Джордж Джонсон - Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Джордж Джонсон

ДЕСЯТЬ САМЫХ КРАСИВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В ИСТОРИИ НАУКИ

Когда, уже в пожилом возрасте, Альберт Эйнштейн решил написать небольшой томик мемуаров, — по его собственному выражению, «своего рода некролог самому себе». — он вспомнил тот день, когда отец впервые показал ему компас. Поворачивая его в разные стороны. мальчик с удивлением наблюдал, как стрелка упрямо показывала на север. «Я до сих пор помню, — по крайней мере, мне кажется, что помню. — как сильно и надолго впечатлило меня это явление, — писал Эйнштейн. — Выходит, за всем тем, что существует в мире, непременно скрывается нечто глубинное, потаенное!»

Предисловие

Несколько лет назад солнечным зимним утром я поднимался на машине на горку, на которой расположен колледж Святого Иоанна, чтобы поиграть с электронами. Незадолго до того я познакомился с президентом этого учебного заведения, расположенного в предгорьях Санта-Фе. Признаться, я был поражен, узнав, что студентов гуманитарных факультетов тут учили, как повторить знаменитый эксперимент, проведенный в 1909 году Робертом Милликеном, в котором ему удалось изолировать и измерить электрон, а также показать, что он является переносчиком электричества.

Этот колледж, как и аналогичный колледж в Аннаполисе, строит обучение на основе классической программы — изучение физики начинается с VI века до н. э., с трудов философов-досократиков. Именно тогда Фалес Милетский заложил первый камень в Теорию Великого Объединения, заявив: «Всё сотворено из воды». Будь он жив сегодня, наверняка работал бы над теорией суперструн.

Фалес также отметил, что порода, называемая магнетит, — та, что находят в Магнезии, — невидимой силой притягивает металлы, а если кусочек янтаря, который древние греки называли электроном, обо что-нибудь потереть, то он приобретает чудесное свойство: начинает притягивать к себе мелкую солому и чешуйки зерна. Пройдет еще более двух тысяч лет, и врач королевы Елизаветы I по имени Уильям Гилберт заметит, что, если шелком потереть стекло, оно «наянтарится», то есть наэлектризуется (Гилберт оказался первым, кто использовал этот термин), и более того — другие материалы тоже можно «оживить» подобным образом! Трение, рассуждал Гилберт, нагревает некую содержащуюся в телах жидкость, которая начинает источать липкий, газообразный заряд. Французский физик Шарль Франсуа де Систерне Дюфе пошел еще дальше. Он обнаружил, что натертый янтарь отталкивает те предметы, которые натертое стекло притягивает, и сделал вывод: электричество бывает двух видов — «смоляное» и «стекольное». Однако только Милликену удалось найти разумное объяснение всем этим явлениям.

Физическая лаборатория колледжа располагалась в цоколе окруженного соснами двухэтажного дома в стиле территорий[1]. Занятий не было, жалюзи были опущены, и в помещении царил полумрак. В противоположном конце аудитории директор лаборатории Ханс фон Бризен собирал на деревянном лабораторном столе экспериментальную установку. В колледже существует традиция, согласно которой студенты и преподаватели должны обращаться друг к другу, используя вежливое «мистер», — мистер фон Бризен, мистер Джонсон, — поэтому даже разговоры в коридоре по стилю напоминают колонку светских новостей в респектабельной «Нью-Йорк тайме».

Идея эксперимента Милликена, пояснял мистер фон Бризен, заключается в следующем: используя пульверизатор для духов, впрыскивать мельчайшие капельки масла в пространство между двумя металлическими пластинами, одна из которых заряжена «смоляным» электричеством, а вторая — «стекольным». Некоторые капельки, натираемые воздухом так же, как натирал янтарь Фалес, электризуются. Меняя напряжение на пластинах, можно заставить капельки подниматься, опускаться или зависать в определенном положении.

