История науки

10 лучших экспериментов

http://www.nature.ru/db/msg

Недавно в газете «The New York Times» были опубликованы результаты опроса среди крупнейших американских физиков, определивших десять красивейших экспериментов за всю историю этой науки. Ниже приводятся результаты опроса с минимальными комментариями редакции.

1 Проведенный в 1961 г. эксперимент немецкого физика Клауса Йонссона, в котором он доказал, что законы интерференции и дифракции действуют для пучков элементарных частиц так же, как для световых волн. Эксперимент Йонссона практически повторял двухвековой давности эксперимент Томаса Юнга, только вместо луча света был использован пучок электронов. Этот эксперимент, по мнению опрошенных, занял первое место по красоте и первое же по бесполезности, т.к. его результаты были предсказаны в начале ХХ в. Альбертом Эйнштейном и Максом Планком.

Рис. 1. Интерференционная картина, полученная при прохождении пучка электронов малой энергии через две щели. Поскольку, согласно законам квантовой механики, электроны проявляют волновые свойства, взаимодействие электронов, прошедших через разные щели, должно иметь вид интерференции электронных волн. Возникающая типичная для волн картина чередования максимумов и минимумов фиксировалась детектором, который, по существу, подсчитывал число электронов, попавших в то или иное место

Почему именно этот эксперимент был при опросе поставлен на первое место? Ведь для подавляющего большинства физиков его результат был предсказуем, известен в течение многих десятилетий с момента создания квантовой механики. Видимо, речь идет о психологическом эффекте, когда прямые измерения непосредственно подтвердили один из самых загадочных и трудновоспринимаемых законов микромира – корпускулярно-волновой дуализм. Представить себе, что частица по собственному «желанию» может иногда вести себя, как волна, довольно трудно. Проделанный Йонс- соном опыт демонстрирует, по существу, справедливость базисных квантово-механических принципов, укрепляя тем самым уверенность в справедливости этой науки.

2 Эксперимент Галилео Галилея с предметами, которые он бросал вниз с Пизанской башни. Галилей впервые выяснил, что легкие предметы падают вниз так же быстро, как и тяжелые.

Как стало ясно позднее, результат опыта Галилея отражает, может быть, один из самых фундаментальных законов природы: равенство гравитационной и инертной масс. Действительно, тело вблизи поверхности Земли падает под действием силы тяготения, так что уравнение движения имеет вид:

 РіРґРµ m⁽ⁱ⁾ – инертная масса тела, m^(g) – гравитационная масса тела, M_Р• – масса Земли, R – радиус Земли, G – гравитационая постоянная. Если m⁽ⁱ⁾=m^(g), то ускорение тела РЅРµ зависит РѕС‚ его массы Рё равно g=GM_Р• /R² (ускорение СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРіРѕ падения).

Равенство инертной и гравитационной масс тела носит название принципа эквивалентности. Этот принцип лежит в основе построения теории тяготения (общей теории относительности) А.Эйнштейна – самой красивой из существующих физических теорий.

3 Эксперимент американского физика, лауреата Нобелевской премии Роберта Милликена, по измерению заряда электрона. Непосредственно в эксперименте исследовалось поведение заряженных капель масла в электрическом поле конденсатора.

Заряд электрона ^–е равен по модулю

|e| = 1,602 • 10^–19 Кл.

Это значение столь мало, что нужна большая изобретательность для того, чтобы его измерить.

Милликену удалось сделать это с помощью оригинального приема: он уравновесил в электрическом поле конденсатора падающую в поле тяжести заряженную капельку масла, заряд которой составлял несколько единиц элементарного заряда. Многократно повторив эксперимент, он нашел величину, которой были кратны заряды всех пылинок, и получил значение элементарного заряда |e|.

