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

Хотя Кавендиша больше всего беспокоили потоки воздуха, которые могли помешать проведению эксперимента, его также заботила проблема воздействия гравитационного притяжения металлических стержней, использовавшихся для подвешивания больших шаров и сближения их с малыми. Это заставило его на время отказаться от шаров и измерять притяжение только между стержнями, а впоследствии заменить и их на медные, чтобы проверить эффект магнетизма. Далее Кавендиш задался вопросом, достаточно ли эластична проволока, на которой подвешен брус. Он провел ряд проверочных экспериментов с ней, и хотя результаты подтвердили достаточную эластичность проволоки, все же заменил ее другой, более подходящей. Обеспокоенный тем, что двухдюймовые шары могли намагнититься из-за постоянной ориентации в магнитном поле Земли в течение довольно длительного времени, Кавендиш стал время от времени вращать шары, чтобы предотвратить названный эффект, а впоследствии заменил шары на магниты, чтобы измерить, какова будет сила притяжения при воздействии земного магнетизма. Перед нами пример того, что называют «бдительностью экспериментатора»: если ты заподозрил присутствие некоего возмущающего воздействия в своем эксперименте, увеличь это воздействие до такой степени, чтобы его можно было измерить и в дальнейшем скомпенсировать. Затем Кавендиш задался вопросами относительно гравитационного притяжения между футляром из красного дерева, в котором находился брус, меньшими шарами и бо́льшими шарами. Измерения подтвердили, что такое притяжение ничтожно мало, однако Кавендиш посвятил данному вопросу специальное приложение к своей статье.

Подобные измерения требовали не просто тщательности и скрупулезности. Чтобы оценить, что происходит в каждом данном случае, и суметь отследить, измерить и скомпенсировать любое внешнее воздействие, Кавендишу приходилось использовать громадные познания в самых разных научных областях своего времени, от электричества и магнетизма до теплопередачи, математики и теории гравитации.Кавендишу была известна плотность шаров в обеих парах и сила притяжения между шарами и Землей. В том случае, если бы ему удалось определить силу притяжения между двумя парами шаров, он мог бы воспользоваться отношением величины притяжения между данными объектами к величине их плотности для установления средней плотности Земли. «С помощью экспериментов, – заключает Кавендиш, – выясняется, что плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды», а затем добавляет с нескрываемым удовлетворением, что «результат определен с очень большой точностью». Не без некоторого торжества он отмечает несоответствие между полученным им результатом и тем, который с таким шумом и помпой был объявлен двадцатью пятью годами ранее у Шихаллиона. Результат Кавендиша «…значительно больше отличается от прежде полученных данных, нежели я предполагал». Тем не менее, с присущими ему скромностью и осторожностью, Кавендиш добавляет, что склонен воздержаться от окончательных выводов относительно результатов эксперимента у Шихаллиона:

...

«…до того, как у меня появится возможность более внимательно изучить, насколько на ранее полученные данные оказывали влияние внешние воздействия, которые я в настоящий момент не могу измерить».

* * *

Несколько ранее в той же статье Кавендиш пишет, что один потенциальный источник воздушных потоков стал причиной «дефекта, который я намерен исправить в следующих экспериментах». Совершенно очевидно, что он рассматривал данный эксперимент как часть длительной непрерывной работы, некий итог определенного ее этапа на пути ко все большей точности. Он был полон идей по дальнейшему усовершенствованию своей методики.

Тем не менее случилось так, что Кавендиш больше ни разу не повторил своего эксперимента. Это сделали за него другие ученые. В течение всего следующего столетия самые разные исследователи воспроизводили его эксперимент с использованием разнообразных новых методов, пытаясь достичь большей точности, но результат их усилий был весьма ничтожен. Парадоксальным образом самой большой ошибкой в эксперименте, проведенном Кавендишем, оказалась крайне нехарактерная для него чисто математическая ошибка, на которую уже несколько лет спустя обратил внимание один из его коллег.

