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

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

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.

Но великий мыслитель предложил и более хитроумные аргументы. Из сообщений путешественников и участников военных экспедиций ему было известно, что слоны водятся в отдаленных землях как в Африке, так и в Азии. Из этого он сделал вывод, что названные части света, по-видимому, соединены, – вполне логичное, хоть и не совсем конкретное заключение. Другие греческие ученые выдвигали и другие аргументы в пользу шарообразности Земли, которые включали разницу во времени восхода и заката в разных странах и то, что отплывающие корабли постепенно скрываются из виду, как бы опускаясь за горизонт.