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

Связь между маятником Фуко и возвышенным в его различных проявлениях, представленных в работах философов – от Бёрка и Канта до Умберто Эко, помогает нам осознать причины популярности изобретения французского ученого и то, почему оно продолжает завораживать наших современников. Эксперимент Фуко завораживает и удивляет совсем не потому, что доказывает нам факт вращения Земли, и не потому, что на основе маятника Фуко впоследствии был изобретен гироскоп – незаменимый навигационный инструмент. Он завораживает нас по сей день потому, что открывает глубокие и подчас непостижимые истины о самом феномене восприятия. Действительно ли, «видя», как смещается плоскость колебаний маятника, мы «понимаем», что на самом деле движется Земля? Или же благодаря маятнику и объяснительной табличке рядом с лестницей мы начинаем – в самом прямом смысле слова – «видеть» движение Земли? В любом из этих двух вариантов наука побеждает восприятие, как бы вытесняя его в первом случае и корректируя во втором.

Или же, может быть, при взгляде на маятник Фуко наше восприятие направляется и перестраивается не столько самим созерцанием раскачивающегося маятника, сколько объяснениями, которые его сопровождают; авторитетом людей, делающих эти объяснения; понятностью моделей, которые нам демонстрируются; тем, как эти модели интегрируют всю известную нам информацию, и так далее? Но если наше восприятие может быть кардинальным образом «перевоспитано», как в данном случае, сразу же возникает вопрос: какие еще тайны окружают нас и точно так же от нас пока сокрыты? Что еще во внешнем мире мы неспособны увидеть из-за особенностей нашей психологии восприятия? Какие удивительные открытия готовит нам эта область? Если вас волнуют подобные вопросы, значит, вы переживаете то, что философы называли «возвышенным».

Рис. 17. Аппарат Роберта Милликена

Глава 8. Вид на электрон

Милликен и капля масла

Когда американский физик Роберт Милликен (1868–1953) выступал с традиционной нобелевской лекцией после вручения ему Нобелевской премии в 1923 году, все присутствующие были абсолютно уверены, что ему на самом деле удалось увидеть электроны. «Тот, кто видел этот эксперимент, – сказал Милликен, имея в виду опыт, за который он получил Нобелевскую премию, – в самом буквальном смысле видел электрон»106.

Упрямое стремление Милликена убедить всех, что с помощью его эксперимента можно в самом прямом смысле увидеть элементарные частицы, отчасти объяснялось неким защитным рефлексом – последствием ощутимой психологической травмы, возникшей в результате спора с другим ученым, выразившим сомнение в ценности проведенных изысканий. Однако утверждение Милликена, что он способен видеть электроны, имело несколько иные основания, нежели утверждение Фуко, что с помощью его маятника можно увидеть, как вращается Земля. И причиной тому было удивительное сопровождение эксперимента, которое Милликену удалось создать в своей лаборатории.

* * *

Милликен приступил к длительной серии экспериментов с электронами в 1907 году. Почти сорокалетний физик к тому времени более десяти лет преподавал в Чикагском университете, успел жениться и стать отцом троих детей. И хотя Милликен был автором нескольких весьма авторитетных учебников, самостоятельных важных исследований у него практически не было, и ему очень хотелось внести собственный вклад в науку. Для этого он обратился к проблеме измерения электрического заряда отдельного электрона. В своей автобиографии Милликен писал:

...

«Всех интересовала величина заряда электрона, так как электрон, вероятно, самая фундаментальная и постоянная сущность во Вселенной, хотя она до того времени не была измерена с точностью, равной хотя бы ста процентам [то есть с величиной неопределенности, равной измеряемому явлению]»107.

Измерение величины заряда электрона стало в начале XX столетия столь же важным вызовом для физической науки, каким в XVIII веке было измерение плотности Земли и в дальнейшем – гравитационной постоянной. По той же причине данная информация должна была многое открыть относительно устройства всей Вселенной.

