Найбільш видовищні досліди у фізиці
Поки багато вчених працюють над складними завданнями, залучаючи невичерпний потенціал комп’ютерів, витрачаючи шалені гроші на пристрої та матеріали, є одинаки, яким для дослідів потрібен максимум калькулятор. І що б ви думали? Виявляється, саме їхні винаходи найчастіше потрапляють до рангу визначних. Усе геніальне – просте?
Роберт Кріз (Robert P. Crease) із кафедри філософії Нью-Йоркського державного університету попросив фізиків назвати найбільш видовищні та гарні експерименти за всю історію фізики. Оцінюючи «красу» досліду, вони керувалися такими критеріями: складність обладнання, складність обчислень та наочність, повідомляє New York Times. Як неважко здогадатися, до рейтингу найкращих дослідів потрапили ті, що відзначалися простотою необхідного обладнання, простою логікою експерименту й обчислень, а також простотою проведення експерименту (наочністю).
Найбільш видовищні досліди у фізиці (NYT)
1. Досліди Йоссона: корпускулярно-хвильова природа світла Думки Юнга і Ньютона не збігалися у питанні природи світла. Світло не було лише потоком частинок, не було воно і тільки хвилею. На початку ХХ ст. Макс Планк та Альберт Ейнштейн припустили, що світло є потоком фотонів. На допомогу прийшла квантова теорія, яка об’єднала дві попередні й довела їх справедливість, адже фотони мають подвійну природу, поводяться як корпускули і як хвилі. У 1961 році вчений Клаус Йонссон перший у реальному досліді довів цей постулат квантової теорії. Він довів, що закони інтерференції та дифракції діють для пучків елементарних частинок так само, як і для світлових хвиль. Експеримент Йонссона практично повторював виконаний за два сторіччя до того експеримент Томаса Юнга, тільки замість хвилі світла був використаний пучок електронів. Однак отриманий вченим результат, що доводив справедливість законів квантової механіки, вже нікого не здивував – Юнг уже довів усе на практиці за допомогою експерименту з інтерференцією хвиль. Тож цей дослід залишив автора без лаврів.
2. Дослід Галілея: сила тяжіння Ще у ХVI ст. люди вважали, що важкі предмети падають швидше, ніж легкі. Чому? Бо так казав ще Аристотель. Галілео Галілей, котрий очолював математичний факультет Пізанського університету, мав достатньо мужності, щоб поставити під сумнів непорушну, здавалося б, істину. Історія із кулькою та пір’їнкою, які були кинуті з Пізанської вежі одночасно і одночасно ж приземлилися, уже стала науковим фольклором. Але краса експерименту Галілео полягає в тому, що він довів однаковість сили тяжіння для предметів будь-якої маси в умовах Землі суто теоретичним шляхом – і кидати нічого не було потрібно. «Нехай важке тіло падає швидше, а легке – повільніше, – розмірковував учений. – Тоді легке тіло, прикріплене до тяжкого, мусить сповільнити падіння тяжкого. Але ж цього не може статися, бо отриманий предмет матиме більшу масу, а отже, падатиме швидше, ніж одне важке тіло. Але ж предмет не може падати одночасно і швидше, і повільніше. Значить, усі тіла, незалежно від маси, падатимуть на землю з однаковою швидкістю».
3. Дослід Міллікена: заряд електрона У 1909 році американський фізик, лауреат Нобелівської премії Роберт Міллікен виміряв заряд електрона. Дослід полягав у вивченні поведінки заряджених крапель масла в електричному полі конденсатора. Заряд електрона дорівнює 1,602 • 10 –19 Кл – це значення настільки мале, що потрібна велика винахідливість, аби його виміряти. Міллікену вдалося це зробити за допомогою досить оригінального прийому. Він створив електричне поле, розпилив у нього мікрокраплини олії, щоб вони потрапляли під дію поля. Швидкість руху краплин, котрі несли заряд статичної енергії, можна було виміряти за зміною напруги. Поки краплини рухались в іонізованому просторі, до них приєднувались вільні електрони, спричинюючи появу негативного заряду в мікрокраплинах. Міллікен повторював експеримент, змінюючи напругу, і дійшов висновку, що розміри негативного заряду завжди набувають одних і тих самих значень. Найменше з них – це і був заряд одного електрона.
