Сергей Багоцкий - История науки

В идеале experimentum crucis имеет два исхода. Исход такого эксперимента позволят однозначно ответить на вопрос: «Да» или «Нет».

Однако в большинстве случаев выводы из исхода эксперимента являются не столь однозначными.

Для того, чтобы ограничить круг возможных объяснений результатов эксперимента, наряду с основным экспериментом, ставятся КОНТРОЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, в которых воспроизводится все, кроме воздействия на объект исследования.

Давайте представим себе, что мы живем в XVII веке и хотим понять, почему в мясе появляются личинки мух. То ли потому, что мама-муха отложила на мясо свои яички, то ли потому, что эти личинки зарождаются из мяса.

Для этого можно провести следующий простенький эксперимент. Закроем банку и посмотрим, появятся ли там личинки. Если личинки появились, то значит, мама-муха ни при чем и личинки сами собой зарождаются в мясе. А если в банке, куда закрыт доступ мухам, личинок не будет, стало быть, мама муха отложила туда яйца.

Но не может ли второй исход эксперимента иметь другие объяснение. Например, что мясо какое-то не то и личинки не могут в нем появиться. Для этого нужно сделать контрольный опыт: взять большой кусок мяса, разрезать его на две половинки, и эти половинки положить в две банки, после чего одну банку закрыть, а другую оставить открытой. Если личинки не появятся в обеих банках, значит, дело в том, что или мясо не то, или мух поблизости нет. А если личинки появились только в открытой банке, то можно предположить, что дело в отложенных яичках.

Но насколько однозначно второе объяснение? Может быть, личинки в закрытой банке не появились потому, что им там было нечего дышать. Для того, чтобы исключить эту возможность, нужно провести ещё один контрольный эксперимент, обеспечив в банку доступ воздуха, но закрыв её для мух. Для этого нужно просверлить в крышки маленькие дырочки, через которые может проникать воздух, но не могут проникать мухи. А для того, чтобы исключить откладку яиц через дырочки, банку следует положить на бок.

Если на мясе в открытой банке появились личинки, а на мясе в закрытой банке, куда, тем не менее, проходит воздух, личинки не появились, то можно смело сделать вывод о том, что личинки мух в мясе развиваются из отложенных туда яиц.

Рассмотрим теперь некоторые конкретные научные эксперименты, из которых можно сделать далеко идущие выводы.

До работ Галилео Галилея (1564–1642) считалось, что тяжелые тела падают на Землю быстрее, чем легкие. Этот вывод, казалось бы, следует из наблюдений за падением гирьки и листка бумаги. Гирька падает быстро, а листок медленно плывет по воздуху. Но в весе ли здесь дело? Тем более, что легко показать, что гирьки любого веса падают с одинаковой высоты за одинаковое время.

Для того, чтобы проверить это экспериментально, скрутим листок бумаги в бумажный шарик. Его вес не изменился, но падать шарик будет так же быстро, как и гирька. Стало быть, дело не в весе, а в том, что изменилось при скручивании листочка. То есть, с площадью его поверхности. Можно сделать вывод, что на тело, имеющее большую площадь, действует какая-то сила, направленная в противоположную сторону, которая замедляет падение. Такой силой является сопротивление воздуха.

Попробуем теперь определить зависимость время падения от высоты, с которой падает гирька. Для этого нам понадобится какое-то устройство, измеряющее длину, и какое-то устройство, измеряющее короткие промежутки времени (предположим для простоты, что в нашем распоряжении имеется секундомер, которого во времена Ньютона не существовало).

Оказывается, что время падения будет пропорционально не высоте, а корню квадратному из неё. Эту зависимость можно описать формулой h = (a/2)*t 2, где h и t – это высота и время, а (g/2) – коэффициент пропорциональности. Уже из той формулы видно, что скорость падающего тела непостоянна и вначале тело падает медленно, а затем все быстрее и быстрее.

А теперь вычислим мгновенную скорость падающей гирьки через t 1после начала падения. За это время тело пройдет расстояние h 1, равное (a/2)*t 1 2. А мгновенная скорость по определению – это производная пути от времени, которая будет равна a*t 1. Иными словами, скорость падения будет пропорциональна времени, прошедшему с начала падения. А скорость изменения скорости (её называют ускорением) будет равной постоянной величине а.

Если предположить, что сила, действующая на падающее тело, во время падения остается одной и той же, то мы придем к выводу, что от величины силы зависит не скорость (как считали до Галилея), а ускорение.