Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Красота эксперимента может выступать в самых разнообразных формах, точно так же, как прекрасное произведение Баха отличается от прекрасного творения Стравинского. Некоторым из них свойственна красота, возникающая в результате совмещения нескольких всеобщих законов, другим – красота как следствие соединения разнородных и оттого казавшихся до сих пор несоединимыми элементов. Некоторые обладают особой строгой красотой и привлекают нас абсолютной простотой чистой формы, в других же отражается нечто высшее, захватывающее нас намеком на бесконечность возможностей природы и на ее грандиозное могущество. Но в большинстве красивых экспериментов присутствуют элементы всего перечисленного.

* * *

У вас может сложиться впечатление (вполне оправданное), что книга, которую вы держите в руках, представляет собой некую выставочную галерею. В этой галерее выставлены экспонаты редкой красоты, и каждый отличает его собственная структура, особый материал и присущее только ему очарование. Уверен, что далеко не все они придутся вам по душе в равной мере и ваш жизненный опыт, ваше воспитание, образование и ваши вкусы заставят вас что-то предпочесть, а на другое взглянуть с бо́льшим равнодушием.

Одной из самых сложных задач при организации любой галереи является отбор экспонатов. Я решил эту проблему следующим образом. В 2002 году, вдохновленный разговором с очередным ученым, рассказывавшим мне о красивом эксперименте, и вспомнив не только слова Глэшоу, но сотни подобных формулировок, которые я слышал на протяжении многих лет, я решил провести голосование. Я попросил читателей международного научного журнала Physics World , для которого я систематически пишу статьи, ответить на вопрос, какие эксперименты, по их мнению, являются самыми красивыми. К моему удивлению, читатели выбрали более трехсот кандидатов. Среди них, кроме действительно имевших место экспериментов, были также мысленные эксперименты, проектируемые эксперименты, а также теоремы и модели практически во всех научных областях – от физики до психологии. Мой опрос поддержали также блогеры и участники дискуссионных групп в Интернете, и это дало мне еще несколько сотен кандидатов. В свой шорт-лист самых красивых экспериментов я включил десять наиболее часто упомянутых кандидатов9.

Вы можете заметить, что бо́льшую часть этого списка составляют физические эксперименты, и я не стану отрицать, что, обращаясь к читателям «Мира физики», я просил их назвать самые красивые физические эксперименты. Тем не менее мне кажется, что я могу утверждать, что в этой книге собраны десять наиболее красивых экспериментов в истории науки в целом: большинство моих респондентов поняли мою просьбу как желание отобрать самые красивые научные эксперименты, и их предложения, присланные в Physics World , помимо собственно физических экспериментов, включали также эксперименты из области химии, техники и физиологии.

Кроме того, более половины экспериментов, описанных в книге, были впервые проведены в те времена, когда физика еще не была отдельной наукой. Это классические хрестоматийные примеры, часто обсуждаемые и воспроизводимые на занятиях по истории естественных наук и по самим естественным наукам и уже давно ставшие чем-то вроде эталона научного эксперимента в самом широком смысле слова. Нет ничего удивительного в том, что упоминания о них то и дело всплывают в популярной культуре, а их описания встречаются в произведениях таких разных авторов, как, например, драматург Том Стоппард, композитор Филип Гласс или писатель Умберто Эко10.

Я решил расположить эти эксперименты в хронологической последовательности, и получилась величественная картина гигантского пути, пройденного наукой за 2500 лет. Мой список начинается с тех времен, когда к самым насущным проблемам науки относилась проблема размеров Земли и ее положения в пространстве, и продолжается вплоть до той эпохи, когда ученые получили возможность производить точнейшие измерения характеристик атома и составляющих его элементарных частиц. Эта история начинается во времена простейших самодельных измерительных приборов типа солнечных часов или наклонных плоскостей и завершается эпохой сверхточных приборов. Она начинается во времена, когда ученые, как правило, работали в одиночестве (или в лучшем случае в компании одного или двух помощников), и завершается в эпоху, когда персонал научной лаборатории может составлять несколько сотен человек. И я надеюсь, что эта книга дает представление о личностях и особенностях мышления наиболее выдающихся представителей естественных наук.

