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

Однако точно измерить объем по объему вытесненной воды очень сложно. Скорее всего, Архимед понял, что вода делает вес его тела меньше (это произошло бы и с венцом тирана), и если определить вес драгоценности на воздухе и в воде, а затем сравнить полученные величины, то можно точно установить плотность короны и затем сравнить ее с плотностью золота. Архимед вряд ли бегал нагишом по улицам города, крича от восторга, хотя история его открытия прекрасно передает настроение ликования, охватывающее исследователя в момент озарения. Кроме того, легенда служит яркой иллюстрацией того, как случайно сделанное открытие превращает обыденное событие в красивый эксперимент.

Среди наиболее перспективных претендентов на второе место в биологических науках – так называемый эксперимент Мезельсона – Сталя, основная тема книги историка науки Фредерика Холмса, которая называется «Мезельсон, Сталь и репликация ДНК. История самого красивого эксперимента в биологии»160. В ходе этого эксперимента, проведенного в 1957 году, было подтверждено, что ДНК реплицируется на основе незадолго до того открытой структуры двойной спирали. В подзаголовке Холмс процитировал мнение одного из авторов эксперимента, отметив при этом, что большинство биологов разделяют эту высокую оценку. Когда он попросил ученых объясниться, они в качестве критериев красоты назвали простоту, точность, чистоту и стратегическую значимость.

Претенденты из области психологии – два эксперимента, которые убедительно опровергли давно сложившиеся догматические представления о поведении животных. Первый из них, проведенный американским психологом Гарри Харлоу, опроверг представление о том, что потребность в еде является главным фактором в отношениях между детенышем приматов и его матерью. Харлоу изготовил набор суррогатных «обезьян-матерей»: проволочных, без мягкой поверхности или покрытых мягкой тканью. В серии экспериментов Харлоу обнаружил, что детеныши обезьян явно предпочитали суррогатных «матерей», покрытых мягкой тканью, даже несмотря на то, что из «соска» проволочной «матери» выделялось молоко161. Совершенно очевидно, что потребность в межличностной эмоциональной привязанности, в любви и нежности, которую символизировала мягкость и теплота ткани, значительно превалировала над потребностью в пище.

Еще одним красивым экспериментом в зоопсихологии стал эксперимент, проведенный Джоном Гарсией и Робертом Келлингом в 1966 году и поставивший под сомнение так называемый закон Берреса Фредерика Скиннера об эквипотенциальности обучающего поведения. Этот закон утверждает, что животное учится по принципу стимула и реакции и при этом любой стимул можно связать с любой реакцией. Крыс, к примеру, можно заставить избегать воды с определенным запахом, если при питье они будут получать удар электрическим током. Гарсия и Келлинг повторили этот опыт с одной группой крыс, но с другой группой изменили стимул и вызывали у них с помощью той же воды тошноту и рвоту. Данный стимул срабатывал гораздо быстрее и значительно более эффективно, нежели электрошок. Описываемый эксперимент убедительно доказал, что вызывание тошноты и страха по-разному воздействуют на процесс формирования условных рефлексов у животных и на то, как животные интерпретируют свое окружение. Этот вывод до такой степени противоречил преобладавшей в то время бихевиористской доктрине эквипотенциальности, что Американская психологическая ассоциация отвергала работы Гарсии еще на протяжении целых десяти лет162.

Технической демонстрацией, которую можно было бы назвать красивой благодаря ее значимости, экономности и определенности, был известный эксперимент Ричарда Фейнмана с опусканием кольца в стакан с ледяной водой в ходе расследования причин крушения космического шаттла «Челленджер». Таким способом исследователь убедительно продемонстрировал, что причиной трагедии стала утрата шаттлом эластичности163.

Еще одним интригующе красивым экспериментом, претендующим на второе место, стали британские экспедиции 1919 года, удостоверившие наличие гравитационного искривления звездного света. По сути, этот эпохальный эксперимент прославил имя Эйнштейна, подтвердив его предсказание, сделанное в 1915 году в рамках общей теории относительности. Однако в самом эксперименте не было ничего особенного. Исключительным нельзя назвать ни само затмение (всем знакомое естественное событие), сделавшее его возможным, ни определение положения звезд (не менее банальная астрономическая технология). Значит, красота данного эксперимента заключена лишь в его грандиозных последствиях?

