Джордж Джонсон - Десять самых красивых экспериментов в истории науки

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.)

Своим авторитетом, однако, он обязан умению мыслить, а не эксперименту. Это еще один великий теоретик. Я же хочу найти те редкие случаи, когда, используя подручный материал, любопытствующая душа умудряется задать вопрос Вселенной и не успокаивается, пока не получит ответа, В идеале даже сами приборы, с помощью которых ищется этот ответ, должны отличаться красотой — полированное дерево, бронза, сияющий черный эбонит. Но еще большее значение имеет красота схемы эксперимента и его исполнения, чистота линий человеческой мысли.

По этой причине мне придется оставить древнюю Грецию и переместиться сразу в XVII век, когда человек по имени Галилей сформулировал фундаментальный закон движения. От этого пункта я последовал дальше, периодически делая остановки на славном пути науки, пока наконец не встретился с Милликеном и его крохотными звездами.

Не исключено, что у читателей моей книги может сложиться свой список. Мой друг, возражая мне, спросил: «А стоит ли называть книгу «Десять самых красивых экспериментов»?» Может, он и прав. Но мне кажется, что и в отборе экспериментов, и в том, что мне захотелось рассказать о них, есть что-то от случая, а что-то — от искусства. Это книга не о великих открытиях, не о счастливой случайности, которая помогла Галилею разглядеть движение спутников Юпитера, а Чарльзу Дарвину выбрать для своих наблюдений зябликов, — в этих историях нет сознательной, управляемой попытки задать вопрос и получить ответ. Мою книгу также нельзя рассматривать как сборник кратких научных биографий, которых и так существует великое множество. Некоторые жизнеописания, например Антуана Лорана Лавуазье и Альберта Майкельсона, привлекли меня своей необычностью. О Галилее и Ньютоне и без меня рассказано много. Я старался выделять самое главное и так, чтобы эксперимент, а не экспериментатор становился героем моей книги.

Желая сократить объем книги до разумного минимума, я решил не тратить много чернил на то, чтобы каждому отдать должное, тем более что для историка это представляет непростую задачу. Удивительное открытие Джеймса Джоуля, касающееся энергии и теплоты, предвиделось еще Робертом Майером, однако только Джоулю удалось поставить великолепный эксперимент. Поэтому мне хочется процитировать лорда Кельвина, который однажды сказал: «Вопрос о личном приоритете, каким бы важным он ни казался некоторым ученым, теряет всякое значение на фоне захватывающей перспективы — проникнуть в тайны природы».

Когда вы бросаете камень, ловите мяч или прыгаете достаточно энергично, чтобы взять барьер, мозжечок, представляющий собой древнюю, бессознательную часть мозга, естественным образом ощущает на себе действие фундаментальных законов движения. Сила равна массе, умноженной на ускорение. Всякое действие вызывает равное ему противодействие. Но физическая сущность этого скрыта от более нового, головного мозга, благодаря которому мы мыслим и осознаем себя. Можно прыгать с грациозностью кошки, но при этом не иметь никакого понятии о гравитации.

В IV веке до н. э. Аристотель сделал первую амбициозную попытку сформулировать законы движения. Предмет падает пропорционально своему весу — чем тяжелее камень, тем быстрее он достигает поверхности земли. Для других видов движения (толкание книги на поверхности стола, движение плуга по полю) силу нужно прилагать постоянно. Чем больше прилагаемая сила, тем быстрее двигается предмет. Как только перестаешь его толкать, он тут же останавливается.

Хотя это звучит на первый взгляд разумно и кажется очевидным, но, по сути, такое утверждение ложно.

Что станет с книгой, если ее положить на лед и легонько толкнуть? Она будет двигаться еще какое-то время и после того, как сила на нее перестала действовать. (Когда Аристотеля спросили, почему стрела летит, расставшись с тетивой, он ответил, что она летит, подталкиваемая воздухом.) Теперь мы знаем, что все, чему сообщается движение, продолжает двигаться до тех пор, пока ему на пути не встретится что-нибудь другое или пока его не остановит трение. Кроме того, если с одной высоты бросить килограммовую и пятикилограммовую гири, то они, как показал Галилей, приземлятся одновременно.