Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

100 фундаментальных экспериментов,
на которые опирается современная физика:
от Галилея до наших дней.

Введение

На этой и последующих страницах мы познакомимся с некоторыми кирпичиками, без которых здание современной физики было бы неустойчивым. Это эксперименты, которые легли в основу физики и до сих пор являются замечательными примерами полета человеческой мысли. Необходимо заметить, что само понятие эксперимента, а также экспериментальной истины в физической науке является нетривиальным. Действительно, немало экспериментов знамениты тем, каким образом из всего разнообразия происходящих в природе явлений в них выделялись явления и механизмы, интересные в рамках исследуемой задачи. После получения экспериментальных данных выводы обобщаются далеко за пределы условий проведенного эксперимента — и именно понимаемые так, наблюдательные данные составляют содержание экспериментальной истины. Пожалуй, этим наука существенно отличается от технологии; в этом ее и сила и ее слабость. Сила состоит в возможности, основываясь на эксперименте, сделать некоторый вывод, предсказывающий сразу множество других, еще не полученных результатов, а то и говорящий что-то об устройстве Вселенной. Слабость же заключается в том, что обобщения экспериментальных результатов, какими бы очевидными они не казались, таят в себе некоторые теоретические предпосылки; иными словами, для интерпретации эксперимента обязательна теория. Технология свободна от этого недостатка: то, что мы умеем делать в данных условиях, мы повторяем всегда в такой же лаборатории, а возможность получения того же результата в других условиях необязательна.

Конечно же, величайшие ученые античности и средневековья могут обидеться: почему же их оставили за рамками данной антологии? Действительно, само слово «физика» своим появлением обязано Аристотелю (IV в. до н.э.) и означает науку о Природе (т.е. о проявленном мире, в отличие, например, от мира идей Платона). Физика также именовалась «второй философией», в противовес «первой философии» — метафизике — которая изучала первопричины, причины всего сущего. Несмотря на то, что эллины развили в своих рассуждениях большинство категорий, просуществовавших в физике почти без изменения до начала XX века (пространство, время, движение, момент времени, сила, луч, траектория, атом, эфир и др.), тот факт, что физика считалась «второй», оставлял приоритет познанию первопричин, т.е. метафизическим дискуссиям. Поэтому, например, древние греки додумались до таких, по сути, метафизических принципов, как законы сохранения,

«Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться» (Эмпедокл, V в. до н.э.),

а также вариационные принципы,

«…из всех лучей, падающих из данной точки и отражающихся в данную точку, минимальны те, которые от плоских и сферических зеркал отражаются под равными углами» (Герон Александрийский, I в. до н.э.).

Чисто философскими размышлениями о наблюдаемых явлениях часто можно было обосновать все что угодно; это подчеркивали софисты, доходя даже до утверждения, что абсолютной истины вообще не существует, и у каждого она своя. Несмотря на такую «неубедительность» философии, активное использование экспериментального метода в Древней Греции было невозможно, и все ограничивалось, в крайнем случае, возникновением апорий (ситуаций, верных с логической точки зрения, но расходящихся с опытом и стереотипами).

Приоритетностью изучения метафизики объясняется и тот факт, что в математике и геометрии эллины преуспели гораздо больше, чем в физике (вспомним хотя бы формулу Герона, пять платоновых тел и доказательство иррациональности числа , придуманное Пифагором). Действительно, математика и геометрия считались оперирующими с образами чистых, неоспоримых истин, таких, как равенство вертикальных углов. Достаточно нарисовать пересекающиеся прямые — и поспорить с данным утверждением будет невозможно: оно оче-видно. Физика же воспринималась как наука о подлунном мире, в котором все изменчиво и относительно. Поэтому ее изучение не вело к вечным истинам.

Развитие науки было бы невозможным и без вклада Индии и Арабских стран, в которых активно развивались математика и астрономия (тогда в рамках астрологии). Более того, классические труды Платона и Аристотеля до эпохи Возрождения были известны только на Востоке — в тогдашней Европе вообще не знали про этих философов... В отношении физики упомянем индийского астронома и математика Арьябхату, который в 499 г. н.э. предложил гелиоцентрическую модель Солнечной системы, на основе которой объяснил природу затмений, дал радиусы планетарных орбит, а также открыл глаза на то, что Луна лишь отражает свет Солнца, а не светится сама. Тем не менее, его изыскания наткнулись на колоссальный прессинг со стороны касты священников-Брахманов, которые, опираясь на авторитет Вед и всеобщее мнение, настаивали на ошибочности выводов Арьябхаты.

За периодом Античности последовало Средневековье. В эту эпоху познание мира в основном фокусировалось на познании Бога, поэтому занятия физикой (наукой о Природе) почитались за мирские, второсортные. Влияние Католической церкви было сильным и в эпоху Возрождения, поэтому, например, сам Николай Коперник, предлагая свою гелиоцентрическую систему, несколько раз повторял, что она является сугубо приближенной моделью, не претендует на мировоззренческую роль, а, главное, может служить теорией, на основе которой можно будет точнее вычислять дни церковных праздников. Опять же, единственный экспериментальный опыт, который был приемлемым для средневековой церкви — это иллюминативный опыт, т.е. состоящий из экстатических озарений. Однако, в современном понимании, озарение не является полноценным экспериментом, поскольку оно не обладает свойством повторяемости, а условия его возникновения не подлежат исследованию.

