Недавно в нашем университете открыт маятник Фуко, который признан пятым по важности физическим экспериментом, что изменил мир. А каковы же остальные? Именно этому посвящается эта публикация.
Но сначала о другом: многие передовые страны настолько глубоко осознали роль новых знаний на современном этапе развития, что ООН стала объявлять тот или иной год годами наук. Вспомним: 2005-й был Годом физики, 2009-й - Годом астрономии, текущий 2011-й является Годом химии. Безусловно, это свидетельствует о повышении интереса общества к познанию как процессу и пониманию, что без науки нет будущего. Можно надеяться, что вернутся времена, когда на школьной скамье молодежь будет интересоваться научной и образовательной сферами как делом жизни. Имею в виду прежде всего физику. Не все выпускники даже факультетов физического профиля собираются заниматься физикой, считая ее сложной и необъятной. Поэтому, несмотря на сказанное, попробую сагитировать тех, кто колеблется, так как количество и глубина уже полученных и известных фактов порой пугает даже самых способных и самых состоятельных.
Начну с вопроса: а действительно в физике надо знать и помнить все, что накоплено предшественниками? Действительно, из разных популярных и учебных книг мы многое знаем. Ну, например, что Земля не плоская, как мы вроде видим вокруг, а шарообразная с радиусом около 6,5 тыс. км. На другом "конце" размеров никогда не виданные непосредственно человеком ядра атомов, которые, как нам известно, состоят из протонов и нейтронов, а их радиус составляет мизерную, с бытовой точки зрения, величину 10-13 см. Гравитационное или кулоновское взаимодействия угасают обратно пропорционально квадрату расстояния между телами или зарядами. В нашей Галактике примерно 1011 звезд, а температура на поверхности Солнца оценивается в 6000оC. Эти простые сведения являются лишь малой частью тысяч других, причем совершенно разных. А все они вместе образуют упорядоченную для понимающих их мозаику, что называется физической картиной мира. Но даже самые известные ученые не могут вместить в памяти все накопленные данные о Вселенной. Соответствующие данные во всей совокупности не способен вместить и ни один существующий суперкомпьютер.
Становится ясно: не только запомнить, но и записать куда-нибудь такое количество букв и цифр невозможно. Но, к счастью, делать такое и не нужно! В этом и заключается временами непостижимая гармония окружающей природы, когда бесконечное разнообразие наблюдаемых и принципиально разрешенных для реализации природных и искусственных эффектов базируется на конечном и достаточно небольшом количестве основных принципов, называемых законами. Основная задача физики и теперь не изменилось - построить единую теорию, которая в идеале содержала бы несколько фундаментальных уравнений, описывающих все известные факты, и правильно предусматривала бы новые.
Любопытного человека интересует: а откуда мы это знаем и почему так уверены, что все происходит именно так, как утверждает физика? Скажем, что в ядре гелия два протона и два нейтрона, что Земля по форме подобна шару, уравнения Максвелла описывают электромагнитные волны и много чего еще. Каждый ответит - из экспериментов, которые человечество давно начало проводить, отказавшись от простого созерцания природных явлений и заменив их специально поставленными, сознательными лабораторными опытами. Уже давно люди пришли к выводу, что познание природы можно и нужно делать по приблизительной схеме:
наблюдаемое явление → возможное объяснение → выводы и предсказания → лабораторный эксперимент → полная теория.
Действительно, после наблюдения того или иного процесса возникает желание его объяснить или предположить о причинах появления; затем идут выводы и анализ возможных последствий, проверка которых требует новых экспериментов; если предсказание сбудется, следующим является построение более или менее полной теории с применением наиболее современной на соответствующий момент математики и возможные обобщения.