Свою нобелевскую лекцию Милликен начал с просьбы к аудитории: задуматься над «несколькими простыми и знакомыми экспериментами», связанными с электричеством. Если потереть стеклянную палочку о кошачью шерсть, а затем коснуться ею бузинного шарика, бузинный шарик приобретет «новое и поразительное свойство», которое заставит его отскочить от палочки. Таково, продолжал Милликен, элементарное проявление электричества: нечто, называемое «электрическим зарядом», переходит от палочки к шарику, и в результате они оба начинают взаимно отталкиваться. Бенджамин Франклин полагал, что заряд состоит из множества крошечных частиц, или «атомов», электричества и что данное явление объясняется переносом этих крошечных крупиц или их «гроздей».

К концу XIX столетия ученые с удовлетворением убедились, что Франклин был прав: электрический заряд переносят крошечные тела, называемые «электронами», которые являются ключевыми частицами структуры атома. Однако на тот момент исследователи не знали, обладает ли заряд отдельных электронов определенной величиной и может ли он вообще иметь какую-то величину. Ответ на упомянутый вопрос имел принципиальное значение как для физиков, интересовавшихся структурой атома, так и для химиков, занимавшихся химическими связями. Но как обнаружить и измерить мельчайшую крупицу электричества?

Милликен прекрасно понимал, что ввязывается в весьма ненадежное предприятие. Он собирался променять престижную и состоявшуюся карьеру автора университетских учебников на рискованную авантюру с физическими исследованиями. Из прежнего опыта научных исследований он знал, «сколько труда можно приложить в физике и так и не напасть на золотую жилу». Его нынешняя цель – измерение электрического заряда отдельного электрона – была исключительно сложна. Выделение одной из этих немыслимо маленьких частиц материи и дальнейшая работа с ней при любых обстоятельствах являются необычайно трудным делом. К тому же неясно было, каким образом следует проводить подобный эксперимент.

Другими словами, Милликен собирался вскарабкаться на очень высокую гору, весьма туманно представляя себе, по какому из склонов подъем будет более легким или даже просто возможным. Хуже того, огромный интерес, проявлявшийся к величине заряда электрона в научных кругах, означал, что попытками измерения заняты очень многие. Таким образом, Милликену предстояло работать в области, где шла откровенная гонка за научный приоритет, и существовала опасность, что кто-то – более опытный и имеющий в распоряжении лучшую материальную базу – быстрее сделает открытие и точнее измерит искомую величину. Милликен понимал, что ему потребуются исключительная изобретательность и удача.

Главные соперники Милликена работали в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Ее директор, Джозеф Джон Томсон, в 1897 году открыл электрон (точнее, Томсон установил, что у всех электронов отношение заряда к массе одинаково) и прекрасно понимал важность определения точной величины его заряда. Он руководил группой талантливых студентов, занимавшихся данной проблемой. Они уже испробовали массу различных вариантов эксперимента, самым многообещающим из которых, как ни странно, оказался вариант с созданием в лаборатории облака водяных капель.

Несколькими годами ранее Чарльз Вильсон, один из сотрудников Кавендишской лаборатории, изобрел расширительную диффузионную камеру: устройство создавало внутри емкости туман, заставляя перенасыщенный водяными парами воздух конденсироваться на частицах пыли и свободно плавающих частицах, содержащих электрический заряд и называемых ионами (отрицательно заряженные ионы содержат один и более зарядов электрона). Тот факт, что перенасыщенный водяными парами воздух конденсировался вокруг ионов, позволил использовать прибор в отслеживании траекторий быстро движущихся заряженных частиц (к примеру, тех, что выделяются радиоактивными веществами), так как подобные частицы оставляют после себя цепочки ионов.

В 1898 году, год спустя после открытия электрона, Томсон применил этот метод для приблизительной оценки заряда электрона. Он воспользовался радиоактивным источником для получения отрицательно заряженных ионов (то есть электронов) в воздухе внутри камеры Вильсона, затем вызвал конденсацию перенасыщенного водяными парами воздуха вокруг ионов – создав в результате облако заряженных «бузинных шариков», – после чего измерил общий заряд облака. Затем он подсчитал общее число капель в облаке. На первый взгляд, эта задача кажется чрезвычайно трудной, практически невыполнимой, но на практике, как ни странно, ее можно решить, измерив скорость, с которой верхняя поверхность облака опускается внутрь расширительной диффузионной камеры.