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

Это уважение, вне всякого сомнения, было заслуженным, так как общеизвестные заслуги Кавендиша были значительными и охватывали целый ряд различных областей. Более того, на самом деле его достижения были еще значительнее, чем полагали его коллеги по обществу, так как Кавендиш, рассматривавший свои открытия как личную собственность, не обнародовал многие из них отчасти потому, что был крайне скрытен, а отчасти из-за того, что считал работу незаконченной и требующей дальнейших уточнений. За полвека непрерывной научной деятельности, которой он был в буквальном смысле слова одержим, Кавендиш написал менее двадцати статей и ни одной книги. В результате закон Ома (описывающий отношение между напряжением, сопротивлением и силой тока) и закон Кулона (характеризующий силу, возникающую между двумя электрически заряженными телами) не были названы в честь человека, впервые их открывшего. Подобно шедеврам, которые спрятал на чердаке художник, вечно неудовлетворенный своими произведениями, эти открытия десятилетиями были скрыты на страницах записных книжек Кавендиша и обнаружены лишь через много лет изумленными редакторами и историками.

Вновь обратимся к Вильсону:

...

«Прекрасное, Возвышенное и Духовное, по-видимому, лежали за пределами горизонтов его восприятия… Многие из наших естествоиспытателей обладают сильным и развитым эстетическим чувством и способны получать истинное удовольствие от одного или нескольких изящных искусств. Однако Кавендиш ни на одно из них не обращал никакого внимания»68.

Кавендиша влекла гораздо более глубокая и суровая эстетика. Он обладал почти инстинктивным чувством правильности измерений и интуитивно находил самые простые способы их проведения. Кроме того, он был буквально одержим идеей доведения своих измерительных инструментов до идеальной точности. Его первая работа, опубликованная в 1766 году, когда Кавендишу было тридцать пять лет, посвящена проблеме измерений в химии. А в последней статье, вышедшей в 1809 году, за год до его смерти, рассматривались вопросы измерений в астрономии. В промежутке же между этими публикациями Кавендиш с идеальной точностью взвесил и измерил множество самых разных вещей.

Одной из таких вещей была наша планета. Эксперимент Кавендиша, проведенный в 1797–1798 годах для определения плотности Земли, стал одним из шедевров ученого, и его фанатическое стремление к точности достигло здесь своего апогея. Ученый сделал массу других открытий, но именно этот эксперимент вошел в историю под названием «эксперимента Кавендиша».

Experimentum crucis Ньютона был тем, что историки науки именуют экспериментом-открытием, так как с его помощью была открыта новая и неожиданная характеристика окружающего нас мира в той области, где научная теория тогда была достаточно слаба. Кроме того, Ньютон выделил его из целой серии экспериментов и сделал чем-то вроде специальной демонстрации, показательной для всех остальных его исследований.

Эксперимент Кавендиша был чисто измерительным экспериментом, главной особенностью которого является высочайшая степень точности. Помимо прочего, он не был частью серии экспериментов и основывался на относительно хорошо проработанном теоретическом базисе. Свое истинное значение он приобрел лишь спустя определенное время. Если целью Кавендиша было измерение плотности, или «веса» Земли, то ученые, приводившие закон гравитации Ньютона в его более точную современную форму, обнаружили, что эксперимент Кавендиша является превосходным способом измерения значения чрезвычайно важной величины G – универсальной гравитационной постоянной.

* * *

Путь, который привел Кавендиша к великому эксперименту, начался, как бывало с ним довольно часто, с вопроса о точности – в данном случае о точности географических инструментов. В 1763 году английского астронома Чарльза Мейсона и топографа Иеремию Диксона командировали в Новый Свет для разрешения давнего пограничного спора между двумя британскими колониями – Пенсильванией и Мэрилендом. Результатом этой поездки стало проведение линии Мейсона – Диксона – важной границы в истории Соединенных Штатов, символически отделявшей рабовладельческий Юг от свободного Севера. Кавендиш задался вопросом, насколько точна была работа картографов. Ведь Аллеганский горный массив, расположенный к северо-западу от линии, должен был оказывать определенное гравитационное воздействие на измерительные приборы Мейсона и Диксона, и это воздействие не могло быть компенсировано эквивалентной массой с юго-востока: там простирается Атлантический океан, а вода обладает гораздо меньшей плотностью, чем любая горная порода.