По массе капли и напряжению, необходимому для того, чтобы предупредить ее падение, легко рассчитать ее заряд. Проведя измерения на достаточном количестве капель, можно определить, ведет ли себя заряд как жидкость, накапливаясь в любом количестве, или он дискретен, как мелочь в кармане. Если последнее утверждение справедливо, то самый маленький заряд и будет элементарной единицей электричества, т. е. зарядом электрона.

Когда экспериментальная установка была собрана, начался сам эксперимент. После нескольких пробных пусков мистер фон Бризен пригласил меня посмотреть на происходящее. Заглянув в камеру через увеличительное оптическое устройство, похожее на маленький телескоп, я увидел капли. При задней подсветке они сияли, как созвездие или даже галактика. Сам Милликен описывал эту картину так: «Капля казалась звездой-бриллиантом».

Наука в XXI веке превратилась в индустрию. Открытия, о которых то и дело пишут газеты, — расшифровка генома, доказательство существования топ-кварков, открытие новой планеты по анализу колебаний далекой звезды, — стоят миллионы долларов. Они порождают терабайты информации, для изучения которых необходимы суперкомпьютеры, превратившиеся в фабрики по производству расчетов и излучающие столько тепловой энергии, что для их охлаждения требуются установки, потребляющие не меньше электричества, чем небольшие города. Эксперименты проводятся исследовательскими группами, по своим размерам не уступающие корпорациям.

Однако 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. Будучи популяризатором науки, я восхищаюсь такими умозрительными построениями, как квантовая механика и общая теория относительности, которые стремятся отразить реальность с помощью нескольких изящных уравнений. Чтобы понять, насколько абстрактными стали эти исследования, достаточно упомянуть теорию суперструн, утверждающую, что материя изначально генерируется математическими сниппетами, колеблющимися в десятимерном пространстве. Это потрясает воображение, но при этом и запутывает обычного человека, да настолько, что возникает острое желание вернуться к первоосновам.

Журнал Physics World («Мир физики») однажды провел опрос своих читателей, спросив их, какие эксперименты они считают самыми красивыми. По результатам опроса были названы десять лучших экспериментов, которые, как и предполагалось, относятся к области физики. Но я подумал, а что, если раскинуть сети шире? И тогда появился мой собственный список.

Первым делом нужно было определиться, с чего начать. С Фалеса, натирающего янтарь, чтобы получить статическое электричество? Но здесь нет той элегантности, которая меня восхищает: ничего нельзя регулировать, нет никакой системы — Фалес не пытался понять, какие материалы, при каких условиях могут заряжаться таким образом. Ведь, как удалось показать Гилберту, это свойство янтаря вовсе не уникально. Экспериментальная наука явно началась не с Фалеса.

Может, стоит начать с Пифагора, еще одного досократика, который обнаружил, что звучание музыкальной струны подчиняется строгим математическим пропорциям? Если вся струна дает ноту до, то три четверти струны будут звучать как фа, а две трети — как соль. Если снова взять половину струны, то она зазвучит как нота до, но более высокой октавы. Все вещи суть числа, заявил Пифагор, предложив, тем самым, еще одну теорию Великого объединения. Тут бы ему остановиться, но он в своих рассуждениях пошел дальше и сказал, что огонь состоит из 24 прямоугольных треугольников, а вода — из ста двадцати. Так эксперимент уступил место мистицизму.

Можно рассмотреть кандидатуру Архимеда. Не очень достоверный рассказ о том, как он выскочил из ванны с криком «Эврика!», когда ему открылся закон, получивший его имя, преуменьшает значимость этого открытия. Его трактат «О плавающих телах» считается шедевром математического мышления, и не только потому, что знаменитому греку удалось сформулировать ныне всем известный закон (на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости). Он также рассчитал, как конический объект, называемый параболоидом, будет плавать при погружении в воду. (Айсберги можно приближенно рассматривать как параболоиды, и ведут они себя примерно так, как предсказывал Архимед.)