Наконец, наступает период, послуживший колыбелью экспериментальной физике, а, следовательно, и физике в целом. Это эпоха Возрождения (Ренессанса), а более точно — конец XVI – начало XVII века. В эпоху Возрождения установилось мировоззренческая позиция, согласно которой человеческое тело является совершенным образом Творца (т.н. антропоцентризм). Нетрудно перенести такой подход и на весь созданный Творцом мир: последний также является его совершенным образом. Следовательно, о Творце и мире в целом можно судить, исследуя повседневные, окружающие нас явления: падение и столкновение тел, смену погоды, изучая внутренние органы человека и поражающие его болезни и т.д. Так начинает формироваться образ ученого как естествоиспытателя — а не только созерцателя и пассивного философа. Этот образ примерно соответствует и современному ученому. С эпохи Ренессанса начинается расщепление натурфилософии (философии Природы) на физику, астрономию, медицину, биологию и т.д. И лишь в двадцатом веке появляются и начинают играть важную роль смежные области, такие как биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия, развиваются физические методы в медицине.

Современная физика — наука крайне разветвленная, имеющая стыки с многими другими науками. Тем не менее, в своем фундаменте физика состоит из следующих разделов:

  • Механика — наука о движении тел, а также причинах движения и равновесия. Центральным объектом в механике является система материальных точек. Формально говоря, к этой области может быть отнесена специальная теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, изучающая движение при околосветовых скоростях.
  • Теория поля — в частности, электродинамика, т.е. область физики,  изучающая электромагнитное взаимодействие зарядов и токов и законы распространения электромагнитных волн. Сюда же можно отнести механику сплошных сред, в частности, гидродинамику, изучающую закономерности движения потоков жидкостей и газов, а также оптику, посвященную изучению световых волн (электромагнитных волн определенного частотного диапазона). Наконец, общая теория относительности (ОТО), описывающая гравитационное поле, в свою очередь, принадлежит данной области физики.
  • Термодинамика и статистическая физика — область, изучающая тепловые явления, а также явления, связанные с тепловым движением молекул и их взаимодействием (в частности, давление газов и поверхностное натяжение жидкостей). Кроме того, статистическая физика изучает поведение систем большого числа частиц и образование в них статистических закономерностей из детерминистических законов, даваемых механикой и теорией поля.
  • Квантовая теория, в частности, атомная физика. Здесь производится попытка совместить принцип корпускулярно-волнового дуализма (КВД) с перечисленными выше областями. Математическое осмысление этого принципа привело к так называемой процедуре квантования классических теорий, дающей их квантовые аналоги. Квантовая теория позволила разработать непротиворечивую модель атома и химической связи, объяснить свойства металлов и полупроводников, устойчивость нейтронных звезд и др. Кроме того, результатом применения основных принципов квантовой теории к теории поля стала так называемая Стандартная модель, упорядочивающая многообразие элементарных частиц и описывающая взаимодействие между ними.

Добавятся ли в этот перечень существенно новые фундаментальные области? Кто знает... Сейчас же мы перейдем к экспериментальным основам уже утвердившихся областей. Относительно каждого эксперимента, помимо его существа и примерной даты проведения, мы скажем и о таких его особенностях:

  • Оригинальные методы исследований. Предлагал ли данный эксперимент какой-либо метод, важный для развития экспериментальной физики в целом?
  • Прямота эксперимента. Насколько прямым был данный эксперимент,  т.е. насколько малым был набор теоретических предположений, неявно использовавшихся при интерпретации полученных в эксперименте результатов?
  • Искусственность изучаемых условий. Имел ли эксперимент наблюдательный характер (например, наблюдение за звездами или наблюдение спектров излучения атомов), или же в нем исследовалась система, специально помещенная в условия, редко встречающиеся в доступной наблюдению природе (например, исследования искусственно созданной в лаборатории плазмы, которая может реально существовать внутри звезд).
  • Исследуемые фундаментальные принципы. Проливают ли ответы, даваемые данным экспериментом, свет на какие-либо фундаментальные принципы устройства физического мира? (Пример: измерения скорости света в эксперименте Майкельсона–Морли подтвердили принцип относительности Эйнштейна).

Теперь мы готовы к отправлению в наше путешествие — надеюсь, оно окажется увлекательным для читателя. Все эксперименты будут перечислены в списках, открывающихся по ссылкам ниже. Первый список упорядочен по областям физики, во втором же эксперименты выстроены в хронологической последовательности. Щелкая на названиях экспериментов левой клавишей мыши, вы попадете в раздел, посвященный конкретному эксперименту. Для того, чтобы посмотреть краткое описание эксперимента, не переходя к посвященной ему страничке, щелкните на надписи «Краткое описание...» справа от его названия.

Перейти к списку экспериментов (по областям физики) >>
Перейти к хронологическому списку экспериментов >>