Некоторые теоретические аргументы бывают настолько лаконичными, четкими и ясными, что заслуживают, по мнению многих респондентов, эпитета «прекрасный». Один из них – доказательство того, что Вселенная не существовала вечно, сделанное Стивеном Хокингом и состоящее всего из шестнадцати слов:

«Это так, ибо если бы это было не так, все в ней было бы одинаковой температуры».

Второй пример прекрасного теоретического аргумента – парадокс Ольберса:

«Взгляните на небо. Оно не везде одинаково яркое. Значит, видимая Вселенная не бесконечна».

Некоторые мои респонденты упоминали инструменты, которые отличает прежде всего особая изобретательность, открывающая новые направления для исследования. Среди них – камера Вильсона (упомянутая в девятой главе), благодаря которой становятся видимыми траектории заряженных частиц и исследования с помощью которой Эрнест Резерфорд когда-то назвал «самым чудесным экспериментом в мире». Среди других инструментов, упомянутых моими респондентами, – рентгеновский интерферометр, сканирующий туннельный микроскоп и «Космотрон», ускоритель элементарных частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Эксперимент, красота которого заключена в особой преданности исследователей своему делу, был проведен итальянскими учеными Марчелло Конверси и Оресте Пиччони во время бомбардировки Рима союзниками в годы Второй мировой войны. Многие итальянские ученые скрывались и даже бежали из страны. Конверси и Пиччони оставались в Риме. Конверси не призвали в армию из-за слабого зрения, Пиччони призвали, но оставили в Риме. Накануне вторжения союзников на Сицилию в июле 1943 года оба ученых ночами работали в университете, собирая из украденной проволоки и радиотехнического оборудования, которое им удалось выменять на черном рынке, достаточно современные на тот момент электронные цепи, с помощью которых намеревались измерить время жизни одной загадочной частицы – мезотрона (частица, присутствующая в космических лучах, непрерывно бомбардирующих земную поверхность).

Вскоре американские самолеты начали бомбить товарную станцию Сан-Лоренцо, располагавшуюся неподалеку от университета, и бомбы иногда попадали на его территорию. В тревоге за судьбу своих исследований Конверси и Пиччони перенесли оборудование в здание пустующей школы, расположенной неподалеку от Ватикана, который бомбардировкам не подвергался. Ученые разместились в подвале, где бойцы Сопротивления хранили оружие. Ситуация еще больше осложнилась после того, как в сентябре итальянское правительство подписало договор о перемирии с союзниками, и Рим оккупировали немцы. Немецкие солдаты схватили Пиччони, но ему удалось откупиться. Оба ученых продолжали свои исследования в лихорадочном темпе.

«Работа была нашей единственной радостью», – вспоминал Пиччони. Накануне освобождения Рима союзными войсками в 1944 году Конверси и Пиччони в результате талантливо проведенного, элегантного и абсолютно убедительного эксперимента показали, что время жизни мезотрона составляет чуть более 2,2 микросекунды – во много раз больше, чем первоначально предполагалось. В подвале посреди сильно разрушенного бомбардировками города Конверси и Пиччони первыми пришли к выводу, что мезотроны (в настоящее время именуемые «мюонами») обладают совершенно иными характеристиками, нежели те, которые им приписывала теория. Это стало значительным шагом вперед на пути к созданию физики элементарных частиц164.

Один из моих собственных кандидатов на первые места в списке красивых экспериментов – эксперимент 1956–1957 годов по несохранению четности, среди организаторов которого была Ву Цзяньсюн. Эксперимент продемонстрировал, что при определенных условиях элементарные частицы и ядра атомов в процессе распада излучают электроны в определенных, предпочтительных, направлениях относительно их спина. Этот эксперимент убедительно опроверг один из фундаментальных и давно устоявшихся стереотипов в физике [18] 165.