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

152 Его поиск проходил следующим образом: в качестве временного субстрата он использовал стеклянную пластину 4 × 4 см, покрытую тонким (20 нм) слоем серебра, нанесенного с помощью испарения. Она обладала достаточной толщиной для гальванопокрытия меди на слой фольги толщиной в 0,5 мкм. Но как проделать небольшие щели в фольге? Поначалу он хотел процарапать их с помощью предназначенного для этого инструмента, как это делалось при производстве светооптических интерференционных решеток. Однако такого инструмента у него под рукой не было, да и процарапывание с его помощью щелей длиной всего лишь в 0,5 мкм представлялось крайне сложным делом (названная длина была необходима, чтобы фольга оставалась механически стабильной). И вот именно тогда и пригодились старые эксперименты Йонссона с гальванопокрытием. Вспомнив, что микроскопическое количество загрязнений на субстрате мешает увеличению слоя гальванопокрытия, он до начала процесса гальванопокрытия сделал на серебряном субстрате изолирующие слои в форме щелей. А здесь пригодился еще один девиз Молленштедта: если вы обнаружили в ходе эксперимента некий эффект, связанный с загрязнениями, постарайтесь сделать так, чтобы он работал на вас. Йонссон обнаружил, что в его экспериментах действительно имеет место эффект, связанный с загрязнениями, в форме так называемых слоев Стюарда, возникающих из-за конденсации молекул масла из масляных паров внутри электронного микроскопа. Молекулы масла «разбивались» электронным лучом и, полимеризируясь, создавали слой Стюарда. Чем больше экспериментатор смотрел на некий объект, тем толще становился слой Стюарда, снижая контрастность образа. Йонссон экспериментировал со слоями Стюарда и обнаружил, что они обладают великолепными изолирующими характеристиками, предотвращая гальванопокрытие меди в тех местах на серебряном субстрате, где они конденсируются. Выражаю огромную благодарность Клаусу Йонссону за помощь в объяснении особенностей подготовки этих экспериментов.

153 Он создал электронно-оптическое устройство с электронным зондом, с помощью которого на серебряный субстрат наносился слой Стюарда в форме щели. С целью нанесения нескольких (до десяти) щелей рядом он снабдил названный инструмент конденсатором, чтобы располагать электронный зонд вертикально по отношению к направлению щелей. Определив необходимое время экспонирования для получения слоев Стюарда 10–50 нм толщиной, Йонссон смог проделать нужные ему щели в медном покрытии. Но как удалить их с субстрата и как удалить серебро и полимеризат из щелей? И тут Йонссон заметил, что можно воспользоваться пинцетом, чтобы переместить медно-серебряную фольгу со стеклянной пластины в направлении щелей, не повредив щелей. Когда он проделал щели над отверстием в 0,5 мкм и посмотрел на них в микроскоп, он заметил, что в щелях не было никаких загрязнений. В ходе процесса печатания электронный луч закрепил слои Стюарда на субстрате из стекла и серебра, на котором они оставались даже после удаления медной фольги. Таким образом, как оказалось, две самые значительные проблемы при проделывании щелей не были непреодолимым препятствием.

154 В 1972 году они получили первую интерференционную структуру с помощью электронной бипризмы, вставленной в специальный патрон электронного микроскопа Siemens Elmiskop 1A , снабженного изготовленной по заказу заостренной нитью. Работа получила премию Итальянского физического общества за лучший учебный эксперимент.

155 Merli P. G., Missiroli G. F., Pozzi G. American Journal of Physics. 1976. Vol. 44. P. 306–307.

156 Адрес веб-сайта: www.bo.imm.cnr.it.

157 Tonomura A., Endo J., Matsuda T., Kawasaki T., Ezawa H. Demonstration of Single-Electron Buildup of an Interference Pattern // American Journal of Physics. 1989. Vol. 57. P. 117–120.

158 Доклад Тономуры в Королевском институте можно просмотреть по адресу: http://www.vegaorg.uk/series/vri/vri4/index.php. См. также: Rodgers P. Who Performed the Most Beautiful Experiment in Physics? // Physics World. 2002, September.

Интерлюдия

Занявшие второе место

159 Источником этой истории является древнеримский архитектор и механик Витрувий. Цитируемый текст взят из Витрувий . Об архитектуре. IX, 0, 10, пер. Ф. А. Петровского. См. также: ст. «Архимед» в Dictionary of Scientific Biography / C. C. Gillispie, (ed.). New York: Scribner, 1970–1980.

160 Holmes F. L. Meselson, Stahl, and the Replication of DNA: A History of The Most Beautiful Experiment in Biology. New Haven: Yale University Press, 2001.

161 См.: Blum D . Love at Goon Park: Harry Harlow and the Science of Affection. Cambridge, Mass.: Perseus, 2002.