Казалось бы, все просто, и цепочка последовательных действий понятна и исполняемая. Но так кажется только на первый взгляд, и есть примеры, когда время от начала до конца забирало века. Наиболее известный - общее устройство Вселенной, схему которого некоторые мыслители начали предлагать задолго до новой эры летоисчисления, когда стала господствующей Птоломеевая или геоцентрическая система. По ней, центром мира была неподвижная планета Земля, а вокруг нее "летали" Солнце и другие планеты. Но под напором дальнейших наблюдений все начало сталкиваться с серьезными сложностями, когда предсказание о положении небесных тел на подобному сфере небосклоне не согласовывалось с наблюдениями. Именно это заставило польского астронома Н. Коперника в середине XVI века отказаться от геоцентрической модели и выдвинуть принципиально другую - гелиоцентрическую, в которой центром избиралось Солнце, а Земля определялась лишь как одна из планет, что отличаются орбитами. В ее становлении решающую роль сыграл именно эксперимент.
За годы развития науки было проведено много экспериментов. Обо всех рассказать невозможно даже при большом желании. Но среди них всегда есть experimentum cricis (лат.) - решающие, постановка которых дала ответы на глубинные вопросы своего времени. Определить их не только не просто, это является непосильной задачей для любого. Но соответствующий выбор может быть осуществлен коллективно, что для физических экспериментов фактически было сделано в течении 2006 г. одной из самых известных мировых газет "New York Times", которая провела опрос нескольких тысяч физиков. Каждый из них должен был назвать 10 самых важных для прогресса экспериментов предыдущих времен. Считаю нужным для расширения эрудиции студентов КПИ рассказать об этих экспериментах.
1. Эксперимент Эратосфена Киренского
Этот древнейший эксперимент был проведен в III веке до н.э., а посвящен он был измерению радиуса Земли. Схема эксперимента является до гениальности простой. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан в Египте) Солнце находилось в зените, а, следовательно, предметы не отбрасывали тень. Точно в такое же время в городе Александрии, отдаленном на 800 км от Сиены, Солнце было отклонено от вертикали примерно на 7о, что составляет около 0,02 от полного круга. Отсюда можно легко подсчитать, что окружность Земли равна 40 000 км, а ее радиус - 6300 километров. Просто невероятно, что найденный таким простым способом радиус всего на 5% меньше известного сегодня.
2. Эксперимент Галилео Галилея
К середине XVII века правильным считался вывод Аристотеля, что скорость падения тела зависит от его массы, причем более тяжелые тела падают быстрее. Опираясь на это, Аристотель предположил, что Земля сильнее притягивает более тяжелые тела, а потому падать они должны быстрее. На самом деле, на падение влияет не только сила притяжения, но и сопротивление воздуха.
Галилей решил аккуратно проверить мысли Аристотеля, для чего с Пизанской башни бросал пушечное ядро и легкий мушкетный шар. А поскольку оба предмета имели сходную выпуклую форму, то сопротивление воздуха было для них практически одинаковым. Тем самым исследователю удалось установить, что оба тела достигают Земли одновременно. Другими словами, было экспериментально, или однозначно установлено: скорость падения от массы не зависит, что стало одним из основных факторов для развития механики.
3. Еще один эксперимент Галилео Галилея
В десятку попал и опыт по измерению инертных сил. Галилей измерял расстояния, которые шары, катящиеся по наклонной плоскости, преодолевали за равные промежутки времени. Когда время увеличивалось вдвое, то шары проходили в четыре раза большее расстояние. Это, в свою очередь, свидетельствовало, что под действием притяжения шары движутся ускоренно. Этот вывод прямо противоречил известному и такому, что принималось на веру почти два (!) тысячелетия, утверждению о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, а если силы нет, то они находятся в покое.
4. Эксперимент Генри Кавендиша
Закон всемирного тяготения утверждает, что сила притяжения между двумя телами прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Но в этом законе неизвестной была гравитационная константа g. Для ее определения надо было измерить притяжение между двумя телами с определенными массами и известным расстоянием между ними. Это очень сложная проблема, потому что соответствующая сила очень мала. Например, мы находимся в поле притяжения Земли, чувствуем его, но как мы притягиваемся наполненным самосвалом, не знаем, потому что никакого влияния на нас нет.
Метод измерения притяжения и предложил соотечественник Ньютона Генри Кавендиш в 1798 г. Он взял крутильные весы с двумя шариками, висящие на тонкой легкой нити. Далее измерялось смещение шариков при приближении к ним более тяжелых предметов. Так, весы реагировали на возмущение, но вследствие малости прямо измерить его было трудно. Поэтому Кавендиш сделал специальные зеркала, присоединил их к шарикам и наблюдал за световыми зайчиками на плоскости, что существенно подняло чувствительность устройства. Тем самым удалось достаточно точно установить величину и найти значение массы Земли.