4 Эксперимент Исаака Ньютона, в котором великий английский ученый пропустил луч света через стеклянную призму. В результате этого эксперимента Ньютон выяснил, что белый свет Солнца состоит из множества составляющих. Приняты семь основных цветов видимого спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Наблюдение разложения света при пропускании через призму

 5 Эксперимент Томаса Юнга. Пропуская световые лучи СЃРєРІРѕР·СЊ РґРІРµ близко расположенные щели, РѕРЅ обнаружил, что получающееся изображение РЅРµ равномерно засвечено, Р° состоит РёР· чередующихся темных Рё светлых полос. Так было открыто явление интерференции, подтверждающее волновую РїСЂРёСЂРѕРґСѓ света.

Схема опыта Т.Юнга

Этот эксперимент (крайне простой в постановке, и поэтому особенно убедительный) поставил точку в длившемся более ста лет, со времен Ньютона и Гюйгенса, споре о том, является свет потоком корпускул или волной. Несомненная волновая природа явлений интерференции и дифракции, наблюдение поляризации света и других явлений, которые объяснимы только с позиций волновой теории, заставили сторонников корпускулярной теории на время отступить. Однако в начале ХХ в. зародилась квантовая теория, и в 1905 г. Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет является потоком фотонов – квантов электромагнитного поля.

6 Эксперимент Генри Кавендиша. Английский физик измерил силу притяжения между РґРІСѓРјСЏ массивными телами. Для этого РѕРЅ использовал крутильные весы. Р’ результате была достаточно точно определена гравитационная постоянная, что позволило Кавендишу впервые определить Рё массу Земли (РёР· соотношения g=GM/R², связывающего ускорение СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРіРѕ падения СЃ массой Рё радиусом Земли).

Важным оказался не только результат измерений Кавендиша, но и придуманная им схема эксперимента, т.к. вскоре подобную же установку (крутильные весы) использовал Ш.Кулон для установления закона взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов, а позднее барон Р.фон Этвеш – для проверки принципа эквивалентности. Вообще крутильные весы оказались одним из самых точных приборов в физическом эксперименте.

Схема опыта Г.Кавендиша

7 Один из самых древних экспериментов, выполненный Эратосфеном Киренским. Эратосфен, би- блиотекарь Александрийской библиотеки, живший в III в. до н.э., определил радиус земного шара. Его результат составил примерно 6300 км, что отличается от современного значения меньше, чем на 5%. Схема рассуждений Эратосфена такова. В полдень в день летнего солнцестояния в г. Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в г. Александрии, находившемся в 5000 стадиях от Сиены, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляло примерно 1/50 полного круга (360°), откуда получалось, что окружность Земли равна 250 000 стадиям.

 
Схема измерений Эратосфеном радиуса Земли

8 Еще РѕРґРёРЅ эксперимент Р“.Галилея СЃ шарами, скатывающимися РїРѕ наклонной РґРѕСЃРєРµ. Галилей замерял расстояние, которое эти шары преодолевали Р·Р° фиксированное время, Рё выяснил, что если время увеличить РІ РґРІР° раза, то шары катятся РІ четыре раза дальше (С‚.Рµ. зависимость квадратичная: s ~ t²).

9 Эксперимент английского физика, лауреата Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда (1910 г.), в результате которого была определена структура атома. Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре – в очень массивном и компактном ядре, а отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро – Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны – планеты).

Модели атома по Томсону (слева) и Резерфорду (справа)

 РЎР»РµРґСѓРµС‚ отметить, что результаты опыта Резерфорда полностью противоречили классическим представлениям ньютоновской физики. Вращающийся РїРѕ орбите РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР° электрон обязан излучать электромагнитные волны, так что РІ конце концов очень быстро (Р·Р° время РїРѕСЂСЏРґРєР° 10^–10 СЃ) должен упасть РЅР° СЏРґСЂРѕ. Таким образом, предложенная Резерфордом планетарная модель, казалось Р±С‹, РЅРµ имеет права РЅР° существование.

Однако в 1913 г. Н.Бор построил модель такого атома, используя введенные им квантовые постулаты. Полуклассическая модель Бора–Резерфорда сыграла большую роль в становлении квантовой теории.

10 Эксперимент Жана Бернара Леона Фуко. Французский физик экспериментально доказал вращение Земли вокруг оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Подобный маятник до недавнего времени можно было увидеть в Петербурге в Исаакиевском соборе.