Однако в течение XIX столетия с этим экспериментом произошла странная вещь. Эволюционировала его цель. Вопрос средней плотности Земли утратил свою былую научную ценность в сравнении с константой в уравнении, которое в настоящее время описывает ньютоновский закон всемирного тяготения. В современных терминах ньютоновский закон формулируется следующим образом: гравитационная сила притяжения F между двумя сферическими телами, имеющими массу М1 и М2 и находящимися на расстоянии r друг от друга, находится в прямо пропорциональной зависимости от произведения этих масс, деленного на квадрат расстояния между ними и умноженного на константу, представляющую величину гравитационной силы, известную как G . Переводя сказанное на язык формул, получаем: F = GM1M2/r2 . И хотя Кавендиш не знал ньютоновского закона в такой форме и важнейшая константа G не упоминается в его статье, физики спустя некоторое время поняли, что она относительно легко выводится из удивительно точного эксперимента Кавендиша. И в дальнейшем этот эксперимент проводился именно с этой целью, а не с целью определения плотности Земли. В 1892 году один из ученых, повторивших эксперимент Кавендиша, писал:

...

«Принимая во внимание универсальное значение постоянной G, мне представляется явным упрощением цели эксперимента считать его основным смыслом определение массы Земли, ее средней плотности или даже ее веса»74.

В 1870-е годы, через полвека после смерти Генри Кавендиша, при Кембриджском университете была на средства ректора Уильяма Кавендиша, дальнего родственника ученого, организована ныне знаменитая в научном мире Кавендишская лаборатория.

В настоящее время студенты продолжают проводить эксперимент Кавендиша, естественно, с применением значительно более современных технологий: например, для измерения отклонения шаров используется луч лазера, отражающийся от зеркал, прикрепленных к шарам. Проведенный правильно, данный эксперимент дает представление о величине той силы, которая удерживает всю материю, всю Вселенную. Исходя из числового выражения этой величины, можно с достаточной точностью описывать и прогнозировать поведение объектов, вращающихся вокруг Земли, движение планет в Солнечной системе, движение галактик с момента Большого взрыва и так далее.

Биограф Кавендиша Джордж Вильсон, весьма неоднозначно воспринимавший своего героя, писал:

...

«Он был одним из тех благодетелей своего народа, которые терпеливо наставляют человечество и служат ему и в ответ получают лишь неблагодарность: те, кого он облагодетельствовал, отворачивались от него из-за его холодности и насмехались над его странностями. Он не мог петь им сладких песен или создавать прекрасные вещи, которые могли бы приносить „вечное наслаждение“, он не мог трогать их души, разжигать в них страсти или же развивать в них чувство благоговения или сердечный пыл. Он не был ни Поэтом, ни Священником, ни Пророком, он был лишь холодным чистым Разумом, излучавшим свет ясности, озарявший собой все, куда бы он ни проникал, ничего не согревая при этом, – он был Звездой, по крайней мере, второй, если не первой величины на Интеллектуальной Тверди»75.

Красота, которую создавал Генри Кавендиш, была совершенно иного порядка. Инструмент, которым он пользовался, был не слишком привлекателен внешне, процесс творчества – однообразен и утомителен, а математический аппарат – чрезвычайно сложен. Однако благодаря своей бескомпромиссной методологической четкости (вспомните, как тщательно Кавендиш выявлял источники возможных ошибок и заменял незначительные, казалось, части оборудования, пока не добился нужной ему цели) эксперимент Кавендиша представляет собой, пожалуй, исключительный пример особой, строгой красоты.

Интерлюдия Наука в популярной культуре

Если честно, то упоминавшаяся выше гэльская баллада о Маскелайне не имеет никакого отношения ни к науке вообще, ни к эксперименту в Шихаллионе в частности, ни даже к последовавшей за экспериментом вечеринке. Баллада была написана скрипачом, присутствовавшим на упомянутой вечеринке, и повествует о его скрипке («мое богатство и моя любовь»), которая сгорела в пожаре, устроенном пирующими. Маскелайн появляется в балладе лишь потому, что обещал подарить музыканту новую скрипку и выполнил свое обещание.