162 Garcia J., Koelling R . Relation of cue to consequence in avoidance learning // Psychonomic Science. 1966. Vol. 4. P. 123–124.

163 Доступно на веб-сайте http://www.aps.org/apsnews/0101/010106.html.

164 Информация заимствована из неспециального описания в кн.: Crease R. P., Mann C. C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. New York: Macmillan, 1986. P. 164–165.

165 Популярное описание эксперимента приводится там же на с. 206–208.

166 Популярное описание эксперимента см.: Crease R. P. Making Physics: A Biography of Brookhaven National Laboratory, 1946–1972. Chicago: University of Chicago Press, 1999. P. 248–250.

167 Цит. по: Там же. P. 400.

Заключение

Сможет ли наука и впредь оставаться красивой?

168 Точное значение аномального магнитного момента мюона, как можно понять по многочисленным попыткам измерить его, несмотря на все связанные с этим сложности, принадлежит к числу наиболее важных величин в современной физике. Причина заключается в том, что любое несоответствие между теоретически установленной величиной и результатами экспериментов предоставляет крайне важную информацию относительно того, что находится за пределами стандартной модели физики элементарных частиц – дисциплины, созданной во второй половине ХХ века и описывающей поведение фундаментальных строительных блоков, из которых сложена материя, включая все известные частицы и большинство сил, на них воздействующих. См.: Morse W. et al . Precision Measurement of the Anomalous Magnetic Moment of the Muon // Proc. Of the XVIII Inter. Conf. on Atomic Physics / H. Sadeghpour, E. Heller, D. Pritchard (eds.). World Scientific Publishing, 2002.

169 Все мюоны обладают постоянным собственным магнитным моментом, пропорциональным спину. При равномерном движении частицы по круговой траектории в однородном магнитном поле возникает прецессия магнитного момента, спин начинает себя вести словно собирающийся свалиться волчок. Частота прецессии определяется гиромагнитным отношением, или « g -фактором». В классической физике, где положение обладающей массой частицы в пространстве и времени точно определено, g -фактор равен единице. Когда Поль Дирак строил свою теорию электрона, в которой учитывались бы и квантовые, и релятивистские особенности, вычисленный им g -фактор оказался равным в точности двум. Но в соответствии со знаменитым принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой механике невозможно приписать мюону (или любой другой элементарной частице) точное местоположение, к тому же он всегда окружен облаком призрачных и короткоживущих виртуальных частиц, которые он постоянно излучает и поглощает. Из-за этого его g -фактор слегка отличен от двух. Однако вычисления его с помощью теории возмущений давали бесконечность уже в первом порядке, и только с созданием квантовой электродинамики Фейнманом, Швингером и Томонагой его удалось посчитать. В их теории g -фактор равнялся 2,002. В ходе эксперимента, получившего название g-2 , отклонения g -фактора от 2 измеряются с точностью, превосходящей одну миллионную. Величина этого отклонения чрезвычайно важна для физиков, так как она может сообщить им о существовании новых, еще не открытых частиц, что, в свою очередь, даст понять, насколько правильна стандартная модель элементарных частиц. Если полученная экспериментальным путем величина полностью совпадет с полученной в теории, это будет означать, что стандартная модель подтверждается экспериментально (и ею можно пользоваться для насущных – по крайней мере, на данный момент времени – целей) и что потребности в создании новой теории пока нет. Отсутствие такого соответствия будет означать, что стандартная модель не работает и что в ней существует некая «прореха», которая может стать тропой к созданию новой физики. Измерение прецессии вектора магнитного момента мюона требует очень сложного оборудования. Его разработка и изготовление подразумевает многолетнюю выверку тысяч высокоточных его составных частей и затем настройку их на совместную работу. А это требует невероятного числа отдельных компромиссов, так как каждая отдельная часть оборудования неизбежно воздействует на все остальные. Мюоны создаются брукхейвенским ускорителем элементарных частиц, называемым AGS . Протоны из ускорителя ударяются о мишень, отчего рождаются струи других частиц, называемых пи-мезонами (пионами), а те, в свою очередь, распадаются на мюоны. Эти мюоны поляризованы, то есть все их спины направлены вдоль одной оси. Оказавшись внутри громадного сверхпроводящего электромагнита, мюоны начинают двигаться по круговым орбитам внутри вакуумной камеры. Электромагнит, изготовленный в Брукхейвенской лаборатории для описываемой цели, – самый большой в мире. Он настолько больше своих предшественников, что многие полагали невозможным само его создание. Его магнитное поле должно быть равномерным и однородным, и ученые постоянно проверяют его на наличие случайных флуктуаций. Один из методов проверки заключается в использовании особой сенсорной тележки, изготовленной исследователями, которая совершает периодические объезды всей вакуумной камеры. Как-то исследователи установили на ней крошечную видеокамеру и засняли видео ее часовой пробежки, подобной путешествию по длинному и однообразному туннелю подземки.