10 величайших физических экспериментов, изменивших представление о мире

Основные вехи в нашем понимании мира были отмечены простыми и потрясающими физическими экспериментами, которые поражают нас своей изобретательностью.

1. Г. Галилей: все тела падают с одинаковой скоростью (1589 г.)

Итальянский ученый Галилео Галилей потратил много времени, пытаясь выяснить фундаментальные вещи о том, как устроен мир, включая свет, движение и гравитацию.

В Италии XVI века в науке по-прежнему преобладали теории, которые не сильно изменились со времен древних греков. Так, например, греческий ученый Аристотель утверждал, что более тяжелые предметы падают быстрее, поэтому перо и камень падают с разной скоростью, потому что камень имеет большую массу.

В своем, пожалуй, самом известном эксперименте Галилей доказал, что это неверно. Судя по всему, он сбрасывал шары разной массы с Пизанской башни в Италии. Несмотря на разную массу, два шара упали на землю в один и тот же момент. Эксперимент убедительно доказал, что Аристотель ошибался.

Согласно Галилею, перо падает на землю медленнее, чем камень, потому что сопротивление воздуха замедляет его падение.

2. И. Ньютон разделил белый свет на цвета (1672 г.)

Всем нравится радуга, но откуда берутся эти удивительные цвета? Большинство людей понимают, что капли дождя расщепляют солнечный свет на составляющие его цвета, преломляя разные длины волн в разной степени (фиолетовый преломляется больше, чем красный).

Но если бы вы жили до 1672 года, то не знали бы причины этого явления. Классический эксперимент по дисперсии света был проведен английским ученым Исааком Ньютоном и показал, что обычный свет состоит из разноцветных лучей. Он направил солнечный свет из своего окна на стеклянный призму и разделил белый свет на отдельные цвета.

3. Генри Кавендиш взвешивает Землю (1798 г.)

В Кембридже, Англия, одна из величайших в мире физических лабораторий названа в честь Генри Кавендиша, ученого 18-го века, который взвесил Землю. Неплохая работа, подумаете вы!

На самом деле, знаменитый эксперимент Кавендиша заключался в измерении плотности Земли, по которой можно было рассчитать ее массу.

Его прибор был относительно прост: два маленьких шара на концах стержня и два больших шара на втором стержне. Меньшие шары вращались в обоих направлениях, притягиваемые гравитационной силой, с которой воздействовали на них более крупные шары.

Кавендиш смог вычислить как плотность Земли, так и важную фундаментальную постоянную, называемую гравитационной постоянной. Позже она стала важной частью закона всемирного тяготения Исаака Ньютона и общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, эксперимент Кавендиша заложил основы современной теории гравитации.

4: Томас Юнг: свет — это волна… или нет? (1803 г.)

Ньютон считал, что световой луч подобен потоку миниатюрных частиц или «корпускул». Но другой крупный эксперимент доказал ошибочность данной гипотезы.

В 1803 году Томас Юнг придумал классический эксперимент. Он сделал две узкие щели в ширме и направил на них пучок света. Если бы Ньютон был прав, то Юнг увидел бы в центре экрана две ярки полоски света. Но когда он провел эксперимент, то увидел узор из чередующихся светлых и темных областей. Эта интерференционная картина доказывала, что свет распространяется не как частицы, а как волны.

На этом, казалось бы заканчивается история, но … В 1905 году Альберт Эйнштейн доказал, что свет действительно может вести себя как частица.

Если направить свет на металл, то из него будут выбиваться электроны, способные создать электрический ток. Это явление получило название фотоэлектрический эффект. За создание теории фотоэффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 г.

В результате этого люди пришли к пониманию того, что свет — это частица и волна. Эта теория известная как корпускулярно-волновой дуализм, является одной из ключевых идей квантовой теории.

Последний поворот в этом эксперименте сделал в 1961 году Клаус Йонссон, студент Тюбингенского университета. Он использовал оборудование, подобное тому, что применил Томас Юнг, но заменил световой луч пучком электронов. Примечательно, что он увидел ту же интерференционную картину, доказав, что электроны можно рассматривать как волны, а не как частицы.

5. Джеймс Джоуль: закон сохранения энергии (1840 г.)

