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

Технической демонстрацией, которую можно было бы назвать красивой благодаря ее значимости, экономности и определенности, был известный эксперимент Ричарда Фейнмана с опусканием кольца в стакан с ледяной водой в ходе расследования причин крушения космического шаттла «Челленджер». Таким способом исследователь убедительно продемонстрировал, что причиной трагедии стала утрата шаттлом эластичности163.

Еще одним интригующе красивым экспериментом, претендующим на второе место, стали британские экспедиции 1919 года, удостоверившие наличие гравитационного искривления звездного света. По сути, этот эпохальный эксперимент прославил имя Эйнштейна, подтвердив его предсказание, сделанное в 1915 году в рамках общей теории относительности. Однако в самом эксперименте не было ничего особенного. Исключительным нельзя назвать ни само затмение (всем знакомое естественное событие), сделавшее его возможным, ни определение положения звезд (не менее банальная астрономическая технология). Значит, красота данного эксперимента заключена лишь в его грандиозных последствиях?

Некоторые теоретические аргументы бывают настолько лаконичными, четкими и ясными, что заслуживают, по мнению многих респондентов, эпитета «прекрасный». Один из них – доказательство того, что Вселенная не существовала вечно, сделанное Стивеном Хокингом и состоящее всего из шестнадцати слов:

...

«Это так, ибо если бы это было не так, все в ней было бы одинаковой температуры».

Второй пример прекрасного теоретического аргумента – парадокс Ольберса:

...

«Взгляните на небо. Оно не везде одинаково яркое. Значит, видимая Вселенная не бесконечна».

Некоторые мои респонденты упоминали инструменты, которые отличает прежде всего особая изобретательность, открывающая новые направления для исследования. Среди них – камера Вильсона (упомянутая в девятой главе), благодаря которой становятся видимыми траектории заряженных частиц и исследования с помощью которой Эрнест Резерфорд когда-то назвал «самым чудесным экспериментом в мире». Среди других инструментов, упомянутых моими респондентами, – рентгеновский интерферометр, сканирующий туннельный микроскоп и «Космотрон», ускоритель элементарных частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Эксперимент, красота которого заключена в особой преданности исследователей своему делу, был проведен итальянскими учеными Марчелло Конверси и Оресте Пиччони во время бомбардировки Рима союзниками в годы Второй мировой войны. Многие итальянские ученые скрывались и даже бежали из страны. Конверси и Пиччони оставались в Риме. Конверси не призвали в армию из-за слабого зрения, Пиччони призвали, но оставили в Риме. Накануне вторжения союзников на Сицилию в июле 1943 года оба ученых ночами работали в университете, собирая из украденной проволоки и радиотехнического оборудования, которое им удалось выменять на черном рынке, достаточно современные на тот момент электронные цепи, с помощью которых намеревались измерить время жизни одной загадочной частицы – мезотрона (частица, присутствующая в космических лучах, непрерывно бомбардирующих земную поверхность).

Вскоре американские самолеты начали бомбить товарную станцию Сан-Лоренцо, располагавшуюся неподалеку от университета, и бомбы иногда попадали на его территорию. В тревоге за судьбу своих исследований Конверси и Пиччони перенесли оборудование в здание пустующей школы, расположенной неподалеку от Ватикана, который бомбардировкам не подвергался. Ученые разместились в подвале, где бойцы Сопротивления хранили оружие. Ситуация еще больше осложнилась после того, как в сентябре итальянское правительство подписало договор о перемирии с союзниками, и Рим оккупировали немцы. Немецкие солдаты схватили Пиччони, но ему удалось откупиться. Оба ученых продолжали свои исследования в лихорадочном темпе.

«Работа была нашей единственной радостью», – вспоминал Пиччони. Накануне освобождения Рима союзными войсками в 1944 году Конверси и Пиччони в результате талантливо проведенного, элегантного и абсолютно убедительного эксперимента показали, что время жизни мезотрона составляет чуть более 2,2 микросекунды – во много раз больше, чем первоначально предполагалось. В подвале посреди сильно разрушенного бомбардировками города Конверси и Пиччони первыми пришли к выводу, что мезотроны (в настоящее время именуемые «мюонами») обладают совершенно иными характеристиками, нежели те, которые им приписывала теория. Это стало значительным шагом вперед на пути к созданию физики элементарных частиц164.

