегливій, сумлінній праці, яку також ліпше розпочинати в молодому віці, коли сил багато, а пам'ять найбільш свіжа.