Все, что вы хотите сделать, требует энергии. Энергия, которая вам нужна, эквивалентна работе, которую вы хотите выполнить.

Человеком, который доказал это экспериментально, был Джеймс Прескотт Джоуль. В его эксперименте был большой калориметр, наполненный водой, внутри которого было закреплено колесо с лопастями. Оно было соединено с осью, вокруг которой много раз обматывалась веревка. Веревка была пропущена через шкив, и на ее конце был груз. Когда Джоуль отпускал груз, нить через шкив, вращала вал с колесом, которое нагревало воду.

Он позволил грузу упасть примерно 20 раз, чтобы вода нагрелась до температуры достаточной для проведения измерения. Выполнив все свои расчеты, он показал, что количество потенциальной энергии, теряемой падающим грузом, в точности равно количеству тепловой энергии полученной водой.

Таким образом, невозможно создать или уничтожить энергию, но вы можете преобразовать ее из одной формы в другую (в данном случае из потенциальной энергии в теплоту).

6. Ипполит Физо: измерение скорости света (1851 г.)

Свет распространяется с невероятной скоростью. Луч света может совершить семь оборотов вокруг Земли за секунду! В середине 19 века, французский физик Арман Ипполит Луи Физо придумал способ измерения скорости света в лабораторных условиях на Земле.

Он направил луч света (1) на полупрозрачное зеркало (2), так что он прошел через зубчатое колесо (3), вращающееся сотни раз в секунду. Физо расположил зеркало (4) на расстоянии около 8,5 км от своего аппарата, чтобы свет падал на него и, отражаясь, направлялся в телескоп (5).

Он знал, какое расстояние прошел свет. Поэтому ему осталось измерить время, за которое прошел свет это расстояние. Вращающееся зубчатое колесо фактически было его часами: зная, сколько у него зубьев и как быстро оно вращается, он мог регулировать его скорость до тех пор, пока оно не перекрывало свет от дальнего зеркала. В этот момент он знал, что световой луч прошел только один раз от его лампы к зеркалу и обратно.

Он также знал, сколько времени прошло между уходом и возвращением светового луча. Так что все, что ему нужно было сделать, это разделить расстояние на время, чтобы вычислить скорость света. Результат получился примерно 310000 км/с, что было на 5% больше современного значения скорости света.

Позднее аппарат Физо был усовершенствован Леоном Фуко, который заменил зубчатое колесо вращающимся зеркалом. Этот более точный метод позволил ему измерить скорость света и получить результат 298000 км/с, что менее 1% от значения, которое мы используем сегодня.

Еще более точные результаты были позже получены американским физиком Альбертом Майкельсоном.

7. Роберт Милликен: измерение заряда электрона (1909 г.)

Роберт Милликен придумал способ измерения наименьшей единицы электрического заряда путем распыления капель масла между двумя электрически заряженными пластинами, подвешенными горизонтально. Придав им электрический заряд, он обнаружил, что может перемещать заряженные капли вверх и вниз, регулируя напряжение на пластинах, и, измерив скорость их движения, он мог вычислить их заряд.

Как работал эксперимент Милликена? Капля масла имеет массу, поэтому она падает под действием силы тяжести, достигая конечной скорости в момент падения на пластину. Эту скорость измерил Милликен.

Затем он сообщил каплям отрицательный электрический заряд, чтобы остановить их падение и подал положительное напряжение на верхнюю пластину. Другими словами, их вес (действующий вниз) уравновешивался электрической силой притяжения (действующей вверх).

При включении питания он обнаружил, что некоторые капли падают медленнее, некоторые перестают двигаться, а некоторые даже поднимаются вверх. Немного здравого размышления подсказывало ему, что капли должны нести кратное количество основных единиц электрического заряда (другими словами, несколько электронов). Это влияет на то, как быстро они поднимаются или опускаются при включенном питании.

Измерив их конечную скорость при включенном питании, и сравнив ее с их конечной скоростью при выключенном питании, он рассчитал основную единицу электрического заряда, известную теперь как заряд электрона, с достаточно высокой точностью. Эта важная работа принесла ему в 1923 г. Нобелевскую премию по физике.

8. Эрнест Резерфорд: строение атома (1897–1932 гг.)

Древние греки говорили, что материя состоит из фундаментальных строительных блоков – атомов, что означает «нечто, что нельзя разделить».