Разница в плотности гор и океанов навела Кавендиша на мысль о средней плотности Земли в целом – предмет, который мог представлять интерес не только для топографов, но и для ученых многих других специальностей, включая физиков, астрономов и геологов.

Согласно Ньютону, гравитационное притяжение между двумя телами прямо пропорционально их плотности. По относительному гравитационному притяжению, которым обладают астрономические тела по отношению друг к другу, можно узнать их относительную плотность. Ньютон, к примеру, рассчитал, что плотность Юпитера составляет четвертую часть плотности Земли. И, основываясь на относительной плотности материи на поверхности Земли и в шахтах, Ньютон высказал поразительно точное предположение о ее плотности. Он писал: «…правдоподобно, что все количество вещества Земли приблизительно в пять или шесть раз больше того, как если бы она вся состояла из воды»69. Однако в тот момент никто не располагал способами измерить Землю. Для этого необходимо было измерить притяжение между двумя объектами известной плотности. Отношение величины притяжения между такими объектами к их плотности можно было бы сравнить с отношением величины притяжения между ними и Землей и таким образом определить общую плотность Земли. Однако тела, с которыми можно было работать в лабораторных условиях, обладали настолько незначительной гравитацией, что Ньютон и его коллеги считали невозможными их измерения.

Альтернативный метод заключался в том, чтобы измерить, с какой силой большая масса земли известной плотности (как, например, геометрически более или менее правильная и геологически однородная гора) воздействует на небольшой объект, например на подвешенное грузило, отклонения которого от вертикального положения могут быть точно измерены. Однако измерения, проведенные самим Ньютоном, его разочаровали: «Незаметно какого-либо ее [силы тяжести] уменьшения на вершинах даже самых высоких гор», – писал он70.

Вопрос о плотности Земли был настолько важен для астрономов, физиков, геологов и топографов, что в 1772 году Королевское общество создало специальный Комитет притяжения с целью измерения плотности Земли. Астроном Невил Маскелайн описал это предприятие как попытку сделать «всемирную гравитацию ощутимой». Комитет, в члены которого входил и Кавендиш, решил испробовать метод с грузилом. В 1775 году Королевское общество профинансировало экспедицию для проведения этого эксперимента – спланированного в основном Кавендишем, но реализованного Маскелайном – к невысокой, но имеющей правильную геометрическую форму горе Шихаллион в Шотландии. Поначалу эксперимент пришлось отложить из-за испортившейся погоды, но после того, как он все-таки был завершен, Маскелайн устроил грандиозный пир для местных фермеров, в ходе которого был выпит сорокалитровый бочонок виски, а вслед за этим случился пожар, возникший по вине самих участников торжества, и дом, в котором они пьянствовали, полностью сгорел. Эта вечеринка вошла в шотландский фольклор, о ней упоминается в одной из гэльских баллад71.

Тем временем в Лондоне некий математик на основе собранных в Шотландии сведений пришел к выводу, что плотность Земли в 4,5 раза превосходит плотность воды, если исходить из того, что отношение средней плотности Земли к плотности горы Шихаллион составляет 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды. Маскелайн получил за свои измерения медаль, а на церемонии ее вручения глава Лондонского королевского общества провозгласил, что ньютоновская система «завершена».

Кавендиш, естественно, ни в каких торжествах и пиршествах участия не принимал и вообще не ездил на Шихаллион. Его, в отличие от Маскелайна и коллег по Лондонскому королевскому обществу, полученный результат совсем не удовлетворил. Откуда им известно, что отношение плотности Земли к плотности горы составляет именно 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды? Без установления точного состава горы и ее размеров все измерения плотности Земли останутся весьма и весьма приблизительными. Кавендиш пришел к выводу, что по-настоящему точные измерения плотности Земли могут быть сделаны только в лаборатории с использованием тел известной формы и состава. Правда, как ему было отлично известно, главная сложность при таком измерении будет заключаться в том, что оцениваемая сила будет чрезвычайно мала. Если великий Ньютон полагал, что даже большая гора неспособна продемонстрировать гравитационную силу значимой величины, то что можно сделать в лаборатории?