4. Дослід Ньютона: дисперсія світлаІсаак Ньютон народився у рік, коли помер Галілео Галілей. Експеримент же Ньютона полягав у тому, що він пропустив хвилю білого світла крізь призму. У результаті цього досліду Ньютон з’ясував, що видиме світло не є білим, чистим (як вважав Аристотель), а складається із семи кольорів спектру: червоного, помаранчевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього та фіолетового.
5. Дослід Юнга: інтерференція Томас Юнг – англійський лікар і фізик. У 1803 році він зробив важливе відкриття. Пропускаючи світлові хвилі крізь два близько розташовані отвори, він виявив, що отримане зображення складається із темних і світлих смуг, які чергуються. Так було відкрито явище інтерференції, що доводило хвильову природу світла. Цей дослід, досить простий у виконанні, а тому переконливий, поставив крапку в тривалій суперечці про те, має світло корпускулярну чи хвильову природу. Безсумнівна хвильова природа явищ інтерференції та дифракції, спостереження поляризації світла та інших явищ, котрі пояснюються лише з позиції хвильової теорії, змусили прихильників корпускулярної теорії відступити на деякий час. Однак у 1905 році Ейнштейн висловив гіпотезу про те, що світло є потоком фотонів – квантів електромагнітного поля. Так зародилася квантова теорія.
6. Дослід Кавендіша: сила гравітації Англійський фізик у 1797 – 1798 роках виміряв силу притягання між двома тілами, що мають масу. Для цього він використав крутильні терези. В результаті була достатньо точно визначена гравітаційна константа, що дозволило Кавендішу вперше визначити масу Землі зі співвідношення g=GM/R, яке пов’язує прискорення вільного падіння та радіус Землі.
7. Дослід Ератосфена: радіус Землі Один з найдревніших експериментів, виконаний Ератосфеном Кіренським. Ератосфен, бібліотекар Олександрійської бібліотеки, який жив у III ст. до н. е., визначив радіус земної кулі. Його результат становив приблизно 6300 км, що відрізняється від сучасного значення менш ніж на 5%. Схема міркувань Ератосфена така: у полудень в день літнього сонцестояння у м. Сієні (нині Асуан) сонце було у зеніті, а предмети не відкидали тіні. У той же день і у той же час в м. Олександрії, що лежить за 5000 стадій від Сієни, сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7°. Це приблизно 1⁄50 повного кола (360°), звідки випливає, що радіус Землі дорівнює 250 тис. стадій – 6300 км.
8. Дослід Галілея: залежність між часом і відстанню Ще один експеримент Галілео Галілея з кулями, що котяться похилою площиною. Він фіксував час, за який кульки прокотяться певну відстань. Галілей з’ясував, що якщо час збільшити вдвічі, то кульки пробіжать в чотири рази більшу відстань, тобто відкрив квадратичну залежність між часом та відстанню.
9. Дослід Резерфорда: структура атома Експеримент англійського фізика, лауреата Нобелівської премії Ернеста Резерфорда (1910 р.) пояснив структуру атома. Вивчаючи розсіювання альфа-частинок при проходженні через золоту фольгу, Резерфорд дійшов висновку, що весь позитивний заряд атомів міститься у їх центрі – в дуже масивному та компактному ядрі, а негативно заряджені частинки (електрони) обертаються навколо ядра. Ця модель докорінно відрізнялася від прийнятої на той час моделі Томпсона, у якій позитивний заряд рівномірно заповнював весь об’єм атома, а електрони були вкраплені в нього. Модель Резерфорда нині прийнята у планетарному масштабі.
10. Маятник Фуко: обертання Землі Експеримент Жана Бернара Леона Фуко мав на меті довести обертання Землі навколо власної осі. Французький фізик здійснив задум за допомогою 67-метрового маятника, що був підвішений до вершини склепіння паризького Пантеона. 28-кілограмова гиря на маятнику була оснащена писачком, котрий прокреслював на розсипаному під пристроєм піску траєкторію маятника. При кожному коливанні маятник відхилявся на 3 мм. За 32 години маятник зробив повне коло.