Здесь приведены многие ключевые эксперименты в эволюции научного знания: эксперимент Галилео Галилея с наклонными плоскостями, благодаря которому впервые была определена математическая формула ускорения движения; experimentum crucis [1] Исаака Ньютона, раскрывший природу света и цвета; эксперимент Томаса Юнга с двумя щелями, продемонстрировавший волновую природу света; открытие Эрнестом Резерфордом атомного ядра, положившее начало атомной эре. Этот список включает эксперименты, которые либо явились яркими иллюстрациями, либо послужили толчком к смене важнейших парадигм в истории науки: замене аристотелевского представления о движении на галилеевское, корпускулярной теории света на волновую и классической механики на квантовую.

Примерно одинаковое число моих респондентов проголосовало за каждый из описанных здесь экспериментов, и поэтому я решил не выстраивать их в какой-либо рейтинг. Исключением стал эксперимент с двумя щелями, демонстрирующий феномен квантовой интерференции отдельных электронов. Именно его большинство респондентов назвали самым красивым экспериментом в истории науки. Критики, конечно, вправе оспаривать критерии моего выбора. Но пусть предметом спора будет сам процесс выбора и его результаты, а не основная тема книги – может ли научный эксперимент быть красивым.

Рис. 1. Самый древний из дошедших до нас инструментов измерения времени относится к III веку до н.э., приблизительно к эпохе Эратосфена. Артефакт довольно хорошо сохранился, однако гномон (стержень-указатель, отбрасывавший тень внутри углубления) отсутствует

Глава 1. Измеряя мир

Эратосфен и земная окружность

В третьем веке до нашей эры греческий ученый Эратосфен Киренский (ок. 276 – ок. 195 до н. э.) произвел первое известное в истории измерение размеров Земли. Его инструменты были очень просты: он следил за тенью, отбрасываемой гномоном (центральным стержнем солнечных часов), делая довольно естественные предположения и проводя очень простые измерения. Эксперимент был произведен настолько изящно, что его результаты на протяжении нескольких столетий приводились в качестве наиболее авторитетных. Этот простой и поучительный опыт и поныне, 2500 лет спустя, ежегодно воспроизводят школьники по всему миру. Принцип данного измерения так элегантен, что стоит понять его, как у вас тут же возникает желание измерять тени всего вокруг.

Эксперимент Эратосфена вдохновлялся двумя идеями принципиальной значимости. Первая состояла в том, чтобы представить космос в виде набора объектов (Земля, Солнце, планеты и звезды) внутри обычного трехмерного пространства. Это может показаться нам чем-то вполне тривиальным, но не совсем соответствовало тогдашним представлениям. Огромным вкладом греческой культуры в науку была догадка, что в основе бесконечного множества постоянно меняющихся видов движения на Земле и на ночном небе лежит безличный и неизменный порядок, космическая архитектура, которая может быть описана и объяснена в терминах геометрии. Вторая идея состояла в том, чтобы в целях лучшего понимания размеров и масштаба этой космической архитектуры применить обычные измерительные практики. Соединив две упомянутые идеи, Эратосфен выступил с довольно дерзким для своего времени предположением, что те же самые методы, которые были уже разработаны для строительства домов и мостов, для прокладывания дорог и межевания полей, для прогнозирования ливней и наводнений, можно использовать для получения информации о размерах Земли и других небесных тел.

Эратосфен исходил из предположения, что Земля представляет собой некое подобие шара. Хотя и в наше время иногда приходится слышать, что Колумб отправился в свое путешествие в первую очередь затем, чтобы доказать, что Земля не плоская, однако уже многие древние греки, всерьез задумывавшиеся об устройстве мироздания, приходили к выводу не только о том, что Земля круглая, но и о том, что она имеет весьма незначительные размеры по сравнению со всей остальной Вселенной. Среди таких ученых был Аристотель, в сочинении которого «О небе», написанном примерно за столетие до Эратосфена, выдвигался ряд различных аргументов в пользу того, что Земля представляет собой шар. Среди этих аргументов были как логические построения, так и опытные наблюдения. Аристотель отмечал, к примеру, что во время затмений тень, отбрасываемая Землей на Луну, всегда искривлена, что может иметь место только в том случае, если Земля круглая. Он также упоминает о том, что путешественники, оказавшиеся далеко на севере и на юге, видят разные звезды (что было бы крайне маловероятно, будь Земля плоской) и что определенные звезды, видимые в Египте и на Кипре, не видны в более северных странах, в то время как другие звезды, которые всегда видны на севере, восходят и заходят на юге, как если бы на них смотрели с поверхности круглого объекта. «Судя по этому, тело Земли должно быть не только шарообразным, – писал Аристотель, – но и небольшим по сравнению с величиной других звезд»11.