Один из моих собственных кандидатов на первые места в списке красивых экспериментов – эксперимент 1956–1957 годов по несохранению четности, среди организаторов которого была Ву Цзяньсюн. Эксперимент продемонстрировал, что при определенных условиях элементарные частицы и ядра атомов в процессе распада излучают электроны в определенных, предпочтительных, направлениях относительно их спина. Этот эксперимент убедительно опроверг один из фундаментальных и давно устоявшихся стереотипов в физике [18] 165.

Я бы также включил в свой список эксперимент Мориса Гольдхабера 1957 года, в ходе которого были установлены спиральности нейтрино и антинейтрино, то есть проекции их спина на направления движения. Эксперимент Гольдхабера был невероятно изощренным (он подразумевал многоступенчатую ядерную реакцию, в которой были бы известны свойства и квантовые состояния всех участвующих в ней частиц, а спиральность нейтрино оказывалась бы точно равна спиральности образующихся в ходе реакции фотонов, что было возможно лишь в одной единственной из примерно трех тысяч реакций), поэтому многие физики в то время считали такой эксперимент принципиально невыполнимым166.

Для большинства научных открытий верно утверждение, что если бы данный конкретный исследователь не сделал его, то открытие обязательно совершил бы кто-нибудь другой, однако о данном эксперименте сказать подобного нельзя. Один физик как-то заметил, что если бы Мориса Гольдхабера не существовало, то «нет уверенности, что спиральность нейтрино когда-либо была бы измерена»167.

А о том эксперименте, которому лично я дал бы самое первое место, читайте дальше.

Заключение Сможет ли наука и впредь оставаться красивой?

Почти все эксперименты в первой десятке были выполнены тем или другим исследователем в одиночку или с помощью небольшого числа помощников за относительно короткое время. Однако за последние полвека характер и масштаб экспериментальной работы существенно изменились. В настоящее время физические эксперименты, как правило, имеют междисциплинарный и многонациональный характер, в их проведении участвуют десятки научных учреждений и сотни сотрудников. Порой они длятся по несколько лет или даже десятилетий. Возникает вопрос: будут ли эксперименты в эпоху Большой Науки столь же красивы, как и прежде?

Вне всякого сомнения, да.

Мой личный кандидат на звание самого красивого научного эксперимента – эксперимент с мюоном g-2 – за последние пятьдесят лет был проведен четыре раза, и каждый раз – все более крупными объединениями. Первые три раза эксперимент проводили в международной лаборатории ЦЕРН в Женеве, а совсем недавно – в Брукхейвенской национальной лаборатории. В самом последнем воплощении данного эксперимента участвовали более сотни ученых из нескольких стран, создавшие грандиозное оборудование, частью которого стала самая большая в мире сверхпроводящая катушка индуктивности, установленная в помещении размером с небольшой авиационный ангар. Мне следует сразу же признаться, что часть моего восхищения упомянутым экспериментом объясняется чисто личными причинами. Он проводился в здании, расположенном неподалеку от моего дома, и я наблюдал за его проведением в течение нескольких лет. Но мое близкое знакомство с этим экспериментом, как это бывает в случае с каким-либо особо сложным музыкальным произведением, только еще больше усиливает мое восхищение им.

В описываемом эксперименте исследовалось то, что известно под названием «аномальный магнитный момент мюона». В нем была сделана попытка выяснить, какова прецессия спина частицы, время жизни которой было впервые измерено Конверси и Пиччони, в магнитном поле168. Измерение прецессии требует чрезвычайной точности, каковая, в свою очередь, нуждается в разработке весьма сложного эксперимента169.

С целью измерения прецессии спина мюонов ученые исследуют электроны и позитроны, возникающие при их распаде, используя при этом феномен нарушения четности, открытый Ву и ее коллегами, по которому определяется направление спина мюонов170. Когда данные о распаде миллиардов мюонов представляют в виде графика, то возникает потрясающая структура: последовательность максимумов, постоянно уменьшающихся по величине, что отражает частоту, с которой мюоны «колеблются» внутри камеры.