5. Маятник Фуко
Хотя о нем "КП" уже писал, повторю, что французский экспериментатор Жан Бернар Фуко в 1851 г. сумел предложить эксперимент, который наглядно продемонстрировал суточное вращение Земли. Исходя из положения, что плоскость физического маятника во время его колеблющегося движения остается в системе отсчета, связанной со звездами, постоянной, он с помощью 67-метрового маятника, подвешенного под куполом парижского Пантеона, сумел доказать наблюдателю, который стоит на Земле и вращающийся вместе с ней, что плоскость колебаний постепенно отходит от исходного своего положения в сторону, противоположную направлению вращения Земли. С тех пор подобные маятники, повсеместно стали называться маятник Фуко, были построены во многих странах, а один из них - в КПИ.
6. Эксперимент Исаака Ньютона
В 1672 г. Ньютон совершил простое наблюдение. Затемнив помещение, он сделал отверстие так, чтобы в нем солнечный луч был видным, имел четко очерченную форму, и поставил на его пути стеклянную призму, за которой находился экран. В результате на экране возникла "радуга", что свидетельствовало о превращении так называемого белого или солнечного, света на несколько цветных - от красного до фиолетового. Такой расклад белого пучка света на несколько других получил название дисперсии.
Серией опытов со скрещенными призмами Ньютон доказал, что белый свет является составным, а составляющие - все цвета от красного до фиолетового.
7. Эксперимент Томаса Юнга
На протяжении многих веков, вплоть до XVII, существовали представления, что свет есть не что иное, как поток отдельных частиц - так называемых корпускул. И хотя явление дифракции и интерференции наблюдал еще Ньютон, общепринятой была точка зрения о корпускулярной природе света.
В то же время для волн было хорошо известно явление интерференции, которое заключается в периодическом усилении или ослаблении амплитуды колебаний двух волн, что одновременно существуют в пространстве. Английский физик Юнг в 1801 г. решил проверить, присуще ли явление интерференции свету. Для этого он начал экспериментировать с его лучом, который направлялся на непрозрачную плоскость с двумя щелями. В результате на следующем за плоскостью экране исследователь довольно неожиданно впервые наблюдал световую интерференционную картину, которая состояла из перемежающихся светлых и темных полос и не могла быть созданной потоком корпускул. Темные полосы соответствовали зонам взаимного гашения волн от различных источников-щелей, а светлые - зонам их (волн) добавления. Таким образом, Юнгу удалось неопровержимо доказать волновую природу света.
8. Эксперимент Клауса Йонсона
Этот опыт был поставлен немецким физиком-экспериментатором относительно недавно, в 1961 году., когда было воссоздано измерения Юнга, но для настоящих частиц. Йонссон, пропуская электроны через две щели, также наблюдал картину, аналогичную той, которую видел Юнг, что ярко свидетельствовало в пользу квантовой механики, которая утверждает корпускулярно-волновой дуализм, или смешанную природу элементарных частиц.
9. Эксперимент Роберта Милликена
Этот эксперимент был осуществлен в 1913 г. и касался природы электрического заряда - дискретная она или непрерывная. В физический обиход было введено слово "электрон", что обозначало некоторую частицу - носителя элементарного электрического заряда. Однако это определение оставалось формальным, поскольку ни сама частица, ни приписанный ей элементарный электрический заряд не были известны. На рубеже XIX-XX веков, а именно - в 1895 г., немецкий физик Конрад Рентген открыл, что аноды разрядных трубок под действием падающих на них лучей от катодов генерируют некоторое излучение, которое мы называем рентгеновским. В том же году француз Жан Батист Перрен сумел экспериментально доказать, что катодные лучи являются ничем иным, как потоком неизвестных отрицательно заряженных частиц. Однако, несмотря на наличие экспериментальных свидетельств о таких частицах, электрон был гипотетическим объектом.