Представьте себе удивление и восторг ученых в конце 19 века, когда стало ясно, что атомы на самом деле состоят из еще более мелких частиц. Фраза «расщепление атома» означает разные вещи для разных людей. Возможно, правильнее всего будет сказать, что это относится к целой серии экспериментов, проводившихся примерно с 1897 по 1932 год.

Эксперименты по расщеплению атома включали открытие Дж. Дж. Томсоном электрона. В 1897 году была проведена серия экспериментов Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди по исследованию строения атомов.

Из всех экспериментов стоит выделить открытие Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 году. Но одним из самых известных экспериментов является эксперимент с золотой фольгой Гейгера-Марсдена в 1909 г.

Работая в Манчестерском университете в Англии, Резерфорд заставил двух своих студентов, Ганса Гейгера и Эрнеста Марсдена, провести эксперимент по бомбардировке тонкого листа золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами.

Резерфорд и его коллеги были поражены полученными результатами. Однако, его объяснение было гениальным и простым: атомы должны состоять из положительно заряженного ядра с электронами в огромном пустом пространстве, окружающем его.

Большинство альфа-частиц пролетело прямо через это электронное облако и не отклонялось. Те немногие альфа-частицы, которые отклонялись на большой угол прошли очень близко к ядру или взаимодействовали непосредственно с ядром. Поэтому их положительный заряд отталкивался от положительного заряда, который находился в центре атома.

Именно этот эксперимент подтвердил наше современное представление об атоме с центральным ядром и электронами, расположенными вокруг него. Иногда такую модель называют атом Резерфорда или планетарная модель. Позже эта модель была уточнена Нильсом Бором и получила название модели атома Резерфорда-Бора.

9. Энрико Ферми: цепная ядерная реакция (1942 г.)

Эксперимент, проведенный итальянским физиком Энрико Ферми в декабре 1942 года, ознаменовал вступление человечества в атомный век. К этому моменту ученые выяснили структуру атома.

Благодаря удивительным теоретическим открытиям Эйнштейна они также знали, что материя и энергия — это одно и то же, и что небольшое количество материи теоретически может быть преобразовано в огромное количество энергии. Если сложить эти две вещи вместе, получается, что при делении атома должно высвобождаться огромное количество энергии.

Ферми проверил это в Чикагском университете на экспериментальной установке, которую он назвал «атомным котлом». В своем эксперименте он выстрелил нейтроном (незаряженной частицей, содержащейся в ядре атома) в атом урана-235 (урана с относительной атомной массой 235, другими словами в ядре содержится 235 протонов и нейтронов). В результате появился более крупный атом урана-236.

Благодаря добавленному нейтрону, но он настолько нестабилен, что сразу распадается на два меньших атома и два нейтрона. Общая масса меньших атомов и нейтронов была меньше массы породившего их атома урана-236, и эта масса была преобразована в энергию.

Затем два нейтрона разлетелись и вызвали деление других атома урана-235, что привело к еще двум реакциям… которые затем привели к четырем реакциям… и так далее. Это знаменитая цепная реакция, которая приводит в действие ядерные бомбы и высвобождает энергию на атомных станциях.

10. Розалинда Франклин: получение фотографий ДНК с помощью рентгеновских лучей (1953 г.)

Известно, что Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон открыли структуру ДНК (молекулы, несущей наш генетический материал, с двумя нитями, переплетающимися друг с другом по образцу, известному как двойная спираль ). За это гениальное открытие они разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 году с Уилкинсом, который провел рентгеновские исследования, основываясь на дифракции рентгеновских волн.

Крика, Уотсона и Уилкинса по праву прославили за их открытие. Но один ключевой член команды не попал в список Нобелевских премий — это Розалинда Франклин. Она умерла от рака четырьмя годами ранее, в 1958 году, в возрасте всего 37 лет (Нобелевскими премиями посмертно не присуждаются).

Франклин сделала особенно важную фотографию рентгеновской дифракции, которая позволила получить огромное количество информации о структуре ДНК. Хотя важность ее работы была подтверждена учеными, она никогда не пользовалась таким признанием, как Крик, Уотсон и Уилкинс. Большинство людей, не являющихся учеными, даже не знают ее имени.

Автор Крис Вудфорд, перевод