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

Демонстрации и описания экспериментов, которые приводятся в учебниках, способны исказить представление о процессе научных исследований, создав у зрителя и читателя впечатление, что научный эксперимент – это всего лишь иллюстрация к заранее проработанной концепции. Поэтому демонстрация способна уничтожить то, что я именую красотой науки. Если научный эксперимент открывает какую-то совсем незначительную истину, писал историк науки Фредерик Холмс, эта истина извлекается из «матрицы сложности» и неизбежно направляет экспериментатора к неким новым измерениям сложности 38. Это в полной мере относится и к эксперименту на Пизанской башне. Ученым потребовалось довольно много времени, чтобы уяснить важность экспериментов с падением тел, которые, в конечном итоге, сделали науку не проще, а, напротив, еще более сложной.

Когда астронавты «Аполлона-15» бросали перышко и молоток на поверхность Луны, это, конечно же, было демонстрацией. Для научного эксперимента (если не брать в расчет наиболее грубые его разновидности) процедура была проведена чрезвычайно небрежно. Никто не измерил высоту, с которой предметы были сброшены. Никого не заботило то, что руки Скотта не были вытянуты параллельно поверхности планеты. Ничего не было сделано, чтобы гарантировать одновременное начало падения предметов, да и в момент их прилунения также не осуществлялось никаких измерений. Слова командира корабля («одним из тех, благодаря кому мы оказались сегодня здесь, был джентльмен по имени Галилей…») подтверждают, что ученым давно и в деталях известны сила притяжения Луны и законы поведения тел под действием ускорения (если бы они этого не знали, с их стороны было бы крайне безрассудно запускать на Луну космический корабль с людьми на борту).

Между прочим, демонстрация с перышком и молотком едва не закончилась полным провалом, даже не начавшись. За несколько мгновений до начала демонстрации командир корабля Дэвид Скотт с ужасом обнаружил, что под действием статического электричества перышко прилипло к перчатке его скафандра. Однако стоило включить камеру, как перышко чудесным образом отлипло, и демонстрация прошла удачно. Экзотическое место проведения, показ в прямом эфире по телевидению, а впоследствии и размещение видеоклипа на сайте НАСА сделали «эксперимент», проведенный командой «Аполлона-15», без сомнения, самой популярной научной демонстрацией в истории.

Рис. 5.Наклонная плоскость с желобом, экспонат Музея истории науки во Флоренции. Этот инструмент был изготовлен в конце XVIII века и предназначался для демонстраций во время лекций. Маятник в задней части плоскости снабжен колокольчиком, который звенит при каждом качании, отмечая, таким образом, равные промежутки времени. Вдоль наклонной плоскости также устанавливаются колокольчики, которые звенят всякий раз, когда мимо них прокатывается шар. Эти колокольчики можно передвигать вдоль желоба, и демонстратор путем подбора размещает их таким образом, чтобы катящийся по желобу шар задевал их одновременно с качаниями маятника. Измерив затем расстояния от начала желоба до первого колокольчика, а также между колокольчиками, демонстратор и его зрители обнаружат, что названные расстояния относятся друг к другу как последовательность нечетных чисел, начиная с единицы – то есть, что длины соответствующих отрезков пути по наклонной плоскости от начала движения прямо пропорциональны квадратам времени движения. Данное приспособление позволяет хорошо продемонстрировать справедливость закона Галилея, однако не существует никаких свидетельств того, что установка Галилея была именно такой

Преподаватели естественных наук называют его альфа-экспериментом или первичным экспериментом. Часто именно он оказывается самым первым экспериментом, который ставят в средней школе на уроках физики. Во многих отношениях он был и первым современным научным экспериментом – то есть таким, в ходе которого исследователь систематически планировал, организовывал и соблюдал некую последовательность действий с тем, чтобы наблюдать результат и в конце концов прийти к открытию нового закона.

Благодаря этому эксперименту, который Галилей успешно провел в 1604 году, в науку вошло понятие ускорения – меры изменения скорости относительно времени. Если эксперимент на Пизанской башне стал частью изучения Галилеем феномена свободного падения тел (и это изучение доказало, что тела разного веса в случае, если сопротивление их движению незначительно, упадут на землю одновременно), то эксперимент с наклонной плоскостью стал результатом анализа Галилеем математического закона, на котором основан феномен свободного падения. Этот эксперимент также окружает определенная тайна, так как на том оборудовании, которым располагал Галилей, он просто не мог достичь той точности, о которой заявлял. Но так же, как и в случае с экспериментом на Пизанской башне, недавние изыскания историков науки обнаружили новые удивительные факты, которые в определенной степени изменили наше представление о Галилее как об экспериментаторе.