Американский экспериментатор Роберт Милликен разработал метод капель, по которому научился изолировать в промежутке между пластинами конденсатора относительно малое количество заряженных капель жидкости. Далее, путем воздействия на воздух между пластинами рентгеновскими лучами, можно было его ионизировать, что меняло заряд капель. Когда конденсатор был заряжен, то электрическим полем можно было вызвать и наблюдать за движением взвешенных капель вверх, когда же конденсатор выключался, они двигались вниз. Начав экспериментировать с каплями в 1906 г., Милликен продолжал делать это с предельной тщательностью на протяжении нескольких лет. К 1909-1910 гг. он с большой точностью убедился, что заряды капель меняются исключительно дискретно, причем изменения всегда являются кратными некоторой фундаментальной величине e, которая и была сопоставлена заряду электрона. Полученные результаты впервые доказывали дискретный характер заряда, а электроны утверждались как реально существующие частицы. Первое измеренное значение утверждало, что по модулю e ~ 4,89 Х10-10 электростатических единиц, или CGSE.
Без всякого преувеличения исследования Милликена стали этапными в развитии физики ХХ века, и в 1923 г. он был отмечен за них Нобелевской премией. Теперь точным значением элементарного заряда электрона считается величина e ~ 4,8032 Х 10-10 CGSE.
10. Эксперимент Эрнста Резерфорда
Начало ХХ века отметился бурным развитием различных направлений физики, в активе которой было уже не только понимание атомного строения материи, но и определенные знания о строении самых атомов. Они считались неделимыми и состоящими из двух сортов частиц - отрицательно заряженных электронов и положительного заряда неизвестной природы, так что в целом атомы были нейтральными образованиями. Такие представления о позитивно-негативной и по сути смешанной природе распределения заряда в атомной системе были в то время весьма распространенными, но не было никаких экспериментальных свидетельств ни о его пространственной плотности, ни о фактических размерах атомов. Подавляющее большинство физиков разделяло взгляд выдающегося английского физика Джозефа Томпсона, который в 1903 г. предложил модель атомного строения. За ней, атом - это положительно заряженная сфера, диаметром около 10-8 см, с плавающими внутри электронами.
Так продолжалось до 1909 г., когда, пожалуй, первый физик-ядерщик Резерфорд решил проверить, а какая же на самом деле структура атома. Для этого он использовал открытые им относительно тяжелые и положительно заряженные a-частицы (их заряд ea = 4e), которые ускорялись до скорости 20 км / с и направлялись на тонкую золотую фольгу, рассеиваясь в ней на атомах золота, что обусловливало их (частиц) отклонение от первоначального направления движения. Оно измерялось по вспышкам на пластине сцинтиллятора, которые обусловлены падением на нее рассеянных a-частиц. В этих измерениях Резерфорд заметил множество вспышек и убедительно доказал, что где-то одна из в среднем почти 10 000 a-частиц отклоняется на угол, больше 90о. Последнее свидетельствовало, что в таких актах рассеяния частица фактически возвращает назад, что не могло происходить, если бы атом отвечал нейтральной структуре Томпсона.
Проанализировав свои результаты, Резерфорд остановился на модели, которая лучше описывала полученные им данные. Тем самым он выдвинул планетарную модель атома, что определенным образом напоминала гелиоцентрическую. По предложенной Резерфордом планетарной модели, атом - это крошечное массивное ядро с размерами, не превышающими 10-13 см, с электронами, вращающимися вокруг него на орбитах с радиусами 10-8 см.
Такими современные специалисты увидели выдающиеся эксперименты прошлого, что обусловили наше продвижение на трудном пути к правильному познанию, правильным взглядам на мироздание и природу вещей.
И последнее, что хотелось бы сказать, думая о читателях "Киевского политехника" и студентов естественных факультетов КПИ. Надо твердо знать: физика - наука молодых, поэтому начинать заниматься ею, интересоваться окружающим миром лучше как можно раньше. "Правила игры" в физике, вообще говоря, сложные, а овладеть ими можно и нужно только благодаря упорному, добросовестному труду, который также лучше начинать в молодом возрасте, когда сил много, а память наиболее свежая.